Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України
Запорізька державна інженерна академія
О.В. Василенко
Моделювання в електроніці
Методичні вказівки до лабораторних робіт,
самостійної роботи та підготовки до модульного контролю
для студентів ЗДІА
спеціальності 6.050802 “Електронні пристрої та системи”
Запоріжжя
2012
Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України
Запорізька державна інженерна академія
Моделювання в електроніці
для студентів ЗДІА
спеціальності 5.050802 “Електронні пристрої та системи”
Рекомендовано до видання
на засіданні кафедри ЕС,
протокол № 8 від 05.12.2011 р.
Моделювання в електроніці. Методичні вказівки до лабораторних робіт, самостійної роботи та підготовки до модульного контролю для студентів ЗДІА спеціальності 6.050802 “Електронні пристрої та системи” / Укл.: О.В. Василенко, – Запоріжжя, 2012. – 84 с.
Методичні вказівки призначені для студентів спеціальності 6.050802 “Електронні пристрої та системи”, містять відомості про план та зміст дисципліни, основні теоретичні відомості до кожної лабораторної роботи, перелік контрольних питань, питання до модульного контролю та теми для самостійної роботи.
Укладач: О.В. Василенко, доцент
Відповідальний за випуск : зав. кафедрою ЕС
доцент Д.Г. Алексієвський
ЗМІСТ
ВСТУП 4
1.ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1 6
Дослідження інтерфейсів та можливостей постпроцесорів ECAD.
2.ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2 10
Моделі пасивних елементів та трансформаторів
3.ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3 15
Розгалужувачі струму і напруги. Закони Кірхгофа.
4.ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4 18
Фільтруючі ланцюги. Кола інтегрування та диференціювання.
5.ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5 23
Моделі діодів. Аналіз випрямляча із фільтром.
6.ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №6 29
Моделі біполярного транзистора та макромодель тиристора.
7.ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №7 33
Аналіз статичного режиму підсилювачів на транзисторах.
8.ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №8 37
Моделі польових транзисторів.
9.ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №9 40
Аналіз перехідних характеристик ключів на МОНТ при різних видах навантаження.
10.ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №10 43
Моделі операційних підсилювачів.
11.ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №11 45
Аналіз частотних характеристик схем на операційних підсилювачах. Визначення спектру сигналу.
12.ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №12. 52
Дослідження функцій схеми при випадковому розкиді параметрів моделі компонента за методом Монте-Карло.
13.ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №13. 56
Дослідження функцій схем при варіації параметрів компонентів. Методика параметричної оптимізації.
14.ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №14. 59
Аналіз аналогово-цифрових схем в МС.
15.ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №15. 64
Синтез та аналіз цифрових пристроїв в середовищі EWB.
СПИСОК рекомендованої ЛІТЕРАТУРИ 67
ДОДАТОК А 68
ДОДАТОК Б 69
ДОДАТОК В 70
ДОДАТОК Д 71
ДОДАТОК Е 72
ДОДАТОК Є 74
ДОДАТОК Ж 82
ДОДАТОК З 84
ВСТУП
Дисципліна “Моделювання в електроніці” є основою вивчення математичного забезпечення автоматизованого проектування пристроїв електронної техніки: моделей та макромоделей елементів та пристроїв електроніки, методів формування і розв’язання математичних моделей схем, видів одно- та багатоваріантного аналізу схем в середовищі програм ECAD.
Навчальний матеріал представлено шістьма модулями, впродовж яких проводиться проміжний, а по закінченню - модульний контролі знань (для денного відділення наприкінці 11 напівсеместру — у вигляді заліку, 12 напівсеместру — у вигляді іспиту; для заочного відділення наприкінці 12 напівсеместру — у вигляді іспиту), що передбачає захист індивідуальних контрольних (аудиторних та домашніх) та звітів з лабораторного практикуму.
Структура курсу наступна:
Модуль 1 - Моделі дискретних приладів
Тема 1. Вступний контроль. Рівні моделювання електронних пристроїв.
Тема 2. Моделі пасивних елементів та основні закони.
Тема 3. Моделі біполярних елементів електронних пристроїв.
Тема 4. Моделі польових та гібридних приладів.
Модуль 2 - Макромоделі приладів та пристроїв
Тема 5. Поняття та використання макромоделей.
Тема 6. Макромоделі трансформатора, лінії затримки, потужних та гібридних активних приладів.
Тема 7. Макромоделі аналогових ІМС.
Тема 8. Макромоделі ІМС цифрових пристроїв.
Модуль 3 — Методи аналізу
Тема 9. Особливості аналізу нелінійних схем.
Тема 10. Топологія кіл. Матричні методи аналізу.
Тема 11. Методи однорідного координатного базису.
Тема 12. Методи неоднорідного координатного базису.
