РТ лабыФОПФ, осень 2012 / Программа курса --Электронные методы физических исследваний--
.pdf
1
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)»
(МФТИ)
Кафедра радиотехники и телекоммуникаций
«УТВЕРЖДАЮ»
Проректор по учебной работе Д. А. Зубцов
2012 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине: Электронные методы физических исследований
по направлению: 010600 «Прикладные математика и физика»
профиль подготовки:
факультеты: факультет общей и прикладной физики кафедра радиотехники и телекоммуникаций
курс: 3 (бакалавриат)
семестры: осенний и весенний |
Зачет с оценкой: осенний и весенний семестры |
|
Экзамен: нет |
Трудоемкость в зач. ед.: базовая часть – K зач. ед.; вариативная часть 0 – L зач. ед., |
|
в т.ч.: |
|
лекции: базовая часть – нет, |
вариативная часть – нет; |
лекционно-лабораторные занятия: базовая часть – нет, вариативная часть – 132 час.;
практические (семинарские) занятия: базовая часть – нет, вариативная часть – нет;
лабораторные занятия: базовая часть – нет, вариативная часть – нет;
мастер классы, индивид. и групповые консультации: вариативная часть – нет;
самостоятельная работа: базовая часть – Q зач. ед. (включая подготовку курсовых раб.) курсовые работы: базовая часть – нет, вариативная часть – нет.
ВСЕГО АУДИТОРНЫХ ЧАСОВ 132
Программу составил к. т. н. доцент Е. В. Воронов
Программа обсуждена на заседании кафедры, утвердившей рабочую программу
23 мая 2012 г.
Заведующий кафедрой |
к. т. н. В. Н. Бондарик |
2
ОБЪЁМ УЧЕБНОЙ НАГРУЗКИ И ВИДЫ ОТЧЕТНОСТИ.
Базовая часть, в т.ч. : нет |
_____ зач. ед. |
|
|
_____ |
часов |
Лекции |
||
|
_____ |
часов |
Практические занятия |
||
|
_____ |
часов |
Лабораторные работы |
||
|
_____ |
часов |
Индивидуальные занятия с преподавателем |
||
|
_____ |
часов |
Самостоятельные занятия, включая подготовку курсо- |
||
вой работы |
_____ зач. ед. |
|
Вариативная часть, включая: |
||
|
132 часа |
|
Лекционно-лабораторные занятия |
||
Мастерклассы, индивидуальные и групповые |
_____ |
зач. ед. |
Консультации |
_____ |
зач. ед. |
Самостоятельные занятия (работа над коллективными |
||
и индивидуальными проектами, курсовые работы) |
зач. ед. 132 часа |
|
ВСЕГО |
||
Итоговая аттестация |
Зачет с оценкой: осен- |
|
|
ний и весенний семестры |
|
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ
Цель курса – познакомить студентов, специализирующихся в области общей и прикладной физики, с основными идеями электроники с точки зрения ее использования в физическом эксперименте.
Задачами данного курса являются:
•разъяснение места и роли электронных средств наблюдения, регистрации и обработки данных в физическом эксперименте;
•приобретение учащимися начальных навыков работы с электронными схемами и дальнейшее развитие умения работать с измерительными приборами;
•ознакомление с особенностями методов анализа характеристик средств современной электроники и их влияния на качество результатов измерений.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП БАКАЛАВРИАТА
Дисциплина «Электронные методы физических исследований» включает в себя разделы, которые могут быть отнесены к базовой и вариативным частям цикла
______________ (шифр цикла).
Дисциплина «Электронные методы физических исследований» базируется на:
1.модулях _________________________курса общей физики;
2.модулях _________________________курсов высшей математики.
3
3.КОМПЕТЕНЦИИ ОБУЧАЮЩЕГОСЯ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Освоение дисциплины «Электронные методы физических исследований» направлено на формирование следующих общекультурных и общепрофессиональных интегральных компетенций бакалавра:
способность правильно оценивать место и роль электронной составляющей оборудования, используемого в физическом эксперименте,
и, особенно, на формирование следующих общекультурных и профессиональных компетенций:
–способность в простейших случаях самостоятельно собирать и отлаживать электронные схемы, необходимые для наблюдения, регистрации и обработки данных, а также оценивать и принимать во внимание влияние характеристик этих схем на точность и надежность результатов измерений с учетом их стоимости;
–способность эффективно работать в составе группы специалистов в процессе планирования, подготовки и проведения физического эксперимента, обеспечивая необходимое взаимодействие с участниками, ответственными за профессиональное решение задач, относящихся к применению электроники.
4.КОНКРЕТНЫЕ ЗНАНИЯ, УМЕНИЯ И НАВЫКИ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Врезультате освоения дисциплины «Электронные методы физических исследований» обучающийся должен:
1.Знать: принцип действия и свойства основных компонентов, образующих элементную базу аппаратных средств современной электроники.
2.Уметь: проводить наблюдения и измерения с использованием аппаратных средств современной электроники.
3.Владеть: основными методами теоретического рассмотрения свойств аппаратных средств современной электроники и учета влияния их характеристик на результаты экспериментального исследования.
5.СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Структура преподавания дисциплины
«Электронные методы физических исследований»
Перечень разделов дисциплины и распределение времени по темам
|
№ темы и название |
Количество часов |
|
|
|
1. |
Регистрация сигналов в физическом эксперименте |
2 часа |
2. |
Усиление электрических сигналов |
16 часов |
4
3. |
Обратные связи в схемах усилителей |
16 часов |
4. |
Применения операционных усилителей |
20 часов |
5. |
Схемы на основе колебательных LC-контуров |
12 часов |
6. |
Измерение времени и частоты |
2 часа |
7. |
Цепи с распределенными параметрами |
8 часов |
8. |
Элементы цифровой электроники |
20 часов |
9. |
Применение средств вычислительной техники |
12 часов |
10. Методы дискретизации |
12 часов |
|
11. Случайные сигналы и шумы |
12 часов |
|
ВСЕГО( зач. ед.(часов)) |
132 часа |
|
ВИД ЗАНЯТИЙ (отдельная таблица для каждого вида занятий: лекции, семинары, лабораторные работы, мастер-классы и индивидуальные и групповые консультации, виды самостоятельной работы)
Лекционно-лабораторные занятия:
№№ |
|
Темы |
Трудоемкость в зач. ед. |
пп. |
|
(количество часов) |
|
|
|
||
1. |
|
Регистрация сигналов в физическом эксперименте |
2 часа |
|
|
(лекция – 2 часа) |
|
|
|
|
|
2. |
|
Усиление электрических сигналов |
|
|
|
в том числе: лекции – 5 часов |
16 часов |
|
|
лабораторные занятия – 11 часов |
|
3. |
|
Обратные связи в схемах усилителей |
|
|
|
в том числе: лекции – 5 часов |
16 часов |
|
|
лабораторные занятия – 11 часов |
|
4. |
|
Применения операционных усилителей |
|
|
|
в том числе: лекции – 7 часов |
20 часов |
|
|
лабораторные занятия – 13 часов |
|
5. |
|
Схемы на основе колебательных LC-контуров |
|
|
|
в том числе: лекции – 4 часа |
12 часов |
|
|
лабораторные занятия – 8 часов |
|
6. |
|
Измерение времени и частоты (лекция – 2 часа) |
2 часа |
7. |
|
Цепи с распределенными параметрами |
|
|
|
в том числе: лекции – 3 часа |
8 часов |
|
|
лабораторные занятия – 5 часов |
|
8. |
|
Элементы цифровой электроники |
|
|
|
в том числе: лекции – 7 часов |
20 часов |
|
|
лабораторные занятия – 13 часов |
|
9. |
|
Применение средств вычислительной техники |
|
|
|
в том числе: лекции – 4 часов |
12 часов |
|
|
лабораторные занятия – 8 часов |
|
10. |
|
Методы дискретизации |
|
|
|
в том числе: лекции – 4 часов |
12 часов |
|
|
лабораторные занятия – 8 часов |
|
11. |
Случайные сигналы и шумы |
|
|
|
|
в том числе: лекции – 4 часов |
12 часов |
|
|
лабораторные занятия – 8 часов |
|
|
|
ВСЕГО ( зач. ед.(часов)) |
132 часа |
Содержание дисциплины
Развернутые темы и вопросы по разделам (дидактические единицы)
5
1. Регистрация сигналов в физическом эксперименте
Датчики электрических сигналов. Аналоговые и цифровые схемы преобразования сигналов. Программные методы обработки данных.
