основы компьютерного проектирования и

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Согласовано
Утверждаю
___________________
Руководитель ООП
по специальности 210601
декан ЭФ проф. В.А. Шпенст
_______________________
Зав.кафедрой ЭС
проф. В.А. Шпенст
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ
РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ»
Направление подготовки специалиста
210601 – радиоэлектронные системы и комплексы
Специализация радиолокационные системы и комплексы
Квалификация выпускника: специалист
Форма обучения: очная
Составитель: доцент каф. ЭС С.И. Малинин
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
Составитель
доцент С.И. Малинин
Научный редактор
профессор В.А. Шпенст
ОБСУЖДЕНО
На заседании кафедры ЭС ____.____.20___г.. протокол № ___
2
ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И
МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
1. Цели и задачи дисциплины
Вооружить студентов знаниями в области принципов схемотехнического
моделирования современных радиоэлектронных устройств в системе Micro-Cap, основных
положений построения математических моделей радиоэлектронных устройств и расчетов
их параметров. Создание библиотек отечественных активных компонентов. Освоение
методов анализа характеристик радиоэлектронных устройств.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина
относится
к
модулю
профессиональной
подготовки
профессионального блока С3.Б.15 основной образовательной программы подготовки
специалистов 210601 «Радиоэлектронные системы и комплексы».
Теоретической и практической основами дисциплины являются курсы
“Математика”, “Информатика”, “Основы теории цепей”. Приобретенные студентами
знания могут быть непосредственно использованы при выполнении виртуальных
лабораторных работ по различным дисциплинам, связанным с изучением электроники,
а также в курсовом и дипломном проектировании.
3. Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих
компетенций:
б) профессиональных, в том числе
в области производственно-технологической деятельности:
-готовность учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной
и вычислительной техники, информационных технологий в профессиональной
деятельности (ПК3);
-способность владеть методами решения задач анализа и расчета характеристик
электрических цепей (ПК4);
-способность владеть основными приемами обработки и представления
экспериментальных данных (ПК5);
-способность собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научнотехническую информацию по тематике исследования, использовать достижения
отечественной и зарубежной науки, техники и технологии (ПК6).
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать:
- основные принципы схемотехнического моделирования;
- физический смысл, методы расчетов параметров математических моделей активных
компонентов;
- методы анализа радиоэлектронных устройств.
Уметь:
-применять методы для решения задач проектирования современных радиоэлектронных
устройств:
-построить математическую модель устройства, зная модели отдельных его
составляющих;
3
-определять структуру и параметры математической модели в зависимости от
предъявляемых к ней требований;
-осуществлять линеаризацию модели устройства при проведении частотного анализа.
Владеть:
- навыками схемотехнического моделирования по модели, представленной в той или
иной форме;
- навыками перехода от одной формы представления модели к другой.
4. Объём дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоёмкость учебной дисциплины составляет 3 зачётных единицы.
Вид учебной работы
Всего часов
Всего
108
Семестры
6
108
Аудиторные занятия: в том числе
Лекции
Практические занятия (ПЗ), в том числе в
интерактивной форме:
Лабораторные работы
Самостоятельная работа: в том числе
Контрольные работы
Курсовой проект
Другие виды самостоятельной работы
Подготовка к лекциям, практическим,
лабораторным работам
Работа с литературой
Вид промежуточной аттестации (зачёт,
экзамен)
Общая трудоёмкость
108 час.
3 зач. ед.
51
17
17
51
17
17
17
57
17
57
20
20
12
12
25
25
Экзамен
108
108
3
3
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№
п/п
1
1
Наименование
раздела дисциплины
2
Введение
Математические
основы
моделирования
компонентов РЭС
различного уровня
Содержание раздела
3
Дисциплина
”
Основы
компьютерного
проектирования и моделирования радиоэлектронных
средств”, назначение дисциплины и её место в учебном
плане. Содержание дисциплины. Применение системы
автоматизации проектирования САПР в сквозном цикле
“разработка-внедрение”.
1.1. Базовые элементы математических моделей
компонентов. Модели наиболее распространённых сигналов.
Представление произвольного сигнала посредством суммы
элементарных колебаний. Геометрическое представление
сигналов. Пространство сигналов. Элементы обобщённой
4
№
п/п
2
Наименование
раздела дисциплины
сложности
Алгоритмы анализа
аналоговых и
цифровых устройств
Содержание раздела
спектральной теории сигналов. Обобщённый ряд Фурье.
