ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ

ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ
РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
Учебная программа дисциплины
Министерство образования и науки Российской Федерации
Владивостокский государственный университет
экономики и сервиса
ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ
РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
Учебная программа дисциплины
по специальности
210305.65 Средства радиоэлектронной борьбы
Владивосток
Издательство ВГУЭС
2014
2
ББК 32.884
Учебная программа по дисциплине «Основы компьютерного
проектирования и моделирования радиоэлектронных систем»
составлена в соответствии с требованиями ГОС ВПО. Предназначена
для студентов специальности 210305.65 Средства радиоэлектронной
борьбы.
Составитель: Белоус И.А., к.ф.-м.н., доцент кафедры электроники.
Утверждена на заседании кафедры электроники от 13.05.2009 г.,
протокол № 5, редакция 2014 г. (заседание кафедры от 22.04.2014 г.,
протокол №8).
Рекомендована к изданию УМК Института информатики, инноваций и бизнес систем ВГУЭС.
Издательство Владивостокского
3
государственного
университета
экономики и сервиса, 2014
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время моделирование является основным методом исследований во всех областях знаний и научно обоснованным методом
оценок характеристик сложных систем, используемым для принятия
решений в различных сферах инженерной деятельности. Существующие и проектируемые системы можно эффективно исследовать с помощью математических моделей, реализуемых на современных рабочих
станциях, которые в этом случае выступают в качестве инструмента
разработчика при проектировании радиоэлектронных систем. Под проектированием радиотехнической системы понимается создание, преобразование и представление в принятой форме образа этого еще не существующего объекта.
Особое место данной дисциплины в профессиональной подготовке
обусловлено выраженной потребностью в создании и совершенствовании современных радиотехнических объектов, технологий и процессов
их проектирования. Проектирование включает в себя разработку технического предложения и (или) технического задания, отражающих эти
потребности, и конечную реализацию его в виде проектной документации.
Дисциплина «Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных систем» входит в цикл общепрофессиональных дисциплин по специальности 210305.65 «Средства радиоэлектронной борьбы».
Дисциплина тесно связана и опирается на ранее изученные дисциплины, как: Специальные разделы высшей математики; Специальные
разделы информатики; Английский язык; Электродинамика и распространение радиоволн; Основы теории цепей; Радиотехнические цепи и
сигналы.
Особенность изучаемой дисциплины состоит в тесной связи математических методов моделирования и их практической реализацией при
проектировании радиоэлектронных устройств с использованием современных средств автоматизированного проектирования.
Знания и навыки, полученные студентами в результате изучения
дисциплины, необходимы для освоения дисциплин: Устройства СВЧ и
антенны; Основы конструирования и технологии производства радиоэлектронных систем; Радиоэлектронные средства бытового назначения.
Данная учебная программа составлена в соответствии с
4
требованиями Государственного образовательного стандарта высшего
профессионального образования.
1. ОРГАНИЗАЦИОННО–МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
1.1. Цели и задачи учебной дисциплины
Целью настоящей дисциплины является: изучение основных принципов и этапов автоматизированного проектирования и моделирования
радиоэлектронных устройств.
Основные задачи дисциплины заключаются в: изучении математических основ моделирования и алгоритмизации; ознакомлении с математическими моделями и моделированием на разных уровнях проектирования аналоговых и цифровых устройств, методами моделирования
полей, методами оптимизации проектных решений; получении практических навыков проектирования и моделирования радиоэлектронных
устройств с помощью программного обеспечения систем автоматизированного проектирования (САПР).
1.2. Перечень компетенций, приобретаемых при изучении
дисциплины
Дисциплина направлена на формирование следующих профессиональных качеств:
 умение анализировать состояние научно-технической проблемы
на основе подбора и изучения литературных источников и технического
задания; определение цели и постановка задач проектирования и моделирования;
 компетентность в планировании, организации и проведении всех
этапов схемотехнического и комплексного проектирования радиоэлектронных устройств.
В процессе изучения дисциплины формируются навыки:
 сквозного проектирования радиоэлектронных устройств с использованием современных систем автоматизированного проектирования;
 моделирования и оптимизации элементов радиоэлектронных
устройств в системах автоматизированного проектирования;
Теоретические знания, полученные в процессе изучения дисциплины, формируют профессиональный взгляд на:
5
 методики разработки структурных и функциональных схем радиотехнических систем и комплексов и принципиальных схем
устройств с использованием средств компьютерного проектирования,
 проведение проектных расчетов и технико-экономическим обоснованием принимаемых решений;
1.3. Основные виды занятий и особенности их проведения
Дисциплина «Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных систем» изучается в шестом семестре. Общее
количество часов, которое отводится на изучение дисциплины, по
направлению подготовки специальности 210305.65 «Средства радиоэлектронной борьбы» – 77. Количество аудиторных часов – 34, из них:
лекционных занятий – 17 часов, лабораторных работ – 17 часов. На самостоятельную работу студентов отводится 43 часа, из них: 29 часов на
самостоятельное изучение теоретического материала и консультации,
10 часов на оформление отчетов и подготовку к защите лабораторных
работ, 6 часов на подготовку к зачету.
