Анализ методов исследования схемотехнических устройств

⇐ ПредыдущаяСтр 16 из 28Следующая ⇒

На сегодняшний день основными способами исследования схемотехнических устройств являются: макетирование, физическое, аналитическое и математическое моделирования.

Натурное макетирование – один из наиболее старых способов исследования схемотехнических устройств. Его главное достоинство – максимальная достоверность результатов, обусловленная работой с реальными схемами, а не их приближенными моделями. Кроме того, макетирование характеризуется наглядностью получаемых результатов. Основной недостаток – высокая стоимость, длительность создания макета, ограничение возможности макетирования.

Неавтоматизированный расчет по известным формулам или расчет по аналитическим выражениям, выполняется с помощью формул, связывающих выходные параметры интегральных схем с внутренними параметрами, т.е. параметрами их отдельных компонентов. При этом делаются значительные упрощения. Например, экспоненциальные вольтамперные зависимости считаются линейными.

Основные недостатки данного метода исследования схемотехнических устройств – высокая трудоемкость вывода формул и низкая точность расчетов. Основное достоинство – доступность.

Физическое моделирование представляет собой исследование объектов одной физической природы с помощью объектов, имеющих другую физическую природу, но при этом одинаковое с исследуемыми объектами математическое описание. В основе физического моделирования лежит обычно принцип электрофизических аналогий. Физическое моделирование при исследовании схемотехнических устройств используется редко. Оно применяется для изучения сопутствующих работе схем, например, тепловых процессов, математическое моделирование которых слишком сложно и трудоемко.

Метод моделирования на компьютере предполагает использование в качестве объекта отладки программной модели проектируемой системы. Этот метод является универсальным в том смысле, что модель может быть получена для вычислительной системы любой структуры и архитектуры. Наиболее широко применяемым методом проектирования является математическое моделирование.

Исследования схемотехнических устройств включает решение задач расчета, анализа, оптимизации и синтеза, которые имеют следующее содержание:

· расчет – определение выходных параметров и характеристик устройства при неизменных значениях его внутренних параметров и постоянной структуре;

· анализ – определение изменения выходных параметров и характеристик устройства в зависимости от изменения его внутренних и выходных параметров;

· оптимизация – определение наилучших в том или ином смысле значений выходных параметров и характеристик путем целенаправленного изменения внутренних параметров устройства. Это является содержанием параметрической оптимизации. Оптимизация структуры устройства является содержанием структурной оптимизации. Внутренние параметры, за счет изменения которых выполняется параметрическая оптимизация, называются варьируемыми. Способ изменения варьируемых параметров определяется конкретным алгоритмом оптимизации.

Под математическим моделированием понимается составление математической модели устройства и ее использование на ЭВМ в процедурах расчета, анализа, оптимизации и синтеза. Моделирование на ЭВМ имеет следующие преимущества:

1. В задачах расчета с помощью модели можно найти выходные параметры схем или их характеристики, которые нельзя непосредственно измерить на макете из-за недоступности точек измерения, что особенно характерно для интегральных схем.

2. В задачах анализа моделирование позволяет проанализировать выходные параметры и характеристики схемы в предельных и запредельных режимах, физическая реализация которых опасна для макета.

3. В задачах оптимизации возможности макета ограничены небольшим числом регулировочных элементов. При моделировании можно варьировать любыми управляемыми параметрами, добиваясь максимального улучшения выходных параметров.

4. Роль моделирования в задачах синтеза состоит в проверке правильности функционирования синтезируемых схем путем расчета их математических моделей. С помощью моделирования это можно сделать гораздо быстрее, чем выполнить макетирование каждой синтезированной схемы.

Недостатком метода моделирования является меньшее относительно макета быстродействие программной модели отлаживаемого устройства.

Использование машинных моделей схемотехнических устройств в качестве объекта отладки весьма эффективно вследствие их универсальности относительно типа отлаживаемых устройств, отсутствия необходимости изготовления макета, возможности параллельного анализа нескольких технических решений. Так, для аналоговых вычислительных устройств, информация о работе которых заключена в различных характеристиках сигнала – форме, спектре и т.д., применяется схемотехническое моделирование, понимаемое как моделирование электрических процессов в электронных устройствах. Для цифровых вычислительных устройств используются методы функционального моделирования (разбиение схемы на функциональные блоки), регистровых передач (детализация представления устройства не опускается ниже регистров, счетчиков и т.д.) и логического моделирования (детализация – до уровня логических элементов). Для моделирования гибридных устройств, имеющих в своем составе аналоговую и цифровую части, применяют комбинацию методов аналогового и цифрового моделирования.