Ортогональная и ортонормированная системы базисных
функций. Равенство Парсеваля. Погрешность аппроксимации
колебания рядом Фурье. Неравенство Бесселя. Краткий обзор
наиболее распространённых систем базисных функций.
1.2.
Математические
модели
биполярных
транзисторов. Физические принципы работы биполярного
транзистора. Уравнения Эберса-Молла. Линейная модель.
Полная модель Эберса-Молла для расчетов статических и
временных характеристик. Понятие о модели Гуммеля-Пуна.
Параметры моделей. Учет температурных зависимостей.
Определение параметров модели по справочным данным.
1.3.
Математические
модели
полевых
транзисторов.
Физические принципы работы полевого
транзистора с управляющим p-n-переходом и МОП транзисторов. Уравнение статического режима. Параметры
моделей полевых транзисторов. Определение параметров
модели по справочным данным.
1.4.
Математические
модели
операционных
усилителей. Общие понятия об операционном усилителе (ОУ).
Основные параметры операционного усилителя. Принципы
построения
макромоделей
ОУ.
Учет
температурных
зависимостей. Определение параметров модели ОУ по
справочным данным.
2.1. Введение в методы анализа характеристик
радиоэлектронных устройств. Основные этапы решений задач
анализа. Система уравнений узловых напряжений - основная
математическая модель радиоэлектронного устройства.
Численный метод решений уравнений линейных и
линеаризованных устройств в задачах анализа частотных
характеристик. Система уравнений узловых напряжений и
дополнительных нелинейных уравнений для нелинейных
радиоэлектронных устройств в статическом режиме.
Решения задач анализа временных характеристик
нелинейных устройств методом многошагового процесса
решения задачи анализа статического режима. Проблема
точности, сходимости и времени решений задач анализа.
3
Методы
оптимизации
проектных решений
4
Использование
пакетов
2.2. Моделирование смешанных аналого-цифровых
устройств. Основные понятия о смешанных аналого-цифровых
устройствах. Устройства интерфейса. Смешанная аналогоцифровая цепь и ее схема замещения. Аналого-цифровой
интерфейс. Цифроаналоговый интерфейс. Модель вход-выход.
Устройства питания.
3. Методы моделирования полей. Постановка задачи
оптимизации параметров электронных схем. Критерии
оптимальности. Прямые методы поиска оптимальных решений.
Метод Хука-Дживса. Симплексный метод. Градиентные методы
поиска. Метод наискорейшего спуска. Метод сопряженных
градиентов. Метод Ньютона. Оптимизация при ограничениях.
Методы моделирования полей.
4.1. Основные сведения о системе схемотехнического
моделирования Micro-Cap. Перечень решаемых задач.
Главное меню системы. Основные этапы работы в системе.
5
№
п/п
Наименование
раздела дисциплины
прикладных
программ
Содержание раздела
Каталоги библиотек аналоговых и цифровых компонентов.
Пред-варительное редактирование библиотеки компонентов.
Редактирование биб-лиотеки компонентов в процессе создания
чертежа схемы. Графический ввод компонентов схемы. Типы
вводимых компонентов. Диалоговое окно атрибутов
компонентов. Редактирование атрибутов компонентов. Ввод
пересекающихся и непересекающихся проводников. Удаление
компонентов. Ввод текста.
4.2. Проведение анализа в системе Micro-Cap.
Порядок работы в режиме анализа схемы. Редактирование окна
задания параметров моделирования. Команды, числовые
параметры, вывод результатов моделирования, выражения,
опции. Анализ переходных процессов. Анализ час-тотных
характеристик. Анализ по постоянному току.
Многовариантный ана-лиз. Вывод графиков характеристик в
режиме “Probe”.
4.3. Основные сведения о системе схемотехнического
моделирования
PSpice. Системы сквозного
проектирования электронных устройств Design Center, Design Lab и OrCAD. Перечень решаемых задач системой
PSpice. Состав системы PSpice и порядок работы с ней.
Входной и выходной файлы. Библиотека компонентов и
макромоделей. Расширение библиотеки.
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
№
п/п
1.
2.
