Основы компьютерного проектирования и моделирования рэс. Схемотехническое моделирование радиоэлектронного средства Моделирование элементов и узлов рэс
множество граф алгоритм итерационный
Задачи размещения элементов и трассировки их соединений тесно связаны и при обычных, «ручных», методах конструирования решаются одновременно. В процессе размещения элементов уточняются трассы соединений, после чего положение некоторых элементов может корректироваться. В зависимости от принятой конструктивно - технологической и схемотехнической базы при решении этих задач используются различные критерии и ограничения. Однако все конкретные разновидности упомянутых задач связаны с проблемой оптимизации схем соединений. В результате получается точное пространственное расположение отдельных элементов конструктивного узла и геометрически определенный способ соединений выводов этих элементов.
Критерии качества и ограничения, связанные с конкретными задачами размещения и трассировки, опираются на конкретные конструктивные и технологические особенности реализации коммутационной части узла. Всю совокупность критериев и ограничений можно разделить на две группы в соответствии с метрическими и топологическими параметрами конструкции узлов и схем.
К метрическим параметрам относятся размеры элементов и расстояния между ними, размеры коммутационного поля, расстояния между выводами элементов, допустимые длины соединений и т.д.
Топологические параметры в основном определяются принятым в конкретной конструкции способом устранения пересечений соединений и относительным расположением соединений на коммутационном поле. К ним относятся: число пространственных пересечений соединений, число межслойных переходов, близость расположения друг к другу тепловыделяющих элементов или несовместимых в электромагнитном отношении элементов и соединений.
В конкретных задачах указанные параметры в различных сочетаниях могут быть либо главными критериями оптимизации, либо выступать в качестве ограничений.
В связи с этим при алгоритмическом подходе к их решению они рассматриваются, как правило, раздельно. Сначала осуществляется размещение элементов, а затем - трассировка межсоединений. Если необходимо, этот процесс может быть повторен при другом расположении отдельных элементов.
Основной целью размещения считают создание наилучших условий для последующей трассировки соединений при удовлетворении основных требований, обеспечивающих работоспособность схем.
Критерием в большинстве случаев является критерий минимума взвешенной длины (МСВД) соединений, который интегральным образом учитывает многочисленные требования, предъявляемые к расположению элементов и трасс их соединений. Это обуславливается рядом факторов:
Уменьшение длин соединений улучшает электрические параметры схемы;
Чем меньше суммарная длина соединений, тем, в среднем, проще их реализация в процессе трассировки;
Уменьшение суммарной длины соединений снижает трудоёмкость изготовления монтажных схем, особенно схем проводного монтажа;
Данный критерий относительно прост с математической точки зрения и позволяет косвенным образом учитывать другие параметры схем путём присвоения весовых оценок отдельным соединениям.
Учебное пособие разработано для студентов факультета МРМ СибГУТИ, изучающих дисциплину « Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС»
Введение 8
Глава 1. Основные понятия, определения, классификация 9
1.1 Понятия системы, модели и моделирования 9
1.2 Классификация радиотехнических устройств 10
1.3 Основные типы задач в радиотехнике 12
1.4 Развитие понятия модели 14
1.4.2 Моделирование – важнейший этап целенаправленной деятельности 15
1.4.3 Познавательные и прагматические модели 15
1.4.4 Статические и динамические модели 16
1.5 Способы воплощения моделей 17
1.5.1 Абстрактные модели и роль языков 17
1.5.2 Материальные модели и виды подобия 17
1.5.3 Условия реализации свойств моделей 18
1.6 Соответствие между моделью и действительностью в аспекте различия 19
1.6.1 Конечность моделей 19
1.6.2 Упрощенность моделей 19
1.6.3 Приближенность моделей 20
1.7 Соответствие между моделью и действительностью в аспекте сходство 21
1.7.1 Истинность моделей 21
1.7.2 О сочетании истинного и ложного в модели 21
1.7.3 Сложности алгоритмизации моделирования 22
1.8 Основные типы моделей 23
1.8.1 Понятие проблемной ситуации при создании системы 23
1.8.2 Основные типы формальных моделей 24
1.8.3 Математическое представление модели «черного ящика» 28
1.9 Взаимосвязи моделирования и проектирования 32
1.10 Точность моделирования 33
Глава 2. Классификация методов моделирования 37
2.1 Реальное моделирование 37
2.2 Мысленное моделирование 38
Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 40
3.1 Этапы создания математических моделей 43
З.2 Компонентные и топологические уравнения моделируемого объекта 46
3.3 Компонентные и топологические уравнения электрической цепи 46
Глава 4. Особенности компьютерных моделей 50
4.1 Компьютерное моделирование и вычислительный эксперимент 51
4.2 Программные средства компьютерного моделирования 52
Глава 5. ОСОБЕННОСТИ РАДИОСИСТЕМЫ КАК ОБЪЕКТА ИЗУЧЕНИЯ МЕТОДАМИ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ЭВМ 57
5.1 Классы радиосистем 57
5.2 Формальное описание радиосистем 58
Глава 6. ПРИМЕНЕНИЕ ПАКЕТА ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ MATHCAD ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ 64
6.1 Основные сведения об универсальном математическом пакете программ MathCAD 64
6.2 Основы языка MathCAD 65
6.2.1 Тип входного языкаMathCAD 66
6.2.2 Описание текстового окна MathCAD 67
6.2.3 Курсор ввода 68
6.2.5 Управление элементами интерфейса 70
6.2.6 Выделение областей 71
6.2.7 Изменение масштаба документа 71
6.2.8 Обновление экрана 72
6.3 Основные правила работы в среде «MathCAD» 79
6.3.1 Удаление математических выражений 79
6.3.2 Копирование математических выражений 80
6.3.3 Перенос математических выражений 80
6.3.4 Вписывание в программу текстовых комментариев 80
6.4 Построение графиков 81
6.4.1 Построение графиков в декартовой системе координат 81
6.4.2 Построение графиков в полярной системе координат 83
6.4.3 Изменение формата графиков 85
6.4.4 Правила трассировки графиков 85
6.4.5 Правила просмотра участков двумерных графиков 86