1.3.1. Лекционные занятия
При проведении лекционных занятий учитывается, что часть материала выносится на самостоятельную работу. На лекционных занятиях
студенты должны изучить основные возможности, этапы, методы и алгоритмы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных устройств с целью комплексного применения в САПР.
1.3.2. Лабораторные работы
Лабораторные работы проводятся на базе рабочих станций с использованием прикладного программного обеспечения САПР. На лабораторных занятиях студенты должны получить навыки по созданию и
анализу работы схем и оптимизации их параметров с применением
САПР. После выполнения индивидуального задания студент сдает отчет в твердой копии и электронном виде.
1.4. Виды контроля и отчётности по дисциплине
В процессе изучения дисциплины студент слушает лекции по теоретическому материалу, при этом некоторые из вопросов выносятся на
6
самостоятельное изучение. Для помощи студенту в освоении теоретического материала лекционных занятий и самостоятельной работы предусматриваются консультации ведущего преподавателя.
Для защиты лабораторных работ, в рамках самостоятельной работы
студента, предусмотрено время для оформления отчета и освоения теоретического материала для ответов на контрольные вопросы.
Для подготовки к зачету студенту отводится 6 часов самостоятельной работы и консультация ведущего преподавателя перед зачетом.
В соответствии с Положением о рейтинговой системе оценки успеваемости студентов во Владивостокском государственном университете
экономики и сервиса в ходе изучения дисциплины предусматриваются
следующие виды контроля знаний студентов: текущая и промежуточная
аттестации.
Текущая аттестация студентов осуществляется по результатам контроля уровня знаний в ходе проведения лекционных занятий, лабораторных работ и консультаций.
Текущая аттестация знаний студентов включает:
- защиту отчетов по выполняемым лабораторным работам;
- оценку знаний и умений студентов при проведении консультаций
по лекционным занятиями и лабораторному практикуму;
- контроль посещаемости занятий.
Текущая аттестация проводится в форме устного или письменного
опроса или теста по разделам дисциплины, изученных студентом в период между аттестациями, при этом учитывается посещение лекционных занятий, количество выполненных и защищенных лабораторных
работ, а также количество выполненных экспресс-контрольных работ за
отчетный период. Форма аттестации предлагается ведущим преподавателем и утверждается на заседании кафедры. Результаты аттестации
заносятся в ведомость установленной формы.
Дисциплина завершается зачетом в шестом семестре. Итоговая
оценка формируется на основе текущей и промежуточной аттестаций и
в соответствии с требованиями Положения о рейтинговой системе
оценки успеваемости студентов во ВГУЭС.
1.5. Техническое и программное обеспечение дисциплины
При проведении лекционных занятий необходимо стандартное
офисное и мультимедийное оборудование. Для проведения лабораторного практикума используются рабочие станции на базе персональных
7
компьютеров и прикладное программное обеспечение систем автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств.
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
2.1. Перечень тем лекционных занятий
Тема 1. Модели, алгоритмы и алгоритмические процессы.
Предмет дисциплины; цели и задачи дисциплины, структура дисциплины. Общие сведения об объектах и задачах проектирования.
Уровни сложности РЭА и уровни автоматизированного проектирования. Типы объектов и процессов проектирования. Основные пакеты
современных САПР.
Понятие модели. Математические и физические модели. Этапы моделирования. Аналитические и имитационные методы исследования.
Понятие алгоритма и алгоритмического процесса. (2 часа).
Тема 2. Структурное моделирование
Постановка задачи. Основные способы структурного моделирования. Аналитическое моделирование. Имитационное моделирование.
Типовые задачи структурного моделирования. Модели блоков и сигналов. Реализация задач структурного моделирования. (2 часа).
Тема 3. Функциональное моделирование
Постановка задачи. Основные допущения. Базовые элементы
функциональных схем. Основные алгоритмы моделирования. Вычислительные аспекты моделирования. Построение функциональных схем.
Программы функционального моделирования: особенности, методы. (2
часа).
Тема 4. Схемотехническое моделирование
Постановка задачи. Базовый набор схемных элементов моделей.
Иерархия и типы схемных моделей. Основы составления моделей. Узловой анализ линейных схем. Машинное формирование узловых уравнений для линейных резистивных схем. Моделирование статических
режимов. Методы моделирования. Уравнения статического режима в
базисе узловых потенциалов. Формирование матрицы узловых проводимостей. Представление элементов схемы в базисе узловых потенциалов. Моделирование переходных процессов. Явная и неявная форма
8
моделей. Моделирование частотных характеристик. Программы схемотехнического моделирования Особенности машинных алгоритмов. (2
часа).
