Математические модели РЭС на метауровне. Схемотехническое проектирование

Изложить основы современного уровня схемотехнического проектирования, существующее математическое и прикладное программное обеспечение.

15.1. Математические модели аналоговой РЭС

Использование основных положений схемотехнического моделирования для проектирования сложной аналоговой РЭС на метауровне оказывается затруднительным. Это связано с чрезмерно большими размерностями задач. Для их решения используются упрощения. Основой снижения размерности задач является макромоделирование. Часто вводят ряд дополнительных упрощений и допущений. Главные из них формулируются следующим образом.

1. Однонаправленность в передаче сигналов, т. е. применение макромоделей, в которых отсутствует влияние выходных переменных на состояние входных цепей.
2. Отсутствие влияния нагрузки на параметры и состояние моделируемых систем.
3. Использование вместо фазовых переменных двух типов (напряжение и ток) переменных одного типа, называемых сигналами. При этом компонентные уравнения элемента представляют собой уравнения связи сигналов на входах и выходах этого элемента.
4. Линейность моделей инерционных элементов.

Перечисленные допущения характерны для функционального моделирования, широко применяемого для анализа систем автоматического управления. Элементы (звенья) систем при функциональном моделировании делят на три группы:

• линейные безынерционные звенья для отображения таких функций, как повторение, инвертирование, чистое запаздывание, идеальное усиление, суммирование сигналов;
• нелинейные безынерционные звенья для отображения различных нелинейных преобразований сигналов (ограничение, детектирование, модуляция и т. п.);
• линейные инерционные звенья для выполнения дифференцирования, интегрирования, фильтрации сигналов.

Инерционные элементы представлены отношениями преобразованных по Лапласу или Фурье выходных и входных фазовых переменных. При анализе во временной области применяют преобразование Лапласа - модель инерционного элемента с одним входом и одним выходом есть передаточная функция; а при анализе в частотной области (преобразование Фурье) модель элемента есть выражения амплитудно-частотной и частотно-фазовой характеристик. При наличии нескольких входов и выходов ММ элемента представляется матрицей передаточных функций или частотных характеристик.

Допущения, принимаемые при функциональном моделировании, существенно упрощают алгоритмы получения математических моделей систем (ММС) из математических моделей элементов (ММЭ).

Математическая модель системы представляет собой совокупность ММЭ, которые входят в систему, при отождествлении переменных, относящихся к соединяемым входам и выходам.

15.2. Математические модели логических схем цифровой РЭС

На функционально-логическом уровне необходим ряд положений, которые упрощают модели устройств. Это позволяет анализировать более сложные объекты по сравнению с объектами, анализируемыми на схемотехническом уровне. Часть используемых положений аналогична положениям, принимаемым для моделирования аналоговой РЭС.

Во-первых, существует положение о представлении состояний объектов с помощью однотипных фазовых переменных (обычно напряжений), называемых сигналами.

Во-вторых, не учитывается влияние нагрузки на функционирование элементов-источников.

В-третьих, принимается допущение об однонаправленности, т. е. о возможности передачи сигналов через элемент только в одном направлении - от входов к выходам.

Дополнительно к этим положениям при моделировании цифровой РЭС принимается положение о дискретизации переменных, их значения могут принадлежать только заданному конечному множеству - алфавиту, например, двоичному алфавиту {0,1}.

Моделирование цифровой РЭС возможно с различной степенью детализации. На логическом (вентильном) подуровне функционально-логического проектирования в качестве элементов аппаратуры рассматривают простые схемы типа вентилей, на регистровом подуровне элементами могут быть как отдельные вентили, так и любые более сложные сочетания простых схем, например, регистры, счетчики, дешифраторы, сумматоры, арифметико-логические устройства и т. п.

Рассмотрим математические модели элементов на логическом подуровне. Для одновыходных комбинационных элементов ММ представляет собой выражение (в общем случае алгоритм), позволяющее по значениям входных переменных (значениям входов) в заданный момент времени вычислить значение выходной переменной (значение выхода) в момент времени где - задержка сигнала в элементе. Такую модель элемента называют асинхронной. При модель элемента называют синхронной. Модель многовыходного элемента должна включать в себя алгоритм вычисления задержек и значений всех выходных сигналов.

Для элементов последовательностных схем (элементов с памятью) используют модели, в которых аргументами выходных переменных могут быть как входные ,так и внутренние переменные. Вектор внутренних переменных отражает состояние элемента (состояние его памяти).

Объединение моделей элементов в общую математическую модель системы выполняется на основе вышеперечисленных допущений отождествлением переменных на соединяемых входах и выходах элементов.

15.3. Автоматизация схемотехнического проектирования РЭС

Направления развития автоматизации разработки электронной аппаратуры

К числу наиболее значимых направлений развития автоматизации разработки электронной аппаратуры, в которых необходимо обеспечить кардинальное улучшение ситуации, следует отнести:

• системный уровень разработки, позволяющий обеспечить совместное проектирование программных и аппаратных средств системы, автоматический синтез устройств, начиная с поведенческого описания, а также тестопригодность аппаратуры;
• автоматизированную поддержку и контроль процесса проектирования сложных систем и устройств, выполняемого большим коллективом разработчиков;
• наличие специализированных САПР, направленных на достижение наилучших результатов по некоторым параметрам, например, проектирование схем низкой мощности;
• создание и использование международных стандартов в области автоматизации проектирования.

В настоящее время российские предприятия используют разрозненные, а подчас и устаревшие средства проектирования. Такая ситуация делает практически невозможным выход отечественных предприятий на международный рынок разработок. Наличие современных средств САПР у партнеров является непременным условием сотрудничества и кооперации. Исходя из имеющегося опыта, отметим, что в случае реальной заинтересованности зарубежного партнера в создании совместной разработки радиоэлектронных изделий с российским предприятием первые инвестиции направляются именно на создание современного подразделения проектирования (без чего совместная работа специалистов теряет смысл). Таким образом, создание единого проектного центра, который бы с использованием сети Internet предоставлял услуги по применению различных систем и средств проектирования радиоэлектронных изделий для заинтересованных предприятий, могло бы стать привлекательным инвестиционным проектом.

Особенности проектирования радиоэлектронных средств

Внедрение новой телекоммуникационной техники предъявило к электрическим параметрам РЭС ряд непрерывно усложняющихся требований. Возрастают требования к габаритам и массе РЭС, а также к надежности, серийности и минимизации потребляемой энергии. Отсюда следует необходимость использования в РЭС современной элементной базы. Проектировщики уже не в состоянии традиционными методами проектировать РЭС из-за все возрастающих требований к ним и значительного роста объема научно-технической информации, а это, в конечном итоге, приводит к несоответствию принимаемых ими проектных решений уровню лучших мировых образцов средств связи. К тому же, в последние десятилетия в развитии телекоммуникационной техники стала заметна тенденция к переходу от проектирования отдельных устройств узкого назначения к проектированию сложных аппаратных комплексов, предназначенных для решения широкого круга задач в изменяющихся внешних условиях, что еще бол ьше осложняет положение проектировщиков.

Кроме того, у проектировщиков РЭС возникла проблема: как повысить качество первоначального технического предложения, чтобы можно было частично или полностью исключить его отработку на лабораторном (материальном) макете? Это связано с тем, что обычно первоначальное техническое предложение весьма далеко от того, чтобы удовлетворить требования, выдвигаемые техническим заданием на отдельное устройство, систему или комплекс, и сильно зависит от опыта и знаний проектировщика. Последующее же совершенствование проектируемого РЭС на макете вовлекает в процесс проектирования значительные силы проектировщиков и производственников, работа которых оказывается малоэффективной из-за многочисленных и неизбежных переделок. В результате всего этого процесс проектирования недопустимо растягивается и становится чрезмерно дорогим, в то время как из-за непрерывной конкуренции возрастают требования к уменьшению времени проектировании РЭС и его цены, при необходимости одновременного повышения его качества. Таким образом, одним из важнейших направлений увеличения роста объемов производства телекоммуникационного оборудования на предприятиях, выпускающих эту продукцию в России, является разработка и совершенствование технологии автоматизированного проектирования и использование новых методов и средств автоматизации труда проектировщиков РЭС (в том числе САПР), позволяющих повысить не только их производительность труда, но и качество принимаемых ими проектных решений.

Особенности создания САПР РЭС

Разработка САПР РЭС - это сложная научно-техническая задача, требующая больших интеллектуальных и материальных затрат. Для успешного функционирования САПР необходимо развивать техническое обеспечение (ЭВМ, используемые в САПР), математическое и программное обеспечение (методы и алгоритмы, необходимые для решения задач проектирования, создания адекватных математических моделей физических компонентов), информационное обеспечение (базы данных и знаний, включающие описания стандартных процедур проектирования и типовых проектных решений).

Создание нового поколения элементной базы требует постоянного совершенствования центров и систем автоматизированного проектирования. Более того, само проектирование аппаратуры в настоящее время невозможно представить без широкого использования САПР различного уровня. Так, известные в настоящее время разработки в области САПР РЭС малоэффективны при решении задач схемотехнического синтеза на начальных этапах проектирования, особенно для широкого класса аналоговых РЭС (АРЭС) и аналого-цифровых (комбинированных) РЭС. Для них невозможно формализовать основные процедуры синтеза, которым на верхних уровнях абстракции иерархического описания РЭС при проектировании присущи интуитивно-логические рассуждения и субъективные эвристические представления.

Таким образом, для реализации проектирования РЭС главной нерешенной проблемой является автоматизация начальных этапов проектирования и использования результатов моделирования в процессе схемотехнического синтеза. Ее решение позволит производить сквозное автоматическое схемотехническое проектирование РЭС, которое обеспечит повышение скорости и качества проектирования РЭС, а также надежность спроектированного устройства.

Вышесказанное позволяет сделать вывод о необходимости разработки специального методического, алгоритмического и программного обеспечения, целью которого стало бы создание условий перехода к единому сквозному маршруту проектирования аппаратуры и элементной базы для нее.

Разработка сквозной САПР РЭС

Решение поставленной выше задачи предлагается осуществлять путем использования в САПР продукционной и объектно-ориентированной экспертных систем (ЭС). Такие системы реализуют неподдающиеся формализации методики проектирования РЭС, модифицированных методов моделирования и распределенной БД параметров электронных компонентов. При этом ЭС позволяют автоматизировать процесс накопления и формализации знаний высококвалифицированных проектировщиков - экспертов с возможностью их последующего использования при эксплуатации САПР пользователями невысокой квалификации. Применение двух методов (узловых потенциалов и переменных состояния) моделирования - анализа и оптимизации - позволяет проводить сравнение результатов их работы и корректировать процесс синтеза. Реляционная распределенная БД, включающая широкий набор параметров электронных компонентов, может использоваться в процессе как синтеза, так и анализа.

В связи с тем, что методики проектирования РЭС являются слабоструктурированными, для их формализации необходима структуризация РЭС и их элементов. Это требует разработки моделей узлов и каскадов РЭС как объектов проектирования в ЭС, учитывающих многообразие сложных взаимных связей и всесторонне раскрывающих аспекты РЭС. Рассмотрение таких аспектов является необходимым и достаточным для конструктивной реализации процесса их автоматического проектирования.

Адаптивные САПР

Дальнейшее развитие и совершенствование САПР приводит к созданию адаптивных САПР, способных приспосабливаться к специфическим свойствам решаемой задачи путем автоматической настройки структуры и состава ПО на задачу. Процесс адаптации в САПР может осуществляться на различных уровнях. При проблемной адаптации (на уровне методов и алгоритмов) происходит приспособление системы проектирования к специфическим свойствам решаемой задачи на уровне технического задания.

Так, возможность адаптации численного анализа электронных схем была подготовлена предшествующими работами по комбинированным методам анализа. Адаптация основана на совместном применении явных и неявных формул интегрирования путем предварительной настройки на определенную формулу или на пошаговую очередность применяемых формул. Адаптация численного анализа обеспечивает выбор и настройку соответствующего алгоритма в автоматическом режиме. Другим аспектом адаптации при численном анализе является адаптация на уровне алгоритмов. При этом широко используются приемы, которые состоят в разделении исходной модели на части (алгоритмическая декомпозиция). При этом каждая из частей может быть рассчитана по наиболее подходящему алгоритму (например, разделение вектора переменных на быструю и медленную составляющие, анализ схемы в различных частотных диапазонах с использованием различных эквивалентных представлений схемы).

При схемотехническом проектировании наряду с адаптацией на уровне алгоритмов синтеза и анализа успешно применяется адаптация на уровне математических моделей. Это относится как к моделированию активных компонентов (транзисторов, диодов, операционных усилителей и т. д.), так и к формированию математической модели всего проектируемого устройства в целом. Адаптация на уровне моделирования компонентов означает, что в процессе проектирования выбирается наиболее подходящая модель, которая подвергается целенаправленным изменениям в зависимости от особенностей решаемой задачи на различных частотных и временных интервалах.

При решении задач схемотехнического проектирования "большой размерности" в адаптивных САПР происходит адаптация математической модели всего объекта на основе макромоделирования и структурной декомпозиции (расщепление сложного объекта на части). Под макромоделированием понимается такой процесс, когда типовые фрагменты (подсхемы, функциональные микросхемы) представляются математическими моделями, которые можно встраивать в схему, располагая лишь знанием значений сигналов (токов, напряжений) на их внешних связях. При этом укрупняется само понятие "компонент", поскольку компонентом может быть сложная схема, а его описание существенно упрощается. В этом случае адаптация в процессе проектирования обеспечивается выбором наиболее подходящей математической модели для каждого фрагмента схемы с учетом взаимных влияний и связей этих фрагментов. Процесс адаптации на уровне макромоделей заключается в том, что некоторый фрагмент схемы на разных уровнях проектирования (или при решении разных задач) пр едставляется в виде целого набора макромоделей различной степени сложности. В процессе проектирования макромодели меняются по соответствующим признакам на основе критерия адаптации. При любом типе декомпозиции объект и его модель расщепляются на отдельные фрагменты, объединенные посредством внешних связей.

Следовательно, наибольший эффект при проектировании РЭС можно получить при согласовании процессов эвристического синтеза в ЭС и адаптации формирования математической модели в процессе анализа и оптимизации. Такой подход, названный многоуровневым адаптивным схемотехническим проектированием, может быть использован при схемотехническом проектировании аналоговых и аналого-цифровых РЭС с высокой степенью интеграции (например, БИС и СБИС). Именно многоуровневое адаптивное проектирование позволяет осуществить сквозное схемотехническое проектирование в САПР для широкой номенклатуры РЭС.

Из специальной литературы известен исследовательский прототип системы сквозного схемотехнического проектирования РЭС, включающий блоки гибридной продукционной и объектно-ориентированной экспертных систем для синтеза структурных и принципиальных электрических схем, моделирования методами узловых потенциалов и переменных состояния, а также распределенной базы данных параметров электронных компонентов. Проведенное в ней конструктивное проектирование широкой номенклатуры РЭС показало справедливость рассмотренного подхода.