Электроника и схемотехника: Рабочая программа дисциплины для специальности 075600 - Информационная безопасность телекоммуникационных систем

Министерство образования Российской Федерации УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ-УПИ УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной работе _____________

В. И. Лобанов

_____________

2002 г.

РА Б О Ч А Я П Р О Г РА М М А Д И С Ц И П Л И Н Ы ЭЛЕКТРОНИКА И СХЕМОТЕХНИКА Рекомендована Методическим советом ГОУ УГТУ-УПИ для направления направление 075000 Специальности в области информационной безопасности специальность : 075600 Информационная безопасность телекоммуникационных систем

ЕКАТЕРИНБУРГ 2002

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего и среднего образования и учебным планом по направлению подготовки 07500 – Специальности в области информационной безопасности, специальности 07560 - - Информационная безопасность телекоммуникационных систем. Программу составили: Дядьков Н.А., ст. преподаватель каф. РЭИС Устыленко Н.С. ст. преподаватель каф. РЭИС Программа одобрена на заседании кафедры радиоэлетроники информационных систем (протокол № 16/02 от «14» марта 2002 г.) Заведующий кафедрой _____________________________ Калмыков А.А.. Программа одобрена на заседании выпускающей кафедры Теоретических основ радиотехнии (протокол № ____ от «____» ____________ 2002 г.) Заведующий кафедрой _____________________________ Коберниченко В.Г.. Программа одобрена на заседании Методической комиссии Радиотехнического факультета (протокол № ____ от «____» ____________ 2002 г.) Председатель Методической комиссии _______________ Дружинина О.Г.

Аннотация содержания дисциплины Целью и задачей изучения дисциплины является освоение студентами базовых знаний и навыков в области электроники и схемотехники аналоговых, цифровых и микропроцессорных устройств. В соответствии с этими задачами рабочая программа согласно ГОС содержит следующие основные разделы: обзор физических эффетов, используемых в электронике; физические основы полупроводниковых электоронных устройств и их основные типы; базовые элементы интегральные микросхемы; основные типы аналоговых и цифровых интегральных схем; основы схемотехники аналоговых и цифровых устройств обработки информации; микропроцессоры, включая микропроцессоры цифровой обработки сигналов

1.

Цели и задачи дисциплины

Целью и задачей изучения дисциплины является освоение студентами базовых знаний и навыков в области электроники и схемотехники аналоговых, цифровых и микропроцессорных устройств. В соответствии с этими задачами рабочая программа согласно ГОС содержит следующие основные разделы Электропроводимость полупроводников; диоды; биполярные и полевые транзисторы; приборы СВЧ-диапазона; интегральные микросхемы; матричные БИС; линейные и нелинейные преобразователи; современные базовые элементы; свойства и сравнительные характеристики современных систем базовых элементов. Усилительные схемы; генераторы; операционные усилители и их применение; аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи; активные фильтры; методы анализа и синтеза цифровых устройств; триггеры; шифраторы и дешифраторы; преобразователи кодов; регистры; счетчики; сумматоры; схемотехника запоминающих устройств; программируемые логические матрицы; микропроцессоры; особенности микропроцессоров цифровой обработки сигналов.

2.

Требования к уровню освоения содержания дисциплины

Уровень освоения содержания дисциплины должен обеспечивать выполненение по окончанию ВУЗа следующих видов профессиональной деятельности: − сопровождение разработки и исследование специальных технических и программно-аппаратных средств защиты и обработки информации в телекоммуникационных системах; − участие в рассмотрении проектов технических заданий, планов и графиков проведения работ по технической защите информации, в разработке необходимой технической документации; − рациональный выбор соответствующих электронных и полупроводниковых приборов при разработке радиоэлектронной аппаратуры; − эксплуатация специальных технических и программно-аппаратных средств защищенных телекоммуникационных систем; − составление методик расчетов и программ экспериментальных исследований по технической защите информации, выполнение расчетов в соответствии с разработанными методиками и программами; − оценка технических возможностей сетей передачи информации общего и специального назначения; − выполнение оперативных заданий, связанных с обеспечением контроля технических средств и механизмов системы защиты информации;

3

3.

Объем дисциплины и виды учебной работы

Вид учебной работы Общая трудоемкость дисциплины Аудиторные занятия Лекции Практические занятия (ПЗ) Лабораторные работы (ЛР) Самостоятельная работа Курсовое проектирование Подготовка к лекциям Подготовка к лаб. работам Подготовка к пратическим занятиям Выполнение расчетных работ Подготовка к зачету Вид итогового контроля (зачет, экзамен)

4.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

4 177 102 68 17 17 75 0 24 6 8 37 0 экз

Семестры 5 123 51 17 17 17 72 34 10 3 5 15 5 зач

Содержание дисциплины 4.1.

№ п/п

Всего часов 300 153 85 34 34 147 34 34 9 13 52 5 экз., зач.

Разделы дисциплины и виды занятий Раздел дисциплины

Введение. Физические основы пролупроводниковых приборов Полупроводниковые диоды Полевые транзисторы Биполярные транзисторы. Шумы электронных приборов. Базовые элементы линейных интегральных схем. Базовые элементы цифровых интегральных схем. Принципы построения аналоговых электронных устройств. Схемотехника каскадов на дискретных элементах Схемотехника устройств на аналоговых интегральных микросхемах. Нелинейной аналоговые устройства и устройства преобразования сигналов. Выходные каскады аналоговых устройств Генераторы гармонических и импульсных сигналов Проектирование АЭУ. Импульсные и цифровые устройства. Микропроцессоры, микроконтроллеры и однокристальные мироЭВМ Заключение

4

Лекции, час 4 4 4 4 4 2 4 4 4

Пз

Лр, час

4 0 0 4 0

4 0 4 0 4 0 0

4 6

6 8

6 4

4

4

0

2 2 4 8 20

0 0 0 8 0

0 0 0 0 12

1 85

0 34

0 34

4.2.

Содержание разделов дисциплины

Введение Цель и задачи курса "Электроника и схемотехника", Содержание дисциплины, основные разделы курса и их содержание, связь с другими дисциплинами. Роль в подготовке специалистов по информационной безопасности телекоммуникационных систем. Физические процессы - носители информации. Физические эффекты, используемы в электронике. Электронновакуумные, ионные , твердотельные элетронные приборы. Электронные приборы с статическим электростатическим и магнитным управлением электронным пучком. Электронновакуумные приборы СВЧ с длительным взаимодействием электромагнитного поля с электроннам пучком. Физические эффекты в твердых телах, используемые в электронике. Раздел 1. Физические основы пролупроводниковых приборов Носители заряда в полупроводниках. Зонная модель полупроводников. Процессы генерации и рекомбинации подвижных носителей зарядов. Вырожденный и невырожденный полупроводники. Уровень Ферми собственного и примесного полупроводников. Зависимость энергии Ферми от температуры и концентрации примесей. Концентрация свободных носителей, ее зависимость от температуры и степени легирования. Неравновесные носители: время жизни и его зависимость от концентрации примесей и температуры. Дрейфовое движение носителей, дрейфовый ток. Подвижность, ее зависимость от температуры и напряженности электрического поля. Проводимость полупроводников, ее зависимость от материала, температуры и концентрации примесей. Диффузионное движение носителей, диффузионный ток, диффузионная длина. Применение однородных полупроводников (приборы, используемые физические эффекты, характеристики, области применения). Понятие об электронно-дырочном переходе, типы переходов. Электронно-дырочный переход в равновесном состоянии: распределение зарядов и поля, ширина р-п перехода, контактная разность потенциалов, энергетическая диаграмма, условия равновесия, токи в р-п переходе. Прямосмещенный р-п переход. Понятие об эмиттере и базе. Инжекция. Обратносмещенный р-п переход. Экстракция. Распределение носителей. Зависимость ширины р-п перехода от напряжения. Вольт-амперная характеристика р-п перехода и ее зависимость от температуры,степени легирования. Особенности прямой ветви вольт-амперной характеристики реального перехода. Влияние материала и объемного сопротивления базы на ход характеристик и параметры pn перехода Обратный ток, его составляющие и их зависимость от материала полупроводинка, концентрации примесей и температуры. Пробой перехода, его виды, механизмы, вольт-амперные характеристики. Барьерная и диффузионная емкости перехода. Специальные виды переходов: гетеропереход, переход металл- полупроводник. Эквивалентные схемы р-п перехода. Эффект Гана. Раздел 2. Полупроводинковые диоды. Классификация диодов. Выпрямительные диоды, вольтамнерная характеристика, основные параметры. Особенности выпрямительных диодов на арсениде галлия и с барьером Шоттки. 5

Работа диода с активной нагрузкой. Нагрузочная прямая и методы ее построения. Особенности работы диодов в импульсном режиме. Накопление и рассасывание носителей в области базы при переключении. Время установления и время восстановления. Импульсные диоды. Сокращение времени установления и восстановления, их назначение, конструкция. Диоды с барьером Шоттки. Основные электрические параметры и характеристики. Стабилитроны, их назначение, вольт-амперная характеристика, параметры, температурная компенсация, особенности конструкции и технологии Приборы СВЧ диапазона . Диоды для детектирования и преобразования частоты. Диоды с барьером Шоттки, обращенные диоды. Варикапы, их назначение, основные параметры. Лавиннопролетные диоды , диоды Ганна, диоды с накоплением заряда. Эквивалентные схемы различных типов полупроводниковых диодов. Раздел 3. Полевые транзисторы Полевые транзисторы с управляющим р-п переходом. Структура, назначение основных областей. Принцип действия. Статические стоковые и сток-затворные характеристики, их зависимость от температуры. Полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. Эффекты поля: режим обогащения, обеднения и инверсии приповерхностного слоя. Стоковые и сток-затворные характеристики. Пороговое напряжение. Полевые транзисторы с изолированным затвором и встроенным каналом. Особенности технологии, статические характеристики. Статические параметры: крутизна характеристики, выходное сопротивление, коэффициент усиления; порядок величин, их зависимость от режима работы. Эквивалентные схемы полевых транзисторов. Работа транзистора в схеме усилителя. Входная и выходная динамические характеристики. Выбор рабочего режима. Графический анализ усилителя. Определение динамических параметров усилительного каскада по семейству статических характеристик и нагрузочной прямой. Раздел 4. Биполярные транзисторы. Структура биполярного транзистора (БТ) и назначение основных областей. Принцип действия. Физические процессы в базе транзистора, взаимодействие переходов. Коэффициент передачи по току в схеме с ОБ. Принцип усиления мощности. Зависимость коэффициент передачи по току от технологии изготовления и режима работы. Эффект модуляции толщины базы. Семейство входных и выходных характеристик в схеме с ОБ, их зависимость от температуры. Режимы работы: активный, насыщения, отсечки, инверсный. Коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ, сквозной ток транзистора. Семейство входных и выходных характеристик в схеме с ОЭ и их зависимость от температуры. Работа транзистора в схеме усилителя. Входная и выходная динамические характеристики. Выбор рабочего режима. Графический анализ усилителя. Определение

6

динамических параметров усилительного каскада по семейству статических характеристик и нагрузочной прямой. Физическая эквивалентная схема БТ ( Т-образная) и ее преобразование в П-образную для включения с ОБ и ОЭ, полные и упрощенные схемы. Дифференциальные сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов, емкости переходов, сопротивление базы, коэффициент передачи по току, крутизна. Зависимость величины элементов эквивалентных схем от режима работы транзистора. Транзистор как линейный четырехполюсник. Системы Н, У, Z параметров транзисторов. Эквивалентные схемы усилителя в режиме малого сигнала. Коэффициет усиления по напряжению и сквозной коэффициент усиления. Входное и выходное сопротивление. Работа транзистора в диапазоне высоких частот. Физические процессы, определяющие частотные зависимости свойств транзисторов. Предельные и граничные частоты усиления транзистора по току в схемах с ОБ и ОЭ. Постоянные времени транзистора - собственная и цепи обратной связи. Максимальная частота усиления мощности. Дрейфовые транзисторы: особенности структуры и технологии изготовления, энергетическая диаграмма, механизм переноса носителей через базу. Работ транзистора в импульсном режиме. Физические процессы накопления и рассасывания носителей заряда в базе. Ненасыщенный, насыщенный, переключательный, режимы работы. Импульсные параметры транзисторов. Особенности БТ СВЧ диапазона. Достигнутые частоты мощности, шумы Раздел 5. Шумы электронных приборов. Источники шумов: тепловое движение, дробовой эффект, процессы генерации и рекомбинации, токораспределение, поверхностные явления. Фликкер-шум. Спектральная характеристика шумов. Методы оценки шумовых свойств: эквивалентные шумовые схемы электронных приборов. Малошумящие приборы СВЧ диапазона. Раздел 6. 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, амплитудночастотная, фазочастотная и амплитудная характеристики. Асимметрия усилительных плеч дифференциального усилителя, динамическая нагрузка, генераторы тока, операционные усилители и их структура. Раздел 7. Базовые элементы цифровых интегральных схем. Базовые элементы цифровых ИС. Ключи, 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

7

схем. Базовые элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ и ТТЛШ.), эмиттерносвязанной 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 8. Принципы построения аналоговых электронных устройств. Обратная связь как основной метод реализации устройств с заданными функциями и характеристиками Этапы проектирования электронных устройств (ЭУ). Функциональные, энергетические, эксплуатационные показатели. Значение ГОСТов при разработке ЭУ Идеальное линейное аналоговое устройство. Комплексный коэффициент передачи и формы его представления - амплитудночастотная (АЧХ), фазочастотная (ФЧХ), логарифмические амплитудночастотная (ЛАЧХ) и фазочастотная (ЛФЧХ) характеристики, годограф комплексного коэффициента передачи. Переходная (ПХ) и импульсная переходная характеристики (ИПХ). Связь между частотными и переходными характеристиками. Линейные искажения и их оценка. Линейное ЭУ как четырехполюсник. Входные и выходные параметры. Схемные функции. Коэффициенты передачи по напряжению и току. Входное и выходное сопротивление. Зависимость схемных функций от параметров источника сигнала и нагрузки. Физические эквивалентные схемы аналоговых устройств. Реальное линейное устройство. Амплитудная характеристика и динамический диапазон. Нелинейные искажения и их оценка. Внутренние помехи. Структура и функциональные схемы ЭУ. Определение каскада. Однокаскадные и многокаскадные устройства. Амплитудночастотная (АЧХ), фазочастотная (ФЧХ), логарифмические асимптотические характеристики многокаскадного устройства. Суммирование частотных искажений в многокаскадных устройствах. Определение обратной связи (ОС). Комплексный коэффициент передачи идеального линейного устройства, охваченного ОС. Использование идеальных усилителей, охваченных ОС, для создания ЭУ с заданными функциями. Обратная связь в многокаскадных устройствах. Устойчивость устройств с обратными связями. Критерии устойчивости. Методы обеспечения устойчивости многокаскадных устройств, охваченных ОС. Четырехполюсники, охваченные ОС. Классификация типов ОС. Анализ влияния различных типов ОС на комплексный коэффициент передачи по току, напряжению, входное и выходное сопротивления четырехполюсника. Влияние обратной связи на амплитудную характеристику, нелинейные искажения, помехи и стабильность параметров. Обратная связи как универсальный метод создания ЭУ с заданными характеристиками Раздел 9 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, фазочастотной и переходной характеристик аналоговых устройств. Применение частотнозависимых сопротивлений нагрузки и комплексной ОС.

8

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. Амплитудночастотная и переходная характеристики. Условия оптимальной коррекции. Особенности каскадов с ОС в ипульсном режиме.Эффекты затягивания фронтов в каскадах с обратной связью. Методы борьбы с затягиванием фронтов. Раздел 10 Схемотехника устройств на аналоговых интегральных микросхемах. Основные классы аналоговых микросхем. Операционные усилители, компараторы, аналоговые перемножители сигналов, схемы выборки и хранения, таймеры, аналогоцифровые и цифроаналоговые преобразователи. Поколения аналоговых интегральных микросхем Операционный усилитель (ОУ). Основные параметры ОУ. Характеристики ОУ: передаточная, амплитудно-частотная, фазочастотная, переходная, амплитудная. Структура ОУ. Двух- и трехкаскадные 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. Амплитудночастотная и фазочастотная 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 RС-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

9

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 Oбобщенные схемы, классификация, свойства. Раздел 11. Нелинейной 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. Усилителиограничители. 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. Аналогоцифровые 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 12 Выходные каскады аналоговых устройств. Принципы построения выходных каскадов. Усилители мощности. Анализ энергетических соотношений в однотактных каскадах с резистивно-емкостной и трансформаторной связью с нагрузкой (режим класса А). Двухтактные трансформаторные и бестрансформаторные каскады принципиальные схемы, анализ энергетических соотношений (режимы классов В и АВ). Усилители мощности класса D. Пути улучшения показаний оконечных каскадов. Раздел 13Генераторы гармонических и импульсных сигналов. Принципы построения генраторов сигналов. Основные типы генераторов гармонических и ипульсных сигналов. Раздел 14. Проектирование АЭУ. Особенности проектирования устройств аналоговой обработки сигналов на транзисторах и на интегральных микросхемах. Требования технического задания. Основные этапы проектирования и их содержание. Принципы выбора активных элементов, схем каскадов, способов и схем регулировки и управления параметрами. Распределение функций аналогового устройства между каскадами.. Управление параметрами аналоговых устройств Пассивные и активные регулировки усиления и частотной характеристики. Схемы, принцип действия, расчетные соотношения, достоинства и недостатки.

10

Аналоговые устройства с коммутируемыми резисторами и емкостями. Цифровое управление параметрами АЭУ. Проектирования устройств с применением САПР. Методы и аппаратура для экспериментального определения параметров и характеристик устройств. Мероприятия по технике безопасности. Раздел 15. Импульсные и цифровые устройства. Импульсные, дискретные и цифровые системы. Представление информации в импульсеых 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, сотав. Языки описания цифровых устройств. Раздел 16. Микропроцессоры, микроконтроллеры и однокристальные мироЭВМ 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 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. Процессоры с "Очень длинным командным словоь" (VLIW). 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. Струтура 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

11

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 ланных. Параллельное выполнение команд. Организация ввода-вывода информации. Средства создания многопроцессорных систем. Основные особенности и характеристики семейств современных 8-ми, 16-ти и 32-х разрядных 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. Основные характеристики и состав семейств Структурная организация систем обработки информации Магистрально модульный принцип построения систем. Роль стандартов в разработке систем обработи информации и управления. Средства разработки и отладки микропроцессорных вычислителей. Использование интерфеса JTAG для загрузки программ в процессоры и их отладки.. Средства автоматизации программирования, резидентные и кросс-средства, эмуляторы, средства отладки аппаратной части и программного обеспечения микропроцессорных устройств. Заключение Основные тенденции развития элементной базы и схемотехнии электронных устройств.

5.

Лабораторный практикум, практические занятия и курсовое пректирование 5.1.

№ п/п

Перечень лабораторных работ № раздела дисциплины

1 2 3 4 5 6

2 4 9 7 10 16

7

16

8

16

Наименование лабораторных работ Исследование ПП диода Исследование биполярного транзистора Исследование усилительного каскада на БПТ Исследование диф. усилителя Исследование схем с однопетлевой ОС на ОУ Изучение средств разработки и отладки программ микроконтроллера Изучение средств разработки и отладки программ сигнального процессора Программирование базовых операций цифровой обработки сигналов

12

5.2.

Перечень практических занятий

№ п/п 1

№ раздела дисциплины 4

2

4

3

4

4

10

5

10

6

15

5.3.

Темы занятий Методика графоаналитического расчета усилительного каскада на БПТ Методика расчета усилительного каскада на БПТ в режиме малого сигнала Методика расчета усилительного каскада с обратной связью на БПТ Методика расчета типовых схем на операционных усилителях масштабный усилитель Методика расчета типовых схем на операционных усилителях интегрирующий и дифференцирующий усилители Методика расчета типовых схем на операционных усилителях – фильтры второго порядка

Перечень расчетных заданий

№ № раздела Наименование задания п/п дисциплины 1 4 Графоаналитический расчет усилительного каскада. 2 4 Расчет усилительного каскада в режиме малого сигнала 3 10 Расчет типовых схем на операционных усилителях масштабный усилитель 4 10 Расчет фильтра второго порядка 5 15 Разработка комбинационных устройств (на базе системы MAX+). 6 15 Разработка конечных автоматов (на базе системы MAX+). 7 16 Программирование арифметических операций (управляющий микроконтроллер) 8 16 Программирование типовых процедур цифровой обработки сигналов.

5.4. № п/п 1

2

3

часы 6 6 6 6 6 7 5 10

Перечень курсовых проектов

Темы курсовых проектов (согласуется с дисциплиной "Теория электросвязи") Генераторы несинусоидальной несущей для систем телекоммуникаций: − Функций Уолша, упорядоченных по Адамару − Функций Уолша, упорядоченных по Радомахеру − Функций Уолша, упорядоченных по Гэли Устройства расширения спектра сигнала для систем скрытой передачи данных: − На основе М-последовательностей − На основе кода Баркера − На основе кода Голда Аналоговые устройства согласованной фильтрации сложных сигналов с цифровым управлением

13

6.

Учебно-методическое обеспечение дисциплины 6.1.

Рекомендуемая литература

Основная литература 1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М: Высшая школа, 1991. 622 с. 2. Электронные приборы. Учебник для вузов/В.Н.Дулин, Н.А.Аваев, В.П.Демин и др. Под ред. Г.Г.Шишкина. М.: Энергоатом-издат,1989. 496 с. 3. Батушев В.А. Электронные приборы. М.:Высшая школа, 1980, 383 с. 4. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов/Н.М.Тугов, Б.А.Глебов, Н.А.Чарыков; Под ред.В.А.ЛабунцоваМ М.:Энергоатомиздат,1990, 576 с. 5. Елфимов В.И., Устыленко Н.С. Основы теории p-n перехода: Учебное пособие. Екатеринбург: ООО “Изд-во УМЦ УПИ”, 2000. 55 с. 6. Ногин В.Н. Аналоговые электронные устройства: Учебное пособие для вузов.М.: Радио и связь, 1992.-304с. 7. Свирид В.Л. Микросхемотехника аналоговых электронных устройств. Минск: Дизайн ПРО, 1998. 256 с. 8. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. М.: Радио и связь, 1991. 376 с. 9. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. СПб.: БХВ- Санкт-Петербург, 2001. - 528 c.: ил.Матюшин О.Т., Нарышкин А.К., Сизов В.П. Цифровые устройства и микропроцессоры/Под общей ред. А.К.Нарышкина.- М.:Высшая школа, 1996. 10. Казаринов Ю.Н., Номоконов В.Н., Филиппов Ф.В. Приме нение микропроцессоров и микроЭВМ в радиотехнических системах.-М.: Высш. шк., 1988. 11. Цифровая и вычислительная техника: Учебник для вузов/ Э.В.Евреинов, Ю.Т.Бутыльский, И.А.Мамзелев и др.; Под ред. Э.В.Евреинова.-М.: Радио и связь, 1991.-464с. 12. Микропроцессоры. В 3-х кн. Кн.1. Архитектура и проектирование микро-ЭВМ. Организация вычислительных процессов: Учебник для втузов / П.В.Нестеров, В.Ф.Шаньгин, В.Л.Горбунов и др.; Под ред. Л.Н.Преснухина. М.: Высшая школа, 1986. 495 с. 13. 4. Шукстов В.Н., Филатова Т.И., Болтаев А.В. Исследование характеристик и параметров полупроводниковых диодов. Свердловск, изд.УПИ, 1989, 27 с. 14. Шукстов В.Н., Филатова Т.И. Исследование характеристик и параметров стабилитронов и стабилизатора напряжения. Свердловск, изд.УПИ, 1991, 22 с. 15. Шукстов В.Н., Филатова Т.И. Исследование характеристик и параметров туннельных диодов. Екатеринбург: УПИ, 1992, 20 с. 16. Шукстов В.Н., Филатова Т.И. Исследование характеристик и параметров биполярного транзистора в схеме с общей базой. Свердловск, изд.УПИ, 1990, 23 с. 17. Шукстов В.Н. Филатова Т.И. Исследование характеристик и параметров биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Свердловск, изд.УПИ, 1990, 16 с. 18. Шукстов В.Н., Филатова Т.И. Исследование характеристик и параметров полевых транзисторов. Свердловск, изд.УПИ, 1985, 23 с. 19. Болтаев А.В., Филатова Т.И., Шукстов В.Н. Исследование инерционных свойств полупроводниковых приборов. Свердловск, изд. УПИ, 1988, 21 с. 20. Атманских Ю.А., Болтаев А.В., Березовик Л.А., Важенин В.Г. Исследование усилительных каскадов при различных схемах включения транзистора. Свердловск: УПИ, 1990. 39 с.

14

21. Атманских Ю.А., Болтаев А.В., Важенин В.Г. Исследование влияния отрицательной обратной связи на характеристики и параметры усилительного каскада. Свердловск: УПИ 1991. 30 с. 22. Атманских Ю.А., Болтаев А.В., Важенин В.Г. Исследование усилительного каскада с коррекцией. Свердловск: УПИ, 1991. 25 с. 23. Болтаев А.В., Нехорошев В.Д. Исследование дифференциального усилительного каскада, Свердловск: УПИ, 1991. 19 с. 24. Болтаев А.В. Исследование операционного усилителя. Свердловск: УПИ, 1984. 21 с. 25. Гадзиковский В.И. Исследование активных фильтров. Свердловск: УПИ, 1984. 16 с. Дополнительная литература 1. Прянишников В.А. Электроника: курс лекций. – СПб.: Крона принт, 1998.-400с. 2. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1987, 479 с. 3. Антипов Б.Л., Сорокин В.С., Терехов В.А. Материалы электронной техники. Задачи и вопросы: Учебн.пособие для вузов/Под ред.В.А.Терехова. М.:Высш.шк., 1990, 208 с. 4. Полупроводниковые приборы. Транзисторы. Справочник/ Под ред. Н.Н.Горюнова. М.: Энергоатомиздат, 1985, 904 с. 5. Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник/ Под ред.Н.Н.Горюнова. М.: Энергоатомиздат, 1984, 744 с. 6. Проектирование усилительных устройств: Учебное пособие/Под ред. М.В.Терпугова. М.: Высшая школа, 1982. 190 с. 7. Усилительные устройства. Сборник задач и упражнений: Учебное пособие для вузов/Г.Алексеев, Г.В.Войшвилло, Н.А.Трискало; Под ред.Г.В.Войшвилло. М.:Радио и связь, 1986. 160 с. 8. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.:Энергоатомиздат, Ленингр.отделение, 1988. 304 с. 9. Коломбет Е.А., Юркевич К., Зодл Я. Применение аналоговых микросхем. М.:Радио и связь. 1990. 320 с. 10.Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. Пер.с англ. М.:Мир, 1985, 572 с. 11.Федорков Б.Т., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП. Функционирование и применение. - М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с. 12.Кибакин В.М. Основы теории и расчета транзисторных низкочастотных усилителей мощности. М.:Радио и связь, 1988. 240 с. 13.Хорвиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 3-х томах. Пер. с англ. М.:Мир, 1993. т.1. 411 с.; т.2. 415 с.; т.3. 366 с. 14.Мошиц Г, Хорн П. Проектирование активных фильтров. Пер.с англ. М.:Мир, 1984. 320 с. 15. Джонсон Д., и др. Справочник по активным фильтрам: Пер. с англ./ Д.Джонсон, Дж.Джонсон, Г.Мур. М.:Энергоатомиздат, 1983. 128 с. 16.Варшавер Б.А. Расчет и проектирование импульсных усилителей. М.:Высшая школа, 1975. 288 с. 17.Интегральные микросхемы: Операционные усилители. Обзор - М.: ДОДЕКА, 1994г., 48с. 18.Интегральные микросхемы: Операционные усилители. Том 1 - М.: Физматлит, 1993г., 240с.

15

19.Булычев А.Л. и др. Аналоговые интегральные схемы: Справочник /А.Л. Булычев, В.И. Галки, В.А. Прохоров. 2-е изд. - Мн.:Беларусь, 1993. 382 с. 20.Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешова и др.; Под ред. С.В.Якубовского. - М.:Радио и связь, 1990. 496 с. 21.В.В. Корнеев, А.В. Киселев. Современные микропроцессоры.- М.: Нолдж, 1998г.-240с 22.С. Марков. Цифровые сигнальные процессоры. Книга 1.М.: фирма МИКРОАРТ, 1996.144с 23.Однокристальные микроЭВМ: справочник.-М.: Бином,1994г.-397с 24.Сташин В.В. и др. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах.- М.: Энергоиздат,1990. 25. Мячев А.А. Интерфейсы средств иычислительной техники: Справочник М.: Радио и связь,1993.-352с. 26. Микропроцессоры и микро-ЭВМ в системах автоматического управления: Справочник / С.Т.Хвощ, Н.Н.Варлинский, Е.А.Попов; Под ред. С.Т.Хвоща. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. 640 с.

16

6.2. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

7.

Средства обеспечения освоения дисциплины

Система моделирования аналоговых и цифровых устройств Electronics Workbench 6.0 Система моделирования аналоговых и цифровых устройств Orcad 9.2 Система разработки цифровых устройств МАХ+10.1 фирмы Altera Система разработки цифровых устройств WebPACK_41 фирмы Xilinx Система разработки ПО микропроцессоров AVR Studio 4 Система разработки ПО сигнальных микропроцессоров VisualDSP 2000 Система разработки ПО сигнальных микропроцессоров 1879ВМ1 Программы для расчета схем на ОУ (в пакете Mathcad 2001)

Материально-техническое обеспечение дисциплины 7.1.

Компьютерный класс

1. Р-445 2. Р-440 Общее число рабочих мест более 20

7.2.

Носители, СД

1. Каталог аналоговых, цифровых схем и сигнальных процессоров (с технической документацией) фирмы Analog Devices 2. Каталог цифровых схем и микропроцессоров (с технической документацией) фирмы Microchip 3. Каталог изделий (с технической документацией) фирмы Atmel. 4. Каталог изделий (с технической документацией) фирмы Altera 5. Каталог изделий (с технической документацией) фирмы Xilinx

7.3.

Лаборатории и лабораторное оборудование

1. Р-438 Лаборатория элементов и устройств радиоэлектроники. Стенды для исследования ПП приборов, измерительная аппаратура, 8 рабочих мест. 2. Р-442 Лаборатория аналоговых электронных устройств. Стенды для исследования аналоговых электронных устройств, измерительная аппаратура. 6 рабочих мест. 3. Р-441 Лаборатория цифровых устройств и систем. Универсальный стенд для изучения и отладки устройств на базе ПЛИС Flex10K10 и микроконтроллера AVR AT 90S2313 с пультом на основе АТ486, стенд для изучения цифровых синтезаторов частоты на базе отладочного модуля AD7008 с пультом на основе АТ486, отладочный комплекс на базе ПВМ Р2 450 мГц и двухпроцессорного модуля цифровой обработки сигналов МЦ4.01 на базе процессоров 1879ВМ1, отладочный комплекс на базе ПВМ Р1 100 мГц процессора цифровой обработки сигналов ADSP2181.

17