Поняттяпро автоматизацію проектування в радіоелектроніці
Вступ
Сучаснийстан розвитку світу радіоелектроніки, систем компютерниї технологій висуває перелікнеобхідних умов, які забезпечують успіх у використанні ЕОМ, при переході відручного використання машин до автоматизованого проектування (САПР).
Найбільшийефект у проектуванні досягається, коли автоматизацією охоплені всі видирозробки якого-небудь об’єкта, тобто коли створена крізна САПР. Розглядаєтьсяструктура такої системи і комплекс засобів, включений до складу всіх їїпідсистем. Обговорюється зміст компонентів цього комплексу.
1. Ручне та автоматизоване використання ЕОМ у процесіпроектування
Змоменту свого народження ЕОМ практично відразу стали використовуватися прирозробці технічних систем.
Наперших порах проектувальник повинен був зробити ряд підготовчих кроків передвиходом до ЕОМ:
- математично описати процеси упроектуємому об’єкті із заданою долею точності (тобто обрати модель об’єкта таскласти її рівняння),
- знайти метод вирішення рівняннята алгоритм розрахунків,
- записати цей алгоритм у виглядіпрограми
- ввести її в машину разом зчисельною інформацією.
Зрозумілощо все перелічене вимагало значного часу та значних зусиль. Тому такевикористання ЕОМ, яке пізніше стали звати ручним, носило обмежений характер.
Алеотриманий досвід вказував на великі можливості цього шляху, хоч і розкривавйого значні недоліки.
Головнийз них – необхідність фахівцю притягати до вирішення своєї задачі професійногопрограміста, або самому освоїти програмування.
Іперше і друге не так просто реалізувати. Перший спосіб потребує значного числапрограмістів.
Другийзв’язаний з великими втратами часу при оволодінні алгоритмічними мовами таприйомами програмування, причому ці затрати не виправдовуються внаслідокшвидкої втрати навичок при відсутності регулярної практики.
Недивно, що через деякій час з’являється інший засіб взаємодії розробника з ЕОМ,який отримав назву автоматизованого проектування. Суть його складається внаступному. Фахівцю не потрібно обирати модель об’єкту, складати рівняння,визначати чисельне рішення, розробляти алгоритм та писати програму.
Всеце зроблено раніш при утворенні проблемно-орієнтованої програми.
Вній об’єднані кілька взаємодіючих програм, тому вона отримала ще одну назву –пакет прикладних програм (ППП). Пакет призначався для вирішення однієїпроблеми, наприклад для аналізу лінійних електронних схем.
Цяпроблема потребує послідовного вирішення ряда завдань, які можуть відрізнятисяяк постановою, так і методами.
Требазауважити, що проблемно-орієнтована програма дозволяє фахівцю вводити до ЕОМзадачу в предметній формі, наприклад, у вигляді електронної схеми. Іншимисловами, вхідна мова програми зрозуміла фахівцю (спеціалісту) і не потребуєвеликих зусиль для його засвоєння.
Очевидно,ППП значно поширює коло людей, використовуючих ЕОМ в проектуванні, оскількитепер знижуються потреби до рівня підготовки користувача в областіпрограмування.
Зіншої сторони, немає необхідності в збільшенні кількості програмістів, так якстворений пакет експлуатується продовж певного часу без великих переробок таобслуговує багато користувачів.
Втеперішній час є кілька подібних пакетів, призначених для аналіза електроннихсхем.
Вякості прикладу назвемо такі програми: MICRO-CAP та ELECTRONICS WORKBENCH,DESIGN LAB, ORCAD 9.2, P-CAD 2002, MICROWAVE OFFICE 2000, SERENADE 8.5, ALPAC7.6. Порівняння між собою деяких із перелічуваних та інших програм.
Проектуванняподібних програм це плід зусиль колективу, утвореного з програмістів різноїкваліфікації та фахівців у сфері радіоелектроніки. При високій продуктивностігрупи розробників, складеної, наприклад, з 6 чоловік, програма середніхрозмірів розробляється за 2 роки.
Появапроблемно-орієнтованих програм народжує передумову до переходу до системиавтоматизованого проектування.
2. Система крізного автоматизованого проектування
Почнеморозмову про системи автоматизованого проектування, звернемось знову до рис. 1,хоч проектування передавача, підсилювача потужності та транзистора можнаукласти в одну і ту схему, показану на рисунку 1, однак ясно, що зміст кожногоелементу цієї схеми залежить від рівня, на якому знаходиться об’єктпроектування.
Відповідноі автоматизація його розробки буде проходити по-різному, як з точки зорузмісту, так і потрібних зусиль. Тому для визначеності будемо вести мову проавтоматизацію проектування вузлів передавача.
