Лекция №9. Моделирование устройств на функционально-логическом уровне (1245002), страница 3
Текст из файла (страница 3)
п.). Она построена интуитивно понятнои работа с этой программой напоминает экспериментальную деятельность радиоинженера.В последнюю версию MultiSIM & Electronics Workbench v 6…. добавлены измеритель мощности, анализатор спектра и анализатор сети.Программа имеет большую библиотеку аналоговых и цифровых радиодеталей. В библиотеке содержатся сведения о транзисторах,диодах, резисторах, конденсаторах, триггерах, счетчиках, индикаторах и т. п.Испытуемая схема «монтируется» на виртуальном столе, и затем делаются необходимые измерения. При этом настройка виртуальныхизмерительных приборов осуществляется практически так же, как и настройка реальных приборов.
Создается полная иллюзия работыс конкретными действующими конструкциями. Программа допускает возможность вносить изменения в схему прямо в процессемоделирования (например, с помощью переменных резисторов или коммутируемых клавишами переключателей). Это существенноповышает наглядность моделирования. Изменение параметров измерительных приборов (например, осциллографа) даетвозможность исследовать сигналы в разных масштабах непосредственно в процессе моделирования. Это наиболее существенноеотличие данной системы (другие работают в пакетном режиме моделирования и не допускают изменения параметров устройства впроцессе его моделирования).Компания Applied Wave Research (AWR) специализируется на производстве систем проектирования и моделирования ВЧ и СВЧустройств для телекоммуникационного оборудования (сотовые телефоны, пейджеры, локальные системы спутникового цифровоговещания).
В 1998 году компания Applied Wave Research выпустила на мировой рынок САПР СВЧ устройств мощное интегрированноерешение Microwave Office для проектирования планарных СВЧ устройств, которое значительно потеснило позиции ближайшихконкурентов: Ansoft и Hewlett-Packard. Пакет Microwave Office был разработан исключительно для высокочастотных исверхвысокочастотных приложений. Например, стало возможным, используя метод гармонического баланса, настраивать несложныенелинейные схемы в реальном времени. Для этого дополнительно поставляется интерфейс связи с измерительной аппаратурой(пакет Softplot) обеспечивающий возможность совместного использования результатов измерений и моделирования.Счетное ядро программы может работать как в частотной, так и временной областях, и позволяет выполнять следующие виды анализасхем:- одночастотный и многочастотный методы гармонического баланса для анализа нелинейных схем;- статические и зависящие от времени ряды Вольтерра (для расчета интермодуляционных искажений- анализ смесителей (также называемый конверсионно-матричный анализ);- высокоскоростной метод линейного анализа;- высокоскоростной метод анализа шумов,- анализ переходных процессов– поддержка стандарта 3G/4G (цифровых сигналов WiMAX, и LTE); Начиная с 5 версиисистемы Microwave Office (Microwave Office 2002) обеспечивается возможность одновременного моделирования схем СВЧ и цифровойобработки сигналов.В версии Microwave Office компания AWR реализовала вычислительное ядро, интегрирующее собственную математику и алгоритмыHSPICE компании Synopsys, соглашение о партнерстве с которой было подписано в ноябре 2002 года.
Доступные ранее только дляанализа в частотной области EM модели микрополосковых и щелевых линий использованы как стандартные SPICE элементы.Аналогичным образом поддерживаются элементы, описанные матрицами S, Y или Z-параметров.Антенный анализ Microwave Office включает:– диаграммы направленности антенны, расчет поляризации, от круговой до эллиптической.;– расчет разнообразных характеристики антенн, включая усиление с учетом потерь;– просмотр и анимацию токов.Cамым современным пакетом проектирования СВЧ устройств в настоящей момент является совместный продукт компаний NationalInstrument и AWR под названием AWR Suite – система сквозного проектирования СВЧ узлов и систем.
(Компании NI и AWRобъединились в июле 2012г.)AWR Suite – это единая объектно-ориентированная модель, полнофункциональный набор инструментов, обеспечивающихсквозной цикл проектирования СВЧ систем и узлов с использованием возможностей системного моделирования, электромагнитногомоделирования линейных и нелинейных схем, генерации эквивалентных схем, взаимной верификации схемы и топологии,использования параметризованных топологических элементов.На системном уровне среда AWR Visual System Simulator позволяет создавать функциональные схемы будущих радиолокационныхкомплексов, проводя оценку таких параметров как коэффициенты шума и усиления, интефмодуляционные искажения и фазовыешумы, качество модяции на выходе передатчиков.Kш = Кш1 +(Кш2-1)/Ку1 +(Кш3-1)/Ку1 *Ку2 +…На физическом уровне платформа Microwave Office предлагает различные варианты пакетов разработки линейных устройств ( МШУ,коэффициенты шума и усиления, фильтры, НО) на основе микрополосковых и подобных 2,5D структур, нелинейных цепей в видеусилителей мощности, смесителей, генераторов на основе метода гармонического баланса (HB), пакеты анализа 3D структур,библиотеки стандартных элементов СВЧ интегральных схем, средства топологического проектирования.
Имеется возможностьсовместного проектирования ВЧ и СВЧ узлов в одной структуре.Среда AWR Suite включает в себя несколько инструментов электромагнитного моделирования от планарных и многослойных структур,монолитных схем СВЧ до трехмерных неоднородных структур в виде волноводов, разъемов, переходов, ферритов с расчетами пометоду конечных элементов.В области комплексного моделирования систем цифровой связи пакет VSS позволяет анализировать и рассчитыватьприемопередающие тракты мобильной связи, производить тестирование операций кадрирования, кодирования, модуляциии т.д. иимеет библиотеки для оценки качества всех современных протоколов, таких как LTE, WiFi, WiMax, W-CDMA, GSM/EDGE.russia.ni.com ›sites/default/files/AWR Suite…СВЧ…Функциональный уровень проектирования аналоговых устройств.На функционально-логическом уровне исследуют устройства, в качестве элементов которых принимаютдостаточно сложные узлы и блоки, считавшиеся системами на макроуровне.
Поэтому необходимо упроститьпредставление моделей этих узлов и блоков по сравнению с их представлением на макроуровне. Другимисловами, вместо полных моделей узлов и блоков нужно использовать их макромодели.Вместо двух типов фазовых переменных в моделях функционально-логического уровня фигурируютпеременные одного типа, называемые сигналами. Физический смысл сигнала, т.е.
его отнесение к фазовымпеременным типа потока или типа потенциала, конкретизируют в каждом случае отдельно, исходя изособенностей задачи.Основой моделирования аналоговых устройств на функционально-логическом уровне являетсяиспользование аппарата передаточных функций. При этом модель каждого элемента представляют ввиде уравнения вход -выход, т.е. в видегдеи— сигналы на выходе и входе узла соответственно.(1)Если узел имеет более чем один вход и один выход, то в (1) скалярыистановятся векторами.Однако известно, что представление модели в виде (1) возможно только, если узел являетсябезынерционным и в полной модели узла не фигурируют производные.Для получения уравнения (1) в общем случае требуется предварительная алгебраизация полной модели,которую выполняют с помощью преобразования Лапласа, переходя из временной области в пространствокомплексной переменной (Р).В случае применения преобразования Лапласа появляются ограничения на использование нелинейныхмоделей, а именно: в моделях не должно быть нелинейных инерционных элементов.
Другое упрощающеедопущение при моделировании на функционально-логическом уровне — неучет влияния нагрузки нахарактеристики блоков.Тогда в моделях типа (1) имеют место не оригиналы, а изображения сигналовгдеи— передаточная функция звена. (2)Передаточная функция звена.В теории управления передаточной функцией звена W(S) называется отношение изображений Лапласавыходной и входной величин при нулевых начальных условиях. Переходная характеристика – это реакциясистемы на единичное ступенчатое воздействие (скачок). Т.о. ее определение дается на основепреобразования Лапласа.
Рассмотрим динамическое звено (рис.2.4), описываемое дифференциальнымуравнением. (2.3)Рис.2.4Или в символической записис начальными условиями:ТогдаПрименив преобразование Лапласа к уравнению (2.3), получим, (2.5)где через B(S) обозначен многочлен, включающий в себя все члены с величинами начальных условий.При нулевых начальных условиях В( S) =0.В этом случае динамические свойства звена характеризуются передаточной функцией, (2.6)Преобразования Лапласа.
Преобразование Лапласа устанавливает взаимно однозначное соответствиемежду исходной функцией времени f(t) и другой функцией другой (комплексной)переменной F(p). Например, функционирование некоторой системы описывается ДУ вида(2.7)где х и у - входная и выходная величины. Если в данное уравнение вместо x(t) и y(t) подставитьфункции X(s) и Y(s) комплексного переменного s такие, чтои(2.8)то исходное ДУ при нулевых начальных условиях равносильно линейному алгебраическому уравнениюa2 s2 Y(s) + a1 s Y(s) + a0 Y(s) = b1 X(s) + b0 X(s)..Такой переход от ДУ к алгебраическому уравнению называется преобразованием Лапласа,формулы (2.7) соответственно формулами преобразования Лапласа, а полученное уравнение - операторнымуравнением. Новые функции X(s) и Y(s) называются изображениями x(t) и y(t) по Лапласу, тогда какx(t) и y(t) являются оригиналами по отношению к X(s) и Y(s).Переход от одной модели к другой достаточно прост и заключается в замене знаковдифференциаловна операторы Sn, знаков интеграловна множители 1/s , асамих x(t) и y(t) - изображениями X(s) и Y(s).Для обратного перехода от операторного уравнения к функциям от времени используется обратноепреобразование Лапласа.(2.9), где f(t) - оригинал, F(j ) - изображение при s = j , j - мнимаяединица,- частота.Эта формула достаточно сложна, поэтому были разработаны специальные таблицы, в которыесведены наиболее часто встречающиеся функции F(s) и их оригиналы f(t).
Они позволяют отказаться отпрямого использования формул (2.8-2.9).Примеры типовых звеньев. Звеном системы называется ее элемент, обладающий определеннымисвойствами в динамическом отношении. Звенья систем регулирования могут иметь разную физическуюоснову (электрические, пневматические, механические и др. звенья), но относится к одной группе.Соотношение входных и выходных сигналов в звеньях одной группы описываются одинаковымипередаточными функциями.Простейшие типовые звенья:усилительное,интегрирующее,дифференцирующее,апериодическое,колебательное,запаздывающее.1). Усилительное звеноW(s) = КЗвено усиливает входной сигнал в К раз.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
