Классификация параметров и задач проектирования
Классификация параметров
Внутренними называются параметры элементов, из которых состоит проектируемое устройство.
Выходными — параметры устройства, по которым оценивается его качество.
Входными — параметры действующих на устройство внешних информационных сигналов.
Внешними — параметры окружающей среды
Основные задачи проектирования
Схематическое проектирование включает решение задач расчета, анализа, оптимизации и синтеза. Эти задачи называются проектными процедурами и имеют следующее содержание.
Расчет — определение выходных параметров и характеристик устройства при неизменных
значениях его внутренних параметров н постоянной структуре.
Анализ — определение изменения выходных параметров и характеристик устройства в зависимости от изменения его внутренних и входных параметров.
В случае применения ЭВМ задача расчета часто называется одновариантным анализом, а задача анализа — многовариантным анализом.
Оптимизация — определение наилучшнх в том или ином смысле значений выходных параметров и характеристик путем целенаправленного изменения внутренних параметров устройства (при параметрической оптимизации) или структуры устройства ('при структурной оптимизацииv Внутренние параметры, за счет изменения которых выполняется параметрическая оптимизация, называются варьируемыми.
В качестве варьируемых следует выбирать управляемые внутренние параметры, значение которых легко изменять и контролировать в процессе производства.
Наиболее сложными являются задачи параметрического и структурного синтеза.
Синтезом называется генерация исходного варианта устройства, включая его структуру (структурный синтез) н значение внутренних параметров (параметрический синтез).
Генерация может выполняться различными способами — выбором из уже известных устройств, построением на основе теоретических соотношений, путем изобретательства.
Если полученное устройство — наилучшее в каком-нибудь смысле .то такой синтез называется оптимальным
Способы проектирования
При проектировании РЭА используют различные методы. Основными из них являются:
Неавтоматизированный расчет по заранее полученным формулам;
Физическое моделирование, т.е. Исследование объектов одной физической природы с помощью объектов, имеющих другую физическую природу, но одинаковое с первыми математическое описание; в основе физического моделирования лежит обычно принцип электрофизических аналогий;
Натурное макетирование;
Математическое моделирование на ЭВМ
Реальный процесс автоматизированного проектирования РЭА обычно состоит из двух этапов:
Неавтоматизированного синтеза структуры и эскизного, обычно тоже неавтоматизированно-варианта РЭА. Играющего роль начального приближения; в настоящее время ведутся работы по автоматизации этого этапа проектирования;
-Доводки полученного варианта до кондиции, соответствующих техническому заданию (13), с помощью программ автоматизированного проектирования.
Уровни сложности РЭА и уровни автоматизированного проектирования
На уровне системного проектирования изучается взаимодействие проектируемого объекта с окружающей средой.
На уровне структурного проектирования определяются типы функциональных устройств (ФУС), образующих функциональный комплекс (ФК), и структура связей между ними, обеспечивающая заданные информационные и точностные характеристики ФК.
На уровне функпионального проектирования обеспечивается выполнение РЭА типа ФУС и ФУ (функциональный узел) своего функционального назначения (например, выдача заданной последовательности выходных сигналов и временных соотношений между ними) на основе знания приближенной или идеализированной формы входных и внутренних сигналов.
На уровне схемотехнического проектирования прорабатывается форма сигналов для отдельных ФУ или ФЭ (функциональный элемент), а также рассчитываются уточненные значения их внутренних и выходных параметров.
На уровне проектирования компонентов определяются параметры конструкции, материалов и технологии, обеспечивающие заданные характеристики отдельных компонентов — диодов, транзисторов и т.д.
Уровни проектирования можно реализовать на основе 2-х подходов — информационного и физического.
При информационном подходе определяется лишь преобразование входного сигнала в выходной без изучения внутренних физических процессов и без учета физических законов сохранения или равновесия, определяющих или сопровождающих это преобразование.
При физическом подходе проектирование выполняется с учетом реальных физических законов, например, законов равновесия или законов сохранения.
Типы объектов проектирования
Обычно все РЭУ, проектируемые на ЭВМ, разделяют на 3 типа: цифровые, аналоговые и аналого-цифровые.
К цифровым относят устройства, рабочие сигнал которых закодированы в виде чисел, обычно представляемых в двоичном коде цифрами 0 и 1 (триггеры, счетчики, регистры и т.д.).
К аналоговым относят устройства, информация о работе которых заключена в различных характеристиках сигнала — форме, спектре и т.д. (усилители, генераторы, преобразователи формы и параметров сигнала н др.).
Широкий класс образуют аналого-цифровые устройства — разного типа преобразователи аналог-код, код-аналог, спец. Вычислители и т.д.
Типы процессов проектирования
Теоретически можно различать 2 основных типа процессов проектирования: сверху вниз (от ФУС к ФЭ) и снизу вверх (от ФЭ к ФУС). Практически процесс проектирования носит комбинированный характер: с одной стороны, проектирование сложной РЭА типа систем и устройств ведется сверху вниз, с другой, — проектирование относительно простой РЭА типа элементов н узлов ведется снизу вверх. На некотором промежуточном этапе эти два независимых процесса встречается и производится процесс «покрытия» требований к ФУ и ФЭ, выдвигаемых процессом сверху вниз номенклатурой тех ФУ и ФЭ, которые изготовлены по процессу снизу вверх Граница, где встречаются эти процессы, непостоянна и зависит от типа РЭА, уровня технологии, сложившейся методики проектирования и др.
В процессе проектирования сверху вниз РЭА высшего уровня сложности разбивается (декомпозируется) на более простые устройства. При этом для каждого устройства формируется частное техническое задание (413), обеспечиваемое на более нижних уровнях проектирования. Далее процесс декомпозиции и формирования ЧТЗ повторяется для более простых устройств.
Понятие о математических моделях
Математической моделью какого-либо объекта называется любое формализованное (записанное с помощью математических, т.е. Условных однозначно трактуемых символов) описание, отражающее состояние или поведение объекта с требуемой степенью точности.
Основными характеристиками модели являются тип рабочего сигнала, способ представления, характер зависимостей, уравнений и т.д.
Понятие об имитационном моделировании
В основу решения на ЭВМ различных задач проектирования можно положить 2 принципиально различных подхода.
Первый подход состоит в теоретическом исследовании надежности, точности и др. Характеристик проектируемого объекта, выводе расчетных формул, уравнений или алгоритмов и реализации их на ЭВМ.
Второй подход заключается в построении модели проектируемого устройства, реализации ее на ЭВМ и расчете надежности, точности и т.д. На основе результатов моделирования.
Если временная последовательность событий в модели и в реальном устройстве одинаковая, то такое моделирование называется имитационным.
Различают 4 типа времени:
Реальное время — в нем протекают реальные процессы в реальном устройстве.
Системное (или модельное) время — абстрактное время, в котором протекают процессы или события при их моделировании на ЭВМ Системное время — это реальное время, учитываемое в программе в некотором масштабе (секунды, микросекунды и т.д.).
Машинное время — реальное время моделирования на ЭВМ В нем выделяют время трансляции программы и процессорное время (время решения задачи после трансляции). Машинное время регистрируется специальным устройством ЭВМ—таймером.
Автоматное время — абстрактное время, обычно выраженное целыми числами 0, 1, 2 …
и регистрирующее лишь порядок следования событий независимо от их длительности.
Принципы построения САПР
Современная САПР представляет собой сложную программно- информационно- аппаратурную человеко-машинную систему, построенную по иерархическому принципу, так что каждый уровень иерархии отражает определенный уровень проектирования — структурный, функциональный и т л
САПР строится по агрегатному принципу, т.е. Как открытая и развивающаяся система с максимальным использованием унифицированных модулей (отдельных программных подсистем, технических средств).
Требование унификации программных модулей означает их полную информационную согласованность. Исключающую необходимость ручной переработки общих для нескольких модулей массивов информации.
Требование унификации технических модулей означает полную согласованность стаиттартт* на передаваемые ими сигналы (согласованность уровней постоянного напряжения, амплитуд выходных сигналов и уровней срабатывания и т.д.).
Для обеспечения согласованности программных и технических модулей часто используется межмодульный интерфейс — специальные программы для перекомпоновки информации (драйверы) и технические устройства для изменения параметров сигналов (адаптеры).
