Электроника: Рабочая программа, задание на контрольную работу

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Северо-западный Государственный заочный политехнический университет

Кафедра процессов управления и информационных систем

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА ЭЛЕКТРОНИКА Рабочая программа Задание на контрольную работу

Факультет информатики и техники управления Специальность 210100 – управление и информатики в технических системах Направление подготовки бакалавра : 550220 – автоматизация и управление

Санкт-Петербург 2003

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 681.527.7:621.38.07 Электроника : Рабочая программа, задание на контрольную работу.- С-Пб.: СЗТУ, 2003,-16 с. Данная методическая разработка включает рабочую программу. Рабочая программа разработана в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 651900 (специальность 210100 – «Управление и информатика в технических системах») и направлению подготовки бакалавров 550220. Она отражает основные положения общей теории информационной и силовой электроники, схемотехнику типовых функциональных блоков на базе аналоговых и цифровых микросхем. Особое внимание уделено аппаратному и программному обеспечению современных микропроцессорных модулей. Рассмотрено на заседании кафедры процессов управления и информационных систем 20.03.2003 года. Одобрено методической комиссией факультета информатики и систем управления 18 .04.2003 года. Рецензенты : кафедра электротехники, вычислительной техники и автоматизации Санкт-Петербургского института машиностроения (зав.каф.В.М.Шестаков, д-р.техн.наук,проф, В.П.Демидов канд.техн.наук.,доц) Б.М.Беляев, канд.техн.наук..доцент кафедры процессов управления и информационных систем СЗТУ.

Составитель : В.И.Репкин, канд.техн.наук, доц.

ПРЕДИСЛОВИЕ Цель и задачи дисциплины Целью настоящего курса является ознакомление с многообразием электронных устройств автоматики, а также с теорией и практикой их построения. Задачи изучения дисциплины результате изучения данной дисциплины студент должен

В знать:

схемотехнику типовых функциональных блоков информационной электроники на базе силовых и цифровых микросхем, -схемотехнику типов функциональных блоков силовой элекники; уметь: анализировать схемы электронных средств автоматизирован-ных и автоматических информационных и управляющих сис –тем ; эксплуатировать электронную аппаратуру систем автоматизации управления, иметь : представление об основных направлениях и перспективах развития микропроцессорной техники, а также ознакомиться с основными техническими характеристиками отечественных и зарубежных ЭВМ, в том числе управляющих вычислитель ных комплексов.

1. Содержание дисциплины 1.1. Рабочая программа объемом

(140 часов)

Введение (2 часа) [1],c3-8 Назначение и содержание курса ’’ Электроники’’ и его связь с другими дисциплинами специальности. Основные этапы развития электроники. Роль отечественных и зарубежных учебных. Значение электроники при решении задач по разработке электронных средств обработки информации, управления и контроля, построенных преимущественно на микропроцессорной основе. Задачи и перспективы развития электроники и микросхемотехники. Вопросы для самопроверки 1.Какие задачи стоят перед электроникой ? 2.Перечислите основные этапы развития электроники. 3.Назовите имена ученых внесших большой вклад в развитие электроники. Раздел 1 Элементы электроники (14 часов) [2] c5-49 Основы полупроводниковой электроники. Классификация характеристики и области применения. Полупроводниковые диоды – общего применения, силовые импульсные, высоко частотные, стабилитроны, варикапы. Полупроводниковые приборы с отрицательным сопротивлением(негатроны) – тунельные и двухбазовые диоды, тиристоры и симисторы. Биполярные и полевые транзисторы. Принципы работы ,основные схемы включения и их вольамперные характеристики. Силовые транзисторы с изолированным затвором IGBT, интеллектуальные транзисторы MOSFET, тиристоры типа IGCT. Основы микроэлектроники. Гибридные и полупроводниковые интегральные микросхемы. Большие и

сверхбольшие интегральные схемы. Комплекты интегральных схем. Элементы функциональной микроэлектроники – оптоэлектроника, акустоэлектроника, криоэлектроника, хемоэлектроника. Вопросы для самопроверки 1. Какими параметрами принято характеризовать элементы электроники ? 2.Почему у полупроводниковых диодов вольтамперная характеристика в области больших прямых токов близка к линейной зависимости ? 3.Перечислите схемы включения транзистора. Какая из этих схем позволяет получить максимальное усиление по мощности, по напряжению и по току 4.Какая из схем включения наибольшим сопротивлением?

транзистора

обладает

5.Перечислите основные параметры, которыми принято характеризовать работу тиристора. 6.Рарисуйте структурную схему биполярного транзисто – ра с изолированным затвором. 7.Какими преимуществами обладают изделия микроэлектроники по сравнению с изделиями на дискретных элементах? 8.Почему надежность ИС выше, чем схемы из диодных приборов с таким же числом элементов? 9.Объясните,в чем заключается эффект Джозефсона? 10.Какие изменения можно ожидать при дальнейшем развитии устройств функциональной микроэлектроники?

Раздел 2.Усилители электрических сигналов (20 часов) [2] c 50-89 Классификация основные параметры и характеристики электронных усилителей. Однокаскадные усилители на биполярном и полевом транзисторе. Выбор режимов работы усилителя и оценка температурной нестабильности рабочей точки в транзисторных каскадах, термокомпенсация режима работы. Усилители переменного и постоянного тока. Усилители мощности, выходные каскады с трансформаторными связями и реализация бестрансформаторных усилителей. Назначение и особенности усилителей постоянного тока в интегральном исполнении. Применение операционных усилителей системах управления и в схемах автоматики. Параметры и характеристики серийных интегральных усилителей, выпускаемых промышленностью. Источники сигналов на операционных усилителях. Генера- торы гармонических, пилообразных и прямоугольных колебаний. Интеграторы, дифференциаторы, компараторы и ограничители сигналов. Вопросы для самопроверки 1.Сравните однокаскадные усилители, выполненные на биполярных и полевых транзисторах 2.Как влияет отрицательная обратная коэффициент усиления и его стабильность?

связь

на

3.Какими показателями принято характеризовать работу выходных каскадов усилителей? 4.Как выбирается режим работы транзисторов оконечного каскада, работающего в классе В? 5.Что называют дрейфом нуля усилителя постоянного тока? 6.Перечислите функциональные основные каскады операционного усилителя(ОУ). 7.Нарисуйте зависимость коэффициента усиления ОУ от частоты.

Раздел 3.Цифровые микросхемы и блоки на их основе (24 часа) [2] с80-129 Основные элементы алгебры логики. Законы булевой алгебры. Классификация типов логических микросхем и их характеристики. Функциональные устройства цифровой микросхемотехники. Комбинационные микросхемы программируемые логические матрицы, шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, де мультиплексоры, сумматоры, арифметико-логические устройства, компараторы. Последовательные микросхемы и устройства. Триггеры и триггерные устройства - асинхронные и синхронные, однотактные, многотактные, с внутренней задержкой, примеры построения схем, таблиц истинности и временных диаграмм. Регистры: параллельные и последовательные, реверсивные, типовые схемы, области применения, примеры интегрального исполнения. Блоки для преобразования последовательного кода в параллельный и обратно. Преобразователя прямого кода в обратный и дополнительный. Оперативная, постоянная и буферная память. Вопросы для самопроверки 1. В чем заключается представление чисел в двоичном коде? 2. Какие логические элементы являются универсальными 3.Как работает Т- триггер?4. Что такое синхронный триггер? 5. Как работает счетчик импульсов? 6.Что такое дешифратор и как он работает? 7. В чем заключаются преимущества и недостатки параллельного или последовательного способа цифровой информации? 8. Какая обратная связь и почему применяется в триггере Шмитта? 9. Что такое компаратор и для чего он применяется? Раздел 4. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (10 часов) [2],с132-138 Общие положения процесса аналого-цифрового преобразования. Методы преобразования последовательного

