1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью дисциплины является изучение принципов действия, характеристик и параметров импульсных схем, узлов, устройств, элементов электронных схем, полупроводниковых приборов, интегральных микросхем, предназначенных для передачи, преобразования и генерации импульсных электрических сигналов.
Основная задача дисциплины - дать основы знаний в области методов инженерного анализа, проектирования и применения импульсных схем, узлов и устройств, предназначенных для использования в различных приборных комплексах, применяемых в физических экспериментах или технологических процессах.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП
2.1. Междисциплинарные связи с обеспечивающими (предыдущими) дисциплинами
Изучение дисциплины требует от студентов специальных знаний по общей физике и математике. Данной дисциплине должны предшествовать такие учебные дисциплины:
- высшая математика;
- теория цепей и сигналов;
- физические основы и элементная база электроники;
- аналоговая схемотехника.
Студенты должны иметь знания по следующим разделам выше указанных дисциплин:
- высшая математика: интегральное и дифференциальное исчисление, функции комплексных переменных; теория цепей и сигналов: электрическое поле, магнитное поле, электромагнитные колебания, цепи постоянного и переменного тока, методы расчета электрических цепей, спектральный анализ электрических сигналов; физические основы и элементная база электроники: электрическая проводимость твердых тел, проводимость металлов и полупроводников, электропроводность газов, электрический ток в вакууме, энергетические уровни, принципы действия, характеристики и параметры полупроводниковых приборов, интегральных микросхем; аналоговая схемотехника: принципы построения и анализа схем аналоговой электроники.
2.2. Междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
Материал курса используется при изучении специальных дисциплин, связанных:
- с измерительными устройствами и системами,
- с автоматизированными контролирующими и управляющими системами,
- с технологическими установками, использующими электронные узлы и блоки,
а именно,
- Проектирование импульсной и микропроцессорной техники; Электроника и автоматика физических установок.
3. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Перечень формируемых компетенций
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
- использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования; способностью проводить математическое моделирование процессов и объектов на базе стандартных пакетов автоматизированного проектирования и исследований; способностью использовать технические средства для измерения основных параметров объектов исследования, к подготовке данных для составления обзоров, отчетов и научных публикаций; способностью к наладке, настройке, регулировке и опытной проверке оборудования и программных средств ; использовать современные технические средства измерения и контроля ;
В результате изучения дисциплины студенты должны:
знать и уметь использовать:
- характеристики и параметры элементной базы электронных устройств;
- типовые импульсные электронные устройства;
владеть:
- навыками практического использования типовых импульсных электронных устройств;
- навыками формулировки задания на разработку электронных устройств.
иметь опыт:
- работы с электронными измерительными приборами, пакетами прикладных программ, предназначенных для моделирования профессиональных задач.
4. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Виды учебной работы по дисциплине и формы итогового контроля знаний, соответствующие данной образовательной программе, с разбивкой объема работы по часам и семестрам для существующих форм обучения приведены в табл. 4.1.
Таблица 4.1. Трудоемкость дисциплины в академических часах (очная форма обучения)
Виды учебной работы, формы контроля | Всего | Семестр |
8 | ||
Общая трудоемкость по учебному плану | 102 | 102 |
Аудиторные занятия | 68 | 68 |
Лекции (Л) | 51 | 51 |
Практические занятия (ПЗ) | ||
Лабораторные работы (ЛР) | 17 | 17 |
Самостоятельная работа студентов (СРС) | 34 | 34 |
кол-во контр. меропр. | 2 | 2 |
объем в часах | 8 | 8 |
Курсовой проект (КП) | ||
Курсовая работа (КР) | ||
Расч.-граф. работа (РГР) | ||
Расчетная работа (РР) | ||
Графическая работа (ГР) | ||
Домашняя работа (ДР) | ||
Реферат | 6 | 6 |
Коллоквиум | 2 | 2 |
Контрольная работа | ||
Подготовка к ауд. занятиям | 26 | 26 |
Вид промежуточного контроля | ||
Зачет (З) | ||
Экзамен (Э) | Э | |
Зачет дифференцир. (ЗД) |
5. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
5.1 Содержание разделов дисциплины
5.1.1 Введение.
Место электроники в условиях НТР. Основные импульсные схемы и устройства приборов экспериментальной физики. Их классификация.
