27.03 - Саратовский государственный университет

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Факультет компьютерных наук и информационных технологий
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебно-методической работе
________________ д.ф.н., проф. Елина Е.Г.
«__» ________________ 2014 г.
Рабочая программа дисциплины
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКА
Направление подготовки
27.03.03 (220100) - СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И УПРАВЛЕНИЕ
Профиль подготовки
«Системный анализ и исследование операций»
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов,
2014 год
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины «Теоретические основы электротехники и электроника»
являются:
1.
Осознание обучающимися универсального характера электрических законов в
аппаратуре различного назначения.
2.
Уяснение обучающимися места и роли электротехники и электроники при
разработке и эксплуатации вычислительной и телекоммуникационной аппаратуры.
3.
Формирование у обучающихся навыков решения электротехнических задач.
4.
Формирование
у
обучающихся
навыков
владения
соответствующим
математическим аппаратом.
5.
Формирование навыков самостоятельного составления простейших схем для
согласования уровней сигналов на разных нагрузках.
6.
Создание у студентов четкого представления о видах отображения информации
(аналоговая и цифровая формы).
7.
На базе свода алгоритмов обработки информации типовыми элементами
аппаратуры сформировать четкое представление о приемах разработки электронной
аппаратуры любого назначения.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина "Теоретические основы электротехники и электроника" относится к
разделу "Профессиональный цикл. Базовая часть" ФГОС 3.
Для изучения дисциплины необходимы компетенции, сформированные у обучающихся в
результате изучения дисциплин "Высшая математика" и "Физика".
Сформированные в процессе изучения дисциплины "Теоретические основы
электротехники и электроника" компетенции необходимы для формирования основного
направления образовательной программы.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины "Теоретические основы электротехники и
электроника" происходит у обучающегося формирование следующих общекультурных и
профессиональных компетенций:
способностью применять основные законы естественнонаучных дисциплин в
профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и
моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);
способность к проведению измерений и наблюдений, составлению описания
проводимых исследований, подготовке данных для составления обзоров, отчетов и
научных публикаций, составлению отчета по выполненному заданию, к участию во
внедрении результатов исследований и разработок (ПК-5);
способность формировать презентации, научно-технические отчеты по результатам
выполненной работы, оформлять результаты исследований в виде статей и докладов на
научно-технических конференциях (ПК-9).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:

Основные законы для электрических цепей (закон Ома, законы Кирхгофа).

Правила составления уравнений для параметров и режимов в электрических цепях
в установившемся и переходном процессе.

Единицы измерения электрических величин.

Виды и характеристики электроизмерительных приборов.

Дифференциальные и интегральные модели элементов электрических цепей.

Понятия четырехполюсников и способы определения их параметров.

Определение информации, количественная оценка ее объемов.

Физические основы современной полупроводниковой микроэлектроники.

Основные аналоговые функции и схемы для их реализации.

Аналоговые решающие устройства.

Отличие аналоговой и цифровой формы представления информации.

Логические устройства.

Счетчики, регистры и мультиплексоры.

Виды и схемная организация памяти.

Типовая структура микропроцессоров.

Способы компьютерного моделирования электрических и электронных схем.
Уметь:

Решать линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами.

Читать простые принципиальные схемы.

Распознавать сигнальные цепи и цепи питания.

Подбирать аппаратные модули по принципу совместимости электронной базы.

Составлять схемы питания аппаратуры и рассчитывать параметры проводки.

Использовать
электронных схем.
программы
компьютерного
моделирования
электрических
и

Использовать измерительную аппаратуру, грамотно подключать ее к контрольным
точкам оборудования.
Владеть:

Методами поиска информации в указателях литературы и Интернете.

Методами решения однородных и неоднородных дифференциальных уравнений.