Прирозробці деякого вузла радіопередавального пристрою необхідно згадати проструктурне проектування, схемотехнічне і конструкторсько-технологічне, як вжеказали, найбільший ефект досягається при автоматизуванні усіх видів проектнихробіт, що приведе до крізної, або інтегрованої САПР.
Їїможна уявити в вигляді блока (рис. 1), на вхід якого надходить ТЗ, а найого виході отримуємо технологічну документацію для виготовлення розробленоговузла на виробництві.
Складаєтьсясистема з кількох підсистем, в яких проводиться автоматизоване структурне,схемотехнічне та конструкторсько -технологічне проектування.
Очевидно,якщо хоч в одній підсистемі немає автоматизації, то ця підсистема може стативузьким місцем у всьому ланцюгу проектування, а система вже цілком не будеавтоматизованою.
Розглянемовластивості САПР різного вида розробки, у тому числі й крізну. Насампередвсього відмітимо, що термін «автоматизована» система, а не «автоматична»,використається не випадково.
Цимпідкреслюється, що крізна САПР, як і інша її складова частина, виявляєтьсяоб’єктом, в якій людина та ЕОМ взаємодіють на протязі всього процесупроектування.
Увипадку автоматичної системи людина звертається до ЕОМ лише при введені данихта при отриманні результатів. В САПР із розумом, науково обгрунтованорозподілені функції між машиною та людиною: ЕОМ виконує проектні процедури, яківдається формалізувати, а людина – евристичні, творчі.
Важливавластивість САПР – її відкритість, тобто можливість внесення змін у систему,якщо відкритість не забезпечена, то економічно невигідно створювати САПР.
Насправді,розробка усіх елементів коштує багато і займає чимало часу. З іншої сторони,прогрес ЕОМ, обчислювальної математики та методів проектування створюютьнеобхідність у безперервному обновленні деяких частин САПР. Це приводить допотреби відкритості.
КрізнаСАПР і відтворюючі її підсистеми складаються з кількох компонентів. Томускладові частини системи і використані в них програми повинні бути інформаційноузгоджені.
Цеприпускає єдину вхідну мову системи, а також взаємодію програм без втручаннялюдини. Пояснимо останнє прикладом.
Нехайпри проектуванні вирішуються дві задачі, одна з яких обробляється програмою А,а друга – програмою Б, причому початковими даними другої задачі являютьсярезультати розрахунків першої. Обидві програми будуть інформаційно-узгоджені,якщо результати з А передаються в Б автоматично. Сформульована властивість нетільки зменшує час розрахунку, але і оберіга від можливих помилок при передачіданих людиною.
Враховуючи,що читач має уявлення про САПР, завершимо параграф ствердженням: створення САПРні в якому разі не потребує від фахівця – розробника безглуздого натисканнякнопок у раніш визначеній послідовності.
Підкреслимоще раз: проектувальник активно бере участь у розробці, за ним залишаєтьсявирішення задач, формалізація яких не досягнута, а також задач, яких він наоснові своїх евристичних засобів вирішує ефективніше, ніж ЕОМ на основі своїхобчислювальних можливостей.
Щодорівня підготовки фахівця-користувача САПР, то він повинен бути вище, ніж раніш.Дійсно, окрім знань із своєї предметної області йому необхідно засвоїтиметодику проектування за допомогою ЕОМ, куди входять цілий ряд питань, якіраніш не вивчались:
точністьметодів розрахунку об’єкта проектування,
алгоритмицих методів,
оптимізація
можливостіта таке інше.
Словом,все те, що дозволяє правильно експлуатувати САПР і грамотно формулюватирозрахункові задачі для проектування з метою удосконалення цієї системи.
3. Комплекс засобів системи автоматизованого проектування
Дляконкретності викладення будемо мати на увазі систему автоматизованогосхемотехничного проектування (АСхП) одного вузла передавача, яка може входити вкрізну САПР цього вузла. Система АСхП складається з комплексу засобів, завдякияким здійснюється його функціонування.
Цейкомплекс вміщає кілька видів забезпечення: математичне, технічне, програмне,інформаційне, лінгвістичне, методичне та організаційне.
Розглянемоперелічені види забезпечення.
Підматематичним забезпеченням розуміють методи вирішення проектних завдань та їхалгоритми, математичні моделі об’єктів проектування та засоби отримання їхпараметрів.
Технічнезабезпечення – це засоби для прийому, обробки, збереження та передачіінформації, тобто ЕОМ та периферійне обладнання, для вводу та виводуінформації, для виготовлення документації і т. і.
Програмнезабезпечення включає до себе загальні та спеціальні програми. За допомогою першихздійснюється функціонування системи проектування, інші належать до вирішенняпроектних задач.
Вінформаційне забезпечення входять відомості, необхідні для виконанняпроектування: довідкові дані, стандарти і т. і., а також результатипроектування, які проводилися раніш для подібних вузлів.
Лінгвістичнезабезпечення визначає сукупність мов для запису алгоритмів, опису вхідних данихта результатів розрахунків, для обміну інформацією між машиною та користувачем.
Методичнезабезпечення дає методику використання систем для проектування, в якій записаносклад системи та закладені правила її експлуатації.
Організаційнезабезпечення – це положення, встановлюючи склад та функції підрозділів, де будевестись автоматизоване проектування.
Розкриємобільш докладніше зміст деяких із перелічених видів забезпечення, маючи на увазісхемотехнічне проектування транзисторного підсилювача потужності (одного звузлів медичного сканера).
Почнемоз математичного забезпечення. З цією метою перелічимо проектні задачі,виникаючі при розробці підсилювача.
Вонивитікають із технічних потреб. Нехай, для прикладу, необхідно, щоб потужність внавантаженні підсилювача була в діапазоні Рн min – Рн max, якщо частота сигналузмінюється від f min до f max, а потужність на виході – від Рн min до Рн max.Навантаження підсилювача – 50 Ом, такий і його вхідний опір.
Насампереднеобхідно вибрати транзистор, який у заданому діапазоні частот дозволяв бирозвити потрібну потужність.
Наступнийкрок – визначення структури та параметрів кола узгодження на вході та виході,які при відповідних живлячих напругах забезпечують необхідний рівень вихідноїпотужності в деякій точці області значень частоти і вихідної потужності.
Окрімцього, не повинні бути перевищені граничні струми, напруги та розсіянапотужність на транзисторі та інших елементах схеми.
Ізвище сказаного витікає, що до математичного забезпечення увійде методика виборутранзистора по робочій частоті і вихідній потужності, методика визначенняструктури кіл узгодження і параметрів цієї структури по заданій смузі частот,рівнем потужності у навантаженні та на виході, по режиму транзистора.
Крімтого, математичне забезпечення повинно включати модель транзистора, адекватнуумовам роботи підсилювача, спосіб отримання параметрів моделі, а також методперевірки функціонування розробленого вузла.
Складрозглянутого виду забезпечення ще більш ускладниться, якщо треба врахувати, щопідсилювач повинен працювати в зазначеному діапазоні температур, при змініживлячої напруги та навантаження. Ускладнення обумовлене тим, що треба нетільки виявити вплив перелічених факторів, але й вказати шлях зменшення їхвпливу.
Практикапоказує, що в теорії та методах дослідження транзисторного підсилювачапотужності для деяких з цих задач поки що відсутнє повне рішення.
Перейдемодо обговорювання програмного та технічно забезпечення. Між ними євзаємозв’язок, від того вони і розглядаються разом. При створенніавтоматизованих систем проектування перевага віддається ЕОМ і операційнимсистемам, які дозволяють організовувати діалог із користувачем.
Необхідніпід час розробки розрахунки виконуються за допомогою пакетів прикладнихпрограм, котрі з’єднуються в інформаційно-сумісний програмний комплекс.
Діалогкористувача з цим комплексом буде успішним, якщо ЕОМ має відповідний об’ємоперативної пам’яті із відповідною швидкодією. Мала швидкодія приводить додовгого очікування результату біля терміналу. Недолік оперативної пам’ятізмушує розбивати програмний комплекс на невеликі блоки, кожний з яких можерозміститись у відведеній для вирішення ділянці пам’яті.
Вході розрахунків із тривалої до оперативної пам’яті надходить потрібний впевний час блок, потім його замінює інший і т.д. Чим менший блок, тим їхбільше, і тим частіше потреба у їх обміні, що різко підвищує витрати машинногочасу.
Такимчином, програмні та технічні засоби повинні відповідати задачам, яківирішуються в ході розробки.
Нарешті,зупинимося на інформаційному забезпеченні схемотехнічного проектуванняпідсилювача потужності. У склад цього виду забезпечення увійдуть:
- моделі використанихтранзисторів
- їх параметри у вказанійобласті, де зберігається потрібна точність;
- інформація о можливостях кілузгодження заданої структури
- про смугу і максимальнийкоефіцієнт трансформації опору,
- архів спроектованих ранішпідсилювачів із їх показниками і т. і.
Побудоваінформаційного забезпечення мусить допускати оновлення змісту.
Дляцього потрібен постійний аналіз нових структур кіл та безперервна робота повизначенню параметрів моделей знову спроектованих транзисторів.
Останнєв свою чергу впливає не склад математичного забезпечення, так як потребуєстворення і оновлення методики, за допомогою котрої визначаються параметримоделі за результатами вимірів параметрів реального транзистора.