2. Усиление электрических сигналов
Резисторные усилители на биполярных транзисторах. Минимальные сведения о транзисторах. Постоянные и переменные токи и напряжения в электронной схеме, теорема об эквивалентном генераторе. Нестабилизированная и стабилизированная схемы: режим по постоянному току, оценка значений коэффициентов усиления и входных сопротивлений.
Задача о прохождении сигнала через линейный четырехполюсник: спектральный и временной подходы (интеграл Дюамеля), их взаимные соответствия. Примеры: дифференцирующая и интегрирующая цепи.
Представление об эквивалентных схемах транзисторов. Поведение однокаскадного резисторного усилителя в области нижних и верхних частот, его частотная и переходная характеристики. Многокаскадный усилитель.
3. Обратные связи в схемах усилителей
Принцип обратной связи. Последовательная и параллельная обратные связи по току и по напряжению. Влияние обратной связи на характеристики усилителя. Устойчивость усилителей с отрицательной на средних частотах обратной связью.
4. Применения операционных усилителей
Минимальные сведения об операционном усилителе, представление об идеальном операционном усилителе. Усилители на основе операционных усилителей; частотные характеристики линейных схем на основе операционных усилителей, диаграммы Боде. Выполнение арифметических операций над аналоговыми сигналами, интегрирование и дифференцирование. Фильтры. Генераторы и формирователи сигналов на основе операционных усилителей: импульсные схемы. RC-генератор синусоидальных колебаний.
5. Схемы на основе колебательных LC-контуров
Параллельный LC-контур с добротностью, много большей 1: модуль и аргумент полного сопротивления вблизи резонансной частоты, параллельная схема замещения. Резонансный усилитель. Принцип действия и характеристики LC-генераторов синусоидальных колебаний: баланс фаз и баланс амплитуд в установившемся режиме, условие самовозбуждения. Использование кварцевых резонаторов для стабилизации частоты.
6. Измерение времени и частоты
Роль стабильности частоты при измерении времени в физическом эксперименте.
7. Цепи с распределенными параметрами
Однородная линия при синусоидальном воздействии: линия без потерь; линия с потерями, условие Хевисайда. Переходные процессы в длинной линии.
8. Элементы цифровой электроники
6
Принцип действия и электрические свойства логических схем, схемы И-НЕ и ИЛИНЕ в комплементарной МОП-логике. Комбинационные логические схемы: ИСКЛЮЧАЮ- ЩЕЕ-ИЛИ, шифратор и дешифратор, мультиплексор и демультиплексор, логический компаратор, сумматор.
RS- и D-защелки, D-триггер с динамическим входом синхронизации, триггер со счетным входом. Цифровые схемы последовательного действия: счетчики, регистры.
Методы аналого-цифрового преобразования.
9. Применение средств вычислительной техники
Структура микроконтроллера. Взаимодействие процессорного ядра с функциональными узлами. Принцип прерываний. Сопряжение микроконтроллера с внешними источниками сигналов и исполнительными механизмами. Протоколы обмена сигналами.
10. Методы дискретизации
Теорема об отсчетах во временной и частотной областях. Дискретное преобразование Фурье. Цифровые фильтры: z-преобразование последовательности чисел, описание дискретных систем, проектирование дискретных фильтров по их аналоговым прототипам; схемы цифровых фильтров.
11. Случайные сигналы и шумы
Математическое описание случайных процессов, теорема Винера–Хинчина. Виды шумов. Прохождение случайного процесса (шума) через линейное устройство. Узкополосный гауссовский шум. Прохождение узкополосного гауссовского шума и аддитивной смеси гармонического сигнала и шума через детектор огибающей и синхронный детектор.
6.ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ (используемые для преподавания)
Принцип лекционно-лабораторных занятий, применяемый в МФТИ при проведении учебных занятий по электронике с 1989 года по настоящее время.
7.ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Коллоквиум по каждой из тем по окончании выполнения соответствующей лабораторной работы.
Вопросы, которые могут быть заданы учащемуся на коллоквиуме, зависят от представленных им результатов выполнения данной лабораторной работы. В частности, преподаватель совместно со студентом убеждается в том, что результаты проведенных измерений количественно согласуются с теоретическими оценками и находятся в необходимом взаимном соответствии между собой.
