9. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ.

9.1 Основные этапы проектирования

Изделие - любое электронное устройство, подлежащее проектированию и изготовлению. Проектирование - процесс создания проекта - прообраза изделия, разработка проектной документации. Конструирование процесс отражения в чертежах и схемах структуры, формы, размеров, компоновки изделия (компоновка - размещение в пространстве или на плоскости элементов изделия)[30, 21].

Проектным называют документ, выполненный по заданной форме, в котором представлено проектное решение. Например, техническое задание, структурная схема, функциональная схема узла или всего изделия, пояснительная записка - описание устройства и принципа его действия, а также обоснование проектных решений.

Проектное решение - промежуточное или конечное описание изделия или его части, необходимое и достаточное для дальнейшего продолжения проектирования или его окончания. Проектное решение - это структурная, функциональная, принципиальная и монтажная схемы, текст описания и т.д.

Проектная процедура - это совокупность действий, выполнение которых заканчивается проектным решением. Например, изучение литературы, разработка схемы, моделирование и др.

Проектная операция - действие составляющее часть проектной процедуры, например, черчение схемы, вычисление параметров, анализ проектного решения.

Проектирование электронных устройств распадается на два направления:

проектирование аналоговых устройств;

проектирование цифровых устройств.

Жизненный цикл изделия состоит из четырех основных этапов:

системотехническое проектирование;

схемотехническое проектирование и моделирование;

конструирование и изготовление (физическая реализация).

эксплуатация и утилизация.

Структурная схема процесса проектирования изображена на рис. 9.1.

Системотехнический этап связан с выбором принципа построения устройства, например, структурной схемы для аналогового устройства, или устройства с «жесткой логикой» или «программируемой логикой» для цифровых систем. На данном этапе разрабатывают структуру и алгоритм функционирования устройства.

Схемотехнический этап связан с расчетом, синтезом и разработкой функциональной схемы устройства и ее моделированием, выбором системы элементов (микросхем), моделированием принципиальной схемы.

Конструкторский этап связан с компоновкой элементов, разработкой конструкции печатной платы и физической реализацией изделия.

Рис. 9.1 Структурная схема этапов проектирования.

Системотехническое проектирование состоит из следующих этапов.

Техническое задание (ТЗ) - составляется заказчиком или разработчиком на основе научно - исследовательской или маркетинговой работ, позволяющих выявить потребность в данных изделиях. ТЗ содержит название изделия и область его применения, основные технические характеристики и параметры, условия эксплуатации, состав проекта, перечень расчетных работ и графических материалов, сроки выполнения проекта. В ТЗ задают минимально необходимое число параметров, другие характеристики определяют расчетом или моделированием на компьютере.

Обзор литературы, патентный анализ, целью которого является формирование списка прототипов изделия.

Анализ технического задания. Целью анализа ТЗ является выбор прототипа, синтез структурной схемы изделия и обоснование алгоритма функционирования.

Теоретически анализ состоит в том, чтобы сформулировать задачу принятия решений типа @ = <W, Q>, где W – множество вариантов структуры изделия, а Q - принцип оптимальности. Решением задачи @ называют множество вариантов Wоп  W.

Если W,Q неизвестны, то имеют дело с общей задачей принятия решений и Wоп определяют в процессе решения, если W- неизвестно, то задачу называют задачей выбора вариантов, если известны W,Q, то имеют дело с задачей оптимизации [21].

Если произвольное свойство варианта выразить числом Кj j=1,2..n, т.е. предположить, что имеется отображение W  К, то такое свойство называют критерием, а число Кj = G(Wi) - оценкой варианта Wi по критерию Кj. Кn - критериальное пространство, координаты точек которого - оценки по соответствующим критериям.

Принять «правильное решение» - значит выбрать такой вариант из числа возможных, в котором с учетом разнообразных факторов будет оптимизирована общая ценность. Если при проектировании можно выделить один параметр, которому отдается безусловное предпочтение и который наиболее полно характеризует свойства проектируемого объекта, то его можно принять в качестве целевой функции при условии соблюдения определенных ограничений. Такая задача называется однокритериальной и решается известными методами теории исследования операций.

Решение общей задачи принятия решений можно свести к решению последовательных задач выбора, например, генерируют варианты, выбирают критерии, затем выбирают оптимальный вариант. В решении задачи в общем случае участвует лицо, принимающее решение (ЛПР), эксперт, оценивающий варианты, и консультант, помогающий формировать варианты и знающий предметную область.

Электронное устройство относят к системам, которые характеризуются многими параметрами, определяющими их качество и ценность. Среди параметров есть такие, которые необходимо всемерно увеличивать, а другие всемерно уменьшать, например, надежность - стоимость. Но при увеличении одних параметров растут и другие и как раз те, которые хотелось бы уменьшить, следовательно, при проектировании необходимо стремиться к определенному компромиссу.

Задачи проектирования (принятия решений), проводимые по нескольким частным критериям, носят название многокритериальных или задач векторной оптимизации.

Непосредственно по совокупности частных критериев выбор может осуществляться по последовательно применяемым критериям (метод пересечения подмножеств вариантов) или векторному критерию в целом (метод подмножества Парето). Другие методы векторной оптимизации непосредственно сводят решаемые задачи к однокритериальным путем объединения тем или иным способом всех частных критериев в составной, по которому и проводится окончательное принятие решения.

Сущность метода пересечения подмножеств состоит в том, что все частные критерии равны по важности. На первом этапе все альтернативные варианты сравниваются с требуемым значением первого критерия. Если же несколько вариантов удовлетворяют значению первого критерия, то переходят ко второму этапу, на котором привлекается следующий критерий и так до тех пор, пока не останется один оптимальный вариант или не останется критериев, т.е. ищется пересечение подмножеств А  B  D >=1, т.е. множество вариантов сужается.

Недостаток метода состоит в том, что множество оптимальных вариантов может оказаться пустым А  B  D = 0, т.е. среди сформированных вариантов может не оказаться такого, который бы удовлетворял всем предъявленным требованиям.

Второй метод представляет собой метод, когда варианты сравниваются между собой по последовательно применяемым критериям, которые ранжированы по важности, т.е. осуществляется сортировка и выстраивается список вариантов, верхнюю строку которого занимает оптимальный вариант.

Метод подмножества Парето- связан со сравнением вариантов между собой по вектору критериев. Если находится вариант, который по всем критериям «лучший», то он и является оптимальным. Если находится вариант, который по всем критериям «худший», то он отбрасывается.

Если лучший вариант непосредственно не находится, то выделяется подмножество Парето, в которое входят варианты, которые по одним критериям являются лучшими, а по другим нет. Подмножество Парето является областью компромисса, в которой содержится оптимальный вариант.

Поиск оптимального варианта в подмножестве Парето осуществляется уже другим способом - по составному аддитивному, мультипликативному или другим критериям.

Аддитивный критерий реализует принцип справедливой уступки в области компромисса для абсолютных значений частных критериев

В аддитивных критериях целевая функция образуется путем сложения нормированных значений частных критериев. Частные критерии имеют различную физическую природу и размерность, поэтому оперируют не с «натуральными» критериями, а с их нормированными значениями. Нормирование осуществляется путем деления «натурального» критерия на нормирующую величину, измеряемую в тех же единицах, что и сам критерий. Нормирующими делителями могут быть: директивное значение критерия, максимальное значение в области существования компромисса, разность между максимальным и минимальным значениями в области компромисса.

Аддитивный критерий имеет вид Q(X) =  (Ci*Ki(X))/Ki⁰(X),

n

где n- число критериев, Сi - весовой коэффициент i -того критерия, Ki(X)/Ki⁰(X) - натуральное и нормирующее значение критерия. Х – свойства изделия.

Недостаток аддитивного критерия: формальность и взаимная компенсация.

Мультипликативный критерий базируется на принципе справедливой уступки для относительных значений критериев. Вид критерия

Q(X) = ПKi^ci(X), где П - произведениеnкритериев, где

n

Ki^ci(X) - нормированный критерий в степени весового коэффициента Сi.

Недостаток критерия: компенсация значений критериев, сглаживание критериев за счет неравнозначных первоначальных значений.

Минимаксные и максиминные критерии построены на принципе равномерности для частных критериев. Сущность принципа максимина, например, заключается в том, что у оптимального варианта нормированные значения всех частных критериев равны друг другу.

Вид критерия Ci*Ki(X) = K0, i = 1,n, где К0 - константа. Если вышеуказанных равенств добиться нельзя, то оптимальным является тот вариант, у которого минимальные значения частных критериев наиболее близки максимальным.

В многокритериальных задачах возникает задача объективной оценки важности частных критериев с помощью весовых коэффициентов.

Применяются следующие методы задания предпочтений:

Экспертный метод - задание предпочтений группой экспертов.

Метод ранжирования, когда каждому критерию присваивается определенный ранг.

Структурная схема изображается в виде прямоугольников со связями и надписями наименований основных структурных элементов и в виде, который позволял бы понять их взаимодействие. Например, так, как показано на рис. 9.2., где изображена система обработки информации в ЭВМ от датчиков с помощью АЦП и вывода ее с использованием ЦАП.

Рис. 9.2 Структурная схема устройства.

Множество вариантов структуры может быть получено с помощью построения дерева решений. Множество решений возникает вследствие существования нескольких способов реализации задач нижнего уровня. Так, система рис. 9.2 может быть декомпозирована на три независимых подсистемы: подсистему обработки и отображения (1), подсистему связи с объектом управления (2) и подсистему первичных датчиков (3). Подсистема 1 может быть реализована либо на компьютере, либо на микропроцессорном контроллере, подсистема 2 может быть реализована программным путем или в виде устройства с «жесткой» логикой, причем жесткая логика может быть реализована на ПЛМ или на микросхемах. Подсистема 3 также может быть реализована с помощью датчиков либо напряжения, либо тока. Варианты системы генерируются путем комплексирования по одному решению из каждой подсистемы, например, для вышеприведенного примера таких вариантов будет 2*3*2 = 12, причем недопустимые сочетания различных подсистем исключаются из рассмотрения. Варианты системы могут быть представлены как узлы трехмерной (в общем случае n-мерной) структуры, называемой «морфологическим ящиком», следовательно, их генерация может быть частично формализована и автоматизирована [32].

Схемотехническое проектирование включает:

Синтезфункциональной схемы устройства, который может быть формальным или эвристическим. Функциональная схема изделия отражает совокупность функциональных элементов и связей между ними.

Абстрактный синтез, например, функциональной схемы цифрового устройства с памятью или без нее, относится к разряду формальных, т.е. опирающихся на точную математическую модель.

Выбор микросхемдля реализациипринципиальной схемыизделия.

Моделирование на компьютере режимов функционирования изделия и его элементов с помощью, например, программы MicroСap - V или других аналогичных программ, для корректировки схемы, исключения состязаний, обеспечения требуемой работоспособности.

Синтез функциональной схемы аналогового изделия (усилителя, генератора, фильтра и др.) чаще относят к эвристическому, т.е. такому, когда широко привлекаются творческие способности и опыт разработчика.

Выбор транзисторов, ОУ и других активных элементов для реализации принципиальной схемы.

Ручной или автоматизированный расчет требуемых и номинальных значений пассивных электрорадиоэлементов и параметров аналоговых узлов и изделия в целом. Цель расчета - выбрать параметры работоспособного варианта схемы устройства. Указанный расчет может осуществляться путем последовательного уточнения прототипа устройства средствами конструирования MicroCap.

Анализ работоспособности схемы в условиях, заданных ТЗ как для цифровых, так и для аналоговых изделий, т.е. расчет, как выходных, так и пороговых значений параметров при заданных значениях входных и внешних параметров (амплитуды сигналов, помех, изменениях температуры, напряжения питания, условиях разброса задержек и т.д.). Большое значение имеет точность вычислений, которую нужно задавать в пределах 1- 5%. При этих значениях точности физическое моделирование изделия или его частей не всегда обязательно, т.е. можно сразу переходить к конструкторскому этапу. Данный анализ также может быть осуществлен средствами MicroCap.

Установление запаса работоспособности аналоговых устройств желательно проводить с учетом производственных допусков резисторов, конденсаторов и др. элементов по методу Монте – Карло – анализ возможен средствами MicroCap.