21. Рівні та задачі проектування електронних пристроїв от.

Проектирование –разработка технической документации, позволяющей изготовить заданное устройство с заданными функциями для работы в заданных условиях.

Стратегия проектирования – функциональная декомпозиция.

Параметры элементов, из которых состоит проектируемое уст­ройство, будем называть внутренними, параметры устройства, по которым оценивается его качество, — выходными, параметры действующих на устройство внешних информационных сигналов — входными, а параметры окружающей среды — внешними.

При декомпозиции функция F разбивается на более простые функции F1, F2,… ,Fк, между которыми должны быть установлены определенные связи, соответствующие принятому алгоритму реализации функции F.

В результате разбиения в конечном счете получается структура.

Переход от функции к структуре – синтез.

Процесс проектирования – многошаговый и итерационный с возвратом назад и пересмотром ранее принятых решений.

Проектная процедура – формализованная совокупность действий, выполнение которых оканчиваются принятием проектного решения.

Проектное решение – промежуточное или окончательное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для дальнейшего продолжения или окончания проектирования.

Проектная операция - формализованное действие, составляющее часть проектной процедуры, алгоритм которой остается неизменным для ряда других проектных процедур

САПР - это сложная программно-информационно-аппаратная человеко-машинная система, построенная по иерархическому принципу, так что каждый уровень иерархии отражает определенный уровень проектирования

Уровни и задачи проектирования

Определенным уровням декомпозиции функционального описания аппаратуры соответствуют определенные уровни ее сложности. Самый верхний уровень сложности аппаратуры – система, та состоит из устройств, устройства – из функциональных узлов, а узлы – из электрорадиоизделий ЭРИ (транзисторов, резисторов, трансформаторов, микросхем и т.д.).. Функциональный узел отличается от устройства тем, что не имеет самостоятельного эксплуатационного применения. Так , ЭВМ – это система, блок питания, микропроцессор, память – устройства, генератор синхроимпульсов, регистры - функциональные узлы. Это деление достаточно условно. Например, микросхема относится к компонентному уровню, хотя по своей внутренней сложности может быть отнесена к узлу или устройству.

Традиционно процесс проектирования в соответствии с уровнями сложности аппаратуры разбивается на следующие уровни:

-системный,

-функциональный,

-схемотехнический,

-конструкторско-технологический.

На каждом из этих уровней используются свои понятия, свой математический аппарат, свои типовые компоненты и решения (см. табл.)

Таблица. Уровни проектирования и их математическое обеспечение

Уровень слож- ности РЭА	Уровень про- ектирования	Подуровни проект-я	Математический аппарат	Модели
Вычислит-ые системы, комплексы, сети,…	Системный, (структурный)	Системный, структурный	Системный анализ, исслед-е операций, теория СМО, статистич-ий анализ	Имитационные
Функц-ные устройства (МП, ЗУ, передатчики, счетчики, регистры,…)	Функциональ-ный	Регистровых передач, логический, макромоде-льный	Теория цифровых автоматов, алгебра логики, теория САР, САУ, спектральный анализ	Информацион- ные, макромодели
Триггеры, логические элементы, генераторы, усилители,…	Схемотехни- ческий	макромоде-льный, элементный	Теория электри-ческих цепей, численные мето-ды решения ОДУ	Эквивалентные электрические схемы
Шкафы, панели, Платы, модули, ….	Конструктор-ско-технологи-ческий	Компоновка размещение трассировка технологический	Теория графов	Графовые

На системном (структурном) уровне проектирования определяется архитектура, состав компонентов и информационные связи между ними, основные характеристики будущей системы(производительность, точность, надежность и т.д.), выбирается элементная база для ее построения, принимаются решения о разделении функций между программной и аппаратной или между аналоговой и цифровой частями системы. Это самый сложный, трудно формализуемый уровень проектирования, во много зависящий от опыта, знаний и интуиции разработчика.

На уровне функционального проектирования определяются алгоритмы функционирования аппаратных и программных компонентов системы, определяется выдача (получение) заданной последовательности выходных сигналов и временных соотношений между ними на основе знаний приближенной или идеализированной формы входных и внутренних сигналов.

На схемотехническом уровне разрабатываются принципиальные электрические схемы, программы, подготавливаются тестовые и контрольные данные, прорабатывается форма сигналов для отдельных электронных узлов и устройств, уточняются внутренние и выходные их параметры.

На конструкторско-технологическом уровне производится привязка электрической схемы к конструктивным элементам и технологическим процессам производства. На этом этапе решаются задачи компоновки, и размещения элементов и узлов, осуществления печатных и проводных соединений, а также задачи теплоотвода, защиты от внешних воздействий и т.п., разрабатываются технологические процессы изготовления отдельных блоков и системы в целом.

На каждом уровне про­ектирования в той или иной степени решаются задачи расчета, анализа, оптимиза­ции и синтеза. Эти задачи называются проектными процедурами и имеют следующее содержание.

Расчет — определение выходных параметров и характеристик устройства при неизменных значениях его внутренних парамет­ров и постоянной структуре.

Анализ — определение изменения выходных параметров и ха­рактеристик устройства в зависимости от изменения его внутрен­них и входных параметров. В случае применения ЭВМ задача расчета часто называется одновариантным анализом, а задача анализа — многовариантным анализом.

Оптимизация — определение наилучших в том или ином смыс­ле значений выходных параметров и характеристик путем целе­направленного изменения внутренних параметров устройства (при параметрической оптимизации) или структуры устройства (при структурной оптимизации). Внутренние параметры, за счет изме­нения которых выполняется параметрическая оптимизация, назы­ваются варьируемыми. Способ изменения варьируемых парамет­ров определяется конкретным алгоритмом оптимизации. В качест­ве варьируемых следует выбирать управляемые внутренние параметры, значение которых легко изменять и контролировать в процессе производства.

Наиболее сложными являются задачи параметрического и структурного синтеза. В общем случае синтезом называется гене­рация исходного варианта устройства, включая его структуру (структурный синтез) и значения внутренних параметров (пара­метрический синтез).

Генерация может выполняться различными способами:

- выбором из уже известных устройств, готовых решений (чаще),

- построением на основе теоретических соотношений,

- путем изобретательства, использования опыта и интуиции разработчика и др.

Полученное в результате синтеза устройство не обязательно должно быть наилучшим, но обязательно работоспособным. Если же полученное устройство — наилучшее в каком-либо смысле, то такой синтез называется оптимальным. Однако процедуры опти­мального синтеза разработаны лишь для узкого класса устройств, преимущественно линейного типа, например, линейных схем с за­данной структурой или линейных систем автоматического управ­ления. В большинстве случаев устройство, полученное в резуль­тате синтеза, даже оптимального, требует доработки, чтобы удов­летворить многочисленным требованиям, учесть которые на ста­дии синтеза невозможно из-за их многообразия и сложности.

Вследствие этого процесс проектирования практически всегда включает наряду с синтезом решение всех перечисленных выше задач, как показано на рис. 1.1, где цепочка блоков 2-3-4-5-6-2 соответствует циклу параметрической оптимизации, а цепочка блоков 2-8-4-5-7-8 — циклу структурной оптимизации, например, введением дополнительных положительных или отрицательных обратных связей.

Рисунок 1.1 – Типовая схема отдельного уровня проектирования.