3760 ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ

 

Введение

Историческая справка

Предпосылкой к созданию моделей сложных технических систем послужило развитие математики и логики в XVIII, XIX веках. Ниже приведена краткая хронология развития науки и техники, которое привело к формированию современного подхода к компьютерному моделированию процессов и сложных технических систем.

1780 г. Графическая интерпретация Эйлером силлогистики Аристотеля для формализации решений логических задач.

1822 г. Бэббидж построил образец аналитической машины для вычисления таблиц.

1840-е годы. Ада Огаста Кинг, дочь лорда Байрона, разработала первые программы, реализованные на перфокартах для аналитической машины Бэббиджа, заложив теоретические основы программирования.

1848 г. Джордж Буль создал алгебру логики, которая нашла практическое применение в современных компьютерных технологиях.

1880-1894 гг. Появились труды Венна в области алгебры логики Буля. Разработаны «диаграммы Венна», которые были модифицированы Вейчем и Карно.

В начале XX века Эренфест указал на возможность технического применения алгебры логики для автоматической обработки информации.

1938 г. В.И. Шестаковым и К. Шенноном было обнаружено соответствие логических выражений релейным структурам.

1942-1946 гг. Джон фон Нейман сформулировал основные принципы построения компьютеров.

1948 г. Винер сформулировал общие принципы кибернетики.

60-е годы. Появились алгоритмические языки как эффективное средство программирования. Пользователями компьютеров становятся непосредственные разработчики сложной технической аппаратуры.

80-е годы. Развивается микропроцессорная техника и основанная на ней техника персональных компьютеров (ПК), ставших эффективным инструментом для проектирования и моделирования систем.

90-е годы. Создается программное обеспечение для ПК, дающее возможность визуального моделирования процессов и проектирования систем их обработки. Реализуется концепция образно-знаковых моделей процессов и систем.

В 2000 году курс «Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных систем» включен в государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования.

Задачи компьютерного проектирования и моделирования сигналов, устройств и систем

В 80-х годах появился новый термин «компьютерное проектирование», который рассматривается как процесс описания структуры, внутренних и внешних процессов и условий функционирования проектируемых и еще не существующих объектов.

Проектирование как процесс разделяется на следующие этапы: проектные процедуры и операции. К стадиям проектирования относятся:

–  техническое предложение. Оно включает технико-экономическое обоснование разработки, поиск основных принципов ее построения, предложения технических средств реализации отдельных решений;

–  эскизный проект. На этой стадии проверяются возможности реализации основных технических решений, принципов и положений, определяющих основные потребительские качества будущего объекта;

–  технический проект. На данной стадии выполняется подробная проработка всех разделов проекта с детализацией применяемых технических решений;

–  рабочий проект, завершающийся созданием технической документации, необходимой для изготовления спроектированного объекта в конкретных условиях.

Применение систем компьютерного проектирования типично для всех перечисленных стадий эскизного, технического и рабочего проектирования. В частности, при проектировании интегральных схем выделяют этапы: 1) проектирования компонентов; 2) схемотехнического проектирования; 3) функционально-логического проектирования; 4) топологического проектирования.

Таким образом, проектная процедура – это формализованная совокупность действий, целью которых является проектное решение. Примерами проектных процедур могут служить: разработка чертежа изделия, расчет характеристик фильтра, расчет конструкции функционального узла.

Проектное решение – промежуточное или окончательное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования.

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

Различают два вида процесса проектирования – нисходящее и восходящее.

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.

У каждого из двух видов проектирования имеются свои особенности.

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 ним 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.

При проектировании РЭС различают три уровня проектирования: схемотехническое, конструкторское и технологическое.

Схемотехническое проектирование связано с отображением функциональных характеристик и основных принципов действия и находит выражение в структурных, функциональных и принципиальных электрических схемах, сопутствующих документах.

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

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

Важными этапами проектирования являются моделирование и эксперимент. Эксперимент часто проводится в форме имитационного моделирования.

Модель – объект замещающий оригинал и отражающий его свойства, соответствующие целям и задачам моделирования. Модель системы (процесса) составляется на основе субъективного представления (парадигмы) о реальной системе (процессе). Степень адекватности модели реальному объекту, таким образом, зависит от адекватности наших представлений и адекватности средств описания модели.

Современный подход к синтезу и анализу технических систем немыслим без применения компьютеров и основан на имитационном моделировании. В его основе лежат математические (знаковые) модели.

Математическая модель – описание математическими средствами объектов и процессов.

Современное знаковое моделирование реализуется с помощью компьютера и базируется на функциональном анализе; теории вероятностей; математической логике; теории групп; неэвклидовой геометрии, теории множеств, дискретной математике и пр.

Понятие имитационного моделирования тесно связано с экспериментом. Изучение какого-либо явления на его модели можно рассматривать как особый вид «модельного» или «машинного» эксперимента. Он отличается от традиционного эксперимента тем, что в процесс изучения включается промежуточное звено – модель, являющаяся и средством, и объектом экспериментального исследования.

Различают ряд видов моделирования. 1. Предметное моделирование, при котором модель воспроизводит геометрические, физические, динамические или функциональные характеристики объекта. Например, модель моста, плотины, крыла самолета и т.д. 2. Аналоговое моделирование, при котором модель и оригинал описываются единым математическим соотношением. Примером могут служить электрические модели, используемые для изучения механических, гидродинамических и акустических явлений. 3. Знаковое моделирование, при котором в роли моделей выступают схемы, чертежи, формулы. Роль знаковых моделей особенно возросла с расширением масштабов применения ЭВМ при построении знаковых моделей.

Со знаковым моделированием тесно связано мысленное моделирование, при котором модели приобретают мысленно-наглядный характер. В формулировке Жюля Анри Пуанкаре, известного французского математика XIX века, мысленный эксперимент – это эксперимент, который может быть воображен. Модельный эксперимент позволяет исследовать такие объекты, прямой эксперимент над которыми затруднён, экономически невыгоден, либо вообще невозможен. При этом, реализуя алгоритмы моделирования на компьютере, получают информацию о свойствах объекта-оригинала. Объективность (адекватность) этой информации во многом зависит от адекватности свойств модели исследуемым свойствам оригинала. 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.

Построение моделей аппаратуры предполагает формализацию схемы и конструкции с точки зрения рассматриваемого процесса, а она, в свою очередь, определяет принятие ряда допущений. Поэтому модели не полно отражают детали рассматриваемого объекта. Степень соответствия модели реальным процессам определяет точность, получаемых при моделировании результатов и зависит от полноты учета существенных сторон моделируемых процессов.

Практика инженерного проектирования РЭС показывает, что наиболее существенное влияние на выходные характеристики, их разбросы и надежность аппаратуры оказывают взаимосвязанные между собой электрические, тепловые и механические процессы.

Сформулируем принципы, исходя из которых строятся модели этих процессов.

Модель электрических процессов:

  • отражает электрические процессы, протекающие в схеме аппаратуры, что должно обеспечить получение с заданной точностью функциональных и режимных электрических характеристик;
  • включает в себя эквивалентные схемы радиоэлементов (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, диодов, транзисторов, микросхем и пр.);
  • учитывает паразитные проводимости, емкости, индуктивности, взаимные индуктивности и другие параметры, отражающие влияние конструкции на протекающие электрические процессы.

Модель тепловых процессов:

  • отражает тепловые процессы в конструкции, связанные с теплообменом под влиянием окружающей среды, тепловыделениями в радиоэлементах, действием систем охлаждения и термостатирования, что должно обеспечить получение с заданной точностью тепловых характеристик;
  • учитывает кондуктивные, конвективные и лучистые составляющие теплообмена в аппаратуре;
  • учитывает распределенность массы элементов конструкции и анизотропность тепловых свойств электрорадиоэлементов.

Модель механических процессов отражает механические процессы в конструкции, связанные с появлением механических деформаций и напряжений при механических воздействиях, что должно обеспечить получение с заданной точностью механических характеристик.

Модель надежности и качества:

  • отражает характеристики надежности и качества аппаратуры, связанные с технологическими факторами, тепловыми и механическими воздействиями, процессами старения;
  • учитывает электрические, механические и тепловые режимы ЭРЭ;
  • учитывает электрические, механические и тепловые режимы элементов конструкции;
  • учитывает разбросы параметров ЭРЭ и элементов конструкции.