Федеральное агентство связи Российской Федерации

ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики»

С. Н. Архипов, А.С. Чухров

ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

УСТРОЙСТВ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

Учебное пособие

НОВОСИБИРСК 2012

УДК 681.52 (076)

Архипов С.Н., Чухров А.С. Основы компьютерного моделирования устройств телекоммуникаций: Учебное пособие /СибГУТИ. Новосибирск, 2011. 159 стр.

В учебном пособии в систематизированном виде рассмотрены:

- вопросы качественного и количественного описания моделей компонентов;

- обзор программ схемотехнического моделирования;

- способы и особенности описания моделируемых устройств в программах PSPISE, ELECTRONICS WORKBENCH, MICRO-CAP;

- способы и особенности задания на проведение анализа в различных программах;

- основные виды анализа устройств телекоммуникаций;

- способы и возможности вывода результатов моделирования;

- многочисленные примеры анализа аналоговых, цифровых и смешанных устройств;

- вопросы моделирования устройств, задаваемых функциональными схемами;

- возможность использования программ моделирования при выполнении научных исследований.

Кафедра систем радиосвязи

Илл. 100, табл. 12, список лит. 15 наимен.

Рецензенты: д.т.н., проф. Ю.А. Пальчун

д.т.н., проф. А.А. Спектор

Для: направления подготовки 210700 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

Утверждено редакционно-издательским советом ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» в качестве учебного пособия.

ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики», 2012.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………...				5
1.	МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК ИНСТРУМЕНТ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТРОЙСТВ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ			7
	1.1.	Основные этапы схемотехнического проектирования …….........		7
	1.2.	Качественное и количественное описание моделей ……….........		9
	1.3.	Обзор программ компьютерного моделирования и проектирования устройств телекоммуникаций ……………........		14
2.	PSPISE – ЭТАЛОН СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ. РАБОТА В СРЕДЕ PSPISE ……………..........			17
	2.1.	Развитие схемотехнического моделирования на платформе PSpice ……………………………………………...........................		17
	2.2.	Общие сведения о пакете PSPISE 5.1 ..……………………. ... . ...		18
	2.3.	Структура задания на моделирование ..……………………. ... ...		20
	2.4.	Входной язык программы PSPISE .…………………………. ... ...		21
	2.5.	Расчет режима цепи по постоянному току (параметров «рабочей точки») ……………………….……………………...........................		23
	2.6.	Емкости и индуктивности в цепях постоянного тока ……..........		23
	2.7.	Многовариантный анализ по постоянному току. Директива ".DC" ………………………………………..…......…...		24
	2.8.	Директивы вывода данных ………………….……………............		25
	2.9.	Директива временного анализа «.TRAN» ……......………….....		27
	2.10.	Независимые источники сигналов …………………......……… ...		28
	2.11.	Директива “.LIB” …………………………………………......…...		33
	2.12.	Зависимые источники ………………………………………..........		33
	2.13.	Частотный анализ ……………………………………………........		39
	2.14.	Спектральный анализ ………………………………………..........		41
	2.15.	Многовариантный анализ ..………………………………… ..... ...		42
	2.16.	Вопросы для самопроверки …………………………………........		44
3.	ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОГРАММЫ ELECTRONICS WORKBENCH ..………………………………… ... ...			47
4.	ПРИЛОЖЕНИЯ ПРОГРАММЫ ELECTRONICS WORKBENCH ДЛЯ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ... ... ...			60
5.	ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОГРАММЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ MICRO-CAP 9 ………………………………………………………..........			78
	5.1.	Общие сведения о программе ……………………………….........		78
	5.2.	Структура интерфейса программы MICRO-CAP 9 и основное меню ………………………………………………...... ... ... ... ... ...		79
		5.2.1.	Интерфейс программы МС9 .……………….... .…… ... ..	79
		5.2.2.	Основные команды меню ..………………………...... ... ..	81
		5.2.3.	Создание схемы ..………………………………… .... ... ...	90
		5.2.4.	Представление чисел, переменных и математических выражений ...………..………… .... ... ... ... ... ... ... ... ... ...	97
		5.2.5.	Расчет режима по постоянному току Dynamic DC ... ...	101
		5.2.6.	Расчет передаточных функций по постоянному току DC	103
		5.2.7.	Расчет переходных процессов TRANSIENT ……..........	108
		5.2.8.	Анализ частотных характеристик AC …………….........	115
		5.2.9.	Синтез аналоговых фильтров …………………….............	121
		5.2.10.	Расчет уровня внутреннего шума ………………..............	125
		5.2.11.	Многовариантный анализ ………………………..............	125
		5.2.12.	Параметрическая оптимизация ..………………… ... ... ...	127
		5.2.13.	Функции раздела PERFORMANCE ..…………… ... ... ...	129
		5.2.14.	Просмотр и обработка результатов моделирования ..….	132
		5.2.15.	Трехмерные графики ……………………………............	134
		5.2.16.	Моделирование цифровых устройств …………….........	136
		5.2.17.	Моделирование функциональных схем ………….........	142
		5.2.18.	Применение программы МС9 для научных исследований ……………………………………….........	145
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………….........				153
ЛИТЕРАТУРА …………………………………………………………...........				154

ВВЕДЕНИЕ

Моделирование как универсальный метод исследования физических процессов и систем различного назначения известен сравнительно давно. Суть метода заключается в том, что изучаемый процесс или объект (оригинал) замещают некоторым другим, называемым моделью, результаты исследования, на котором справедливы для оригинала. Особенности и цель исследования оп­ределяют структуру модели и способ ее реализации.

При решении задач радиоэлектроники приходится сталкиваться как с процессами, математическое описание которых затруднено, так и с системами со сложными законами преобразования сигналов. Эти ситуации могут иметь место одновременно. Помехи и нестабильность обуславливают статистический характер протекающих процессов. Системы в общем случае становятся нелинейными и нестационарными, и аналитическое решение задач чаще всего оказывается невозможным. Это обстоятельство определяет важность примене­ния моделирования в системах телекоммуникаций.

Под математическим моделированием на электронно-вычислительной машине (ЭВМ) понимается весь комплекс вопросов, связанных с составлением математической модели устройства и ее использование в процедурах расчета, анализа, оптимизации и синтеза.

В настоящее время компьютерное моделирование является одним из важнейших этапов разработки и проектирования устройств телекоммуникаций. Его история началась с попыток внедрения автоматизации в проектные работы по созданию устройств микросхемотехники, такие как размещение компонентов и функциональных узлов, разводка печатных плат, оптимизация электронных устройств, их технических и технологических характеристик.

Широкое внедрение в инженерную практику современных электронно-вычислительных машин значительно усилило роль систем автоматического проектирования (САПР) и его важнейшего компонента – систем схемотехнического моделирования. Ин­тегральные схемы сделали возможным производство более совершенных и де­шевых ЭВМ, а те, в свою очередь, облегчили проектирование новых интеграль­ных схем. Технологический процесс сделал возможным проектирование боль­ших функциональных блоков, содержащих в одной схеме тысячи взаимосвя­занных транзисторов. Очевидно, разработка такой схемы невозможна при экс­периментальной отладке на макете.

По сравнению с макетированием компьютерное моделирование имеет ряд серьезных преимуществ:

• модель помогает быстро и наглядно изучить принцип работы системы;

• исследовать особенности функционирования в более широком диапа­зоне условий, чем это возможно на реальном объекте, вплоть до ава­рийной ситуации;

• производить документирование результатов измерений;

• оперативно изменять не только величины компонентов и источников сигналов, но и их модели с учетом температурных зависимостей, статистического разброса параметров;

• избежать однообразных, многократно повторяющихся измерений;

• учесть паразитные эффекты с учетом взаимного расположения деталей на печатной плате;

• подготовить конструкторскую документацию (принципиальные схемы, разводка печатной платы, программы для станков с ЧПУ).

Таким образом, компьютерное моделирование позволяет значительно сократить сроки и стоимость разработки новой техники.

Тем не менее, модель, отражая некоторые стороны изучаемого объекта, не охватывает всего многообразия явлений, протекающих в нем. Модель, соз­данная на базе априорной информации, почерпнутой из теоретических разра­боток и экспериментальных исследований, нуждается в подтверждении адекватности моделируемому объекту.

Следует подчеркнуть, что ЭВМ и программы компьютерного моделирования являются лишь инст­рументом для изучения процессов и явлений. Как любой инструмент, они должны использоваться для решения определенного класса задач с четко ого­воренными условиями и ограничениями, характерными для выбранной модели.

Нельзя ожидать от машины самостоятельных решений, она лишь выполняет директивы, полученные от разработчика. Как говорил еще Н. Винер: «машина – дура, она не знает, что человек может ошибаться». Поэтому при машинном эксперименте очень важно корректно подготовить и ввести исходные данные, четко определить задачи исследования и возможные ограничения. Кроме этого, компьютерное моделирование как теоретический метод исследования, нуждаются, во-первых, в осмыслении и анализе результатов: насколько они согласуются с ожидаемыми, как их можно объяснить, нужно ли уточнять используемые модели, и т.п., а во-вторых, в экспериментальной проверке.

Внедрение САПР в практику разработки электронной аппаратуры потребовало внести в учебные программы технических специальностей разделы и дисциплины, связанные с расчетом и оптимизацией электронных схем на ЭВМ. Существует еще один аспект: применительно к учебному процессу разработка и модернизация лабора­торного оборудования с использованием макетов и изме­рительных приборов в настоящее время существенно затруднена в связи с большими материальными затратами. Применение специализированных и уни­версальных программ компьютерного моделирования зачастую является един­ственным выходом из создавшегося положения.

Организация лабораторного практикума при всех видах обучения, проектирование устройств телекоммуникаций в выпускных квалификационных работах и при разработке новой техники, учебно- и научно-исследовательская работа студентов, магистрантов и аспирантов – вот некоторые приложения, подтверждающие важность изучения методов и получения навыков компьютерного моделирования в учебной, научной и практической деятельности специалиста в области телекоммуникаций.