 |
Перечень лабораторных работ
|
|
|
|
Методические указания, контрольные задания
И задание на курсовой проект (работу)
По дисциплине
«общая электротехника и электроника»
Для студентов заочного обучения специальности АТ
Электротехнического факультета
Пермь, 2008 г.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
И КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
по дисциплине
«общая электротехника и ЭЛЕКТРОНИКА»
Составитель: Бобров И.И., к.т.н., доцент Заневский Э.С к.т.н.,проф.
Приведены методические указания по самостоятельному изучению дисциплины «Общая электротехника и электроника», контрольные задания и методические указания по выполнению контрольных заданий, а также задания на курсовое проектирование и рекомендации и его выполнению. Предназначено для студентов заочного отделения.
Рецензент: Кропачев Г. В., к.т.н., доцент
Издание стереотипное. Утверждено на заседании кафедры
УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
В дисциплине "Общая электротехника и электроника " студенты знакомятся с исключительно важной и интересной отраслью современной техники - электроникой, представленной на современном этапе, в основном микроэлектроникой (для некоторых специальностей этот курс называется промышленной электроникой, электронными элементами автоматики и др.) Электроника играет огромную роль во всех областях человеческой деятельности. Особенно велика ее роль в техническом прогрессе. Круг вопросов, связанных с электроникой, весьма обширен и сложен. В курсе рассматривается лишь часть вопросов, таких, как физические основы действия и характеристики электронных полупроводниковых приборов, как дискретных, так и микроэлектронных; схемы и принцип работы распространенных, несложных электронных устройств, на базе которых создаются более сложные устройства различных управляющих и вычислительных систем.
|
|
|
Следует иметь в виду, что при самостоятельном изучении электроники студенты встречают ряд трудностей, связанных с появлением в ходе изучения новых понятий и явлений. Для успешного изучения дисциплины электроники необходимы знания основ электротехники (ТОЭ) и физики и достаточная настойчивость и систематичность при изучении. Для студентов читаются установочные лекции, в которых даются более подробные указания и уточнения по изучению дисциплины. На примерах раскрывается содержание некоторых (ключевых) тем, их глубина и порядок изучения. Для удобства изучения материал дисциплины разбит на небольшие темы, а в каждой теме выделены более мелкие вопросы, являющиеся ключевыми в данной теме, на которые следует обратить внимание при изучении.
В процессе изучения нужно выполнить контрольные задания, приведенные в конце указаний. После выполнения контрольных заданий студенты выполняют лабораторные работы в лаборатории электроники кафедры автоматики и телемеханики (лаб. 330, корпус А, комплекс) под руководством преподавателя. После получения зачетов по контрольным заданиям и по лабораторным работам (по лабораторным работам студенты сдают отчеты индивидуально) студенты допускаются к сдаче экзамена и зачета.
Распределение объемов учебных занятий по дисциплине приведено в табл. 1.
Таблица 1
| Занятия, часов | |||||||
| Дисциплина | Семестр | Лекции | Лабор. работы | Практич. занятия | Самост. работа | Выполнение контр.раб. | Контроль |
| Электроника и схемотехника | Контр. раб. Курс. проект | Экзамен |
Основной формой изучения дисциплины является самостоятельная работа с использованием рекомендованной литературы. Можно использовать другую учебную литературу по электронике (не приведенную в списке), предназначенную для вузов или для радиотехнических и электротехнических техникумов. Литература для радиолюбителей и неэлектротехнических учебных заведений не годится.
|
|
|
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная
1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. - М.: Высшая школа, 1982.
2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991.
3. Бобров И.И. Физические основы электроники: Учебное пособие / Пермь: ПГТУ, 2002.
4. Бобров И.И. Усилители: учебное пособие / Пермь: ПГТУ, 2000.
5. Бобров И.И. Импульсные и цифровые устройства: Учебное пособие / Пермь: ПГТУ, 2002.
Дополнительная
6. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М.: Энергия, 1977.
7. Бобров И.И. Управляемые и неуправляемые преобразователи. - Пермь: ППИ, 1973.
8. Алексенко А.Г., Шагурин А.А. Микросхемотехника. - М.: Радио и связь, 1982.
9. Бобров И.И., Кропачев Г.В. Физические основы микроэлектроники. - Пермь: ПГТУ, 1995, 1998.
10. Бобров И.И. Расчет дискретных и микроэлектронных усилителей: Пермь, ПГТУ, 1998.
Перечень тем
.
1. Интегральные схемы.
2. Выпрямители. Сглаживающие фильтры. Стабилизаторы.
3. Транзисторные усилители низкой частоты.
4. Усилители мощности.
5. Обратная связь в усилителях.
6. УПТ. Операционные усилители.
7. Транзисторные ключи. Логические элементы.
8. Мультивибраторы.
9. Триггеры.
10. Регистры.
11. Счетчики.
12. Комбинационные схемы.
13. Генераторы пилообразного напряжения (ГПН).
14. Генераторы гармонических колебаний.
СОДЕРЖАНИЕ ТЕМ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ИХ ИЗУЧЕНИЮ
При изучении дисциплины электроники следует пользоваться, как правило, основной литературой. В ней наиболее доступно и кратко изложены основные вопросы программы дисциплины электроники. В дополнительной литературе эти же вопросы изложены более полно и строго, с использованием математического аппарата, как в области дискретной электроники [4], так и в области цифровой техники [5]. Работы [6,7] могут облегчить выполнение контрольных работ.
Для каждой части темы указаны источники литературы с указанием глав и параграфов, например, [2, гл.3, §4,6]. Первым всегда указан тот источник, который наиболее полно соответствует программе.
|
|
|
1. Введение.
Роль электроники. Особые свойства электронных приборов. Развитие электроники. Дискретные полупроводниковые приборы. Интегральные схемы.
1. Интегральные схемы (ИС).
Общие сведения о ИС. Полупроводниковые, пленочные и гибридные ИС. Аналоговые и цифровые ИС. Степень интеграции – ИС, СИС, БИС, СБИС. Краткие сведения по технологии получения ИС. Групповой метод. Планарно-эпитаксиальный цикл. Фотолитография, электронная литография. Нанотехнология.
Литература: [3, § 8.1 ¸ 8.4].
2. Неуправляемые выпрямители. Сглаживающие фильтры.Стабилизаторы.
Назначение и классификация выпрямителей по напряжению, по мощности, по устройству.
Однополупериодный выпрямитель. Схема, ее работа. Временные диаграммы. Правило нахождения выпрямленных величин (использование коэффициентов рядов Фурье). Расчетные соотношения для напряжений и токов (соотношения между величинами выпрямленных и переменных токов и напряжений).
Литература: [7, § 1.1 - 1.2].
Двухполупериодный выпрямитель. Схема, ее работа. Временные диаграммы. Расчетные соотношения для напряжений и токов.
Литература: [1, § 5.2], [7, § 1.4].
Однофазный мостовой выпрямитель. Схема, ее работа. Временные диаграммы. Расчетные соотношения для напряжений и токов.
Литература: [1, § 5.3], [7, § 1.5].
Работа выпрямителя на емкостную нагрузку (на фильтр типа " С "). Временные диаграммы. Вспомогательный параметр А. Графики параметров В (А), Д (А), F (A). Пульсации, сглаживание пульсаций, график параметра Н (А). Определение величины емкости фильтра. Фильтр типа " L ". Расчетные соотношения для токов.
Литература: [1, § 5.2], [7, § 1.7].
Электронные стабилизаторы. Параметрические и компенсационного типа.
Литература:
3. Усилители низкой частоты.
Назначение и классификация усилителей. Основные характеристики (параметры) усилителя: коэффициенты усиления, частотные, фазовые и нелинейные искажения, входное и выходное сопротивления.
Литература: [1, § 2.2], [4, § 1.1, 1.2], [2, § 4.1].
|
|
|
Усилительный каскад является базовым в аналоговой технике как дискретной, так и интегральной. Поэтому эта тема ключевая в электронике. Хорошие знания усилительного каскада – залог успешного изучения всей электроники и микроэлектроники.
При изучении этой темы нужно хорошо усвоить, что в усилителях следует различать два режима: режим по постоянному току (режим покоя) и режим по переменному току. Параметры и характеристики этих режимов существенно различны и определяются по-разному: для режима по постоянному току используются соотношения между полными значениями токов и напряжений; для режимы по переменному – используются соотношения между приращениями токов и напряжений, или между малыми переменными составляющими.
Усилительный каскад с коллекторной нагрузкой (ОЭ). Схема, ее работа. Графический анализ работы схемы. Режим покоя. Выбор и задание режима покоя.
Литература: [1, § 2.2], [4, гл. 2.2, 2.3], [2, § 4.3], [6, § 6.1].
Стабильность режима покоя. Дестабилизирующие факторы. Способы стабилизации режима покоя - эмиттерная (основная) и коллекторная. Коэффициент нестабильности и его связь с параметрами схемы. Выбор элементов схемы для обеспечения заданный величины коэффициента нестабильности.
Литература: [1, § 2.2], [4, § 2.4], [2, § 4.3], [6, § 6.2].
Режим каскада по переменному току (режим малого сигнала). Эквивалентная схема каскада для малых сигналов. Параметры усилительного каскада по переменному току (для области средних частот).
Частотная зависимость свойств каскада (частотная характеристика) в области низших частот. Элементы схемы, влияющие на частотную характеристику в области низших частот и выбор этих элементов для обеспечения заданного вида частотной характеристики в области низших частот. Частотная характеристика каскада в области высших частот. Выбор элементов, обеспечивающих заданную частотную характеристику в области высших частот.
Литература: [1, § 2.2], [4, § 2.5], [2, §4.5], [6, §7.3, 7.4].
4. Усилители мощности.
Определение. Классы усиления А, В, АВ. Однотактный усилитель мощности класса А. Схема, ее работа. Временные диаграммы. Режим большого сигнала. Графический анализ. Энергетические соотношения в усилителе мощности класса А (мощность в нагрузке Р н, мощность на выходе каскада Р 2, мощность потребления от источника питания Р потр, мощность рассеяния Р расс, к.п.д. каскада h А, коэффициенты использования по току y и напряжению x).
Литература: [1, § 2.5], [4, §3.1, 3.2], [3. § 6.12].
Двухтактный усилитель мощности класса В (АВ). Схема, ее работа. Временные диаграммы. Графический анализ. Энергетические соотношения. Здесь может рассматриваться либо трансформаторный, либо бестрансформаторный усилитель класса В (АВ).
|
|
|
Литература: [1, § 2.5], [4, § 3.4, 3.5], [2, § 4.12, §4.13].
Оценка нелинейных искажений (коэффициента гармоник) в усилителях мощности. Построение сквозной динамической характеристики. Определение коэффициента гармоник методом пяти ординат. Способы уменьшения нелинейных искажений.
Литература: [4, § 3.3, 3.4.5, 3.5.5].
5. Обратная связь в усилителях.
Обратная связь позволяет существенно изменять свойства (параметры) усилителя. Для улучшения параметров на практике очень широко используется отрицательная обратная связь (ООС).
Виды обратной связи - паразитная и внешняя, последовательная и параллельная, обратная связь по напряжению и по току, положительная и отрицательная. Влияние отрицательной обратной связи на параметры усилителя. Применение отрицательной обратной связи в усилителях.
Литература: [1, § 2.6], [4, § 2.6], [2, § 4.2].
6. Усилители постоянного тока (УПТ). Операционные усилители.
В современной электронике проблема усиления постоянного тока (УПТ) решается исключительно на базе микроэлектронных дифференциальных (ДУ) и операционных (ОУ) усилителей. Поэтому УПТ рассматриваются только как микроэлектронные ДУ и ОУ. В свою очередь, функции ОУ гораздо шире, чем УПТ. ОУ является базовым элементом для построения любых аналоговых устройств.
Определение УПТ. Межкаскадные связи. Дрейф нуля. Интегральный дифференциальный усилитель (ИС-ДУ) - основа УПТ. Схема ИС ДУ и ее работа. Генератор стабильного тока (ГСТ). Дифференциальный и синфазный сигналы. Отклик (реакция) ДУ на дифференциальный и синфазный сигналы. Балансировка ДУ. Параметры ДУ.
Литература: [1, §2.7], [4, § 4.1 ¸ 4.3].
Операционный усилитель (ОУ). Схема, ее работа. Характеристики ОУ (передаточная и частотная). Параметры ОУ. Идеальный ОУ. Способы включения ОУ в усилительных схемах-инвертирующее и неинвертирующее. Их параметры. Понятие об устойчивости и коррекции ОУ.
Литература: [1, §2.7, 2.8], [4, § 4.4 ¸ 4.6].
7. Транзисторные ключи. Логические элементы.
Транзисторный ключ является базовым (основным) элементом импульсной и цифровой техники. Хорошее знание транзисторного ключа крайне необходимо для понимания и эффективного применения импульсных и цифровых устройств.
Схема транзисторного ключа и ее работа. Режим отсечки. Активный режим. Режим насыщения. Степень насыщения. Влияние глубокого насыщения на быстродействие ключа. Быстродействие ключа. Аналоговые и цифровые ключи.
Литература: [1, § 3.2], [5, § 1.3], [2, § 7.3 ¸ 7.4], [6, гл. 14].
8.Логические элементы на транзисторах, диодах и резисторах, выполняющие операции отрицания (инвертирование) “НЕ”, логического сложения “ИЛИ”, логического умножения “И”. Двухступенчатые элементы “И-НЕ”, “ИЛИ-НЕ”. Базовый логический элемент транзисторно-транзисторный (ТТЛ) - “И-НЕ”. КМОП-логика.
Интегральные логические элементы являются минимальным «строительным кирпичиком», из которых строятся более сложные схемы. Логический элемент не может быть разложен на компоненты (транзисторы, резисторы и др.), и рассматривается в логике как минимальная схемная единица. Но для электронщика это целая электрическая схема, содержащая иногда десятки компонентов, и ЛЭ будет правильно функционировать (выполнять логическую функцию), если эта электрическая схема исправна. В дальнейшем, при рассмотрении как ЛЭ, так и более сложных схем, логический и электронный аспекты тесно переплетаются.
Литература: [1, § 3.10], [5, § 1.4 ¸ 1.7], [2, § 8.1, § 8.2].
9. Мультивибраторы.
Симметричный мультивибратор на транзисторах. Схема и ее работа. Временные диаграммы. Процессы заряда-разряда емкостей. Полупериоды Т 1, Т 2, период Т колебаний. Стабильность периода (частоты) колебаний.
Мультивибратор на ОУ. Схема, eе работа. Временные диаграммы. Период колебаний Т.
Мультивибратор на логических элементах И-НЕ. Схема, ее работа. Временные диаграммы. Период колебаний Т. Стабильность Т.
Литература: [1, § 3.4], [4, § 4], [6, § 17.1].
10. Триггеры.
Определение и классификация триггеров - синхронные и асинхронные, RS -, D -, T -, JK -триггеры. Асинхронный RS -триггер на элементах ИЛИ-НЕ. Асинхронный RS -триггер на элементах И-НЕ. Синхронный RS -триггер, тактируемый уровнем. Синхронный RS -триггер, тактируемый фронтом, по системе “ MS ” с запрещающими связями. Синхронный и асинхронный Т -триггеры. D -триггер. JK -триггер. Для всех триггеров нужно знать таблицы состояний, закон функционирования, принципиальные схемы на уровне логических элементов.
Литература: [1, § 3.12], [5, § 2.2 ¸ 2.9], [2, § 8.4].
11. Регистры.
Назначение и типы. Разряд регистра - элемент памяти, схемы приема и выдачи информации. Параллельные регистры (регистры памяти). Последовательные (сдвиговые) регистры, сдвиг вправо и влево. Реверсивные регистры. Универсальные регистры.
