Міністерство освіти і науки України

Полтавський національний технічний університет

імені Юрія Кондратюка

Кафедра комп’ютерної інженерії

Методичні вказівки до виконання розрахунково-графічної роботи

з дисципліни

«КОМП’ЮТЕРНА ЕЛЕКТРОНІКА»

для студентів денної/заочної форми навчання

за напрямом 6.050102 «Комп’ютерна інженерія»

Полтава 2011

Методичні вказівки до вивчення дисципліни «Комп’ютерна електроніка» для студентів заочної форми навчання за напрямом 6.050102 «Комп’ютерна інженерія». – Полтава: ПолтНТУ, 2011. – 16 с.

Укладачі: О.І. Тиртишніков, завідувач кафедри комп’ютерної інженерії, кандидат технічних наук, доцент;

М.Б. Нікулін, кандидат технічних наук, доцент;

Ю.М. Корж, ст. викладач кафедри комп’ютерної інженерії;

В.С. Похил асистент кафедри комп’ютерної інженерії.

Відповідальний за випуск: О.І. Тиртишніков, завідувач кафедри комп’ютерної інженерії, кандидат технічних наук, доцент.

Рецензент: П.М.Гроза, кандидат технічних наук, старший науковий співробітник.

Затверджено науково-методичною

радою університету

Протокол №4 від 30.06 2011 р.

У авторській редакції

69.41.03.03

ВСТУП

Дисципліна «Комп’ютерна електроніка» є нормативною y навчальному плані підготовки бакалаврів з базовою вищою освітою за напрямом підготовки 6.050102 «Комп’ютерна інженерія». Робоча навчальна програма з дисципліни складена на основі галузевого стандарту вищої освіти України підготовки бакалаврів галузі знань 0501 «Інформатика та обчислювальна техніка».

Предметом комп’ютерної електроніки є принципи й особливості побудови, функціонування, а також застосування електронних пристроїв та нескладних функціональних вузлів – як аналогових, так і цифрових.

У результаті вивчення дисципліни студент повинен уміти:

- будувати лінійні та нелінійні схеми перетворення інформації із застосуванням операційних підсилювачів з урахуванням заданої точності й частотних властивостей;

- будувати функціональні вузли аналогової електроніки (генератори синусоїдальних та несинусоїдальних коливань, мультивібратори, фільтри, компаратори, аналогові перемикачі тощо) із заданими характеристиками;

- будувати нескладні малопотужні вторинні джерела живлення і розраховувати їх параметри, забезпечувати захист джерел живлення;

- при розрахунку стандартних цифрових вузлів ураховувати особливості елементної бази, що використовується.

Вивчення дисципліни ґрунтується на знаннях та вміннях, отриманих при вивченні дисциплін «Фізика» й «Теорія електричних кіл». У свою чергу вона забезпечує вивчення дисциплін «Комп’ютерна схемотехніка», «Прикладна теорія цифрових автоматів» та «Архітектура комп’ютерів».

Дисципліна вивчається у третьому семестрі. Звітність за дисципліну – екзамен. Обов’язковою умовою допуску до екзамену є виконання та своєчасне подання для перевірки розрахунково-графічної роботи.

При вивчені окремих модулів дисципліни рекомендується:

1. Уважно прочитати анотацію модуля вказівки.

2. Вивчити та законспектувати матеріал відповідного модуля, використовуючи рекомендовану літературу, запам’ятати та усвідомити нові поняття.

3. Відповісти для самоперевірки на відповідні питання до екзамену.

1 Зміст навчальної дисципліни

1.1 Блок змістових модулів 1. Аналогова електроніка

МОДУЛЬ 1. ОСНОВИ АНАЛОГОВОЇ КОМП’ЮТЕРНОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ

Предмет та історія розвитку електроніки. Форми подання детермінованих сигналів. Аналогові сигнали. Імпульси й імпульсні послідовності.

Пасивні електронні компоненти: резистори, конденсатори, котушки індуктивності, трансформатори. Їх побудова, властивості, параметри та характеристики, маркування й застосування. Пасивні компоненти інтегральних мікросхем. Дослідження пасивних електронних компонентів.

Дискретні та інтегральні напівпровідникові діоди. Випрямні діоди, діоди Шоткі, фото- й світлодіоди. Дослідження вольтамперних характеристик діодів.

