Введение

Разработка любого радиоэлектронного устройства сопровождается физическим или математическим моделированием.Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требуется изготовление макетов и их трудоемкое исследование. Часто физическое моделирование просто невозможно из-за чрезвычайной сложности устройства, например, при разработке больших и сверхбольших интегральных микросхем. В этом случае прибегают к математическому моделированию с использованием средств и методов вычислительной техники. Например, известный пакет P-CAD [1] содержит блок логического моделирования цифровых устройств, однако для начинающих, в том числе и для студентов, он представляет значительные трудности в освоении. Не меньшие трудности встречаются и при использовании системы DesignLab [I, 2]. Как показал анализ состояния программного обеспечения схемотехнического моделирования, на этапе начального освоения методов автоматизированного проектирования и на этапах проведения поисково-исследовательских работ целесообразно рассмотреть возможность использования следующих программ [З].

Micro-Cap V — разработка фирмы Spectrum Software (www.spectrum-soft.corn), выпускается для платформ IBM, NEC и Macintosh. В версиях для IBM и NEC PC требуется процессор не ниже 80386 с сопроцессором, 15 Мбайт свободного пространства на жестком диске, Windows З.хх или выше. Имеется библиотека моделей 10 тыс. электрорадиоэлементов ведущих фирм Японии, Европы и США, Программа позволяет:

создать принципиальную электрическую схему устройства и отредактировать ее;

провести расчет статического режима по постоянному току;

рассчитать частотные характеристики и переходные процессы;

провести оценку уровня внутреннего шума и предельной чувствительности;

провести многовариантный анализ, включая статистический анализ по методу Монте-Карло;

наращивать библиотеку компонентов;

представлять данные в форме, удобной для интерпретации и дальнейшего анализа;

реализовать другие сервисные функции, типичные для такого класса программ.

DesignLab 8.0 — интегрированный пакет корпорации MicroSim (www.oread.corn), в состав которого входит известная программа моделирования PSpice. Этот пакет позволяет проводить сквозное проектирование радиоэлектронных устройств: от ввода принципиальной схемы, ее моделирования до создания управляющих файлов для программаторов, разработки печатных плат и управляющих программ для сверлильных станков и вывода данных на графопостроитель.

Aplac 7.0 — пакет с типичным набором возможностей, перечисленных выше (www.aplac.hut.fi/aplac). Программа позволяет также моделировать устройства СВЧ диапазона, в частности, она содержит подпрограмму расчета трехмерных электромагнитных полей микрополосковых конструкций и других устройств СВЧ-тех ники. Программа позволяет вводить и выводить данные с помощью интерфейсных плат стандарта IEEE-488.

System View 1.9 — программа фирмы Elanix (www.elanix.com), содержит типичный набор функций для схемотехнического моделирования, а также богатый математический аппарат для обработки полученных результатов. Программа позволяет моделировать устройства на уровне функциональных схем.

Electronics Workbench (EWB) — разработка фирмы Interactive Image Technologies (www.interactiv.com). Особенностью программы является наличие контрольно-измерительных приборов, по внешнему виду и характеристикам приближенных к их промышленным аналогам. Программа легко осваивается и достаточно удобна в работе. После составления схемы и ее упрощения путем оформления подсхем моделирование начинается щелчком обычного выключателя.

К перечисленным программам следует добавить также программу CircuitMaker 6.0 фирмы MicroCode Engineering (www.microcode.corn), содержащую обширную библиотеку моделей промышленных изделий электронных компонентов с возможностью оперативного просмотра их основных характеристик (например, для транзистора — это тип корпуса, максимальное напряжение, ток, частота, фирма-изготовитель и др.). Программа позволяет достаточно оперативно подготавливать электрические схемы аналоговых, цифровых или смешанных аналого-цифровых устройств и проводить их моделирование с получением результатов в виде осциллограмм сигналов и графиков частотных характеристик; возможно получение точных отсчетов с помощью вертикальных и горизонтальных визирных линий. Она также позволяет контролировать режим по постоянному току в выбранных точках схемы. Отличительной особенностью программы является наличие ани-мационных компонентов (запуск ракеты, старт автомобилей), призванных имитировать конечный результат работы схемы, а также то, что она содержит учебное пособие в демонстрационном режиме. Интегрируется с программой разработки печатных плат TraxMaker. Имеются коммерческие и студенческие версии.

