Основы компьютерного проектирования и моделирования радиотехнических систем — МР ФЗО

Воронежский институт МВД России










А.А. Рогожин, А.С. Сердюк, В.Г. Лялевич

ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ
РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Учебно-методические рекомендации
для слушателей факультета заочного обучения
(специальность «Специальные радиотехнические системы»,
специализация «Радиотехнические системы и комплексы
охранного мониторинга»)

















Воронеж
2015
Обсуждено и одобрено на заседании кафедры вневедомственной охраны: протокол № 6 от «9» декабря 2014 г.
Обсуждено и одобрено на заседании методического совета института:
протокол № 4 от «22» декабря 2014 г.






Рогожин А.А., Сердюк А.С., Лялевич В.Г.
Основы компьютерного проектирования и моделирования радиотехнических систем: учеб.-метод. рек. / А.А. Рогожин, А.С. Сердюк, В.Г. Лялевич. Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2015. 65 с.


Учебно-методические рекомендации содержат программу и тематический план дисциплины «Основы компьютерного проектирования и моделирования радиотехнических систем», варианты заданий на курсовой проект, методические указания по выполнению курсового проекта и примеры выполнения заданий, требования к оформлению и список рекомендованной литературы.
Предназначены для слушателей факультета заочного обучения (специальность «Специальные радиотехнические системы», специализация «Радиотехнические системы и комплексы охранного мониторинга»).





© Воронежский институт МВД России, 2015
© А.А. Рогожин, А.С. Сердюк, В.Г. Лялевич, 2015
СОДЕРЖАНИЕ

1 Цель и задачи дисциплины...
4

2 Содержание дисциплины.........
7

3 Общие требования к курсовому проекту...
10

3.1. Цель, задачи и структура курсового проекта..
10

3.2. Требования к оформлению пояснительной записки..
10

3.3. Защита курсового проекта
12

4 Методические указания по выполнению курсового проекта...
13

4.1 Особенности разработки узлов и блоков радиоэлектронных средств с использованием средств систем автоматизированного проектирования.


13

4.2 Лингвистические средства представления проектной информации в программе PSPICE..
15

4.2.1 Структура задания на моделирование..
16

4.2.2 Описание компонентов схемы..
17

4.2.3 Директивы управления моделированием.
23

4.2.4 Вспомогательные директивы
26

4.2.5 Вывод результатов расчетов..
27

4.3 Алгоритмы трассировки печатных плат.
29

5 Варианты заданий.
34

6 Примеры выполнения заданий
51

6.1 Пример составления задания на моделирование
51

6.2 Пример трассировки фрагмента печатной платы волновым алгоритмом
52

6.3 Пример трассировки фрагмента печатной платы лучевым алгоритмом
58

Литература.
60

Приложение А. Пример оформления титульного листа...
61

Приложение Б. Содержание пояснительной записки...
62

Приложение В. Бланк задания.
63

1 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

1.1. Цель дисциплины: формирование у слушателей знаний о назначении, содержании и возможностях применения современных систем автоматизированного проектирования (САПР) радиотехнических средств (РТС) для создания технических комплексов безопасности и охранного мониторинга.

1.2. Задачи дисциплины:
рассмотрение структуры САПР и принципов автоматизации проектирования;
ознакомление с видами обеспечений САПР;
раскрытие особенностей компьютерного моделирования радиотехнических систем на структурном, функциональном и схемотехническом уровнях;
рассмотрение методов и средств анализа радиотехнических систем;
получение практических навыков при эксплуатации пакетов прикладных программ САПР.
воспитать у слушателей чувство ответственности при проведении работ с радиотехническими системами.

1.3. Место дисциплины в структуре основной образовательной программы
Дисциплина относится к блоку базовых дисциплин профессионального цикла. Изучение дисциплины базируется на знаниях слушателей по следующим предметам: «Информатика», «Математика», «Инженерная и компьютерная графика», «Основы теории цепей», «Основы конструирования и технологии производства РЭС», «Радиоматериалы и радиокомпоненты».
В соответствии с рабочим учебным планом на изучение дисциплины «Основы компьютерного проектирования и моделирования радиотехнических систем» по заочной форме отводится 108 учебных часов, в т.ч. 8 часов – на лекционные занятия, 10 часов на лабораторные занятия (учебный взвод делится на подгруппы) и 90 часов – на самостоятельную работу слушателей.
Обучение по указанной дисциплине завершается сдачей слушателями зачета.
Дисциплина является самостоятельной и обеспечивает изучение дисциплин:
Радиотехнические системы;
Основы организации производства РТС;
Проектирование технических систем безопасности и охранного мониторинга.
1.5. Требования к результатам освоения дисциплины
Основная цель учебной дисциплины – подготовка слушателей к углубленному изучению специальных радиотехнических систем и комплексов безопасности и охранного мониторинга, умению работы с различными САПР, и основам проектирования и моделирования радиотехнических систем.
Достижению поставленной цели служат следующие задачи:
1) раскрытие взаимосвязи дисциплин учебного плана;
2) определение сущности основ проектирования РТС;
3) изучение основ моделирования РТС;
Требования к знаниям и умениям по дисциплине.
В результате изучения дисциплины курсанты и слушатели должны:
иметь представление:
о государственных требованиях к содержанию и уровню подготовки специалиста по специальности – «Специальные радиотехнические системы» (ОК-1, ОК-5);
о состоянии и развитии средств автоматизации проектирования радиоэлектронных средств и систем;
о современных средствах компьютерной графики;
знать:
предмет курса, задачи курса;
принципы построения и типы систем автоматизации проектирования радиотехнических устройств и систем, а также основы их моделирования;
программное и информационное обеспечение САПР;
математическое обеспечение САПР;
техническое и лингвистическое обеспечение САПР.
уметь:
использовать языки и системы программирования, программные средства общего назначения, инструментальные средства компьютерного моделирования для решения различных исследовательских и профессиональных задач (ПК-4);
пользоваться нормативной, справочной литературой, ГОСТами;
учитывать и использовать в профессиональной деятельности современные тенденции развития компьютерных, информационных и телекоммуникационных технологий (ПК-6);
учитывать и использовать в профессиональной деятельности современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники (ПК-7);
анализировать состояние научно-технической проблемы на основе подбора и изучения литературных и патентных источников, определять цели и задачи проектирования (ПК-17);
разрабатывать электрические схемы специальных радиотехни-ческих систем и устройств с использованием компьютерных средств проектирования, проводить расчеты и технико-экономическое обоснование принимаемых решений (ПК-19);
проводить построение математических моделей объектов и процессов, выбирать методы их исследования и разрабатывать алгоритмы их реализации (ПК-25);
проводить оптимизацию параметров радиотехнических систем (устройств) с использованием различных методов исследований (ПК-26);
владеть:
методами концептуального проектирования радиотехнических систем и комплексов безопасности и охранного мониторинга (ПСК-3.3);
навыками работы с программами автоматизированного проектирования;
алгоритмами анализа аналоговых и цифровых устройств.