Біполярні та польові транзистори. Їх побудова, принципи функціонування, параметри та вольтамперні характеристики. Польовий транзистор з керуючим p - n переходом; з ізольованим затвором і з убудованим каналом з ізольованим затвором та з індукованим каналом. Дослідження вольтамперних характеристик транзисторів. Схеми включення транзисторів.

Моделювання пасивних і активних електронних компонентів.

МОДУЛЬ 2. НАЙПРОСТІШІ ФУНКЦІОНАЛЬНІ ВУЗЛИ АНАЛОГОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ

Транзисторні схеми на біполярних та польових транзисторах: підсилювачі, генератори синусоїдальних і несинусоїдальних коливань. Схеми LC та RC генераторів. Мультивібратори. Особливості підсилювача постійного струму. Диференційний підсилювач.

Операційні підсилювачі. Основні схеми включення операційних підсилювачів (інвертуючий і неінвертуючий підсилювачі, інтегратор, диференціатор, суматор). Компаратори напруг. Фільтри (пасивні та активні).

Дослідження, моделювання та розрахунки найпростіших функціональних вузлів аналогової електроніки.

МОДУЛЬ 3. ДЖЕРЕЛА ЕЛЕКТРОЖИВЛЕННЯ

Структурні схеми імпульсних джерел електроживлення. Мережний випрямляч. Перетворювачі напруги. Параметричні стабілізатори напруги. Компенсаційний стабілізатор. Імпульсний стабілізатор напруги. Розрахунок блоку живлення з параметричним стабілізатором.

1.2 Блок змістових модулів 2. Цифрова електроніка

МОДУЛЬ 4. ОСНОВИ ЦИФРОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ

Логічні елементи (ЛЕ), Умовно графічне позначення ЛЕ. Функціонально повні системи елементів. Схемотехніка базового логічного елемента (БЛЕ) транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ). Різновиди схемотехніки елементів ТТЛ.

Схемотехніка БЛЕ емітерно-зв’язаної логіки. Схемотехніка БЛЕ на МДН транзисторах. Схемотехніка БЛЕ КМОН типу. БЛЕ інтегрально-інжекційної логіки.

МОДУЛЬ 5. ЦИФРОВІ ТРАНЗИСТОРНІ КЛЮЧІ

Базовий ключ на біполярному транзисторі. Методи підвищення швидкодії ключа на біполярному транзисторі. Ключі на польових транзисторах.

МОДУЛЬ 6. ТЕХНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ БАЗОВИХ ЛОГІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ І ОСОБЛИВОСТІ ЇХ ВИКОРИСТАННЯ

Класифікація і загальні відомості про технологію виготовлення інтегральних мікросхем. Порівняльна характеристика і особливості експлуатації інтегральних схем різноманітних технологічних базисів.

2 Методичні вказівки до виконання розрахунково-графічної роботи та варіанти завдань

Метою виконання розрахунково-графічної роботи «Розрахунок блока живлення з параметричним стабілізатором» є перевірка ступеня засвоєння блока змістовних модулів «Основи аналогової комп’ютерної електроніки».

Звіт про розрахунково-графічну роботу має складати загальні положення відносно вторинних джерел електроживлення, розрахунки трансформатора, елементів двонапівперіодного випрямляча, елементів параметричного стабілізатора напруги.

Звіт має бути оформлений на стандартних аркушах формату А4 у текстовому редакторі MS Word (або Оpen Office. Org Writer ) та своєчасно поданий на перевірку викладачу. Принципову схему блока з переліком елементів рекомендовано виконувати у редакторі MS Visio (або іншому, аналогічному за призначенням).

Традиційний блок живлення (схема наведена на рис. 1) складається із силового трансформатора Т1, діодного моста (випрямляча), фільтруючого конденсатора С та стабілізатора напруги.

Рисунок 1

2.1 Розрахунок елементів параметричного стабілізатора з емітерним повторювачем

Схема параметричного стабілізатора напруги наведена на рис 2.

Рисунок 2

Даними для розрахунку елементів стабілізатора напруги є:

• U_вих – вихідна напруга;

• І_н – максимальний струм навантаження.

Розрахунок включає такі етапи:

1. Визначення величини вхідної напруги стабілізатора U_вип, яка дорівнює

U_вип. = U_вих + 3 (В),

де 3 В – це напруга між колектором і емітером VT.

2. Розрахунок розповсюджуваної потужності транзистора

Р'_max = 1,3 (U_вип - U_вих) І_н.

3. Вибір транзистора (Л. 2) за такими параметрами:

• P_max > Р'_max;

• U _{ке max} > U_вип.;

• І _{к max} > І_н,

де Р_max, U _{ке max}, І _{к max} – довідникові параметри.

3. Визначення максимального струму бази регулюючого транзистора:

І_{б max}= І_н / h_{21е min},

де h_{21е min} – мінімальний коефіцієнт передачі струму бази вибраного транзистора.

3. Вибір стабілітрона (Л2) за такими параметрами:

• U_сm = U_вих;

• І _{max cm} ≥ І _бmax,

де U_сm – напруга стабілізації стабілітрона,

І _{max cm} – максимальний струм стабілізації.

3. Розрахунок резистора R:

,

де І _{сm min} – мінімальний струм стабілізації.

Для випадку, коли стабілітрон не задовольняє умові по максимальному струму стабілізації (І_{cm max} < І_бmax), необхідно ввести у схему стабілізатора додатковий транзистор (схема наведена на рис. 3) VT2, який дозволяє знизити максимальний струм бази в h'_{21e min} , тобто

,

де h'_{21e min} - коефіцієнт передачі струму VT2.

Рисунок 3

2.2 Розрахунок елементів випрямляча

Даними для розрахунку елементів випрямляча є:

• U _вип. – напруга випрямляча;

• І_н – струм навантаження блока живлення;

• К_п – коефіцієнт пульсації.

Розрахунок включає наступні етапи:

1. Визначення змінної напруги на вторинній обмотці трансформатора:

U₂ = В U_вип,

де В – це коефіцієнт залежний від струму навантаження, який визначається за таблиці 1.

Таблиця 1

Коефіцієнт	Струм навантаження (А)
	0,1	0,2	0,4	0,6	0,8	1
В	0,8	1,0	1,2	1,4	1,5	1,7
С	2,4	2,2	2	1,9	1,8	1,8

2. За струмом навантаження визначається максимальний струм через кожний діод випрямляча.

І_д = 0,5 С І_н,

де С – коефіцієнт, залежний від струму навантаження (див. табл. 1).

3. Визначення зворотної напруги, яка прикладена до кожного діода:

U_зн = 1,5 U_вип.

4. Вибір діодів (Л. 2) за такими параметрами:

U_{д зв} > U _зн.;

І_{д max} > І_д,

де U_{д зв} – зворотна допустима напруга діода;

І_{д max} – максимальний прямий струм діода.

5. Визначення ємності конденсатора фільтра:

(мкФ).

Схема випрямляча наведена на рис. 4.

Рисунок 4

2.3 Розрахунок трансформатора

Для розрахунку трансформатора є повна потужність при навантаженні, збільшена на 20 %, тобто

Р_max = 1,2 U₂ I_d.

Порядок розрахунку трансформатора такий:

1. Визначаємо мінімальний перетин магнітопроводу (мм²)

,

де В – коефіцієнт (див. табл. 1);

F – частота електричної мережі.

2. Кількість витків у обмотках трансформатора визначається через допоміжний параметр W⁰ – кількість витків на 1В:

.

Тоді кількість витків у первинній обмотці трансформатора W1 = U₁·W⁰, а кількість витків у вторинній обмотці відповідно W2 = U₂·W⁰.

3. Діаметр дроту первинної обмотки:

(мм).

Діаметр дроту вторинної обмотки визначається через її струм І_d:

(мм).

Варіанти завдань подані в таблиці 2.

Таблиця 2

№ варіанта	Uвих (В)	Ін (А)	Кп
1	7	0,1	0,01
2	8	1	0,02
3	9	0,8	0,03
4	10	0,6	0,05
5	12	1	0,1
6	15	0,8	0,2
7	18	0,6	0,08
8	22	0,2	0,3
9	27	0,1	0,02
10	11	0,6	0,04
11	33	0,1	0,1
12	39	0,2	0,1
13	47	0,4	0,1
14	7,5	0,8	0,01
15	6,8	0,2	0,02
16	7	0,8	0,05
17	8	0,8	0,04
18	9	0,6	0,08
19	10	0,4	0,03
20	11	0,8	0,05
21	12	0,4	0,06
22	15	0,6	0,01
23	18	0,2	0,2
24	22	0,4	0,1
25	27	0,2	0,2
26	33	0,1	0,15
27	39	0,4	0,25
28	47	0,1	0,18
29	7,5	0,8	0,01
30	6,8	0,6	0,03
31	9	0,2	0,2
32	10	0,8	0,1
33	11	0,4	0,15