Поскольку книга имеет учебный характер, в качестве основного инструментария автором выбрана программа Electronics Workbench (EWB) как отличающаяся самым простым и легко осваиваемым пользовательским интерфейсом. Опыт использования глав 9, 10, 11, 14 и некоторых разделов из других глав книги в качестве лабораторного практикума по курсу "Технические средства систем управления", читаемого автором в Российском университете дружбы народов (РУДН), подтвердил правильность такого выбора. Кроме того, в Канаде и США издано более десятка учебных пособий на базе этой программы. Необходимо также отметить, что как учебная программа EWB обладает весьма важным достоинством, которое заключается в развитии творческого начала учащегося: он может не только выполнять задания преподавателя, но и имеет возможность предложить и апробировать свои технические решения, а это уже творчество, которое превращает учебный процесс в увлекательное занятие. Учитывая легкость освоения программы, следует отметить, что эта программа и, соответственно, книга по ее применению будут полезны не только студентам и учащимся, но и разработчикам разнообразной аппаратуры — специалистам по схе-мотехнике. Кроме того, книга может быть использована в качестве "живого" справочника по разнообразным радиоэлектронным схемам (естественно, при наличии компьютера и самой программы).

Книга состоит из трех частей. Первая часть посвящена описанию программы EWB версии 4.1, наиболее популярной и доступной, и последней версии 5.0. Первая часть содержит четыре главы.

Глава 1 дает представление о меню, выполненном в стандартной для Windows манере. В главе описаны команды по подготовке схем, их конвертированию в другие системы моделирования и созданию макросов (в других программах для этого требуется знание специального языка), команды, задающие режим моделирования, копирования элементов схем, команды экрана, а также, начиная с версии 5.0, — команды по проведению многовариантного анализа, статистического анализа, Фурье-анализа и др. Изложение иллюстрируется примерами использования команд.

В главе 2 приводится описание технологии подготовки схем и краткое описание состава библиотечных компонентов (более подробное описание дается в других главах по мере использования отдельных компонентов в конкретных схемах).

В главе 3 приводится подробное описание семи контрольно-измерительных приборов. Особенностью этого набора являются сходство по внешнему виду и характеристикам с промышленными аналогами и простота применения, что создает иллюзию реальности и порождает чувства, характерные для радиолюбительского творчества.

В главе 4 приведены сведения по элементной базе, используемой в радиоэлектронной аппаратуре, а также результаты измерения характеристик моделей библиотечных компонентов и их сопоставление с характеристиками реальных компонентов.

Вторая часть книги посвящена расчету и моделированию типовых электронных схем. Ее материалы могут быть использованы при проведении лабораторных работ по электротехнике, радиотехнике, вычислительной технике, автоматике и другим предметам радиотехнического профиля. При подготовке к лабораторным работам, а также для закрепления материала могут быть использованы контрольные вопросы и задания в конце каждого раздела. По сравнению с традиционными методами проведения лабораторных работ, использование EWB позволяет значительно сократить время на подготовку и проведение таких работ при существенной экономии средств за счет многопрофильного использования ПК вместо дорогостоящего лабораторного оборудования.

Главы 5 и 6 предназначены в основном для изучающих теоретические основы электротехники. За основу приняты упражнения и задачи из различных сборников (в основном из сборника М. Р. Шебеса [35]), которые иллюстрируются результатами моделирования. Процесс моделирования облегчается за счет возможности использования, кроме основных приборов, в неограниченном количестве амперметров и вольтметров с цифровым отсчетом и разнообразных моделей источников тока и напряжения.

В главах 7 и 8 рассматриваются практические схемы транзисторных радиоэлектронных устройств, заимствованные из различных популярных изданий. Заявленные характеристики устройств сопоставляются с результатами моделирования.

В главах 9 и 10 рассмотрены устройства на цифровых и аналоговых микросхемах, сопоставляются результаты их расчета и моделирования. Большинство устройств рассматриваются в порядке возрастающей сложности. Например, последовательно рассматриваются полусумматор, полный сумматор, выясняется их внутренняя структура на уровне простейших, ранее изученных логических элементов, а затем на их базе строится модель многоразрядного сумматора, работа которого проверяется с помощью генератора слов (кодового генератора) и алфавитно-цифро-вых индикаторов.

В главе 11 рассмотрены характеристики и способы выполнения цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей (ЦАП и АЦП), приводятся различные схемные варианты и результаты моделирования. Выявлены внутренняя структура и возможности библиотечных ЦАП и АЦП.

В главе 12 рассмотрены способы построения вторичных источников электропитания: от выпрямителей, умножителей и простейших параметрических стабилизаторов до импульсных стабилизаторов. Выявлены ограничения программы по возможностям моделирования транзисторных преобразователей, являющихся основными компонентами бестрансформаторных источников питания.

В главе 13 приведены результаты моделирования отдельных функциональных узлов приемо-передающих устройств: модуляторов, преобразователей частоты, колебательных контуров, детекторов и др.

В главе 14 рассмотрены аналоговые вычислительные устройства и разнообразные функциональные преобразователи, используемые при моделировании и разработке систем автоматического управления.

Третья часть книги посвящена конструированию печатных плат. Она состоит из главы 15 и содержит краткое описание программы EWB Layout, составленное по результатам анализа ее демонстрационной версии.