Литература: [5, гл. 3], [8, § 5.2], [1, §3.14].
12. Счетчики.
Назначение. Двоичные счетчики. Параметры счетчиков. Последовательные счетчики с непосредственной связью. Таблица состояний. Последовательные счетчики со сквозным переносом. Суммирующие и вычитающие счетчики. Параллельные счетчики на синхронных Т-триггерах. Параллельные счетчики на асинхронных Т-триггерах (параллельные счетчики с переносом). Десятичные (декадные) счетчики.
Литература: [5, гл. 4], [5, § 5.3], [1, § 3.13].
13. Комбинационные схемы. Шифраторы, дешифраторы. Мультиплексоры, демультиплексоры. Сумматоры. Понятие о ПЛИС
Литература: [1, § 3.15], [5, § 5.4], [8, § 3.2 – 3.4].
14. Генераторы пилообразного напряжения (ГПН).
Пилообразный импульс, его параметры. Принцип формирования пилообразных импульсов. Простейший ГПН, схема, его работа, временные диаграммы. Коэффициент нелинейности. Токостабилизирующие двухполюсники. ГПН с токостабилизирующими двухполюсниками.
Литература: [1, § 3.6].
15. Генераторы (автогенераторы) синусоидальных колебаний.
Назначение автогенераторов. Диапазон частот. Трансформаторные LC -автогенераторы. Схема, колебательный контур и его роль, положительная обратная связь. Условия самовозбуждения - баланс фаз и баланс амплитуд. Частота генерации. Установление амплитуды колебаний. Трехточечные LC -автогенераторы - емкостная “трехточка”, индуктивная “трехточка”. Стабильность частоты LC - автогенераторов.
RC -автогенераторы, диапазон частот. RC - автогенератор с фазоповорачивающей цепочкой (на транзисторе или на ОУ). Схема, ее работа, условия самовозбуждения, частота генерации. RC -автогенератор с мостом Вина (на транзисторах или на ОУ). Схема, ее работа, условия самовозбуждения, частота генерации. Стабильность частоты RC -автогенераторов.
Литература: [1, § 2.11], [2, § 8.6], [4, § 4.7.5].
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
Контрольные задания выполняются в тетради, желательно на одной стороне листа. Страницы текста, рисунки и формулы нумеруются. Схемы и графики выполняются с соблюдением ГОСТов. Графики, по которым производятся расчеты, должны выполняться на миллиметровке в удобном для работы масштабе.
При наличии серьезных ошибок работа возвращается для повторного выполнения. При этом рецензент дает советы по их устранению и указывает, какие части должны быть выполнены заново.
При незначительных ошибках задание может быть зачтено, но с обязательным исправлением ошибок. Повторные выполнения задач и исправления ошибок выполняются в той же тетради с сохранением всех замечаний и пометок рецензента, на другой стороне листа. Можно вкладывать (подшивать) дополнительные листы.
Зачтенная (проверенная) контрольная работа предъявляется на зачетной сессии, где производится ее защита. При защите необходимо:
1. Уметь полностью объяснить ход решения задачи, правильность использования формул и графиков, понимать смысл входящих в них величин.
2. Ответить на вопросы по материалу задачи.
3. Интерпретировать полученные результаты (соответствие теории).
Контрольные работы и отчеты по лабораторным работам должны быть написаны разборчивым почерком. При несоблюдении всех указанных выше требований работы отчеты на проверку не принимаются.
Вариант задачи выбирается по последней цифре шифра студента. Например, студент имеет шифр АТ-99-035, выполняется вариант № 5. Шифр указывается на титульном листе контрольной работы.
Задача 1.
Рассчитать выпрямитель от сети 220 В, 50 Гц. Выбрать схему выпрямителя, выбрать вентили, определить вторичные ток I2, напряжение U2, мощность Р2 выпрямительного трансформатора.
Таблица 2
| Номер варианта | Iнd, A | Uнd, B | kn 1, % |
| 0,2 0,4 0,8 1,5 |
Принятые в табл. 2 обозначения: Iнd - среднее значение выпрямляемого тока, Uнd - среднее значение выпрямляемого напряжения, kn 1 - коэффициент пульсации по первой гармонике в нагрузке. Температурный диапазон -40 – +40 оС.
Расчет выпрямителя имеется в приложении 2 и в [7].
Задача2.
Определить параметры усилительного каскада (входное сопротивление R вх, выходное сопротивление R вых, коэффициенты усиления по току Кi, по напряжению Кu, по мощности Кр) для схемы, приведенной на рис. 2 приложения для области средних частот. Режимы транзистора и параметры элементов схемы приведены в табл. 3. Статические характеристики транзистора (выходные) приведены на рис. 3 приложения 3.
Для всех вариантов считать, что R 1 >> R вх. При расчетах использовать внутренние малосигнальные параметры (h -параметры не применять).
Примеры расчета усилительных каскадов на транзисторах имеются в [10, § 4.1 – 4.3].
Таблица 3
| Вариант | Режим транзистора I kA, МА ½ U кэА, В | Rг, кОм | Rк, кОм | Rн, кОм | С 1, мкФ | С 2, мкФ | f a, мГц | |
| 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 | 1,5 1,2 1,0 0,8 0,7 0,6 | 2,5 2,0 1,5 1,0 0,8 0,7 0,6 0,3 0,3 | 1,5 1,5 2,0 2,0 3,0 3,0 3,5 3,5 |
Задача 3.
Для усилителя на базе ОУ, схема которого приведена на рис. 4 приложения, определить:
1. величины элементов схемы для получения заданной величины (в табл. 4) коэффициента усиления Кос;
2. низшую граничную частоту f н;
3. высшую граничную частоту f в.
Допустимое снижение коэффициента усиления на частотах f н, f в – не более -3дБ (Кн/Ко = Кв/Ко = 0,7).
Пояснения к таблице 4:
f 1 – частота единичного усиления операционного усилителя (ОУ);
С ос – элемент схемы для формирования высокочастотной части амплитудно-частотной характеристики (АЧХ);
R 1, C 1 – элементы схемы для формирования низкочастотной части АЧХ.
Таблица 4
| Номер варианта | Кос | R 1, кОм | C 1, мкФ | f 1, МГц | С ос, пФ |
| 0,1 | 0,5 | ||||
| 0,2 | 0,6 | ||||
| 0,3 | 0,6 | ||||
| 0,4 | 0,8 | ||||
| 0,5 | 1,0 | ||||
| 0,6 | 1,2 | ||||
| 0,7 | 1,4 | ||||
| 0,8 | 1,6 | ||||
| 0,9 | 1,8 | ||||
| 1,0 | 2,0 |
Примеры расчета микроэлектронных усилителей имеются в [10, §6.3, 6.4].
Задача 4.
Привести схему и описать ее работу по вариантам табл. 5. Привести временные диаграммы, поясняющие работу схемы.
Таблица 5
| Вариант | Вид схемы |
| Асинхронный RS -триггер на элементах ИЛИ-НЕ, И-НЕ [5, § 2.3] | |
| Синхронный RS -триггер на элементах И-НЕ [5, § 2.3.2] | |
| RS -триггер, тактируемый фронтом [5, § 2.6] | |
| D -триггер [5, §§ 2.4, 2.7] | |
| Т -триггер [5, § 2.8] | |
| JK -триггер [5, § 2.9] | |
| Регистр (микросхема) [5, §§ 3.3 – 3.5] | |
| Двоичный счетчик (микросхема) [5, §§ 4.2, 4.3] | |
| Десятичный счетчик (микросхема) [5, § 4.4] | |
| Транзисторный ключ [5, § 1.3] |
Примеры выполнения задачи 4 имеются в [5].
Перечень лабораторных работ
.
1. Исследование усилителя на транзисторах.
2. Исследование усилителя на ОУ.
3. Исследование интегральных триггеров.
4. Исследование счетчиков.
Лабораторные работы выполняются в лаборатории электроники кафедры АТ (ауд. 330, корп. А, комплекс), после выполнения контрольных работ.
|
|
|
