Лекции / ЛЕКЦИЯ23_09

ПРОЕКТИРОВАНИЯ. МОДЕЛИ КОМПОНЕНТОВ

(Сост. Никонов А.В.)

Разработчики и исследователи в различных направлениях науки и техники ши-

роко применяют средства моделирования и имитаторы, способные отражать

формальную логику и логику с ошибками, представлять аналоговые и цифро-

вые устройства, участвовать в безошибочном проектировании крупных и слож-

ных систем. Разработчик получает в своё распоряжение большое количество - со

вершенных моделей, отражающих различные компоненты. Это привело к измене-

нию стиля проектирования.

Изначальные вопросы, решаемые при моделировании, – это получение (соз-

дание) всех вариантов и разновидностей объекта, причём на полученные модели не должно затрачиваться очень большое время(напр., несколько дней). Количество машинного времени и величина вычислительной мощности, необходимые для эф-

фективной работы систем моделирования, являются главными факторами, опреде-

ляющими целесообразность внедрения моделирования.

Составление модели, достоверно, но не избыточно отражающей объект, в

первую очередь позволяет минимизировать все сдерживающие факторы. По-

этому обучение по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника»,

в котором модель объекта является одной из важнейших инстанций проектирования,

требует ясного понимания механизма отображения объекта в модели.

При моделировании процесс функционирования системы представляется в виде определённого алгоритма, который и реализуется на ЭВМ. По результатам

реализации делаются выводы относительно исходного процесса.

Требования к моделированию следующие:

а) законы, которым подчиняется функционирование системы, должны быть известны;

б) при создании модели учитывают целевую функцию – ясное понимание то-

го, что же разработчик хочет узнать об объекте моделирования. Это определяет вы-

бор модели.

Так, в настоящее время для специалистов, занимающихся разработкой теле-

коммуникационных систем, необходимо моделировать не только аналоговую часть их систем, но и цифровые модули, причем в тесной взаимосвязи с аналоговыми.

Этапы построения модели следующие.

1 Формируются основные вопросы, отражающие поведение системы или

объекта.

2 Из всего множества законов учитывают лишь те, которые существенно проявляются при поиске ответов.

3 Если необходимо, формулируются определённые гипотезы о функциони-

ровании системы или подсистемы (объекта). Гипотезы, как и законы, выражаются в форме определённых математически соотношений.

4 Проводится исследование модели с помощью аналитических или вычисли-

тельных методов.

После составления систем уравнений, описывающих электрофизический процесс, и исследования математической моделиметодами теории алгебраиче-

ских, интегродифференциальных уравнений, необходимо установить возмож-

ность:

а) наличия единственного эффективного решения;

б) алгоритмизации задачи;

в) оптимизации вычислительного процесса.

На всех этапах моделирования должна действовать цепочка связей: расчёт

– экспериментальное подтверждение – новый расчёт.

Любая электрическая цепь и электронный компонент, в зависимости от ус-

ловий работы, должны рассматриваться как сложные системы.

Модель должна в достаточной степени отображать исследуемую сторону функционирования объекта. Любая математическая модель описывает реаль-

ный объект с некоторой степенью приближения.

Общий принцип по моделированию устройств отражает требования в рамках электрических и электронных изучаемых дисциплин: необходимо понимать физические процессы в объекте исследования; знать, какие элементы схемы или компонента и каким образом определяют характеристики объекта, уметь их предопределить, не прибегая к глубокому проектированию.

Можно привести примеры программных пакетов схемотехнического моделирования и проектирования.

APLAC – моделирование в том числе устройств диапазона сверхвысоких частот(СВЧ). Большой набор библиотек элементов аналоговых и цифровых систем связи. Расчёт трёхмерных электромагнитных полей микрополосковых конструкций. Возможность ввода результатов измерений и вывода управляющих сигналов в интер-

фейсе стандарта IEEE-488 (http://www.aplac.hut.fi/aplac).