Наименование
обеспечиваемых
(последующих)
дисциплин
Устройства
генерирования и
формирования
сигналов
Цифровая обработка
сигналов
Номера разделов данной дисциплины, необходимых для
изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1
2
3
4
+
+
+
+
+
+
+
+
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№
п/п
1.
2.
3.
4.
Наименование
раздела
дисциплины
Математические основы
моделирования компонентов
РЭС различного уровня
сложности
Алгоритмы анализа аналоговых
и цифровых устройств
Методы оптимизации
проектных решений. Методы
моделирования полей
Использование
пакетов
прикладных программ
Лекц.
Практ. Лабор.
зан.
работы
СРС*
Всего
час.
5
17
-
14
36
4
-
-
20
24
4
-
-
8
12
4
-
17
15
36
6
6. Лабораторный практикум
№
п/п
1.
2.
3.
4
5.
№ раздела
дисциплины
Использование
пакетов
прикладных
программ
Использование
пакетов
прикладных
программ
Использование
пакетов
прикладных
программ
Использование
пакетов
прикладных
программ
Использование
пакетов
прикладных
программ
Наименование лабораторных работ
Изучение диалогового окна атрибутов компонентов и
методов проведения анализа статического режима в
системе Micro-Cap на примере дифференциального
усилительного каскада
Изучение методов проведения анализа во временной
области, а также анализа Фурье в системе Micro-Cap
каскада. Расчеты коэффициентов гармоник
Изучение методов проведения анали-за частотных
характеристик в системе Microактивного (АRC) фильтра второго порядка
Изучение методов проведения анализа во временной области
и анализа Фурье в системе PSpice на примере двухтактного
усилителя низкой частоты с отрицательной обратной связью
Изучение методов проведения частотного анализа и анализа
шумов в системе PSpice на примере универсального
активного (АRC) фильтра
7. Практические занятия
№
п/п
№ раздела
дисциплины
1.
1.
2.
1.
3.
1.
Тематика практических занятий (семинаров)
Расчёты параметров модели Эберса-Молла биполярных
транзисторов
Расчёты параметров модели униполярных (полевых)
транзисторов с управляющим p-n-переходом
Расчёты параметров макромодели операционного
усилителя (ОУ)
Трудоемкость
(час.)
5
4
8
8. Примерная тематика курсового проекта.
Тема курсового проекта: «Схемотехническое моделирование радиоэлектронных
устройств».
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
ЛИТЕРАТУРА
9.1. Основная литература:
1. Муромцев, Ю.Л. Информационные технологии проектирования
радиоэлектронных средств: учеб. пособие для вузов/ Ю.Л. Муромцев, Д.Ю. Муромцев,
И.В. Тюрин, Н.А. Кольтюков, О.А. Белоусов – М.: Академия, 2010.
2. Амелина, М.А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap
8/ М.А. Амелина, С.А. Амелин. – М.: Горячая линия - Телеком, 2007.
7
9.2. Дополнительная литература:
3. Разевиг, В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7/
В.Д. Разевиг. – М.: Горячая линия - Телеком, 2003.
4. Фидлер, Дж. К. Машинное проектирование электронных схем/ Дж. К.
Фидлер, К. Найтингейл .- М.: Высш. шк., 1985.
5. Влах, И. Машинные методы анализа и проектирования электронных
схем/ И. Влах, К. Сингхал. - М.: Радио и связь, 1988.
6.. Бенесон, З.М. Моделирование и оптимизация на ЭВМ радиоэлектронных
устройств/ З.М. Бенесон; под ред. З.М. Бененсона. - М.: Радио и связь, 1981.
7. Степаненко, И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем/
И.П. Степаненко. - М.: Энергия, 1977.
8. Разевиг, В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap 6/
В.Д. Разевиг. – М.: Горячая линия - Телеком, 2001.
9. Разевиг, В.Д. Система проектирования OrCAD 9.2/ В.Д. Разевиг. – М.:
“СОЛОН-Р”, 2001.
10. Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлек-тронных
устройств: Рабочая программа; методические указания к практическим занятиям/ сост.:
Ю.К. Выболдин, С.И. Малинин. – СПб.: СЗТУ, 2003.
9.3. Доступ к полнотекстовым базам данных из сети Интранет СПГГУ:
- БД JSTOR полнотекстовая база англоязычных научных журналов www.jstor.org
- Научная электронная библиотека www.eLibrary.ru (доступ к полным текстам ряда
научных журналов с 2007 по 2009 г. )
9.4. Электронные ресурсы других библиотек:
Национальные отечественные и зарубежные библиотеки
1.