6.5 Правила вычислений в среде «MathCAD» 87
6.6 Анализ линейных устройств 93
6.6.1 Передаточная функция, коэффициент передачи, временные и частотные характеристики 94
6.6.2 Коэффициент передачи K(jω) 95
6.6.3 Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) 96
6.6.4 Определение переходной и импульсной характеристик 98
6.7 Методы решения в среде «MathCAD» алгебраических и трансцендентных уравнений и организация вычислений по циклу 101
6.7.1 Определение корней алгеброических уравнений 101
6.7.2 Определение корней трансцендентных уравнений 103
6.7.3 Вычисления по циклу 106
6.8 Обработка данных 108
6.8.1 Кусочно-линейная интерполяция 108
6.8.2 Сплайн-интерполяция 110
6.8.3 Экстраполяция 112
6.9 Символьные вычисления 115
6.10 Оптимизация в расчетах РЭА 124
6.10.1 Стратегии одномерной оптимизации 124
6.10.2 Локальные и глобальные экстремумы 126
6.10.3 Методы включения интервалов неопределенности 127
6.10.4 Критерии оптимизации 135
6.10.6 Пример записи целевой функции при синтезе фильтров 141
6.11 Анимация графического материала в среде MathCAD 148
6.11.1 Подготовка к анимации 149
6.11.2 Пример анимации графика 149
6.11.3 Вызов проигрывателя анимации графиков и видео файлов 151
6.12 Установка связи MathCAD с другими программными средами 153
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Воронежский институт МВД России
Кафедра вневедомственной охраны
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по дисциплине «Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных средств»
Тема: «Схемотехническое моделирование радиоэлектронного средства»
Разработал: курсант 41 учебного взвода рядовой полиции Р.Г. Востриков
Воронеж 2015
Введение
1. Введение в САПР
2.3 Моделирование динамических характеристик
2.4 Моделирование частотных характеристик
Заключение
Список литературы
Введение
Система автоматизированного проектирования (САПР)-- это организационно-техническая система, состоящая из совокупности комплекса средств автоматизации проектирования и коллектива специалистов подразделений проектной организации, выполняющая автоматизированное проектирование объекта, которое является результатом деятельности проектной организации.
Использование средств систем автоматизированного проектирования (САПР) позволяет перейти от традиционного макетирования разрабатываемой аппаратуры к ее моделированию с помощью ЭВМ. При этом, как правило, осуществляется цикл сквозного проектирования, который включает в себя:
Синтез структуры и принципиальной схемы радиоэлектронного средства (РЭС);
Анализ его характеристик в различных режимах с учетом разброса параметров компонентов и наличия дестабилизирующих факторов, проведение параметрической оптимизации;
Синтез топологии, включая размещение элементов на печатной плате и разводку межсоединений;
Верификацию (проверку) топологии печатной платы;
Выпуск конструкторской документации.
Задачи структурного синтеза решаются с помощью узкоспециализированных программ, ориентированных на устройства определенного типа, создано, например, большое количество программ синтеза согласующих цепей, аналоговых и цифровых фильтров. Наибольшие достижения в построении программ структурного синтеза и синтеза принципиальных схем имеются в области проектирования цифровых устройств. Структура и принципиальная схема большинства устройств в существенной степени зависят от области применения и исходных данных на проектирование, что создает большие трудности при синтезе принципиальной схемы с помощью ЭВМ. Поэтому, обычно первоначальный вариант схемы составляется инженером "вручную" с последующим моделированием и оптимизацией на ЭВМ.
Современные программы САПР работают в диалоговом режиме и имеют большой набор сервисных модулей. Пакеты программ САПР способны решать сложнейшие задачи моделирования РЭС, таких как источники питания, усилители, преобразователи сигналов и другие. Результатами моделирования являются режимы по постоянному току, осциллограммы сигналов, частотные и спектральные характеристики и даже температуры элементов. По своим возможностям программы моделирования могут даже превосходить измерительные приборы, например, они позволяют наблюдать осциллограммы токов и мощностей в элементах без внесения в устройство измерительных резисторов. Полученные результаты могут помочь выявить причины возможных или реальных неисправностей в устройстве, найти пути улучшения его качества. Использование программ моделирования позволяет проанализировать большое количество различных вариантов схемотехнического решения и выбрать из них наилучший, не потратив на это ни одного радиоэлемента.
Топология печатной платы разрабатывается после завершения схемотехнического моделирования. На этом этапе проектирования осуществляется размещение элементов на печатной плате и трассировка соединений. Наиболее успешно разрабатываются печатные платы цифровых устройств, где вмешательство человека в процесс синтеза топологии сравнительно невелико. Разработка аналоговых устройств требует гораздо большего участия человека в процессе проектирования, коррекции и при необходимости в частичной переделке результатов автоматизированного проектирования. Основная сложность при разработке аналоговой аппаратуры заключается в автоматизации синтеза топологии и обеспечении взаимодействия программ моделирования схем и синтеза топологии. Кроме того, достаточно сложно формализовать многочисленные дополнительные требования к аналоговым устройствам, например, требование электромагнитной совместимости компонентов.
Основная цель выполнения контрольной работы - это освоение методики автоматизированного проектирования и схемотехнического моделирования узлов и блоков РЭС с использованием средств САПР.
Достижению данной цели служат следующие задачи:
1) изучение возможностей современных пакетов прикладных программ САПР РЭС;
2) формирование теоретических знаний и практических навыков использования средств САПР при схемотехническом моделировании узлов и блоков РЭС.
В ходе выполнения контрольной работы требуется:
1) проанализировать основные возможности используемого в контрольной работе пакета схемотехнического моделирования;
2) выполнить моделирование статических, динамических и частотных характеристик узлов и блоков РЭС;
3) произвести оптимизацию параметров и характеристик РЭС.
