Основные задачи и проблемы компьютерного моделирования.

Развитие электроники и повышение сложности электронных устройств привели к необходимости повышения эффективности их проектирования. До недавнего времени при проектировании электронных устройств использовались использовались в основным два способа: расчет и экспериментальное исследование. При этом расчет производится на математических моделях моделях (аналитических или графических), а экспериментальное исследование – на макете реального устройства. По результатам экспериментального исследования делалось заключение о соответсвии макета требованиям технического задания к характеристикам электронного устройства. При этом зачастую не учитывались многие факторы: разброс параметров элементов, влияние изменения климатических условий, возможные отказы и др.

Поскольку большинство электронных элементов являются существенно нели­нейными, то проектирование электронных устройств практически полностью исключало применение простых аналитических расчетов. Это существенно затруд­няло задачи проектирования на этапе расчета и возлагало повышенные требова­ния к экспериментальным исследованиям макета. Высокая стоимость электронных элементов и их дефицитность в конце концов привели к тому, что разработчики электронной аппаратуры стали все чаще отказываться от экспериментальных исследований, для которых к тому же была нужна специальная дорогостоящая измерительная аппаратура.

В таких условиях большое значение приобрели методы математического мо­делирования электронных устройств на компьютере. Основными целями такого моделирования электронных устройств могут быть:

• предсказание поведения устройства при стандартных и нестандартных ситу­ациях (например, поведение электронного устройства при отказе одного или нескольких элементов);

• изучение форм сигналов в различных местах электронного устройства при
воздействии на него одного или нескольких сигналов (например, одновре­менное воздействие полезных сигналов и помех);

• обучение специалистов по разработке и проектированию электронных уст­ройств.

Компьютерное моделирование электронных устройств имеет ряд преиму­ществ перед экспериментальным исследованием:

• стоимость моделирования на компьютере значительно меньше стоимости
экспериментального макета;

• возможно моделирование поведения электронного устройства в критических ситуациях (например, при повышении или понижении питающих напряже­ний, при пробое конденсаторов или полупроводниковых элементов и др.);

• оптимизация параметров отдельных элементов устройств по заранее выб­ранному критерию (например, получение максимального усиления при изменении напряжения питания или сопротивления нагрузки);

• возможность масштабирования реального времени протекания процесса;

• возможность широкого применения специальных программ и моделей элек­тронных элементов;

• возможность идентификации параметров моделей.

Математические модели электронных элементов и устройств можно разде­лить на следующие группы:

• линейные и нелинейные,

• статические и динамические,

• с сосредоточенными и распределенными параметрами,

• аналоговые, цифровые (дискретные) и аналого-цифровые.

При исследовании и моделировании линейных элементов и устройств исполь­зуют системы линейных алгебраических или дифференциальных уравнений. При описании нелинейных моделей пользуются нелинейными алгебраическими или дифференциальными уравнениями.

Статические модели обычно используют при расчете и моделировании режи­мов по постоянному току или напряжению, а динамические модели находят применение при анализе переходных или частотных характеристик электронных устройств. В моделях с сосредоточенными параметрами используются обыкновен­ные дифференциальные уравнения, а в моделях с распределенными параметра­ми — уравнения в частных производных. Непрерывные модели могут иметь неограниченное множество значений токов и напряжений в заданном интервале их изменений, а дискретные модели могут находиться только в ограниченном (счетном) количестве состояний.

. Кроме того, при моделировании электронных устройств пользуются моделя­ми отдельных элементов (микромоделями) и моделями отдельных узлов (макро­моделями), в состав которых входит ограниченное множество элементов, напри­мер, модели операционных усилителей, компараторов, схем выборки и хранения, АЦП и ЦАП.

При проектировании устройств, работающих на сверхвысоких частотах, в моделях учитываются распределенные параметры как самих элементов, так и их выводов. Кроме того, имеются специальные программы, в которых учитываются паразитные эффекты печатных плат: паразитные индуктивности и емкости.

Библиотека моделей электронных элементов непрерывно расширяется и совершенствуется. Крупнейшие отечественные и зарубежные фирмы уделяют большое внимание разработке моделей новых элементов электроники: мощных полевых транзисторов с изолированным затвором, мощных биполярных транзис­торов с изолированным затвором (IGBT) и др.

Программные средства моделирования электронных устройств. При моделиро­вании электронных устройств используются три основных разновидности про­грамм:

• универсальные программы для математических расчетов, такие как MathCAD, MathLAB и др.;

• универсальные программы для моделирования электронных устройств такие как Micro-CAPV, P-SPICE A/D, APLAC 7.0;

• специализированные программы, используемые при моделировании опреде­ленного класса схем, например. System View.

Наибольшее распространение получила универсальная программа схемотех­нического моделирования P-SPICE и ее версии 6, 7 и 8. Эта программа впервые была разработана корпорацией MiSim в 1984 г. для IBM PC. Первая версия этой программы позволяла моделировать только аналоговые устройства. В про­цессе совершенствования этой программы уже в 1989 была создана четвертая версия, которая позволяла моделировать также аналого-цифровые устройства. В последующих версиях 6, 7 и 8 была расширена библиотека электронных компо­нентов, а также введены программы проектирования печатных плат и учета их паразитных параметров.

 

Программа Micro-САР I (Microcomputer Circuit Analysis Program) была разра­ботана фирмой Spectrum Software в 1981 г. В результате совершенствования этой программы в 1997 г. была создана программа Micro-САР V-2, которая включала большую картотеку компонентов (более 10 тыс. наименований), а также програм­му вариации параметров элементов. По своим возможностям программа Micro-САР V-2 совсем немного уступает программе P-SPICE. Сравнительные характеристики этих программ приведены в табл. 35.1. Имеются две разновид­ности этой программы: профессиональная и учебная (студенческая). Профессио­нальная программа имеет объем около 4 Мб и поставляется или на трех дискетах или на CD ROM. Учебная программа поставляется на одной дискете 1,4Мб. Устанавливаются они обычным образом в среде Windows по команде SETUP с указанием имени диска, на который нужно записать программу. Учебную про­грамму Micro-CAP V можно получить по Internet обратившись на Web-страницу: http://www.spectrum-soft.com/demo,html.

Программа Micro-CAP V имеет следующие основные характеристики: •большая библиотека элементов (более 10 тысяч), включающая многие аналоговые и цифровые интегральные микросхемы, биполярние и полевые транзисторы, различные диоды, трансформаторы и дроссели с ферромагнитными сердечниками, линии передачи сигналов, кварцевые резонаторы и датчики Холла и др., которые описаны в стандартной форме программы P-SPICE, благодаря чему обеспечивается их совмес­тимость;

• мощный графический редактор электрических схем с иерархической струк­турой;

Таблица

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: