Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных средств
Покупка
Издательство:
ФЛИНТА
Автор:
Трухин Михаил Павлович
Год издания: 2017
Кол-во страниц: 136
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9765-3258-8
Артикул: 682751.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Лабораторный практикум содержит основные теоретические сведения по
тематике 8 лабораторных работ и общие требования по их выполнению. Темы
работ связаны с разработкой и использованием моделей типовых
радиотехнических средств. Программными инструментами являются пакет
схемотехнического моделирования Micro-Cap, система сквозного
проектирования OrCAD и универсальная система моделирования MATLAB и ее
пакет Simulink. Практикум содержит также указания к подготовке и выполнению
лабораторных работ, требования к составлению отчетов и контрольные вопросы.
Практикум предназначен для бакалавров и специалистов направления
«Радиотехника», а также для студентов и аспирантов, изучающих вопросы
автоматизированного моделирования и разработки электронных средств.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Министерство образования и науки Российской Федерации Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина М. П. Трухин ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ Лабораторный практикум Рекомендовано методическим советом УрФУ для студентов, обучающихся по программам бакалавриата по направлению подготовки «Радиотехника» 2-е издание, стереотипное Москва Издательство «ФЛИНТА» Издательство Уральского университета 2017
УДК 004.9:621.37/.38(076.5) ББК 32.97я73-5+32.844-2я73-5 Т80 Рецензенты: кафедра общепрофессиональных дисциплин технических специальностей, Уральский технический институт связи и информатики ФГБОУ «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (завкафедрой проф., д-р техн. наук Б. А. Панченко); проф., д-р физ.-мат. наук А. Д. Ивлиев (Российский государственный профессионально-педагогический университет) Научный редактор — проф., д-р техн. наук В. Э. Иванов Трухин, М. П. Т80 Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных средств [Электронный ресурс] : лабораторный практикум / М. П. Трухин. — 2-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 2017. — 136 с. ISBN 978-5-9765-3258-8 (ФЛИНТА) ISBN 978-5-7996-1556-7 (Изд-во Урал. ун-та) Лабораторный практикум содержит основные теоретические сведения по тематике 8 лабораторных работ и общие требования по их выполнению. Темы работ связаны с разработкой и использованием моделей типовых радиотехнических средств. Программными инструментами являются пакет схемотехнического моделирования Micro-Cap, система сквозного проектирования OrCAD и универсальная система моделирования MATLAB и ее пакет Simulink. Практикум содержит также указания к подготовке и выполнению лабораторных работ, требования к составлению отчетов и контрольные вопросы. Практикум предназначен для бакалавров и специалистов направления «Радиотехника», а также для студентов и аспирантов, изучающих вопросы автоматизированного моделирования и разработки электронных средств. Библиогр.: 11 назв. Рис. 68. Табл. 3. Прил. 2. Подготовлено кафедрой теоретических основ радиотехники УДК 004.9:621.37/.38(076.5) ББК 32.97я73-5+32.844-2я73-5 ISBN 978-5-9765-3258-8 (ФЛИНТА) ISBN 978-5-7996-1556-7 (Изд-во Урал. ун-та) © Уральский федеральный университет, 2015
Оглавление Введение ........................................................................................................5 Лабораторная работа № 1. Формирование математических моделей электронных схем ........................8 1.1. Основные процедуры формирования ММС .........................................8 1.2. Домашнее задание ..................................................................................9 1.3. Лабораторное задание .......................................................................... 11 1.4. Содержание отчета ............................................................................... 13 Контрольные вопросы ................................................................................ 14 Лабораторная работа № 2. Анализ электронных схем в статическом режиме ...................................... 15 2.1. Домашнее задание ................................................................................ 16 2.2. Лабораторное задание .......................................................................... 18 2.3. Содержание отчета ............................................................................... 20 Контрольные вопросы ................................................................................ 21 Лабораторная работа № 3. Анализ электронных схем в динамическом режиме ................................... 22 3.1. Домашнее задание ................................................................................ 23 3.2. Лабораторное задание .......................................................................... 26 3.3. Содержание отчета ............................................................................... 30 Контрольные вопросы ................................................................................ 30 Лабораторная работа № 4. Анализ линейных электронных схем в частотной области ......................... 32 4.1. Основные процедуры анализа ............................................................. 32 4.2. Домашнее задание ................................................................................ 33 4.3. Лабораторное задание .......................................................................... 