Российская государственная библиотека http://www.rsl.ru
2.
Российская национальная библиотека http://www.nlr.ru
3.
Всероссийская государственная библиотека иностранной литературы
им. М.И.Рудомино http://www.libfl.ru
4.
Библиотека Академии Наук http://www.rasl.ru
5.
Библиотека РАН по естественным наукам http://www.benran.ru
6.
Государственная публичная научно-техническая библиотека http://www.gpntb.ru
7.
Государственная публичная научно-техническая библиотека Сибирского
отделения РАН http://www.spsl.nsc.ru/
8.
Центральная научная библиотека Дальневосточного отделения РАН
http://lib.febras.ru
9.
Центральная научная библиотека Уральского отделения РАН http://www.uran.ru
10. Библиотека Конгресса http://www.loc.gov/index.html
11. Британская национальная библиотека http://www.bl.uk
12. Французская национальная библиотека http://www.bnf.fr
13. Немецкая национальная библиотека http://www.ddb.de
14. Библиотечная сеть учреждений науки и образования RUSLANet
http://www.ruslan.ru:8001/rus/rcls/resources
15. Центральная городская универсальная библиотека им. В.Маяковского
http://www.pl.spb.ru
16. Научная библиотека им. М.Горького Санкт-Петербургского Государственного
университета (СПбГУ) http://www.lib.pu.ru
Фундаментальная
библиотека
Санкт-Петербургского
Государственного
Политехнического университета (СПбГПУ) http://www.unilib.neva.ru/rus/lib/
8
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной
аудитории, снабженной мультимедийными средствами для презентаций лекций,
видеофайлов практических занятий и демонстрационных лабораторных работ.
Проведение лабораторных занятий требует наличия специализированных
учебных стендов по заявленной номенклатуре лабораторных работ, оснащённых
современной контрольно-измерительной аппаратурой.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом
рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки специалиста 210601.65
«радиоэлектронные системы и комплексы».
11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
Изучение дисциплины производится в тематической последовательности.
Студенты очной формы обучения работают в соответствии с временным режимом,
установленным учебным рабочим планом для данных форм обучения. Информация о
временном графике работ сообщается преподавателем на установочной лекции.
Преподаватель дает указания также по
организации самостоятельной работы
студентов, срокам сдачи курсовых работ, выполнения лабораторных работ
и
проведения тестирования.
Дисциплина «Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных средств», как указывалось выше, является базовой дисциплиной. В связи с
этим, приступая к ее изучению, необходимо восстановить в памяти основные сведения
из курса общей физики, математики и указанных выше специальных дисциплин.
Методика и последовательность изучения дисциплины соответствуют перечню
содержания разделов дисциплины. Материал каждой темы насыщен математическими
соотношениями, физическая интерпретация которых зачастую достаточно сложна,
поэтому изучение материала требует серьезной, вдумчивой работы.
Изучать дисциплину рекомендуется по темам, предварительно ознакомившись с
содержанием каждой из них по программе учебной дисциплины. При первом чтении
следует стремиться к получению общего представления об изучаемых вопросах, а
также отметить трудные и неясные моменты. При повторном изучении темы
необходимо освоить все теоретические положения, математические зависимости и
выводы. Рекомендуется вникать в сущность того или иного вопроса, но не пытаться
запомнить отдельные факты и явления. Изучение любого вопроса на уровне сущности,
а не на уровне отдельных явлений, способствует наиболее глубокому и прочному
усвоению материала. Для более эффективного запоминания и усвоения изучаемого
материала, полезно иметь рабочую тетрадь (можно использовать лекционный
конспект) и заносить в нее формулировки законов и основных понятий, новые
незнакомые термины и названия, формулы, уравнения, математические зависимости и
их выводы. Целесообразно систематизировать изучаемый материал, проводить
обобщения разнообразных фактов, сводить их в таблицы. Подобная методика облегчает
запоминание и уменьшает объем конспектируемого материала. До тех пор пока тот или
иной раздел не усвоен, переходить к изучению новых разделов не следует. Краткий
конспект курса будет полезен при повторении материала в период подготовки к
экзамену.
Разработал:
доцент кафедры электронных систем
С.И. Малинин
9