Электроника
Направление подготовки: 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств»
Факультет подготовки инженерных кадров
Форма обучения заочная
Срок обучения ускоренный срок
по индивидуальному плану
Курс 3
Семестр 5 6
Зачетных единиц 2 4
Всего часов по учебному плану, час. 72 144
Всего часов аудиторных занятий, час. 8 12
Лекции, час. 4 4
Лабораторные работы, час. 4 4
Практические занятия, час 4
Контрольная работа, семестр 5
Курсовая работа, семестр 6
Зачет (семестр) 5
Экзамен (семестр) 6
Разработали: доц. Кулагин Р. Н. e-mail: app@vstu.ru
доц. Шостенко С. В.
Заведующий кафедрой АПП Сердобинцев Ю.П.
Волгоград 2017
1. Аннотация дисциплины
Целью изучения дисциплины является освоение современной элементной базы электронной техники и принципов построения усилительных, импульсных и цифровых устройств, освоение инженерных методик их расчета, а также разработка нестандартных узлов электронных систем управления.
Учебная дисциплина «Электроника» базируется на соответствующих разделах физики, математики, электротехники и информатики, теории автоматического управления.
Основные положения дисциплины используются при изучении следующих курсов: «Технические средства автоматизации», «Вычислительные машины системы и сети», «Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов», «Программное управление станками и комплексами», «Проектирование автоматизированных систем», а также в курсовом и дипломном проектировании.
2. Содержание учебной дисциплины " Электроника"
Таблица 2.1
| № темы | Название основных тем и вопросов, изучаемых в рамках дисциплины | Кол-во часов, отводимых на лекции по теме |
| Роль электроники в автоматизации технологических процессов. Интегральная технология и ее влияние на схемотехнику электронных устройств. Классификация полупроводниковых приборов. | С | |
| Физические основы полупроводниковых приборов. Приборы на основе p-n перехода: выпрямительные диоды, свето- и фотодиоды, стабилитроны. Область применения, ВАХ, основные параметры, схемы включения. | С | |
| Биполярные транзисторы: принцип работы, входные и выходные характеристики, параметры, схемы включения | С | |
| Полевые транзисторы. Разновидности, принцип действия, основные параметры и характеристики. Особенности применения. | С | |
| Тиристоры. ВАХ, режимы работы. Основные параметры. Применение. Определение максимальной мощности, коммутируемой в нагрузке. | С | |
| Усилительные устройства. Основные показатели. Влияние обратных связей на свойство усилителя. | С | |
| Усилители на транзисторах. Схемотехника. Графический анализ работы усилительного каскада. Стабилизация режимов работы. Методы расчета каскада. | ||
| Усилители мощности. Схемотехника и режимы работы. Определение КПД усилителей класса А и класса В. | ||
| Операционные усилители (ОУ). Структура, основные параметры и схемы включения: инвертирующий и неинвертирующий ОУ, суммирующий, интегрирующий и дифференцирующий ОУ. Уравнения передачи. | С | |
| Цифровые устройства. Основные понятия, системы счисления и их взаимный перевод. Логическая функция, таблица состояний, законы Де Моргана. | С | |
| Импульсные устройства. Параметры и спектр импульсных сигналов. Ключевой режим работы транзистора. Условия работы транзистора в областях насыщения, отсечки, переключения. Выбор типа транзистора. | ||
| Логические элементы (ЛЭ). Схемотехника ЛЭ ТТЛ, КМОП, основные параметры. Условия согласования ЛЭ с источником сигнала и нагрузкой. | ||
| Типовые комбинационные устройства: мультиплексор, демультиплексор, дешифратор, сумматор, цифровой компаратор. Схемотехника и особенности применения. | С | |
| Триггеры. Структура, принцип действия и режимы работы: RS-, D и JK – триггеров. | ||
| Счетчики импульсов (СИ). Структура, принцип действия двоичных СИ с последовательным и параллельным переносом. Определение коэффициента пересчета. Универсальный реверсивный счетчик на ИМС. | С | |
| Делители частоты (ДЧ) следования импульсов. Методы построения. Определение коэффициента деления. Типовые ДЧ на ИМС. | ||
| Регистры памяти и сдвига. Структура, принцип действия. Последовательный и параллельный ввод-вывод двоичных чисел. | С | |
| Формирователи импульсов (ФИ). Назначение, типовые ФИ с запуском от фронта и среза входных сигналов. Ждущий мультивибратор, таймер, триггер Шмитта. Схемотехника, режимы работы, применение. | С | |
| Итого |
Примечание: С – самостоятельная работа студентов.