37 4.4. Содержание отчета ............................................................................... 39 Контрольные вопросы ................................................................................ 39 Лабораторная работа № 5. Анализ чувствительности электронных схем ............................................ 41 5.1. Основные процедуры анализа ............................................................. 41 5.2. Домашнее задание ................................................................................ 45 5.3. Лабораторное задание .......................................................................... 47 5.4. Содержание отчета ............................................................................... 49 Контрольные вопросы ................................................................................ 50 Лабораторная работа № 6. Статистический анализ электронных схем ............................................... 52 6.1. Основные процедуры анализа ............................................................. 52 6.2. Домашнее задание ................................................................................ 56 6.3. Лабораторное задание .......................................................................... 58 6.4. Содержание отчета ............................................................................... 59 Контрольные вопросы ................................................................................ 59
Лабораторная работа № 7. Создание нового библиотечного элемента ................................................ 62 7.1. Создание условного графического изображения................................ 62 7.2. Домашнее задание ................................................................................ 69 7.3. Лабораторное задание .......................................................................... 69 7.4. Содержание отчета ............................................................................... 69 Контрольные вопросы ................................................................................ 70 Лабораторная работа № 8. Разработка принципиальной схемы РЭС ................................................. 72 8.1. Создание принципиальной схемы проекта ......................................... 72 8.1.1. Структура принципиальной схемы проекта ............................. 73 8.1.2. Размещение символов компонентов и электрических цепей ............................................................... 74 8.1.3. Иерархические блоки ................................................................. 84 8.1.4. Использование макросов ........................................................... 85 8.1.5. Проверка правильности ввода схемы ........................................ 87 8.1.6. Создание списка соединений .................................................... 89 8.2. Домашнее задание ................................................................................ 90 8.3. Лабораторное задание .......................................................................... 91 8.4. Содержание отчета ............................................................................... 91 Контрольные вопросы ................................................................................ 92 Лабораторная работа № 9. Создание корпуса нового элемента .......................................................... 94 9.1. Создание корпуса элемента ................................................................. 94 9.2. Домашнее задание .............................................................................. 103 9.3. Лабораторное задание ........................................................................ 104 9.4. Содержание отчета ............................................................................. 104 Контрольные вопросы .............................................................................. 105 Лабораторная работа № 10. Разработка конструкции печатной платы ............................................... 106 10.1. Создание конструкции проекта ....................................................... 106 10.1.1. Настройка конфигурации проекта ....................................... 107 10.1.2. Выбор заготовки печатной платы ......................................... 109 10.1.3. Загрузка списка цепей и упаковка проекта .......................... 110 10.1.4. Размещение компонентов на печатной плате ...................... 113 10.1.5. Автоматическая трассировка проводников .......................... 115 10.1.6. Изготовление конструкторской документации ................... 117 10.2. Домашнее задание ............................................................................ 118 10.3. Лабораторное задание ...................................................................... 118 10.4. Содержание отчета ........................................................................... 119 Контрольные вопросы .............................................................................. 119 Библиографический список ..................................................................... 121 Приложение 1. Словарь основных терминов .......................................... 122 Приложение 2. Стандартные расширения имен файлов ........................ 131
