Схемотехника измерительных устройств

1. Цели освоения дисциплины
Дисциплина нацелена на формирование следующих профессиональных компетенций
выпускника:
- способность собирать и анализировать научно-техническую информацию, учитывать современные тенденции развития и использовать достижения отечественной и зарубежной
науки, техники и технологии в профессиональной деятельности;
- фундаментальные знания теоретических основ проектирования измерительных устройств
высокой точности, перспектив и тенденций её развития; освоение передового отечественного
и зарубежного опыта в области производства измерительных устройств;
- умение разрабатывать измерительные приборы используя знания аналоговой и измерительной схемотехники;
- способность и умение разрабатывать отдельные узлы измерительных устройств и проектировать типовые, выбирать оптимальное решение по измерительному каналу с использованием компьютерных и информационных технологий; способность эффективно работать и организовывать работу коллективов для решения текущих и перспективных проблем.
1. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Схемотехника измерительных устройств» относится к вариативной части
профессионального цикла дисциплин. Она непосредственно связана с дисциплинами естественнонаучного и математического цикла (физика, математика, электротехника) и профессионального цикла (первичные измерительные преобразователи и приборы, математические
основы обработки информации, физические основы получения информации, основы проектирования приборов и систем) и опирается на освоенные при изучении данных дисциплин
знания и умения. Кореквизитами для дисциплины «Схемотехника измерительных
устройств» являются «Синтез автоматических приборных устройств», «Приборы ориентации и навигации».
2. Результаты освоения дисциплины
В соответствии с требованиями ООП освоение дисциплины «Конструирование и технология приборов и установок» направлено на формирование у студентов следующих компетенций (результатов обучения), в т.ч. в соответствии с ФГОС:
Результаты обучения
Код
Р1
ОК-1
ОК-12
ПК-2
З.1.3
Р2
З.2.1
ОК-1
ПК-2
ПК-6
Составляющие результатов обучения
Код
Умения
Код
У.1.1
Учитывать в своей В.1.1
деятельности экоинженерных наук
номические аспекты
и вопросы энергосбережения
У.1.2
Использования основных
законов
математики и естественнонаучных
дисциплин в профессиональной деятельности
Экономических асУ.2.1
Находить организа- В.2.1
пектов технологии
ционнопроизводства
управленческие решения в стандартных ситуациях и
быть готовым нести
Знания
Владение (опыт)
эффективно разрабатывать современных
средств
контроля и измерения
Расчета экономической эффективности
ПК-9
ПК-13
ПК-20
ПК-21
Р7
ОК-12
ОК-2
ПК-3
З.2.3
Основ технологической подготовки производства
У.2.3
З.7.3
Видов самостоятельной образовательной деятельности для профессионального роста
У.7.1
У.7.3
Р8
ПК-3
ПК-6
З.8.3
Компьютерных программ для демонстрации результатов
работы
У.8.3
У.10.1
Р10
ОК-14;
Р11
ОК-9
З.10.2
Возможных влияниях инженерной деятельности на экологию
окружающей
среды
У.10.2
З.10.3
Основ техники безопасности при выполнении
различных видов работ в
инженерной
деятельности
У.10.3
З.11.1
Кодекса профессиональной этики исследователя и инженера
У.11.1
за них ответственность
Участвовать в технологической подготовке производства приборов различного назначения
и принципа действия
В.2.3
Использования
современного
оборудования
Брать на себя ведущую роль в процессе
своего самообучения;
управлять временными,
пространственными,
профессиональными и социальными
факторами,
влияющими на процессы самообучения
Использовать в качестве источника самообучения собственный профессиональный и жизненный
опыт, а также опыт
других.
Принимать исполнительские решения в
условиях
спектра
мнений.
В.7.1
Навыками самоорганизации и мотивации к постоянному совершенствованию ранее приобретенных знаний и
умений в области
профессиональной
деятельности
В.7.3.
