МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ УЗЛОВ МЕДИЦИНСКОЙ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

3

УДК 681.518:621.37 (075.8)

Рецензенты: доктор технических наук, профессор Н.Ф. Никитенко; кандидат технических наук, доцент Д.В. Гринченков

Гречихин В.В.

Моделирование электронных узлов медицинской и измерительной техники: Учеб. пособие / Юж.- Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2004. - 92 с.

ISBN

Учебное пособие посвящено введению в интегрированные САПР электронной аппаратуры, применению моделирования в CAD/CAM – системах. Рассмотрены основные возможности современных программных комплексов для схемотехнического моделирования, вопросы построения и исследования электронных схем с помощью системы Micro-Cap. Приведены примеры моделирования типовых электронных узлов медицинской и измерительной техники.

Рекомендуется студентам специальности 190500 "Биотехнические и медицинские аппараты и системы", 190900 «Информационно-измерительная техника и технологии». Может быть полезным студентам других специальностей, ориентированных на изучение курса аналоговой и цифровой электронной техники.

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость проектирования сложных по своему схемотехническому исполнению медицинских и измерительных устройств, требования к сокраще-

нию сроков, повышению качества проектных работ обусловливают необходи-

мость широкого использования вычислительной техники в процессе проектиро-

вания. Схемотехническое моделирование позволяет избежать дорогостоящих,

трудоемких лабораторных исследований и испытаний разрабатываемых элек-

тронных схем. Применение современных систем автоматизированного проекти-

рования (САПР) дает возможность смоделировать электрические характеристи-

ки, режимы работы узлов медицинской и измерительной техники и провести их детальный анализ с высокой точностью.

Предлагаемое учебное пособие предназначено длястудентов техниче-

ских вузов, обучающихся по специальностям «Биотехнические и медицинские аппараты и системы», «Информационно-измерительная техника и технологии» и изучающих дисциплины«Узлы и элементы медицинской техники», «Элек-

троника и микропроцессорная техника», «Системы автоматизированного проек-

тирования и конструирования измерительных приборов», а также для инженер-

но-технических работников, занимающихся схемотехническим проектировани-

ем.

САПР открывают для студентов технических вузов– будущих инженеров широчайшие возможности совершенствования учебного процесса, развития но-

вых методов экспериментального исследования электрических и электронных схем.

Цель данного издания – кратко и в доступной форме раскрыть основные возможности современных программных комплексов для схемотехнического моделирования.

Пособие состоит из четырех разделов. Раздел 1 посвящен введению в ин-

тегрированные САПР электронной аппаратуры, месту моделирования в

CAD/CAM-системах. В разделе 2 приводится классификация систем модели-

рования, использование математических пакетов MathCad и MatLab для функ-

6

ционального моделирования электронных узлов, анализ и моделирование схем с применением специализированных пакетов схемотехнического модели-

рования. В разделе 3 рассмотрены вопросы построения и исследования элек-

тронных схем с помощью системы схемотехнического моделированияMicroCap. Раздел 4 посвящен моделированию типовых электронных узлов медицин-

ской и измерительной техники.

1. ИНТЕГРИРОВАННЫЕ САПР ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Современные интегрированные САПР – это комплексы, осуществляющие весь процесс создания сложных электронных устройств: формулировку задачи

(технического задания), выбор электрических принципиальных схем, составле-

ние математической моделей функционирования, определение оптимальных параметров изделия, разработку конструкции, подготовку производства, изго-

товление опытных и серийных образцов, проведение успешных испытаний в условиях эксплуатации. Системы автоматизации призваны осуществлять про-

цесс проектирования с оптимальным распределением функций между разработ-

чиками и ЭВМ, обеспечивать максимальную автоматизацию всех процедур проектирования. Причем основная задача автоматизации состоит не в том, что-

бы заменить человека-разработчика, а в том, чтобы оказать ему помощь в по-

вышении качества и производительности процесса проектирования. В них входят:

-системы автоматизированного проектирования конструкторского -на правления – CAD;

-системы автоматизированного проектирования технологического -на правления – CAM;

-автоматизированные системы технологической подготовки производства

(АС ТПП).