Модуль 4 — Алгоритми моделювання
Тема 13. Етапи моделювання в ЕСAD.
Тема 14. Аналоговий алгоритм моделювання.
Тема 15. Аналіз функцій електронних схем.
Тема 16. Підвищення ефективності моделювання в ECAD.
Модуль 5 – Синтез, аналіз і оптимізація в ECAD
Тема 17. Автоматизований синтез електронних пристроїв.
Тема 18. Одноваріантний аналіз електронних схем.
Тема 19. Багатоваріантні види аналізу електронних схем.
Тема 20. Параметрична оптимізація.
Модуль 6 — Моделювання на макрорівні та системи наскрізного проектування.
Тема 21. Класифікація систем та підходів для їхнього моделювання.
Тема 22. Наскрізне проектування та системи віртуального виробництва.
Тема 23. Моделі пристроїв не електричної природи в CAD.
Тема 24. Заключна.
Обсяг годин:
Обсяги навчальної роботи за формами навчальних занять |
Форма навчання (семестр, н/семестр) |
|
|
Денна (VІ сем) |
Заочна (VІ сем) |
||
Загальний обсяг: годин / кредитів |
216/6 |
216/6 |
|
У тому числі: обсяг аудиторних занять, год.: |
96 |
18 |
|
3 них: - лекції |
48 |
12 |
|
- практичні заняття |
16 |
- |
|
- лабораторні заняття |
32 |
6 |
|
У тому числі :обсяг самостійної роботи, год.: |
120 |
198 |
|
- підготовки до аудиторних занять |
20 |
20 |
|
- опрацювання розділів, які не висвітлюються на лекціях |
20 |
38 |
|
- виконання індивідуальних завдань (ДКР) |
20 |
40 |
|
- підготовки до модульного) та підсумкового контролю |
60 |
100 |
|
Форми і термін проведення (№ тижня) модульного контролю: |
АКР(1,2):3,8 тижні 11н/с; АКР(3,4): 3, 8 тижні 12н/с; РГР1: 6 тижд. 11н/с; РГР2: 6 тижд.12н/с.
|
РГР: 6 тижд.12н/с.
|
|
Форми підсумкового контролю (№ семестру) |
ПК(11н/с)- залік ПК(12н/с)-оцінка |
ПК (12н/с)-оцінка |
|
Призначення даного навчально-методичного посібника: допомога студентам при виконанні лабораторних робіт, проведенні практичних занять, для самостійної роботи та підготовки до модульного контролю.
Мета лабораторних робіт курсу: дослідження методик моделювання електронних пристроїв в ECAD на основі дослідження моделей елементів та видів аналізу в ECAD.
Мета практичних занять: дослідження методів формування математичних моделей схем (ММС) та алгоритмів розв’язання отриманих рівнянь ММС. За результатами вивчення дисципліни студенти повинні:
знати:
інтерфейси та можливості ECAD, моделі і макромоделі основних приладів та пристроїв аналогової і цифрової електроніки, способи отримання математичних моделей схем у компактній формі; методи та види аналізу в сучасних програмах ECAD; етапи формування та розв’язання рівнянь математичних моделей схем; особливості аналізу та оптимізації електронних схем.
вміти:
проводити всебічний аналіз електромагнітних процесів в пристроях промислової електроніки; по аналізованих функціях схеми визначати вторинні параметри, давати напрямки параметричної оптимізації пристрою.
Дисципліна базується на знаннях, отриманих студентами при вивченні курсів: „Теорія електричних і електронних кіл“, „Аналогова схемотехніка“, „Твердотіла електроніка“, і являє собою базу для таких дисциплін навчального циклу, як „САПР“, „Моделювання електронних систем”, інших дисциплін спеціалізації, курсового та дипломного проектування.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1
Тема: Дослідження інтерфейсів та можливостей постпроцесорів ECAD.
Мета: Отримання навичок виконання та обробки результатів аналізу в середовищі програм автоматизованого моделювання / проектування класу ECAD.
1.1 Основні теоретичні відомості
1.1.1 Структура ECAD
Серед сучасних програмних комплексів, призначених для аналізу електронних пристроїв, можна виділити програми проектування та програми моделювання. Схема типової ECAD-системи показана на рисунку 1.1. Блоки, які можуть бути відсутніми у програмах моделювання, позначені пунктиром.
Рисунок 1.1 – Типова структура ECAD
Програми проектування (PCAD, OrCad, PROTEUS та ін.) [1-3] дозволяють провести наскрізний цикл проектування, починаючи від введення проекту у вигляді багатосторінкових принципових схем до передвиробничої підготовки друкованих плат. При цьому виконується цифро-аналогове моделювання пристрою, розробка топології, передача інформації в системи 3D-проектування, підготовка технологічних файлів і конструкторської документації. Такі програми призначені для проектування в області радіоелектроніки, автоматики, вимірювальної техніки, електротехніки та ін.
