Бирюков С.В., Романова И.В. САПР измерительных устройств: конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

С. В. Бирюков, И. В. Романова

САПР ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Конспект лекций

Омск

Издательство ОмГТУ

2010

УДК 681.52:681.2.08(075)

ББК 32.965+30.10я73

Б64

Рецензенты:

А. Л. Ахтулов, д-р техн. наук, проф. зав. каф. «Управление качеством

и сертификация»;

М. Г. Халтурин, гл. метролог ФГУП «Омский НИИ приборостроения»

Бирюков, С. В.

Б64 САПР измерительных устройств: конспект лекций / С. В. Бирюков,

И. В. Романова. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. – 48 с.

Рассмотрены основные понятия САПР и проектирования измерительных

устройств. Подробно представлены модели, используемые при проектировании

радиоэлектронных средств.

Конспект лекций предназначен для студентов электротехнических

специальностей и, в частности, для подготовки магистров по направлению:

230100.68 – «Информационно-измерительные системы», а также может быть

полезен для других специальностей, изучающих вопросы, связанные с

проектированием измерительных устройств.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Омского государственного технического университета

УДК 681.52:681.2.08(075)

ББК 32.965+30.10я73

технический университет», 2010

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ..................................................................5

1. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

В ОБЛАСТИ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ.....................................................................8

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБЪЕКТАХ И ЗАДАЧАХ

СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ (МОДЕЛИРОВАНИЯ)........11

2.1. Основные задачи схемотехнического проектирования.............................12

2.2. Типы объектов схемотехнического проектирования.................................13

3. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ АСхП РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ.........17

4. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОМПОНЕНТОВ И ЭЛЕКТРОННОЙ

СХЕМЫ В ЦЕЛОМ...................................................................................................17

4.1. Понятие математической модели компонента и схемы............................17

4.2. Вопросы классификации математических моделей реальных

электронных компонентов и их параметров......................................................20

4.3. Иерархия математических моделей в САПР..............................................22

4.4. Уровни абстракции при проектировании...................................................24

4.5. Формы представления моделей...................................................................25

4.6. Требования к математическим моделям.....................................................25

4.7. Методика макромоделирования...................................................................27

5. МОДЕЛИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ РЭА....................28

5.1. Математические модели на уровне 0..........................................................28

5.2. Модели четырехполюсников........................................................................29

5.3. Основные законы теории цепей...................................................................31

5.4. Модели полупроводниковых диодов..........................................................32

5.5. Модели биполярных транзисторов..............................................................33

5.6. Модели полевых транзисторов....................................................................35

5.7. Модели операционных усилителей.............................................................36

6. МОДЕЛИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ....................................................37

6.1. Принципы построения макромоделей ИС..................................................38

6.2. Типовая структура макромоделей...............................................................38

7. СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ И ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ......38

7.1. Структурный синтез......................................................................................38

7.2. Особенности решения задач структурного синтеза...................................39

7.3. Параметрический синтез..............................................................................41

7.4. Последовательные методы в задачах проектирования сложных

объектов42

7.5. Последовательные алгоритмы структурного синтеза................................44

ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ.................................................................46

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................................................47

ВВЕДЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Вначале разберемся, что же является предметом изучения лекционного

курса, если исходить из его названия: «Системы автоматизированного

проектирования измерительных устройств».

В этом названии можно выделить следующие ключевые слова:

– измерительные устройства;

– автоматизированное проектирование.

Измерительное устройство – часть измерительного прибора (установки

или системы), связанная с измерительным сигналом и имеющая обособленную

конструкцию и назначение.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для

получения значений измеряемой физической величины в установленном

диапазоне.

По способу индикации значений измеряемой величины измерительные

приборы разделяют на показывающие и регистрирующие.

По действию измерительные приборы разделяют на интегрирующие и

суммирующие. Различают также приборы прямого действия и приборы

сравнения, аналоговые и цифровые приборы, самопишущие и печатающие

приборы.

Проектирование измерительных приборов осуществляется в рамках

проектирования радиоэлектронных средств (РЭС).

По признаку функциональной сложности различают несколько уровней

РЭС:

– радиоэлектронный узел;

– радиоэлектронное устройство;

– радиоэлектронный комплекс;

– радиоэлектронная система.

Наименьшей сложностью отличаются функциональные радиоэлектронные

узлы. Примеры: генераторы, модуляторы, усилители, детекторы, триггеры,

логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др. В их состав, в свою очередь, входят

«строительные кирпичики» – электронные компоненты: транзисторы,

полупроводниковые диоды, резисторы, конденсаторы, полупроводниковые

структуры и т.п.

Более сложными являются радиоэлектронные устройства, которые

представляют собой функционально законченную сборочную единицу,

выполненную на несущей конструкции и реализующую функции передачи,

приема и преобразования информации. Примеры: тракт СВЧ- или ВЧ-

приемника, тракт НЧ, регистры, счетчики, дешифраторы, аналого-цифровые

преобразователи (АЦП), цифро-аналоговые (ЦАП), сумматоры,

микропроцессоры, микроконтроллеры и др.

И, наконец, самые сложные по выполняемым функциям – это

радиоэлектронные комплексы и системы. Примеры: радиоизмерительные

комплексы, радиоуправляемые системы, системы наведения, системы слежения

и др.

Сущность процесса проектирования РЭС (пока не автоматизированного)

заключается в разработке конструкций и технологических процессов

производства новых РЭС, которые должны с минимальными затратами и

максимальной эффективностью выполнять предписанные им функции в

требуемых условиях.

Следует подчеркнуть, что в результате проектирования создаются новые

РЭС, которые отличаются от своих аналогов и прототипов использованием

новых физических явлений и принципов функционирования, более новой

элементной (компонентной) базы, улучшенных конструкций, прогрессивных

технологий и т.п. Для этого недостаточно создать более совершенную

аппаратуру, ее еще необходимо оптимизировать по широкому спектру

показателей: функциональных, конструкторско-технологических,

эксплуатационных и экономических. Очевидно, что при решении этой задачи

разработчики сталкиваются с необходимостью проанализировать большое

количество вариантов, причем по мере возрастания сложности

разрабатываемой аппаратуры количество таких вариантов значительно

возрастает.

Все это дало мощный толчок к интенсивному развитию новой технологии

проектирования РЭС с применением математических методов и средств

вычислительной техники, комплексной автоматизации проектных работ, что

позволило заменить макетирование и натурное моделирование математическим

моделированием с использованием методов многовариантного проектирования

и оптимизации. Главным средством автоматизации проектирования являются

персональные ЭВМ и управляемые ими технические средства.

Теперь дадим определение термину «автоматизированное

проектирование» в широком смысле этого слова:

это научно-техническое направление, которое заключается в применении

сочетания достижений вычислительной математики, теории

проектирования и средств вычислительной техники к задачам

проектирования реальных объектов той или иной физической природы.

Подчеркнем, что в дисциплине САПР измерительных устройств речь идет

об автоматизированном проектировании (АП), то есть компьютерном

проектировании с участием человека. Автоматическое проектирование (без

участия человека) в полном объеме – от формулирования технического задания

(ТЗ) до получения проектной технической документации на современном

уровне развития – в общем случае невозможно, разве только в случае очень

простых проектов, так как это творческий процесс, доступный только человеку.

Вот несколько примеров реальных объектов проектирования из области

энергетики, радиотехники, метрологии и электроники:

– проектирование высоковольтных электрических сетей, тепловых и

атомных электростанций;

– проектирование радиотехнических систем и устройств, в том числе

систем дистанционного экологического и энергетического мониторинга,

сложных электронных схем;

– проектирование информационно-измерительных систем (ИМС);

– трассировка печатных плат и др.

Особенно интенсивное развитие автоматизированное проектирование

получило в радиоэлектронике. Это объясняется следующими основными

причинами:

1) необходимостью разработки сложных ИМС с высокой степенью

интеграции – больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших ИМС

(СБИС), когда количество элементов (компонентов) достигает нескольких

миллионов на одном кристалле;

2) высокой экономической эффективностью методов автоматизированного

проектирования ИМС, поскольку для них стоимость проектирования

составляет значительную долю общих затрат на производство.

В настоящее время в теории АП применительно к радиоэлектронике

оформилось пять функциональных уровней проектирования, образующих

следующую иерархию:

– первый – уровень автоматизированного структурного проектирования

(АСтП);

– второй – уровень автоматизированного функционально-логического

проектирования (АФЛП);

– третий – уровень автоматизированного схемотехнического

проектирования (АСхП);

– четвертый – уровень автоматизированного компонентного

проектирования (АКП);

– пятый – уровень автоматизированного конструкторско-технологического

проектирования (АКТП).

Эти уровни различаются прежде всего сущностью решаемых задач и

вытекающим отсюда различием математических аппаратов. Так, на уровне

АСтП занимаются в большей степени системотехническим проектированием,

например, разработкой принципов построения измерительных и

радиоуправляемых систем, а также систем и сетей телекоммуникаций. При

этом широко применяется теория игр, теория массового обслуживания,

математический аппарат численных методов, статистическое моделирование.

В АФЛП занимаются, например, разработкой на функционально-

логическом уровне радиопередающих и радиоприемных устройств, а также

цифровых автоматов различной функциональной сложности, при этом широко

используется спектральный анализ, теория цифровых автоматов, логическая

математика и численные методы моделирования и преобразования сигналов.