2 СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Тематический план дисциплины «Основы компьютерного проектирования и моделирования радиотехнических систем» для слушателей факультета заочной формы обучения представлен в табл. 1.1.

Таблица 1.1
Тематический план дисциплины: «Основы конструирования и
технологии производства радиоэлектронных систем» для слушателей
факультета заочной формы обучения
№ темы
Название темы
Всего часов
Аудитор.
В том числе
Самостоятельная работа





Уст.

Лекции
Итог

Лекции
Семинары
Лабораторные работы
Практические
занятия
Контрольные работы


1
Основные задачи и принципы автоматизированного проектирования
12
2
2

-
-
-
-
10

2
Программное и информационное обеспечение САПР
9
4


-
4
-
-
5

3
Математическое обеспечение САПР
7
2
2

-
-
-
-
5

4
Техническое и лингвистическое обеспечение САПР
10
-


-
-
-
-
10

5
Основные способы построения математических моделей компонентов РТС
12
2
-
2
-
-
-
-
10

6
Моделирование РТС на структурно-функциональном уровне
10
-


-
-
-
-
10

7
Схемотехническое моделирование РТС
16
6
-
2
-
4
-
-
10

8
Алгоритмы анализа аналоговых и цифровых устройств
12
2


-
2
-
-
10

Курсовой проект
10
-
-

-
-
-
-
10

Зачет
10
-
-
-
-
-
-
-
10

Всего по дисциплине
108
18
4
4
-
10

-
-
90


Тематика аудиторных лекционных и лабораторных занятий.

Тема лекции № 1 с перечнем основных вопросов.
«Основные задачи автоматизированного и принципы проектирования.
Вопрос № 1: Предмет и содержание курса.
Вопрос № 2: Состояние и развитие средств автоматизации проектирования РТС.
Вопрос № 3: Принципы автоматизации проектирования и построения САПР».
Вопрос № 4: Классификация уровней автоматизированного проектирования.
Вопрос № 5: Формализация проектных задач.
Вопрос № 6: Принципы построения САПР.

Тема лекции № 2 с перечнем основных вопросов.
«Математическое обеспечение САПР».
Вопрос № 1: Основные характеристики математического обеспечения САПР.
Вопрос № 2: Задачи оптимального проектирования в САПР.
Вопрос № 3: Математическая модель оптимального проектирования.
Вопрос № 4: Методы оптимизации проектных решений.



Тема лекции № 3 с перечнем основных вопросов.
«Основные способы построения математических моделей компонентов РТС».
Вопрос № 1: Общие вопросы моделирования.
Вопрос № 2: Классификация моделей РТС.
Вопрос № 3: Основные этапы моделирования.
Вопрос № 4: Построение математических моделей РТС в общем виде.

Тематика лекции № 4 с перечнем основных вопросов.
«Схемотехническое моделирование РТС».
Вопрос № 1: Методы моделирования статических режимов РТС.
Вопрос № 2: Прямой метод моделирования.
Вопрос № 3: Метод установления.
Вопрос № 4: Моделирование переходных процессов в РТС.
Вопрос № 5: Методы моделирования РТС в частотной области.
Вопрос № 6: Методы моделирования полей.

Тематика лабораторных занятий:
Лабораторная работа № 1 «Изучение графического интерфейса системы схемотехнического проектирования Multisim».
Лабораторная работа № 2 «Построение схемы электрической принципиальной при помощи графических инструментов системы схемотехнического проектирования Multisim».
Лабораторная работа № 3 «Расчет параметров математических моделей радиоэлектронных компонентов».
Лабораторная работа № 4 «Разработка структурно-функциональной схемы радиотехнической системы».
Лабораторная работа № 5 «Подготовка информации для автоматизированного расчета безопасности и технического риска радиотехнических систем».

3 ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

3.1 Цель, задачи и структура курсового проекта

Основной целью выполнения курсового проекта является освоение методики автоматизированного проектирования и схемотехнического моделирования узлов и блоков радиоэлектронных средств РТС (далее РЭС) с использованием САПР.
Достижению данной цели служат следующие задачи:
1) изучение возможностей современных пакетов прикладных программ САПР РЭС;
2) формирование теоретических знаний и практических навыков использования средств САПР при схемотехническом моделировании узлов и блоков РЭС;
3) изучение особенностей САПР и алгоритмов автоматизированного проектировании печатных плат узлов и блоков РЭС.
Курсовой проект содержит задания по ключевым разделам тематического плана. Начальная подготовка слушателей в качестве пользователей прикладных программ САПР проводится на лабораторных занятиях.
Пояснительная записка курсового проекта состоит из трех разделов и графической части.

3.2 Требования к оформлению пояснительной записки курсового проекта

Пояснительная записка к курсовому проекту оформляется в соответствии с требованиями ГОСТ 2.105, ГОСТ 7.32. Пример оформления титульного листа приведен в приложении А, образец оформления содержания пояснительной записки приведен в приложении Б.
Во введении необходимо охарактеризовать основные возможности систем автоматизированного проектирования при схемотехническом моделировании РТС и проектировании печатных плат РЭС, актуальность использования САПР при разработке РЭС, цели и задачи курсового проекта. Задание оформляется на бланке согласно приложению В. Процесс и результаты проектирования должны быть отражены в соответствующих подразделах пояснительной записки.
При написании раздела «Анализ современных систем автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств» изучите тему «Программное обеспечение САПР» и сравните возможности существующих пакетов программ САПР для схемотехнического моделирования и автоматизированного проектирования печатной платы РЭС, заданного в варианте задания.
Раздел «Схемотехническое моделирование» должен содержать описание директив управления моделированием пакета программ PSpice, используемых при составлении задания на моделирование РТС согласно индивидуальному варианту. Задание на моделирование РЭС составляется с учетом требований входного языка пакета программ PSpice. При написании данного раздела изучите следующие темы: «Лингвистическое обеспечение САПР», «Основные способы построения математических моделей компонентов РЭС», «Схемотехническое моделирование».
Перед написанием раздела «Проектирование печатной платы» следует повторить основы конструирования печатных плат, изучить тему «Алгоритмы анализа аналоговых и цифровых устройств». В данном разделе производится расчет размеров печатной платы (ПП) согласно схеме электрической принципиальной варианта задания в следующем порядке: 1) определение габаритных и установочных размеров радиоэлектронных компонентов (РЭК), 2) определение диаметров монтажных отверстий и расчет диаметров контактных площадок, 3) расчет площадей посадочных мест навесных РЭК по справочным данным с учетом размеров контактных площадок под формованные выводы. Результаты расчета необходимо представить в таблице 3.1.

Таблица 3.1
Результаты расчета размеров печатной платы
Позиционное обозначение, тип РЭК
Упрощенное графическое изображение РЭК
Габаритные и установочные размеры, мм
Диаметры выводов, мм
Диаметры монтажных отверстий, мм
Диаметры контактных площадок, мм
Площадь посадочного места, мм2










С использованием данных таблицы 4.1 выполняется расчет площади ПП и выбираются габаритные размеры ПП с учетом краевых полей. В данном разделе выполняется размещение РЭК и трассировка односторонней печатной платы с использованием волнового и лучевого алгоритма трассировки. Проведите сравнительный анализ полученных вариантов топологии печатной платы, перечислите трассы, которые не удалось провести с использованием соответствующего алгоритма трассировки, выберите лучший вариант с точки зрения основных критериев конструирования топологии ПП. Для получения более рационального варианта топологии, Рис. соединений печатной платы может быть затем доработан (например, цепи «земли» и питания, как правило, в САПР проводятся проектировщиком вручную после завершения автоматизированной разводки, некоторые проводники могут быть проведены заново и т.д.). Описание процесса доработки печатных проводников должно быть представлено в пояснительной записке. По окончательному варианту топологии оформляется чертеж печатной платы.
Заключение должно содержать краткие выводы по выполнению задания на курсовой проект, оценку полноты решений поставленных задач.
Список использованной литературы (источников) приводят в соответствии с требованиями ГОСТ 7.1.
Графическая часть курсового проекта выполняется в соответствии с требованиями ЕСКД и включает:
1. Чертеж схемы электрической принципиальной варианта задания (на листе формата А3).
2. Чертеж односторонней печатной платы (на листе формата А3).
3. Чертеж печатного узла (на листе формата А3).

3.3 Защита курсового проекта

Законченный курсовой проект сдается на проверку руководителю. Нормоконтроль курсовых проектов проводится в порядке, установленном кафедрой.
После проверки курсовой проект возвращается слушателю с соответствующими замечаниями. Если в курсовом проекте имеются ошибки или неточности, не приводящие к неверным конечным результатам, то курсовой проект может быть допущен к защите при условии исправления указанных ошибок.
Если ошибки приводят к неверным конечным результатам, то такой курсовой проект к защите не допускается, и он должен быть частично или полностью переработан.
После устранения слушателем выявленных недостатков руководитель оценивает проект. Защита курсового проекта производится слушателем на кафедре перед сдачей зачета по данной дисциплине.
4 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ
КУРСОВОГО ПРОЕКТА

4.1 Особенности разработки узлов и блоков радиоэлектронных средств с использованием средств систем автоматизированного проектирования

Использование средств САПР при проектировании РЭС позволяет перейти от традиционного макетирования разрабатываемой аппаратуры к ее моделированию с помощью персональных компьютеров (ПК). И более того, с помощью ПК возможно осуществление цикла сквозного проектирования, который включает в себя:
- синтез структуры и принципиальной схемы РТС;
- анализ его характеристик в различных режимах с учетом разброса параметров компонентов и наличия дестабилизирующих факторов, проведение параметрической оптимизации;
- синтез топологии, включая размещение элементов на плате и разводку межсоединений;
- верификацию (проверку) топологии;
- выпуск конструкторской документации.
Задачи структурного синтеза решаются с помощью узкоспециализированных программ, ориентированных на устройства определенного типа, создано, например, большое количество программ синтеза согласующих цепей, аналоговых и цифровых фильтров. Наибольшие достижения в построении программ структурного синтеза и синтеза принципиальных схем имеются в области проектирования цифровых устройств. Структура и принципиальная схема большинства устройств в существенной степени зависят от области применения и исходных данных на проектирование, что создает большие трудности при синтезе принципиальной схемы с помощью ЭВМ. Поэтому обычно первоначальный вариант схемы составляется инженером «вручную» с последующим моделированием и оптимизацией на ЭВМ.
Современные программы САПР работают в диалоговом режиме и имеют большой набор сервисных модулей. Пакеты программ САПР способны решать сложнейшие задачи моделирования РЭС, таких как источники питания, усилители, преобразователи сигналов и другие. Результатами моделирования являются режимы по постоянному току, осциллограммы сигналов, частотные и спектральные характеристики и даже температуры элементов. По своим возможностям программы моделирования могут даже превосходить измерительные приборы, например, они позволяют наблюдать осциллограммы токов и мощностей в элементах без внесения в устройство измерительных резисторов. Полученные результаты могут помочь выявить причины возможных или реальных неисправностей в устройстве, найти пути улучшения его качества. Использование программ моделирования позволяет проанализировать большое количество различных вариантов схемотехнического решения и выбрать из них наилучший, не потратив на это ни одного радиоэлемента.
Топология печатной платы разрабатывается после завершения схемотехнического моделирования. На этом этапе проектирования осуществляется размещение элементов на ПП и трассировка соединений. Наиболее успешно разрабатываются ПП цифровых устройств, где вмешательство человека в процесс синтеза топологии сравнительно невелико. Разработка аналоговых устройств требует гораздо большего участия человека в процессе проектирования, коррекции и при необходимости в частичной переделке результатов автоматизированного проектирования. Основная сложность при разработке аналоговой аппаратуры заключается в автоматизации синтеза топологии и обеспечении взаимодействия программ моделирования схем и синтеза топологии. Кроме того, достаточно сложно формализовать многочисленные дополнительные требования к аналоговым устройствам, например, требование электромагнитной совместимости компонентов.
Заключительным этапом разработки является верификация топологии. На нем проверяется соблюдение технологических норм, соответствие топологии принципиальной схеме, а также рассчитываются электрические характеристики схемы с учетом паразитных параметров, присущих конкретной конструкции.
В настоящее время существует несколько пакетов прикладных программ САПР, позволяющих автоматизировать каждую из стадий проектирования РЭС. При выборе САПР необходимо учитывать возможность прямой передачи результатов, полученных на одной стадии проектирования, на следующую стадию.
В отечественной практике часто используется следующий вариант:
1. Моделирование характеристик аналогового или цифрового узла РЭС, подлежащего впоследствии конструкторскому проектированию, выполняется на основе SPICE-технологии средствами пакета прикладных программ PSpice или его позднейших версий, получивших название MicroSim Design Lab.
2. Составление электрической принципиальной схемы модуля и проектирование топологии проводящего рисунка печатной платы выполняется средствами интегрированной САПР PCAD. Результатом этого этапа является интегральный образ печатной платы узла РЭС.
3. Довести результат проектирования до состояния конструкторского документа можно, выполнив следующую стадию проекта. Переход к этой стадии требует конверсии данных из формата «электронной» САПР PCAD в формат «конструкторской» САПР AutoCAD. Конвертированный образ печатного узла подвергается обработке, в результате которой создаются рабочие конструкторские документы в соответствии с требованиями ЕСКД.
Результатом прохождения по такой цепочке является комплект конструкторской документации на спроектированный модуль РЭС и файлы управляющей информации для автоматизированного производственного оборудования.

4.2 Лингвистические средства представления проектной информации в программе PSpice

В промышленном масштабе из программ схемотехнического моделирования РЭС наибольшее распространение получили программы семейства PSpice фирмы «MicroSim Corp.». Они имеют наиболее полную библиотеку математических моделей полупроводниковых компонентов. С помощью программы PSpice можно выполнять следующие виды анализа характеристик цепи:
режима цепи по постоянному току в «рабочей точке»;
режима по постоянному току при вариации источников постоянного напряжения или тока и других параметров цепи (многовариантный анализ);
чувствительности характеристик цепи к вариации параметров компонентов в режиме по постоянному току;
малосигнальных передаточных функций в режиме по постоянному току;
частотных характеристик линеаризованной цепи при воздействии нескольких сигналов;
спектральной плотности внутреннего шума;
переходных процессов при воздействии сигналов различной формы, а также спектральный анализ и статистические испытания по методу Монте-Карло.
Программа позволяет также моделировать устройства сопряжения аналоговых и цифровых устройств, а также смешанные аналого-цифровые устройства. Дополнительно к программе PSpice созданы графический постпроцессор Probe, предназначенный для вывода результатов моделирования, и программа Parts для идентификации параметров математических моделей полупроводниковых компонентов.
При выполнении задания курсового проекта с использованием лингвистических средств пакета программ PSpice обратите внимание на:
правила присвоения имен узлам принципиальной схемы РТС;
структуру задания на моделирование;
правила описания компонентов схемы;
директивы управления моделированием;
вспомогательные директивы;
правила вывода результатов расчетов.

4.2.1 Структура задания на моделирование

Составление задания на моделирование для программы PSpice начинается с присвоения имен узлам принципиальной схемы. Имена узлов могут быть целыми числами от 0 до 999 или алфавитно-цифровыми символами. В качестве этих символов используются буквы алфавита от A до Z, цифры 0,1,...,9 и знаки $, -, *, /, %. Узлу “земля” всегда присваивается номер 0. При ссылке на имена узлов в виде алфавитно-цифровых символов они заключаются в [ ]. Например, потенциал узла 31 обозначается как V (31), а потенциал узла IN - V([IN]). Это сделано для того, чтобы отличить имена узлов от имен компонентов; V (С2) - напряжение на конденсаторе С2, V ([IN]) - потенциал узла IN.
После этого составляют задание на моделирование, которое заносится в файл. Имя файла произвольное, в качестве расширения имени рекомендуется использовать .CIR, воспринимаемое программой PSpice по умолчанию. Первая строка файла - строка заглавия, которая затем выводится в виде заголовка в выходном файле (в ней может быть помещен любой текст, не содержащий кириллицу). Строки комментариев содержат символ * в первой позиции (в них допускается использование и кириллицы). Конец любой строки после знака ; также воспринимается как комментарий. Последняя строка файла .END. Порядок ввода промежуточных строк значения не имеет. Строка продолжения начинается с символа + в первой позиции. Число пробелов между операторами в строке произвольное. Пробелы, запятые и знаки равенства эквивалентны. Программа PSpice не различает большие и малые буквы. В одном файле можно объединить задания на моделирование нескольких цепей, каждое задание начинается со своего заголовка и заканчивается директивой .END.
Предложения входного языка программы PSpice делятся на описания компонентов и директивы управления заданием на моделирование.
В части программы, условно называемой разделом описания компонентов, описывается принципиальная схема в виде последовательного текста. Необходимо отдельной строкой описать каждый компонент схемы с указанием его местоположения (между какими номерами узлов он расположен) и электрических параметров. Причем порядок, в котором описываются компоненты схемы, может быть любым.
После текстового описания схемы следует блок управления заданием на моделирование. Отдельное задание описывается так называемой директивой. Первые буквы директивы определяют тип анализа, а следующие за названием параметры конкретизируют условия анализа и (или) указывают на определенные компоненты, анализ функционирования которых будет проводиться.
Последний раздел программы - это раздел вывода результатов расчетов. Здесь указывается порядок следования компонентов, расчетные данные которых будут выводиться в виде текстовых таблиц, графиков или блоков данных для обработки другими прикладными программами.

