Моделирование как инструмент исследования устройств телекоммуникаций
Федеральное агентство связи Российской Федерации
ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет
Телекоммуникаций и информатики»
С. Н. Архипов, А.С. Чухров
ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
УСТРОЙСТВ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ
Учебное пособие
НОВОСИБИРСК 2012
УДК 681.52 (076)
Архипов С.Н., Чухров А.С.Основы компьютерного моделирования устройств телекоммуникаций: Учебное пособие /СибГУТИ. Новосибирск, 2011. 159 стр.
В учебном пособии в систематизированном виде рассмотрены:
- вопросы качественного и количественного описания моделей компонентов;
- обзор программ схемотехнического моделирования;
- способы и особенности описания моделируемых устройств в программах PSPISE, ELECTRONICS WORKBENCH, MICRO-CAP;
- способы и особенности задания на проведение анализа в различных программах;
- основные виды анализа устройств телекоммуникаций;
- способы и возможности вывода результатов моделирования;
- многочисленные примеры анализа аналоговых, цифровых и смешанных устройств;
- вопросы моделирования устройств, задаваемых функциональными схемами;
- возможность использования программ моделирования при выполнении научных исследований.
Кафедра систем радиосвязи
Илл. 100, табл. 12, список лит. 15 наимен.
Рецензенты: д.т.н., проф. Ю.А. Пальчун
д.т.н., проф. А.А. Спектор
Для: направления подготовки 210700 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»
Утверждено редакционно-издательским советом ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» в качестве учебного пособия.
ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики», 2012.
СОДЕРЖАНИЕ
| ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………………... | ||||
| 1. | МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК ИНСТРУМЕНТ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТРОЙСТВ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ | |||
| 1.1. | Основные этапы схемотехнического проектирования ……......... | |||
| 1.2. | Качественное и количественное описание моделей ………......... | |||
| 1.3. | Обзор программ компьютерного моделирования и проектирования устройств телекоммуникаций ……………........ | |||
| 2. | PSPISE – ЭТАЛОН СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ. РАБОТА В СРЕДЕ PSPISE…………….......... | |||
| 2.1. | Развитие схемотехнического моделирования на платформе PSpice ……………………………………………........................... | |||
| 2.2. | Общие сведения о пакете PSPISE 5.1 ..……………………. ... . ... | |||
| 2.3. | Структура задания на моделирование ..……………………. ... ... | |||
| 2.4. | Входной язык программы PSPISE .…………………………. ... ... | |||
| 2.5. | Расчет режима цепи по постоянному току (параметров «рабочей точки») ……………………….……………………........................... | |||
| 2.6. | Емкости и индуктивности в цепях постоянного тока …….......... | |||
| 2.7. | Многовариантный анализ по постоянному току. Директива ".DC" ………………………………………..…......…... | |||
| 2.8. | Директивы вывода данных ………………….……………............ | |||
| 2.9. | Директива временного анализа «.TRAN» ……......…………..... | |||
| 2.10. | Независимые источники сигналов …………………......……… ... | |||
| 2.11. | Директива “.LIB” …………………………………………......…... | |||
| 2.12. | Зависимые источники ……………………………………….......... | |||
| 2.13. | Частотный анализ ……………………………………………........ | |||
| 2.14. | Спектральный анализ ……………………………………….......... | |||
| 2.15. | Многовариантный анализ ..………………………………… ..... ... | |||
| 2.16. | Вопросы для самопроверки …………………………………........ | |||
| 3. | ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОГРАММЫ ELECTRONICS WORKBENCH..………………………………… ... ... | |||
| 4. | ПРИЛОЖЕНИЯ ПРОГРАММЫ ELECTRONICS WORKBENCH ДЛЯ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА... ... ... | |||
| 5. | ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОГРАММЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ MICRO-CAP 9……………………………………………………….......... | |||
| 5.1. | Общие сведения о программе ………………………………......... | |||
| 5.2. | Структура интерфейса программы MICRO-CAP 9 и основное меню ………………………………………………...... ... ... ... ... ... | |||
| 5.2.1. | Интерфейс программы МС9 .……………….... .…… ... .. | |||
| 5.2.2. | Основные команды меню ..………………………...... ... .. | |||
| 5.2.3. | Создание схемы ..………………………………… .... ... ... | |||
| 5.2.4. | Представление чисел, переменных и математических выражений ...………..………… .... ... ... ... ... ... ... ... ... ... | |||
| 5.2.5. | Расчет режима по постоянному току Dynamic DC ... ... | |||
| 5.2.6. | Расчет передаточных функций по постоянному току DC | |||
| 5.2.7. | Расчет переходных процессов TRANSIENT …….......... | |||
| 5.2.8. | Анализ частотных характеристик AC ……………......... | |||
| 5.2.9. | Синтез аналоговых фильтров ……………………............. | |||
| 5.2.10. | Расчет уровня внутреннего шума ……………….............. | |||
| 5.2.11. | Многовариантный анализ ……………………….............. | |||
| 5.2.12. | Параметрическая оптимизация ..………………… ... ... ... | |||
| 5.2.13. | Функции раздела PERFORMANCE ..…………… ... ... ... | |||
| 5.2.14. | Просмотр и обработка результатов моделирования ..…. | |||
| 5.2.15. | Трехмерные графики ……………………………............ | |||
| 5.2.16. | Моделирование цифровых устройств ……………......... | |||
| 5.2.17. | Моделирование функциональных схем …………......... | |||
| 5.2.18. | Применение программы МС9 для научных исследований ………………………………………......... | |||
| ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………......... | ||||
| ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………........... |
ВВЕДЕНИЕ
Моделирование как универсальный метод исследования физических процессов и систем различного назначения известен сравнительно давно. Суть метода заключается в том, что изучаемый процесс или объект (оригинал) замещают некоторым другим, называемым моделью, результаты исследования, на котором справедливы для оригинала. Особенности и цель исследования определяют структуру модели и способ ее реализации.
