Методология системотехнического проектирования электронных и радиоэлектронных средств (в двух частях)

Visual System Simulator. Visual System Simulator (VSS) – программа модели-

рования коммуникационных систем на уровне функциональных блоков от компании AWR Corporation (http://www.awrcorp.com/ru/products/visual-system- simulator).

Ключевые возможности [8]:

–интеграция схем и систем на уровне блоков;

–высокая скорость моделирования на системном уровне;

–обширная библиотека моделей, описывающих стандарты связи GSM, CDMA

идр.;

–программа RFA, предназначенная для оценки качества оборудования на основе данных о мощности сигнала и помех, взаимодействия паразитных эффектов.

Включает RF Inspector;

–измерениехарактеристик радиоустройств, такихкакфазовый шум, отношение сигнал/шум, модуль вектора ошибки EVM (Error Vector Magnitude), коэффициент мощности в соседнем канале ACPR (Adjacent Channel Power Ratio);

–импорт модулей из LabVIEW и MatLAB;

–тесная интеграция с пакетами Microwave Office и Analog Office;

–настройки в широком диапазоне пределов измерений, которые позволяют уменьшить время анализа;

– прямая связь c контрольно-измерительными приборами, подключаемыми к ПК.

На рисунке 5.24 приведен пример моделирования LTE-связи в пакете Visual System Simulator.

Рисунок 5.24 – Интерфейс программы Visual System Simulator

146

System Vue. System Vue от компании Agilent Technologies является специа-

лизированным программным средством автоматизированного проектирования электронных устройств на системном уровне (http://www.agilent.com/find/eesofsystemvue). System Vue позволяет проектировать физический уровень наземных беспроводных и аэрокосмических оборонных систем связи и имеет ценность для разработчиков, программирующих алгоритмы с помощью цифровых сигнальных процессоров и ПЛИС [8].

Платформа System Vue представляет собой простую в использовании среду

ссовременными технологиями моделирования, возможностью подключения к реальной измерительной аппаратуре и проведения испытаний. Она позволяет создавать алгоритмы работы и прототипы архитектур сложных систем связи.

System Vue имеет интуитивно понятный блочный интерфейс среды разработки

собширными библиотеками блоков для построения коммуникационных систем, элементов адаптивного управления и компонентов цифровой обработки сигналов. System Vue поддерживает алгоритмы разработки прототипов и реализации через генерацию VHDL-кода для ПЛИС (FPGA) и ANSI C-кода для встраиваемых цифровых сигнальных процессоров.

На рисунке5.25 приведен пример моделированиярадиосистемы в пакетеSystem Vue.

Рисунок 5.25 – Интерфейс программы System Vue

147

MicroCAP. Система MicroCAP фирмы Spectrum Software наиболее рас-

пространена в студенческой среде как наиболее простая и доступная в изучении (в 2019 году она стала свободно распространяемой и доступна для скачивания с официального сайта разработчика). Несмотря на простоту, у MicroCAP имеется обширный перечень возможностей. Программа содержит удобный многостраничный редактор принципиальных схем, поддерживающий различные структуры. Имеется возможность описания цифровых компонентов с помощью логических выражений, что в сочетании с библиотекой графических символов типовых операций (суммирование, вычитание, умножение, интегрирование, применение преобразований Лапласа и др.) позволяет моделировать динамические системы, заданные не только принципиальными, но и функциональными схемами. Кроме того, в систему MicroCAP входит специальная программа MODEL для расчета параметров математических моделей аналоговых компонентов по справочным и экспериментальным данным [12].

Пакет MicroCAP рекомендуется для выполнения исследовательских работ, не предусматривающих немедленную конструкторскую реализацию (т.е. разводку печатной платыи оформлениеконструкторской документации). Всостав программы входит модуль расчета параметров моделей аналоговых элементов по результатам экспериментальных исследований (таким способом создаются новые модели). В системе предусмотрен режим исследования чувствительности выходного сигнала к изменению параметров любого элемента схемы. Есть возможность определять входное и выходное сопротивления устройства, а также разрабатывать активные и пассивные фильтры с заданными параметрами.

Полная совместимость со SPICE-моделями и SPICE-схемами и развитые возможности конвертирования позволяют успешно использовать все разработки других схемотехнических САПР (например, ORCAD). Полученные при работе с MicroCAP навыки проектирования и моделирования помогут в случае необходимости гораздо быстрее осваивать более сложные профессиональные пакеты моделирования.

Пример моделирования принципиальной электрической схемы в пакете MicroCAP приведен на рисунке 5.26.