Програми моделювання призначені для схемотехнічного і функціонального моделювання електронних пристроїв. Наприклад, MicroCap дозволяє аналізувати аналогові і цифрові прилади, створювати нові макромоделі, що полегшує моделювання без втрати важливої інформації про поведінку системи.
1.1.2 Види аналізу в ECAD
Вибір виду аналізу визначається класом моделюємого пристрою та функціями схеми, по яких схема має бути оптимізована. Доступні види аналізу в програмі МС9 наведені на рисунку 1.2.
Рисунок 1.2 – Доступні види аналізу в програмі МС9
Перед аналізом необхідно визначити в редакторі SVE [2], або шляхом розрахунку режиму по постійному струму початкові умови: потенціали аналогових вузлів, струми індуктивностей та логічний стан цифрових вузлів, інакше вони будуть обнулені автоматично.
Одноваріантний аналіз дозволяє проаналізувати функції схеми при номінальних значеннях внутрішніх та зовнішніх параметрів. Таким чином, номінали компонентів, значення параметрів моделі, температура та інші параметри залишаються незмінними впродовж всього сеансу моделювання (для непараметричних схем).
До основних одноваріантних видів аналізу відносяться:
розрахунок перехідних процесів – Transient;
розрахунок частотних характеристик –AC;
розрахунок передатних функцій по постійному струму – DC.
Аналіз перехідних процесів в ECAD є найскладнішим в плані використаного математичного забезпечення, до якого висуваються найжорсткіші вимоги щодо збіжності та стійкості. Розрахунок ведеться із автоматично вибраним шагом, мінімальне значення якого визначається припустимою відносною похибкою RELTOL. У вікні Global Setting RELTOL звичайно = 10-3. Якщо максимальний шаг не задано, він обирається [2, 3]:
hmax=(Тmax – Tmin) / 100.
Перед аналізом перехідних процесів автоматично розраховується статичний режим схеми, якщо початкові умови були обнулені. При аналізі формується система нелінійних алгебро-диференційних рівнянь, які алгебраїзуються методами високого порядку та лінеаризуються методом Ньютона. Для рішення отриманої СЛАР використовують метод LU- перетворення (LU-факторизації, або Краута, модифікація методу Гауса).
Алгоритм розв’язання вихідних систем ММС в залежності від виду аналізу показано на рисунку 1.3.
Спектральний аналіз виконується після розрахунку перехідних характеристик швидким перетворенням Фур’є із розрахунком коефіцієнта нелінійних спотворень (в EWB).
Рисунок 1.3 - Алгоритм формування та розв’язання систем математичних моделей схем в залежності від виду аналізу в ЕCAD
Багатоваріантні види аналізу призначені для визначення області безпечних режимів та допусків, служать для локальної параметричної оптимізації пристроїв електроніки. Вони можуть бути з детермінованим, або випадковим кроком зміни внутрішніх (W) / зовнішніх (Q) / вхідних (X) параметрів (див. рисунок 1.4). В принципі, розрахунок передаточних характеристик по постійному струму можна віднести до багатоваріантних видів. Сутність багатоваріантних видів аналізу полягає в багаторазовому розрахунку пристроїв одноваріантними видами.
Параметри оточуючого середовища (зовнішні, Q)
Вхідні (X) Внутрішні (W) Вихідні (Y)
параметри параметри параметри
Y=F(W,X,Q)
Рисунок 1.4 – Модель системи – «білий ящик»: схема та функціонал
Розрахунок сімейства функцій схеми при різних значеннях параметру (значення параметра моделі компонента) називається варіацією параметру (Stepping/Sweep). Шаг варіації, початкове, та кінцеве значення обирається користувачем. В якості варіюємого параметру може бути температура, для цього використовують теплові моделі компонентів. Види аналізу із використанням статистичних випробувань – аналіз чутливості, аналіз за методом Монте – Карло (Monte Carlo) та на найгірший випадок (Worst Case). Для розрахунку чутливості та найгіршого випадку використовуються результати аналізу Монте – Карло, які теж пов’язані один із іншим. Усі види варіації та статистичних випробувань доступні у будь якому виді одноваріантного аналізу.
1.1.3 Основні функції постпроцесора
Всі сучасні програми ECAD мають потужні постпроцесори для обробки отриманих результатів: побудови методом лінійної інтерполяції графіків, виділення, панорамування, обробки та допоміжних обчислень над отриманими графіками. Всі можливості постпроцесора доступні при аналізі перехідних процесів, контекстне меню, що активується у вікні завдання функції для аналізу. На рисунку 1.4 показано меню постпроцесора в МС9.
Рисунок 1.4 – Меню постпроцесора в МС9