и поразрядного уравновешивания, считывания. Быстродействие преобразователей напряжения в код и сравнительная оценка некоторых структур. Принципы действия и структуры аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Примеры практической реализации преобразователей. Вопросы для самопроверки 1.Каково назначение АЦП и ЦАП? 2. Какие методы преобразования используют в АЦП? 3.Чем определяется погрешность преобразования при методах последовательного уравновешивания, считывания? 4. Каковы достоинства и недостатки основных методов преобразования ? 5. Чем определяется диапазон изменения входного напряжения АЦП? Раздел 5.Архитектура микропроцессорных устройств (30 часов) [4] с.3-39 Классификация, функциональные схемы, принципы работы и сферы применения.Основные направления развития микропроцессорной техники – однокристальные микропроцессоры с наращиваемой разрядностью и микропрограммным управлением , микропроцессоры с фиксированной разрядностью и программированием на ассемблере. Классификация команд микропроцессора – передачи данных, арифметические и логические операции, передачи управления, ввода-вывода и специальные операции. Основные режимы адресации и их символическое представление на языке ассемблера. Вопросы для самопроверки 1.Из каких основных модулей состоит микропроцессор? 2. Сколько машинных тактов занимает команда ADD 3.Как работает команда MOV A, M?

4.Перечислите основные логические команды. 5. Как работает команда CALL? 6. Какие команды называются арифметическими? 7. В каком регистре находится флаг нуля? 8. Перевести десятичное шестнадцатеричное.

число

252

в

двоичное

и

9. Что такое флаг переноса? Раздел 6.Электронные устройства преобразования и стабилизации электрической энергии (24 часа ) [2]с.4-75 Назначение и области применения промышленных силовых устройств электроники. Структурная схема источника питания, типы выпрямительных схем : однополупериодная, двух с нулевым выводом, мостовая. Работа выпрямителя полупериодная на активную и емкостную нагрузку. Основные параметры выпрямителей. Сглаживающие фильтры. Индуктивный и емкостной фильтры, их основные параметры и области применения. Стабилизаторы напряжения их типы и основные параметры. Компенсационные и параметрические стабилизаторы, их схемы регулирующих элементов, источников опорного напряжения и схемы сравнения. Общая характеристика интегральных стабилизаторов. Особенности интегральных стабилизаторов напряжения промышленного изготовления. Автономные инверторы и преобразователи частоты. Вопросы для самопроверки 1. По каким соотношениям рассчитываются действующие и средние значения несинусоидальных токов и напряжений? 2.Как изменится напряжение на выходе стабилизатора при уменьшении опорного напряжения в компенсационном стабилизаторе?

3.Как изменится коэффициент стабилизации компенсационного стабилизатора, если уменьшить коэффициент усиления усилителя, собранного на ОУ ? 4.Как изменится выпрямленное напряжение управляемого выпрямителя при изменении угла управления от нуля до девяноста градусов? 5.Как можно регулировать мощность, передаваемую через инвертор? 6. Объяснить процессы коммутации в однофазном управляемом выпрямителе и ведомом инверторе. 7.Вывести уравнение внешней характеристики выпрямителя и входной характеристики инвертора. 8.Как изменится выходное напряжение инвертора тока при увеличении емкости конденсатора и частоты?

Раздел

7.Элементы

автоматизации схемотехнического проектирования электронных схем (10часов) [10] с.3-50 Общие сведения о схемотехническом проектировании. Методы машинного анализа статических состояний, переходных процессов и частотных характеристик электронных схем. Разработка, модели рование, тестирование и отладка электрических цепей, усилителей, цифровых микросхем и блоков на их основе с использованием интегрированных прикладных пакетов программ – Electronics Workbench , Matlab (Simulinc). 1.2. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения (16 часов) 1. Физические основы электронной техники .…2часа 2. Классификация электронных элементов……2 часа 3. Аналоговые микросхемы и блоки на их основе…………………………………………………….2 часа 4. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи……………………………………2 часа 5.Цифровые микросхемы и блоки на их основе.2 часа

6.Архитектура и принципы построения микропроцессоров……………………………………..2 часа 7. Основные понятия преобразовательной электроники………………………………………….…..2 часа 8.Источники вторичного электропитания с преобразованием по высокой частоте……………………………………….2 часа 1.3. Тематика практических занятий (8 часов) 1.Изучение программного комплекса Electronics Workbench …………………………………….4 часа 2.Изучение прикладного программного пакета Simulink…………………………………………4 часа. 1.4.

Примерный перечень лабораторных работ (12 часов)

1. Моделирование интегрирующих RC – цепей…1 час. 2.Исследование работы логических элементов и построение простейших логических схем на их основе. 3.Исследование работы триггеров…………………2 часа. 4. .Исследование операционного усилителя………1 час. 5. Исследование АЦП и ЦАП……………………….2 часа. 6. Программирование простейших программ МП.2 часа. 7.Разработка и исследование основных модулей автономного инвертора…………………………………2часа. 8.Исследование параметрического и компенсационного стабилизаторов напряжения…………………………..2часа. 2. Литература Основная : 1. Прянишников В.А. Электроника (курс лекций).М.: Высшая школя,1997. 2. Буранов С.А.Электроника .ч.1и 2,уч.пособие, СПб.: СЗГТУ, 2000. 3. М.Гук Процессоры intel от 80086 до Pentium IV,М,: Додэка,1999. 4. Репкин В.И. Управляющие микроЭВМ и микропроцессоры.ч.1.СПб.: ПИМаш,2000.

Дополнительная: 5. Репкин В.И. ,Дробышева Н.Е.ЭВМ и аппаратные средства систем автоматизации ч.1, СПб.: ПИМаш. 6.Шестаков В.М.,Дмитриев В.Ф.,Репкин В.И. Электрон ные устройства САУ ,уч.пособие,СПб.: ПИМаш. 7. Электроника в экспериментах и упражнениях. Том 2 / Под ред.Д.И.Панфилова /,М.: Додека, 2000. 8. Б.Ю.Семенов. Силовая Электроника для любителей и профессионалов.М.: Солон-Р, 2001. 9.Ибрагим К.Ф.Основы электронной техники : элементы,схемы,системы.Пер.с анг.-М.: МИР,1997. 10.Хоровиц П.,Хилл У. Искусство схемотехники : в 3-х томах, М.: МИР,1993. 3. Задание на контрольную работу Тема: Разработка источника бесперебойного автономного питания. Студенты специальности 2101 должны выполнить одну контрольную работу. Контрольная работа может быть выполнена по индивидуальному заданию, связанному с производственной деятельностью студента. В этом случае задание должно быть согласовано с преподавателем, ведущим данную дисциплину. Правила оформления контрольной работы. В расчетной записке следует привести условие задачи, исходные данные для расчета, полную принципиальную электрическую схему, спецификацию элементов микроэлектроники, используемых в схеме и последовательный расчет всех узлов. Все используемые формулы пишутся со ссылкой на литературу. Размерности числовых величин указываются в системе СИ. Схемы, рисунки и графики должны быть выполнены в соответствии с требованиями ЕСКД. Страницы, формулы и рисунки должны быть пронумерованы. Кроме того контрольная работа должна иметь титульный лист с указанием темы задания, номера варианта. В конце работы следует привести список использованной литературы, на которую даются ссылки в тексте. Контрольная должна быть выполнена на листах формата А4.