Программа схемотехнического анализа MicroCAP позволяет анализировать аналоговые, цифровые и смешанные (аналого-цифровые) устройства, осуществлять синтез пассивных и активных фильтров. Опытные пользователи могут в нестандартной ситуации создавать собственные модели и макромодели, облегчающие имитационное моделирование сложных электронных систем.

Потенциал схемотехнического моделирования MicroCAP находится на одном уровне с интегрированными пакетами ORCAD и PCAD2002, достаточно сложными в освоении и подразумевающими в первую очередь профессиональное использование.

148

–зависимости спектральных плотностей напряжений шума, приведенных к указанным входному и выходному узлам, от частоты.

4. Анализ передаточных характеристик по постоянному току. Возможно проведение анализа при изменении двух входных переменных, что позволяет строить на графике семейства характеристик устройства:

–зависимости выбранных переменных состояния от изменяемой входной переменной 1 (DCINPUT1);

–зависимости переменных состояния схемы друг от друга.

5.Использование буфера графиков для трех основных режимов анализа, что позволяет воспроизвести в окне графиков результаты предыдущих сеансов моделирования всех видов текущей схемы и других схем.

6.Расчет чувствительностей в режиме по постоянному току. В этом режиме рассчитываются чувствительности одной или нескольких выходных переменных к изменению одного или нескольких входных параметров (частные производные по входным параметрам). В качествевходных изменяемыхпараметров могут выступать все параметры моделей, величины пассивных компонентов, символьные параметры.

7.Расчет малосигнальных передаточных функций в режиме по постоянному току. Рассчитывается отношение изменения выходного выражения к вызвавшему это изменение малому возмущению входного источника постоянного напряжения (тока). При этом автоматически рассчитываются входное (относительно клемм входного источника) и выходное (относительно узлов выходного напряжения) сопротивления схемы на постоянном токе.

8.Параметрическая оптимизация схемы для всех режимов анализа (кроме Sensitivity и Transfer function). Для трех основных режимов моделирования оптимизируемая функция выбирается из меню PERFORMANCE, включающего большой набор стандартных параметров графиков (длительность нарастания/спада, глобальный максимум/минимум и т.п.).

9.АнализМонте-Карло–многовариантныйанализпри статистическом разбросе параметров компонентов в каждом из трех основных режимов моделирования. Внутри этогоанализа возможен вывод гистограмм распределения заданной функции (например, длительности фронта, глобальных максимума и минимума) по интервалам значений.

10.Использование графического постпроцессора PROBE при анализе переходных процессов, малосигнальном частотном анализе и анализе передаточных характеристик по постоянному току, что позволяет выводить любые графики переменных состояния схемы без повторения расчета.

Кроме того, пользователь получает дополнительные удобства для вывода графиков интересующих переменных состояния схемы, которые появляются в графическом окне после клика в соответствующем месте схемы.

Возможности созданияновых моделей компонентов заключаются в оформлении моделей в виде схем-макроопределений с обозначенными выводами и списком параметров, которымзатемв редакторекомпонентов присваиваетсяимяи УГОи тем

150

самым добавляются новые компоненты, доступные для построения схем и моделирования.

В MicroCAP возможно моделирование идеализированных схем, построенных на основе функциональных блоков (рисунок 5.27).

Рисунок 5.27 – Использование функциональных блоков для формирования сигналов

Эти функциональные блоки находятся в разделе Macros библиотеки аналоговых примитивов. В схему они добавляются точно так же, как и остальные компоненты. По своей структуре функциональные блоки – это макроопределения. В принципе, имеетсявозможностьихредактировать, менятьвнутреннююструктуруи параметры, создавать новые.

Стандартный набор функциональных блоков включает практически все разновидности звеньев, используемых в теории автоматического управления (пропорциональное звено, интегрирующее звено, дифференцирующее звено, сумматор, умножитель и т.д.). Имеются и более сложные функциональные блоки: триггер Шмидта, амплитудный модулятор, пиковый детектор, ПИД-контроллер и т.п. Функциональные цифровые блоки упрощают моделирование сложных цифровых устройств.

MicroCAP позволяет достаточно просто оформлять созданные и отлаженные схемы как макромодели, которые потом могут являться составной частью какихлибо новых схем.

В качестве примера использования MicroCAP для синтеза структурных схем ЭРЭС рассмотрим решение линейного дифференциального уравнения (ЛДУ) с постоянными коэффициентами методами ТАУ и результат синтеза структурной схемы решающей АСУ [14].

Требуется найти в натуральном масштабевремени решениедифференциального уравнения третьего порядка

при заданных начальных условиях x 0 0; x(1) 0 0; x(2) 0 0.

151

При составлении структурной схемы используется метод понижения порядка производной, т.е. последовательное интегрирование с суммированием величин после каждого интегрирования на входе суммирующего блока (рисунок 5.28).

Рисунок 5.28 – Структурная схема набора линейного дифференциального уравнения второго порядка методом понижения порядка производной

Структурная схема решателя ЛДУ, собранного из функциональных узлов в программе MicroCAP, приведена на рисунке 5.29

Рисунок 5.29 – Структурная схема для решения дифференциального уравнения

На схеме V1 – задающее воздействие, представленное источником постоянного напряжения величиной 0,01 В; X1 – сумматор на два входа с масштабными коэффициентами, равными единице; X2 – сумматор на три входа; X3–X5 – интегрирующие звенья (интеграторы); X6–X8 – пропорциональные безынерционные звенья (масштабирующий усилитель). Коэффициенты передачи GAIN равны по модулю соответствующему коэффициенту дифференциального уравнения и противополож-

ны по знаку. Искомый результат – значения функции x t – наблюдается на выходе

схемы (точка out).

152

Результат решения дифференциального уравнения в системе MicroCAP на основе структурной схемы (см. рисунок 5.28), состоящей из аналоговых функциональных блоков, представлен на рисунке 5.30.

Рисунок 5.30 – Результат решения дифференциального уравнения на основе структурной схемы

5.5.3 Особенности технологии

автоматизированного проектирования

Технология автоматизированного проектирования ТО базируется на методологии системного подхода. Схема типового маршрута проектирования ТО в среде САПР представлена на рисунке 5.31. Основные компоненты маршрута предусматривают выполнение процедур анализа и синтеза, выступающих в диалектическом единстве [1].

Анализ ТО– этоизучение егофизических свойств, характеризуемых выходными параметрами. При анализе не создаются новые объекты, а исследуются заданные на основе изучения процессов их функционирования. Для этого проводятся вычислительные эксперименты с использованием математических моделей объектов.

Синтез ТО – это создание новых вариантов, обеспечивающих заданный алгоритм функционирования и выполнение технических требований к объекту.

Если определяют наилучшие в некотором смысле структуру и параметры, то синтез называют оптимизацией. При определеннии оптимальных значений параметров говорят о параметрической оптимизации. Задачу выбора оптимальной структуры называют структурной оптимизацией.

153

Рассмотрим подробнее проектирование непрерывного ТО на основе маршрута, приведенного на рисунке 5.31 [1, 11]. Объектом проектирования может быть любой элемент ТО, выделенный в результате декомпозиции.

Формализовать и автоматизировать процедуру синтеза структуры в большинстве случаев весьма сложно, поэтому синтез структуры объекта обычно осуществляется путем перебора возможных вариантов, генерируемых эвристическими методами. Для каждого варианта структуры формируется математическая модель

ивыбираются исходные значения внутренних параметров. Сравнивать альтернативные варианты структур можно лишь после определения оптимальных параметров элементов объекта. При этом для каждого варианта осуществляется имитация процесса функционирования объекта и определяются его выходные параметры – показатели качества и эффективности, которые используются для оценки опти-

мальности анализируемого варианта.

Математические описания элементов структуры проектируемого объекта известны и хранятся в базе данных. В результате формирование математической модели представляет собой, по существу, синтез абстрактной модели объекта. Процедура синтеза при этом легко формализуется и автоматизируется.

Оптимизации подлежат обычно не все параметры объекта, а только некоторая их часть. Это обусловлено тем, что при проектировании ТО широко используются стандартные и унифицированные элементы, параметры которых не могут быть изменены. Параметры элементов объекта, подлежащие оптимизации, называют

управляемыми параметрами.

При проектировании часто ограничиваются сравнением нескольких альтернативных вариантов структур, а иногда поиск решения заканчивают, если найден вариант, удовлетворяющий заданным техническим требованиям. Такое проектное решение называют допустимым.

Если сравнивается ограниченное число вариантов структур, то основными компонентами технологического маршрута проектирования являются синтез структуры, анализ и оптимизация параметров вариантов структур, процедура оценки

ипринятия решения.

Выводы

1.Моделируются проектные решения, относящиеся к системе, а не требования

кней.

2.Моделирование поддерживает проектную и конструкторскую деятельность, то есть этап, на котором выполняется основная часть творческой работы.

3.Моделирование помогает инженеру «вжиться» в систему в степени, достаточной для декомпозиции требований на определенном уровне, чтобы перейти на следующий, более низкий уровень. Сами требования представляют собой момен-

тальный снимок полной картины того, что необходимо на каждом уровне, с повышением степени детализации по мере перехода на более низкие уровни.

155