Геометрическими
колебаний.
4.
и
тригонометрическими
интерпретациями
гармонических
Структура и содержание дисциплины
4
5
6
7
8
9
Самостоятельн
ая
работа
Лабораторные
работы
3
Лекции
2
2
Основные понятия и
определения теоретической
электротехники.
Реальные и идеальные
параметры элементов
электрических цепей.
Основные законы
электрических цепей.
Резонанс в электрических
цепях.
Переходные процессы в цепях
постоянного и переменного
тока.
Операторный метод расчета
переходных режимов.
Многофазные и
многополюсные цепи.
Краткие сведения о
четырехполюсниках.
Несинусоидальные токи и
напряжения.
Виды учебной работы,
Формы
включая
текущего
самостоятельную
контроля
работу студентов и
успеваемос
трудоемкость (в
ти (по
часах)
неделям
семестра)
Формы
промежуто
чной
аттестации
(по
семестрам
)
5
6
7
8
9
3
2
1
Всего
1
1
Раздел дисциплины
Семестр
№
п/
п
Неделя семестра
Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц, 180 часов
3
3
4
1
3
2
3
2
-
1
3
3
10
2
4
4
3
4
10
2
4
4
3
5
11
2
4
5
3
6
7
2
-
5
3
7
8
2
2
4
3
8
8
2
2
4
3
9
7
2
2
3
Текущий контроль
успеваемости
10
11
12
13
Важнейшие принципы
современной
микроэлектроники.
Основные аналоговые
функции, ОУ, АЭ, ДТК.
Основные включения операц.
усилителей.
Функциональные генераторы.
Контрольн
ая работа
3
10
4
2
-
2
3
11
2
2
-
-
3
12
12
2
4
6
3
13
9
2
2
5
14 Дискретные автоматы без
памяти.
15 Дискретные автоматы с
памятью.
16 Виды запоминающих
устройств.
17 Преобразование цифровых
сигналов в аналоговые.
18 Преобразование аналоговых
сигналов в цифровые.
Промежуточная аттестация
Всего за курс
3
14
8
2
2
4
3
15
10
2
4
4
3
16
7
2
2
3
3
17
9
2
2
5
3
18
7
2
2
3
135
36
36
63
Экзамен
45
Содержание учебной дисциплины
Основные законы теории электрических и магнитных цепей.
Электрическая цепь. Электрический ток в физической среде и цепях. Трубки тока и линии
тока. Понятие проводимости и сопротивления. Плотность тока. Периодические и
гармонические токи. Амплитуда, фаза и частота гармонического тока. Мгновенное,
среднее и действующее значения параметров периодического тока. Резистивные,
емкостные и индуктивные сопротивления и источники энергии как основные элементы
цепей. Интегральные и дифференциальные характеристики основных элементов.
Реальные и идеальные параметры элементов электрических цепей.
Реальный прямой проводник. Резистор постоянный. Резистор переменный. Конденсатор.
Катушка индуктивности. Эквивалентные схемы элементов. Научные абстракции при
описании гармонических процессов в цепях. Векторная интерпретация.
Уравнения для тока в резистивном, емкостном и индуктивном сопротивлениях. Понятие
комплексного сопротивления. Линейные и нелинейные сопротивления.
Основные законы электрических цепей.
Принцип непрерывности тока и его следствия. Закон сохранения заряда и закон
сохранения энергии. Два закона Кирхгофа. Закон Ома для участка и полной цепи. Метод
комплексных амплитуд как основа символьного метода расчета цепей. Законы Кирхгофа и
Ома в символьной форме. Метод контурных токов как простой способ расчета
разветвленных цепей. Анализ установившегося режима в цепях синусоидального тока.
Резонанс в электрических цепях.
Активные и реактивные элементы цепей. Их интерпретация как действительных и
мнимых частей комплексного сопротивления или проводимости. Резонанс как проявление
баланса индуктивного и емкостного сопротивлений цепи. Резонанс токов. Резонанс
напряжений. Частотные зависимости в колебательных системах. Влияние активных
сопротивлений в колебательных системах на резонансные явления. Передаточная функция
и ее связь с дифференциальным уравнением, с импульсной и частотными
характеристиками.
Активная, реактивная и полная мощность тока. Единицы измерения мощности. Приборы
для измерения мощности и учета электрической энергии.
Переходные процессы в цепях постоянного и переменного тока.
Понятие переходного процесса. Две теоремы об основных коммутационных условиях.
Понятия свободного и принужденного тока. Составление уравнений для свободного и
принужденного токов. Алгебраизация уравнений. Использование начальных условий для
нахождения постоянных интегрирования. Характеристическое уравнение и его корни.
Характер переходного процесса, узнаваемый по виду корней характеристического
уравнения. Классический и операторный методы расчета переходных процессов.
Операторный метод расчета переходного процесса.
Введение в операторный метод. Преобразование Лапласа. Изображение постоянной.
Изображение показательной функции. Изображение первой производной. Изображение
второй производной. Изображение интеграла.
Первый закон Кирхгофа в операторной форме. Второй закон Кирхгофа в операторной
форме. Закон Ома в операторной форме. Последовательность расчета операторным
методом. Переход от изображения к функции времени. Формула разложения. Обратное
преобразование Лапласа. Переходная функция по напряжению. Дифференцирование
электрическим путем. Интегрирование электрическим путем. Понятие о синтезе
электрических цепей.
Многофазные и многополюсные цепи.
Понятие многофазных цепей как системы. Фазы системы, системы ЭДС. Способы
создания многофазных систем. Симметричные и уравновешенные системы. Способы
связывания фаз. Трехфазные цепи. Соединение звездой и треугольником. Вращающееся
магнитное поле. Основные типы электрических машин.
Понятие многополюсных цепей. Классификация многополюсников.
Краткие сведения о четырехполюсниках.
Четырехполюсник как наиболее удобный тип передаточного звена в цепи. Уравнения
четырехполюсника. Эквивалентные схемы четырехполюсников. Использование режимов
холостого хода и короткого замыкания. Экспериментальное определение коэффициентов в
уравнении четырехполюсника. Электрические фильтры.
Несинусоидальные токи и напряжения.
Разложение периодической функции в ряд Фурье. Дискретный спектр. Принцип
суперпозиции при одновременном воздействии разночастотных ЭДС в линейных цепях.
Действующие значения несинусоидальных ЭДС, напряжений и токов. Активная мощность
при наличии высших гармоник. Расчет цепей при несинусоидальных напряжениях.
Понятие спектра сигнала. Апериодические сигналы и их спектры.
Важнейшие принципы современной микроэлектроники.
Краткие ведения о физике полупроводников. Основные виды полупроводниковых
приборов. Основные этапы развития микроэлектроники. Краткое изложение современных
технологий
полупроводниковых
приборов. Схемы
замещения,
параметры
и
характеристики полупроводниковых приборов.
Основные аналоговые функции.
Основные аналоговые функции: усиление, ограничение, сравнение, перемножение и
частотная фильтрация. Универсальность построения элементов для аналоговых функций:
дифференциальный транзисторный каскад и аналоговые эталоны. Операционные и
решающие усилители. Усилительные каскады переменного и постоянного тока. Обратные
связи в усилительных устройствах.
Основные включения операционного усилителя.
Обратные связи в ОУ.. Аналоговые компараторы и перемножители на ОУ. Роль обратных
связей.
Функциональные генераторы.
Вторичные источники питания. Источники эталонного напряжения и тока. Цифровой
ключ. Базовые элементы, свойства и сравнительные характеристики современных
интегральных систем элементов. Частотные и переходные характеристики. Активные
фильтры.
Дискретные автоматы без памяти.
Основные логические функции. Шифраторы и дешифраторы. Мультиплексоры и
демультиплексоры. Цифровые компараторы.
Дискретные автоматы с памятью.
Триггеры как основа этих автоматов. Счетчики, регистры, Оперативные запоминающие
устройства.
Виды запоминающих устройств.
Накопители на магнитных дисках. Накопители на оптических дисках. Твердотельная
память на ПЗС-матрицах. Емкостная память.
Преобразователи цифровой формы информации в аналоговую форму.
Преобразователи аналоговой формы информации в цифровую форму.
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
Проводятся в компьютерном классе, оснащенном программным обеспечением для
компьютерного моделирования электротехнических и электронных схем (EWB).
1. Первичные источники питания. Выпрямление, стабилизация и фильтрация.
2. Усилительные свойства транзистора.
3. Операционный усилитель ООС.
4. Операционный усилитель ПОС.
5. Основные логические функции.
6. Триггеры, счетчики, регистры.
7. Цифро-аналоговый преобразователь (матрица R-2R)
8. Аналого-цифровой преобразователь.
5. Образовательные технологии
При реализации различных видов учебной работы (лекции, лабораторные работы,
самостоятельная работа) используются следующие современные образовательные
технологии:

