1 Автоматизация конструкторского и технологического проектирования Лекции- 34 час. Практические занятия- 17 час. Лабораторные работы- 34 час. Курсовая. - презентация

1 1 Автоматизация конструкторского и технологического проектирования Лекции- 34 час. Практические занятия- 17 час. Лабораторные работы- 34 час. Курсовая работа- 17 час. Самостоятельная работа - 88 час.

2 2 Компьютеры на основе электронных ламп. Первое поколение Быстродействие машины 2000 оп/с. Элементарная база 6200 электровакуумных ламп, полупроводниковых диодов. Оперативная память слов. Постоянное ЗУ на полупроводниковых диодах. Внешнее ЗУ два накопителя на магнитной ленте. Ввод данных с перфокарт и с магнитной ленты. Вывод данных на магнитную ленту, на перфокарты и на широкоформатный принтер.

3 3 Компьютеры на основе транзисторов. Второе поколение БЭСМ-6

4 4 Компьютеры на основе транзисторов. Второе поколение Эффективное быстродействие машины до операций/с. Среднее время решения системы линейных алгебраических уравнений 17-го порядка 10 мин. Емкость ОЗУ 8 К и цикл обращения 12 мкс. Для хранения микропрограмм служит ПЗУ трансформаторного типа емкостью 1,6 млн. бит с циклом обращения 4 мкс.

5 5 Тема 1. Автоматизированное проектирование

6 6 Автоматизированное проектирование В начале 70-х годов появился новый термин "автоматизированное проектирование", возвестивший о рождении нового, бурно развивающегося направления науки и техники. Суть этого термина трактуется в ГОСТ как проектирование, осуществляемое взаимодействием человека и ЭВМ.ГОСТ

7 7 Увеличение функциональной сложности, расширения спектра новых потребительских функций, увеличение номенклатуры при одновременном сокращении сроков проектирования, снижении затрат на изготовление и возрастающие требованиях к качеству. Конкурентоспособность в этих условиях возможна только при качественном изменении подхода к процессам проектирования и производства РЭС, с применением современных информационных технологий. Автоматизированное проектирование

8 8 Цель и предмет автоматизированного проектирования В настоящее время термин "автоматизация проектирования» характеризует целое научно-техническое направление базирующееся на современных достижениях физики, математики, вычислительной техники и теории проектирования. Цель автоматизации проектирования - повышение качества, снижение материальных затрат, сокращение сроков проектирования и повышение производительности труда проектировщиков. Предметом автоматизации проектирования являются формализация проектных процедур, структурирование и типизация процессов проектирования, постановки, модели, методы и алгоритмы, информационная поддержка решения проектных задач, а также технические средства и способы их объединения в единую проектирующую систему.

9 9 Проектирование стадии, этапы, проектные процедуры, операции. Проектирование как процесс, развивающийся во времени, расчленяется на: Под проектированием понимается процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующей аппаратуры.

10 10 Стадии проектирования Техническое предложение, связанное с обоснованием целесообразности разработки, с поиском принципиальных возможностей построения системы, исследованием новых принципов, структур, технических средств и обоснованием наиболее общих решений.

11 11 Стадии проектирования Эскизный проект, на стадии которого проверяется корректность и реализуемость основных принципов и положений, определяющих функционирование будущей РЭС.

12 12 Стадии проектирования Технический проект, на стадии которого выполняется всесторонняя проработка всех частей проекта, конкретизируются и детализируются технические решения.

13 13 Стадии проектирования Рабочий проект, на стадии которого формируется вся необходимая документация для изготовления спроектированной РЭС на конкретном предприятии.

14 14 Этап проектирования проектирование компонентов; схемотехническое проектирование; функционально-логическое проектирование; топологическое проектирование. Этап проектирования - составная часть любой из стадий проектирования, сводящейся к выполнению проектных операций и процедур, относящихся к одному аспекту или иерархическому уровню. Например, при проектировании интегральных схем выделяют этапы:

15 15 Проектная процедура разработка чертежа изделия; расчет характеристик усилителя; выбор типовой конструкции функционального узла. Проектная процедура - формализованная совокупность действий, выполнение которых оканчивается проектным решением. Примерами проектных процедур могут служить: Проектное решение - промежуточное или окончательное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования.

16 16 Проектная операция подготовка исходных данных для электрического расчета; оформление чертежа детали в соответствии с ЕСКД; оформление отчета. Проектная операция - действие или формализованная совокупность действий, составляющих часть проектной процедуры, алгоритм которых остается неизменным для ряда проектных процедур. Примерами проектных операций могут служить:

17 17 Виды проектирования Нисходящее проектирование ("сверху вниз") характеризуется тем, что решение задач более высоких иерархических уровней предшествует решению задач нижних уровней. При этом исходные данные для проектирования представляются в виде технического задания (ТЗ) для высшего иерархического уровня. Восходящее проектирование ("снизу вверх") - проектирование, при котором вначале разрабатываются элементы системы, а затем система из этих элементов. Объекты, проектируемые на каждом уровне восходящего проектирования, должны стать типовыми, предназначенными для многих применений. При нисходящем проектировании система разрабатывается в условиях, когда ее элементы еще не существуют и, следовательно, можно сформулировать требования к их функциональным характеристикам, а затем попытаться удовлетворить их. При восходящем проектировании, наоборот, функциональные характеристики элементов известны, а требования к системе носят предположительный характер и их пытаются удовлетворить. При практическом проектировании сложных систем обычно используются черты как нисходящего так и восходящего проектирования. Однако, в обоих случаях проектирование ведется в условиях недостатка информации.

18 18 Уровни проектирования Схемотехническое проектирование связано с отображением функциональных характеристик и основных принципов действия и находит выражение в структурных, функциональных и принципиальных электрических схемах и сопутствующих им документам. При проектировании РЭС различают три уровня проектирования: схемотехническое, конструкторское и технологическое

19 19 Уровни проектирования Конструкторское проектирование связано с реализацией результатов схемотехнического проектирования в конкретных геометрических формах и расположении в пространстве.

20 20 Уровни проектирования Технологическое проектирование связано с реализацией результатов конструкторского проектирования в виде изготовления образцов аппаратуры определенным способом и на конкретном оборудовании.

21 21 Терминология автоматизированного проектирования Автоматизированное проектирование - проектирование осуществляемое взаимодействием человека и ЭВМ. Система автоматизированного проектирования - комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации и коллективом специалистов, выполняющих проектирование. Комплекс средств автоматизации проектирования - совокупность семи видов обеспечения автоматизированного проектирования

22 22 Системы автоматизированного проектирования. Основные понятия ГОСТ Задание на проектирование в САПР: Первичное описание объекта проектирования в заданной форме Проектное решение в САПР: Описание в заданной форме объекта проектирования или его части, необходимое и достаточное для определения дальнейшего направления проектирования Типовое проектное решение в САПР: Проектное решение, предназначенное для повторного использования при проектировании Результат проектирования в САПР: Проектное решение (совокупность проектных решений), удовлетворяющее заданным требованиям, необходимое для создания объекта проектирования Проектный документ в САПР: Документ, выполненный по заданной форме, в котором представлено одно или несколько проектных решений Алгоритм проектирования в САПР: Совокупность предписаний, необходимых для выполнения проектирования Язык проектирования в САПР: Язык, используемый в системе автоматизированного проектирования и предназначенный для представления и преобразования описаний при проектировании Программно-методический комплекс системы автоматизированного проектирования; ПМК САПР: Взаимосвязанная совокупность компонентов программного, информационного и методического обеспечения системы автоматизированного проектирования, включая, при необходимости, компоненты математического и лингвистического обеспечения, необходимая для получения законченного проектного решения по объекту проектирования или выполнения унифицированной процедуры

