Анализ и моделирование цифровых и аналоговых схем

Министерство образования республики Беларусь

Учреждение образования "Полоцкий государственный университет"

Кафедра конструирования и технологии РЭС

Контрольная работа

По курсу " Теоретические основы САПР "

Выполнил

Номер зачетной книжки

Проверил

Новополоцк 2008

Задача №1. Оценка статического риска сбоя

Задание:
для заданной схемы оценить риск статического сбоя по всем выходным переменным для заданного варианта изменения вектора входных переменных.

Исходные данные:

Схема:

Заданный вариант изменения вектора входных переменных:

X=(a,b,c) c (0,0,1) на (1,1,1)

Решение:

Для оценки риска статического сбоя необходимо разработать синхронную модель цифровой схемы в трехзначной логике. Математическая модель заданной схемы имеет вид:

При анализе трехзначных моделей значения всех переменных – входных и выходных вычисляются трижды:

1. Исходное значение вектора входных переменных X=(a,b,c) задано заданием; исходное значение вектора выходных переменных Y=(e,g) вычисляется по правилам двоичной логики;

2. Окончательное значение вектора входных переменных X=(a,b,c) задано заданием; окончательное значение вектора выходных переменных Y=(e,g) вычисляется по правилам двоичной логики;

3. Промежуточные значения входных
переменных X=(a,b,c) определяются по следующему правилу: если исходное значение входной переменной совпадает с окончательным, то промежуточное равно исходному и окончательному. Если исходное значение входной переменной не совпадает с окончательным, т.е. имеет место переключение входного сигнала в течение такта модельного времени, то промежуточное равно 2 (неопределенное состояние переключения). Промежуточные значения выходных
переменных Y=(e,g) рассчитываются по правилам трехзначной логики. Статический риск сбоя по выходной переменной имеет место в случае, если сочетание значений этой переменной в исходном, промежуточном и окончательном состоянии имеют вид 0-2-0 или 1-2-1.

Правила выполнения основных логических операций И, ИЛИ, НЕ в двоичной и трехзначной логике для произвольных переменных а
и b
приведены в таблице 1:

Таблица 1

a	0	1	2	0	1	2	0	1	2
b	0	0	0	1	1	1	2	2	2
	0	0	0	0	1	2	0	2	2
	0	1	2	1	1	1	2	1	2
	1	0	2	1	0	2	1	0	2

Результат анализа трехзначной модели заданной схемы приведен в таблице 2.

Таблица 2

Таким образом, результат расчета по выходным переменным e
и g
показывает наличие статистического риска сбоя.

Задача №2. Анализ цифровых схем по методу простой итерации и событийному методу

Задание:
выполнить анализ заданной схемы по методу простой итерации и событийному методу для заданного изменения вектора входных переменных.

Исходные данные:

Схема:

Заданный вариант изменения вектора входных переменных:

X=(a,b,c,d,e) меняет свое значение с 00100 на 11101

Решение:

Для выполнения анализа схемы необходимо разработать ее синхронную модель в двоичной логике. Математическая модель заданной схемы имеет вид:

Для реализации анализа по методу простой итерации необходимо задать начальное приближение для вектора выходных переменных Y₀
=(f,g,h,p,q). Для расчета начальных приближений вектора выходных переменных воспользуемся начальным значением вектора входных переменных X=(a,b,c,d,e)=(00100), предварительно расположив уравнения в порядке прохождения сигналов по схеме:

Y₀
=(f,g,h,p,q)=( 1,0,1,1,1).

Метод простой итерации
состоит в выполнении итераций по формуле:

Y_i
=
y
(Y_i-1
, X),

где Y_i

- значение вектора Y
на i
-й итерации, т.е. при вычислении Y₁
в правые части уравнений модели поставляются значения выходных переменных из начального приближения Y₀
, при вычислении Y₂
– значения из результата первой итерации Y₁
и так далее. Если Y_i
=Y_i-1

, то решение найдено; если

Y_i

¹
Y_i-1

, то выполняется новая итерация; если итерационный процесс не сходится, то это свидетельствует об ошибках проектирования схемы устройства, вызывающих неустойчивость его состояния.

Результат анализа заданной схемы по методу простой итерации приведен в таблице 3.

Таблица 3

Из таблицы 3 видно, что потребовалось два раза обращаться к каждому из пети уравнений модели, прежде чем результат второй итерации, совпадающий с результатом первой итерации, показал, что решение найдено.