Лабораторные работы
Таблица 3.1
| Номер работы | Наименование лабораторной работы | Объем, час. |
| Исследование усилительных каскадов на биполярном транзисторе | ||
| Исследование логических элементов ТТЛ | ||
| Исследование типовых последовательностных устройств | ||
| Итого |
Самостоятельная работа студентов
В течение пятого семестра студенты выполняют контрольную работу, которая предусматривает расчет схемы транзисторного усилительного каскада с общим эмиттером. В течение шестого семестра выполняется курсовая работа по теме «Цифровой блок управления электроприводом транспортера», которая предусматривает разработку принципиальной электрической схемы и чертежа печатной платы (формат А3). Выполненная контрольная работа должна быть зарегистрирована в деканате ФПИК не позднее, чем за 1 неделю до зачетно - экзаменационной сессии.
Задания выдаются индивидуально каждому студенту по вариантам согласно последней цифре номера зачетной книжки.
Контрольная работа
Задание. Составить и рассчитать схему транзисторного усилительного каскада с общим эмиттером, определить его коэффициент усиления 
, входное сопротивление 
и выходное сопротивление 
для условий холостого хода 
и при включенной нагрузке 
. Построить диаграммы напряжений на входе, коллекторе и нагрузке. В схеме предусмотреть эмиттерную стабилизацию режима работы транзистора.
Исходные данные:
– напряжение питания 
;
– сопротивление резистора в цепи коллектора 
(таблица 4.1);
– частота входного сигнала 
;
– параметры транзистора 
.
| Вариант | ||||||||||
|
Таблица 4.1
Методические указания
Расчет каскада начинают с определения рабочей точки транзистора 
, обеспечивающей режим работы каскада в классе 
. Используя коэффициент передачи транзистора 
, определяют рабочий ток базы 
и напряжение 
, по которому рассчитываются сопротивления базового делителя. При этом задают ток делителя 
и напряжение на эмиттере 
Емкость 
конденсаторов на входе, выходе и эмиттере определяется из условия 
«
, где – сопротивление резистора 
, 
или 
.
Параметры усилительного каскада 
, и рассчитываются по известным формулам, при этом для нагруженного усилительного каскада вместо подставляется эквивалентное сопротивление
.
При построении диаграммы напряжения на коллекторе необходимо учитывать постоянную составляющую 
, а также сдвиг фазы этого сигнала относительно входного.
В связи с малым значением сопротивлений и емкость конденсаторов может быть значительной (10 – 100 МкФ). Поэтому выбираются конденсаторы, например, типа К50 – 16. Номинальные значения емкости этих конденсаторов соответствуют ряду Е 12, а рабочие напряжения выбираются из ряда: 6,3; 10; 15; 20; 25 В и т. д.
Курсовая работа
Объект разработки
Разработать цифровой блок управления (ЦБУ) электроприводом для позиционирования транспортера в соответствии с заданным количеством кодовых импульсов датчика угла поворота электропривода.
ЦБУ должен содержать фотоэлектрический импульсный датчик (ФИД), формирователь импульсов (ФИ), счетчик импульсов (СИ) с предустановкой, командный триггер (КТ) и импульсный усилитель мощности (ИУМ).
Исходные данные
- Элементная база:
ТТЛ (вариант для четной предпоследней цифры зачетки),
КМОП (вариант для нечетной предпоследней цифры зачетки),
- Диапазон изменения угла поворота: 150 + 5 n ± 5 кодовых импульсов.
- Относительный световой ток фотодиода 1С / 1Т = 15 + n
- Номинальное напряжение электродвигателя, (В): UН = 100 – 8 n
- Пусковой ток электродвигателя, (А): Iпуск = 1 + n
n – вариант по последней цифре зачетки
Содержание работы
- Принципиальная схема ЦБУ (АЗ)
- Перечень элементов (А4)
- Чертеж печатной платы (А3).
- Пояснительная записка (ПЗ) с расчетом параметров элементов, и обоснованием их выбора.
- Функциональная схема (рисунок по тексту ПЗ)
- График статической характеристики ФИ с отмеченными уровнями всех сигналов (рисунок по тексту ПЗ).
Методические указания
Датчик представляет собой оптрон, преобразующий поток излучения светодиода и импульса тока фотодиода за счет периодического прерывания потока излучения вращающимся щелевым диском, установленным на валу привода. Ток фотодиода кроме световой составляющейIc, имеет темновую составляющую Iт и составляющую помехи Iп, возникшую на частоте вибрации.
Формирователь импульсов выполняется на основе триггера Шмита, который повышает крутизну фронта импульсов датчика, а также устраняет влияние помехи и темнового тока фотодиода на выходной сигнал.
Счетчик обеспечивает подсчет числа импульсов датчика, сформированных ФИ и выдает на командный триггер сигнал после получения заданного кода на выходе. Для изменения этого кода, соответствующего заданному углу поворота, необходимо предусмотреть специальный переключатель-задатчик.
Командный триггер формирует сигнал управления электроприводом по командам «ПУСК» и «СТОП», которые могут подаваться как вручную от соответствующих кнопок, так и от внешних устройств.
Импульсный усилитель мощности содержит силовой транзистор, обеспечивающий необходимый ток в якорной цепи электродвигателя при включении от командного триггера.
Вопросы для подготовки к экзаменам
1. Классификация и маркировка полупроводниковых приборов, области их применения. Принцип действия p-n перехода.
2. Выпрямительные диоды. Назначение, вольт-амперная характеристика, основные и предельные параметры. Условия выбора диода.
3. Фотодиоды. Назначение, вольт-амперная характеристики, основные параметры, режимы работы, схемы включения, применение.
4. Светодиоды. Назначение, вольт-амперная характеристика, основные параметры, режимы работы, схема включения, применение.
5. Стабилитроны. Вольт-амперная характеристика, основные параметры, схема включения, точность стабилизации.
6. Биполярные транзисторы. Принцип действия, основные свойства, схемы включения.
7. Биполярные транзисторы. Статические характеристики БТ в схеме ОЭ, определение входного сопротивления и выходной проводимости.
8. Биполярные транзисторы. Система h-параметров. Основные и предельные параметры.
9. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом. Принцип действия, статические характеристики, основные и предельные параметры.
10. Полевые транзисторы с изолированным затвором. Принцип действия статические характеристики, особенности применения.
11. Тринисторы. Вольт-амперные характеристики, режимы работы, схема включения, основные и предельные параметры. Условия выбора тринистора.
12. Усилительные устройства. Области применения, разновидности, принцип действия усилительного каскада.
13. Многокаскадные усилители. Основные показатели, виды межкаскадных связей, определение общего коэффициента усиления.
14. Обратные связи в усилителях. Виды и типы ОС, их влияние на все показатели усилителя.
15. Обратные связи в усилителях. Определение параметров Ku, Rвх, Rвых в усилителе с последовательно-параллельной ОС.
16. Усилительный каскад с ОЭ. Графический анализ работы каскада, выбор рабочей точки, причины нелинейных искажений выходного сигнала.
17. Усилительный каскад с эммитерной стабилизацией режима работы. Схема, принцип действия, определение параметров Ku, Rвх, Rвых.
18. Усилительный каскад с ОК. Схема, принцип дейсвия, определение параметров Ku, Rвх, Rвых, область применения.
19. Усилители мощности. Схема УМ на комплиментарных транзисторах. Принцип действия, условия выбора транзисторов, причины нелинейных искажений выходного сигнала.