1. Введение в САПР
Автоматизация проектирования занимает особое место среди информационных технологий. Во-первых, автоматизация проектирования -- синтетическая дисциплина, ее составными частями являются многие другие современные информационные технологии. Так, техническое обеспечение систем автоматизированного проектирования (САПР) основано на использовании вычислительных сетей и телекоммуникационных технологий, в САПР используются персональные компьютеры и рабочие станции.
Математическое обеспечение САПР отличается богатством и разнообразием используемых методов вычислительной математики, статистики, математического программирования, дискретной математики, искусственного интеллекта. Во-вторых, знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами САПР требуется практически любому инженеру разработчику. Компьютерами насыщены проектные подразделения, конструкторские бюро и офисы. Работа конструктора за обычным кульманом, расчеты с помощью логарифмической линейки или оформление отчета на пишущей машинке стали анахронизмом. Предприятия, ведущие разработки без САПР или лишь с малой степенью их использования, оказываются неконкурентоспособными, как из - за больших материальных и временных затрат на проектирование, так и из - за невысокого качества проектов. Появление первых программ для автоматизации проектирования за рубежом и в СССР относится к началу 60 х гг. Тогда были созданы программы для решения задач строительной механики, анализа электронных схем, проектирования печатных плат.
Дальнейшее развитие САПР шло по пути создания аппаратных и программных средств машинной графики, повышения вычислительной эффективности программ моделирования и анализа, расширения областей применения САПР, упрощения пользовательского интерфейса, внедрения в САПР элементов искусственного интеллекта.
К настоящему времени создано большое число программно - методических комплексов для САПР с различными степенью специализации и прикладной ориентацией. В результате, автоматизация проектирования стала необходимой составной частью подготовки инженеров разных специальностей; инженер, не владеющий знаниями и не умеющий работать в САПР, не может считаться полноценным специалистом.
Подготовка инженеров разных специальностей в области САПР включает базовую и специальную компоненты. Наиболее общие положения, модели и методики автоматизированного проектирования входят в программу курса, посвященного основам САПР, более детальное изучение тех методов и программ, которые специфичны для конкретных специальностей, предусматривается в профильных дисциплинах.
1.1 Основные принципы построения САПР
Разработка САПР представляет собой крупную научно-техническую проблему, а ее внедрение требует значительных капиталовложений. Накопленный опыт позволяет выделить следующие основные принципы построения САПР.
1.САПР -- человеко-машинная система. Все созданные и создаваемые системы проектирования с помощью ЭВМ являются автоматизированными, важную роль в них играет человек -- инженер, разрабатывающий проект технического средства.
В настоящее время и по крайней мере в ближайшие годы создание систем автоматического проектирования не предвидится, и ничто не угрожает монополии человека при принятии узловых решении в процессе проектирования. Человек в САПР должен решать, во-первых, все задачи, которые не формализованы, во-вторых, задачи, решение которых человек осуществляет на основе своих эвристических способностей более эффективно, чем современная ЭВМ на основе своих вычислительных возможностей. Тесное взаимодействие человека и ЭВМ в процессе проектирования -- один из принципов построения и эксплуатации САПР.
2.САПР -- иерархическая система, реализующая комплексный подход к автоматизации всех уровней проектирования. Иерархия уровней проектирования отражается в структуре специального программного обеспечения САПР в виде иерархии подсистем.
Следует особо подчеркнуть целесообразность обеспечения комплексного характера САПР, так как автоматизация проектирования лишь на одном из уровней оказывается значительно менее эффективной, чем полная автоматизация всех уровней. Иерархическое построение относится не только к специальному программному обеспечению, но и к техническим средствам САПР, разделяемых на центральный вычислительный комплекс и автоматизированные рабочие места проектировщиков.
3.САПР -- совокупность информационно-согласованных подсистем. Этот очень важный принцип должен относиться не только к связям между крупными подсистемами, но и к связям между более мелкими частями подсистем. Информационная согласованность означает, что все или большинство возможных последовательностей задач проектирования обслуживаются информационно согласованными программами. Две программы являются информационно согласованными, если все те данные, которые представляют собой объект переработки в обеих программах, входят в числовые массивы, не требующие изменений при переходе от одной программы к другой. Так, информационные связи могут проявляться в том, что результаты решения одной задачи будут исходными данными для другой задачи. Если для согласования программ требуется существенная переработка общего массива с участием человека, который добавляет недостающие параметры, вручную перекомпоновывает массив или изменяет числовые значения отдельных параметров, то программы информационно не согласованы. Ручная перекомпоновка массива ведет к существенным временным задержкам, росту числа ошибок и поэтому уменьшает спрос на услуги САПР. Информационная несогласованность превращает САПР в совокупность автономных программ, при этом из-за неучета в подсистемах многих факторов, оцениваемых в других подсистемах, снижается качество проектных решений.
4.САПР -- открытая и развивающаяся система. Существует, по крайней мере, две веские причины, по которым САПР должна быть изменяющейся во времени системой. Во-первых, разработка столь сложного объекта, как САПР, занимает продолжительное время, и экономически выгодно вводить в эксплуатацию части системы по мере их готовности. Введенный в эксплуатацию базовый вариант системы в дальнейшем расширяется. Во-вторых, постоянный прогресс техники, проектируемых объектов, вычислительной техники и вычислительной математики приводит к появлению новых, более совершенных математических моделей и программ, которые должны заменять старые, менее удачные аналоги. Поэтому САПР должна быть открытой системой, т. е. обладать свойством удобства использования новых методов и средств.
5.САПР -- специализированная система с максимальным использованием унифицированных модулей. Требования высокой эффективности и универсальности, как правило, противоречивы. Применительно к САПР это положение сохраняет свою силу. Высокой эффективности САПР, выражаемой прежде всего малыми временными и материальными затратами при решении проектных задач, добиваются за счет специализации систем. Очевидно, что при этом растет число различных САПР. Чтобы снизить расходы на разработку многих специализированных САПР, целесообразно строить их на основе максимального использования унифицированных составных частей. Необходимым условием унификации является поиск общих черт и положений в моделировании, анализе и синтезе разнородных технических объектов. Безусловно, может быть сформулирован и ряд других принципов, что подчеркивает многосторонность и сложность проблемы САПР.