Интегрированные САПР являются комбинацией аппаратных средств и программных модулей, обеспечивающих испытание реальных изделий. Укруп-

ненная схема САПР приведена на рис. 1.1.

В CAD цикл проектирования образуют три основные группы систем:

-схемотехническое проектирование;

-проектирование печатных структур (ПС);

7

- проектирование чертежной конструкторской документации (КД).

В случае если для всех этих трех групп систем создается единая база данных результатов проектирова-

АС ТПП

Рис. 1.1. Общая структура интегрированной САПР

В CAM не существует сквозного цикла, а параллельно функционируют три канала системы:

-подготовки информации для станков с числовым программным управлением (ЧПУ);

-технологии изготовления, представляющей собой маршрутные техноло-

гические процессы (маршрутные карты);

- оснастки, т.е. изготовления технологической документации на нестан-

дартное оборудование.

Нестандартное оборудование можно разделить на две большие группы:

-приспособления (любая нестандартная оснастка, зажимы, крепежи);

-прогрессивные формообразования (штампы, пресс-формы, литье).

8

С позиции САПР все производство можно представить двумя модулями:

-изготовление печатных структур;

-изготовление механических узлов и деталей.

Важными составляющими этапа схемотехнического проектирования -яв ляются математическое моделирование и анализ электронных схем. Моделиро-

вание позволяет значительно повысить эффективность проектирования элек-

тронных узлов. Например, значительно упрощается оценка вариации отклика при малых изменениях параметров элементов схемы или при появлении каких-

либо паразитных параметров. Очень грубо такая информация может быть полу-

чена в эксперименте при замене одних элементов другими с измененными зна-

чениями параметров. Однако это невозможно сделать при разработке больших схем. Более того, экспериментальное изучение влияния паразитных параметров затруднено невозможностью контроля их значений. Такую информацию можно получить с помощью математического моделирования за малое машинное вре-

мя при практически любом числе элементов схемы [1].

Использование современных аппаратных и программных средств позво-

ляет выполнить практически все виды анализа, которые необходимо проводить в ходе проектирования электронных схем: расчет цепи по постоянному току,

анализ в частотной области, определение временного отклика, оптимизация схемы и расчет периодического режима в нелинейной цепи.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

2.1. Классификация систем моделирования

При схемотехническом моделирование электронных схем можно выде-

лить два основных направления (рис. 2.1):

-моделирование на уровне функциональных схем;

-моделирование электрических принципиальных схем.

11

MathCad является математическом редактором, позволяющим проводить научные и инженерные расчеты, начиная от элементарной арифметики и закан-

чивая сложными реализациями численных методов[4]. Отличительная черта пакета – возможность описания математических алгоритмов в естественной ма-

тематической форме с применением общепринятой символики. MathCad позво-

ляет реализовать численные методы расчета нелинейных дифференциальных и интегро-дифференциальных уравнений, что важно при моделировании нели-

нейных цепей, широко применяемых в электронных узлах медицинской и изме-

рительной техники.

Пакет полезен, прежде всего, на этапе составления моделей электронных схем. Он позволяет эффективно, наглядно и быстро подобрать необходимые расчетные выражения, проверить их и сравнить друг с другом. MathCad может использоваться для подбора математического аппарата приближения времен-

ных зависимостей входных воздействий, подбора формул для аппроксимации нелинейных вольт-амперных и других характеристик нелинейных цепей, для моделирования схем на новых типах электронных приборов, моделей которых нет в специализированных программах.

Много примеров моделирования электронных схем с помощьюMathCad

приведено в [5]. Рассмотрим некоторые из них.

2.2.1. Расчет RC-моста Вина

RC-цепь можно представить в виде четырехполюсника, который характе-

ризуется двумя важными характеристиками: амплитудно-частотной (АЧХ) и

фазочастотной (ФЧХ). Они являются зависимостью модуля коэффициента пе-

редачи цепи и вносимого ею фазового сдвига от частоты f источника входного гармонического сигнала. Для большого числа RC-схем для АЧХ и ФЧХ полу-

чены аналитические зависимости, поэтому расчет этих характеристик сводится к определению нужных функций по известным математическим выражениям.

На рис. 2.3 показан расчет АЧХ и ФЧХ моста Вина, применяемого для по-

строения избирательных усилителей и RC-генераторов синусоидальных колеба-

ний.

12

Как видно из графика АЧХ моста Вина, коэффициент передачи этой цепи на частоте f0 обращается в ноль, а фазовый сдвиг имеет скачок от- p2 до

+ p2 . Таким образом, эта цепь может использоваться для ослабления частот сигнала, близких к f0.

2.2.2. Статический анализ нелинейной цепи

Статический анализ нелинейных цепей означает нахождение постоянных напряжений и токов в этих цепях в стационарном режиме их работы. К сожале-

нию, за редчайшим исключением, даже для простейших цепей такой анализ не-

выполним аналитическими методами. Известны довольно наглядные, но весьма неточные графические методы или довольно точные, но мало наглядные чис-

ленные методы. MathCad позволяет реализовать оба подхода, что делает анализ весьма наглядным. Рассмотрим такой подход при решении задачи: вычисление напряжения на полупроводниковом диоде, который соединен последовательно с резистором R и источником постоянного напряжения Е. На рис. 2.4 показано решение двух задач: вычисление напряжения на обычном полупроводниковом диоде с однозначной по напряжению вольт-амперной характеристикой(ВАХ) и

на туннельном диоде с многозначной по напряжению N-образной ВАХ.

13

Рис. 2.3. Расчет АЧХ и ФЧХ моста Вина

При рассмотрении первой задачи следует обратить внимание на естест-

венность решения как в численном виде с помощью функцииFind (Возвращает корень алгебраического уравнения, определенного в блоке с Given), решающей нелинейное уравнение статического режима, так и графическим методом. Как это общепринято, графическое решение находится построением на одном гра-

фике нелинейной ВАХ и прямой линии нагрузки, наклон которой задается зна-

чением сопротивления R. Точка их пересечения и есть решение задачи. Для ВАХ классической диодной формы решение всегда является единственным.

Менее тривиальным является решение для туннельного диода(задача 2),

N-образная ВАХ которого неоднозначна по напряжению. На рис. 2.4 показан слу-

чай, когда ВАХ туннельного диода пересекается линией нагрузки сразу в трех точ-

15

С помощью функции root (возвращает корень функции) найдены все три напряжения, соответствующие трем точкам пересечения ВАХ с нагрузочной прямой. Начальные значения напряженияV (они нужны для инициирования поиска корня с помощью функцииroot) взяты из грубого графического решения задачи.

2.3.Применение системы MatLab для функционального моделирования электронных схем

Использование специализированного подхода к функциональному мо-

делированию схем наиболее характерно представлено в системе MatLab,

являющейся интерактивной системой для выполнения инженерных и научных расчетов и ориентированной на работу с массивами данных.

MatLab имеет большие возможности для работы с сигналами, для расчета и проектирования аналоговых и цифровых фильтров, для построения их частот-

ных, импульсных и переходных характеристик, для спектрального анализа и синтеза, например, для реализации прямого и обратного преобразования Фурье.

Поэтому система широко используется для моделирования электронных -уст ройств. Объем данного учебного пособия не позволяет подробно изучить рабо-

ту с пакетом. Коротко рассмотрим моделирование динамических нелинейных систем, которое на уровне функциональных блоков выполняется с помощью пакета SimuLink, входящего в системуMatLab. Ввод характеристик исследуе-

мых систем производится в диалоговом режиме путем графической сборки схемы соединений элементарных стандартных звеньев. В результате образуется модель исследуемой системы – S-модель.

Создание моделей в пакете SimuLink основано на использовании техноло-

гии Drag-and-Drop [6]. Для построения S-модели применяются функциональные блоки, причем модель может иметь иерархическую структуру, т.е. состоять из моделей более низкого уровня. Библиотека блоков представляет собой набор визуальных объектов, при помощи которых можно, соединяя блоки линиями функциональной связи, составлять блок-схему любого устройства. Библиотека разбита на семь разделов: Source (Источники); Sinks (Приемники); Discrete

(Дискретные модели); Linear (Линейные элементы); Nonlinear (Нелинейные

16

элементы); Connections (Связи (соединения)); Blocksets & Toolboxes (Наборы

блоков, созданные пользователем). В ходе моделирования имеется возможность

наблюдать за процессами, происходящими в системе.

Выполним моделирование адаптивного фильтра, входящего в состав компенсатора помех, используемого для борьбы с сосредоточенными и физиологическими помехами в биотелеметрии. Блок-схема компенсатора показана на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Блок-схема адаптивного компенсатора помех

Полезный сигнал Desired Signal формируется в блоке Sine Wave и имеет

вид, показанный на рис. 2.6. Сигнал помехи (рис. 2.7) – в блоке Noise. Регист-

рируемый сигнал с выхода электродов или датчиков и сосредоточенная помеха

образуют зашумленный входной сигнал Input Signal (рис. 2.8), поступающий на

вход адаптивного фильтра. Пройдя через адаптивный фильтр, помеха образует

на его выходе шумовой сигналPrediction. Причем параметры фильтра выбира-

ются таким образом, чтобы сигнал Prediction как можно меньше отличался от

17

Рис. 2.6. Полезный сигнал

Рис. 2.7. Сигнал помехи

20

На выходе получаются конкретные номиналы варьируемыхэлементов,

обеспечивающие наилучшее достижение целевой функции.

Параметрический синтез отличается от прямого анализа тем, что на осно-

ве задаваемых параметров производятся моделирование и проверка, превышает ли полученная погрешность между модельной и целевой функцией допусти-

мую; если превышает, нужно проводить оптимизацию параметров.

Пакет постоянно совершенствуется фирмой– разработчиком Spectrum Software. Приведем перечень основных характеристик седьмой версии системы

Micro-Cap (MC 7) [7]:

- существует многостраничный графический редактор принципиаль-

ных схем, поддерживающий иерархические структуры;

- возможно поведенческое моделирование аналоговых и цифровых ком-

понентов динамической системы, заданных не только принципиальными, но и функциональными схемами;

-обеспечен интерфейс с программами разработки печатных платOrCAD, P-CAD;

-имеется большая библиотека компонентов, включающая в себя цифро-

вые интегральные схемы, аналоговые компоненты типа диодов, биполярных,

полевых и МОП-транзисторов, магнитных сердечников, линий передачи с поте-

рями, макромодели операционных усилителей, кварцевых резонаторов, датчи-

ков Холла и др. Все эти модели написаны в стандартном форматеSPICE и мо-

гут быть использованы с программами моделирования фирмAltium, Cadence, IntoSoft и др.;

- макромодели компонентов могут быть представлены в виде принципи-

альных электрических схем или в текстовом виде;

- графики результатов выводятся в процессе моделирования или после его окончания по выбору пользователя, имеются сервисные возможности обра-

ботки графиков;

- предусмотрен многовариантный анализ при вариации параметров и

21

статистический анализ по методу Монте-Карло;

- имеется специальная программа MODEL для расчета параметров мате-

матических моделей аналоговых компонентов по справочным или эксперимен-

тальным данным;

- имеется электронная документация и контекстно ориентированные средства помощи.

Фирмой Spectrum Software предлагается студенческая версия MC 7, кото-

рая предназначена для моделирования простейших схем, содержащих не более

50 компонентов или 100 связей. Кроме того, в ней отсутствует программа со-

ставления математических моделей компонентов по экспериментальным дан-

ным MODEL, недоступна команда составления списка соединений схемы для их передачи в системы разработки печатных плат и существует ряд других -ог

раничений. Эту версию можно бесплатно получить на http://www.spectrum-soft.com. Учитывая эту возможность и то, что MC 7 удобна

для первоначального освоения схемотехнического моделирования электронных схем, рассмотрим в последующих главах основные приемы работы с пакетом и примеры моделирования электронных узлов, широко используемых в медицин-

ской и измерительной технике.