23 23 Архитектура современной САПР DesPM - Design Process Management PDM - Product Data Management CASE - Computer Aided Software Engineering Операционная система Системная среда САПР Проектирующие подсистемы DesPMPDMCASE

24 24 Виды обеспечения автоматизированного проектирования 1. Техническое обеспечение - совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения проектирования. 2. Математическое обеспечение - совокупность математических методов, математических моделей и алгоритмов проектирования, представленных в заданной форме. 3. Программное обеспечение - совокупность машинных программ проектирования. 4. Информационное обеспечение - совокупность сведений необходимых для выполнения автоматизированного проектирования, представленных в заданной форме. 5. Лингвистическое обеспечение - совокупность языков проектирования, включая термины и определения, правила формализации естественного языка, методы сжатия и развертывания текстов. 6. Методическое обеспечение - совокупность документов устанавливающих состав, правила отбора, эксплуатации средств автоматизированного проектирования в конкретном процессе создания определенного класса аппаратуры. 7. Организационное обеспечение - совокупность документов, устанавливающих состав проектной организации и ее подразделений, связи между ними, их функции, а также форму представления результатов проектирования и порядок рассмотрения проектных документов.

25 25 Техническое обеспечение САПР Техническое обеспечение - совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения проектирования. Сканеры Плоттеры Планшеты Рабочие станции Принтеры Дигитайзеры

26 26 Математическое обеспечение САПР Математическое обеспечение - совокупность математических методов, математических моделей и алгоритмов проектирования, представленных в заданной форме.

27 27 Системы для рабочих станций Программное обеспечение САПР Программы/ ФункцииPSpiceMicro-Cap Eteclronics WorkBench Моделирование частотных характеристик +++ Моделирование статического режима +++ Моделирование временных характеристик +++ Расчет чувствительности +++ Наихудший случай ++ Статистика +++ Оптимизация + Анализ Фурье +++ Идентификация параметров базовых моделей +++ Системы, ориентированные на Интернет Программное обеспечение - совокупность машинных программ проектирования

28 28 Информационное обеспечение САПР Информационное обеспечение - совокупность сведений необходимых для выполнения автоматизированного проектирования, представленных в заданной форме. Информационная система Информационная база Интерфейс Проектные модули (программы) Пользователи САПР (конструкторы) Рис. 1. Схема информационного обеспечения САПР

29 29 Лингвистическое обеспечение САПР Лингвистическое обеспечение - совокупность языков проектирования, включая термины и определения, правила формализации естественного языка, методы сжатия и развертывания текстов. Лингвистическое обеспечение САПР состоит из языков программирования, проектирования и управления. Языки программирования служат для разработки и редактирования системного и прикладного программного обеспечения САПР. Языки проектирования это проблемно- ориентированные языки, служащие для обмена информацией об объектах и процессе проектирования между пользователем и ЭВМ. Языки управления служат для формирования команд управления технологическим оборудованием, устройствами документирования, периферийными устройствами ЭВМ.

30 30 Язык описания данных системы Spice BJT Characteristics.model qКT312a NPN(Is=23.68f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=60 Bf=108 Ne=1.206 Ise=23.68f Ikf=.1224 Xtb=1.5 Br=4.387 Nc=1.8 Isc=900p Ikr=20m Rc=10 Rb=30 Cjc=7p Mjc=.333 Vjc=.7 Fc=.5 Cje=10p Mje=.333 Vje=.7) ib 0 1 DC 0 Q q2T312a vce 2 0 0V.control destroy all save all * Расчет выходных ВАХ foreach basecurrent 0.2e-3.4e-3.6e-3.8e-3 1.0e-3 = $basecurrent dc vce end plot abs(dc1.vce#branch) abs(dc2.vce#branch) abs(dc3.vce#branch) abs(dc4.vce#branch) abs(dc5.vce#branch) xlabel Vce ylabel Ic * Расчет входных ВАХ foreach voltcol 0 5 = $voltcol dc ib 0 0.8e-3.001e-3 end plot abs(dc6.v(1)) abs(dc7.v(1)) xlabel Ib ylabel Vbe.endc 2 1 0

31 31 Методическое обеспечение САПР Методическое обеспечение - совокупность документов устанавливающих состав, правила отбора, эксплуатации средств автоматизированного проектирования в конкретном процессе создания определенного класса аппаратуры. Разработка методического обеспечения САПР РЭС требует специальных знаний в областях радиотехники, электроники, в частности, системотехники, схемотехники и микроэлектроники, конструирования и технологии производства РЭС. Теория процессов, происходящих в схемах и конструкциях РЭС; Методы анализа и синтеза схем и конструкций радиоэлектронных устройств, систем и их составных частей; Терминология; Нормативы; Стандарты.

32 32 Организационное обеспечение САПР Организационное обеспечение - совокупность документов, устанавливающих состав проектной организации и ее подразделений, связи между ними, их функции, а также форму представления результатов проектирования и порядок рассмотрения проектных документов. Положения. Инструкции. Приказы. Штатные расписания. Квалифицированные требования. Другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений проектной организации и взаимодействие подразделений с комплексом средств автоматизированного проектирования.

33 33 Схема процесса автоматизированного проектирования

34 34 Схема процесса автоматизированного проектирования

35 35 Техническое задание Включает: назначение объекта; требования к выходным характеристикам в виде условий работоспособности: показатели надежности: вероятность безотказной работы, время эксплуатации, срок службы и др.; условия эксплуатации: влажность, давление, температура и др.; специальные воздействия: вибрация, удары, акустический шум, радиация и др.; условия хранения и транспортировки.

36 36 Проект РЭС Эвристический набросок схемы и конструкции. На этом этапе разрабатываются эскизы структурной и функциональной схем устройства, производится предварительная компоновка и размещение. Электрическая схема Эскиз конструкции

37 37 Физическая модель На основе эскизов схем и конструкций производится формализация проекта, результатом которой являются физические модели схемы и конструкции, составленные в терминах соответствующего научного направления, например, электрические - в терминах электротехники, механические - в терминах механики, тепловые - в терминах теории теплообмена. Формализация проекта производится с позиции системного подхода и заключается в учете тех или иных факторов, влияющих на функционирование аппаратуры при построении физических моделей.

38 38 Математическая модель На основе физических моделей получают математические модели, полученные с использованием математических методов и законов соответствующих наук. Они являются основой для расчета выходных характеристик, проектируемой аппаратуры, а также параметров и факторов по которым оценивается фактическое состояние схемы или конструкции.

39 39 Информационная модель Включает в себя расчетные значения выходных характеристик, требования технического задания, информацию из технических условий на элементы схемы и конструкции, расчетные значения электрических, тепловых и механических режимов работы элементов, показатели, определяющие надежность и качество изделия, а также множество внутренних параметров схемы и конструкции, которые могут быть управляемыми. Под множеством управляемых параметров понимается перечень внутренних параметров аппаратуры, которые можно изменять в процессе проектирования, для улучшения выходных характеристик аппаратуры и режимов работы ее элементов.