1.2 Системный подход к проектированию
Основные идеи и принципы проектирования сложных систем выражены в системном подходе. Для специалиста в области системотехники они являются очевидными и естественными, однако, их соблюдение и реализация зачастую сопряжены с определенными трудностями, обусловливаемыми особенностями проектирования. Как и большинство взрослых образованных людей, правильно использующих родной язык без привлечения правил грамматики, инженеры используют системный подход без обращения к пособиям по системному анализу. Однако интуитивный подход без применения правил системного анализа может оказаться недостаточным для решения все более усложняющихся задач инженерной деятельности.
Основной общий принцип системного подхода заключается в рассмотрении частей явления или сложной системы с учетом их взаимодействия. Системный подход выявляет структуру системы ее внутренние и внешние связи.
1.3 Структура САПР
Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем. Различают подсистемы проектирующие и обслуживающие.
Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примерами проектирующих подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, изготовления конструкторской документации, схемотехнического анализа, трассировки соединений в печатных платах.
Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. Типичными обслуживающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными, подсистемы разработки и сопровождения программного обеспечения CASE (Computer Aided Software Engineering), обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР.
1.4 Виды обеспечения САПР
Структурирование САПР по различным аспектам обусловливает появление видов обеспечения САПР. Принято выделять семь видов обеспечения САПР:
· техническое (ТО), включающее различные аппаратные средства (ЭВМ, периферийные устройства, сетевое коммутационное оборудование, линии связи, измерительные средства);
· математическое (МО), объединяющее математические методы, модели и алгоритмы для выполнения проектирования;
· программное (ПО), представляемое компьютерными программами САПР;
· информационное (ИО), состоящее из базы данных, СУБД, а также включающее другие данные, которые используются при проектировании; отметим, что вся совокупность используемых при проектировании данных называется информационным фондом САПР, база данных вместе с СУБД носит название банка данных;
· лингвистическое (ЛО), выражаемое языками общения между проектировщиками и ЭВМ, языками программирования и языками обмена данными между техническими средствами САПР;
· методическое (МетО), включающее различные методики проектирования; иногда к нему относят также математическое обеспечение;
· организационное (ОО), представляемое штатными расписаниями, должностными инструкциями и другими документами, которые регламентируют работу проектного предприятия.
1.5 Разновидности САПР
Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков, например по приложению, целевому назначению, масштабам (комплексности решаемых задач), характеру базовой подсистемы -- ядра САПР.
По приложениям наиболее представительными и широко используемыми являются следующие группы САПР:
· САПР для применения в отраслях общего машиностроения. Их часто называют машиностроительными САПР или системами MCAD (Mechanical CAD);
· САПР для радиоэлектроники: системы ECAD (Electronic CAD) или EDA (Electronic Design Automation);
· САПР в области архитектуры и строительства.
Кроме того, известно большое число специализированных САПР, или выделяемых в указанных группах, или представляющих самостоятельную ветвь классификации. Примерами таких систем являются САПР больших интегральных схем (БИС); САПР летательных аппаратов; САПР электрических машин и т. п.
Electronics Workbench - это лидер международного рынка по разработке наиболее широко используемого в мире программного обеспечения для проектированиях схем. Компания обладает более чем 15-ти летним опытом по автоматизация проектирования электронных приборов и устройств и была одним из пионеров компьютерной разработки электроники. В настоящее время оборудование Electronics Workbench используется более чем на 180 тысячах рабочих мест. В комплект продуктов Electronics Workbench входят средства для описания электрических схем, их эмуляции (SPICE, VHDL и patented co-simulation), а также для разработки и автоматической трассировки печатных плат. Пользователи получают по настоящему уникальный продукт, наиболее простые в отрасли средства использования, интегрированные между собой в единое целое. Мастер поддержки и обновлений (SUU - Support and Upgrade Utility) автоматически проверяет наличие и устанавливает по сети необходимые обновления, обеспечивая постоянно самый высокий уровень работы вашего ПО. Продукция Electronics Workbench и National Instruments - это наиболее тесная интеграция между средствами разработки, проверки и тестирования САПР электронных средств, имеющаяся в настоящее время.
Multicap 9 - это наиболее интуитивно понятное и мощное средство описания схем. Новейшие средства Multicap значительно экономят ваше время, они включают в себя безрежимное редактирование, удобное соединение и всестороннюю базу данных, разбитую на логические части прямо на вашем рабочем столе. Эти средства позволяются вам программно описать схему практически сразу после того, как у вас появилось ее общее представление. Одинаковые последовательности действий выполняются автоматически, не отнимаю время от создания, проверки и совершенствования схемы, благодаря этому на выходе получаются идеальные продукты с минимальным временем разработки.
Рисунок 1 - Взаимосвязь программного обеспечения Electronics Workbench
Multisim - это единственный в мире интерактивный эмулятор схем, он позволяет вам создавать лучшие продукты за минимальное время. Multisim включает в себя версию Multicap, что делает его идеальным средством для программного описания и немедленного последующего тестирования схем. Multisim 9 также поддерживает взаимодействие с LabVIEW и SignalExpress производства National Instruments для тесной интеграции средств разработки и тестирования.
Преимущества интегрированного описания и эмуляции Multisim - это уникальная возможность разработки схемы и ее тестирования/эмуляции из одной среды разработки. У такого подхода есть множество преимуществ. Новичкам в Multisim не нужно беспокоиться о сложном синтаксисе SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis - программа эмуляции со встроенным обработчиком схем) и его командах, а у продвинутых пользователей есть возможность настройки всех параметров SPICE. Благодаря Multisim описание схемы стало как никогда простым и интуитивно понятным. Представление в виде электронной таблицы позволяет одновременно изменять характеристики любого количества элементов: от схемы печатной платы до модели SPICE. Безрежимное редактирование - это наиболее эффективный способ размещения и соединения компонентов.
Работать с аналоговыми и цифровыми составными элементами интуитивно просто и понятно. Кроме традиционного анализа SPICE, Multisim позволят пользователям подключать к схеме виртуальные приборы. Концепция виртуальных инструментов - это простой и быстрый способ увидеть результат с помощью имитации реальных событий. Также в Multisim есть специальные компоненты под названием "интерактивные элементы" (interactive parts), вы можете изменять их во время эмуляции. К интерактивным элементам относятся переключатели, потенциометры, малейшие изменения элемента сразу отражаются в имитации. При необходимости более сложного анализа Multisim предлагает более 15 различных функций анализа. Некоторые примеры включают использование переменного тока, монте-карло, анализ наиболее неблагоприятных условий и Фурье. В Multisim входит Grapher - мощное средство просмотра и анализа данных эмуляции. Функции описания и тестирования схемы, представленные в Multisim помогут любому разработчику схем, сэкономят его время и спасут от ошибок на всем пути разработки схемы.
Micro-Cap -- это универсальная программа схемотехнического анализа, предназначенная для решения широкого круга задач. Характерной особенностью этой программы, впрочем, как и всего семейства Micro-Cap, является наличие удобного и дружественного графического интерфейса, что делает его особенно привлекательным для непрофессиональной аудитории. Несмотря на достаточно скромные требования к программно-аппаратным средствам ПК (процессор не ниже Pentium II, ОС Windows 95/98/МЕ или Windows NT4/2000/XP, память не менее 64 Мб, монитор не хуже SVGA), его возможности достаточно велики. С его помощью можно анализировать не только аналоговые, но и цифровые схемы. Возможно также смешанное моделирование аналого-цифровых электронных устройств, а также синтез фильтров.
Начать работать в Micro-Cap можно даже без глубокого освоения программы. Достаточно ознакомиться со встроенным демонстрационным роликом и посмотреть базовые примеры (их в комплекте около 300). Опытные пользователи, используя обширную библиотеку компонентов и собственные макромодели, могут анализировать сложные электронные системы. Грамотное использование упрощенных допущений позволяет проводить расчеты режимов работы сложных устройств с достаточно высокой степенью точности.
Micro-Cap 9, 10 отличаются от младших представителей своего семейства более совершенными моделями электронных компонентов и алгоритмами расчетов. По возможностям схемотехнического моделирования он находится на одном уровне с интегрированными пакетами ORCAD и PCAD2002 -- достаточно сложными з осзоении средствами анализа и проектирования электронных устройств, подразумевающими в первую очередь профессиональное использование. Полная совместимость со SPICE-моделями и SPICE-схемами в сочетании с развитыми возможностями конвертирования позволяет использовать в Micro-Cap все разработки и модели, предназначенные для этих пакетов, а полученные навыки моделирования позволят в случае необходимости быстро освоить профессиональные пакеты моделирования.
Micro-Cap 9, 10 предоставляют обширные возможности для анализа силовых преобразовательных устройств. Программа имеет настройки, включение которых оптимизирует алгоритмы для расчета силовых схем, библиотека компонентов содержит большое число обобщенных ШИМ-контроллеров и непрерывных моделей основных типов преобразователей напряжения для анализа устойчивости стабилизированных источников питания на их основе.
Перечисленные достоинства делают программу Micro-Cap весьма привлекательной для моделирования электронных устройств средней степени сложности. Удобство в работе, нетребовательность к ресурсам компьютера и возможность анализировать электронные устройства с достаточно большим количеством компонентов позволяют успешно использовать ее как радиолюбителям и студентам, так и инженерам-разработчикам. Кроме того, программы семейства Micro-Cap активно используются в научно-исследовательской деятельности.
Первые версии Micro-Cap, действительно, были достаточно примитивными и малопригодными для решения реальных инженерных задач схемотехнического проектирования. Они позволяли рассчитывать лишь простые аналоговые схемы. Для расчета цифровых устройств использовалась другая программа той же фирмы - MicroLogic (позднее она была интегрирована в Micro-Cap). Но даже этого вполне хватало для обучения студентов основам электроники.
Особо хочется отметить интерфейс программы. Разработчики очень серьезно подходят к этому вопросу, начиная с младших версий. Достаточно сказать, что еще до повсеместного распространения Windows, версия Micro- Cap IV, выпущенная в 1992 году, уже имела очень удобный оконный графический интерфейс, который был совсем не характерен для программ того времени. Этот интерфейс позволял под DOS получать практически все удобства, которые имеют в настоящее время пользователи Windows.
Использование программы Micro-Cap позволяет не только изучать работу электронных схем, но и приобретать навыки наладки электронных устройств. Основные приемы получения рабочей модели ничем не отличаются от методик введения в рабочий режим реальных электронных устройств. Именно эти свойства и позволяют рекомендовать его в первую очередь студентам и радиолюбителям.
автоматизированный программа радиоэлектронный частотный
2. Схемотехническое моделирование РЭС
2.1 Описание процесса подготовки РЭС к моделированию
Схема электрическая принципиальная моделируемого РЭС представлена на рисунке.
Данное РЭС представляет избирательный усилитель (усилитель звуковой частоты). Моделирование производилось в программе Micro-Cap 9, SPICE-подобной программе для аналогового и цифрового моделирования электрических и электронных цепей с интегрированным визуальным редактором.
Для моделирования РЭС мною были сделаны следующие действия:
1) В качестве источника входного сигнала был использован генератор синусоидального напряжения с амплитудой напряжения 0,5 В и частотой колебаний 5 кГц;
2) Оконечное устройство было представлено нагрузочным резистором величиной 4 Ома, что эквивалентно величине оконечных устройств подобных усилителей, таких как динамик колонки;
3) В библиотеке программы Micro-Cap не оказалось операционного усилителя К140УД8. Аналогом этого усилителя будем считать операционный усилитель МС1558, наиболее близкий по своим параметрам к К140УД8;
4) Были подобраны аналоги к транзисторам КТ310В, КТ3107В, КТ815В, КТ814В. Пара комплиментарных транзисторов КТ310В - КТ3107В была заменена парой комплиментарных транзисторов bc107BP - bc178AP.
В процессе анализа схемы было выяснено, что в данном РЭС происходит усиление входного сигнала за счет его прохождения через ОУ, подключенного по схеме инвертирующего усилителя. Заключительный каскад состоит из делителя напряжения и двух пар комплиментарных транзисторов, подключенных по схеме с общим коллектором. Необходимость введения пар комплиментарных транзисторов обусловлена недопустимостью искажения входного сигнала, поэтому нам нужно получить одинаковое усиление и положительной, и отрицательной полуволн входного сигнала. Подключение по схеме с общим коллектором позволяет получить усиление по току, а следовательно и по мощности.
2.2 Моделирование статических характеристик
Статическая характеристика РЭС представлена на рисунке.
По графику видно, что входной сигнал усиливается в отрицательной области. Это объясняется тем, что используется подключение ОУ по схеме инвертирующего усилителя.
2.2 Моделирование динамических характеристик
Динамическая характеристика РЭС представлена на рисунке.
По графику видно, что происходит незначительное искажение входного сигнала. Фаза сигнал не изменилась на противоположную, так как использовалось подключение ОУ по схеме неинвертирующего усилителя. Сигнал на выходе представляет собой масштабную копию входного сигнала.
Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод, что схема усилителя выполняет свою функцию, усиливая входной сигнал и не внося в него искажений.
2.3 Моделирование частотных характеристик
Частотная характеристика усилителя представлена на рисунке.
Из частотных характеристик первого каскада видно, что ОУ обеспечивает усиление сигнала на частотах от 5 Гц. Можно сделать вывод, что полоса пропускаемых усилителем частот примерно равна типовой для усилителя звуковой частоты и лежит в диапазоне от 1 кГц до 30 кГц. Так как использовалось подключение ОУ по схеме инвертирующего усилителя, видим изменение фазы сигнала на противоположную.
Заключение
По итогам выполнения контрольной была достигнуты следующие результаты:
Освоена методики автоматизированного проектирования и схемотехнического моделирования узлов и блоков РЭС с использованием средств САПР.
Изучены возможности современных пакетов прикладных программ САПР РЭС;
Сформирование теоретические знания и практические навыки использования средств САПР при схемотехническом моделировании узлов и блоков РЭС.
Проанализированы основные возможности используемого в контрольной работе пакета схемотехнического моделирования;
Выполнено моделирование статических, динамических и частотных характеристик узлов и блоков РЭС;
Произведена оптимизация параметров и характеристик РЭС.
Достигнув изначально поставленных задач, считаю контрольную работу законченной, а исследованное РЭС пригодным к использованию в практической деятельности.
Список литературы
1. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-CAP 7. - М.: Горячая линия-Телеком, 2003. - 368 с., ил.
2. Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств Design Lab 8.0. - Москва, «Солон», 2003.
3. Амелина М.А., Амелин С.А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap 8. - М.: Горячая линия-Телеком, 2007. - 464 с. ил.
4. Горбатенко С.А., Горбатенко В.В., Середа Е.Н. Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных средств: методические указания по курсовому проектированию. Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2012. ? 27 с.
5. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств: Учеб. пособие для вузов / О.В. Алексеев, А.А. Головков, И.Ю. Пивоваров и др.; Под ред. О.В. Алексеева. - Рекоменд. МО РФ. - М.: Высш.шк., 2000. - 479 с.
6. Антипенский Р.В. Схемотехническое проектирование и моделирование радиоэлектронных устройств / Р.В. Антипенский, А.Г. Фадин. - М.: Техносфера, 2007. - 127 с.
7. Кардашев Г.А. Цифровая электроника на персональном компьютере / Г.А. Кардашев. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003. - 311 с.
8. Петраков О.М. Создание аналоговых PSPICE - моделей радиоэлементов / О.М. Петраков. - М.: РадиоСофт, 2004. - 205 с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Характеристика пакетов прикладных программ САПР. Изучение особенностей работы SCADA-систем, которые позволяют значительно ускорить процесс создания ПО верхнего уровня. Анализ инструментальной среды разработки приложений сбора данных и управления Genie.
реферат , добавлен 11.06.2010
Расчет параметров радиоэлектронных средств разных сторон радиоэлектронного конфликта. Достоинства и недостатки тех или иных методов радиоэлектронного подавления и защиты РЭС. Анализ эффективности применения средств помехопостановки и помехозащиты.
курсовая работа , добавлен 19.03.2011
Создание системы защиты речевой информации на объекте информатизации. Пути блокирования акустического, акусто-радиоэлектронного, акустооптического, радиоэлектронного каналов утечки данных. Технические средства защиты информации от подслушивания и записи.
курсовая работа , добавлен 06.08.2013
Обзор схемотехнических решений устройств частотной селекции диапазона сверхвысоких частот. Системы автоматизированного проектирования объемных моделей. Математическая модель конструктивных реализаций частотных фильтров, компьютерное моделирование.
дипломная работа , добавлен 09.07.2012
Расчет коэффициента усиления САУ и свойства внешних статических характеристик. Построение частотных характеристик САУ и характеристических корней. Моделирование переходных характеристик и проверка САУ на устойчивость. Синтез корректирующего устройства.
курсовая работа , добавлен 08.04.2010
Идентификация параметров электромеханической системы. Моделирование нелинейных объектов. Оптимизация параметров пид-регуляторов для объектов управления с нелинейностями с применением пакета прикладных программ Nonlinear Control Design (NCD) Blockset.
лабораторная работа , добавлен 25.05.2010
Характеристики и параметры разрабатываемого усилителя низких частот. Обзор и анализ устройств аналогичного назначения. Разработка функциональной схемы. Расчет входного, промежуточного, выходного каскада, погрешностей. Схемотехническое моделирование.
курсовая работа , добавлен 10.06.2013
Место проблемы надёжности радиоэлектронных систем в теории конструирования. Оценка надежности и показателей безотказности электронного блока радиоэлектронного устройства – усилителя мощности коротковолнового диапазона, общие рекомендации по их повышению.
курсовая работа , добавлен 14.12.2010
Методика проектирования многокаскадного усилителя переменного тока с обратной связью. Расчет статических и динамических параметров усилителя, его моделирование на ЭВМ с использованием программного продукта MicroCap III, корректировка параметров.
курсовая работа , добавлен 13.06.2010
Определение и моделирование оптимального управления объектом, заданным системой уравнений по квадратичному функционалу качества, по точности, по критерию Красовского и по быстродействию. Результаты работы математических пакетов MathCAD и Matlab.
уметь:
Выполнять количественную оценку уровня качества конструкций РЭС с использованием единичных и комплексных показателей;
Применять вероятностно - статистические методы для анализа точности и стабильности параметров конструкций РЭС;
Рассчитывать показатели надёжности проектируемых РЭС и внедрять методы повышения надёжности устройств на этапах проектирования, производства и эксплуатации;
Применять методы прогнозирования для предсказания функциональных параметров и надёжности элементов и устройств;
Выполнять с использованием ЭВМ статистическое моделирование параметров конструкций РЭС, систем массового обслуживания, надёжности элементов и устройств.
Физические основы проектирования радиоэлектронных средств
знать:
Характеристику воздействий , которым подвергаются РЭС при эксплуатации ;
Физические явления , происходящие в конструкциях РЭС при действии тепловых и механических нагрузок, электромагнитных помех и других факторов;
Методы защиты РЭС от действия дестабилизирующих факторов ;
уметь:
Выбирать конструкторские способы , обеспечивающие защиту РЭС от дестабилизирующих факторов ;
- моделировать воздействие дестабилизирующих факторов на конструкцию РЭС;
Выполнять расчёты по оценке эффективности защиты конструкции РЭС от дестабилизирующих факторов.
Элементная база радиоэлектронных средств
Классификация, общая характеристика и эволюция элементной базы РЭС. Конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности и трансформаторы (конструкции, параметры, характеристики точности и стабильности). Активные и пассивные безвыводные компоненты. Базовые конструкции и основные характеристики электронных компонентов. Коммутационные устройства и соединители. Принципы построения и работы фильтров, линий задержек и резонаторов на поверхностно-акустических волнах. Принципы построения и работы приборов с зарядовой связью в устройствах обработки сигналов и приемниках изображения. Классификация и основные свойства устройств памяти. Элементы памяти на магнитных доменах. Полупроводниковые большие интегральные схемы (БИС) запоминающих устройств. Элементы оптоэлектронных систем обработки информации . Жидкокристаллические индикаторы. Криотроны и приборы на основе эффекта Джозефсона. Хемотроны и другие устройства функциональной электроники.
В результате изучения дисциплины обучаемый должен:
знать:
- принципы действия и физические эффекты, используемые в элементах РЭС;
- основные свойства, характеристики и конструктивно-технологические особенности элементной базы РЭС;
уметь:
- анализировать работу различных типов элементов и определять возможность их функционального применения в конструкциях РЭС;
- обоснованно выбирать типы элементов в зависимости от назначения и условий эксплуатации РЭС.
Технология радиоэлектронных средств и моделирование технологических систем
Особенности объекта и принципы построения процессов производства РЭС. Технологические системы в производстве РЭС. Технологическая точность и надежность технологических систем и процессов. Производственные и технологические процессы, их структура и элементы. Выбор оптимального варианта технологического процесса с использованием технико-экономических показателей. Технологии печатных, многослойных и коммутационных плат. Технология электрического монтажа и механических соединений. Технология и оборудование намоточных работ. Сборка и монтаж функциональных ячеек, блоков и микроблоков. Поверхностный монтаж. Герметизация, контроль, диагностика и регулировка параметров РЭС. Научные основы комплексной автоматизации; автоматизированное технологическое оснащение ; проектирование автоматических линий. Структура и техническое обеспечение управления гибкими производственными системами ; структура автоматизированной системы технологической подготовки производства, функции подсистем; автоматизированное проектирование технологических процессов и специального оснащения. Компьютерное проектирование технологических процессов изготовления РЭС. Интегрированные компьютерные производства РЭС. Статистическое моделирование технологических систем и процессов. Эксплуатация технологических систем.
В результате изучения дисциплины обучаемый должен:
знать:
Физико - технологические основы технологических процессов сборки и монтажа , контроля , регулировки в производстве РЭС;
Прикладные пакеты программ компьютерного проектирования , моделиров ания и оптимизации технологических процессов и систем производства;
Принципы организации , построения и управления гибкими технологическими системами и интегрированными производствами РЭС;
уметь:
Проектировать технологические процессы и системы автоматизированного производства с применением прикладных программ;
Моделировать и оптимизировать технологические процессы автоматизированного производства РЭС с использованием промышленных роботов и микропроцессорных систем;
Выполнять оценку точности и настроенности технологических процес сов интегрированного производства РЭС и обеспечивать технологическую надежность и качество выпускаемых изделий;
Разрабатывать технологическую документацию .
Проектирование и системы автоматизированного проектирования интегральных микросхем
В результате изучения дисциплины обучаемый должен:
знать:
Материалы , используемые для производства ИМС ;
Содержание основных технологических операций производства ИМС;
Конструкции элементов полупроводниковых и гибридных ИМС ;
Математические модели и эквивалентные схемы элементов ИМС для различных режимов работы ;
Программное обеспечение автоматизированного проектирования ИМС (технологического, элементного, топологического и схемотехнического);
уметь:
Выполнять расчёт элементов полупроводниковых и гибридных ИМС ;
Разрабатывать топологию и проектировать монтажно - сборочные операции гибридных ИМС ;
Определять параметры математических моделей элементов и использовать эти параметры в задачах автоматизированного проектирования ИМС;
Применять программное обеспечение автоматизированного проектирования для разработки ИМС .
Конструирование радиоэлектронных устройств
Классификация конструкций РЭС в зависимости от места использования и условий эксплуатации, функционального назначения, принципа обработки сигналов и других факторов. Методология конструирования РЭС. Стадии разработки РЭС. Характеристика основных этапов конструкторского проектирования РЭС (анализ технических требований и электрических схем, разработка технического задания на конструкторское проектирование РЭС, выбор компоновочной схемы конструкции, выбор элементной базы и материалов, несущих конструкций). Оценка качества и надёжности конструкции РЭС. Характеристика методов электрического монтажа, используемого в конструкциях РЭС. Электрический монтаж. Проектирование печатного монтажа и функциональных узлов на его основе. Решение задач размещения элементов и трассировки соединений, использование пакетов автоматизированного проектирования. Компоновка функциональных узлов, блоков, аппаратов, приборов и систем. Компоновка на основе унифицированных несущих конструкций. Количественная оценка качества компоновки. Обеспечение защиты РЭС от действия дестабилизирующих факторов. Моделирование влияния дестабилизирующих факторов и количественная оценка эффективности используемых методов защиты. Обеспечение совместимости конструкции РЭС с оператором: проектирование передних панелей, художественное конструирование. Конструкторское проектирование РЭС различного функционального назначения, разных категорий (наземной, бортовой, морской) и видов (стационарной, возимой, носимой и т. п.). Особенности конструкторского проектирования устройств сверхвысокой частоты (СВЧ) диапазона. Конструкторские документы и их классификация. Правила выполнения схем, чертежей деталей, составления спецификаций и разработки сборочных чертежей на устройства (сборочные единицы), разработки и выполнения других конструкторских документов.
В результате изучения дисциплины обучаемый должен:
знать:
Основные этапы конструкторского проектирования РЭС (методологию конструирования );
Виды компоновки и основные компоновочные схемы функциональных узлов, блоков, аппаратов, приборов и систем; методы проектирования печатного монтажа;
Принципы внешнего проектирования конструкций РЭС , включая вопросы дизайна ;
Особенности конструкторского проектирования РЭС различного назначения ;
Основные правила разработки конструкторской документации на изделия радиоэлектроники;
уметь:
Выбирать компоновочные схемы проектируемых функциональных узлов , блоков , аппаратов , приборов, систем и выполнять внутриблочную и внешнюю компоновку РЭС;
Проектировать печатны е платы и функциональные узлы на их основе;
Обеспечивать совместимость конструкций РЭС и их частей с внешней средой, объектом установки и оператором;
Оценивать качество спроектированной конструкции РЭС ;
Оформлять конструкторскую документацию .
Микропроцессорные системы в радиоэлектронных устройствах
Предмет, цель и содержание курса. Базовые определения и принципы организации микропроцессорных систем (МПС). Режимы работы МПС. Архитектура МПС. Типы МПС. Шины МПС. Циклы в МПС. Функции устройств магистрали (процессора, памяти, устройств ввода / вывода). Классификация и структура микроконтроллеров (МК). Процессорное ядро МК. Схема синхронизации МК. Память программ и данных МК. Регистры МК. Стек и внешняя память МК. Порты ввода / вывода. Таймеры и процессоры событий. Дополнительные модули МК. Аппаратные средства МК. Особенности архитектуры. Организация памяти программ и стека. Организация памяти данных. Виды адресации. Порты ввода / вывода. Модуль таймера и регистр таймера. Память данных в ППЗУ (EEPROM). Организация прерываний. Специальные функции и система команд МК. Особенности разработки цифровых устройств на основе МПС. Особенности процессоров различных типов. Устройства, входящие в состав персонального компьютера. Системная магистраль обмена данными. Дополнительные интерфейсы персонального компьютера. Системы команд микропроцессоров и МК различных типов. Использование микропроцессоров и МК в конструкциях РЭС различного функционального назначения.
В результате изучения дисциплины обучаемый должен:
знать :
- основополагающие принципы микропроцессорной техники, базовую терминологию, архитектурные особенности МПС и их основные типы, а также принципы организации обмена информацией в МПС;
- основные принципы функционирования процессора, его возможности и структурные элементы, систему команд и методы адресации;
- организацию МК и персональных компьютеров.
уметь:
- проектировать аппаратные и программные средства МПС;
- применять МПС в конструкциях РЭС различного функционального назначения.
Системы автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств
Назначение и области применения систем автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств (САПР) РЭС. Проектирование печатных плат с помощью САПР: библиотечные элементы при проектировании электрических схем и печатных плат; проектирование электрической схемы; размещение компонентов на печатной плате; автотрассировка проводников, проверка топологии печатных плат; подготовка производства печатных плат; анализ целостности сигналов с учетом геометрии печатных проводников; обмен данными с другими САПР; проектирование многослойных печатных плат. Организация графических данных; плоскостное черчение ; графические примитивы чертежа; редактирование объектов чертежа; оформление чертежей: штриховка, размеры; пространственное моделирование конструкций; поверхностное и твердотельное проектирование объектов; изображение трехмерных объектов; использование систем программирования в САПР; организация диалога в САПР и стандарты пользовательского интерфейса. Параметрические возможности современных САПР; размерные и геометрические ограничения на параметры моделей; проектирование моделей деталей и сборок; получение чертежей деталей и сборок по моделям. Анализ, верификация и оптимизация проектных решений средствами САПР; моделирование процессов сборки, изготовления деталей, поведения конструкций при воздействующих факторах. Форматы обмена данными в САПР.
В результате изучения дисциплины обучаемый должен:
знать:
- характеристики современных систем автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств;
- методику проектирования электрических схем и печатных плат с помощью систем автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств;
- алгоритмы размещения и трассировки печатных плат, используемые в современных САПР;
- методы проектирования конструкций с использованием двумерного и пространственного проектирования;
уметь:
- проектировать электрические схемы и печатные платы с помощью САПР;