Elektrotechnika

Přednášející:

Jiří Hozman (gar.), Roman Matějka, Jan Vrba

Cvičící:

Roman Matějka, Jan Vrba

Předmět zajišťuje:

katedra biomedicínské techniky

Anotace:

V rámci předmětu jsou zastoupeny dílčí bloky slaboproudé a silnoproudé elektrotechniky, které se týkají zejména aplikací digitálních a nebo analogově-digitálních obvodů a to jak ve slaboproudých aplikacích, tak i silnoproudých (zejména v oblasti řízení pohonů a aktuátorů). Základní koncepce a požadavky pro tyto obvody, jako je jejich napájení, zatížitelnost, připojení k dalším periferiím apod. Důraz je dále kladen na principy a aplikace číselných soustav a kódů, Booleovy algebry, logiky, pravdivostních tabulek, logických funkcí, kombinačních a sekvenčních logických obvodů (číslicové IO, řady - charakteristiky a parametry, přehled IO, hradla, dekodéry, multiplexery, převodníky kódů, čítače, klopné obvody RS, D, T, JK), synchronní a asynchronní komunikační linky (SPI, I2C, OneWire, USART), programovatelné obvody (principy programovatelné logiky, přehled programovatelných obvodů - PAL, GAL, CPLD, FPGA, postupy programování obvodů), mikrokontroléry a mikroprocesory (8bitová, 16bitová a 32bitová architektura). Dále systémy pro galvanické oddělení signálu a napájení (optočleny, lineární oddělovače, oddělovače datových sběrnic). V rámci silového řízení budou také zmíněny výkonové budiče pro motory a jiné aktuátory (H-můstky, triakové a tyristorové řízení, IGBT tranzistory).

Požadavky:

A. Požadavky pro získání zápočtu

A1. Povinná docházka na cvičení s jednou povolenou absencí, bez nutnosti náhrady. V případě většího počtu absencí ze závažných důvodů bude řešeno individuálně. Na začátku každého tematického bloku dostanou studenti krátký test (5 otázek, 20 minut) jednak s dosavadní látky probrané na přednáškách a cvičeních (3 otázky), tak také z obecných znalostí pro biomedicínské techniky (2 otázky - fyzika, elektrotechnika, lékařské přístroje a zařízení). Test bude typu multiple-choice s žádnou až pěti správnými odpověďmi. Za každou správnou odpověď budou uděleny dva body, tj. celkem 10 bodů za test a 60 bodů celkem za semestr. Správná odpověď na otázku je taková, kde jsou vyčerpány pouze všechny správné odpovědi, v případě zvolení jen části správných odpovědí, nebo i nesprávné je celá otázka uvažovaná jako nesprávná. Pro získání zápočtu je nutné získat alespoň 35 bodů z těchto testů za semestr. Je možná pouze jedna oprava testu a to na posledním blokovém cvičení (13. týden výuky).

B. Zkouška

B1. Prakticko-teoretická zkouška, studenti vypracují prakticky orientovanou úlohu na zadané téma z oblasti elektrotechniky, hodnotí se analýza problému, navržení vhodného řešení a jeho realizace a ověření funkčnosti. Teoretická část bude obsahovat otázky z probrané látky. Hodnocení jedné části zkoušky jako F znamená hodnocení celkové zkoušky jako F.

C. Celkové bodové hodnocení:

C1. 60 bodů - průběžné testy na cvičení (minimální bodový zisk pro udělení zápočtu 35 bodů)

C2. 20 bodů - teoretická část zkoušky

C3. 20 bodů - praktická část zkoušky

C4. Výsledná známka udělena podle dosaženého počtu bodů, dle stupnice ECTS.

Osnova přednášek:

1.Základní rozdělení elektrotechniky (silnoproud, slaboproud), ČSN x normy ve zdravotnictví, bezpečnost, vodiče a konektory.

2.Možnosti napájení v elektrotechnice, baterie a akumulátory, transformátory, DC/DC měniče, stabilizátory, referenční zdroje napětí a proudu.

3.Vývoj elektrotechniky, přechod od reléové a vakuové techniky k polovodičům. Polovodiče v elektrotechnice, tranzistory.

4.Úvod do logiky, interpretace digitálního signálu, prahová napětí pro CMOS a TTL. Základní hradla jako elektrotechnické součástky.

5.Binární algebra a její význam, číselné soustavy (DEC, BIN, HEX, OCT), aplikace logiky, aritmeticko-logické jednotky, celočíselná algebra, algebra plovoucí čárky, kódování znaků

6.Kombinační obvody (MUX, DEMUX, encoder, decoder, 7-seg), BCD, Grayův kód.