DesignLab – кроме прочего, выполняет синтез устройств программируемой логики и аналоговых фильтров. Проводится синтез как устройств программируемой логики(PLD), так и перепрограммируемых логиче-

ских устройств (FPGA) (http://www.microsim.com).

Electronics WorkBench – при моделировании на экране изображаются измерительные приборы с органами управления, в ходе работы которых измеряются соответствующие параметры сигналов или характеристи-

ки электрических цепей (http://www.interactiv.com).

SystemView – позволяет строить и моделировать функциональные схемы с задаваемыми параметрами функциональных узлов и подключаемыми измерительными устройствами (http://www.elanix.com).

23.1Пакет МicroСАР и моделирование электрических цепей на постоянном

ипеременном токе

Начиная с пакета MicroCAP-5, – это программное средство используются для моделирования электрических схем (аналоговых, цифровых и смешанных), ра-

ботают под ОС Windows и под эмулятором wine в ОС Linux. Ниже даны сведения о

пакетах MCAP версий. 5.0–9.0.

Первый вариант пакета MicroCAP фирмы Spectrum Software появился в 1981 г.

По своим функциям, этот пакет, как минимум, обладает возможностями:

–графический ввод электрических принципиальных схем;

–расчёт режимов на постоянном токе, частотных характеристик, пере-

ходных характеристик (анализ во времени);

–расчёт шумов, спектров, вариация температуры;

–статистический анализ по методу Монте-Карло и расчёт наихудшего слу-

чая;

–применение функциональных зависимых источников;

–учёт задержек распространения сигналов в цифровых компонентах;

–наличие программы идентификации параметров моделей;

–возможность описания цифровых компонентов с помощью логических вы-

ражений.

– моделирование динамических систем, заданных и функциональными схе-

мами.

Ниже приведено описание моделей ряда часто используемых в практике

компонентов.

1 Источник синусоидального напряжения (Sine source)

Гармонический сигнал описывается выражением u(t) = Umsin(wt + j0) c указа-

нием смещения исходного (нулевого) значения сигнала относительно начала сис-

темы координат (рисунок 23.1).

Рисунок 23.1 – Представление гармонического сигнала в различных системах коор-

динат

Здесь Um – это амплитуда сигнала, т. е. максимальное отклонение от нулевой линии.

Круговая частота сигнала w и частота повторения (циклическая) f связаны

выражением w = 2pf.

Фазовый угол j выражается в радианах или градусах.

выражается в радианах в секунду, один полный цикл ко-

лебания (один период) содержит 2p радиан.

2 Источник импульсного напряжения (Pulse source)

Импульсный сигнал, согласно отечественному стандарту, имеет вид, пока-

занный на рисунке 23.3.

Рисунок 23.3 – Импульсный сигнал

Для оценки импульса используется ряд основных параметров:

–длительность импульса t: определяется по уровню 0,5Um;

–длительность фронта tф и длительность среза (спада) tС определяются по интервалу времени, соответствующему уровням импульса 0,1Um и 0,9Um.

Если минимальное мгновенное значение импульса не равно нулю, то для та-

кого сигнала дополнительно вводятся параметры:

– напряжение низкого значения (уровня) ul и напряжение высокого значе-

ния (уровня) uН.

При описании последовательности импульсовможет вводиться параметр

«скважность» Q, равный отношению периода следования импульсов к длитель-

ности импульса Q = T/t.

В MCАР принято более простое представление импульсного сигнала(ри-

сунок 23.4).

u(t)

VZERO

Рисунок 23.4 – Описание импульсного сигнала в формате MicroCAP

Значения параметров Р1, Р2, Р3 и Р4 задаются относительно начала сис-

темы координат.

Параметры модели этого источника задаются по директиве:

.MODEL <имя модели> PUL ([список параметров]). Например: .MODEL

IMPULSS PUL (VZERO=0.3 VONE=2.4 P1=80n P2=90n P3=480n P4=490n

P5=1.2u)

Параметры модели источника импульсного напряжения приведены в таб-

лице 23.2, а его форма – на рисунке 23.4.

Таблица 23.2 – Параметры модели источника импульсного напряжения