Конспект первых лекций по дисциплине “ основы автоматизированного схемотехнического проектирования

Скачать 469.27 Kb.

Название	Конспект первых лекций по дисциплине “ основы автоматизированного схемотехнического проектирования
страница	1/4
Тип	Конспект

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Конспект

1 2 3 4

КОНСПЕКТ ПЕРВЫХ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
“ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ“

По решению деканата радиотехнического факультета две дисциплины, а именно: “Автоматизация проектирования радиоэлектронных устройств” и ”Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных средств” – объединены в одну дисциплину под названием “Основы автоматизированного схемотехнического проектирования радиоэлектронных устройств”, которую мы и будем изучать с вами в этом семестре.

Изучение этой дисциплины включает в себя:

прослушивание курса лекций (общий объем 26 аудиторных часов, т.е. 13 лекций);
выполнение цикла лабораторных работ (всего 6-7 лабораторных работ) с последующей их защитой.

Курс лекций предполагает изучение общих вопросов автоматизированного проектирования (преимущественно схемотехнического), в том числе:

- изучение основных этапов схемотехнического проектирования и моделирования электронных схем, а также знакомство с программными пакетами, используемыми в современных САПР;

- изучение компьютерных моделей как пассивных, так и активных электронных компонентов;

- изучение алгоритмов расчетов электронных схем по постоянному току, в частотной и временной областях, а также ряд других вопросов.

В лабораторном практикуме, который состоит из семи лабораторных работ, использован современный пакет Micro-CAP7, предназначенный для схемотехнического проектирования (моделирования) и являющийся продуктом развития широко известного семейства прикладных программ PSPICE. Описания этих лабораторных работ с необходимыми методическими указаниями и пояснениями опубликованы в учебном пособии Е.А. Богатырева, Ю.А. Гребенко, М.Ю. Лишака “Схемотехническое моделирование радиоэлектронных устройств. Лабораторные работы № 1-7”, которое опубликовано в Издательском доме МЭИ в 2007 году.

Тематика лабораторных работ:

1) ЛР 1 – Моделирование линейных пассивных цепей;

2) ЛР 2 – Измерение статических вольтамперных характеристик и динамических параметров транзисторов;

3)ЛР3 – Исследование частотных зависимостей малосигнальных Y-параметров;

4)ЛР4 – Моделирование резистивного усилителя;

5)ЛР5 – Моделирование резонансного усилителя;

6)ЛР6 – Моделирование радиосигналов.

7)ЛР7 – Синтез и исследование аналоговых пассивных фильтров.

Подчеркну, что перед выполнением каждой лабораторной работы нужно в обязательном порядке выполнить домашнюю подготовку по индивидуальному заданию.

Теперь об учебной литературе, рекомендуемой для изучения данного курса и выполнения цикла лабораторных работ:

1. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-CAP7. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003.

2. Назаров А.В. Автоматизация схемотехнического моделирования. / Под ред. Е.М. Старовойтовой. – М.: Изд-во МЭИ, 1994.

3. Ильин В.Н. и др. Автоматизация схемотехнического проектирования. – М.: Радио и связь, 1987.

4. Разевиг В.Д. Применение программ P-CAD и PSPICE для схемотехнического моделирования. Вып.2. - Радио и связь, 1992.

5. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. Уч. для вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.

6. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств. Уч. пособие для вузов/ О.В. Алексеев, А.А. Головков, И.Ю. Пивоваров и др. Под ред. О.В. Алексеева – М.: Высшая школа, 2000.

7.Антипенский Р.В., Фадин А.Г. Схемотехническое проектирование и моделирование радиоэлектронных устройств. – М.: Техносфера, 2007.

По окончании курса вам предстоит сдавать зачет с оценкой, который предполагает не только оценку качества выполнения лабораторного практикума, но и проверку знаний, полученных на лекциях.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОНЯТИЯ

Вначале разберемся, что же является предметом изучения нашего лекционного курса, если исходить из его названия: “Основы автоматизированного схемотехнического проектирования радиоэлектронных устройств”.

В этом названии можно выделить следующие ключевые слова:

радиоэлектронные устройства (РЭУ);
автоматизированное схемотехническое проектирование.

Во-первых, что мы будем понимать под РЭУ? Вообще существует достаточно общее понятие – радиоэлектронное средство (РЭС).

По признаку функциональной сложности различают несколько уровней РЭС:

- радиоэлектронный узел;

- радиоэлектронное устройство;

- радиоэлектронный комплекс;

- радиоэлектронная система.