7.Klopné obvody (RS, D, JK, T), synchronní/asynchronní. Sekvenční obvody (registry, čítače), hodinový signál a jeho generátory.

8.Komunikace, datové sběrnice (sériová/paralelní, USART, SPI, I2C, CAN, OneWire). Praktická komunikace s obvody.

9.Elektronické paměti v elektrotechnice. Mikrokontroléry a mikroprocesory, jejich architektura, registry, principy práce a programování, zavaděče kódu.

10.Hradlová pole, PAL, GAL, CPLD, FPGA, principy použití, vývojové nástroje a programování. Hyperparalelismus využitím FPGA, srovnání s technologií ASIC. Digitálně analogové prvky v elektrotechnice - PGA, digitální potenciometry.

11.Oddělovací obvody (optické, kapacitní, indukční), binární, lineární.

12.Prvky pro spínání zátěže - relé, stykače, SSR, triaky, tyristory, IGBT tranzistory.

13.Řízení motorů a aktuátorů v elektrotechnice - AC a DC motory, krokové motory, servo pohony, bezkartáčové motory, H - můstky, inteligentní ovladače

14.Vysoké napětí v biomedicínských aplikacích - lasery, fotonásobiče, rentgenky, piezoelementy. Zdroje VN napětí, VN kabely, bezpečnost použití.

Osnova cvičení:

1.Napájecí zdroje v elektrotechnice, realizace napájení pro digitální logiku (TTL a CMOS 5 V a 3,3 V), referenční napájení. Základní zapojení s digitálními součástkami, pouzdro DIL, katalogový list, stabilizace napájení, ošetření nevyužitých vstupů a výstupů.

2.Základy paralelní a sériové komunikace s digitálním rozhraním. Kontrola funkce. Připojení základních obvodů CMOS a TTL k paralelní sběrnici. Praktická realizace využitím platformy LabVIEW a USB obvodů FTDI.

3.Hradla, kombinační obvody, sekvenční obvody. Realizace praktického zapojení s těmito obvody, řízení LED displeje.

4.Komunikace s digitálními obvody prostřednictvím linky SPI a I2C. Jednosměrná a obousměrná komunikace. Adresace obvodu. Kódování a dekódování komunikačního rámce.

5.Galvanické oddělení napájení a datových linek. Využití optočlenů v zapojení a jejich charakteristika. Praktické zapojení s těmito obvody, realizace datové komunikace prostřednictvím optického vlákna.

6.Analogově digitální obvody v elektrotechnice - zapojení digitálního poteciometru, PWM řízení motorů, řízení krokového motoru.

7.Náhradní a opravné testy, konzultace probrané látky pro přípravu na zkoušku. Možnost doměření úlohy ze semestru.

Cíle studia:

Předmět je zaměřen na vybrané otázky aplikace číslicových elektronických obvodů a to zejmána v lékařské praxi.

Studijní materiály:

[1] Matoušek, D. Číslicová technika - základy konstruktérské praxe. BEN. Praha 2001.

[2] Putz, J. a kol. Úvod do číslicové techniky. SNTL. Praha 1978.

[3] Voženílek, Janoušek: Základy silnoproudé elektrotechniky , ČVUT Praha, 2006

Poznámka:

Rozvrh na zimní semestr 2011/2012:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2011/2012:

	06:00–08:0008:00–10:0010:00–12:0012:00–14:0014:00–16:0016:00–18:0018:00–20:0020:00–22:0022:00–24:00
Po
Út	místnost KL:B-507 Hozman J. Matějka R. 16:00–17:50 (přednášková par. 1) Kladno FBMI Učebna
St	místnost KL:B-117 Matějka R. Vrba J. 08:00–11:50 LICHÝ TÝDEN (přednášková par. 1) Kladno FBMI Laboratořmístnost KL:B-117 Matějka R. Vrba J. 12:00–15:50 LICHÝ TÝDEN (přednášková par. 1) Kladno FBMI Laboratoř místnost KL:B-114 Matějka R. Vrba J. 08:00–11:50 LICHÝ TÝDEN (přednášková par. 1) Kladno FBMI Laboratoř PNKmístnost KL:B-114 Matějka R. Vrba J. 12:00–15:50 LICHÝ TÝDEN (přednášková par. 1) Kladno FBMI Laboratoř PNK
Čt
Pá

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Navazující magisterský studijní obor Přístroje a metody pro biomedicínu - prezenční (povinný předmět)