4.2.2 Описание компонентов схемы

Описанием компонента считается любая строка, не начинающаяся с символа «.» (точка), кроме первой строки, строк комментариев и продолжений. Описание компонента имеет следующую структуру:
<имя компонента> <номера двух или более узлов> [<имя модели)]
+ <числовые данные>
Имя компонента состоит из последовательности символов латинского алфавита и цифр, общая длина имени не должна превосходить 131 символа (рекомендуется не более 8 символов). Первый символ - одна из букв латинского алфавита от А до Z, далее в любом порядке алфавитно-цифровые символы и знаки , -, *,/, %. Первый символ имени компонента определяет его тип. Номера узлов перечисляются в определенном порядке, установленном для каждого компонента. Имя модели компонента не является обязательным параметром. Далее указываются численные значения параметров компонента. В программе PSpice осуществляется масштабирование чисел с помощью следующих суффиксов: F=10-15, P=10-12, N=10-9, U=10-6, MIL=25,4·10-6, M=10-3, K=103, MEG=106, G=109 T=1012. Допускается к масштабным суффиксам дописывать буквенные символы для улучшения наглядности обозначений. Так сопротивление 5,1 кОм может быть записано несколькими способами: 5100, 5.1К, 5.1КОМ, 5.1КОНМ, 5.1КЗ, 0.0051ЕЗК.
Сопротивления, емкости и индуктивности могут быть как положительными, так и отрицательными величинами. Исключение составляет анализ переходных процессов, где отрицательные значения емкостей и индуктивностей могут привести к ошибкам в расчете. В любом случае нулевые значения параметров компонентов не допускаются.
В программе PSpice имеются встроенные математические модели типовых компонентов аналоговых устройств.





Первый символ имени

Компонент
Графическое
изображение
Порядок
следования
выводов

C
Конденсатор

+ узел, - узел

D
Диод


Анод, катод

I
Независимый источник тока


+
_
+ узел, - узел

J
Полевой транзистор с управляющим p-n переходом и каналом n-типа

13 EMBED PBrush 1415
Сток, затвор, исток

J
Полевой транзистор с управляющим p-n переходом и каналом p-типа
13 EMBED PBrush 1415

Сток, затвор, исток

L
Индуктивность
13 EMBED PBrush 1415
+ узел, - узел

Q
Биполярный n-p-n транзистор
13 EMBED PBrush 1415
Коллектор, база, эмиттер

Q
Биполярный p-n-p транзистор
13 EMBED PBrush 1415
Коллектор, база, эмиттер

R
Резистор
13 EMBED PBrush 1415
+ узел, - узел

V
Независимый источник напряжения
13 EMBED PBrush 1415
+ узел, - узел


Параметры компонентов указываются двумя способами: непосредственно в предложении, описывающем включение компонента в схему, и с помощью директивы .MODEL, имеющей структуру
.MODEL <имя модели> <имя типа> ([<имя параметра>=<значение>
+ [<спецификация случайного разброса значения параметра>]])...
Здесь <имя модели> - имя модели компонента схемы, например RLOAD, KT315V, D104. Тип компонента определяется его <именем типа>:

Имя
Тип компонента

RES
Резистор

CAP
Конденсатор

IND
Индуктивность

D
Диод

NPN
Биполярный n-p-n транзистор

PNP
Биполярный p-n-p транзистор

NJF
Полевой транзистор с каналом n-типа

PJF
Полевой транзистор с каналом р-типа


В директиве .MODEL в круглых скобках указывается список значений параметров модели компонента (если этот список отсутствует, то значения параметров модели назначаются по умолчанию). Параметры, указанные в квадратных скобках являются необязательными. Пример использования директивы .MODEL:
.MODEL RLOAD RES (R=1.5 TC1=0.2 TC2=005)
.MODEL D104 D (IS=1E-10)
.MODEL KT315V NPN (IS=1E-11 BF=50 DEV=5% LOT=20%)
.MODEL CK CAP (C=1 DEV=0.1)
Резисторы описываются предложением
Rxxx <+ узел> <- узел> [имя модели] <сопротивление>
Здесь ххх - произвольная алфавитно-цифровая последовательность общей длиной не более 7 символов, которая пишется слитно с символом R и вместе с ним образует имя компонента. Например:
R1 15 0 2K
RGEN 1 2 2.4E4
R12 3 0 RTEMP 5K
.MODEL RTEMP RES (R=3 DEV=5% TC1=0.01)
Обознач.
Параметр
Размерность
Значение
по
умолчанию

R
Масштабный множитель сопротивления
--
1

TC1
Линейный температурный коэффициент сопротивления
oC-1
0

TC2
Квадратичный температурный коэффициент сопротивления
oC-2
0

TCE
Экспоненциальный температурный коэффициент сопротивления
% / oC
0

DEV
Допуск на разброс параметров
%
0


Конденсатор описывается предложением
Cxxx <+ узел> <- узел> [имя модели] <емкость>
+ [IC=<начальное значение>]
Например:
С1 15 0 56PF
C2 3 9 .5PF IC=1.5V
C3 4 6 CMOD 10U
.MODEL CMOD CAP (C=2.5 TC1=0.01 VC1=0.2)

Обознач.
Параметр
Размерность
Значение
по умолчанию

С
Масштабный множитель емкости
--
1

VC1
Линейный коэффициент напряжения
В-1
0

VC2
Квадратичный коэффициент напряжения
В-2
0

ТС1
Линейный температурный коэффициент емкости
oC-1
0

ТC2
Квадратичный температурный коэффициент емкости
oC-2
0


После ключевого слова IC указывается значение напряжения на конденсаторе при расчете режима по постоянному току, которое при расчете переходных процессов служит начальным значением этого напряжения.
Индуктивность описывается предложением
Lxxx <+ узел> <- узел> [имя модели] <индуктивность>
+ [IC=<начальное значение тока>]
Например:
L1 15 0 20MH
L2 1 2 .2E-6
LOAD 5 12 LMOD 0.003
.MODEL LMOD IND (L=2 DEV=20% IL1=0.1)
Обознач.
Параметр
Размерность
Значение
по умолчанию

L
Масштабный множитель индуктивности
--
1

IL1
Линейный коэффициент тока
А-1
0

IL2
Квадратичный коэффициент тока
А-2
0

ТС1
Линейный температурный коэффициент
oC-1
0

ТC2
Квадратичный температурный коэффициент
oC-2
0

После ключевого слова IC указывается значение тока через катушку при расчете режима по постоянному току, которое при расчете переходных процессов служит начальным значением этого тока.
Независимый источник напряжения (V) описывается предложением
Vxxx <+узел> <- узел> [[DC] <значение>] [AC <модуль> [<фаза>]]
+ [[PULSE] [SIN] [EXP] [PWL] [SFFM] (<параметр>...)]
Источники могут использоваться во всех видах анализа. По умолчанию все параметры принимают нулевые значения. Параметр DC определяет постоянную составляющую источника напряжения. Для режима AC задаются модуль и фаза (в градусах) источника гармонического сигнала. Примеры:

VACPHS 2 3 AC .001 90
V3 26 77 DC 0.002 AC 1 SIN (.002 1.5 MEG)
Импульсная функция (Рис. 4.1) задается следующим списком параметров:
PULSE (y1 y2 td tr tf 13 EMBED Equation.2 1415 T),
где в качестве параметров обозначены:

Обозначение
Параметр
Размерность

y1
Начальное значение
В или А

y2
Максимальное значение
В или А

td
Начало переднего фронта
с

tr
Длительность переднего фронта
с

tf
Длительность заднего фронта
c

13 EMBED Equation.2 1415
Длительность плоской части импульса
с

T
Период повторения
с



Рис. 4.1. Импульсная функция
Гармонический сигнал задается списком параметров:
SIN (у0 уа f td df ()
Обозначение
Параметр
Размерность

y0
Постоянная составляющая
В или А


Амплитуда
В или А

f
Частота
с

td
Задержка
с

df
Коэффициент затухания
с

(
Фаза
с

На рис. 4.2. приведен график функции при d1=0.





Полупроводниковые приборы, математические модели которых встроены в программу PSpice, описываются много большим количеством параметров, определяемых с помощью оператора .MODEL. Список параметров здесь не приводится (при описании схемы, содержащей полупроводниковые приборы, используйте ссылку на библиотеку компонентов). Описание конкретного полупроводникового прибора содержит его имя, номера узлов подключения, имя модели и коэффициент кратности Area, с помощью которого имитируется параллельное включение нескольких одинаковых приборов.
Диод описывается предложением
Dxxx <узел анода> <узел катода> <имя модели> [<коэффициент
+ кратности Area>]
Пример. Включим между узлами 1 и 2 диод D9В, параметры которого вводятся с помощью оператора MODEL:
D1 1 2 D9B
.MODEL D9В D (IS=5UA RS=14 BV=2.81 IBV=5UA)
Биполярный транзистор описывается предложением
Qxxx <узел коллектора> <узел базы> <узел эмиттера> [<узел
+ подложки>] < имя модели > [< коэффициент кратности
+ Area >]
Полевой транзистор с управляющим p-n переходом описывается предложением
Jxxx <узел стока> <узел затвора> <узел истока> <имя модели>
+ [< коэффициент кратности Area >]
4.2.3 Директивы управления моделированием

Директивы управления моделированием программы PSpice начинаются с символа в первой позиции:
Имя
Назначение

.АС
Расчет частотных характеристик

.DC
Расчет режима по постоянному току

.END
Конец задания

.FOUR
Спектральный анализ

.LIB
Подключение библиотеки компонентов

.MODEL
Описание моделей компонентов

.NOISE
Расчет уровня внутреннего шума

.PLOT
Представление результатов расчета в выходном файле в виде графиков, построенных в текстовом режиме

.PRINT
Представление результатов расчета в выходном файле в виде таблиц

.PROBE
Передача данных в графический постпроцессор Probe

.STEP
Вариация параметров

.SENS
Расчет малосигнальных чувствительностей в режиме по постоянному току

.TEMP
Назначение температуры окружающей среды

.TF
Расчет малосигнальных передаточных функций в режиме по постоянному току

.TRAN
Расчет переходных процессов


Расчет режима цепи по постоянному току (параметров «рабочей точки»). Режим по постоянному току рассчитывается перед выполнением всех видов анализа без указания специальных директив. Краткая информация результатов расчета выводится в виде карты узловых потенциалов по постоянному току.
Многовариантный расчет режима по постоянному току. Расчет производится при вариации одного или нескольких параметров схемы по директивам:
.DC [LIN] <имя первой переменной> <начальное значение>
+ <конечное значение> <приращение> [<имя второй переменной>
+ <начальное значение> <конечное значение> <приращение>]
.DC [OCT] [DEC] <имя первой переменной> <начальное значение>
+ <конечное значение> <количество точек> [<имя второй переменной>
+ <начальное значение> <конечное значение> <количество точек>]
.DC <имя первой переменной> LIST <значение> ... [<имя 2-й перемен-
+ ной> LIST <значение>...]
Режим по постоянному току рассчитывается для нескольких значений варьируемых переменных, в качестве которых могут выступать имена независимых источников напряжения или тока, параметры моделей компонентов (указывается тип компонента, имя модели и в круглых скобках имя варьируемого параметра) и температуры (в качестве ее имени указывается ее ключевое слово ТЕМР). Характер изменения переменных задается ключевыми словами:
LIN- линейный масштаб (ключевое слово LIN можно не указывать);
DEC, OCT - логарифмический масштаб декадами или октавами;
LIST - список значений.
Если указаны спецификации двух варьируемых параметров, то новый параметр изменяется в заданных пределах для каждого значения второго параметра. Такой вложенный цикл удобен, в частности, для построения статических характеристик полупроводниковых приборов.
Приведем примеры:
.DC VIN 0.5 5.0 0.25
.DC LIN VDS 0 10 .5 VGS 0 5 1
.DC VCE 0V 10V .25V IB 0 10MA 1MA
.DC RES MODRES (R) 0.75 1.5 0.05
.DC DEC NPN КТ315А (BF) 20 100 10
.DC TEMP LIST - 50 0 27 60 80
Первый пример задает диапазоны изменения напряжения источника VIN от 0.5 В до 5.0 В с шагом 0.25 В. Второй и третий примеры демонстрируют вложенные циклы изменений двух источников.
Результаты расчета режима цепи по постоянному току выводятся по директивам .PRINT, .PLOT или .PROBE.
Расчет малосигнальных чувствительностей. В режиме по постоянному току они рассчитываются по директиве
.SENS <выходная переменная>
Выходные переменные указываются по тому же формату, что и в директиве .PRINT для режима DC. После линеаризации цепи в окрестности рабочей точки рассчитывается чувствительность каждой из указанных выходных переменных к изменению параметров всех компонентов и моделей. Пример:
.SENS V(9) V(4,3) I(VCC)
Расчет малосигнальных передаточных функций. В режиме по постоянному току они рассчитываются по директиве
.TF <выходная переменная> <имя источника напряжения или тока>
Выходные переменные имеют тот же формат, что и по директиве .PRINT. Результаты расчетов выводятся непосредственно, без обращения к директивам .PRINT или PLOT. Приведем примеры
.TF V(5) VIN
.TF V(15, 14) I(VDRIV)
В первом случае рассчитывается передаточная функция dV(5)/dV(VIN), а во втором – dV(15, 14)/dI(VDRIV). Кроме того, всегда рассчитываются входные и выходные сопротивления.
Расчет частотных характеристик. Они рассчитываются по директиве
.AC [LIN] [OCT] [DEC] <начальная частота> <конечная частота>
Эта директива задает диапазон частот в пределах <начальная частота>...<конечная частота>. Параметр LIN устанавливает линейный шаг по частоте, при этом n - общее количество точек по частоте. Параметры ОСТ и DEC устанавливают логарифмический характер изменения частоты октавами и декадами соответственно. Параметр n определяет количество точек по частоте на одной октаве или декаде. Амплитуды и фазы гармонических сигналов указываются при описании параметров независимых источников напряжения V или тока I. Результаты расчета выводятся по директивам .PRINT, .PLOT или .PROBE.
Расчет переходных процессов. Они рассчитываются по директиве:
.TRAN <шаг вывода данных> <конечное время> [<начальное
+ время вывода данных> [<максимальный шаг вычислений>]]
Переходные процессы всегда рассчитываются с момента t=0 до момента <конечное время>. Шаг интегрирования выбирается автоматически. Результаты вычисления выводятся в виде таблиц или графиков с интервалом времени, задаваемым параметром <шаг вывода данных>. Если задан параметр <начальное время вывода данных>, то вывод результатов расчетов подавляется на интервале времени от t=0 до указанного значения. Максимальное значение шага интегрирования устанавливается параметром <максимальный шаг вычислений>.
Cпектральный анализ. Он проводится по директиве
.FOUR <выходная переменная>...
Спектральный анализ производится с помощью дискретного преобразования Фурье после завершения расчета переходного процесса (в задании должна иметься директива .TRAN). Имена переменных, спектр которых должен быть рассчитан, указываются в списке <выходная переменная>. В директиве .FOUR задается частота первой гармоники f1. Пример:
.FOUR 10KHZ V(5) V(6,7) I(VSENS3)
Анализ уровня внутреннего шума производится по директиве
.NOISE V(<узел> [,<узел>]) <имя>
Директива .NOISE указывается совместно с директивой .AC, в которой задается диапазон частот. Точки для определения значения выходного напряжения указываются по спецификации V(<узел> [,<узел>]). К входным зажимам цепи подключается независимый источник напряжения или тока, <имя> которого приводится в списке параметров. Например:
.NOISE V(5) VIN
.NOISE V(4,5) VSRS
Результаты расчета уровней шума выводятся в выходной файл по директиве .PRINT или .PLOT:
.PRINT NOISE <выходная переменная>
.PLOT NOISE <выходная переменная>
В качестве выходных переменных используются следующие имена:
INOISE, DB(INOISE) - корень квадратный из входного шума в относительных единицах и децибелах;
ONOISE, DB(ONOISE) - корень квадратный из выходного шума в относительных единицах и децибелах.
Например:
.PRINT NOISE INOISE ONOISE DB(ONOISE)
Файл библиотеки компонентов подключается по директиве
.LIB [<имя файла библиотеки>]

4.2.4 Вспомогательные директивы

Значения температуры указываются в директиве
.TEMP <температура>...,
где <температура> указывается в градусах Цельсия. Если указано несколько значений температуры, то все виды анализа проводятся для каждой температуры. Если директива .TEMP не приведена, то расчеты проводятся при номинальной температуре TNOM=270С.
Вариация параметров назначается по директиве .STEP, имеющей следующие разновидности:
.STEP [LIN] <имя варьируемого параметра> <начальное значение>
+ <конечное значение> <шаг приращения параметра>
.STEP [OCT] [DEC] <имя варьируемого параметра> <начальное
+ значение> <конечное значение> <количество точек>
.STEP <имя варьируемого параметра> LIST <значение> ...
На каждом шаге вариации параметров выполняются все виды анализа характеристик цепи, задаваемых директивами .DC, .AC, .TRAN и др. Варьироваться могут все параметры всех моделей за исключением температурных коэффициентов ТС1, ТС2 резисторов и других компонентов, и некоторых параметров МОП-транзисторов.
Приведем примеры:
.STEP VIN -.8 .8 .2
.STEP LIN 12 5mА -2mА -0.1mA
.STEP TEMP LIST 0 20 27 50 80
Изменение сопротивления резистора (и параметров других пассивных компонентов) осуществляется следующим образом:
R1 2 0 RMOD 1
.MODEL RMOD RES (R=15)
.STEP RES RMOD (R) 15, 45, 10
Здесь RMOD - имя модели резистора, RES - тип модели, (R) - имя варьируемого параметра.
При варьировании параметра полупроводникового компонента в качестве <имени варьируемого параметра> используют аналогичную запись, состоящую из имени компонента, типа модели и имени варьируемого параметра (указывается в скобках).
В одном задании на моделирование вместе с директивой .STEP можно помещать также директиву .ТЕМР (две директивы .STEP не допускаются).

4.2.5. Вывод результатов расчетов

Результаты расчетов в виде таблиц выводятся по директиве
.PRINT [DC] [AC] [NOISE] [TRAN] <выходная переменная>
В одной директиве .PRINT можно выбрать только один вид анализа и привести список не более восьми выходных переменных. Одновременно можно привести несколько таких директив. В таблицах каждая колонка соответствует одной переменной. В первой колонке помещается независимая переменная: постоянное напряжение (режим DC), время (режим TRAN) или частота (режим AC).
Приведем примеры:
.PRINT DC V(3) V(2, 3) I(VIN)
.PRINT AC VM(2) VP(2) VDB(5) IR(6)
Результаты в виде графиков выводятся в выходной файл по директиве
.PLOT [DC] [AC] [NOISE] [TRAN] <выходная переменная>...
+ (<нижняя граница> <верхняя граница>)...
Смысл параметров такой же, что и в директиве .PRINT. Графики выводятся с помощью буквенно-цифровых символов, независимо от типа печатающего устройства. На одном графике помещается до восьми кривых. Диапазон по оси х указан в директиве, устанавливающей вид анализа, а диапазон по оси y определяется с помощью параметров <нижняя граница>, <верхняя граница> или автоматически.
Приведем примеры:
.PLOT DC V(3) V(2, 3) V(R1) I(VIN)
.PLOT AC VM(2) VP(2) VM(3, 4) VG(5)
.PLOT TRAN V(3) V(2, 3) (0.5V) ID(M2 ) (-50mA, 50mA)
Графический постпроцессор Probe подключается директивой
.PROBE [<выходная переменная>...]
Расчетные значения параметров, указанных в списке выходных переменных, записываются в файл с расширением .DAT для дальнейших исследований с использованием других прикладных программ.
Конец задания отмечается директивой .END .
В одном файле могут помещаться задания на моделирование нескольких цепей, каждое из которых заканчивается этой директивой.
Имена выходных переменных, используемых в директивах .PRINT и .PLOT, описываются следующим образом. В разных режимах моделирования имена несколько различаются.
Режимы DC и TRAN. При расчете режима по постоянному току и переходных процессов выходные переменные имеют следующий вид:
Общая форма
Пример
Пояснение

V(<узел>)
V(2)
Потенциал узла.

V(<+узел>, <- узел>)
V(2, 4)
Разность потенциалов узлов.

V(<имя>)
V(R1)
Разность потенциалов между выходами двухполюсного компонента.

VX(<имя>)
VB(Q1)
Потенциал вывода многополюсного компонента.

VXY(<имя>)
VCE(Q3)
Разность потенциалов между выводами многополюсного компонента.

I(<имя>)
I(D5)
Ток через двухполюсный компонент.

IX(<имя>)
IB(Q1)
Ток через указанный вывод многополюсного компонента.


В спецификации переменных V(<имя>), I(<имя>), параметр <имя> указывает на один из двухполюсных компонентов, имя которых начинается со следующих букв: С - конденсатор, D - диод, I - независимый источник тока, L - индуктивность, R - резистор, V - независимый источник напряжения.
В спецификациях переменных VX(<имя>), VY(<имя>), IX(<имя>), параметр <имя> указывает имя трехполюсного или четырехполюсного компонента, а x и y - аббревиатуры их выводов:
Первая буква имени
Компонент
Выводы

J
Полевой транзистор
D (сток)



G (затвор)



S (исток)

Q
Биполярный транзистор
C (коллектор)



B (база)



E (эмиттер)



S (подложка)

Режим АС. При выводе результатов расчета частотных характеристик к именам переменных, перечисленным ранее, добавляются суффиксы:
Суффикс
Пример
Пояснение

M
VM(2)
Модуль

DB
VDB(R1)
Модуль в децибелах

P
VCEP(Q3)
Фаза в радианах

R
IR(VIN)
Действительная часть

I
II(R13)
Мнимая часть

В отличие от режимов DC и TRAN в режиме АС возможен вывод токов не всех компонентов, а только следующих: R - резисторы, С - конденсаторы, I - независимые источники тока, V - независимые источники напряжения.

4.3 Алгоритмы трассировки печатных плат

Задача трассировки состоит в построении соединений между выводами элементов, размещенных в заданном монтажно-коммутационном пространстве (МКП) в соответствии с принципиальной схемой устройства при учете конструктивных ограничений. МКП предназначено для размещения конструктивных модулей и трассировки соединений между их контактами, которые должны быть соединены электрическими цепями. При автоматизированном проектировании печатных плат МКП разбивается на элементарные площадки или дискреты рабочего поля (ДРП). Для задач трассировки ДРП является квадратом со сторонами, равными ширине проводников плюс зазор между ними. При этом считается, что проводник из каждого дискрета может быть проведен только в соседний ДРП. Обычно трасса формируется в виде множества связанных отрезков, соединяющих ДРП. При решении задачи трассировки учитываются следующие критерии качества:
Минимальная суммарная длина соединений.
Минимальное число соединений, длина которых превышает заданное значение.
Минимальное число переходов между слоями.
Минимальное число слоев.
Минимальные паразитные помехи.
Уровень помех, наводимых в каждой трассе, не превышает допустимого значения.
Число соединений (паек) к одному выводу не превышает заданного значения.
Минимальное число углов в соединении.
В общей проблеме автоматизации конструкторского проектирования трассировка соединений – это наиболее трудная задача. Исходной информацией в задаче трассировки в общем случае являются как список цепей проектиру

Приложенные файлы

  • doc 8933483
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий