“Компьютерные технологии в приборостроении” Лектор- Кузнецов Эдуард Васильевич
5 семестр- лекции 1 часа/нед
лабораторные занятия -2 часа/нед ,
8 семестр- лекции 0 часа/нед
лабораторные занятия -1 час/нед
Выписка из Государственного образовательного стандарта:
Код дисциплины- ОПДФ.09
Название -Компьютерные технологии в приборостроении
Научное содержание -Общие сведения о ЭВМ; операционные системы; программы-оболочки; работа с файлами; защита от компьютерного вируса; конфигурирование системы, основы языков программирования; программные среды конечного пользователя (текстовые процессоры, электронные таблицы, среды типа Matlab и т.п.); математические и моделирующие программы общего назначения; решение типовых расчетных задач; способы ввода экспериментальной информации в компьютер; программные средства управления экспериментом и обработки данных; среды типа LabView; программные средства оформления документов; использование сетевых технологий
Лекция №1
-
Введение.
Содержание и место компьютерных технологий следуют из анализа объектов отрасли Прибростроение
|
Сфера отрасли: |
Научные иссл. |
Проектирован. |
Производство |
|
Процессы: |
Постановка проблемы, Организация исслед., Выбор методов, Разработка теории, Разработка методов, Экспериментальные и аналитические исследов., Подготовка отчетов и публикаций, Внедрение результатов в проекты. |
Организация проектиров., Подготовка ТЗ, Патентный поиск, Эскизный проект, Макетирование, Экспериментальн. и аналитические исследование, Проектирование, Выпуск конструкторской документации, Внедрение прибора в производство |
Организация производства, Опытная партия, Испытания, Серийная партия, Управление производством, Внедрение и сбыт |
|
Вычислительный процесс: |
Содержание. |
Программы. |
|
Передача и обработка информации |
Передача сообщений, поиск научной и технической информации в сетях и базах данных, перевод с иностранных языков |
Internet и Intranet-программы поиска СУБД (SQL Server, Oracle, Access,) Prompt, Socrat |
|
Аналитические исследования |
Математические программы Специализированные пр-мы. |
Mathematica, MathCAD MatLab Excel Языки высокого уровня Delphi, Visual Basic, C++ |
|
Моделирование |
Схемотехническое моделирования, Моделирование механических напряжений Моделирование электромагнитных полей |
ElectronicsWorkBench, MicroCap, PSpice, Ansys, AutoCAD AnSys, специализированные программы на ЯВУ |
|
Конструирование |
Автоматизированное проектирование кристаллов и печатных плат, Подготовка чертежей |
Design Center AutoCAD, Pcad |
|
Экспериментальные исследования |
Автоматизация эксперимента, компьютерные измерения |
MatLab, LabView, специализированные программы |
|
Публикации |
Набор и обработка комплексных текстов с рисунками и формулами, Подготовка презентаций |
MS Word, Paint,CorelDraw, MSDraw, Visio MS PowerPoint, |
|
Системное ПО |
Обеспечение работы пользователей ПК с приложениями |
Windows, OS/2, Unix |
Синим курсивом выделены программы, которые изучались ранее в дисциплинах Информатика и Информационные технологии.
Красным курсивом выделены программы, которые будут изучаться в данной дисциплине.
Организация изучения дисциплины.
5 семестр -программы схемотехнического моделирования ElectronicsWorkBench, MicroCap, PSpice. Design Center
6 семестр -программы моделирования MatLab (Simulink), LabView
Еженедельные лекции, черезнедельные лабораторные занятия по ½ группы.
На лабораторных занятиях выполняются индивидуальные задания.
Литература.
Создание электротехнических и электронных устройств имеет стадии:
1.Маркетинг
2.Патентные исследования
3.Техническое задание
4.Эскизный проект
5.Конструкторский проект
6.Макетирование
7.Изготовление серии
8.Испытания и доводка.
9.Реализация
Анализ состояния и свойств цепи-ключевой инструмент в п.4,5,6.
Этапы анализа цепи :
1). Подготовка электрической схемы цепи
2). Постановка задачи анализа -выбор типа анализа (расчет режимов по постоянному току, расчет переходных процессов, расчет передаточных функций).
3). Составление схемы замещения с использованием моделей элементов
4). Составление системы уравнений состояния цепи и задание начальных условий
5). Выбор метода решений, подготовка программы расчетов
6). Выбор параметров вычислительного процесса и расчеты
7). Вывод и обработка результатов расчета.
8). Исследование результатов расчета. Подготовка отчета.
При анализе цепи с помощью программ схемотехнического моделирования автоматизируются этапы :
-1),6), -частично
-3), 4),5)-полностью
2. Моделирование электронных устройств с помощью программы Electronics Workbench (EWB версии 3-5).
Это самые простые программа схемотехнического моделирования, которые работают в среде Windows, и, соответственно, обладают небольшими возможностями в формировании параметров сопутствующего вычислительного процесса и типов выходной информации.
На рис. 1.1 приведен общий вид экрана EWB 3.0 после запуска программы wewba.exe для моделирования аналоговых электротнных цепей.
Верхняя строка -строка главного меню. Во второй строке располагаются пиктограммы электронных приборов, которые можно «захватить и перетащить мышкой» в окно для рисования схемы моделируемой цепи. В этой же строке справа располагается символ включателя для старта или прерывания процесса моделирования. Элементы схемы извлекаются аналогичным образом из окна Parts. Схемное окно и окно Parts имеют горизонтальную и вертикальную «линейки прокрутки» для вывода на экран различных фрагментов окон.
Программа представляет среди измерительных приборов (в строке по порядку слева-направо) мультиметр, генератор сигналов синусоидальной, треугольной или прямоугольной форм, двухканальный осциллоскоп для наблюдения формы сигналов во временной области, для построения параметрических вольт-вольтных зависимостей (типа: канал A -функция, канал B -аргумент или наоборот), плоттер для наблюдения частотных характеристик.
В окне Parts помещены условные графические обозначения наиболее применяемых элементов электронных цепей: источников постоянного и синусоидального токов и напряжений, резистора, конденсатора и индуктивной катушки, линейного трансформатора, диодов и транзисторов различных типов, операционного усилителя, электромагнитных реле, управляемых током, напряжением или клавишей компьютера, сигнальной лампы, предохранителя, вольтметра и амперметра постоянного и переменного тока, клеммы заземления, узловой клеммы для соединения до четырех проводов а так же зависимые источники тока и напряжения, управляемые током и напряжением. Этот список элементов можно пополнить путем создания собственных элементов (макромоделирование), используя вышеперечисленные стандартные элементы.
В алгоритме расчета схемы используются потенциалы узловых точек схемы, поэтому в схему необходимо обязательно включить “заземление”. Программа автоматически составляет и решает систему алгебраических уравнений (при расчетах по постоянному току или передаточных функций) или систему дифференциальных уравнений в форме Коши (при расчетах переходных процессов) на основе метода переменных состояния численными итерационными методами. Пользователем в программе устанавливаются некоторые параметры вычислений:
-точность вычислений (наибольшее относительное различие значений искомой функции в соседних итеративных циклах)
-количество расчетных точек при вычислении зависимостей)
Соединение элементов производят с помощью «проводов», которые рисуются следующим образом. Мышкой курсор устанавливают на полюс элемента, при этом полюс выделяется маленьким черным прямоугольником. Нажимают левую кнопку мышки и ведут линию до соединяемого полюса другого элемента (выделяется прямоугольником). Кнопку отпускают. Между элементами установится соединение. В сложной схеме полезно проверять качество соединения путем захвата и перемещения одного из элементов. Правильное соединение сохраняется при перемещении элемента.
Многие элементы имеют переменные параметры, которые вводятся в специальных окнах, вызываемых путем двойного щелчка мышкой после установки курсора на элемент схемы. Для редакции схемы имеются команды в разделе Edit.
На рис. 1.2 приведен пример моделирования стационарного режима усилительного каскада напряжения на биполярном транзисторе.
Входной сигнал подается от генератора сигналов, на котором установлены гармоническая форма выходного напряжения, амплитуда 5мВ, частота сигнала 1кГц. Канал A осциллоскопа присоединен ко входу усилителя, канал В присоединен к нагрузке усилителя-резистору сопротивлением 100кОм. Осциллограмма выходного напряжения (на экране -синусоида с большей амплитудой) позволяет убедиться, что усилительный каскад имеет сравнительно небольшие нелинейные искажения.
Программа EWB позволяет изготовить модель электронного устройства в виде многополюсника следующим образом. Моделируемый фрагмент схемы выделяют в бокс. Для этого курсор мышкой устанавливают в левый верхний угол фрагмента и нажимают левую кнопку мышки, затем, удерживая кнопку, курсор перемещают в правый нижний угол фрагмента (при этом на экране формируется прямоугольник-бокс). Выделение завершают отпусканием кнопки. Бокс исчезнет, но включенные в него прежде элементы высветятся красным. Таким образом в примере были выделены транзистор, оба конденсатора, резисторы, включенные в базовую и коллекторную ветви, источник постоянного напряжения.
Далее необходимо в разделе меню Circuit выбрать команду Subcircuit (Подсхема). Откроется дополнительное окно Subcircuit, в котором следует ввести имя нового элемента схемы (например, Usil) и “нажать” клавишу Replace in Circuit (Заменить в цепи). Окно Subcircuit закроется и откроется дополнительное окно Usil со схемой выделенного ранее фрагмента. На этой схеме автоматически обозначатся прямоугольничками полюсы для соединения фрагмента с другими частями схемы. Если закрыть окно Usil, то обнаружится видоизмененная схема (рис. 1.3), в которой выделенный ранее фрагмент заменен его макромоделью, обозначенной прямоугольником-многополюсником.
Новая схема с макромоделью эквивалентна по свойствам исходной схеме. Одновременно в конце списка в разделе Parts появится новый элемент Usil, который можно многократно использовать в составе других схем. Программа EWB позволяет получать частотные характеристики устройств. На рис. 1.4 приведена распечатка со схемой, в которую вместо осциллоскопа включен плоттер (Bode plotter).
Здесь плоттер-устройство, которое имеет генератор сигнала синусоидальной формы с постоянной амплитудой и переменной частотой, изменяющейся во времени по линейному закону в пределах, которые устанавливают в окнах Horisontal F (верхний предел-10.0 MHz) и I (нижний предел 0.2Hz). Этот сигнал снимают с полюсов плоттера IN и подают на вход усилителя. Сигнал с выхода усилителя подают на полюсы плоттера OUT. Значение коэффициента усиления каскада, как отношение амплитуд сигналов UOUT /UIN, можно получить в линейном или логарифмическом (dB-децибеллы) масштабах с помощью визира в виде крестика. Визир можно переместить кнопками на плоттере, обозначенными стрелками. Рядом с этими кнопками имеются окошки, в которых выводятся значения частоты и коэффициента усиления, соответствующие положению визира.
Для более подробного ознакомления предлагается рассмотреть демонстрационные примеры, помещенны в файлах:
RLC.ca3- переходный процесс в последовательном колебательном контуре при импульсном возбуждении;
V_TR.ca3- переходный процесс в усилительном каскаде;
V_AC.ca3- частотная характеристика усилительного каскада;
V_ACM.ca3- частотная характеристика макромодели усилительного каскада;
VA_DC.ca3, VA_DCM.ca3- вольтамперная характеристика диода
VT_TR.ca3 -выпрямитель
В составе программы EWB 3.0 имеется так же файл wewbd.exe, который позволяет моделировать цифровые электронные устройства.
Значительно совершеннее поздние версии EWB 4 и 5. Предоставляется возможность самостоятельно ознакомиться с этими программами.