Учебно-методическое обеспечение, помимо указанного ниже в п. 12, включает в себя описания лабораторных работ с заданиями и методические указания, доступные в электронном виде на рабочем месте студента.
7
Базовые задания Вариативные задания
Примерные темы рефератов, проектов (если необходимо)
Контрольные вопросы и задания по базовой и вариативной части дисциплины для промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Необходимое лабораторное оснащение
1)Информационно-измерительный комплекс на рабочем месте каждого студента, включающий компьютер, двухлучевой цифровой осциллограф и цифровой генератор сигналов, частотомер.
2)Сопрягаемые с компьютерными генератором и осциллографом макетные платы для собирания схем.
3)Необходимые радиоэлектронные компоненты: резисторы, конденсаторы, транзисторы, интегральные схемы, кварцевые резонаторы, микропроцессоры, кабели, соединительные провода.
4)Лабораторный инструмент.
Необходимое оборудование для лекций и практических занятий
1)Доска, мел, тряпка.
2)Компьютер, беспроводной проектор, экран.
3)Локальная сеть, обеспечивающая доступ к учебно-методическому обеспечению согласно п. 7.
Необходимое программное обеспечение
Micro-Cap
AVR Studio, PonyProg
MATLAB
Обеспечение самостоятельной работы (доступ в Интернет и т. д.)
Самостоятельная работа обеспечивается тем, что указано выше в графе «Необходимое лабораторное оснащение».
Доступ в Интернет – нет.
9.НАИМЕНОВАНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ТЕМ КУРСОВЫХ РАБОТ (если необходимо)
10.ТЕМАТИКА И ФОРМЫ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ РАБОТЫ(если необходимо)
11.ТЕМАТИКА ИТОГОВЫХ РАБОТ(если необходимо)
12.УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Основная литература – нет.
Дополнительная литература.
1. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Высшая школа, 2005.
8
2.Бонч-Бруевич А. М. Радиоэлектроника в экспериментальной физике. – М.: Наука, 1966.
3.Клаассен К. Б. Основы измерений. Датчики и электронные приборы. – Долгопрудный: Интеллект, 2008.
4.Левшина Е. С., Новицкий П. В. Электрические измерения физических величин. – Л.: Энергоатомиздат, 1983.
5.Манаев Е. И. Основы радиоэлектроники. – Изд. 4-е. – М.: Либроком, 2012.
6.Робинсон Ф. Н. Х. Шумы и флуктуации в электронных схемах и цепях. – М.: Атом-
издат, 1980.
7.Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. – Изд. 3-е. – СПб.: Питер, 2011.
8.Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. В 2-х т. – М.: Додэка-XXI, 2008.
9.Уэйкерли Дж. Проектирование цифровых устройств. В 2-х т. – М.: Постмаркет, 2002.
10.Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. – М.: Мир, 2003.
Пособия и методические указания.
1.Воронов Е. В. Начала цифровой обработки сигналов для студентов-физиков с упражнениями в MATLAB: учеб. пособие. – М.: МФТИ, 2010.
2.Воронов Е. В. Случайные сигналы и шумы. Моделирование в среде MATLAB: учеб. пособие. –
М.: МФТИ, 2012.
3.Денисов Ю. В. Регистрация оптического излучения: учеб. пособие. – М.: МФТИ, 1977.
4.Донов Г. И. Применение микроконтроллеров: учеб. пособие. – М.: МФТИ, 2007.
5.Куклев Л. П. Операционные усилители: учеб. пособие. – М.: МФТИ, 2007.
6.Куклев Л. П. Генераторы синусоидальных колебаний и нелинейные преобразования сигналов: учеб. пособие. – М.: МФТИ, 2009.
7.Ларин А. Л. Аналоговая электроника: учеб. пособие. – М.: МФТИ, 2007.
8.Ларин А. Л. Основы цифровой электроники: учеб. пособие. – М.: МФТИ, 2008.
a. Электронные ресурсы, включая доступ к базам данных и . т.д.
Следующие учебные программы, разработанные на кафедре радиотехники МФТИ:
1)Набор специальных учебных программ для Micro-Cap
2)Набор специальных учебных программ для AVR Studio
3)Набор специальных учебных программ для MATLAB
Учебные пособия, методические указания, описания лабораторных работ в электронном виде.
Программу составил Е. В. Воронов, к. т. н., доцент (ФИО, ученая степень, звание)
23 мая 2012 г.