При решении задач радиоэлектроники приходится сталкиваться как с процессами, математическое описание которых затруднено, так и с системами со сложными законами преобразования сигналов. Эти ситуации могут иметь место одновременно. Помехи и нестабильность обуславливают статистический характер протекающих процессов. Системы в общем случае становятся нелинейными и нестационарными, и аналитическое решение задач чаще всего оказывается невозможным. Это обстоятельство определяет важность применения моделирования в системах телекоммуникаций.
Под математическим моделированием на электронно-вычислительной машине (ЭВМ) понимается весь комплекс вопросов, связанных с составлением математической модели устройства и ее использование в процедурах расчета, анализа, оптимизации и синтеза.
В настоящее время компьютерное моделирование является одним из важнейших этапов разработки и проектирования устройств телекоммуникаций. Его история началась с попыток внедрения автоматизации в проектные работы по созданию устройств микросхемотехники, такие как размещение компонентов и функциональных узлов, разводка печатных плат, оптимизация электронных устройств, их технических и технологических характеристик.
Широкое внедрение в инженерную практику современных электронно-вычислительных машин значительно усилило роль систем автоматического проектирования (САПР) и его важнейшего компонента – систем схемотехнического моделирования. Интегральные схемы сделали возможным производство более совершенных и дешевых ЭВМ, а те, в свою очередь, облегчили проектирование новых интегральных схем. Технологический процесс сделал возможным проектирование больших функциональных блоков, содержащих в одной схеме тысячи взаимосвязанных транзисторов. Очевидно, разработка такой схемы невозможна при экспериментальной отладке на макете.
По сравнению с макетированиемкомпьютерное моделированиеимеет ряд серьезных преимуществ:
- модель помогает быстро и наглядно изучить принцип работы системы;
- исследовать особенности функционирования в более широком диапазоне условий, чем это возможно на реальном объекте, вплоть до аварийной ситуации;
- производить документирование результатов измерений;
- оперативно изменять не только величины компонентов и источников сигналов, но и их модели с учетом температурных зависимостей, статистического разброса параметров;
- избежать однообразных, многократно повторяющихся измерений;
- учесть паразитные эффекты с учетом взаимного расположения деталей на печатной плате;
- подготовить конструкторскую документацию (принципиальные схемы, разводка печатной платы, программы для станков с ЧПУ).
Таким образом, компьютерное моделирование позволяет значительно сократить сроки и стоимость разработки новой техники.
Тем не менее, модель, отражая некоторые стороны изучаемого объекта, не охватывает всего многообразия явлений, протекающих в нем. Модель, созданная на базе априорной информации, почерпнутой из теоретических разработок и экспериментальных исследований, нуждается в подтверждении адекватности моделируемому объекту.
Следует подчеркнуть, что ЭВМ и программы компьютерного моделирования являются лишь инструментом для изучения процессов и явлений. Как любой инструмент, они должны использоваться для решения определенного класса задач с четко оговоренными условиями и ограничениями, характерными для выбранной модели.
Нельзя ожидать от машины самостоятельных решений, она лишь выполняет директивы, полученные от разработчика. Как говорил еще Н. Винер: «машина – дура, она не знает, что человек может ошибаться». Поэтому при машинном эксперименте очень важно корректно подготовить и ввести исходные данные, четко определить задачи исследования и возможные ограничения. Кроме этого, компьютерное моделирование как теоретический метод исследования, нуждаются, во-первых, в осмыслении и анализе результатов: насколько они согласуются с ожидаемыми, как их можно объяснить, нужно ли уточнять используемые модели, и т.п., а во-вторых, в экспериментальной проверке.
Внедрение САПР в практику разработки электронной аппаратуры потребовало внести в учебные программы технических специальностей разделы и дисциплины, связанные с расчетом и оптимизацией электронных схем на ЭВМ. Существует еще один аспект: применительно к учебному процессу разработка и модернизация лабораторного оборудования с использованием макетов и измерительных приборов в настоящее время существенно затруднена в связи с большими материальными затратами. Применение специализированных и универсальных программ компьютерного моделирования зачастую является единственным выходом из создавшегося положения.
Организация лабораторного практикума при всех видах обучения, проектирование устройств телекоммуникаций в выпускных квалификационных работах и при разработке новой техники, учебно- и научно-исследовательская работа студентов, магистрантов и аспирантов – вот некоторые приложения, подтверждающие важность изучения методов и получения навыков компьютерного моделирования в учебной, научной и практической деятельности специалиста в области телекоммуникаций.
МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК ИНСТРУМЕНТ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТРОЙСТВ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