Электротехника и электроника: Задание и методические указания

Министерство Российской Федерации по связи и информатизации

ПОВОЛЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра Теории электрических цепей

ЗАДАНИЕ и МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по дисциплине “Электротехника и электроника”

для студентов, обучающихся по специальности “Программное обеспечение ВТ и АС” факультета второго высшего образования при дистанционном обучении

Составитель: доц., к.т.н. Михайлов В.И. Рецензент: доц., к.т.н. Алексеев А.П.

Самара, 2004

Михайлов В.И. Электротехника и электроника

СОДЕРЖАНИЕ 1. Образовательный стандарт дисциплины Э и Э................................................................ 3 2. Список литературы.............................................................................................................. 4 3. Вопросы для изучения и подготовки к экзамену ............................................................. 6 4. Задание для самостоятельного изучения при дистанционном обучении...................... 9 5. Методические указания по применению программных средств ................................... 9 5.1. Краткое описание программы BOOK. 3_0 В.............................................................. 10 5.2. Краткое описание программы EWB............................................................................. 12 5.3. Краткое описание программы Mathcad........................................................................ 14

2

Михайлов В.И. Электротехника и электроника

1. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ СТАНДАРТ ДИСЦИПЛИНЫ Э И Э Основные законы теории электрических и магнитных цепей Переходные процессы во временной области, анализ установившегося режима в цепях синусоидального тока, трехфазные цепи, много полюсные цепи. Использование преобразования Лапласа для анализа цепей, передаточная функция и ее связь с дифференциальным уравнением, с импульсной и частотными характеристиками; дискретный спектр, апериодические сигналы и их спектры; основные понятия и математические модели теории электромагнитного поля. Схемы замещения, параметры и характеристики полупроводниковых приборов; усилительные каскады переменного и постоянного тока, частотные и переходные характеристики, обратные связи в усилительных устройствах, операционные и решающие усилители; активные фильтры, компараторы, аналоговые ключи и коммутаторы, вторичные источники питания, источники эталонного напряжения и тока, цифровой ключ; базовые элементы, свойства и сравнительные характеристики интегральных систем элементов; методы и средства автоматизации схемотехнического проектирования электронных схем.

3

Михайлов В.И. Электротехника и электроника

2. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. – М.: Гардарики. 2000. –638 с. 2. Бакалов В.П., Игнатов А.Н., Крук Б.И. Основы теории электрических цепей и электроники. –М.: Радио и связь, 1989. -528 с. 3. Бакалов В.П., Дмитриков В.Ф., Крук Б.И Основы теории цепей. –М.: Радио и связь. 2003, 592 с. 4. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и её применение. – М.: Солон. 1999. –506 с. 5. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил А.В., Страхов С.В. Основы теории цепей. . –М., Энергоатомиздат, 1989, -528 с.. 6. Попов В. П. Основы теории цепей. М.: Высшая школа. 2000. –575 с. 7. Шебес М. Р., Каблукова М. В. Задачник по теории линейных электрических цепей. –М.: Высшая школа. 1990. –544 с. 8. Бакалов В.П., Крук Б.И., Журавлева О.Б. Теория электрических цепей. Новосибирск. СибГАТИ, 1998, -197 с. 9. Добротворский И. Н. Теория электрических цепей. Лабораторный практикум. М.: Радио и связь. 1990. –216 с 10. Атабеков Г. И. Теоретические основы электротехники. Ч 1, 2, 3. М.: Энергия. 1978. 578 с. 11. Андреев В. С. Теория нелинейных электрических цепей. – М.: Радио и связь. 1982. –488 с. 12. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде WINDOWS 95. Mathcad 6.0 PLUS. –М.: Филинъ. 2000. –697 с. 13. Демирчан К.С., Бутырин П.А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей. –М.: Высшая школа. 1988. –355 с 14. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая ЭЛЕКТРОНИКА, –М.: Горячая Линия – Телеком, 2000, 768 с. 15. Булычев А.Л., Лямин П.М., Туликов Е.С. Электронные приборы,- М.:ЛАЙТ ЛТД, 2000, 416 с. 4

Михайлов В.И. Электротехника и электроника

16. Бреус А.И. Электронные твердотельные приборы и электроника, конспект лекций часть 1, Самара, 1998, 107 с. 17. Алексеев А.П. Информатика 2001. –М.: Солон – Р, 2001, с. 269-329 18. Алексеев А.П., Михайлов В.И. Методические указания к лабораторным работам по курсу ТЭЦ “Исследование нелинейных цепей с помощью пакета Electronics Workbench”, кафедра ТЭЦ ПГАТИ. Самара, 2000, 18 с. 19. Михайлов В.И., Чернышева Л.П. Методические указания к лабораторным работам по 1 части курса ОТЦ, ПГАТИ, каф. ТЭЦ, Самара, 2002, 85 с. 20. Михайлов В.И., Цаплин Н.Н. Методические указания к лабораторным работам по 2 части курса ОТЦ, ПГАТИ, каф. ТЭЦ, Самара, 2000, 104 с.

5

Михайлов В.И. Электротехника и электроника

3. ВОПРОСЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ И ПОДГОТОВКИ К ЭКЗАМЕНУ Электротехника ( Основы теории цепей) 1. Основные понятия. Классификация электрических и магнитных цепей. 2. Элементы электрической цепи. Структурные элементы и параметры электрических цепей и схем. 3. Расчёт электрических цепей при переменном токе. Анализ R L C – цепи при гармоническом воздействии. 4. Представление гармонической функции комплексными функциями. Законы Кирхгофа и Ома в комплексной форме. 5. Расчёт сложных электрических цепей: Метод контурных токов, метод узловых напряжений, метод наложения, метод эквивалентного источника. 6. Мощность в цепи переменного тока. 7. Резонансные явления в электрических цепях. Последовательные и параллельные контуры. Сложные контуры. 8. Взаимная индукция в электрических цепях. Согласное и встречное включение индуктивно-связанных элементов. 9. Трансформаторы. Схемы замещения. Режимы работы. 10. Комплексная передаточная функция. Коэффициент передачи. 11. Переходные процессы в электрических цепях. Законы коммутации. Методы расчёта. 12. Переходные процессы в электрических цепях первого порядка RL, RC. 13. Переходные процессы в последовательной RLC цепи. 14. Переходные процессы в параллельной RLC цепи. 15. Операторный метод расчёта переходных процессов. Преобразования Лапласа. Законы Кирхгофа в операторной форме. 16. Операторные передаточные функции. Методика расчёта. 17. Временные характеристики цепи. Переходная и импульсная характеристики. Методики расчёта. 18. Реакция цепи на сложное кусочно-непрерывное воздействия. Интегралы Дюамеля 6

Михайлов В.И. Электротехника и электроника

и наложения. 19. Электрическая цепь при воздействии негармонического периодического сигнала. Ряд Фурье. Спектры периодических сигналов. Интеграл Фурье. Спектральная плотность апериодического сигнала. 20. Спектральный метод расчета переходных процессов. Условия безыскажённой передачи электрических сигналов. 21. Дифференцирующие и интегрирующие цепи. 22. Цепи с обратной связью. Теория устойчивости. Критерии устойчивости. Автоколебательные цепи. 23. Цепи с распределёнными параметрами. Первичные и вторичные параметры. Уравнения длинной линии. Режимы работы длинной линии. 24. Четырехполюсники и их характеристики. Характеристические параметры и рабочая мера передачи. 25. Электрические фильтры. Основные понятия и классификация. 26. Лестничные реактивные фильтры. 27. Мостовые фильтры и их характеристики. 28. Резонаторные фильтры: кварцевые, магнитострикционные, электромеханические. 29. Активные RC – фильтры 30. Корректирующие цепи. Виды искажений в электрических цепях. Амплитудночастотные и фазо-частотные корректоры. Электроника 31. Назначение, классификация и системы обозначений электронных приборов. 32. Принцип работы электровакуумных и ионных приборов. 33. Электронные лампы и их характеристики 34. Электровакуумные электронно-лучевые приборы. 35. Принцип работы полупроводниковых приборов. 36. Полупроводниковый диод. 37. Биполярные транзисторы 38. Полевые транзисторы. 7

Михайлов В.И. Электротехника и электроника

39. Тиристоры 40. Фотоэлектронные и излучающие приборы 41. Интегральные операционные усилители. 42. Электронные регуляторы и аналоговые ключи. 43. Фильтры на интегральных схемах. 44. Автогенераторы на интегральных схемах. 45. Ограничители амплитуды импульсов. 46. Генераторы прямоугольных импульсов. 47. Характеристики и параметры цифровых устройств. 48. Основные логические операции и элементы. 49. Семейства цифровых интегральных схем. 50. Триггеры. 51. Комбинационные интегральные устройства. 52. Большие интегральные схемы. Микропроцессоры.

8

Михайлов В.И. Электротехника и электроника

4. ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ ПРИ ДИСТАНЦИОННОМ ОБУЧЕНИИ При дистанционном обучении студенты самостоятельно изучают теорию по рекомендованной литературе, выполняют четыре лабораторные работы и решают три задачи в контрольной работе. Все это оформляется на ЭВМ и отсылается в центр дистанционного обучения академии на факультет ВВО для проверки. Описание лабораторных работ и контрольных задач находятся в отдельных методических указаниях на сайте дисциплины Э и Э. На экзаменационной сессии студенты проходят собеседование по выполненным и допущенным контрольной работе и лабораторным работам, а затем сдают экзамен по всему курсу.

5. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ Дополнительно рекомендуется использовать программные средства, такие как: Обучающая

и

контролирующая

программа

BOOK.

3_0

[9],

программа

моделирования работы электрических цепей Electronics Workbench (EWB) 4(5) [4,16,17], программа математических расчетов Mathcad 2001 [13,16]. Рекомендуется использовать учебные версии.

9

Михайлов В.И. Электротехника и электроника

5.1. Краткое описание программы BOOK. 3_0 В Вид файлов программы BOOK. 3_0 показан ниже

Для запуска программы рекомендуется применять файлы Menu или Start. Можно сделать ярлык на рабочем столе компьютера. Для остановки пояснений достаточно нажать любую клавишу. И на экране появятся разделы тренажерных блоков программы, как

показано ниже. Для входа в конкретный раздел (блок) нужно

клавишами перемещения курсора по вертикали подвести указатель (рука с вытянутым пальцем) к нужному разделу и нажать клавишу Enter. Мышь компьютера здесь не действует.

Долее

работа

осуществляется

по

указаниям

в

соответствующих

информационных окнах. Для выхода из блока, где нет специальной команды, используется клавиша F10. Она же применяется и для выхода из самой программы. Пример раскрытого окна блока “Символическое представление гармонических колебаний” показан далее. Общее занимаемое место программы BOOK. 3_0 составляет порядка 1,2 Мбайт, А на носителе для работы требуется 2,2 Мбайт в режиме ДОС. 10

Михайлов В.И. Электротехника и электроника

Программа позволяет наглядно изучать ряд разделов дисциплины Э и Э в режимах демонстрации и самообучение и контролировать освоение разделов в режиме самоконтроля. Картинка из режима демонстрации показана также на следующей странице для блока “Треугольник сопротивлений”. 11

Михайлов В.И. Электротехника и электроника

5.2. Краткое описание программы EWB Программа EWB 4 занимает 6,4 Мбайта и требует для работы 8,9 Мб, Версия EWB 5 является установочной и здесь необходимо соответственно 18,5 и 21,3 Мб. Запуск осуществляется из меню пуск , программы или по ярлыку, управление с мышью.

Окна интерфейсов этих программ показаны ниже. Причем

4 версия

позволяет установить европейский стандарт изображений элементов при запуске через ярлык на рабочем столе при помощи правой клавиши мыши, опции свойства и записи дополнительно в строке объект после EXE через пробел /din .

12

Михайлов В.И. Электротехника и электроника

В EWB5 действует только американский стандарт. В окне 5 версии показан развернутый интерфейс пассивных элементов, схема простой цепи, измерительный прибор с показаниями и нажатая кнопка запуска на работу по моделированию (в правом верхнем углу).

13

Михайлов В.И. Электротехника и электроника

5.3. Краткое описание программы Mathcad Программа Mathcad 2001 является удобным инструментом для инженерных расчетов, является установочной и требует 129 и 132 Мб. Можно применять и другие версии. Окно программы с открытыми показан ниже. Все манипуляции здесь производятся с помощью клавиш мыши.

Здесь раскрыты интерфейсы калькулятора, графики и матриц. Для расчетов следует применять порядок записи слева направо и сверху вниз. Например, сначала записать данные через операцию присвоения потом формулы через равенство, а затем получить результаты через равенство. При этом используется английский алфавит. При построении графиков формула записывается как функция с аргументом в скобках через присвоение, а затем раскрывается окно требуемого вида графика (например в прямоугольных координатах), записывается функция в окошке вертикали и делается выход из графика. При необходимости подбирается нужный масштаб по вертикали, горизонтали и затем устанавливается сетка и оси (после двойного нажатия левой клавиши мыши и появления дополнительных опций). С помощью программы Mathcad можно вычислять различные функции, в том числе дискретные с индексированными переменными. Примеры таких вычислений 14

Михайлов В.И. Электротехника и электроника

приведены далее на основе версии Mathcad 2000. Здесь заданы пределы изменения индекса k от 1 до 10 специальным оператором m…n и исходные данные для расчета и формулы. Сами вычисления происходят автоматически в виде вертикальных таблиц. Показан и график одной из рассчитанных величин. На следующем экране приведен пример

вычисления

функции,

заданной

разными

законами

изменения

с

использованием палетки программирование. оператора Add Line и график дискретной переменной в линейчатом виде.

15

Михайлов В.И. Электротехника и электроника

Для установки сетки и вида линий на графике нужно два раза быстро нажать левую клавишу мышки и в опции оси указать сетка, а в опции следы указать, например step для получения вертикально линейчатых изображений, как и показано на вставке экрана, не забыв после этого нажать ОК.

16