Введение Ц елью лабораторного практикума является закрепление знаний студентов в области методов формирования и решения математических моделей электронных схем, основных приемов конструкторского проектирования, привитие практических навыков применения этих знаний к разработке и анализу конкретных схем. Автоматизация проектирования радиоэлектронных схем для системотехников означает прежде всего определение с помощью ЭВМ наиболее важных — системных — характеристик схемы и ознакомление с численными методами их нахождения. При анализе статического режима такой системной характеристикой является вектор аргументов нелинейностей N, знание которого позволяет вычислить другие электрические параметры схемы. Сам вектор нелинейностей S = f (N) вычисляется итерационным способом при решении системы нелинейных уравнений. Динамика состояния электронной схемы характеризуется в основном изменением запасов электрической энергии конденсаторов и магнитной энергии катушек индуктивности, отображаемых вектором состояния V. Математическая модель электронной схемы в этом случае есть система дифференциальных уравнений dV/dt = F (V, S, t), которая решается неявными методами численного интегрирования. Поэтому в цикле лабораторных работ по курсу «Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС» используется метод переменных состояния, позволяющий с системных позиций подходить к анализу конкретных схем. Дополнительное ознакомление с широко известным пакетом Micro-Cap дает студенту возможность сравнить результаты анализа, сопоставить достоинства и недостатки метода переменных состояния и модифицированного метода узловых напряжений, реализованного в Micro-Cap при формировании математической модели схемы. Основная задача первой части лабораторного цикла состоит в приобретении студентами навыков работы с вычислительными методами
ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ в схемотехническом моделировании. Каждая работа посвящена исследованию применения того или другого численного метода в анализе электронных схем. В лабораторной работе № 1 показано использование элементарных матричных операций для диагонализации прямоугольных топологических матриц и эквивалентное выделение дерева графа схемы. Лабораторная работа № 2 посвящена ознакомлению с итерационными методами решения нелинейных алгебраических уравнений (метод простой итерации и метод Ньютона-Рафсона). В лабораторной работе № 3 подробно исследуются методы численного интегрирования систем нелинейных алгебро-дифференциальных уравнений (явные и неявные методы Эйлера, Рунге-Кутты, линейные многошаговые методы). В лабораторной работе № 4 изучаются рекуррентный метод Фаддеева-Леверье (вычисление коэффициентов полиномов) и численные методы поиска всех корней полиномов. Две работы затрагивают вопросы многовариантного анализа электронных схем. В лабораторной работе № 5 студенты знакомятся с алгоритмами определения коэффициентов и функций чувствительности по заданным аналитическим выражениям, а в лабораторной работе № 6 — с применением метода статистического моделирования (Монте-Карло) для определения вероятностных характеристик выходных параметров. Во второй части практикума (лабораторные работы с седьмой по десятую) студенты осваивают методику разработки конструкции печатной платы с помощью системы OrCAD. Тем самым решается вторая задача лабораторного цикла — сравнительное ознакомление студентов с набором программных инструментов — пакетов и систем анализа и проектирования электронных схем. Довольно большое число таких инструментов — Micro-Cap, MultiSim, DesignLab, OrCAD и др. — создает впечатление разнообразия используемых в них методов формирования и решения математических моделей. Студенты должны убедиться в том, что эти популярные программы моделирования электронных схем имеют почти одинаковую вычислительную основу, различаясь лишь интерфейсом — предоставляемыми разработчику средствами ввода информации об электронной схеме и вывода полученных результатов. Овладение этим интерфейсом есть необходимое условие использования компьютерной системы моделирования. Однако грамотное проведение анализа невозможно без понимания того, как система формирует математическую модель и решает ее при заданных требованиях к точности и достоверности.
Введение Наконец, третья задача состоит в том, чтобы показать студентам, что системы моделирования электронных схем без хороших моделей компонентов (схем замещения) малозначимы в практике компьютерного моделирования и проектирования РЭС. Поэтому ознакомление с приемами формирования достоверных моделей радиокомпонентов — одна из главных целей как всего учебного курса в целом, так и его лабораторного цикла. При разработке учебных программ пакета АНАЛИЗ был использован метод переменных состояния [1, 2], который позволяет студентам наглядно представить взаимодействие электрических и топологических параметров электронной схемы и его отражение на математической модели схемы. Очень важную роль при этом играют адекватные модели электронных компонентов, особенно транзисторов и диодов, методы формирования которых подробно описаны в [3, 4, 5]. Весь комплекс вопросов, связанных с автоматизацией проектирования электронных схем, рассмотрен в [6]. Студентам перед выполнением лабораторного цикла рекомендуется ознакомиться с учебными пособиями [1, 6]. Процедуры конструкторского проектирования электронных средств, с которыми студент знакомится в лабораторных работах с седьмой по десятую, весьма подробно описаны в многочисленной литературе [7–11]. В указаных литературных источниках, не являющихся учебными пособиями, представлены по-существу переводы с руководств для пользователей программных систем, в данном случае OrCAD. Детальное изучение всех функциональных возможностей системы OrCAD в отведенное учебное время невозможно, поэтому в лабораторном практикуме к упомянутым работам представлены основные приемы использования этой мощной программной системы.
Лабораторная работа № 1. Формирование математических моделей электронных схем Л абораторная работа № 1 по курсу «Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС» знакомит студентов с методами формирования математических моделей электронных схем (ММС). Работа состоит из четырех разделов: домашнего задания, коллоквиума, расчетно-экспериментальной части и оформления полученных результатов в виде отчета. 1.1. Основные процедуры формирования ММС В качестве моделей РЭС выбраны системы уравнений электрического баланса электронной схемы в методе переменных состояния и расширенном методе узловых потенциалов. Рис. 1.1. Схема связей между программами при формировании входной информации об электронной схеме и создании математических моделей
Лабораторная работа № 1. Формирование математических моделейэлектронных схем Матричные уравнения метода переменных состояния определяются с помощью программ СХЕМА (или ГРАФ) и СИСТЕМА пакета АНАЛИЗ (рис. 1.1). Для формирования ММС расширенного метода узловых потенциалов используется программный модуль Micro-Cap, выходной информацией которого является текстовый файл со списочной моделью схемы. 1.2. Домашнее задание 1. Получить от преподавателя принципиальную электрическую схему для проведения ее анализа. В схеме должно быть не менее двух транзисторов и одного-двух диодов. 2. Составить списочную модель по заданной принципиальной схеме. Нумерацию узлов проводить сквозную от 0 до (y — 1), где y — полное число узлов схемы. Базовый узел обозначить нулем. Каждому компоненту схемы соответствует одна строка списка. В строке должно быть четыре объекта для двухполюсника: Обозначение элемента Нач. узел Кон. узел Параметр (модель) E1 0 4 12.0 и пять для трехполюсника (биполярный транзистор): Обозначение элемента Коллектор База Эмиттер Имя модели Q1 3 4 5 KT315 Параметры компонентов представляются в радиотехническом масштабе: вольт, миллиампер, килоом, микрофарада, генри, миллисекунда. 3. Получить две эквивалентные схемы и составить их списочные модели: одну модель для статического режима, другую модель для динамического режима. Зависимые источники токов, моделирующие p‑n-переходы диодов и транзисторов следует обозначать Jp<n>, где n — порядковый номер перехода. При этом номер эмиттерного перехода должен иметь номер, на единицу меньший номера коллекторного перехода этого транзистора, например, Jp1 и Jp2. Базовое сопротивление следует обозначить Rb<k>, где k — порядковый номер транзистора.
ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ 4. Знать связь между типом математической модели схемы и характером работы электронной схемы: статическим, динамическим, линейным. Изучить порядок работы с программами СХЕМА и СИСТЕМА. Иметь представление о структуре каждой программы, ее входных и выходных параметрах. ПРИМЕР 1.1. Формирование списочной модели эквивалентной схемы двухкаскадного усилителя USILDN в динамическом режиме (рис. 1.2). а б Рис. 1.2. Принципиальная электрическая схема USILDN — а и ее эквивалентная схема в динамическом режиме — б После замены транзисторов их упрощенными схемами замещения по Эберсу-Моллу и нумерации узлов получена эквивалентная схема (рис. 1.2, б). *ГАБАРИТНЫЕ ЧИСЛА ЭЛЕКТРОННОЙ СХЕМЫ USILDN *B Y ; Полное число ветвей и узлов схемы 19 12 *СПИСОЧНАЯ МОДЕЛЬ СХЕМЫ E1 0 1 0 ; Источник переменного воздействия E1 C1 1 2 0.1 ; Конденсатор C1, ёмкость 0.1 мкФ R1 2 5 150 ; Резистор R1, сопротивление 150 кОм R2 0 2 15 ; Резистор R2, сопротивление 15 кОм Rb1 2 3 0.3 ; Сопротивление в цепи базы транзистора VT1, 300 Ом Jp1 11 3 0 ; Эмиттерный переход транзистора VT1 Jp2 4 3 0 ; Коллекторный переход транзистора VT1 R3 5 4 12.5 ; Резистор R3, сопротивление 12.5 кОм R5 0 11 1.05 ; Резистор R5, сопротивление 1.05 кОм Rb2 4 6 0.3 ; Сопротивление в цепи базы транзистора VT2, 300 Ом R7 5 8 10.5 ; Резистор R7, сопротивление 10.5 кОм L1 8 7 0.05 ; Катушка L1, индуктивность 0.05 Гн
Лабораторная работа № 1. Формирование математических моделейэлектронных схем Jp3 9 6 0 ; Эмиттерный переход транзистора VT2 Jp4 7 6 0 ; Коллекторный переход транзистора VT2 R8 0 9 1.03 ; Резистор R8, сопротивление 1.03 кОм C2 7 10 0.5 ; Конденсатор C2, ёмкость 0.5 мкФ R9 0 10 2 ; Резистор R9, сопротивление 2 кОм E2 5 0 12 ; Источник питания схемы E2, 12 В C3 0 9 10 ; Конденсатор C3, ёмкость 10 мкФ 5. Ознакомиться с методикой использования программы MicroCap. Изучить правила записи входного файла для программы MicroCap, выбрать параметры моделей полупроводниковых приборов, имеющихся в схеме. Составить текст входного файла для программы Micro-Cap. 6. Ответить на контрольные вопросы. 1.3. Лабораторное задание 1. Запускается программа СХЕМА и вводится построчно списочная модель по принципиальной схеме. Ввод первого символа строки, который задает тип элемента, рекомендуется выполнять на верхнем регистре. Название файла с расширением LST, хранящего список компонентов электронной схемы, должно состоять из шести — восьми латинских символов, которые определяют собственно имя схемы. 2. Выбирается режим формирования модели по постоянному току. С экрана дисплея ПЭВМ записывается (или копируется) структурная матрица схемы A. Наблюдается преобразование структурной матрицы схемы в матрицу A Пх ®[ , ] 1 . Контролируется формирование габаритных чисел и параметрических векторов и матриц модели электронной схемы. При отсутствии ошибок результат записывается в файл с расширением STP. Имя этого файла соответствует имени файла, хранящего списочную модель схемы. ПРИМЕР 1.2. Иллюстрация использования всех команд Micro-Cap при анализе дифференциального усилителя (см. рис. 1.3). * Д И Ф Ф Е Р Е Н Ц И А Л Ь Н Ы Й У С И Л И Т Е Л Ь *ЭТА СХЕМА ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ДЛЯ ПОКАЗА ПРИМЕРОВ ЗАПИСИ * МАКСИМАЛЬНОГО КОЛИЧЕСТВА КОМАНД, КОТОРЫЕ МОЖНО ПРИМЕНИТЬ К *ЭТОЙ НЕБОЛЬШОЙ ЦЕПИ. ТОЛЬКО НЕБОЛЬШОЕ ЧИСЛО ОБЪЕКТОВ ВЫВОДА
ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ *(ОСОБЕННО ДЛЯ АНАЛИЗА ДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА) РЕАЛЬНО МОЖЕТ * БЫТЬ ИСПОЛЬЗОВАНО ПРИ АНАЛИЗЕ ТАКОЙ НЕБОЛЬШОЙ СХЕМЫ ********************* ОПИСАНИЕ СХЕМЫ ***************************** VIN 100 0 AC 1 SIN(0 0.1 5MEG) VCC 101 0 DC 12 VEE 102 0 DC -12 Q1 4 2 6 QNL Q2 5 3 6 QNL RS1 100 2 1k RS2 3 0 1k RC1 4 101 TR 10k RC2 5 101 TR 10k Q3 6 7 102 QNL Q4 7 7 102 QNL RBIAS 7 101 20k CLOAD 4 5 5pF .MODEL TR RES(R=1 TC1=.02 TC2=.0045) .MODEL QNL NPN (BF=80 RB=100 +CCS=2PF TF=0.3NS TR=6NS CJE=3PF +CJC=2PF VA=50) ********************* ЗАДАНИЯ НА АНАЛИЗ ************************** .OPT ACCT LIST NODE OPTS NOPAGE RELTOL =.001 *Управление глобальными параметрами программы .WIDTH OUT=80 .TEMP 35 ;Температура 35 С° .TF V(5) VIN ;Передаточная функция V(5)/VIN .DC VIN -0.25 0.25 0.005 ;Цикл анализа по постоянному току .AC DEC 10 1 10GHz ;Расчёт частотных характеристик .TRAN/OP 5ns 500ns ;Анализ динамического режима .SENS V(5) ;Анализ чувствительности .NOISE V(5) VIN 20 ;Расчёт шумовых характеристик .FOUR 5MEG V(5) ;Расчёт гармоник частоты 5 МГц в V(5) .PRINT DC V(4) V(5) ;Печать результатов расчёта в статике .PLOT DC IC(Q2) ;Вывод на плоттер результатов в статике .PRINT AC VM(5) VP(5) ;Печать частотных характеристик .PLOT AC VCM(Q2) VCP(Q2) ;Вывод на плоттер АЧХ и ФЧХ .PRINT NOISE ONOISE INOISE ;Вывод в OUT-файл шумовых расчётов .PRINT TRAN V(4) V(5) ;Вывод в OUT-файл расчётов в динамике .PLOT TRAN V(4) V(5) I(CLOAD) ;Вывод на плоттер в динамике .END ;Обязательный признак конца записи 3. Выполняется пункт 2 лабораторного задания для моделирования электронной схемы в динамическом режиме. Расширение файла с результатами работы программы СХЕМА в этом случае есть DTP. Рис. 1.3. Принципиальная электрическая схема дифференциального усилителя
Доступ онлайн
В корзину