5.1.2 Основные параметры и определения
Виды импульсных сигналов. Параметры электрических импульсов. Методы анализа импульсных процессов. Переходный процесс в цепи 1-го порядка. Экспоненциальная функция. Выбор постоянной времени и порога срабатывания в пороговых устройствах.
5.1.3 Линейные импульсные цепи.
Элементы линейных цепей. Разделительные цепи. Передача скачка напряжения, прямого импульса и ЛИН через разделительную цепь. Укорачивающие цепи. Влияние внутреннего сопротивления генератора, паразитной емкости нагрузки и конечного фронта нарастания входного сигнала на работу укорачивающей цепи. Дифференцирующие цепи. Интегрирующие цепи. Электронный интегратор.
5.1.4 Нелинейные импульсные цепи.
Модели и эквивалентные схемы элементов имеющих нелинейные ВАХ. Диоды. Транзисторы. Цифровые логические вентили ТТЛ и ЭСЛ серий. Цепи с диодами. Фиксаторы уровня, цепи восстановления постоянной составляющей. Ограничители уровня. Динамическое смещение. Нелинейные цепи с транзисторами. Ключ на биполярном транзисторе. Статический и динамический режим работы ключа. Времена переключения. Методы сокращения длительности переключения. Ускоряющая емкость, ненасыщенный ключ, ключ с НОС.
5.1.5 Формирователи импульсов.
Соединение логических вентилей. Соединение ЛЭ с резистором и емкостью. Формирователи задержанных импульсов с дифференцирующей и интегрирующей цепями на входе. Формирователи укороченных импульсов на ТТЛ элементах. Расширители импульсов.
5.1.6 Импульсные генераторы
Принципы построения генераторов импульсов на основе ключевых схем с ПОС. Основные качественные показатели генераторов импульсов. Классификация генераторов.
Бистабильные генераторы. Триггер. Триггеры на биполярных транзисторах. Статический и динамический режимы работы триггера. Методы улучшения динамических свойств триггера. Способы запуска триггера. Цепи запуска. Триггер с эмиттерной связью. Интегральные триггеры. Классификация и динамические свойства. Триггер Шмитта. Триггер - формирователь на логических вентилях. Генераторы моностабильных и астабильных колебаний. Релаксационные генераторы прямоугольных импульсов. Мультивибраторы на биполярных транзисторах. Методы улучшения формы импульсов. Ждущий мультивибратор. Автоколебательный мультивибратор. Мультивибратор с эмиттерной связью. Мультивибратор с импульсным мостовым элементом. Мультивибраторы на операционных усилителях и логических элементах. Импульсные генераторы на интегральных микросхемах. Генераторы линейно-изменяющегося напряжения. Основные качественные показатели ЛИН. Получение ЛИН путем заряда - перезаряда конденсатора постоянным током. Методы стабилизации тока конденсатора. Заряд конденсатора через большое сопротивление. Использование токостабилизирующих двухполюсников. Компенсационные методы: использование положительной и отрицательной обратных связей. Техническая реализация ГЛИН. ГЛИН на интегральных элементах: на операционных усилителях и логических элементах. Примеры основных схем ГЛИН, их качественные показатели, особенности выбора основных элементов схемы и их расчетов.
5.1.7 Синхронизация и стабилизация временных параметров генерируемых импульсов.
Установление режима синхронизации. Режимы синхронизации. Синхронизация короткими импульсами и синусоидальным напряжением.
Методы стабилизации. Стабилизация с использованием кварцевых резонаторов. Требования к выбору элементов времязадающих цепей.
5.1.8 Импульсные устройства наносекундного диапазона.
Специфика наносекундных электронных схем. Особенности элементов наносекундных устройств. Пассивные элементы и особенности их работы в ВЧ и СВЧ диапазонах. Элементы с распределенными параметрами. Условия согласования: отражение, режим холостого хода, короткого замыкания. Искажения передаваемого импульса. Линии передачи и их типы.
Активные элементы в наносекундном диапазоне. Транзисторы, диоды, интегральные схемы ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ. Особенности работы, параметры и характеристики.
Формирование и преобразование импульсов помощью разрядной линии. Влияние неидеальностей на форму импульсов. Схемы с разрядной линией. Укорочение импульсов с помощью короткозамкнутого отрезка линии. Укорочение при использовании линии с разомкнутым концом.
