Detail předmětu

Počítačové zpracování dat

FSI-VPG Ak. rok: 2027/2028 Zimní semestr

Předmět vede studenta od prvního měření napětí k vlastnímu měřicímu a spínacímu modulu s mikrokontrolérem, který naměřená data zpracuje. Pokrývá celý řetězec, který se v automatizaci opakuje: napájení, snímač, analogovou úpravu signálu, převod na číslo, číslicové zpracování dat a ovládání zátěže. Každé téma má stejný postup. Následuje krátký výklad, výpočet a simulace jako základ úlohy a potom měření na skutečném zapojení jako potvrzení. Student se naučí odhadnout chování obvodu, ověřit ho simulací a změřit ho s odhadem nejistoty. Výuka probíhá formou workshopu ve dvanácti týdnech. Studenti pracují ve dvojicích na společném průběžném projektu a na jeho konci navrhnou desku plošných spojů.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

Ing. Jiří Kovář, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav automatizace a informatiky

Vstupní znalosti

Středoškolská matematika a fyzika (napětí, proud, Ohmův zákon, exponenciální a goniometrické funkce, základy komplexních čísel). Předchozí znalost elektroniky se nepředpokládá. Základy programování (proměnná, podmínka, cyklus) se vysvětlí v průběhu semestru na potřebné úrovni.

Způsob zakončení předmětu a pravidla hodnocení studentů

Klasifikovaný zápočet, celkem 100 bodů. Povinné výstupy z témat 36 bodů (devět výstupů po 4 bodech). Dvě ověření po 10 bodech, každé trvá 20 minut (týden 5 a týden 10), celkem 20 bodů. Průběžný projekt 44 bodů (dokumentace, funkční měřicí řetězec, deska plošných spojů, obhajoba). Podmínky zápočtu jsou nejméně 60 bodů, odevzdaný a obhájený projekt a účast na nejméně 20 z 24 setkání nebo odevzdání náhradního výstupu. Klasifikace: 90 až 100 bodů A, 80 až 89 bodů B, 70 až 79 bodů C, 65 až 69 bodů D, 60 až 64 bodů E, méně než 60 bodů nevyhověl. Každá úloha je řešitelná výpočtem a simulací. Měření na skutečném zapojení ji potvrzuje, ale není podmínkou zápočtu.

Učební cíle

Po absolvování předmětu student:

  1. popíše obvod pomocí napětí, proudu, výkonu a energie a odhadne vliv zatížení a měřicího přístroje,
  2. vypočítá a změří přechodný děj, časovou konstantu a impedanci obvodů s rezistorem, kondenzátorem a cívkou,
  3. vysvětlí a použije diodu, LED, bipolární tranzistor, MOSFET, tyristor, diak a triak a navrhne napájecí zdroj podle zadaného zatížení,
  4. navrhne zapojení s operačním zesilovačem a filtrem pro úpravu signálu snímače,
  5. vysvětlí vzorkování, kvantování a aliasing a zvolí vhodný filtr před převodníkem,
  6. použije číslicové obvody a logické úrovně včetně otevřeného kolektoru,
  7. použije mikrokontrolér ke čtení vstupů, měření napětí, řízení výstupů a komunikaci po sběrnicích I2C, SPI a UART,
  8. zdokumentuje řešení (schéma, výpočet, simulace, měření a srovnání) a připraví podklady pro desku plošných spojů.

Studijní opory

Studijní text a prezentace s animacemi ke každému tématu, zadání cvičení a pracovní listy, ověřovací úlohy, zadání průběžného projektu se šablonou dokumentace, simulační modely pro programy LTspice a CircuitJS a ukázkový projekt pro vývojovou desku STM32 NUCLEO-G071RB. Materiály jsou studentům zpřístupněny elektronicky.

Použití předmětu ve studijních plánech

Program B-STR-P: Strojírenství, bakalářský
specializace AIŘ: Aplikovaná informatika a řízení, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Osnova


  1. Napětí, proud, výkon, reference, dělič a zatížení, napájecí zdroj, měřicí přístroje, nejistota měření.

  2. Rezistor, kondenzátor a cívka. Přechodný děj, časová konstanta, impedance a fázový posuv.

  3. Dioda, LED, usměrnění, zvlnění, transformátor, návrh napájecího zdroje.

  4. Bipolární tranzistor: pracovní bod, zesilovač, spínač, otevřený kolektor.

  5. MOSFET, tyristor, diak a triak, spínání indukční zátěže. Ověření 1.

  6. Rezerva: dokončení, náhrady, konzultace.

  7. Operační zesilovač a snímače: sledovač, zesilovač, komparátor, NTC.

  8. Filtry, vzorkování, převod analogového signálu na číslo a zpět, aliasing, kvantování, PWM.

  9. Číslicové obvody: logické úrovně, hradla, klopný obvod, vstupy a výstupy.

  10. Mikrokontrolér: vstupy a výstupy, analogově-číslicový převodník, sběrnice I2C, SPI a UART. Ověření 2.

  11. Návrh desky plošných spojů, integrace projektu, obhajoba.

  12. Rezerva: dokončení, opravný termín ověření.

Cvičení s počítačovou podporou

26 hod., povinná

Osnova


  1. Měření děliče napětí, osciloskop a sonda, laboratorní zdroj (stálé napětí a stálý proud), nejistota měření.

  2. Nabíjení a vybíjení kondenzátoru, časová konstanta, fázový posuv, cívka.

  3. Charakteristika diody, usměrnění a zvlnění, návrh napájecího zdroje podle zadání.

  4. Pracovní bod tranzistoru, zesilovač, spínání LED, otevřený kolektor.

  5. Spínání zátěže tranzistorem MOSFET, ochrana při indukční zátěži, tyristor a triak z malého odděleného napětí a simulace. Ověření 1.

  6. Dokončení měření, náhrady, konzultace projektu.

  7. Sledovač a zesilovač s operačním zesilovačem, snímač teploty NTC, komparátor s hysterezí.

  8. Přenos filtru RC, aliasing, kvantování, PWM s filtrem.

  9. Hradla a logické úrovně, tlačítko a Schmittův vstup, otevřený kolektor s pull-up rezistorem.

  10. Mikrokontrolér: čtení vstupu, měření převodníkem, záznam dat, čtení snímače po sběrnici I2C. Ověření 2.

  11. Návrh desky plošných spojů v programu DipTrace, kontroly, výrobní podklady, obhajoba projektu.

  12. Dokončení, opravný termín ověření.


Každá úloha se nejdřív řeší výpočtem a simulací a potom se potvrzuje měřením na nepájivém poli.