МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УТВЕРЖДАЮ Проректор по НРиИ _____________ Дьяченко А.Н. «___»________________2014 г. ПРОГРАММА-МИНИМУМ кандидатского экзамена по профилю 05.13.05 Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления Основная образовательная программа подготовки аспиранта по направлению 09.06.01 Информатика и вычислительная техника Томск 2014 Программа составлена на основе дисциплин направления «Информатика и вычислительная техника», связанных с особенностями проектирования и эксплуатации средств вычислительной техники и систем управления. Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования Российской Федерации по управлению, вычислительной технике и информатике при участии Московского инженерно-физического института (государственного университета), Московского государственного института электроники и математики (технического университета) и Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН. Введение В основу настоящей программы положены следующие дисциплины: общая электротехника и электроника; метрология, стандартизация и сертификация; основы теории управления; микропроцессорные системы; информационная техника; конструирование, проектирование и технология автоматических электронных и микроэлектронных систем физических установок и автоматизированных систем научных исследований; технические средства автоматизации и управления; схемотехника ЭВМ. 1. Технические средства получения информации. Преобразовательные элементы и устройства Датчики. Назначение, основные типы датчиков и физические принципы действия. Датчики механических величин (линейных и угловых перемещений, скорости, ускорений, давлений и напряжений). Тензочувствительные элементы, интегральные тензопреобразователи. Средства измерения температуры, напряженности магнитного поля. Термоэлектрические преобразователи, терморезисторы, термопары, датчики Холла, магниторезисторы, магнитотранзисторы, магнитные варикапы, магниточувствительные интегральные схемы. Интерферометрические, дифракционные и волоконно-оптические датчики. Ультразвуковые датчики. Пьезорезонансные датчики. Акустооптические преобразователи и спектроанализаторы. Интеллектуальные датчики. Основы теории погрешности и чувствительности преобразователей. Методы математического описания чувствительности и точности средств преобразования. 2. Технические средства приема, преобразования и передачи измерительной и управляющей информации Устройства приема информации оптического излучения (инфракрасного, видимого, ультрафиолетового диапазонов). Многоэлементные фотоприемники, матрицы на приборах с зарядовой связью, вакуумные и газонаполненные фотоэлементы. Устройства ввода и вывода дискретных и число-импульсных сигналов. Устройства гальванической развязки. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи. Принципы построения. Основные характеристики и параметры. Усилители: импульсные, широкополосные, операционные, резонансные, полосовые, селективные. Усилители постоянных сигналов. Основные характеристики и параметры. Особенности анализа и проектирования. Устройства связи с объектом управления (УСО). Основные типы УСО, принципы организации. Интерфейсы систем управления. Классификация, основные характеристики интерфейсов. Системные (внутримашинные) интерфейсы. Интерфейсы персональных компьютеров. Приборные интерфейсы (IEEE 488, IEC 625.1). Интерфейсы устройств ввода-вывода. Последовательные интерфейсы: RS232C, ИРПС, I2С, USB, RS422, RS485. Параллельные интерфейсы: Centronis, ИРПР, ИРПР-М, EPP/ECP. 3. Технические средства обработки, хранения информации и выработки управляющих воздействий Принципы функционирования, сравнительные характеристики и предпочтительные области применения устройств хранения информации (магнитные, оптические, магнитооптические, полупроводниковые). Цифровые средства обработки информации в системах управления. Формирующие, импульсные и генерирующие элементы (формирователи импульсов, триггерные схемы, регенеративные импульсные устройства, генераторы линейно изменяющегося напряжения и тока, синусоидальных колебаний, специальных функций). Типовые элементы вычислительной техники: логические элементы, дешифраторы, шифраторы, преобразователи кодов, сумматоры, триггеры, программируемые