40 40 Модель чувствительности Путем сопоставления требований ТЗ с расчетными характеристиками, режимов работы элементов с допустимыми режимами, приведенными в технических условиях выявляются те характеристики и режимы работы элементов которые необходимо изменить и на этой основе строится модель чувствительности.

41 41 Проектные задачи Существует три группы проектных задач: 1. Задачи синтеза, расчета и оптимизации структуры и параметров схемы и конструкции. 2. Задачи исследования разбросов параметров вокруг номинальных значений. 3. Задачи обеспечения показателей надежности и качества. Функции чувствительности, показывающие степень влияния управляемых параметров на выходные характеристики.

42 42 Схема процесса автоматизированного проектирования Процесс проектирования носит итерационный характер т.к. решения в этом процессе принимаются в условиях отсутствия полной информации. Процесс проектирования реализуется путем моделирования физических процессов, протекающих в аппаратуре при ее функционировании.

43 43 Классификация проектных задач Задачи синтеза технических объектов направлены на создание новых вариантов проектных решений Задачи анализа технических объектов направлены на изучение их свойств Задачи оптимизации направлены на поиск не любого, а наилучшего, в некотором смысле, проектного решения Учесть влияние разбросов параметров элементов на выходные характеристики и уменьшить это влияние позволяет решение задачи исследования разбросов Задача обеспечения надежности направлена на достижение, заданных в техническом задании, показателей надежности

44 44 Моделирование в процессе автоматизированного проектирования Под моделью аппаратуры, понимается представленное в той или иной форме математическое описание, которое адекватно отражает сущность и характерные свойства рассматриваемого физического процесса, протекающего в схеме и конструкции аппаратуры.

45 45 Модель электрических процессов Электрическими называются модели РЭС, отображающие процессы, протекающие в принципиальных схемах аппаратуры с учетом паразитных параметров конструкций. Рис.3. Результаты моделирования Рис.1. Электрическая принципиальная схема Рис.2. Модель электрических процессов

46 46 Модель тепловых процессов Моделью тепловых процессов называется, представленная в виде ненаправленного графа, схема путей распространения тепловых потоков в конструкции. Рис.2. Вид модели тепловых процессов Рис. 1. Эскиз печатного узла Рис. 3. Температурное поле печатного узла

47 47 Пример влияния тепловых процессов на электрические С увеличением температуры транзистора с 25 0 С до 40 0 С, т.е. всего на 15 0 С, рабочая точка транзистора сместилась в сторону насыщения и, следовательно, входной сигнал усиливается с искажениями. Рис.1. Электрическая принципиальная схема Рис.2. Результаты моделирования при T=25 0 C Рис.3. Результаты моделирования при T=40 0 C

48 48 Модель механических процессов Рис. 3. Поле напряжений Рис. 2. Поле ускорений Рис. 4. Графики ускорений в контрольных точках Рис. 1. Эскиз блока Механическими называются модели РЭС, отображающие процессы, протекающие в конструкциях аппаратуры при воздействии ударов и вибраций.

49 49 Модель надежности и качества Схема расчёта надёжности

50 50 Схема алгоритма методики моделирования РЭС

51 51 Тема 2. Автоматизированное схемотехническое проектирование

52 52 Задачи автоматизированного схемотехнического проектирования ИТ для моделирования электрических процессов позволяют решать ряд проектных задач, к которым относятся: оценка реализуемости электрической схемы и достижения заданных в ТЗ требований к выходным характеристикам; выбор наилучшего варианта из нескольких электрических схем; отработка схемы по выходным характеристикам и электрическим режимам работы радиоэлементов. Исходными данными для решения этих задач являются: электрическая принципиальная схема аппаратуры; перечень элементов; справочные данные о параметрах радиоэлементов. Решение вышеперечисленных задач сводится к моделированию: электрической схемы в статическом режиме; частотных характеристик схемы; переходных процессов в схеме; спектральных составляющих выходных сигналов; функций чувствительности выходных характеристик к изменению параметров элементов. Точность и достоверность результатов моделирования в значительной степени зависит от применяемых моделей радиоэлементов и методов расчета

53 53 Базовые модели элементов

54 54 Классификация моделей элементов РЭС Требования к моделям элементов 1. Точность - характеризует степень адекватности модели реальному объекту. 2. Экономичность - характеризует затраты памяти ЭВМ на описание модели и время расчета с ее применением. 3. Универсальность - характеризует диапазон изменения переменных величин, при которых модель дает приемлемую точность.

55 55 Модели резистора, конденсатора, индуктивности U - напряжение на элементе; I - ток через элемент; R - сопротивление резистора; С - емкость конденсатора; L - индуктивность катушки Аналитическими моделями идеальных резистора, конденсатора и катушки индуктивности являются уравнения: где Топологические модели радиоэлементов Резистор Конденсатор Катушка индуктивности

56 56 Модели зависимых источников источник тока, управляемый напряжением, источник напряжения, управляемый напряжением, источник тока, управляемый током, источник напряжения, управляемый током. Четыре типа зависимых источников: U S – напряжение источника, I S – ток источника, U, I – управляющее напряжение и ток, g, e, f, h – соответствующие коэффициенты,,,

57 57 Модель полупроводникового диода Рис. 2. ВАХ диода Рис. 3. ВФХ диода Рис. 4. Обратная ВАХ диода Обозначение Наименование параметра IsIs Ток насыщения mV t Температурный потенциал RDRD Сопротивление диода C0C0 Емкость при нулевом смещении n Показатель степени Постоянная времени Контактная разность потенциалов UcUc Напряжение стабилизации Рис. 1. Модель диода Модель диода описывает работу диода во всех режимах

58 58 Модель биполярного транзистора Рис. 1. Входные ВАХРис. 2. Выходные ВАХРис. 3. ВФХ pn-переходов Обозн.Наименование параметра I se, I sk Токи насыщения эмиттера и коллектора mV te, mV tc Температурные потенциалы эмиттера и коллектора N, I Коэффициенты усиления по току при прямом и инверсном включении в схеме с ОЭ Контактная разность потенциалов V N, V I Коэффициенты усиления по напряжению при прямом и инверсном включении в схеме с ОЭ N, I Постоянные времени при прямом и инверсном включении C0e,C0cC0e,C0c Барьерные емкости эмиттера и коллектора при нулевом смещении ne,ncne,nc Показатели степени в уравнениях барьерных емкостей Модель описывает работу транзистора во всех режимах исключая пробой

59 59 Модель полевого транзистора Обозначение Наименование параметра IsIs Ток насыщения pn-перехода mV t Температурный потенциал pn-перехода Коэффициент пропорциональности Коэффициент модуляции длины канала Контактная разность потенциалов C gs, C gd Барьерные емкости эмиттера и коллектора при нулевом смещении m s, m d Показатели степени в уравнениях барьерных емкостей Модель описывает работу транзистора во всех режимах исключая пробой Рис. 1. Модель полевого транзистора Рис. 2. Выходные ВАХ

60 60 Макромодель операционного усилителя Обозначение Наименование параметра KоKо Коэффициент усиления без ОС f гр Граничная частота сигнала (частота единичного усиления) R вх Входное сопротивление R вых Выходное сопротивление Область определения модели выделена серым прямоугольником Рис. 1. Частотная характеристика Рис. 2. Характеристика вход-выход

