Основы КомПМ РЭС - Слайды

Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭСС

ОПОРНЫЕ ЛИСТЫ-СЛАЙДЫ КУРСА «ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ» (Основы КомПМ РЭС)

Снурницин В.Р., НГТУ	Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС	Слайд 1

Введение

Семейство радиотехнических систем, комплексов, функциональных устройств и компонентов именуется как радиоэлектронные средства (РЭС). Общим свойством данного семейства технических устройств является использование радиоволн для передачи информации.

Процесс проектирования РЭС разбивается на следующие этапы:

1.Системотехнический этап – функциональная и объектная декомпозиция РЭС.

2.Схемотехнический этап – разработка и реализация функциональных блоков РЭС.

3.Этап конструирования – компоновка и размещения блоков РЭС.

4.Этап технологической подготовки производства – изготовление и контроль блоков и всей системы в целом.

Данный курс относится к автоматизации этапа схемотехнического проектирования, на котором создается функциональный образ устройства на ЭВМ в виде математической модели. Если существует математическая модель проектируемого технического устройства, то это дает возможность рассчитать, оптимизировать и испытать его функциональную модель на ЭВМ в режиме нормального функционирования до реализации в натуре.

Снурницин В.Р., НГТУ	Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС	Слайд 2

Структура ППП схемотехнического проектирроовваанниияя рраа-- диотехнических устройств

ППП есть совокупность программ, совместимых по структуре машинного представления данных, алгоритмам и способам управления.

Структура ППП схемотехнического проектирования:

1.Предметное наполнение – теория линейных и нелинейных радиотехнических цепей и устройств, состоящая из теории компонент – элементарных преобразователей и генераторов сигналов и теории соединений компонент, представляющей функциональные радиотехнические устройства: генераторы и преобразователи сигналов.

2.Входные языки заданий – реализация общения пользователя с пакетом: стандарты текстовых и графических форматов ввода схем и исходных данных, а так же выбор переменных, функций и процедур.

3.Системное наполнение – независимая от функционального наполнения часть ППП, которая связана с управлением вычислительным процессом (планировщик, компилятор, монитор и др.). Современные схемотехнические ППП с точки зрения системного наполнения стандартизованы и представляют собой приложения операционной системы

Windows.

Снурницин В.Р., НГТУ	Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС	Слайд 3

Этапы машинного проектирования сххеемм

В общем случае работа в программной среде схемотехнического проектирования включает в себя следующие этапы:

•Ввод схемы и атрибутов компонент с помощью входных языков: графического (черчение) или текстового языка описания схем (например, в формате PSPICE ).

•Выбор процедуры – метода анализа, оптимизации, анализа чувствительности, шумов и др.

•Задание выходных характеристик схемы с помощью имеющихся графических и текстовых средств ввода.

•Сохранение результатов работы программы в текстовом и графическом форматах.

Очевидно, что технология, методы и процедуры машинного проектирования радиотехнических устройств доступны пользователям, удовлетворяющим «гипотезе компетентности» в радиотехнике. Это означает, что пользователь должен понимать, как после ввода схемы машина автоматически составляет уравнения Кирхгофа и какими методами рассчитывает напряжения в узлах схемы. Далее компетентный в радиотехнике пользователь должен определить вид анализа и технические характеристики, которые необходимы для решения его задачи.

Снурницин В.Р., НГТУ	Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС	Слайд 4

Модели основных пассивных компонентовв ссххеемм

В схемотехнике технологически неделимыми пассивными элементами схем – компонентами являются резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности. Для схемотехники не важно, из чего они сделаны, важно, что они делают.

	Элементы	Резисторы	Конденсаторы	Катушки
	Характеристики	Вольтамперная	Кулонвольтная	Веберамперная
	Линейные	v(t) =r · i(t)	q = C · u	ф = L i
			i(t) = dq/dt = C·du/dt	v(t)= dф/dt = L·di/dt
	преобразования	i(t) = g · v(t)
			v(t) = v0 + i(t)dt	i(t) = i0 + ф(t)dt
	Нелинейные	v(t) = fr(i(t))	i (t)= dq(u)/dt	v(t) =dф(i)/dt
	преобразования

Замечание. Реакция в момент времени ti у резисторов зависит от воздействия в этот же момент времени ti , а у конденсаторов и у катушек индуктивностей зависит от воздействия на временных интервалах dt. По этой причине резисторы называют безынерционными элементами, а конденсаторы и катушки индуктивности – инерционными элементами.

Снурницин В.Р., НГТУ	Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС	Слайд 5

Модели источников и активных компонентт ссххеемм

Независимые и зависимые источники моделируют прямое (например, батарейка или внешний генератор гармонических колебаний) и управляемое (например, транзистором) внесение энергии в схему. Введение этих элементов позволяет составлять уравнения Кирхгофа на схемном уровне.

Для активных компонентов схем (транзисторов, ламп и других приборов) используются математические модели двух видов: физические, основанные на физических закономерностях и формальные, основанные описании функций, которые может выполнять прибор. В радиотехнике формальные модели представляются двухполюсниками, четырехполюсниками и многополюсниками.

Физические модели необходимы и используются в технологии производства элементов, а формальные модели достаточны для разработки схем радиотехнических устройств из готовых элементов.

Между физическими и формальными моделями существует связь, и она используется. Именно в формальных моделях характеристики схемотехнических элементов часто выражаются физическими закономерностями.

Во всех программах схемотехнического проектирования имеется база данных физических нелинейных моделей активных приборов.

Снурницин В.Р., НГТУ	Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС	Слайд 6

Машинные методы формирования уравненийй ссххеемм ((11))

Радиотехнические схемы на сосредоточенных элементах образуются соединением R, L, C компонентов и источников тока или напряжения.

Самым простым и самым распространенным способом формирования уравнений схем является способ по методу узловых потенциалов. Пусть двухполюсник с проводимостью Y подключен к узлам 1 и 2. К этим же узлам подключен источник тока J и, возможно, другие двухполюсники. Уравнения Кирхгофа (ЗКТ – законы Кирхгофа для токов) для узлов 1 и 2 будут иметь следующий вид:

Узел 1: +IY …+J … = 0 Узел 2: –iY … –J … = 0

Выражая токи через узловые потенциалы (V1 – V2) для каждого двухполюсника, подключенного между узлами 1 и 2, получим уравнения следующего вида:

Узел 1:	Y1	* V1	+ Y1 * V2	+ … –J = 0	или	Y1	* V1	– Y1 * V2 + … = J
Узел 2:	–Y1	* V1	+ Y1 * V2	+ …+J = 0	или	–Y1	* V1	+ Y1 * V2 + …= –J

Снурницин В.Р., НГТУ	Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС	Слайд 7

Машинные методы формирования уравненийй ссххеемм ((22))

Перебирая все элементы схемы подобным образом, можно составить матрицу проводимости схемы и получить систему узловых уравнений в матричной форме

[Y]V =J,

где матрица Y – матрица узловых проводимостей. Решение данной системы уравнений определяет узловые напряжения схемы.

Информацию, необходимую для машинного формирования уравнений схем можно представить в виде согласованных (по порядковым номерам двухполюсников) массивов, где для каждого элемента указываются первой буквой имени тип (R, L, C), узлы подключения (их порядок определяет выбранные направления для токов), номинал. В программе тип элемента определяет формулы для расчета проводимостей (1/R, jwC, 1/jwL). Этот способ описания схем стандартизован (форматом PSPISE) и используется во всех программах схемотехнического проектирования для ввода схем. При графическом вводе схемы автоматически создается файл описания схемы в формате PSPISE.

Снурницин В.Р., НГТУ	Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС	Слайд 8

Режимы работы радиотехнических компооннееннтт

Пусть x – входная переменная, y – выходная переменная компонентного уравнения y = f(x), которое запишем в виде разложения в ряд Тейлора в окрестности (рабочей) точки x0

f = f (x +	x) − f (x ) =	df (x	)	x +	d 2 f (x	)	x2	+	d 3 f (x )	x3 +...
		0			0				0
0	0	dx			2!dx2				3!dx3

Всегда можно взять входное воздействие столь малым, что будет справедливо линейное приближение

f = dfdx(x0 ) x ,

которое выражает работу устройств передачи сигналов в режиме малого сигнала. Приближения Тейлора высшими степенями дают возможность моделировать слабо нелинейные режимы работы радиотехнических компонентов. Представления нелинейных режимов работы компонент при больших сигналах разложением Тейлора требуют очень большого количества членов. Поэтому для аппроксимации таких характеристик используются другие способы приближений, сохраняющие определенные свойства преобразования f(x).

Снурницин В.Р., НГТУ	Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС	Слайд 9

=is (t)

Передаточные функции линейных устройссттвв ((11))

Пусть имеются компоненты: независимый генератор тока, емкость С и сопротивление R, определяемые соответствующими компонентными уравнениями. Параллельное соединение данных компонент определяется узловым уравнением Кирхгофа

1 v(t) +C dv(t) R dt

Решение этого неавтономного дифференциального уравнения при нулевых начальных условиях известно и для любого воздействия is(t) записывается в виде интеграла свертки

	v(t) = ∫0∞ h(τ)is (t −τ)dτ, где h(τ) =	1	exp(−	1	τ) .
		C		RC

Если в качестве воздействия взять импульс is(t) = δ(t), то реакция v(t) = ∫0∞ h(τ)δ(t −τ)dτ = h(t)

представляет собой передаточную характеристику h(t) во временной области, называемую импульсной характеристикой. Реакция на ступеньку is(t)=1(t) называется переходной характеристикой.

Снурницин В.Р., НГТУ	Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС	Слайд 10