Таким образом, искомое значение вектора выходных переменных при изменении X=(a,b,c,d,е) с 00100 на 11101 для заданной схемы равно:

Y=(e,g,p,f,h,q)=(0,1,0,1,1).

При использовании событийного метода
вычисления на каждой итерации выполняются только по уравнениям активизированных
элементов, т.е. элементов, у которых хотя бы на одном входе произошло событие (изменилась входная переменная). В алгоритме событийного метода на каждом шаге вычислительного процесса имеется своя группа активизированных элементов.

В заданном варианте изменения вектора входных переменных изменяются только значения переменных а, b
и е
, следовательно, на первой итерации при реализации событийного алгоритма анализа должны быть пересчитаны только выходные переменные f
и h
, в правые части уравнений которых входят аргументами b
и d
. Если по результатам вычисления значения f
и h
совпадут с начальным приближением, то решение будет найдено, если хотя бы одна из этих переменных изменится, то на второй итерации должны быть пересчитаны те выходные переменных, в правые части уравнений которых входят изменившиеся в результате первой итерации переменные. Процесс продолжается до тех пор, пока в результате очередной итерации значения рассчитываемых переменных не совпадут с их предыдущими значениями, т.е. до выполнения условия Y_i
=Y_i-1

.

Результат анализа заданной схемы по методу простой итерации приведен в таблице 4.

Таблица 4

№ итерации	Начальное приближение Y0						Изменяющиеся переменные	Активизированные уравнения
	e	g	p	f	h	q
	0	0	1	1	1	0
0 1 2 3 4 5 6	0	0 1	1 1 0	1 0	1 1 0	0 1 1	b, d f g h q p -	4 и 5 2 5 6 3 6 -
Результат	0	1	0	0	0	1

Как видно из таблицы 4, на 6-ой итерации результат расчета переменной q
совпал с ее предыдущим значением, следовательно решение найдено.

Таким образом, искомое значение вектора выходных переменных при изменении X=(a,b,c,d) с 0110 на 0011 при расчете по событийному методу для заданной схемы совпадает с результатом анализа по методу простой итерации и равно:

Y=(e,g,p,f,h,q)=(0,1,0,0,0,1).

Однако, при вычислении по методу простой итерации, потребовалось на каждой итерации вычислять все выходные переменные, т.е. объем вычислений составил 6×6=36 операций. Тот же результат при использовании событийного метода потребовал значительно меньшего объема вычислений, а именно выполнения 8 операций. Таким образом, трудоемкость событийного метода значительно меньше.

Задача №3. Анализ цифровых схем по методам Зейделя

Задание:
выполнить анализ заданной схемы по методам Зейделя для заданного изменения вектора входных переменных.

Исходные данные:

Схема:

Заданный вариант изменения вектора входных переменных:

X=(a,b,c,d,e) меняет свое значение с 00100 на 11101

Математическая модель заданной схемы имеет вид:

При реализации анализа по методу Зейделя при вычислении очередного из элементов вектора Y_i

в правую часть уравнений системы там, где это возможно, подставляются не элементы вектора Y_i-1

, а те элементы вектора Y_i

, которые уже вычислены к данному моменту, т.е. итерации выполняются по формуле: Y_i
=
y
(Y_i
,Y_i-1
, X).

Результат вычислений по методу Зейделя без ранжирования, для исходного произвольного порядка уравнений модели представлен в таблице 5. Для организации вычислений использовалось значение начального приближения вектора выходных переменных Y₀
, полученное в задаче 2.

Таблица 5

Задача №4. Моделирование аналоговых схем (метод узловых потенциалов)

Цель:
освоение метода узловых потенциалов моделирования аналоговых схем.

Задание:
для заданного варианта схемы задачи №6 разработать модель топологии с использованием метода узловых потенциалов: построить матрицу «узел-ветвь», записать топологические уравнения в общем виде; в развернутой матричной форме; в виде системы уравнений по законам Кирхгофа.

Решение:

В методе узловых потенциалов в вектор базисных координат включаются потенциалы всех узлов схемы, за исключением одного узла, принимаемого за опорный. Топологические уравнения – это уравнения закона токов Кирхгофа, записанные для узлов схемы, и уравнения связи вектора напряжений ветвей U
с вектором узловых потенциалов:

A
×
I=0;

A
^T

j
+U=0,

где А
– матрица «узел-ветвь»; A
^T

- транспонированная матрица «узел-ветвь»; I
– вектор токов ветвей. Строки матрицы соответствуют узлам, а столбцы - ветвям схемы. В столбце i
-той ветви записываются единицы на пересечении со строками узлов, при чем +1

соответствует узлу, в который ток i
-той ветви втекает, а -1

соответствует узлу, из которого этот ток вытекает. Матрица «узел-ветвь» для схемы с введенными обозначениями узлов, полученной в задаче 6 и показанной на рисунке 10, имеет вид, представленный на рисунке 14 (узел 8 принят в качестве опорного).

Рисунок 14

Запишем топологические уравнения по закону токов Кирхгофа

- в общем виде:

A
×
I=0;

- в развернутой матричной форм

- в виде системы уравнений, которая получена из матричной формы умножением вектора-столбца токов ветвей схемы на матрицу «узел-ветвь»:

Запишем топологические уравнения по закону напряжений через узловые потенциалы:

- в общем виде:

A
^T

j
+U=0;

- в развернутой матричной форме (в транспонированной матрице столбцы соответствуют строкам исходной матрицы «узел-ветвь»):

- в виде системы уравнений, которая получена из матричной формы умножением вектора-столбца узловых потенциалов на матрицу «узел-ветвь» после приведения ее к виду U=-A
^T

j
:

Таким образом, модель топологии заданной схемы получена с использованием метода узловых потенциалов в виде двух систем уравнений - по закону токов Кирхгофа и по закону напряжений через узловые потенциалы.

Задача №5. Моделирование аналоговых схем (метод переменных состояния)

Цель:
освоение метода узловых потенциалов моделирования аналоговых схем.

Теория, методы и примеры решения:
раздел 3.3.2.3 курса лекций.

Задание:
для заданного варианта схемы задачи №6 разработать модель топологии с использованием метода переменных состояния: построить граф, нормальное фундаментальное дерево и матрицу контуров и сечений. Записать топологические уравнения в общем виде; в развернутой матричной форме; в виде системы уравнений по законам Кирхгофа. Записать окончательную математическую модель схемы в виде системы уравнений, в которой ёмкостные токи и индуктивные напряжения выражены явно и заменены производными переменных состояния.

Решение:

Базисными координатами в этом методе являются переменные состояния, т.е. фазовые переменные, непосредственно характеризующие запасы энергии в элементах электрической схемы. К таким переменным относятся независимые друг от друга емкостные напряжения и индуктивные токи. Исходными топологическими уравнениями являются те же уравнения, что и в табличном методе:

U_x
+MU_вд
=0; I_вд
=M^Т
I_x
=0.

Матрицу М
контуров и сечений в методе переменных состояния формируют на основе построения нормального дерева графа схемы. Нормальным деревом
называют фундаментальное дерево, в которое включение ветвей производится не произвольно, а в следующем порядке: ветви источников напряжения, емкостные, резистивные, индуктивные, источников тока. Использование нормального дерева облегчает дальнейшее преобразование исходных уравнений с целью получения нормальной формы Коши.

В графе схемы, приведенной на рисунке 12, построенное фундаментальное дерево является нормальным. Топологические уравнения в общем виде и в развернутой матричной форме были получены при решении задачи 6. Топологические уравнения в виде системы уравнений по законам Кирхгофа, полученные с использованием матрицы контуров и сечений, построенной в задаче №6, имеют вид:

Для получения окончательной ММС используют компонентные уравнения. При их преобразовании стремятся получить уравнения, выражающие емкостные токи I_С

и индуктивные напряжения U_L

через переменные состояния. Далее, заменяя I_C

и U_L

производными переменных состояния, получают окончательную ММС.

Запишем компонентные уравнения (уравнения сопротивления, емкости и индуктивности) в общем виде:

В заданной схеме нет индуктивных ветвей, поэтому уравнение индуктивности нам не понадобится.

В левых частях уравнений второй системы необходимо заменить I_Cj

на С
_j

×
dU_Cj
/dt
, а в правые части вместо I_Ri

подставить величины U_Ri

, выраженные из уравнений первой системы путем деления на R_i

. Окончательная форма ММС по методу переменных состояния имеет вид:

Таким образом, с использованием метода переменных состояния получена окончательная полная ММС заданной схемы, объединяющая в себе компонентные и топологические уравнения схемы.