61 61 Макромоделирование элементов РЭС

62 62 Определение Увеличение степени интеграции современной РЭС. Применение в качестве элементов интегральных микросхем с большой функциональной насыщенностью. Экспоненциальная зависимость времени расчета от количества параметров модели. Отсутствие универсальных методов расчета, позволяющих анализировать модели любой сложности. Макромодель - упрощенная модель, связывающая входные и выходные характеристики функционального узла с частичным раскрытием его внутренних параметров

63 63 Классификация методов макромоделирования элементов РЭС

64 64 Построение описания вход-выход Метод применяется для построения моделей в виде одного или нескольких аналитических выражений, связывающих входные и выходные характеристики U out = K u U in где f - частота в Герцах, При получении макромодели использованы формальные математически преобразования, а в полученной макромодели сохранились исходные параметры R и C

65 65 Редукция топологических моделей Для топологических моделей применение методов редукции сводится к исключению из не направленного графа внутренних узлов

66 66 Редукция структурных моделей Структурные модели чаще всего применяются для описания структурных схем РЭС. Редукция производится по правилам преобразования направленных графов, которые приведены ниже. 1. Последовательное соединение ребер

67 67 Редукция структурных моделей 2. Параллельное соединение ребер

68 68 Редукция структурных моделей 3. Наличие обратной связи

69 69 Редукция структурных моделей 4. Ликвидация петли При использовании методов редукции не происходит исключения из полной модели маловлияющих ветвей, поэтому свойства модели полностью сохраняются.

70 70 Упрощение на основе ФЧ Метод заключается в устранении из полной модели ребер и ветвей с параметрами, мало влияющими на выходные характеристики. TTL - вентиль Рис. 1. Электрическая схема TTL вентиля Рис. 2. Передаточная характеристика TTL вентиля

71 71 Упрощение на основе ФЧ Рис. 2. Структура упрощенной модели Эберса-Молла Рис. 3. Структура полной модели TTL - вентиля Рис. 1. Передаточная характеристика TTL вентиля

72 72 Упрощение на основе ФЧ ФЧ - первая производная выходной характеристики к изменению параметра и, следовательно, модель, полученная в результате исключения ветвей c малыми значениями ФЧ может быть справедлива лишь в ограниченном диапазоне переменных величин. Передаточная характеристика TTL вентиля

73 73 Упрощение на основе идеализации Метод, основан на принципе подобия и сводится к замене в полной модели моделей радиоэлементов и отдельных каскадов их идеальными эквивалентами Рис. 1. Электрическая схема интегрального стабилизатора

74 74 Упрощение на основе идеализации Исключим из рассмотрения каскад защиты стабилизатора по току, собранный на транзисторе Т9 и каскад выключения, собранный на транзисторе Т8 т.к. эти узлы не оказывают влияния на работу стабилизатора в нормальном режиме. Рис. 1. Передаточная характеристика стабилизатора напряжения Рис. 2. Схема интегрального стабилизатора с исключенными каскадами защиты

75 75 Упрощение на основе идеализации Замена источника опорного напряжения и источника тока их эквивалентами Рис. 1. Структура модели стабилизатора с идеальными эквивалентами источников опорного напряжения и тока

76 76 Упрощение на основе идеализации Замена усилителя мощности, выполненного по схеме Дарлингтона на эквивалент на одном транзисторе с коэффициентом усиления равным произведению коэффициентов усиления транзисторов Т6 и Т7. Рис. 1. Структура модели стабилизатора с эквивалентной заменой усилителя мощности

77 77 Упрощение на основе идеализации Замена узла сравнения, выполненного на базе дифференциального каскада его квазиидеальной моделью Рис. 1. Структура модели стабилизатора с эквивалентной заменой узла сравнения

78 78 Упрощение на основе идеализации В результате процедуры упрощения мы получили целый спектр моделей интегрального стабилизатора напряжения. Процесс упрощения на основе идеализации, приводит к снижению степени универсальности модели. В результате упрощения получена структура модели, содержащая параметры, значения которых не известны и требуют идентификации.

79 79 Математическая модель схемы и методы ее расчета

80 80 Математическая модель схемы и методы ее расчета Математическая модель электрической схемы формируется на основе моделей элементов и их схемы соединений. Например, если взять электрическую схему любого функционального узла и заменить в нем все элементы схемы их топологическими моделями, то мы получим топологическую модель этого узла. На основе топологической модели узла строится его аналитическая модель, которая представляет собой систему уравнений. Вид системы уравнений, получаемой при переходе от топологической модели к аналитической, определяется видом проводимого расчета. Статический режим. Временная область. Частотная область.

81 81 Математическая модель схемы в статическом режиме В базисе узловых потенциалов математическая модель электронной схемы в статическом режиме представляет собой систему нелинейных алгебраических уравнений и имеет вид: где I(V) - вектор узловых токов; V - вектор узловых потенциалов. Наиболее распространенным методом решения систем нелинейных уравнений, описывающих статический режим электронной схемы является метод Ньютона-Рафсона

82 82 Метод Ньютона-Рафсона Для нахождения очередного (m+1)-приближения к решению системы производят линеаризацию системы в точке предыдущего приближения V : - матрица Якоби; - вектор приращений узловых потенциалов; - вектор узловых токов. Сходимость метода определяется условием:

83 83 Геометрическая интерпретация метода Ньютона на примере одного уравнения с одним неизвестным Рассмотрим уравнение Его разложение в ряд Тейлора в окрестности имеет вид: Предположим, что справедливо допущение того, что было удовлетворительным приближением, тогда справедливо:

84 84 Геометрическая интерпретация метода Ньютона на примере одного уравнения с одним неизвестным Нашей целью является выбор такого x j+1, чтобы оно стало решением уравнения Следовательно, если наше предыдущее предположение справедливо, x j+1 должно быть выбрано таким, что Метод сходится, только в том случае, если точка начального приближения достаточно близка к точке решения.

85 85 Повышение сходимости метода Ньютона

86 86 Повышение сходимости метода Ньютона. Метод продолжения решения по параметру Введем систему нелинейных алгебраических уравнений: где t – параметр, изменяющийся от 0 до 1, такой, что при t=0 имеет известное решение, а при t =1 соответствующее решению системы уравнений (1). (1) При этом основное требование заключается в том, чтобы функция была непрерывной при изменении t от 0 до 1. Тогда изменяя параметр t от 0 до 1 и, решая для каждого t систему уравнений (1) методом Ньютона - Рафсона можно найти последовательность и получить требуемое решение.

87 87 Повышение сходимости метода Ньютона. Метод продолжения решения по параметру Один из возможных способов построения приводит к следующей системе уравнений: Решая эту систему уравнений методом Ньютона-Рафсона, получим: Следует обратить внимание на то, что при использовании этого метода нет необходимости переформировывать матрицу узловых дифференциальных проводимостей, что существенно экономит вычислительные ресурсы. (2)

88 88 Формирование модели схемы в базисе узловых потенциалов В базисе узловых потенциалов математическая модель электронной схемы в статическом режиме представляет собой систему нелинейных алгебраических уравнений и имеет вид: где I(V) - вектор узловых токов; V - вектор узловых потенциалов. Согласно методу Ньютона запишем: - вектор приращений. - матрица узловых дифференциальных проводимостей, (1)

89 89 Формирование модели схемы в базисе узловых потенциалов Перепишем систему уравнений (1) в матричном виде: - алгебраическая сумма токов, сходящихся в j – ом узле, - собственная (при j=k) или взаимная (при jk) узловая проводимость.