Современные САПР, такие, как OrCAD-9.2, PCAD-2000, MicroSIM, MicroCAP (Microcomputer Circuit Analysis Program, «Программа анализа схем на микрокомпьютерах»), ELECTRONICS WORKBENCH(«Электронная лаборатория») фирмы Interactive Image Technologies Ltd. (Канада), MatLab (Matrix Laboratory), Digital Works, позволяют выполнять моделирование аналогово-цифровых устройств в одном сеансе. Для моделирования аналоговой части устройства применяются методы, связанные с решением систем обыкновенных дифференциальных уравнений, тогда как для цифровой части используются методы, ориентированные на моделирование стационарных процессов на уровне устойчивых состояний логического " нуля" и логической " единицы".

При моделировании аналоговых вычислительных устройств, преимущественно используется схемотехническое моделирование. Схемотехническое моделирование учитывает реальные физические ограничения в электрических процессах, то есть законы сохранения, к которым можно отнести законы сохранения заряда и работы. Из законов сохранения вытекают законы Кирхгофа, которые и представляют собой накладываемые физические ограничения и называются законами электрического равновесия. При моделировании аналоговых устройств возникает необходимость выполнения этих законов в каждой расчетной точке, что, в свою очередь, требует решения соответствующих уравнений электрического равновесия. Таким образом, в математическую модель электронного устройства в схемотехническом моделировании входят не только модели отдельных элементов (компонентные уравнения) и уравнения их связей, но и уравнения электрического равновесия, составляемые на основе законов Кирхгофа (топологические уравнения). Высокая степень строгости описания электронных схем позволяет получить достаточно точные сведения о процессах, протекающих в исследуемом устройстве, но это влечет увеличение временных затрат на моделирование и повышение объемов ресурсов памяти из-за необходимости решения уравнений равновесия.

Общие правила моделирования достаточно просты. Моделирование электронных устройств с использованием пакетов программ схемотехнического анализа включает в себя несколько этапов:

– определение задач моделирования;

– анализ моделируемой схемы, разложение ее на функциональные узлы и выбор упрощающих допущений;

– построение модели анализируемого устройства с учетом упрощающих допущений;

– проведение расчета по построенной модели и анализ полученных результатов;

– максимально возможное приближение модели к схеме анализируемого устройства, получение окончательных результатов и их анализ.

Определение задачи моделирования. Моделирование электронного устройства подразумевает, что это устройство предварительно разработано и проведен расчет его компонентов инженерными средствами. Поэтому в задачи моделирования могут входить:

- подтверждение правильности проведенных инженерных расчетов и проверка работоспособности устройства;

- исследование чувствительности к разбросу параметров компонентов;

- исследование нестационарных и аварийных режимов работы;

- исследование температурной нестабильности устройства;

- подбор корректирующих цепей.

Анализ моделируемой схемы, разложение ее на функциональные узлы и выбор упрощающих допущений. Как уже отмечалось выше, большинство электронных устройств слишком сложны для непосредственного анализа. Анализ любой схемы показывает, что она состоит из основных и вспомогательных функциональных узлов. Вспомогательные узлы обеспечивают заданные режимы работы основных узлов и моделирование их работы нецелесообразно (по крайней мере – на первом этапе). К ним относятся цепи питания, источники тока и напряжения смещения, задающие генераторы и т.п. Все эти узлы целесообразно заменить стандартными моделями MicroCap.

Построение модели анализируемого устройства с учетом упрощающих допущений. Используя рассмотренные выше допущения, строится упрощенная модель анализируемого устройства. Если моделируемое устройство достаточно сложное, то для построения работоспособной модели целесообразно пользоваться методом поблочной настройки, используемым для наладки реальных электронных устройств. Суть его, в применении к построению расчетной модели, состоит в том, что сначала добиваются работоспособности отдельных узлов и лишь потом объединяют их вместе. Для первичного анализа целесообразно применять базовые модели компонентов, но в то же время необходимо знать их особенности.

Проведение расчета по построенной модели и анализ полученных результатов. На этом этапе после получения упрощенной модели проводят окончательный расчет по скорректированной модели, получают все необходимые характеристики и на основе их анализа делают окончательные выводы.

⇐ Предыдущая 11 12 13 14 151617 18 19 20 Следующая ⇒