Скачать 251.58 Kb.
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского Факультет компьютерных наук и информационных технологий УТВЕРЖДАЮ ___________________________ "___" _________________20__ г. Рабочая программа дисциплины Электроника и схемотехника Специальность подготовки 090301 Компьютерная безопасность Специализация Математические методы защиты информации Квалификация выпускника Специалист Форма обучения очная Саратов, 2011
Целью освоения студентами дисциплины является овладение основами теоретических и практических знаний в области электроники и схемотехники, ознакомление с основными понятиями теории полупроводниковых приборов, цепей, сигналов и их спектров, методами анализа сложных электрических цепей с нелинейными преобразованиями сигналов, электронными усилителями и преобразователями, выработка навыков практической деятельности в области аналоговой и цифровой обработки сигналов. 2. Место дисциплины в структуре ООП Данная учебная дисциплина входит в раздел «Профессиональный цикл. Базовая часть» ФГОС-3. Для изучения дисциплины необходимы компетенции, знания, умения и готовности, сформированные у обучающихся в результате освоения курсов «Физика», «Алгебра», «Дискретная математика», «Теория вероятностей и математическая статистика», «Геометрия», «Аппаратные средства вычислительной техники», «Математический анализ». Компетенции, знания, умения и готовности, сформированные у обучающихся в результате освоения данной дисциплины, необходимы для изучения следующих курсов: «Техническая защита информации», «Программно-аппаратные средства обеспечения информационной безопасности», «Нейронные сети», «Криптографические протоколы», «Теория кодирования, сжатия и восстановления информации». 3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины В результате освоения дисциплины выпускник должен обладать следующими профессиональными компетенциями (ПК): общепрофессиональными:
в области научно-исследовательской деятельности:
в области проектной деятельности:
в области контрольно-аналитической деятельности:
в области организационно-управленческой деятельности:
в области эксплуатационной деятельности:
В результате освоения дисциплины обучающийся должен Знать:
Уметь:
Владеть:
4. Структура и содержание дисциплины Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетные единицы 144 часа.
Раздел 1. «Введение». Цель и задачи курса "Электроника и схемотехника". Содержание дисциплины, основные разделы курса и их содержание, связь с другими дисциплинами. Роль дисциплины в подготовке специалистов по компьютерной безопасность и методам защиты информации. Физические процессы - носители информации. Физические эффекты, используемы в электронике. Электронно-вакуумные, ионные, твердотельные электронные приборы. Физические эффекты в твердых телах, используемые в электронике. Раздел 2. «Основные понятия теории электрических цепей». Основные определения: электрическая цепь, источники и приёмники энергии, активные и пассивные элементы. Катушки индуктивности, конденсаторы, резисторы и их параметры. Идеализированные элементы. Источники ЭДС и тока. Линейные и нелинейные электрические цепи. Электрические схемы и узел, контур, ветвь. Законы Ома и Кирхгофа, постоянный и переменный ток и их параметры. Раздел 3. «Цепи при гармоническом воздействии». Генерирование синусоидальной ЭДС. Средние квадратичные и действующие значения токов и напряжений. Фазовые сдвиги на сопротивлениях, индуктивностях и ёмкостях. Треугольники сопротивлений и проводимостей. Мощность. Условие передачи в нагрузку максимальной мощности. Индуктивно связанные цепи. Взаимная индуктивность. Раздел 4. «Методы анализа сложных электрических цепей». Общие понятия. Последовательное и параллельное соединение элементов электрических цепей. Методы расчёта сложных электрических цепей (метод контурных токов, метод наложения). Раздел 5. «Сигналы и их спектры. Анализ электрических цепей в частотной области». Общие сведения о радиотехнических сигналах. Классификация радиотехнических сигналов. Спектральное представление периодических сигналов. Ряды Фурье и вейвлет–преобразования. Случайные и хаотические сигналы. Передаточные функции. Амплитудно-частотные и фазо–частотные характеристики. Последовательный и параллельный колебательный контуры. Резонанс напряжений и токов. Волновые сопротивления и добротность контура. Раздел 6. «Линейные электрические цепи, четырёхполюсники и фильтры». Активные и пассивные четырёхполюсники. Передаточная функция четырёхполюсника. Линейные и нелинейные четырёхполюсники. Параметры четырёхполюсника. Переходные процессы в электрических цепях. Дифференцирующие и интегрирующие цепи. Электрические фильтры. Фильтры низких и высоких частот. Спектральный и операционный методы анализа радиоэлектронных цепей. Раздел 7. «Основы теории твердотельных электронных приборов». Проводники, полупроводники и диэлектрики. Собственная и примесная проводимость. Электронно-дырочный переход. Ёмкость p-n–перехода. Полупроводниковые диоды. Диод Шотки. Динамический режим работы диода. Биполярные и полевые транзисторы. Схемы замещения, параметры и характеристики. Схемы включения транзисторов. Частотные свойства транзисторов. Параметры полупроводниковых приборов. Температурная зависимость. Фотодиоды и светодиоды. Оптоэлектронные приборы. Раздел 8. «Базовые элементы линейных интегральных схем». Недостатки усилителей на одном транзисторе. Дифференциальный каскад. Коэффициент передачи дифференциального и синфазного сигналов, относительное ослабление синфазной составляющей сигнала, входное и выходное сопротивления для дифференциальных и синфазных сигналов, амплитудно-частотная, фазо-частотная и амплитудная характеристики. Асимметрия усилительных плеч дифференциального усилителя, динамическая нагрузка, генераторы тока, операционные усилители и их структура. Раздел 9. «Базовые элементы цифровых интегральных схем». Базовые элементы цифровых ИС. Ключи (вентили), элементы И, ИЛИ, НЕ. Особенности ТТЛ, ЭСЛ, МОП, КМОП ИС. Основные электрические характеристики логических элементов (ЛЭ): статические характеристики: уровни логических сигналов "0" и "1", передаточная характеристика, статическая помехоустойчивость, коэффициент разветвления по выходу, потребляемая мощность; динамические характеристики: время перехода от одного уровня к другому, время задержки распространения, динамическая потребляемая мощность. Элементарные ячейки памяти. Статическая, динамическая, энергонезависимая память. Общая характеристика и классификация интегральных элементов цифровых устройств. Условные обозначения. Основные типы и серии логических интегральных схем. Базовые элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ и ТТЛШ.), эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ), логики на МОП и КМОП структурах. Интегральные схемы малой средней большой и сверхбольшой степени интеграции. Интегральные схемы жесткой структуры, базовые матричные кристаллы и программируемые логические матрицы. Раздел 10. «Схемотехника каскадов на дискретных элементах». Достоинства, недостатки и области применения каскадов на ПТ и БТ, выбор активного элемента. Выбор режима работы по постоянному току в зависимости от требований к параметрам каскада, параметров входного сигнала и нагрузки. Стабилизация рабочего режима. Схемы, назначение элементов, принцип действия. Цепи межкаскадной связи. Коррекция характеристик усилительных каскадов. Общие принципы коррекции амплитудно-частотной, фазо-частотной и переходной характеристик аналоговых устройств. Применение частотно-зависимых сопротивлений нагрузки и комплексной ОС. Высокочастотная простая индуктивная коррекция. Принципиальная и эквивалентная схемы, принцип работы. Амплитудно-частотная и переходная характеристики. Условия оптимальной коррекции. Низкочастотная коррекция. Принципиальная и эквивалентная схемы. Принцип работы. Амплитудно-частотная и переходная характеристики. Условия оптимальной коррекции. Коррекция характеристик с помощью последовательной обратной связи (высокочастотная эмиттерная коррекция). Принципиальная и эквивалентная схемы, принцип работы. Амплитудно-частотная и переходная характеристики. Условия оптимальной коррекции. Раздел 11. «Схемотехника устройств на аналоговых интегральных микросхемах». Основные классы аналоговых микросхем. Операционные усилители, компараторы, аналоговые перемножители сигналов, схемы выборки и хранения, таймеры, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи. Поколения аналоговых интегральных микросхем. Операционный усилитель (ОУ). Основные параметры ОУ. Характеристики ОУ: передаточная, амплитудно-частотная, фазо-частотная, переходная, амплитудная. Структура ОУ. Функции внутренних узлов и связей. Операционные усилители общего применения, прецизионные, микромощные, высоковольтные, быстродействующие. Инструментальные усилители. Усилители с однополярным питанием. Усилители с расширенным динамическим диапазоном входных и выходных сигналов. Типовые схемы электронных устройств на операционных усилителях. Схемы с однопетлевой обратной связью. Инвертирующее и неинвертирующее включения ОУ. Схемы, назначение элементов, коэффициент передачи, основные характеристики. Масштабный усилитель. Устройства, осуществляющие суммирование и вычитание аналоговых сигналов. Инструментальные усилители. Влияние конечных коэффициента усиления и полосы пропускания ОУ. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики. Смещение нуля выходного сигнала. Влияние входных токов на смещение нуля. Выбор ОУ и элементов схемы. Обеспечение устойчивости масштабных усилителей. Интегрирующие и дифференцирующие звенья. Амплитудно-частотная и переходная характеристики. Влияние конечных коэффициента передачи и полосы пропускания ОУ. Влияние смещения нуля и входных токов. Выбор ОУ и элементов схемы. Устойчивость интегрирующих и дифференцирующих усилителей. Применение интегрирующих и дифференцирующих усилителей. Схемы с многоконтурной ОС. Реализация звеньев высокого порядка. Каноническая схема каскада с многопетлевой ОС. Активные RC-фильтры второго порядка - фильтры нижних и верхних частот, полосовой фильтр: схемы, передаточные функции. Достоинства и недостатки канонических схем. Чувствительность параметров к разбросу номиналов элементов. Влияние конечных коэффициента передачи и полосы пропускания ОУ. Ограничения на параметры фильтров с учетом чувствительности, порядок расчета и выбор элементов Звенья второго порядка на основе нескольких ОУ. Схемы, передаточные функции. Чувствительность параметров к разбросу номиналов элементов. Влияние конечных коэффициента передачи и полосы пропускания ОУ. Ограничения на параметры фильтров с учетом чувствительности, порядок расчета и выбор элементов. Управляемые источники тока и напряжения: Преобразователи сопротивлений Обобщенные схемы, классификация, свойства. Раздел 12. «Нелинейные аналоговые устройства и устройства преобразования сигналов». Операционные усилители с нелинейной обратной связью. Нелинейные преобразователи: схемы, принцип работы, передаточные характеристики. Схемы сжатия динамического диапазона сигнала, логарифмические усилители. Схемы, принцип действия. Передаточные характеристики, динамический диапазон. Пути повышения точности и динамического диапазона логарифмических усилителей. Усилители-ограничители. Схемы, принцип работы, передаточные характеристики. Устройства дискретизации аналоговых сигналов. Аналоговые компараторы: структура, передаточная характеристика, параметры. Однопороговые, двухпороговые схемы включения. Методы борьбы с многократными срабатываниями. Устройства преобразования аналоговых сигналов. Амплитудные детекторы. Линейные, квадратичные, пиковые детекторы. Динамический диапазон. Методы повышения быстродействия, линейности и расширения динамического диапазона. Схемы выборки - хранения. Синхронные (фазовые детекторы), амплитудные модуляторы и демодуляторы. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи. Основные методы преобразования, принципы построения. Преобразование аналоговых сигналов в частоту, период. Принципы, пути построения, схемные решения. АЦП параллельного действия, конвейерные АЦП. Применение матриц R-2R в ЦАП и АЦП последовательного приближения. Сигма-дельта преобразователи. Раздел 13. «Нелинейные и параметрические преобразователи сигналов». Нелинейные и параметрические преобразования сигналов. Аналоговые умножители сигналов. Модуляция. Виды модуляции. Амплитудная модуляция (АМ). Коэффициент или глубина АМ. Спектр АМ сигнала. Перемодуляция. Недостатки и преимущества АМ. Угловая модуляция. Частная модуляция (ЧМ). Девиация частоты или индекс ЧМ. Спектр ЧС сигнала при однотональной модуляции. Фазовая модуляция. Девиация частоты при фазной модуляции. Преимущества угловой модуляции перед амплитудной модуляцией. Импульсная модуляция (ИМ). Виды ИМ: амплитудно-импульсная (АИМ), широтно-импульсная (ШИМ), фазоимпульсная (ФИМ), импульсно-кодовая (ИКМ). Принцип радиосвязи. Передающие и приемные устройства для электромагнитных волн и среда для их распространения. Детектирование. АМ и ЧМ. Генераторы колебаний. Принципы построения генераторов сигналов. Основные типы генераторов гармонических и импульсных сигналов. Преобразование частоты. Раздел 14. «Импульсные и цифровые устройства». Импульсные, дискретные и цифровые системы. Представление информации в импульсных и цифровых устройствах. Системы счисления Параллельное и последовательное представление информации. Классы цифровых устройств: комбинационные устройства, конечные автоматы. Математическое описание, методы анализа и синтеза цифровых устройств. Комбинационные устройства цифровой техники (таблица истинности, логическая структура, реализации на интегральных схемах): сумматор, шифраторы и дешифраторы; мультиплексоры и демультиплексоры; компараторы; матричные арифметико-логические устройства. Синтез комбинационных устройств. Гонки в комбинационных устройствах. Конечные автоматы. Триггеры и их разновидности, регистры счетчики. Синтез конечных автоматов синхронного и асинхронного типов: этапы синтеза, Реализация на современных ИС. Системы автоматизации проектирования. Структура, состав. Языки описания цифровых устройств. Раздел 15. «Микропроцессоры, микроконтроллеры и однокристальные миро–ЭВМ». Общая структура цифровых устройств управления и обработки информации. Современные принципы их реализации. Микропроцессоры, микроконтроллеры и однокристальные микроЭВМ Понятие архитектуры микропроцессора. Обобщенная схема и архитектурные особенности основных классов микропроцессоров (однокристальные, микропрограммируемые, многокристальные и многокристальные с разрядно-модульной организацией). Принципы организации и управления процессом обработки информации. Арифметико-логическое устройство, регистры общего назначения, устройство управления. Программный счетчик и регистр команд. Типовая структура обрабатывающей части микропроцессора. Микропрограммный и аппаратный принципы управления выполнением операций. Микрокомандный и командный уровни управления. Фон-неймановская и гарвардская архитектуры микропроцессоров. Система команд микропроцессора. Процессоры с полным (CISC) и сокращенным (RISC) набором команд. Структура и форматы команд. Ассемблерная мнемоника. Способы адресации команд и данных. Функциональная классификация команд. Команды обработки, передачи данных и управления. Особенности выполнения арифметических операций при различных способах представления данных: целые, с фиксированной точкой, нормализованные, с плавающей запятой. Структура исполняемой программы. Использование подпрограмм. Команды вызова подпрограмм и использование стековой памяти. Аппаратные и программные стеки. Организация внутренних и внешних связей микропроцессоров. Интерфейс и его функции. Способы обмена информацией. Организация связи микропроцессора с памятью и внешними устройствами. Синхронная и асинхронная программно-управляемая передача данных. Передача с использованием системы прерываний, многоуровневая система прерываний, приоритетные прерывания, опросные и векторные прерывания, программная и аппаратная реализация. Режим прямого доступа. Процессоры цифровой обработки сигналов. Особенности архитектуры и системы команд. Аппаратная поддержка типовых операций цифровой обработки сигналов и адресации данных. Параллельное выполнение команд. Организация ввода-вывода информации. Основные особенности и характеристики семейств современных микроконтроллеров, микропроцессоров и процессоров цифровой обработки сигналов. Система команд, основные характеристики и состав. Форматы команд. Способы адресации. Особенности обмена информацией с внешними устройствами. Система прерываний, режим прямого доступа к памяти. Раздел 16. «Заключение». Основные тенденции развития современных элементной базы и схемотехники аналоговых и цифровых электронных устройств. В цикле практических занятий студентам предлагаются для выполнения следующие задания:
5. Образовательные технологии Рекомендуемые образовательные технологии:
Предусмотрены также ознакомительные беседы с представителями потенциальных работодателей, посещение тематических Интернет–страниц по электронике и схемотехнике, сайтов производителей электронных приборов и оборудования. 6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины. 7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины а) основная литература:
б) дополнительная литература:
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы.
Тематические ресурсы сети Интернет: http://easyelectronics.ru/ http://www.cqham.ru/radiolinks.htm http://kazus.ru/forums/ http://radionet.com.ru/top/view_top14-1-2.html http://www.radioradar.net/links/index.html http://electronic.com.ua/ http://rf.atnn.ru/ http://www.belti.ru/~electron/ 8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по специальности 090301 «Компьютерная безопасность» и специализации «Математические методы защиты информации». Автор д.ф.-м.н., доцент А.А. Семёнов Программа одобрена на заседании кафедры физики твердого тела от «___» _______________ 2012 г., протокол № ____. Зав. кафедрой физики твердого тела профессор Д.А. Усанов Декан факультета компьютерных наук и информационных технологий доцент А.Г. Федорова Декан факультета нано- и биомедицинских технологий профессор С.Б. Вениг |