Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций (1998) (1166121), страница 77
Текст из файла (страница 77)
Остальные элементы этой схемы используются в однотактном прямоходовом конверторе с оптропной обратной связью. Лекция 35. Компьютерное моделирование электронных сиГНВЛОВ Основные задачи и проблемы компьютерного моделирования. Развитие элекгроники и повышение сложности электронных устройств привели к необходимости повышения эффективности их проектирования. До недавнего времени прн проектировании электронных устройств использовались в основном два способа: расчет и экспериментальное исследование При этом расчет производился на математических моделях (аналитических или графических), а экспериментальное исследование -- на макете реального устройства.
По результатам экспериментального 389 Раздел 7 Источники элеат опитання зле~ онных ст ойств исследования делалось заключение о соответствии макета требованиям технического задания к характеристикам электронного устройства. При их расхождении обычно производилась доработка макета. При этом зачастую не учитывались многие факторы: разброс параметров элементов, влияние изменения климатических условий, возможные отказы элементов и др. Поскольку большинство электронных элементов являются существенно нелинейными, то проектирование электронных устройств практически полностью исключало применение простых аналитических расчетов. Это существенно затрудняло задачи проектирования на этапе расчета и возлагало повышенные требования к экспериментальным исследованиям макета.
Высокая стоимость электронных элементов и их дефицитность в конце концов привели к тому, что разработчикн электронной аппаратуры стали все чаще отказываться от экспериментальных исследований, для которых к тому же была нужна специальная дорогостоящая измерительная аппаратура. В таких условиях большое значение приобрели методы математического моделирования электронных устройств на компьютере. Основными целями такого моделированця электронных устройств могут быть: ° предсказание поведения устройства при стандартных и нестандартных ситуациях (например, поведение электронного устройства при отказе одного или нескольких элементов); .
изучение форм сигналов в различных местах электронного устройства при воздействии на него одного или нескольких сигналов (например. одновременное воздействие полезных сигналов и помех); обучение специалистов по разработке и проектированию электронных устройств. Компыотерпое моделирование электронных устройств имеет ряд преимуществ перед экспериментальным исследованием: стоимость моделирования на компьютере значительно меньше стоимости экспериментального макета; возможно моделирование поведения электронного устройства в критических ситуациях (например, при повышении или понижении питающих напряжений, при пробое конденсаторов или полупроводниковых элементов и др.); оптимизация параметров отдельных элементов устройств по заранее выбранному критерию (например, получение максимального усиления при изменении напряжения питания или сопротивления нагрузки); возможность масштабирования реалыюго времени протекания процесса, возможность широкого применения специальных программ н моделей электронных элементов; ° возможность идентификации параметров моделей.
Математические модели электронных элементов и устройств можно разделить на следующие группы: линейные и нелинейные, статические и динамические. с сосрелоточенными и распределенными параметрами, алалоговые„цифровые ~дискретные) и аналого-цифровые.
Лекция 35. Комльюте нос модели ование элект шшых сигналов При исследовании и моделировании линейных элементов и устройств используют системы линейных алгебраических или дифференциальных уравнений. При описании нелинейных моделей пользуются нелинейными алгебраическими или дифференциальными уравнениями. Статические модели обычно используют при расчете и моделировании режимов по постоянному току или напряжению, а динамические модели находят применение при анализе переходных нли частотных характеристик электронных устройств. В моделях с сосредоточенными параметрами используются обыкновенные дифференциальные уравнения, а в моделях с распределенными параметрами — - уравнения в частных производных.
Непрерывные модели могут иметь неограниченное множество значений токов и напряжений в заданном интервале их изменений. а дискретные модели могут находиться только в ограниченном (счетном) количестве состояний. Кроме то1 о, при моделировании электронных устройств пользуются моделями отдельных элементов (микромоделями) и моделями отдельных узлов (макро- моделями), в состав которых входит ограниченное множество элементов, например, модели операционных усилителей, компараторов, схем выборки н хранения, АЦП и ЦАП. При проектировании устройств, работающих на сверхвысоких частотах, в моделях учитываются распределенные параметры как самих элементов, так и их выводов.
Кроме того, имеются специальные программы, в которых учитываются паразитные эффекты печатных плат: паразитные индуктивности и емкости. Библиотека моделей электронных элементов непрерывно расширяется и совершенствуется. Крупнейшие отечественные и зарубежные фирмы уделяют больпюе внимание разработке моделей новых элементов электроники: мощных полевых транзисгоров с изолированным затвором, мощных биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ) и др. Программные средства моделирования электронных устройств. При моделировании электронных устройств используются три основных разповидносги программ: ° универсальные программы для математических расчегов, такие как Маг(1САО, МагЫ.АВ и др.; ° универсальньге программы для моделирования электронных устройств такие как М(сто-САРЧ, Р-8Р1СЕ А/1), АР1.АС 7.0; ° специализированные программы, используемые при моделировании определенного класса схем, например, БузГеш Ч1етт.
Наибольшее распространение получила универсальная программа схемотехнического моделирования Р-8Р1СЕ и ее версии б, 7 и 8. Эта программа впервые была разработала корпорацией Много Яш в 1984 г. для 1ВМ РС. Первая версия этой программы позволяла моделировать только щшлоговые устройства. В процессе совершенствования этой программы уже в 1989 была создана четвертая версия. которая позволяла моделировать также аналого-цифровые устройства.
В последу1ощих версиях 6, 7 и 8 была расширена библиотека электронных комгюнептов, а также введены программы проектирования печатных плат и учета их паразитных параметров. Раздел 7. Источники зле опитания злект нных ст ойств Программа М)ого-САР1 !М!сгосошрпгег С)гоп!! Апа!уа!а Ргойгаш) была разработана фирмой Бресггшп Бойтуаге в 1981 г.
В результате совершенствования этой программы в 1997 г, была создана программа М)сто-САРУ-2, которая включала большую картотеку компонентов (более 10 тыс. наименований), а также программу вариации параметров элементов. По своим возможностям программа М!сго- САР У-2 совсем немного уступает программе Р-КР1СЕ. Сравнительные характеристики этих программ приведены в табл. 35.1. Имеются две разновидности этой программы; профессиональная и учебная !студенческая). Профессиональная программа имеет объем около 4 Мб и поставляется или на трех дискетах или на СР В.ОМ. Учебная программа поставляется на одной дискете 1,4Мб Устанавливаются они обычным образом в среде ЪУ!пдозсз по команде БЕТГ)Р с указанием имени диска, на который нужно записать программу. Учебную программу М!сто-САР У можно получить по 1пгегле! обратившись на %еЬ-страницу: 1!11р:,Чвлвче.врес1гппз-во11.
сопз/с)егпо, )з)пт!. Программа Мзсго-САРУ имеет следующие основнь!е характеристики: 'большая библиотека элементов (более 10 тысяч), включающая многие аналоговые и цифровые интегральные микросхемы, биполярние и полевые транзисторы, различные диоды, трансформаторы и дроссели с ферромагнитными сердечниками„линии передачи сигналов, кварцевые резонаторы и датчики Холла и др., которые описаны в стандартной форме программы Р-ЗР1СЕ, благодаря чему обеспечивается их совместимостгл ' мощный графический редактор электрических схем с иерархической структурой; Тайница 35,1 Основные характеристики программ схемотехнического моделировании г.зР!сь мего-слв т Ха ра х гс рн стим Имеется Имеется Графический ввод схем Имеется Имое~ел Расчет режимов по постоянному и переменному току Имеется Имеется Расчет переходных процессов Имеется Имеется ~ Применение зависимых источников напряжения и тока Имеется Имеется Расче~ и!умов, спектров и вариация температуры Учет задержек распространения сигналов в цифров Программа идентификации параметров моделей Программа разработки печатных плат Программа параметрической оптимизации Расчет целостности сип!алов 392 Лекция 35.
Компьюте нее модели ование элект оиных сигналов возможность моделирования динамики электронных устройств по их функциональным схемам„включающим операции сложения, вычитания, перемножения и деления, интегрирования и дифференцирования и др.; возможность расчета параметров математических моделей элементов по справочным или экспериментальным данным, включая графические зависимости; возможность оптимизации электронных схем путем вариации параметров элементов; результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц„ имеются средства контроля ошибок и встроенные средства помощи.
В процессе работы с программой М)сто-САРЧ вначале создается принципи- альная схема электронного устройства, в которую включаются электронные эле- менты, их соединения, условные обозначения и параметры или типы. При этом допускается редактирование графических символов элементов и их условных обо- значений. Так, например, возможно представление всех компонентов по ЕСКД. После этого выполняется моделирование, которое включает один из типов анализов созданной схемы: расчет режимов по постоянному току (ПС-Апа!уиэ); . расчет частотных характеристик или анализ по переменному току (АСАпа1уэ)з), ° расчет переходных характеристик (Тгапыепг Апа!уаэ). При создании принципиальной схемы электронного устройства используются модели компонентов„имеющиеся в библиотеке программы, Все компоненты., ис- пользуемые при создании принципиальной электрической схемы, могут иметь математические модели двух типов: модели стацдартных элементов, например, резисторов, конденсаторов, транзисторов и др., которые не могут быть изменены пользователем программы, но у которых можно изменять значения отдельных параметров,.
° макромодели, составляемые пользователями по своему усмотрению из ставдартных элементов. Модели стандартных элементов бывают простыми и сложными. Простые модели характеризуются малым количеством параметров, которые можно ука. зывать на принципиальной схеме. Сложные модели характеризуются большим количеством параметров, которые имеются.в библиотеке, но на схеме обычно не приводятся. К числу простых моделей относятся, например„модели резисторов или конденсаторов. К числу сложных моделей относятся модели транзисторов, которые характеризуются большим числом параметров (например, биполярный транзистор описывается моделью, содержащей 52 параметра).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
