МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
УТВЕРЖДАЮ Руководитель Департамента образовательных программ
и стандартов профессионального образования
_________________ Л.С. Гребнев
«__3___»_сентября______ 2001 г.
ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ДПП.03 ФИЗИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА |
Рекомендуется Министерством образования Российской Федерации для направления подготовки
540200 ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
ДИСЦИПЛИНА ФИЗИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Направление: 540200 Физико-математическое образование
Профиль: 540204 Астрономия
Курс: 3
Форма обучения: очная
Семестр: 5, 6
Количество часов на дисциплину: 240
Количество аудиторных часов на дисциплину: 216
Цель дисциплины: изучение физических основ электронных и электромагнитных процессов, понимание их роли в функционировании технических устройств промышленной и информационной электроники.
Задачи дисциплины:
сформировать теоретическое понимание и навыки применения физических законов в области электроники;
познакомить с современной полупрoводниковой элементной базой, используемой в промышленной и информационной электронике;
сформировать системный подход к изучению сложных современных технических устройств;
сформировать практические навыки в расчете, конструировании и изготовлении простой электронной аппаратуры.
Принципы отбора и организации учебного материала Отбор материала для данной дисциплины производится с учетом необходимости получения студентами фундаментальных теоретических знаний в области физической электроники и с учетом прогресса в практических применениях этой области, особенно в электронных способах обработки информации.
Организация учебного материала предусматривает параллельное изучение теоретических основ на лекциях и практическое закрепление на лабораторных занятиях и спецкурсах технического творчества.
1. Учитывая, что Государственный образовательный стандарт включает совокупность тем из электротехники, радиотехники, промышленной и информационной электроники, в основу формирования содержания дисциплины положены:
элементы электротехники, связанные с процессами в цепях переменного тока; основные машины, источники, преобразователи в устройствах и системах автоматики;
электронные процессы на электронно-дырочных переходах;
формирование и распространение сигналов в радио-, теле-, информационной связи;
устройства современной электронной техники.
2. Для анализа работы отбираются типичные элементы, блоки, устройства, позволяющие на понимании их функционирования объяснить работу и других составляющих рассматриваемых систем.
Текущая аттестация качества усвоения знаний Усвоение знаний проверяется в устной и письменной форме на всем протяжении изучения дисциплины в форме отчетов по лабораторным работам, опросов и выполнения контрольных работ.
Итоговая аттестация Дисциплина завершается экзаменом, на котором оцениваются теоретические знания, умение применять их на практике.
Основное содержание Классические и современные источники тока. Источник электрической энергии, его основные параметры (электродвижущая сила, внутреннее сопротивление, ток нагрузки) и характеристики. Источники тока и напряжения. Основные режимы работы источника. Способы преобразования различных видов энергии в электрическую и устройства, предназначенные для этих целей: гальванические элементы, аккумуляторы; преобразователи тепловой, световой, энергии внутриатомного распада в электрическую энергию; электромеханические генераторы.
Цепи переменного тока. Классификация электрических цепей по форме передаваемого сигнала – цепи постоянного, переменного токов, импульсного сигнала. Формы переменного тока (непериодическая, периодическая, синусоидальная). Основные параметры переменного синусоидального тока. Методы отображения синусоидальных величин. Идеальные R,L,C в цепи переменного синусоидального тока и основные понятия: активное, реактивное, полное сопротивления (проводимости), напряжения, токи, мощности; фазовые сдвиги, коэффициент мощности. Закон Ома. Резонансы.
Принцип действия машин постоянного и переменного тока. Модели генератора переменного и постоянного тока, двигатели постоянного тока (вращающаяся рамка с кольцами или полукольцами на концах в постоянном магнитном поле). Устройство и работа генератора трехфазного тока. Вращающееся магнитное поле. Асинхронный двигатель. Устройство коллекторной машины, свойство обратимости. Основные характеристики машин.
Преобразователи тока и напряжения. Назначение функции преобразования и его формы. Электромашинные, злектромеханические (вибрационные), статические (инверторы, выпрямители, трансформаторы и пр.) преобразователи: блочные схемы, принцип работы.
Элементы автоматики. Функции систем автоматики: автоматические контроль, управление и регулирование. Основные определения и понятия в системе: конструктивные, функциональные, алгоритмическая структуры; объект управления, датчики, регуляторы, исполнительные механизмы, источники питания. Примеры структурных, функциональных схем автоматики с замкнутой и разомкнутой цепью взаимодействия. Датчики (потенциометрический, индукционный, емкостной, сельсиновый и пр.). Реле (электромеханические, бесконтактные). Понятие об усилителях, преобразователях, регуляторах, исполнительных механизмах. Понятие о системе дискретной автоматики (принцип построения, основополагающие узлы и элементы).
Принципы построения современной полупроводниковой элементной базы и многоэлементных структур. Электронно-дырочный переход: образование, формы, поведение при внешнем напряжении, параметры, характеристики. Полупроводниковый диод и его разновидности по технологии изготовления (сплавные, диффузионные и др.), по типу перехода (точечные, плоскостные), по физической природе процессов (туннельный, фотодиод, светодиод, инжекционный лазер), по назначению (выпрямительный, импульсный, стабилитрон, варикап и др.), их основные параметры и характеристики. Биполярный транзистор. Транзистор в режиме усилителя и переключателя. Полевой транзистор, особенности его устройства и работы. Понятие о полупроводниковых элементах с многослойными структурами (типа динистора, тиристора, симистора и др.).
Функциональное назначение линейных цепей, электронных усилителей. Сигналы сообщения. Временные и спектральные характеристики периодических и непериодических сигналов. Линейные цепи. Коэффициент передачи четырехполюсника. Амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики. Полоса пропускания. Последовательный LC-контур. Параллельный колебательный контур. Простейшие избирательные и заграждающие фильтры. Система связанных контуров. Резонансные частоты системы связанных контуров. Фильтры нижних и верхних частот. Нелинейные элементы. Определение закона изменения тока нелинейного элемента по приложенному к нему напряжению. Основные схемы включения биполярного транзистора. Статические характеристики транзистора. Динамический режим работы усилителя. Линейные и нелинейные искажения в усилителях. Амплитудная характеристика усилителя.
Выбор рабочей точки, классы усиления. Цепи смещения и стабилизации режима работы усилителя. Резисторный усилитель напряжения. Резонансный усилитель. Двухтактный усилитель мощности. Виды обратной связи. Влияние отрицательной обратной связи на искажения и стабильность работы усилителя. Усилители со 100% отрицательной обратной связью. Положительная обратная связь. Понятие об отрицательном сопротивлении. Автоколебательная система. Мягкое и жесткое самовозбуждение. Кварцевая стабилизация частоты генератора.
Принципы передачи и приема сигналов в радиосвязи и радиоуправлении. Блок-схема передачи сигнала сообщения. Особенности распространения электромагнитных волн в атмосфере. Временные и спектральные характеристики амплитудно-модулированного сигнала. Временные и спектральные характеристики частотно-модулированного сигнала. Нелинейное преобразование сигнала. Диодная модуляция. Преобразование несущей частоты. Детектирование амплитудно-модулированного сигнала. Основные характеристики радиоприемников – чувствительность, избирательность. Достоинства и недостатки радиоприемника прямого усиления. Супергетеродинный приемник, зеркальный канал и канал прямого прохождения помехи.
Принципы оптической передачи информации. Информационная емкость оптической линии связи. Источники оптического излучения для систем передачи информации: газовые, твердотельные, полупроводниковые лазеры, светодиоды. Типы световодов: со ступенчатым профилем показателя преломления, с градиентом показателя преломления (граданы). Основные параметры световодов: затухание, апертура, спектральные характеристики. Приемники оптического сигнала: фотодиоды, фотоэлектронные умножители. Оптические линии связи.
Принципы формирования, передачи и воспроизведения телевизионного изображения. Разложение изображения на элементы. Параллельная и последовательная передача информации об элементах изображения. Свойства человеческого зрения, используемые в телевидении. Развертка (последовательная передача) – типичный прием телевидения. Передающие телевизионные трубки – устройства превращающие изображение в электрический сигнал. Полоса частот в телевидении. Синхронизация передающей и приемной частей. Виды модуляции в телевидении. Полный видеосигнал. Блок-схема телевизионного приемника. Кинескоп. Магнитные и оптические системы видеозаписи. Цветное изображение. Основные сведения о цветовом зрении и количественном измерении цвета (колориметрии). Цветной кинескоп. Пути повышения качества телевизионных систем (цифровое телевидение, телевидение высокой четкости и др.)
Принципы регистрации сигналов теплового излучения. Узкополосные приемники теплового излучения: инфракрасные фотодиоды, физические основы их работы. Интегральные теплоприемники: терморезисторные, термопарные, пироэлектрические болометры. Применение источников и датчиков теплового излучения в промышленной и бытовой технике.
Устройства современной электронной техники. Системы звукозаписи: магнитные, оптические, электронные. Цифровая электронная техника: логические (Булевы) элементы, дешифраторы, сумматоры, триггеры, счетчики, регистры. Цифровые интегральные схемы. Технологические типы логик. Устройства отображения информации. Основные узлы компьютера: микропроцессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянные запоминающие устройства (ПЗУ): винчестер, дисководы, оптические диски. Устройства ввода-вывода. Основные сведения об архитектуре компьютера.
Практическое моделирование простых электронных устройств, приемников теплового излучения, устройств тепловой техники, радиоуправляемых моделей. Изготовление простых аналоговых устройств: фотореле, регуляторов мощности, систем терморегулировки для использования в лабораторном эксперименте и в быту. Конструирование цифровых устройств: кодовые замки, цифровые электронные часы, цифровые термометры, цифровые системы инфракрасного дистанционного управления, цифровые дозиметры. Аналоговые и цифровые системы радиоуправления моделями.
Организация самостоятельной работы Самостоятельная работа студентов включает в себя чтение учебной и научной литературы, решение задач, подготовку к выполнению лабораторного практикума, подготовку и выполнение докладов, рефератов, курсовых работ.
Основные понятия источник тока, переменный ток, электрические машины, трансформаторы;
автоматика, полупроводник, диод, транзистор, микросхема;
линейная цепь, многополюсники, основное уравнение четырехполюсника, усилитель, операционный усилитель, классы усиления;
спектр электромагнитных колебаний, радиоволны, передатчик, модуляция, антенна, радиоприемник, супергетеродин;
оптические модуляторы, фотоприемники, световоды, лазеры;
передающие и приемные телевизионные трубки, полный видеосигнал, телевизионные стандарты;
фотодиоды, болометры;
логические элементы, устройства памяти, центральный процессор.
Рекомендуемая литература а) основная литература
Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. – М., 2000.
Морозов А.Г. Электротехника, электроника, и импульсная техника. – М., 1987.
Гершензон Е.М. и др. Радиотехника. – М., 1986.
Ямпольский В.С. Основы автоматики и вычислительной техники. – М., 1991.
б) дополнительная литература
Воробьев А.В. Электротехника и электрооборудование строительных процессов. – М., 1995.
Прянишников В.А. Электроника (курс лекций). – СПб., 1998.
Коновалов Л.И., Петелин Д.П. Элементы и системы автоматики. – М., 1985.
Веселовский О.Н., Браславский Л.М. Основы электротехники и электротехнические устройства радиоэлектронной аппаратуры. – М., 1977.
Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. – М., 2000.
Домбругов Р.М. Телевидение. – Киев, 1979.
Справочник по радиоэлектронным системам. /Под ред. Кривицкого Б.Х. – М., 1979.
Техническое моделирование и конструирование /Под ред. Колотилова В.Н. – М., 1983.
Авторы-составители примерной программы дисциплины "Физическая электроника": Мерзляков В.П., канд. физ.-мат. наук, доцент; Хинич И.И., канд. физ.-мат.наук, доцент; Рычгорский В.В., канд. физ.-мат. наук, доцент.
Программа составлена в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 540200 Физико-математическое образование.
Программа обсуждена и одобрена на заседании учебно-методического совета по направлению 540200 Физико-математическое образование Учебно-методического объединения по направлениям педагогического образования на базе РГПУ им. А.И.Герцена (протокол № 14 от 13 ноября 2000 г.)
Председатель совета УМО
по направлениям педагогического образования
на базе РГПУ им.А.И.Герцена _________________ Г.А.Бордовский
Председатель УМС
по направлению 540200
Физико-математическое образование _________________ С.Д.Ханин |