90 90 Пример формирования модели схемы в статическом режиме Дана схема: Условимся считать ток, втекающий в узел со знаком «-», а ток, вытекающий из узла со знаком «+». (1) 123

91 91 Пример формирования модели схемы в статическом режиме Компонентные уравнения: Перепишем (1): (2)

92 92 Пример формирования модели схемы в статическом режиме Дифференцируем (2) по v :

93 93 Пример формирования модели схемы в статическом режиме В матричном виде:

94 94 Математическая модель схемы в частотной области В базисе узловых потенциалов математическая модель электрической схемы в частотной области представляет собой систему линейных алгебраических уравнений с комплексными коэффициентами: где Y - матрица узловых проводимостей; V - вектор узловых потенциалов; I - вектор узловых токов. (1) Для решения системы линейных уравнений (1) применяют метод LU-разложения, в соответствии с которым матрица Y представляется произведением нижней треугольной матрицы с единичной диагональю L и верхней треугольной матрицы U: Y = LU

95 95 Математическая модель схемы в частотной области Элементы матриц L и U вычисляются с помощью следующей рекурентной процедуры: После LU - разложения матрицы Y, решение системы уравнений (1) заменяется последовательным решением двух систем с треугольными матрицами:

96 96 Математическая модель схемы в частотной области В результате решения системы уравнений (1) определяется вектор узловых потенциалов, на основе которого рассчитываются комплексный коэффициент передачи, его модуль и фаза:

97 97 Пример формирования модели схемы в частотной области Модель схемы в частотной области имеет вид: 123

98 98 Математическая модель схемы во временной области Математическая модель схемы во временной области имеет вид: где I - нелинейная вектор-функция, представляющая собой алгебраическую сумму токов в узле; V ' - вектор производных узловых потенциалов по времени; V - вектор узловых потенциалов; t - время. В подсистемах схемотехнического анализа применяются методы, основанные: на формулах дифференцирования назад (ФДН), на циклическом применении неявной и явной формул Эйлера (циклический алгоритм). Их преимущество заключается в том, что они позволяют решать "жесткие" системы дифференциальных уравнений, которые описывают электрические схемы с большим разбросом постоянных времени.

99 99 Математическая модель схемы во временной области. Дискретизация уравнений Решение дифференциального уравнения методом Эйлера имеет вид: Для емкости:Для индуктивности: Дискретное представление моделей емкости и индуктивности сводит анализ схемы во временной области к многократному анализу схемы в статическом режиме

100 100 Математическая модель схемы во временной области. Циклический алгоритм Метод является А - устойчивым. Имеет 2-ой порядок точности. Позволяет проводить надежную оценку погрешности аппроксимации на каждом шаге интегрирования. Требует малый объем оперативной памяти ЭВМ. Прост в программной реализации. Основные преимущества метода:

101 101 Решение систем линейных алгебраических уравнений с разреженными матрицами AX=B (1) Рис. 1. Структура матрицы (1) (2) Рис. 2. Структура матрицы (2) + - ненулевой элемент; - новый ненулевой элемент.

102 102 Экспериментальная проверка подсистем схемотехнического моделирования Генератор Высокодобротный фильтр Генератор ударного возбуждения Результаты моделирования Электрическая схема

103 103 Пример схемотехнического проектирования стабилизатора напряжения Техническое задание Наименование характеристики Значение 1. Входное напряжение 18 В 2. Выходное напряжение 12 В 3. Ток нагрузки 1 А 4. Отклонение выходного напряжения при указанном разбросе входного 1% 5. Время установления выходного напряжения 18 мс 6. Максимальный разброс входного напряжения 20% 7. Потребитель имеет в своем составе высокочувствительный радиоприемник +

104 104 Анализ технического задания 1. Для синтеза структурной схемы расположим требования по степени важности в следующем порядке: 3,7,4,2. 2. Главным является пункт 3, который исключает из рассмотрения все слаботочные интегральные стабилизаторы. Этому пункту соответствуют импульсные и линейные стабилизаторы. 3. Второе требование (п.7) отсекает все импульсные стабилизаторы, создающие высокий уровень помех. 4. Пунктам 3 и 7 соответствуют только линейные стабилизаторы. 5. Пункт 4 косвенно определяет коэффициент стабилизации, т.к. стабилизатор должен ослаблять не только изменения постоянной составляющей входного напряжения, но и его пульсации. Наименование характеристики Значение 3. Ток нагрузки 1 А 7. Потребитель имеет в своем составе высокочувствительный радиоприемник + 4. Отклонение выходного напряжения при указанном разбросе входного 1% 2. Выходное напряжение 12 В 1. Входное напряжение 18 В 5. Время установления выходного напряжения 18 мс 6. Максимальный разброс входного напряжения 20%

105 105 Разработка структурной схемы Основным элементом является регулирующий транзистор РТ, так как эффект стабилизации возникает благодаря изменению его выходной проводимости. Входная цепь РТ питается током от токостабилизирующего двухполюсника ТД. Управляет проводимостью РТ усилитель У. С выхода схемы сравнения СС на вход усилителя У поступает сигнал рассогласования, возникающий при сравнении опорного напряжения ОН с выходным напряжением стабилизатора, пониженным делителем напряжения ДН. Этот сигнал, проходя через усилитель У, изменяет входной ток РТ и его выходную проводимость. Рис.1. Структурная схема стабилизатора напряжения РТ ТД У СС ДН ОН

106 106 Разработка электрической схемы 1. Определяем максимальную мощность транзистора Т2 2. Определяем сопротивление R1 3. Определяем коэффициент передачи составного транзистора Т1,Т2 4. Определяем максимальную мощность транзистора Т1 5. Определяем максимальную мощность транзистора Т3 6. Определяем входное сопротивление транзистора Т3 7. Определяем общее сопротивление делителя напряжения

107 107 Моделирование электрических процессов Задача математического моделирования электрических процессов состоит обычно в определении формы и параметров сигналов тока и напряжения, возникающих в различных точках моделируемой схемы, что в конечном итоге позволяет отработать электрическую принципиальную схему по выходным характеристикам и электрическим режимам работы радиоэлементов с учетом влияния дестабилизирующих факторов. Моделирование электрических характеристик как процесс расчленяется на этапы, выполнение которых направлено на решение сформулированной задачи.

108 108 Моделирование электрических процессов. Разбиение на функциональные узлы Проектирование схем, как правило, ведется по функционально-узловому принципу, поэтому и моделирование логично построить таким же образом. При этом электрическая схема каждого функционального узла дополняется источниками входных сигналов и сопротивлением нагрузки. В нашем случае, выполнение этого этапа сводится к дополнению электрической принципиальной схемы источником входного сигнала Е = 18В и сопротивлением нагрузки Rн = 12 Ом.

109 109 Моделирование электрических процессов. Подготовка исходных данных В подсистемах схемотехнического моделирования исходные данные для расчета делятся на два раздела: описательная информация об элементах и их межсоединениях в электрической схеме; задание на расчет, включающее вид расчета и описывающее его параметры. К основным видам расчета относятся: расчет в статическом режиме, т.е. определение напряжений, токов, мощностей в момент, когда все переходные процессы в схеме установились; расчет переходных процессов, т.е. определение напряжений, токов, мощностей как функций времени в диапазоне от t = 0 до t = Ткон; расчет частотных характеристик, т.е. определение АЧХ, ФЧХ, ЛАЧХ в диапазоне от f = Fнач до f = Fкон. При этом схема моделируется в режиме малого сигнала.