20. Усилители мощности. Сравнительный анализ работы и энергетические показатели усилителей класса А и В, определение КПД.
21. Операционные усилители (ОУ) на ИС. Назначение и области применения. Структура и основные параметры ОУ на интегральных микросхемах.
22. Инвентирующий масштабный ОУ. Схема включения, определение параметров Ku, Rвх..
23. Неинвентирующий масштабный ОУ. Схема включения, определение параметров Ku, Rвх..
24. Суммирующий и вычитающий ОУ. Схемы включения, уравнения передачи.
25. Интегрирующий и дифференцирующий ОУ. Схемы включения, уравнения передачи, реакция на ступенчатое и импульсное воздействия.
26. Цифровые устройства, основные типы, отличие цифровых и аналоговых сигналов. Логическая функция и таблица состояний. Закон Де Моргана.
27. Импульсный режим работы биполярного транзистора (БТ). Состояние насыщения, условия его обеспечения. Определение мощности рассеиваемой транзистором при насыщении.
28. Импульсный режим работы БТ. Состояние отсечки, условие обеспечения. Определение мощности, рассеиваемой транзистором при отсечке.
29. Импульсный режим работы БТ. Область преключения, время включения и выключения транзистора. Определение мощности, рассеиваемой транзистором при переключении.
30. Импульсный режим работы БТ. Характеристики импульсного сигнала. Схема импульсного каскада. Определение полной мощности, рассеиваемой транзистором, условие его выбора.
31. Логические элементы, классификация. ДРЛ элементы «ИЛИ», «И». Схемы, принцип действия, логическая функция, таблица состояний.
32. Логические элементы ТТЛ. Базовый элемент «И-НЕ». Принцип действия, входная и передаточная характеристики.
33. Логические элементы ТТЛ. Основные параметры, достоинства и недостатки, условия согласования с источником сигнала и нагрузкой.
34. Логические элементы на КМОП транзисторах. Основные параметры, достоинства и недостатки. Элемент «НЕ», схема, принцип действия.
35. Логический элемент «И-НЕ» НА КМОП транзисторах. Схема, принцип действия.
36. Логический элемент «ИЛИ-НЕ» НА КМОП транзисторах. Схема, принцип действия.
37. Триггеры. Основные типы, применение. Структура асинхронных и синхронных RS-триггеров, принцип действия, таблица состояний.
38. D-триггер. Структура, принцип действия, обеспечение счетного режима, применение.
39. JK-триггер. Структура, принцип действия, таблица состояний.
40. Двоичные счетчики импульсов с последовательным переносом. Схема, принцип действия, диаграмма работы, таблица состояний, недостатки.
41. Двоичные счетчики импульсов с параллельным переносом. Принцип построения. Универсальный реверсивный счетчик на ИС, обозначение и режимы работы.
42. Делители частоты. Способы построения. Структура делителя частоты с заданным коэффициентом деления на основе суммирующего счетчика и логического элемента.
43. Делители частоты на основе вычитающего счетчика со входами предустановки. Схема включения, режимы работы. Первичная запись коэффициента деления.
44. Регистр памяти с параллельным вводом. Схема, принцип действия.
45. Регистр сдвига. Схема, принцип последовательного ввода чисел.
46. Мультиплексор. Обозначение, принцип действия, логическая функция, связь между количеством информационных и адресных входов.
47. Демультиплексор. Обозначение, принцип действия, логическая функция, связь между количеством входов и выходов.
48. Сумматоры. Принцип суммирования одноразрядных двоичных чисел. Схема, обозначение, логическая функция полусумматора.
49. Сумматоры. Принцип суммирования многоразрядных двоичных чисел. Схема и принцип действия n-разрядного параллельного сумматора с последовательным переносом.
50. Формирователи импульсов (ФИ). Назначение; типовые ФИ с запуском от фронта и среде входных сигналов; триггер Шмитта; ФИ с запуском от электромеханических контактов.
6.Основная и дополнительная литература
Основная