Классификация пользователей САПР
Специалистов. Работающих с САПР, называют пользователями САПР. Их можно разделил» на 3 категории:
Пользователи-разработчики САПР — это наиболее квалифицированная категория пользователей, в совершенстве владеющая программированием, математическими методами, а также хорошо знающая предмет проектирования.
Пользователи-сопроводители САПР эта категория выполняет профилактические работы по поддержанию САПР в рабочем состоянии, консультирует инженеров по вопросам методики использования САПР для проектирования.
Пользователи-разработчики РЭА — это наиболее широкая категория пользователей, использующая САПР для решения конкретных прикладных задач и называемая часто конечными пользователями.
САПР как человеко-машинная система
Проектирование без участия человека, т.е. Автоматическое проектирование, в полном объеме
От формулировки технического задания до получения проектной документации — как творческий процесс невозможно и всегда будет иметь характер автоматизированного проектирования (с участием человека), хотя отдельные этапы (расчет, анализ) уже полностью выполняются на ЭВМ.
Участие человека в процессе проектирования носит характер диалога между ЭВМ и проектировщиком РЭУ. Этот диалог эффективен при выполнении трех условий:
Человек работает эффективнее ЭВМ Это возможно в 2-х случаях:
При решении трудно формализуемых или неформализуемых задач, например задач синтеза новых технических решений или выбора наилучшего из многих вариантов по нескольким критериям одновременно;
При решении формализуемых задач, которые ЭВМ на основе строгих методов решает медленнее, чем человек на основе своих эвристических возможностей.
Эвристика — это необоснованное теоретически строго правило, практически позволяющее быстро получать удовлетворительный результат, с высокой вероятностью близкий к оптимальному.
Время ожидания tox ответа на запрос в режиме диалога (время реплики) должно быть небольшим, чтобы у пользователя не появилось чувство психологического дискомфорта (неуверенность в правильности запроса, в безошибочной работе программы и т.д.).
Объем изменяемой в процессе диалога информации не должно быть слишком большим, иначе диалог теряет оперативность, к тому же возрастает вероятность ввода ошибочной информации.
Цель диалогового проектирования должно быть получение исходного приближенно оптимального варианта РЭА, уточнение которого далее выполняется на основе более точных математических моделей без применения диалога.
В терминах оптимизации задача диалога — выход в окрестность оптимума, где дальнейшее проектирование (поиск точного оптимума) может быть выполнен автоматически.
Режимы взаимодействия пользователя н САПР
Различают следующие режимы взаимодействия пользователя и САПР: пакетной обработки, прямого доступа и с использованием автоматизированного рабочего места (АРМ).
Режим пакетной обработки задач пользователя — это режим, когда из отдельных задач (колод перфокарт) оператор ЭВМ комплектует в виде общей колоды пакет задач, вводимых в ЭВМ и решаемых затем поочередно без вмешательства пользователя.
Режим прямого доступа (пультовый, терминальный) — это режим, когда пользователь непосредственно работает на ЭВМ, без посредничества оператора.
Способ ввода информации зависит от ее количества—при большом количестве информации ее целесообразно вводить с перфокарт (ПК), а при малом — с помощью экранного пульта (дисплея), который может находиться далеко от ЭВМ.
Режим с использованием АРМ
Помимо дисплея пользователь САПР нуждается в широком наборе технических и программных средств для оперативного и долговременного документирования и корректировки текстовой и графической информации, а также для простейших расчетов, не требующих больших ЭВМ Совокупность этих средств называется армом.
Классификация САПР
В зависимости от сложности решаемых задач существующие САПР можно разделить на 4
Типа:
Уникальные САПР, каждая из которых создается специально для решения какой-либо одной крупной научно-технической проблемы.
Отраслевые САПР, решающие типовые задачи отрасли.
САПР отдельных предприятий, ориентированные на решение типовых задач предприятия.
Мини-САПР для решения отдельных задач проектирования, например электрического расчета схем или трассировки печатных плат.
Первые три типа относятся к многофункциональным САПР коллективного пользования и реализуются по 2-х ступенчатой иерархической схеме — на верхнем уровне находится мощная ЭВМ, на ннжнем — периферийные малые ЭВМ и АРМ. 4-й тип реализуется обычно на малых и средних ЭВМ