110 110 Моделирование электрических процессов. Расчет электрических характеристик Этот этап полностью выполняется ЭВМ. В процессе выполнения этого этапа возможно получение сообщений об ошибках, которые делятся на: синтаксические ошибки и логические ошибки. К синтаксическим относятся ошибки, появившиеся в результате нарушения правил языка формализованного описания схемы или задания на расчет. К логическим относятся ошибки, появившиеся в результате нарушения логики использования подсистемы схемотехнического моделирования, ошибки, допущенные при составлении описания электрической схемы, ошибки, возникающие вследствие ограниченных возможностей используемого в подсистеме математического аппарата. В результате выполнения этого этапа пользователь получает расчетные значения характеристик в виде таблиц и графиков.

111 111 Моделирование электрических процессов. Анализ результатов расчета ХарактеристикаU вх. ном. = 18ВU вх. мин. =14.4ВU вх.макс. =21.6В U вых. [B] U кэ Т1 [B] U кэ Т2 [B] I к Т1 [мA] I к Т2 [A] PT1 [Вт] PT2 [Вт] Вывод: стабилизатор не удовлетворяет требованиям ТЗ, поскольку его выходное напряжение не укладывается в заданный допуск при изменении входного напряжения в пределах своего допуска. В тоже время режимы работы транзисторов Т1 и Т2 не превышают регламентируемых в ТУ значений.

112 112 Моделирование электрических процессов. Анализ результатов расчета Вывод: режимы работы Т1 и Т2 соответствуют требованиям ТУ к динамическим режимам их работы, а также временя включения стабилизатора соответствует требованию ТЗ. Рис. 1. Эпюры а) -выходного напряжения,б), в) - токов коллекторов транзисторов Т1,Т2 и г) - мощности на транзисторе Т2

113 113 Системы для рабочих станций Подсистемы схемотехнического проектирования РЭС Программы/ ФункцииPSpice Micro- Cap Eteclronics WorkBench Моделирование частотных характеристик +++ Моделирование статического режима +++ Моделирование временных характеристик +++ Расчет чувствительности +++ Наихудший случай ++ Статистика +++ Оптимизация + Анализ Фурье +++ Идентификация параметров базовых моделей +++ Системы, ориентированные на Интернет

114 114 Тема 3. Идентификация параметров моделей элементов

115 115 Идентификация параметров математических моделей Существующие на сегодняшний день методики идентификации параметров моделей ориентированы на проведение экспериментальных исследований с использованием промышленных тестеров. Они позволяют идентифицировать практически любую модель и вполне оправдан на заводах изготовителях радиоэлементов, однако в процессе проектирования аппаратуры является достаточно трудоемким. Наиболее полным, достоверным и доступным для разработчиков аппаратуры источником информации о характеристиках радиоэлементов являются технические условия (ТУ). Они включают в себя данные об элементах, используя которые, с помощью идентификации можно получить параметры моделей, необходимые в процессе автоматизированного проектирования.

116 116 Введение в теорию оптимизации. Основные понятия Задачей параметрической оптимизации называется определение оптимальных значений параметров элементов технической системы при заданной структуре. Задача оптимизации имеет содержательный смысл только в том случае, когда появляется необходимость выбора одного из конкурирующих вариантов, который осуществляется с учетом установленных правил предпочтения. В основе построения правила предпочтения лежит целевая функция, количественно выражающая качество объекта и поэтому называемая также функцией качества или критерием оптимальности.

117 117 Введение в теорию оптимизации. Основные понятия Формирование критерия оптимальности является одним из важных этапов постановки задачи оптимизации, т.к. все последующие действия направлены на поиск варианта, наиболее близкого к оптимальному по выбранному критерию. Сформированный критерий оптимальности носит субъективный характер, и поэтому объект может быть оптимален только в смысле данного критерия. Внутренние параметры объекта делятся на две группы: параметры объекта фиксированные в процессе оптимизации, параметры, значения которых могут изменяться в процессе оптимизации - варьируемые параметры.

118 118 Введение в теорию оптимизации. Основные понятия Обозначим целевую функцию через F(Q), где Q - вектор варьируемых параметров. Максимумом или минимумом функции F(Q) называется значение F(Q*), если для любой точки, исключая Q*, выполняются неравенства F(Q) - F(Q*) 0 соответственно. Точку Q* называют точкой локального экстремума. Функцию F(Q) называют одно-экстремальной (унимодальной), если она имеет один экстремум, и многоэкстремальной, если она имеет более одного экстремума. Рис.1. Пример унимодальной (1) и многоэкстремальной (2) функций Глобальным экстремумом называют точку, в которой целевая функция имеет наименьшее (наибольшее) значение среди всех локальных экстремумов области определения.

119 119 Введение в теорию оптимизации. Критерии оптимальности. Частный критерий формы функции. Этот критерий используется когда ставится задача наилучшего совпадения эталонной характеристики с выходной характеристикой проектируемого объекта и имеет вид: (1) (2)

120 120 Введение в теорию оптимизации. Критерии оптимальности. Взвешенный аддитивный критерий. Этот критерий применяется когда несколько частных критериев формы функции необходимо объединить в один. Он имеет вид:

121 121 Введение в теорию оптимизации. Критерии оптимальности. Мультипликативный критерий. Этот критерий используется, когда множество выходных характеристик можно четко подразделить на те, которые требуют увеличения, и те, которые требуют уменьшения. Он имеет вид:

122 122 Введение в теорию оптимизации. Обобщенный алгоритм 1. Полагаем k=0 и выбираем точку начального приближения Q Вычисляем F(Q k ) и F(Q k ) (если метод требует знания градиента). 3. Определяем направление s k. 4. Нормируем вектор направления поиска к единичной длине. 5. В направлении s k найдем длину шага d k такую, что или F(Q k + d k s k ) < F(Q k ) или функция F(Q k + d k s k ) минимальна в направлении s k. 6.Получим: Q k = d k s k, Q k = Q k + Q k 7. Если | F(Q k+1 ) - F(Q k ) |

123 123 Экспериментальная проверка алгоритмов минимизации Функция Розенброка Координаты точки минимума x* = (5,5); значение функции F(x*)=0 Квадратичная функция простой структуры Координаты точки минимума x* = (1,1); значение функции F(x*)=0 «Ассиметричная долина» Методы оптимизации Квадратичная функция простой структуры Функция Розенброка«Ассиметричная долина» Метод прямого поискаF* = X* = (4.975, 4.981) F* = X* = (1.023, 1.046) F* = X* = (1.23, 1.083) Метод Хука-ДживсаF* = X* = ( , ) F* = X* = ( , ) F* = X* = ( , ) Метод Давидона-Флетчера- Пауэлла F* = X* = ( , ) F* = X* = ( , ) F* = X* = (3.001, ) Метод Levenberg-MarquardtF* = X* = ( , ) F* = X* = ( , ) F* = X* = (3.0, ) Координаты точки минимума x* = (3, ); значение функции F(x*)= Результаты проверки

124 124 Анализ методов и средств идентификации параметров моделей элементов РЭС 1. Экспериментально получить ВАХ полупроводникового диода. 2. Построить график ВАХ диода в полулогарифмическом масштабе. 3. Из графика получить искомые параметры уравнения ВАХ диода. Идентификация параметров модели диода Рис. 1. Схема проведения эксперимента Рис. 2. ВАХ диода Рис. 3. Кривая Гуммеля Рис. 4. Пример работы Model Editor

125 125 Определение погрешности модели диода DIODE * Model extract Model Editor.MODEL 2d422a D(IS=15.88E-6 N=2.118 RS=32.594) Iin 0 1 dc 0 D d422a.end.control DC Iin 0 5ma 0.1ma plot v(1).endc.MODEL 2d422a D(IS=15.873E-6 N=2.118 RS=32.595) Максимальная погрешность в отклонении заданных и расчетных точек ВАХ не превышает 7%. Рис. 1. ВАХ диода 2Д422

126 126 Анализ методов и средств идентификации параметров моделей элементов РЭС Рис. 3. Пример работы комплекса UTMOST Рис. 1. Схема проведения эксперимента Рис. 2. Кривые Гуммеля pn-переходов Идентификация параметров модели транзистора Методика включает в себя два испытания. 1. Измеряется ВАХ эмиттерного перехода при нормальном включении транзистора для определения тока насыщения и коэффициента неидеальности эмиттерного перехода, сопротивления базы транзистора, коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером. 2. Измеряется ВАХ коллекторного перехода при инверсном включении транзистора для определения тока насыщения и коэффициента неидеальности коллекторного перехода, инверсного коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

127 127 Определение погрешности модели транзистора Погрешность модели составляет более 20% BJT Characteristics.model qКT312a NPN(Is=23.68f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=60 Bf=108 Ne=1.206 Ise=23.68f Ikf=.1224 Xtb=1.5 Br=4.387 Nc=1.8 Isc=900p Ikr=20m Rc=10 Rb=30 Cjc=7p Mjc=.333 Vjc=.7 Fc=.5 Cje=10p Mje=.333 Vje=.7) ib 0 1 DC 0 Q q2T312a vce 2 0 0V.control destroy all save all * Расчет выходных ВАХ foreach basecurrent 0.2e-3.4e-3.6e-3.8e-3 1.0e-3 = $basecurrent dc vce end plot abs(dc1.vce#branch) abs(dc2.vce#branch) abs(dc3.vce#branch) abs(dc4.vce#branch) abs(dc5.vce#branch) xlabel Vce ylabel Ic * Расчет входных ВАХ foreach voltcol 0 5 = $voltcol dc ib 0 0.8e-3.001e-3 end plot abs(dc6.v(1)) abs(dc7.v(1)) xlabel Ib ylabel Vbe.endc Рис. 1. Входные ВАХ Рис. 2. Выходные ВАХ

128 128 Метод идентификации параметров моделей элементов РЭС - точки характеристик объекта, рассчитанных по математической модели;- точки заданных характеристик объекта; Q - вектор параметров математической модели Q – вектор новых параметров, изменяющихся от - до ; Задача. Пусть нам заданы структура, уравнения, описывающие элементы структуры и перечень параметров математической модели элемента, входные и выходные характеристики, описывающие его нормальное функционирование. Требуется определить параметры математической модели, адекватно описывающей этот радиоэлемент. На искомые параметры Q существуют ограничения вида: Учет ограничений типа линейных неравенств предложено производить методом замены параметров используя, например, функцию следующего вида: - вектора минимальных и максимальных значений Q Таким образом, задача идентификации сводится к поиску таких значений вектора параметров Q, в заданных ограничениях при которых целевая функция минимальна. Использование градиентных и квазиньютоновских методов для минимизации целевой функции требует вычисления градиента, который можно получить дифференцированием целевой функции по параметру: - вектор абсолютных функций чувствительности выходной характеристики радиоэлемента к изменению параметров математической модели В базисе узловых потенциалов математическая модель имеет вид: - в статическом режиме; - во временной области;- в частотной области

129 129 Методика идентификации параметров математических моделей элементов РЭС Этап 1. Этот этап заключается в получении информации о характеристиках элемента РЭС, необходимых для идентификации его модели. Этап 2. На этом этапе производится формализация задачи идентификации. Результатом формализации является план проведения идентификации модели. Этап 3. На этом этапе формализованная вербальная постановка задачи идентификации превращается в содержательную математическую постановку задачи оптимизации Этап 4. На этом этапе осуществляется выбор метода решения задачи минимизации и ее решение. В результате решения задачи определяются искомые параметры модели Этап 5. На этом этапе производится верификация полученной модели и построение области ее адекватности. Этап 6. На этом этапе анализируются результаты верификации модели и намечаются мероприятия по ее доработке или принятию в эксплуатацию, т.е. для использования при проведении моделирования узлов и блоков РЭС.

130 130 Методики идентификации параметров базовых элементов Биполярный транзистор Рис. 1. ВАХ диода Рис. 2. ВФХ диода Рис. 4. Расчетная модель ВАХ диода Рис. 5. Обратная ВАХ диода Полупроводниковый диод Рис. 6. Входные ВАХРис. 7. Выходные ВАХРис. 9. ВФХ pn-переходов Рис. 10. Топологические модели для расчета ВАХ

131 131 Методика идентификации параметров модели операционного усилителя f [Гц]K uз [дБ]K uр [дБ] 080, ,076, ,559, ,019,2 Рис. 1. Топологическая модель ОУРис. 2. Частотная характеристика Рис. 3. Электрическая схема для верификации параметров модели ОУ Табл. 1. Заданная и расчетная АЧХ ОУ Рис. 5. Заданная и расчетная передаточные характеристики TTL-вентиля Рис. 4. Реализация в пакете Mathematica

132 132 Методика идентификации параметров модели TTL - вентиля U in U outз U outр 0,003,803,82 0,703,803,82 1,023,803,79 1,203,603,53 1,263,243,19 1,520,400,39 4,000,400,37 Рис. 1. Топологическая модель Рис. 2. Передаточная характеристика Рис. 3. Электрическая схема для верификации параметров модели TTL-вентиля Табл. 1. Заданная и расчетная передаточные характеристики TTL-вентиля Рис. 4. Заданная и расчетная передаточные характеристики TTL-вентиля

133 133 Принципы построения и архитектура автоматизированной системы идентификации параметров моделей РЭС Принцип мультиплатформенности означает, что отдельные части приложения могут выполняться на различных платформах. Под платформой здесь понимается совокупность аппаратных и программных средств, определяющая систему команд, которые может использовать программное обеспечение, а также методы взаимодействия программы с аппаратурой. Принцип коллективного использования означает, что приложение позволяет взаимодействовать с ним одновременно нескольким пользователям. Как уже было сказано, клиент-серверное приложение состоит из двух частей – клиента и сервера. Одна из особенностей сервера состоит в том, что он должен позволять взаимодействовать с ним одновременно нескольким клиентам. Таким образом, несколько пользователей могут одновременно пользоваться ресурсами сервера. Принцип распределённости означает, что отдельные части приложения могут быть распределены в пространстве – то есть выполнятся на различных компьютерах, объединённых каналом связи. Принцип масштабируемости означает возможность легкого наращивания системы в плане расширения спектра решаемых задач. Рис. 1. Архитектура системы Рис. 2. Схема взаимодействия клиент-сервер

134 134 Прототип Интернет – сервера идентификации параметров моделей элементов РЭС Для проведения расчетов нет необходимости приобретать универсальный пакет, который имеет внушительную стоимость на каждый компьютер. Для комфортной работы не нужен мощный компьютер, т.к. все вычисления выполняются на сервере. Пользователь может использовать систему в любом месте, где есть доступ в Интернет.

135 135 Пример применения системы идентификации параметров моделей РЭС на примере одной из задач ЭМС Рис. 2. Идентификация параметров модели TTL – вентиля Рис. 1. Топологическая модель TTL - вентиля где I S – ток насыщения pn – перехода; m – коэффициент неидеальности pn – перехода; V t – температурный потенциал pn – перехода; Токи насыщения pn – переходов D1,D2 = pA. Токи насыщения pn – переходов D3,D4 = 9.99 pA. Коэффициенты неидеальности pn – переходов D1,D2 = Коэффициенты неидеальности pn – переходов D3,D4 = Сопротивление R3 = 155 Ом. Рис. 5. Результаты моделирования цифрового узла Рис. 6. Результаты повторного моделирования цифрового узла Рис. 3. Фрагмент схемы цифровой системы Рис. 4. Идеальная модель цифровой системы

136 136 Тема 4. Моделирование тепловых процессов в конструкциях РЭС

137 137 Моделирование тепловых процессов в конструкциях РЭС Задачей моделирования тепловых процессов является определение температур элементов конструкции, поскольку именно она является одной из основных характеристик состояния вещества, и, именно, от нее зависят его механические и электрические свойства. Уменьшение размеров и веса аппаратуры, применение интегральных микросхем, жесткие условия эксплуатации, часто при повышенной температуре окружающей среды - осложняет задачу обеспечения правильного теплового режима. При изменении температуры всего на несколько десятков градусов электропроводность кремния, основного вещества из которого изготавливают полупроводниковые элементы, изменяется в сотни раз.

138 138 Особенности конструкций с точки зрения тепловых процессов При конструировании РЭС в зависимости от сложности и степени интеграции применяется конструкции кассетного и этажерочного типа. Основными конструктивным и, как правило, функциональным узлом таких конструкций являются печатные узлы (ПУ), представляющие собой однослойные или многослойные печатные платы (ПП) с расположенными на них микросборками и дискретными электрорадиоэлементами (ЭРЭ). При наличии мощных полупроводниковых приборов применяется их установка на корпус блока, который в этом случае выполняется оребренным. Корпуса и несущие конструкции блоков изготавливаются из алюминиевых и магниевых сплавов, обладающих хорошими теплопроводящими свойствами и сравнительно небольшим удельным весом. Рис. 1. Пример кассетной конструкции Рис. 2. Пример этажерочной конструкции

139 139 Топологические модели тепловых процессов Топологической моделью тепловых процессов называется, представленная в виде ненаправленного графа, схема путей распространения тепловых потоков в конструкции. Построение модели тепловых процессов сводится к выполнению следующих этапов: 1. Качественный анализ тепловых процессов в конструкции, на основе которого определяются элементарные виды теплообмена, которые необходимо учитывать при построении модели. 2. Идеализация конструкции, позволяющая существенно упростить задачу построения модели за счет принятия определенных допущений. 3. Составление модели тепловых процессов конструкции, заключающееся в построении топологической модели с учетом проведенного анализа и идеализации.

140 140 Теплопроводность. Кондукция Кондуктивный теплообмен - распространение тепла в твердом теле Теплопроводностью называется передача кинетической энергии хаотического движения молекул от нагретого участка тела к холодному.

141 141 Теплопроводность. Контакт Контактный теплообмен - передача тепла от одного тела другому при их непосредственном контакте.

142 142 Конвекция Конвекцией называется передача тепла движущейся жидкостью или газом.

143 143 Излучение Излучением называется передача тепла при испускании и поглощении электромагнитных волн.

144 144 Перенос тепла воздухом в плоском воздушном канале C p – удельная теплоемкость воздуха, G m – массовый расход воздуха.

145 145 Y 13 Y 12 Y 23 T ср Рис. 1. Металлическая пластина Рис. 2. Модель тепловых процессов Пример построения тепловой модели Металлическая пластина малой толщины с пленочным нагревателем на одной из сторон расположена в воздухе с температурой t. Идеализация конструкции: 1. Пренебрегаем теплоотдачей с торцов пластины, т.к. площадь торцевых поверхностей пластины значительно меньше площади ее боковых поверхностей. 2. Считаем левую (1) и правую (2) поверхности пластины изотермичными. 3. Пренебрегаем тепловым излучением с пластины в окружающую среду. С учетом принятых допущений модель теплового процесса имеет вид, представленный на рис. 2.

146 146 Пример построения тепловой модели Y 13 Y 12 Y 23 T ср Рис. 1. Модель тепловых процессов

147 147 Тепловая модель элементарного объема Объем твердотельный, например, монолитный (залитый) блок; Мощность Р выделяется в центре элементарного объема (узел 1); Каждая грань объема (узлы 2…7) изотермична P Рис. 1. Эскиз конструкции Рис. 2. Модель элементарного объема

148 148 Тепловая модель ЭРЭ на печатной плате Рис. 1. Эскиз крепления резистора Рис. 2. Эскиз транзистора Рис. 3. Фрагмент печатного узла P TcTc Рис. 4. Модель ЭРЭ на печатной плате 1. Активная зона; 2. Поверхность корпуса; 3. Поверхность платы; 4. Окружающая среда. Корпус ЭРЭ изотермичен.

149 149 Тепловая модель транзистора на одностороннем радиаторе Рис. 1. Эскиз конструкции Рис. 3. Модель транзистора на радиаторе TcTc P 5 5 Рис. 2. Ребристый радиатор Теплоотдача с торцев основания радиатора не учитывается. 1. pn – переход транзистора; 2. Корпус транзистора; 3. Верхняя поверхность радиатора; 4. Нижняя поверхность радиатора; 5. Окружающая среда.

150 150 Тепловая модель микросборки на печатной плате Поверхность корпуса изотермична; Поверхность основания изотермична. Рис. 2. Конструкция микросборки Рис. 1. Эскиз конструкции микросборки Рис. 3. Модель микросборки на печатной плате TcTc P pn PRPR 1. Поверхность подложки. 2. Поверхность корпуса. 3. Поверхность печатной платы. 4. Окружающая среда.

151 151 Моделирование тепловых процессов в микросборке зоны на подложке; 9 - транзистор VT; 10 - основание микросборки Рис. 1. Эскиз конструкции микросборки Рис. 2. Модель тепловых процессов в ПУ TcTc P VT P1RP1R P2RP2R P7RP7R P8RP8R

152 152 Моделирование тепловых процессов в печатном узле Рис. 2. Фрагмент печатного узла Рис. 1. Эскиз печатного узла Рис. 3. Модель тепловых процессов в ПУ P R1 P VT1 TcTc TcTc

153 153 Пример расчета тепловых процессов в ПУ Рис. 1. Эскиз печатного узла Рис. 2. 3D модель печатного узла Рис. 4. Температурное поле печатного узла Рис. 3. Карта тепловых режимов ЭРИ

154 154 Пример моделирования тепловых процессов системы радиатор-транзистор Рис. 1. Эскиз конструкции Температура окружающей среды - 75°С. Тепловая мощность кристалла транзистора - 3 Вт. Коэффициент конвективной теплоотдачи среды - 5Вт/м°С. Коэффициенты теплопроводности: кристалла - 83Вт/м ° С; подложки транзистора - 330Вт/м°С; корпуса транзистора - 0,25Вт/м°С; медного радиатора - 330Вт/м°С. Толщина стенок радиатора - 0,8 мм. Рис. 2. Результаты моделирования