Основы автоматизации эксперимента: учебная программа для специальности 1-31-01 физика (по направлениям) 1-31-0401-01(научно-исследовательская деятельность) 1-31 04 01-02 (производственная деятельность)

Abstract

Программа курса "Основы автоматизации эксперимента" разработана для специальности 1-31 04 01 Физика. Целью курса является обучение студентов основам автоматизации современно-го физического эксперимента, базирующегося на широком применении первичных преобразователей, так называемых датчиков (сенсоров), которые обеспечивают преоб-разование физической величины в пропорциональный электрический сигнал (напряжение или ток). За последние 20 лет в этой области знаний наблюдается впечатляющий прогресс в научных исследованиях и изобретениях. Создано огромное количество датчиков в виде интегральных микросхем так называемых микроэлектронных механических систем (МЭМС). На одном кристалле интегрированы датчики, усилители, фильтры, аналого-цифровые, цифроаналоговые преобразователи и такие элементы обработки данных как микроконтроллеры, запоминающие устройства, а иногда и источники питания. К этой системе добавляют устройства калибровки, линеаризации передаточной характеристики датчика и даже системы навигации (место расположения датчика). В состав датчика могут входить системы точного времени, базирующиеся на спутниковых стабильных часах и т.д. Таким образом, современный физик должен иметь представления о структурах построения автоматизированных систем, знать элементы этих систем, иметь знания по основным погрешностям, возникающим при проведении автоматизированного эксперимента, а также знать способы, с помощью которых можно уменьшить эти погрешности. В курсе рассматриваются основные принципы усиления и фильтрации электрических сигналов, поступающих с первичных преобразователей, методы и структуры аналого-цифровых преобразователей, изучаются области их применения. В связи с тем, что современный эксперимент широко использует ту или иную вычислительную технику, то в курсе рассматривается архитектура ЭВМ, способы передачи данных между ЭВМ и экспериментальной установкой, дается понятия системного и прикладного программного обеспечения. Для понимания этих вопросов в курс введены вопросы изучения цифровой электроники, представления чисел, булевой алгебры, минимизации цифровых схем. Студенты изучают элементы цифровых схем, построение цифровых автоматов, запоминающих устройств. Основная цель курса предоставить студентам материал на системном уровне и на уровне проектирования и анализа элементарных узлов. Студенты должны владеть знаниями в области преобразования чисел в компьютерных системах, уметь читать электронные схемы, знать современную элементную базу автоматизированных систем, уметь проектировать простейшие комбинационные и последовательностные схемы по исходным логическим уравнениям или временным диаграммам. Студенты должны владеть знаниями по способам передачи данных от вторичных преобразователей в компьютеры, по архитектуре персональных компьютеров, по построению элементарных узлов компьютеров. Материал курса основан на знаниях и представлениях, заложенных в общих курсах по электричеству, оптике, атомной физике, радиоэлектронике. Данный курс является базовым для последующих спецкурсов по ядерной физике и электронике, физической метрологии и автоматизации эксперимента и многих других спецкурсах, читаемых на специализирующих кафедрах. В цикле лабораторных работ изучаются вопросы по цифровой электронике, способы связи ЭВМ и физического эксперимента: программный интерфейс и интерфейс по прерыванию. Изучаются способы аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, а также оцениваются погрешности, возникающие при таком преобразовании.