Наименьшей сложностью отличаются функциональные радиоэлектронные узлы. Примеры: генераторы, модуляторы, усилители, детекторы, триггеры, логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др. В их состав, в свою очередь, входят “строительные кирпичики” – электронные компоненты: транзисторы, полупроводниковые диоды, резисторы, конденсаторы, полупроводниковые структуры и т.п.

Более сложными являются радиоэлектронные устройства, которые представляют собой функционально законченную сборочную единицу, выполненную на несущей конструкции и реализующую функции передачи, приема и преобразования информации. Примеры: тракт СВЧ- или ВЧ- приемника, тракт НЧ, регистры, счетчики, дешифраторы, АЦП, ЦАП, сумматоры, микропроцессоры, микроконтроллеры и др.

И, наконец, самые сложные по выполняемым функциям – это радиоэлектронные комплексы и системы. Примеры: радиоизмерительные комплексы, радиоуправляемые системы, системы наведения, системы слежения и др.

Во-вторых, в чем заключается сущность процесса проектирования РЭС (пока не автоматизированного)? Она заключается в разработке конструкций и технологических процессов производства новых РЭС, которые должны с минимальными затратами и максимальной эффективностью выполнять предписанные им функции в требуемых условиях.

Следует подчеркнуть, что в результате проектирования создаются новые, более совершенные РЭС, которые отличаются от своих аналогов и прототипов использованием новых физических явлений и принципов функционирования, более совершенной элементной (компонентной) базы, улучшенных конструкций, прогрессивных технологий и т.п. Для этого недостаточно создать более совершенную аппаратуру, ее еще необходимо оптимизировать по широкому спектру показателей: функциональных, конструкторско-технологических, эксплуатационных и экономических. Очевидно, что при решении этой задачи разработчики сталкиваются с необходимостью проанализировать большое количество вариантов, причем по мере возрастания сложности разрабатываемой аппаратуры количество таких вариантов катастрофически возрастает. Эта ситуация получила название «тирании альтернатив» и приводила к затягиванию создания новых РЭС на долгие годы.

Все это дало мощный толчок для интенсивного развития новой технологии проектирования РЭС с применением математических методов и средств вычислительной техники, комплексной автоматизации проектных работ, что позволило заменить макетирование и натурное моделирование математическим моделированием с использованием методов многовариантного проектирования и оптимизации. Главным средством автоматизации проектирования являются персональные ЭВМ (компьютеры) и управляемые ими технические средства.

Теперь дадим определение термина «автоматизированное проектирование» в широком смысле этого слова:

это научно-техническое направление, которое заключается в применении сочетания достижений вычислительной математики, теории проектирования и средств вычислительной техники к задачам проектирования реальных объектов той или иной физической природы.

Подчеркнем, что в нашем курсе речь идет об автоматизированном проектировании, то-есть компьютерном проектировании с участием человека. Автоматическое проектирование (без участия человека) в полном объеме от формулирования технического задания (ТЗ) до получения проектной технической документации на современном уровне развития в общем случае невозможно, разве только в случае очень простых проектов, так как это творческий процесс, доступный только человеку.

Поэтому сейчас принято говорить о проектировании как системной креативной (т.е. созидательной) человеческой деятельности. Эта деятельность, результат которой всегда зависит от личности, выполняющей этот проект, от ее интеллекта, профессионализма, опыта и, наконец, удачи!

Вот несколько примеров реальных объектов проектирования из области энергетики, радиотехники и электроники:

проектирование высоковольтных электрических сетей, тепловых и атомных электростанций;
проектирование радиотехнических систем и устройств, в том числе систем дистанционного экологического и энергетического мониторинга, сложных электронных схем;
трассировка печатных плат и др.

Особенно интенсивное развитие автоматизированное проектирование получило в радиоэлектронике. Это объясняется следующими основными причинами:

Во-первых, необходимостью разработки сложных ИМС с высокой степенью интеграции – БИС (больших интегральных схем) и СБИС (сверхбольших ИМС), когда количество элементов (компонентов) достигает нескольких миллионов на одном кристалле. Например, в начале 2008 года компания INTEL анонсировала сверхминиатюрный процессор “Atom”. Ядро этой СБИС площадью 25 мм² вмещает в себя 47 миллионов транзисторов, при этом тактовая частота составляет примерно 2 ГГц.

Во-вторых, высокой экономической эффективностью методов автоматизированного проектирования ИМС, поскольку для них стоимость проектирования составляет значительную долю общих затрат на производство.

В настоящее время в теории АП применительно к радиоэлектронике оформилось пять функциональных уровней проектирования, образующих следующую иерархию:

первый уровень – уровень автоматизированного структурного проектирования (АСтП);
второй уровень – уровень автоматизированного функционально-логического проектирования (АФЛП);
третий уровень – уровень автоматизированного схемотехнического проектирования (АСхП);
четвертый уровень – уровень автоматизированного компонентного проектирования (АКП);
пятый уровень – уровень автоматизированного конструкторско-технологического проектирования (АКТП).

Эти уровни различаются прежде всего сущностью решаемых задач и вытекающим отсюда различием математических аппаратов. Так на уровне АСтП занимаются в большей степени системотехническим проектированием; например, разработкой принципов построения радиоизмерительных и радиоуправляемых систем, а также систем и сетей телекоммуникаций, при этом широко применяются теория игр, теория массового обслуживания, математический аппарат численных методов, статистическое моделирование.

В АФЛП занимаются, например, разработкой на функционально-логическом уровне радиопередающих и радиоприемных устройств, а также цифровых автоматов различной функциональной сложности, при этом широко используются спектральный анализ, теория цифровых автоматов, логическая математика и численные методы моделирования и преобразования сигналов.

В АСхП разрабатывают сложные электронные устройства и узлы, для чего широко используют теорию электрических цепей с сосредоточенными параметрами наряду с численными методами решения обыкновенных дифференциальных уравнений.

В АКП разрабатываются новые пассивные и активные компоненты, в том числе устройства на распределенных структурах и с использованием новых физических принципов, например, устройства на ПАВ, на приборах с зарядовой связью и др. Для этого широко применяются методы математической физики и физики твердого тела, а также численные методы решения уравнений в частных производных.

Наконец, в АКТП занимаются конструкторско-технологическим проектированием; здесь используются математические аппараты теории принятия решений, направленных графов, а также многокритериальные подходы к конструированию.

В дальнейшем в нашем курсе будут в основном излагаться вопросы, связанные с третьим функциональным уровнем, то есть АСхП, и главным образом с компьютерным моделированием электрических схем. Заметим, что с пятым уровнем (АКТП) специалисты нашей кафедры ознакомят вас на старших курсах.

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ (САПР) В ОБЛАСТИ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Следует подчеркнуть, что процесс автоматизации проектирования прошел несколько этапов, прежде чем от решения частных задач проектирования разработчики РЭС получили возможность перейти к такому совершенному инструменту для выполнения системного проектирования как системы автоматизированного проектирования (САПР).

Основные принципиальные отличия САПР от методов автоматизации, решающих только частные задачи:

1)Возможность комплексного решения общей задачи проектирования, например, компьютерное моделирование сложной электронной схемы и далее - решение задачи размещения компонентов и трассировки печатной монтажной платы;

2)Реализация интерактивного режима проектирования, при котором осуществляется непрерывный процесс диалога “человек – машина (компьютер)”;

3)Возможность имитационного моделирования радиоэлектронных систем и комплексов в условиях работы, близких к реальным;

4)Значительное усложнение программного и информационного обеспечения проектирования, а также значительное усложнение технических средств систем автоматизированного проектирования (САПР).

Современные САПР представляют собой сложный комплекс математических, программных, технических и других средств. Поэтому в составе САПР принято выделять следующие основные виды обеспечения их функционирования (всего 7): математическое, лингвистическое (языковые средства), программное, информационное, техническое, организационное и методическое.

Дадим краткую характеристику каждого из перечисленных видов обеспечения, имея в виду радиотехнические приложения.

Математическое обеспечение включает в себя теорию, методы и алгоритмы для организации вычислений в САПР. Например, можно выделить следующие два типа алгоритмов:

алгоритмы решения общих задач вычислительной математики, а именно: решение систем линейных алгебраических уравнений, решение обыкновенных дифференциальных уравнений и уравнений в частных производных и т.п.
алгоритмы решения статистических задач: вычисление статистических характеристик случайного процесса, построение гистограмм, аппроксимация гистограмм теоретическим законом и т.д.

Лингвистическое обеспечение включает языковые средства. Языки, используемые в САПР, можно разбить на две группы: языки программирования и языки проектирования (см. рис.1).

Языковые средства

Рис.1

Вначале относительно языков программирования. Они предназначены для написания текстов программ. К ним относятся языки высокого уровня (Фортран, Паскаль, С++ и др.) и машинно-ориентированные языки – ассемблеры (или языки низкого уровня). Последние позволяют создавать наиболее эффективные программы с точки зрения вычислительных затрат (требуемых объемов памяти и времени счета). Их существенный недостаток: программист должен дойти до уровня машинных кодов. С языками типа ассемблер вас познакомили при изучении микропроцессоров, микроконтроллеров и сигнальных процессоров.

Языки проектирования (или входные языки) можно разделить на три группы: языки описания, моделирующие и диалоговые.

Язык описания, в свою очередь, состоит обычно из трех частей: описание объекта, описание задачи и описание директив проектирования. Например, описание объекта типа транзистора включает тип транзистора, тип его модели в программе (т.к. один и тот же транзистор можно моделировать разными схемами замещения), параметры этой модели, а также топологические связи транзистора, т.е. номера узлов его подключения, записанные в определенной последовательности (например, вначале номер узла базы, затем узла коллектора, затем – эмиттера).

В язык описания задачи входят описание рассчитываемых выходных параметров, описание условий анализа параметров (например, тип варьируемых внутренних параметров, шаг и диапазон варьирования и т.п.), описание алгоритмов расчета, анализа и оптимизации, описание задания на вывод результатов проектирования (например, что и в каком виде выводить: таблица, график, чертеж; параметры выходного документа: шаг печати, масштаб, диапазон и др.).

Язык описания директив проектирования. В простейшем случае он состоит из перечисления режимов, в которых должна последовательно работать САПР. Например, перечень таких директив при схемотехническом проектировании: «Статика», «Частотный анализ», «Временной анализ» и т.п.

Языки моделирования описывают не только структуру и параметры объекта проектирования, но и алгоритм его функционирования, т.е. связи между соседними объектами в сложной системе. Например, процесс передачи и преобразования сигнала от одного блока к другому (в радиоприемнике: от СМ к УПЧ). Как правило, языки моделирования применяются только на первом и втором функциональных уровнях проектирования: структурном и функционально-логическом. Напомню, что мы с вами будем более подробно обсуждать вопросы, связанные с третьим функциональным уровнем проектирования – уровнем автоматизированного схемотехнического проектирования (АСхП).

Наконец, языки диалога предназначены для организации эффективного взаимодействия пользователя и САПР в процессе проектирования. Приведем типичный фрагмент такого диалога:

ПЭВМ: Введите информацию о схеме.

Пользователь: (с помощью клавиатуры и дисплея вводит описание схемы).

ПЭВМ: Неправильно введена информация о транзисторе Т5.

Пользователь: (корректировка информации о транзисторе Т5).

ПЭВМ: Информация о схеме введена.

Выбрать режим: Статика

Динамика

Частотный анализ

Оптимизация

Печать

Пользователь: (выбирает, например, режим «Статика»).

ПЭВМ: Укажите параметры режима:

алгоритм…

точность…

максимальное число итераций

начальные условия…

Пользователь: (указывает параметры, после чего дает директиву на выполнение расчета: «Данные введены, выполнить режим»)

и т.д.

Информационное обеспечение САПР состоит из двух частей, которые включают в себя:

- сведения о типовых элементах РЭА и их параметрах, типовых материалах, типовых фрагментах электронных схем;

- способы, алгоритмы и программы, которые предназначены для упорядоченной записи, хранения, перемещения данных и их извлечения.

Первая часть понятна и особого обсуждения не требует.

Со второй частью информационного обеспечения связаны три важных понятия: база данных (БД), система управления базой данных (СУБД) и банк данных.

База данных – это совокупность массивов данных, организованных таким образом, чтобы обеспечить быстрый и удобный поиск любых данных по запросу или их перемещение и кодировку. Например, телефонный справочник с адресами абонентов в г. Москва.

Система управления базой данных (СУБД) – это совокупность языковых средств и программ, предназначенных для поиска нужных данных, их перемещения независимо от прикладных программ разных пользователей. Например, студенты нашего факультета разработали учебные версии баз данных «Цифровые БИС и СБИС», которая установлена в кафедральном дисплейном классе и работает под СУБД «Fox pro», а также “Современные АЦП и ЦАП” и “Современные интегральные операционные усилители напряжения и тока” (последние работают под СУБД “Access”).

В совокупности БД и СУБД образуют банк данных.

Программное обеспечение. В программное обеспечение входят тексты программ и документы, необходимые для их эксплуатации: инструкции для пользователя, текстовые программы для диагностики ошибок и сбоев и др. Сюда входят операционные системы, а также предметные программы. Примеры предметных программ САПР для схемотехнического проектирования: программы составления математических моделей радиотехнических устройств (РТУ), программы расчета переходных процессов и частотных характеристик, моделирования логических и цифровых схем и т.п.

Поскольку программное обеспечение занимает одно из центральных мест, то часто систему автоматизированного проектирования (САПР) называют еще пакетом прикладных программ.

Наконец, дадим краткую характеристику последним трем видам обеспечения: техническому, организационному и методическому, которые имеют очевидное содержание.

Техническое обеспечение. В состав технического обеспечения САПР входят компьютеры (в том числе специализированные – рабочие станции и серверы) и периферийное вспомогательное оборудование, которое обеспечивает удобство взаимодействия проектировщика и САПР. К числу периферийных средств относятся: устройства графического ввода, сканеры, принтеры, плоттеры (графопостроители).

Организационное обеспечение САПР – это совокупность правил, инструкций и документов, регламентирующих состав групп обслуживания САПР, их обязанности и взаимоотношения.

Методическое обеспечение САПР – это описания программ, баз данных, языков проектирования и различные инструкции по использованию всех видов обеспечения САПР.

Подчеркнем, что при дальнейшем изложении материала мы ограничимся рассмотрением вопросов, связанных с применением систем автоматизированного схемотехнического проектирования, причем, главным образом, для моделирования аналоговых, аналого-дискретных и аналого-цифровых устройств.

1 2 3 4

	Конспект лекций по дисциплине «Научные основы производства продуктов питания» Конспект лекций по дисциплине «Научные основы производства продуктов питания» для студентов кафедры «Технология и организация общественного...		Конспект лекций по дисциплине для специальности 080101. 65 «Экономическая безопасность» Информационные системы в экономике: конспект лекций по дисциплине для обучающихся по специальности 080101. 65 «Экономическая безопасность»...
	Конспект лекций по дисциплине вгипу, 2009 Конспект лекций по дисциплине... Учебное пособие предназначено для студентов различных специальностей, изучающих дисциплину “Автоматизированные системы управления...		Методическое пособие по выполнению лабораторных работ по дисциплине... Изыскания и основы проектирования, автомобильных дорог. Методическое пособие по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Основы...
	Конспект-лекций основы социальной работы 44. 05. 01 «Педагогика и... Мельников С. В. Основы социальной работы: Конспект-лекций по специальности 44. 05. 01 «Педагогика и психология девиантного поведения»...		Конспект лекций Ш 39 Метрология, стандартизация, сертификация: Конспект лекций / О. А. Шейфель; Кемеровский технологический институт пищевой промышленности....
	Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 080110... Налоги и налогообложение: Конспект лекций / Составитель Н. А. Леончик. – Кемерово, 2006. – 80 с		Технические средства автоматизации конспект лекций Конспект лекций предназначен для студентов дневной, вечерней, заочной и дистанционной форм обучения по специальности 220301 «Автоматизация...
	Конспект лекций, составленный в соответствии с Государственным образовательным... Судебная медицина, предмет, содержание, система методов. Организационные и процессуальные основы судебно-медицинской экспертизы		Конспект лекций Владимир 2010 Министерство образования Российской... Автоматизированные системы бухгалтерского и управленческого учета. Часть 1: Конспект лекций / Владим гос ун-т; Сост.: Д. Н. Васильев...
	Конспект лекций лаконично раскрывает содержание и структуру учебной... Безопасность жизнедеятельности : конспект лекций для студентов очной и заочной форм обучения / сост. В. М. Домашко; Южный федеральный...		Конспект лекций по учебной дисциплине защита информации Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования
	Конспект лекций по дисциплине «экономика татарстана» Принята на заседании кафедры экономико-математического моделирования Института управления, экономики и финансов		Конспект лекций профессионального модуля пм. 02 Разработка и администрирование баз данных Тема 3 Основы разработки клиент-серверных приложений для работы в компьютерной сети
	Конспект лекций по дисциплине «Коммерческая деятельность на воздушном транспорте» Тема Рыночно-конъюнктурные исследования в коммерческой деятельности аэро- портов и авиакомпаний		Техническое задание по теме ниокр «Создание системы автоматизированного... Уровень автоматизации процесса проектирования молниезащиты весьма низкий, цикл проектирования основывается на применении разрозненных...

Конспект первых лекций по дисциплине “ основы автоматизированного схемотехнического проектирования

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОНЯТИЯ

Похожие: