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-техники.
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.