В АСхП разрабатывают сложные электронные устройства и узлы, для чего

широко используют теорию электрических цепей с сосредоточенными

параметрами наряду с численными методами решения обыкновенных

дифференциальных уравнений.

В АКП разрабатываются новые пассивные и активные компоненты, в том

числе устройства на распределенных структурах и с использованием новых

физических принципов, например, устройства на приборах с зарядовой связью

и др. Для этого широко применяются методы математической физики и физики

твердого тела, а также численные методы решения уравнений в частных

производных.

Наконец, в АКТП занимаются конструкторско-технологическим

проектированием; здесь используются математические аппараты теории

принятия решений, направленных графов, а также многокритериальные

подходы к конструированию.

1. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

В ОБЛАСТИ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Следует подчеркнуть, что процесс автоматизации проектирования прошел

несколько этапов, прежде чем разработчики РЭС получили возможность

перейти от решения частных задач проектирования к такому совершенному

инструменту для выполнения системного проектирования как системы

автоматизированного проектирования.

Основные принципиальные отличия САПР от методов автоматизации,

решающих только частные задачи:

1) возможность комплексного решения общей задачи проектирования

(например, компьютерное моделирование сложной электронной схемы) и далее

- решение задачи размещения компонентов и трассировки печатной монтажной

платы;

2) реализация интерактивного режима проектирования, при котором

осуществляется непрерывный процесс диалога «человек – машина

(компьютер)»;

3) возможность имитационного моделирования радиоэлектронных систем

и комплексов в условиях работы, близких к реальным;

4) значительное усложнение программного и информационного

обеспечения проектирования, а также значительное усложнение технических

средств систем автоматизированного проектирования.

Современные САПР представляют собой сложный комплекс

математических, программных, технических и других средств [7, 8]. Поэтому в

составе САПР принято выделять следующие основные виды обеспечения их

функционирования (всего 7): математическое, лингвистическое (языковые

средства), программное, информационное, техническое, организационное и

методическое.

Дадим краткую характеристику каждому из перечисленных видов

обеспечения, имея в виду радиотехнические приложения [1, 9].

Математическое обеспечение включает в себя теорию, методы и

алгоритмы для организации вычислений в САПР. можно выделить, например

следующие два типа алгоритмов:

1) алгоритмы решения общих задач вычислительной математики, а

именно: решение систем линейных алгебраических уравнений, решение

обыкновенных дифференциальных уравнений и уравнений в частных

производных и т.п.

2) алгоритмы решения статистических задач: вычисление статистических

характеристик случайного процесса, построение гистограмм, аппроксимация

гистограмм теоретическим законом и т.д.

Лингвистическое обеспечение включает языковые средства. Языки,

используемые в САПР, можно разбить на две группы: языки программирования

и языки проектирования (рис.1).

Языки программирования предназначены для написания текстов программ.

К ним относятся языки высокого уровня (Фортран, Паскаль, С++ и др.) и

машинно-ориентированные языки – ассемблеры (или языки низкого уровня).

Последние позволяют создавать наиболее эффективные программы с точки

зрения вычислительных затрат (требуемых объемов памяти и времени счета).

Их существенный недостаток: программист должен дойти до уровня машинных

кодов.

Язык описания, в свою очередь, состоит обычно из трех частей: описание

объекта, описание задачи и описание директив проектирования. Описание

объекта типа транзистора, например, включает тип транзистора, тип его модели

в программе, т.к. один и тот же транзистор можно моделировать разными

схемами замещения, параметры этой модели, а также топологические связи

транзистора, т.е. номера узлов его подключения, записанные в определенной

последовательности (например, вначале номер узла базы, затем узла

коллектора, затем – эмиттера).

Рисунок 1 – Языки, используемые в САПР

В язык описания задачи входит описание рассчитываемых выходных

параметров, описание условий анализа параметров (например, тип

варьируемых внутренних параметров, шаг и диапазон варьирования и т.п.),

описание алгоритмов расчета, анализа и оптимизации, описание задания на

вывод результатов проектирования (например, что и в каком виде выводить:

таблица, график, чертеж; параметры выходного документа: шаг печати,

масштаб, диапазон и др.).

Язык описания директив проектирования. В простейшем случае он

состоит из перечисления режимов, в которых должна последовательно работать

САПР, например, перечень таких директив при схемотехническом

проектировании: «Статика», «Частотный анализ», «Временной анализ» и т.п.).

Языки моделирования описывают не только структуру и параметры

объекта проектирования, но и алгоритм его функционирования, т.е. связи

между соседними объектами в сложной системе, например процесс передачи и

преобразования сигнала от одного блока к другому.

Языки

программирования

Языки

проектирования

Языки

высокого

уровня

Языки

низкого

уровня

описания

моделирующие

диалоговые

Описание

объекта

Описание

задачи

Описание директив

проектирования

Языковые средства