Лекционная система обучения с закреплением материала в лабораторных
условиях;

Информационные технологии;

Дистанционные методы обучения;
 В соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки
«Системный анализ и управление» реализация компетентностного подхода
предусматривает широкое использование в учебном процессе активных и
интерактивных форм проведения занятий (компьютерные симуляции, разбор
конкретных ситуаций, работа над проектами) в сочетании с внеаудиторной
работой с целью формирования и развития профессиональных навыков
обучающихся.
 саморазвитие и развитие обучающихся благодаря активизации мыслительной
деятельности и диалогическому взаимодействию с преподавателем и другими
участниками образовательного процесса.
Для успешного освоения курса применяется комплекс программ компьютерного
моделирования, обеспечивающих демонстрацию основных процессов в электрических и
электронных схемах. С помощью данного программного комплекса обучающийся может
по заданию преподавателя самостоятельно проводить компьютерные симуляции
изучаемых явлений.
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
Литература.
Основная.
1. Лоторейчук Е.А. Теоретические основы электротехники [Текст] : Учебник /
Е.А. Лоторейчук. - Москва : Издательский Дом "ФОРУМ" ; Москва : ООО "Научноиздательский центр ИНФРА-М", 2014. - 320 с.
Дополнительная.
1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле [Текст] :
учебник / Л. А. Бессонов. - 10-е изд., стер. - Москва : Гардарики, 2003. - 316 с.
2. Щука А.А. Электроника [Текст] : учеб. пособие / А. А. Щука. - 2-е изд. - СанктПетербург : БХВ-Петербург, 2008. - 739 с.
3. Прянишников В.А. Теоретические основы электротехники: курс лекций / Виктор
Алексеевич Прянишников. – 4-е изд. – СПб.: КОРОНА принт, 2004.
4. Ушаков В.Н. Электротехника и электроника / Вадим Николаевич Ушаков. – М.: Радио и
связь, 1997.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лекционные занятия проводятся в аудиториях общего назначения. Лабораторные
(практические) занятия организуются в дисплейном классе.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению подготовки 27.03.03 Системный
анализ и управление.
Автор программы
Н.Б. Ковылов
Программа обсуждена и одобрена на заседании кафедры нелинейной физики
(протокол №
от
2014 г.)
Зав. кафедрой
Ю.П. Шараевский
Декан ФНП
Ю.И Лёвин
Декан факультета КНиИТ
А.Г. Федорова