обобщения, анализа, восприятия информации, постановки цели и выбора путей ее достижения
В.8.3
Проведения презентации результатов
индивидуальной и
командной работы
Предвидеть влияния
инженерных решений на социальный
контекст
Предусмотреть меры
по сохранению защите экосистемы в
ходе своей общественной и профессиональной деятельности
Разрабатывать, осуществлять и контролировать выполнение требований по
охране труда и технике безопасности в
конкретной
сфере
деятельности
В.10.1
-
В.10.2
Использовать этические и правовые
нормы, регулирующие отношение человекав инженерной
деятельности
В.11.1
Использования
методов экологического обеспечения производства
и инженерной защиты окружающей
среды
Опытом составления технической
документации
с
учетом требований
техники безопасности,
охраны
окружающей среды и нормативных
правовых актов
Ответственного
отношения к порученным заданиям
и
выполнению
своих профессиональных обязанностей
В.10.3
В результате освоения дисциплины (модуля) «Схемотехника измерительных устройств»
студентом должны быть достигнуты следующие результаты:
Таблица 2
№ п/п
РД 1
РД 2
РД3
РД 4
Планируемые результаты освоения дисциплины
«Схемотехника измерительных устройств»
Результат
Применять современные базовые и специальные естественнонаучные, математические и инженерные знания для разработки, производства, отладки, настройки и аттестации измерительных устройств с использованием
существующих и новых технологий, и учитывать в своей деятельности
экономические, экологические аспекты и вопросы энергосбережения.
Участвовать в разработке измерительных устройств, подбирать и внедрять
необходимые схемотехнические решения приборостроения, предварительно оценив их экономическую эффективность, кроме того, уметь принимать организационно-управленческие решения на основе экономического анализа.
Иметь опыт проектирования измерительных устройств, отвечающих требованиям современного уровня науки и техники.
Иметь первоначальный опыт разработки измерительных устройств различного назначения и их конструирование.
4. Структура и содержание дисциплины
4.1. Структура дисциплины по разделам и видам учебной деятельности (лекция, лабораторная работа, практическое занятие, семинар, коллоквиум, курсовой проект и др.) c указанием временного ресурса в часах приведена в таблице 1.
Таблица 1.
Структура дисциплины
по разделам и видам учебной деятельности
№
Название раздела/темы
Аудиторная работа СРС Итого
Формы текущего
(час)
(час)
контроля и аттестации
Лекции ПР Лаб.
зан.
1
Измерительные приборы
4
8
8
34
54
Отчеты по лабораторной работе
2
Схемотехника аналоговых
4
8
8
34
54
Отчеты по лабораизмерительных каналов
торной работе
3
Аналого-цифровое и цифро4
8
8
34
54
Отчеты по лаборааналоговое преобразование
торной работе
сигналов
4
Схемотехника цифровых из4
8
8
34
54
Отчеты по лаборамерительных каналов
торной работе
Итого
16
32
32
136
216 Экзамен
4.2 Содержание теоретического раздела дисциплины (16 часов):
4.2.1 Введение. (1 час)
Цели и задачи дисциплины. Роль дисциплины в подготовке специалистов в области приборостроения, связь ее с другими дисциплинами учебного плана. Информация о рейтинговой
системе контроля знаний студентов по дисциплине. Литературные источники по дисциплине
и их краткая аннотация.
4.2.2 Измерительные приборы. (3 часов)
Измерение физических величин. Основные понятия и определения. Свойства средств измерения и предъявляемые к ним требования. Структуры типовых измерительных приборов (систем). Измерительные преобразователи, классификация, основные параметры. Измерительные цепи генераторных измерительных преобразователей. Измерительные цепи параметрических преобразователей: цепь последовательного включения, цепь в виде делителя, неравновесные мосты. Особенности неравновесных мостов переменного тока.
4.2.3 Схемотехника аналоговых измерительных каналов (4 часов).
Операционные усилители (ОУ). Базовые схемы включения ОУ: инвертирующий, неинвертирующий, дифференциальный усилители. Параметры ОУ: точностные, динамические и эксплуатационные параметры. Классификация ОУ. Применение ОУ для обработки аналоговых
сигналов. Усиление и ослабление сигналов. Формирование частотно-зависимых коэффициентов передачи измерительных каналов. Суммирование и вычитание сигналов. Интегрирование и дифференцирование аналоговых сигналов. Функциональные преобразователи. Перемножители и делители сигналов. Особенности измерительных каналов переменного тока.
Выполнение специальных операций над сигналами. Определение среднего абсолютного значения (измерительные выпрямители). Фазочувствительный выпрямители (демодуляторы).
Синхронные детекторы. Модуляторы сигналов. Примеры схемотехники аналоговых измерительных каналов.
4.2.4 Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование сигналов (4 часа).
Теоретические основы аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. Основные
параметры аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Классификация АЦП. Последовательный АЦП с генератором ступенчатого напряжения. АЦП последовательного приближения. АЦП с время - импульсным преобразованием. АЦП с двухэтапным интегрированием.
Параллельные АЦП. АЦП на основе-модуляции. Преобразователи напряжение – частота.
Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Цифровые синтезаторы аналоговых сигналов.
4.2.5 Схемотехника цифровых измерительных каналов (4 часов).
Цифровые и аналого-цифровые измерительные каналы. Примеры практической реализации.
Цифровые методы измерения временных интервалов. Цифровые методы измерения частоты.
Устройства отображения информации.
4.3
Практический раздел дисциплины
4.3.1
Лабораторные занятия
№
п/п
Наименование лабораторных работ
Колич.
часов
Учебная, производственная база
1
Вводное занятие. Инструктаж по технике безопасности. Сигналы. Измерение параметров.
Практикум. Измерительный канал постоянного
тока
4
ТПУ, учебная
2
Активные фильтры на операционных усилителях
4
ТПУ, учебная
3
Исследование усилителя – преобразователя сиг-
8
ТПУ, учебная
нала датчика угла трансформаторного типа
4
Широтно-импульсный модулятор
4
ТПУ, учебная
5
Линейные и импульсные источники питания
4
ТПУ, учебная
6
Изучение структуры и принципа работы механотронных систем
8
ТПУ, учебная
4.3.2. Практические занятия (32 часа)
3.1. Оформление структурных, функциональных и электрических принципиальных схем по
ЕСКД …………………………………………………………………………………
4 ч.
3.2. Электронные компоненты, типы, классификация, основные параметры, маркировка
…………………………………………………………………………………………….4 ч.
3.3. Активные аналоговые фильтры ……………………………………….…………8 ч.
3.4. Проектирование аналого-цифрового измерительного канала постоянного
ка……………………………………………….. ……………………………………..…8 ч.
3.5.
Проектирование
измерительного
канала
переменного
……………………………………………………………………………………...…….4 ч.
тотока
3.6. Помехи. Борьба с помехами ………………………………………………………4 ч.
5
Образовательные технологии
Достижение планируемых результатов освоения дисциплины осуществляется за счет
использования следующих образовательных технологий:
•
методы IT (Internet-ресурсов) – при применении компьютеров для использования электронных версий учебников, учебных пособий и методических указаний;
•
индивидуализация обучения – за счет организации лабораторного цикла по
принципу: каждому студенту свое лабораторное место, а также выдачи индивидуальных заданий;
•
проблемное обучение – за счет формирования собственных заданий и решение
их по изложенным на занятиях алгоритмам и приведенным примерам.
•
обучение элементам творчества и критического мышления (для студентов, способных воспринять такое обучение) за счет избыточности данных и способов решения задания.
•
исследовательский метод за счет использования средств измерений и испытательных приборов.
Сочетание методов и форм организации обучения отражается в Таблице 3).
Таблица3. Методы и формы организации обучения (ФОО)
ФОО
Лекции
Лаб. работы
СРС
+
+
+
+
+
+
Методы
IT-методы
Проблемное обучение
Обучение элементам творчества
Исследовательский метод
Домашние
задания
+
+
+
+
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
(CРC)
Основой при планировании самостоятельной работы студентов (СРС) явились цели и
планируемые результаты обучения дисциплине. При ее организации рассматриваются ответы на следующие вопросы:
1. какой материал из программы дисциплины выносить на самостоятельную работу?
2. какова технология организации самостоятельной работы?
3. как контролируется самостоятельная работа?
6.1 Текущая СРС включает следующие виды работ:
- работу с лекционным материалом, учебниками и учебными пособиями в том числе с использованием IT-методов;
- изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку,
- подготовку к лабораторным работам;
- выполнение домашних заданий;
- подготовку к промежуточному контролю и семестровым испытаниям (к экзамену).
6.2. Творческая проблемно – ориентированная самостоятельная работа (ТСР)
Проводится только для студентов, которые по итогам текущей СРС показали, что они
хотят и могут заниматься проблемно-ориентированной СРС. Для этого использованы следующие формы:
– поиск, анализ, структурирование и презентация заданной информации;
– углубленное исследование вопросов по тематике лабораторных работ;
– решение задач повышенной сложности.
решения индивидуальных научных задач выполняемых в Томском политехническом университете;
- применение инноваций при проектировании, разработке приборов и систем.
6.3 Контроль самостоятельной работы студентов
Самостоятельная деятельность студента рассматривается как вид учебного труда, позволяющего целенаправленно формировать и развивать его самостоятельность для решения поставленных задач.
Самостоятельное изучение отдельных тем за счет времени, отводимого на внеаудиторную
работу:
Модуляция аналоговых сигналов ……………………………….
Инструментальные усилители …………………………………..
14 часа
16 часа
Генераторы сигналов различной формы ………………………..
Устройства индикации и отображения результатов измерений
Применение микропроцессоров в измерительных каналах ……
Методы защиты от помех………………………………………...
Линейные и импульсные источники питания аппаратуры ……..
Устройства гальванической развязки …………………………….
Каналы передачи информации…………………………………….
16 часов
16 часов.
16 часа.
16 часов.
14 часов.
14 часов.
14 часов.
Контроль самостоятельной работы студентов и качество освоения отдельных модулей
дисциплины осуществляется посредством:
– проведения входного контроля знаний и умений, полученных на дисциплинах пререквизитах;
– проведения контрольных работ (5 мин.), проводимых вначале каждого лабораторного занятия с целью оценки домашней подготовки студента по контрольным вопросам по тематике
занятия;
– защиты лабораторных работ в соответствии с графиком выполнения;
– представления для проверки домашних работ;
– проведения контрольных работ при промежуточном (рубежном) контроле;
– оценки знаний и умений на экзамене.
Оценка текущей успеваемости студентов определяется в баллах в соответствии с рейтинг – планом, предусматривающем все виды учебной деятельности.
6.4 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
При выполнении самостоятельной работы студенты имеют возможность пользоваться
специализированными источниками, приведенными в разделе: 9. «Учебно – методическое и
информационное обеспечение дисциплины».
7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины (фонд оценочных средств)
Для текущей оценки качества освоения дисциплины и её отдельных модулей разработаны и используются следующие средства:
– список контрольных вопросов по каждой лабораторной работе;
– комплект тестов из вопросов, приведенных в рабочей программе;
– методические указания к лабораторным работам с разъяснениями: «что значит подготовиться к работе?»
7.1. Требования к содержанию экзаменационных вопросов
Экзаменационные билеты включают три типа заданий:
1. Задание в виде короткого теста;
2. Теоретический вопрос;
3. Творческое проблемно-ориентированное задание.
7.2. Примеры экзаменационных вопросов
ВХОДНОЙ КОНТРОЛЬ
1. Определите значение сопротивления эквивалентного резистора полученного при соединении резисторов (R1=R2=10кОм, R3=20кОм), согласно схеме приведенной ниже.
2. Какое цифровое устройство показано на рисунке. Опишите логику его работы.
3. Из каких электрических элементов состоит цепь, показанная на рисунке. Для каких
целей ее можно использовать.
4. Какие датчики используются для измерения температуры? На каких физических
принципах они построены?
5. Вычислите интеграл
6. Определите выходное напряжение U2 цепи, показанной ниже. Входное напряжение
U1=+10B. Параметры элементов R1=10кОм, R2=20кОм.
7. Аналоговый интегратор сигналов на основе операционного усилителя.
8. Измерительные мосты постоянного тока.
9. Определить передаточную функцию схемы, приведенной ниже
КОЛЛОКВИУМ
1. Неинвертирующий усилитель на основе операционного усилителя. Схема. Вывод основных соотношений.
2. Типы измерительных каналов и их особенности.
3. Построить аналоговое электронное устройство, решающее дифференциальное уравнение ay  by  cy  hx(t ) при нулевых начальных условиях.
4. Теорема о квантовании сигналов (теорема Котельникова).
5. АЦП с времяимпульсным преобразованием.
6. Цифровой синтезатор сигналов на основе накапливающего сумматора.
ЗАЧЕТ
1. Измерительные цепи параметрических измерительных преобразователей (мостовые схемы).
2. Двухполупериодный фазочувствительный выпрямитель (демодулятор).
3. Разработать схему и рассчитать параметры элементов усилителя сигнала переменного тока (частота сигнала 10..20 кГц). Типы активных элементов усилителя
выбирать из справочника. Коэффициент передачи усилителя по напряжению
K  30 . Сопротивление нагрузки усилителя RH  5кОм . Приведенная суммар-
ная относительная погрешность передачи сигнала, не более 0,5%. Параметры источника сигнала
ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ
R  10 кОм, R0  30кОм, R1  47кОм, С1  1нФ, С2  47нФ
1. Определить передаточную функцию W ( p )  U Y ( p ) / U X ( p ) схемы, приведенной на
рисунке. Построить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики. Считать, что операционный усилитель – идеален, т.е. коэффициент усиления G   и
входными токами усилителя можно пренебречь.
2. Ознакомиться с техническим описанием микросхемы AD598 – «Преобразователь
сигнала датчика на основе дифференциального трансформатора» компании Analog Devices. Определить:
 Назначение микросхемы.
 Области использования.
 Внутреннюю структуру и назначение функциональных блоков.
 Основные параметры.
 Базовые схемы включения.
 Примеры применения.
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 1
по дисциплине
Схемотехника измерительных устройств
1
2
3
Динамические параметры операционного усилителя (граничная частота,
частота единичного усиления, скорость нарастания выходного напряжения).
ЦАП с суммированием взвешиванием токов.
Задача.
8. Рейтинг качества освоения дисциплины
Входной контроль и текущий контроль качества освоения отдельных тем и модулей
дисциплины осуществляется на основе рейтинговой системы. Этот контроль осуществляется
в течение семестра. Рубежный контроль проводится 2-3 раза в семестре в соответствии с пла-
ном учебного отдела Института неразрушающего контроля. Качество усвоения материала
дисциплины оценивается в баллах в соответствии с рейтинг – планом.
Экзамен производится в конце семестра и также оценивается в баллах. Итоговый рейтинг определяется суммированием баллов текущей оценки в течение семестра и баллов, полученных в конце семестра по результатам зачета или экзамена. Максимальный балл контролей в семестре составляет 60, экзамен – 40; максимальный итоговый рейтинг – 100 баллов.
Информация о допуске студентов к сдаче зачета или экзамена предоставляется в учебный отдел института за день до намеченной сдаче зачета (экзамена) в письменном виде или
отмечается в журналах аттестации с пометкой «допущен» (при количестве баллов, меньшем
60, но при выполнении всех обязательных видов работ по дисциплине).
Окончательная оценка успехов студента по дисциплине выставляется в зачетную
книжку в 5-бальной системе после сдачи зачета или экзамена в письменной форме или при
необходимости в кредитной системе.
Рейтинг-план дисциплины приведен в Приложении.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля (дисциплины)
Основная литература
1. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств.
— М. : Додэка-XXI, 2005. — 528 с. : ил.
2. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств : учебник
для вузов. — М. : Радио и связь, 1997. — 320 с. : ил.
3. Степаненко О.П. Основы микроэлектроники : учебное пособие. — М. : Советское радио,
1980. — 423 с.
4. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника : справочное руководтво : пер. с
нем. / У. Титце, К. Шенк ; Под ред. А. Г. Алексенко,
Т.1,Т.2 — М. : Мир, 2008.
5. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники : пер. с англ. — 5-е изд.,перраб. — М. :
Мир, 1998. — 704 с. : ил.
Дополнительная
6.
Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. – М.: Радио и связь, 1991. -376с.
7. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. – СПб.: БХВ-Петербург, 2001. -528с.
8. Справочники по интегральным микросхемам различных издательств.
Нормативно-техническая документация
9.
ГОСТ 2.052-2006. Единая система конструкторской документации. Электронная модель изделия. – М.: Госстандарт России, 2006.
10. Материально-техническое обеспечение модуля (дисциплины)
Лекции по курсу читаются в аудиториях кафедры ТПС. При чтении лекций используется иллюстрации, плакаты, демонстрационные материалы: образцы электронных компонентов
и схем, справочные материалы.
Лабораторные работы проводятся в специализированной лаборатории «Электромеханики и электроники» ауд.103 4-го учебного корпуса. При выполнении занятий используются:
 Лабораторная установка «Измерительный канал постоянного тока».
 Лабораторная установка «Активные фильтры на операционных усилителях».
 Лабораторная установка для исследования усилителя – преобразователя сигнала
датчика угла трансформаторного типа.
 Лабораторная установка «Линейные и импульсные источники питания».
 Лабораторная установка «Широтно-импульсный модулятор».
 Персональные компьютеры типа IBM PC AT для обработки результатов измерений
(2 шт.).
 Средства измерений: осциллографы (TDS 2002, GOS 620FG, С1-64, С1-114), цифровые мультиметры (MY-61 и др.), частотомеры (Ч3-54) и другое вспомогательное
оборудование.
 Образцы механотронных устройств и систем.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями
ФГОС по направлению и профилю подготовки 200100 «Приборостроение».
Программа одобрена на заседании кафедры «Точного приборостроения» (протокол №
118 от 16 сентября 2014 г.).
Автор
Доцент кафедры ТПС ИНК Бориков В.Н.
Рецензент Доцент кафедры ТПС ИНК Гормаков А.Н.