логические интегральные схемы. Интегральные микросхемы запоминающих устройств (ПЗУ, ОЗУ, ППЗУ). Сравнительная оценка характеристик ОЗУ, СОЗУ, ДОЗУ, ППЗУ и др. Микропроцессорные средства обработки информации в системах управления. Аппаратная реализация вычислительных алгоритмов в устройствах обработки сигналов, процессоры быстрого преобразования Фурье. Цифровые сигнальные процессоры. Специализированные микропроцессорные контроллеры, программируемые компьютерные контроллеры. Системы автоматизации проектирования цифровых и аналоговых устройств. Типы систем автоматизации. Моделирование функциональное и временное. Проектирование устройств на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС). 4. Исполнительные устройства и средства отображения информации Исполнительные устройства. Типовые структуры, состав и характеристики. Исполнительные механизмы и регулирующие органы на базе электропривода постоянного тока, асинхронного электропривода и с шаговыми двигателями. Информационные электрические микромашины автоматических устройств. Тахогенераторы, сельсины, вращающиеся трансформаторы. Интеллектуальные исполнительные устройства, системы позиционирования. Интеллектуальные механотронные исполнительные устройства. Средства звуковой и оптической сигнализации. Типовые средства отображения и документирования информации, устройства связи с оператором. Принципы построения, классификация и технические характеристики. Видеотерминальные средства, мнемосхемы, индикаторы. Операторские панели и станции. 5. Источники питания Основные параметры и характеристики источников питания, основные пути обеспечения их высоких эксплуатационных показателей. Стабилизаторы напряжения линейного типа. Стабилизаторы напряжения параметрического типа. Стабилизаторы напряжения и тока с обратной связью. Принципы построения. Основные характеристики и параметры. Пути и методы повышения эксплуатационных показателей. Импульсные стабилизаторы напряжения. Принципы построения, основные характеристики. Преобразователи постоянного напряжения в переменное. Принципы построения и характеристики. Эталонные источники напряжения и тока. Состояние и перспективы интегрального исполнения источников питания. Источники бесперебойного питания. 6. Надежность элементов и устройств вычислительной техники и систем управления Устойчивость элементов и устройств к внешним воздействиям. Характеристики климатических воздействий. Механическая прочность. Радиационная стойкость элементов и устройств. Виды воздействующих излучений: корпускулярные, квантовые, волновые. Обратимые и остаточные эффекты. Изменение параметров пассивных и активных компонентов под воздействием радиации. Пути повышения радиационной стойкости элементов и устройств. Надежность элементов и устройств, ее количественные характеристики. Внезапные и постепенные отказы. Влияние электрических и тепловых режимов элементов на их надежность. Методы повышения надежности. Ускоренные методы испытаний на надежность. 7. Оптимизация элементов и устройств вычислительной техники и систем управления Расчет разброса параметров устройств. Детерминированные методы расчета. Варианты расчета на наихудший случай. Численные вероятностные расчеты. Оценка точности. Сравнение методов вероятностного расчета. Оптимизация элементов и устройств. Формулировки задачи оптимального расчета. Алгоритмы одновременного поиска. Одновременный поиск при наличии ограничений и в многоэкстремальных задачах. Простейшие методы многомерного поиска без ограничений. Методы сопряженных направлений. Алгоритмы случайного поиска. Поиск в многоэкстремальных задачах. Многомерный поиск при наличии ограничений. Методы штрафных функций. Литература Основная 1. Джонс Дж. К. Методы проектирования: Пер. с англ. под ред. В.Ф. Венды – Мир, 1986. 2. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5 в математике и моделировании. Полное руководство пользователя. – М.: СОЛОН–Пресс, 2003. 3. Перегудов Ф.И., Ф.П. Тарасенко. Основы системного анализа – Томск: Изд-во НТЛ, 2001. 4. Прянишников В.А. Теоретические основы электротехники.– С.-Петербург, Корона принт, 2000. 5. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. В 2-х ч. – Изд. 3-е, перераб. – Л.: Энергия, 1972. 6. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника.-М.: Высш.шк., 1991. 7. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 3-х т. Пер. с англ.-М.:Мир, 1993. 8. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. 9. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. - СПб.: БХВ- Санкт-Петербург, 2000. 10. Сташин В.В., Урусов А.В., Мологонцева О.Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. – М.: Энергоатомиздат, 1990. 11. Рябенький В.М., Ходаков В.Е., Ушкаренко А.О. Компьютерное управление внешними устройствами через стандартные интерфейсы. – М.: Олди-Плюс, 2008. 12. Лапин А.А. Интерфейсы. Выбор и реализация. – М.: Техносфера, 2005. 13. Жуков В.К., Винокуров Б.Б., Нестеров А.М. Измерительная техника − Томск: Печатная мануфактура, 2003. 14. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. – Спб, Питер, 2007. 15. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений. Том 1 и 2. – М.: “Наука”, 1994. 16. Зуховицкий С.И., Авдеева Л.И. Линейное и выпуклое программирование.– М.: “Наука”, 1994. 17. Иванов И.В. Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ: учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2011. 18. Датчики измерительных систем. В 2 кн. Кн. 1 / Ж. Аш и др. Пер. с франц. М.: Мир, 1992. 19. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. М.: Высш. школа, 1988. 20. Смит Дж. Сопряжение компьютеров с внешними устройствами: Пер. с англ. М.: Мир, 2000. Дополнительная 1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: пер. с англ. 6-е изд. перераб. – М.: Мир, 2001. 2. Кауфман М., Сидман А. Практическое руководство по расчетам схем в электронике. Справочник. В 2-х т. Пер. с англ./Под ред. Ф.Н. Покровского. -М.:Энергоатомиздат, 1991. 3. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. – М.: Высш. шк., 2000. 4. Измерения в электронике: Справочник / Под. ред. В.А. Кузнецова. – М.: Энергоатомиздат, 1987. 5. Осокин А.Н., Мальчуков А.Н. Схемотехника. Ч.1: Учеб. пособие. – Томск: Изд-во. ТПУ, 2011. 6. Осокин А.Н. Схемотехника. Ч.2: Учеб. пособие. – Томск: Изд-во. ТПУ, 2001. 7. Разевиг В.Д. Система проектирования OrCAD 9.2 – М.: СОЛОН-Р, 2001. 8. Ким В.Л. Микропроцессорные системы: Учеб. пособие. – Томск: Изд-во. ТПУ, 2000. 9. Корнеев В.В., Киселев А.В. Современные микропроцессоры. 2-е изд. М.: НОЛИДЖ, 2000. Региональная и вузовская компоненты Специальные дополнительные требования к кандидатскому экзамену формируется соискателю научным руководителем в зависимости от выбранного направления научных исследований, содержание которых изложено ниже. Направления и темы научных исследований ТПУ по специальности 05.13.05, предлагаемые для диссертационных работ: 1. Разработка аппаратно-программных комплексов для медицинских и физических исследований Исследования по этой теме направлены на разработку и создание аппаратных и программных средств приборов медицинского назначения и ядерной физики Тема охватывает следующий спектр вопросов: - разработка математических моделей элементов аппаратных средств; - разработка и отладка программных средств; - разработка методов и средств метрологического обеспечения; - конструкторская разработка, изготовление, комплексная отладка и определение технических характеристик приборов и систем. 2. Разработка прецизионных преобразователей код-напряжение и методов и средств их метрологического обеспечения Исследования по этой теме заключаются в создании высокоточных ПКН индуктивного типа и методов и средств их метрологического обеспечения. При разработке темы решаются следующие вопросы: - моделирование и анализ факторов, влияющих на показатели точности ПКН; - разработка методов расширения частотного и динамического диапазонов ПКН индуктивного типа; - разработка и отладка программных средств; - разработка методов и средств метрологического обеспечения ПКН. - конструкторская разработка, изготовление, комплексная отладка и определение технических характеристик ПКН. Программа подготовки научно-педагогических и научных кадров составлена на основе программы кандидатского экзамена по специальности 05.13.05, утвержденной приказом Минобрнауки России № 697 от 17.02.2004 года. Дополнительная программа утверждена Ученым советом ИК протокол № ____ от ________ 2014 года. Составитель: научный руководитель программы аспирантской подготовки Н.Г. Марков.