Варианты исходных данных приведены в таблице № 1и определяются по двум последним цифрам студенческого билета. Последняя цифра соответствует величине напряжения источника питания (п/п1). Предпоследняя цифра соответствует мощности нагрузки(п/п 3). Требуется провести технический расчет следующих основных блоков и составить принципиальную схему источника бесперебойного автономного питания: • Конвертора преобразователя; • Выпрямителя и фильтра конвертора; • Задающего генератора; • Высоковольтного инвертора и его системы управления. Варианты исходных данных. Таблица № 1 № п/п 1 2 3 4

5

Исходные 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 данные Источник питания 24 12 36 18 12 24 36 48 24 12 Uп(В) Дейст.напр. 220 на нагруз. 220 220 220 220 220 220 220 220 220 Uн(В) Мощность 260 210 230 220 270 240 250 240 200 280 В нагруз(Вт) Коэффициент гармоник 5 6 5.,5 7 7,5 5,5 6 6,5 7 5 на нагрузке Кг% Частота Гц 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50

Приведем краткое техническое описание блоков структурной схемы источника бесперебойного автономного питания, представленных на рис.1 а, б, в. Каждой оси диаграммы присвоен номер выходного напряжения соответствующего блока структурной схемы, и указаны величины этих напряжений и частот. На рис.1а силовые блоки 1…7 преобразователя показаны над пунктирной линией. Для формирования выходного напряжения преобразователя ≈220В, 50Гц без низкочастотного

трансформатора необходимо получить постоянное напряжение 310В (Uмакс = √2 * 220 = 310 В) и затем методом широтно-импульсной модуляции преобразовать его в синусоидальное (см. рис. 1б, оси 4,5). Поскольку выходная мощность невелика, высоковольтный инвертор (блок 5) следует выполнить по полумостовой схеме. К выходу этой схемы за счет конденсаторов плеч проводится половина напряжения источников питания. Поэтому, чтобы в диагонали полумоста напряжение было 310В, напряжение питания должно быть 620В. Такое напряжение должно быть на выходе конвертора (блок 4, ось 4). Таким образом, принцип действия силовой части преобразователя заключается в следующем: стабильное напряжение 24В с аккумулятора 1 поступает на вход транзисторного инвертора 2, который преобразует на высокой частоте это напряжение в переменное прямоугольное с амплитудой 620В (рис. 1б, ось 2). Затем это напряжение выпрямляется (блок 3), и после фильтра 4 поступает на вход инвертора 5. Под действием устройства управления (блоки 9…16) ключ К1, например, выключается N раз по закону широтноимпульсной модуляции (ШИМ) так, что длительность каждого высокочастотного импульса пропорциональна амплитуде синусоидального напряжения (см. рис. 1в, оси 10, 15) конкретной фазы полуволны. Эти N импульсов образуют полуволну выходного напряжения (рис. 1б, оси 5,6) с т/2 = 10 мс (f = 50Гц). Затем, аналогичным образом включается ключ К2, и на выходе блока 5 формируется вторая полуволна напряжения. После фильтра Ф2(6) в нагрузку 7 поступает синусоидальное напряжение с заданным коэффициентом гармоник (ось 6). Устройство управления состоит из двух частей: системы управления СУ (блок 8) инвертора 2 и устройства управления инвертора 5 (блоки 8…16). Блок СУ является маломощным автогенератором с трансформаторным выходом для управления транзисторами инвертора 2. Устройство управления инвертора 5 работает следующим образом: напряжение с выхода генератора синусоидального напряжения ГСН (блок 9) поступает на выпрямитель 10 и затем на компаратор 11. На другой вход компаратора поступает импульсы с генератора пилообразного напряжения ГПН (блок 15). В интервалах времени, где U10>U15, на выходе компаратора формируются

прямоугольные импульсы с переменной длительностью. Таким образом, блоки 9,10,11,15 осуществляют ШИМ/2/. Прямоугольные импульсы поступают одновременно на оба логических элемента 2И – НЕ (блок 12 а, б), на другие входы которых поступают импульсы с выходов счетного триггера ( блок 17 б ) управляемого компаратором 16. С каждой новой полуволной синусоидального напряжения триггер переключает широтно – модулированные импульсы управления с одного выходного канала ( 3а, 14а) на другой (13б,14б)/1,2 /.