Формирование крутых перепадов с использованием диодов с накоплением зарядов. Схемы с использованием ДНЗ. Каскадное включение. Параллельно-последовательное включение.
Формирователи на интегральных схемах.
Генераторы импульсов с задержанной обратной связью. Принцип действия, особенности функционирования. Генераторы с экспандером, генераторы с ограничителем, генераторы на ИС с элементами задержки в виде отрезков линии.
5.1.9 Заключение.
Тенденции развития принципов построения и использования импульсных схем. Использование современной элементной базы электроники в импульсной схемотехнике.
5.2 Разделы дисциплины и виды занятий
Перечень разделов дисциплины с указанием трудоемкости их освоения в академических часах, видов учебной работы с учетом существующих форм освоения приведен в табл. 5.1.
Таблица 5.1. Перечень разделов дисциплины с указанием трудоемкости их освоения для очной формы обучения
Разделы дисциплины | Трудоемкость освоения раздела дисциплины, час. | ||||||||||||||||
Номер раздела | Наименование раздела | Семестр изучения | Общая трудоемкость раздела, час | Аудиторные занятия по данному разделу, час | Лекции | Практические занятия | Лабораторные работы | Самостоятельная работа студентов | Курсовой проект (КП) | Курсовая работа (КР) | Расчетно-граф. работа (РГР) | Расчетная работа (РР) | Контрольная работа (КР) | Домашняя работа (ДР) | Реферат | Коллоквиум | Подготовка к ауд. занятиям |
5.1.1 | Введение | 8 | 1 | 1 | 1 | ||||||||||||
5.1.2 | Основные параметры и определения | 8 | 5 | 3 | 2 | 1 | 2 | 2 | |||||||||
5.1.3 | Линейные импульсные цепи | 8 | 6 | 4 | 4 | 2 | 2 | ||||||||||
5.1.4 | Нелинейные импульсные цепи | 8 | 14 | 10 | 6 | 4 | 4 | 4 | |||||||||
5.1.5 | Формирователи импульсов | 8 | 12 | 10 | 6 | 4 | 2 | 2 | |||||||||
5.1.6 | Импульсные генераторы | 8 | 46 | 30 | 22 | 8 | 16 | 6 | 2 | 8 | |||||||
5.1.7 | Синхронизация и стабилизация временных параметров импульсов | 8 | 6 | 4 | 4 | 2 | 2 | ||||||||||
5.1.8 | Импульсные устройства наносекундного диапазона | 8 | 11 | 5 | 5 | 6 | 6 | ||||||||||
5.1.9 | Заключение. | 8 | 1 | 1 | |||||||||||||
Итого по дисциплине | 102 | 68 | 51 | 0 | 17 | 34 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 6 | 2 | 26 |
6. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ И САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
6.1. Лабораторный практикум
Номер работы | Номер раздела | Наименование работы | Время на выполнение работы, час |
1 | 5.1.2 | Импульсные сигналы и их параметры; методы получения и измерения. | 1 |
2 | 5.1.4 | Электронный ключ. | 4 |
3 | 5.15 | Формирователи импульсов. | 4 |
4 | 5.1.6 | Мультивибраторы. | 4 |
5 | 5.1.6 | Генераторы ЛИН. | 4 |
6.2. Практические занятия
Практические занятия не предусмотрены
6.3 Самостоятельная работа студентов и мероприятия текущего контроля
6.3.1 Перечень тем рефератов
Импульсные генераторы в интегральном исполнении. (10 вариантов заданий); Схемы формирования импульсов наносекундного диапазона (10 вариантов заданий).6.3.2 Перечень тем домашних работ
Не предусмотрен
6.3.3 Перечень тем контрольных работ
Не предусмотрен
6.3.4 Перечень тем расчетных работ
Не предусмотрен
6.3.5 Перечень тем расчетно-графических работ
Не предусмотрен
6.3.6 Тематика коллоквиумов
1. Нелинейные импульсные схемы и импульсные генераторы.
7. ТЕМАТИКА КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Не предусмотрен
8. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
8.1 Рекомендуемая литература
8.1.1 Основная литература
Дьяконов и генераторы сигналов: – М.: ДМК Пресс, 2009.–384 с. Мелешко импульсная электроника.–М: ФИЗМАТЛИТ, 2007.–320 с.8.1.2 Дополнительная литература
Ерофеев устройства. М.,Высшая школа, 1989, 527с. Гольденберг устройства. М., Радио и связь, 1981, 224с. Мелешко электроника в экспериментальной физике. М., Энергоатомиздат, 1987, 216с. Мелешко схемы в наносекундной ядерной электронике. М., Атомиздат, 1977, 192с. Агоханян наносекундной импульсной техники. М., Атомиздат, 1967, 376с.8.2 Методические разработки кафедры
Мультимедийный учебно-методический комплекс по дисциплине «Импульсная техника»: учебное пособие для студентов дневной формы обучения по специальности 140306 «Электроника и автоматика физических установок», УГТУ-УПИ. Екатеринбург: УГТУ, 2007. http://study. ustu. ru/umk_view. aspx? id=937
8.3 Программное обеспечение
Офисный пакет MS Office 2010 Программный пакет Electronics Workbench.8.4 Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
Материалы в электронном виде на сервере кафедры ЭФ:
\\Epd\\DC\Учеба\Импульсная техника. (http://study. ustu. ru/umk_view. aspx? id=937)
9. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
9.1 Общие требования
Аудитории оснащенные мультимедийным оборудованием и специализированные лаборатории для проведения лабораторных работ.
9.2 Сведения об оснащенности дисциплины специализированным и лабораторным оборудованием
Аудитории оснащенные мультимедийным оборудованием (Ф-349).
Рабочие места в специализированной лаборатории для проведения лабораторных работ оснащены современными электронными измерительными приборами, вычислительной техникой и программным обеспечением (Ф-374).
10. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
10.1 Рекомендации для студента
Наличие аудиторных занятий и часов для самостоятельной работы предполагает:
Обязательное посещение лекций ведущего преподавателя. Лекции – основное методическое руководство при изучении дисциплины, наиболее оптимальным образом структурированное и скорректированное на современный материал. В лекции глубоко и подробно, аргументировано и методологически строго рассматриваются главные проблемы темы. В лекции даются необходимые разные подходы к исследуемым проблемам. Подготовку и активную работу на лабораторных занятиях. Подготовка к лабораторным занятиям, выполняемая в часы самостоятельной работы, включает проработку материалов лекций, рекомендованной учебной литературы.10.2 Рекомендации для преподавателя
- глубокое освоение теоретических аспектов тематики курса, изучение специальных литературных источников; составление списка литературы, обязательной для изучения и дополнительной; разработку методики изложения курса: структуры и последовательности изложения материала; составление тестовых заданий, контрольных вопросов; разработка методики самостоятельной работы студентов; постоянную корректировку структуры, содержания курса.
10.3 Перечень контрольных вопросов для подготовки к итоговой аттестации по дисциплине
ГЛИН с отрицательной обратной связью на ОУ. Метод линеаризации, схема и основные расчетные соотношения. Ограничители уровня на диодах. Принципы действия, схемы и основные расчётные соотношения. ГЛИНы на ОУ. Принципы построения, особенности схем. Основные расчётные соотношения. Интегрирующие цепи. Работа такой цепи в реальной схеме. Формирователь импульсов на логических элементах с интегрирующей RC – цепью на входе. Формирователь импульсов на логических элементах с дифференцирующей RC цепью на входе. Принципы действия, схемы и основные расчетные соотношения. Импульсные мультивибраторы на интегральных логических элементах. Принципы построения, особенности схем. Основные расчётные соотношения. Времена переключения ключа на биполярном транзисторе по схеме ОЭ. Методы сокращения времён переключения. Симметричный мультивибратор на БТ. Принцип действия и основные расчётные соотношения. Методы улучшения формы импульсов. Триггер формирователь (с гистерезисом) на интегральных логических элементах. Принцип действия и расчётные соотношения. Фиксаторы уровня (нулевого, произвольного, вершины импульса). Ждущий мультивибратор на БТ. Принцип действия и основные расчётные соотношения. Методы улучшения формы импульса. Интегрирующие и дифференцирующие цепи. Работа таких цепей в реальной схеме. Основные расчётные соотношения. ГЛИН на БТ с положительной обратной связью. Принцип действия и расчётные соотношения. Методы улучшения работы. Мультивибратор на операционном усилителе. Принцип действия, основные параметры и расчётные соотношения. Методы сокращения длительности переключения ключа на БТ. Формирователи импульсов на логических элементах с RC – цепью на входе. Принципы действия, схемы и основные расчётные соотношения. Экспоненциальная функция. Условия выбора постоянной времени и порога срабатывания в пороговых устройствах.. Укорачивающие RC - цепи. Работа такой цепи в реальной схеме. ГЛИН с использованием заряда ёмкости через резистор. Принципы построения, особенности схемы. Основные расчётные соотношения.Перечень ключевых слов дисциплин
№ раздела | Наименование раздела | Ключевые слова раздела |
5.1.1 | Введение | импульсные схемы классификация |
5.1.2 | Основные параметры и определения | электрические импульсы методы анализа переходный процесс экспоненциальная функция постоянная времени |
5.1.3 | Линейные импульсные цепи | разделительные цепи интегрирующие цепи укорачивающие цепи скачёк напряжения ЛИН |
5.1.4 | Нелинейные импульсные цепи | нелинейные ВАХ цепи с диодами фиксаторы уровня ограничители уровня ключ ускоряющая емкость ключ с НОС |
5.1.5 | Формирователи импульсов | задержанные импульсы укороченные импульсы расширители импульсов |
5.1.6 | Импульсные генераторы | триггер цепи запуска триггер Шмитта мультивибраторы генераторы ЛИН |
5.1.7 | Синхронизация и стабилизация временных параметров импульсов | режимы синхронизации стабилизация кварцевые резонаторы |
5.1.8 | Импульсные устройства наносекундного диапазона | линии передачи разрядная линия короткозамкнутая линия диодов с накоплением зарядов генераторы с задержанной обратной связью экспандер ограничитель |
СОДЕРЖАНИЕ
Титульный лист 1
Аннотация содержания дисциплины 2
1. Цели и задачи дисциплины 3
2. Место дисциплины в структуре ООП 3
3. Требования к результатам освоения дисциплины 3
4. Объем дисциплины и виды учебной работы 4
5. Содержание дисциплины 5
5.1. Содержание разделов дисциплины 5
5.2 Разделы дисциплины и виды занятий 7
6. Практические занятия и самостоятельная работа 8
7. Тематика курсового проектирования 8
8. Учебно-методическое обеспечение 8
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины 9
10. Методические рекомендации по изучению дисциплины 9
10.1 Рекомендации для студента 9
10.2 Рекомендации для преподавателя 10
10.3 Перечень контрольных вопросов к аттестации по дисциплине 10
10.4. Перечень ключевых слов дисциплины 11
Содержание 12
Приложение 1.
Библиографические ссылки:
N п\п | Раздел дисциплины | № источника по списку | Страницы |
1. | Введение | ||
2. | Основные параметры и определения | 1 2 3 | 5 – 20 8 – 39 4 - 6 |
3. | Линейные импульсные цепи | 1 2 3 | 20 – 66 40 – 95 7 - 16 |
4. | Нелинейные импульсные цепи | 1 2 | 66 – 102 96 - 185 |
5. | Формирователи импульсов | 1 2 | 102 – 119 291 – 298 243 - 264 |
6. | Импульсные генераторы | 1 2 | 188 – 194 284 – 289 306 - 332 265 – 303 326 – 388 393 – 399 422 - 455 |
7. | Синхронизация и стабилизация временных параметров импульсов | 2 | 388 - 393 |
8. | Импульсные устройства наносекундного диапазона | 5 | |
9. | Заключение. | 1 |
Литература:
, Импульсные и цифровые устройства: Учеб. пособие для вузов. - М., Радио и связь, 1992, - 336 с.: ил. Ерофеев устройства. М.,Высшая школа, 1989, 527с. Гольденберг устройства. М., Радио и связь, 1981, 224с. Мелешко электроника в экспериментальной физике. М., Энергоатомиздат, 1987, 216с. Мелешко схемы в наносекундной ядерной электронике. М., Атомиздат, 1977, 192с. Агоханян наносекундной импульсной техники. М., Атомиздат, 1967, 376с. Устройство формирования линейно изменяющегося напряжения: Методические указания /. Екатеринбург: УГТУ, 1996. – 27с. Генераторное устройство: Методические указания /. Екатеринбург: УГТУ, 1996. – 32с. Устройство управления каналом горизонтального отклонения осциллографа: Методические указания /. Екатеринбург: УГТУ, 1996. – 34с. Функциональные узлы устройства управления осциллографом: Методические указания /. Екатеринбург: УГТУ, 1996. – 27с.