Тема 5. Макромодели интегральных схем
Принципы построения макромоделей. Иерархия и типовая структура макромоделей. Методы построения макромоделей. Основные процедуры. Методы упрощения макромоделей. Библиотеки макромоделей и
их типовых элементов. Формы представления макромоделей. Макромодели цифровых микросхем. Макромодели аналоговых микросхем. (2
часа).
Тема 6. Математическое моделирование цифровых устройств
Описание языков моделирования и элементов цифровых устройств
в моделях логического уровня. Синхронное моделирование цифровых
устройств двоичными алфавитами. Асинхронное двоичное моделирование цифровых устройств. Моделирование цифровых устройств многозначными алфавитами. Языки моделирования. (2 часа).
Тема 7. Математическое моделирование электродинамических
объектов
Применение методов декомпозиции при моделировании СВЧустройств. Методы нахождения собственных функций блоков. Метод
конечных разностей. Метод конечных элементов. Моделирование излучающих устройств. Пакеты программ моделирования СВЧ-устройств. (2
часа).
Тема 8. Синтез и оптимизация радиоэлектронных устройств
Задачи и методы синтеза в системах автоматизированного проектирования. Структурный анализ. Программы синтеза. Оптимизация при
проектировании радиоэлектронных устройств. Критерии оптимальности. Методы непрерывной параметрической оптимизации. Методы поиска экстремумов. Алгоритмы статистической оптимизации. Способы
формирования целевой функции. Программы оптимизации. (2 часа).
2.2. Перечень лабораторных работ
Лабораторная работа №1. Исследование основных характеристик элементов радиоэлектронных устройств
9
Создание и редактирование модели элементов в редакторе
Schematics; задание параметров; изучение статических и динамических
характеристик элементов; работа с программой-осциллографом Probe;
(4 часа).
Лабораторная работа №2. Схемотехническое моделирование
усилительных каскадов
Создание и редактирование схем аналоговых усилительных каскадов в редакторе Schematics; задание параметров; анализ частотных характеристик; параметрический анализ; анализ схемы по постоянному
току; вывод графиков в программе-осциллографе Probe; (4 часа).
Лабораторная работа №3. Исследование аналоговых интегральных устройств
Задание параметров модели; исследование основных характеристик схем на основе интегральных устройств; (4 часа).
Лабораторная работа №4. Моделирование цифровых устройств
Создание цифровой схемы в редакторе Schematics; статический логический анализ цифровой схемы; динамическое моделирование схем и
построение временных диаграмм; (4 часа).
3. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
3.1. Перечень и тематика самостоятельных работ студентов
по дисциплине
В соответствии с общим объемом часов, отведенных для изучения
дисциплины, предусматривается выполнение следующих видов самостоятельных работ студентов (СРС): самостоятельное изучение теоретического материала с самоконтролем по приведенным ниже вопросам,
изучение теоретического материала при подготовке к защите лабораторных работ, итоговое повторение теоретического материала при подготовке к зачету.
3.2. Методические рекомендации по организации СРС
Для самостоятельного изучения дисциплины выносится часть
10
материала по всем темам дисциплины с самоконтролем по контрольным
вопросам и возможностью консультации у ведущего преподавателя
общим объемом 29 часов СРС для направления подготовки 210300.62
«Радиотехника»,
специальностям
210303.65
«Бытовая
радиоэлектронная аппаратура», 210305.65 «Средства радиоэлектронной
борьбы». Для успешного выполнения лабораторных работ в
соответствии с разделом 2.1 настоящей учебной программы студент
должен предварительно самостоятельно освоить теоретический
материал соответствующих тем. На подготовку к зачету отводится 6
часов СРС.
3.3. Рекомендации по работе с литературой
Для изучения теоретического материала, в соответствие с программой дисциплины, рекомендуются следующие учебники, учебные и
справочные пособия: темы 1…4 – [1-2] – широко рассмотрены вопросы
о моделях, алгоритмах, алгоритмических процессов, структурном и
функциональном моделировании. В литературе [3], предназначенной
для тем 5-6, особо уделено внимание рассмотрению макромоделей интегральных схем и схемотехническому моделированию; Для изучения
тем 7-8 предназначена литература [4-5], в которой в достаточной мере
представлена информация о математическое моделирование электродинамических объектов и синтезе и оптимизации радиоэлектронных
устройств.
При подготовке к лабораторным работам, согласно п. 2.2, рекомендуется дополнительная литература, в которой представлено практическое руководство по моделированию и проектированию радиоэлектронных устройств и получении практических навыков по работе программ
САПР [6-12].
3.4. Рекомендации по работе с техническими средствами и
программным обеспечением
При проведении лабораторных работ используются специализированные аппаратно-программные средства, мультимедийное и офисное
оборудование. Методические указания по их использованию, для изучения дисциплины, содержаться в технической документации, прилагаемой к оборудованию и аппаратно-программным средствам.
3.5. Контрольные вопросы для самостоятельной оценки
11
качества освоения дисциплины
Тема 1
1.1.
Назовите и охарактеризуйте основные этапы проектирования по существу решаемых задач.
1.2.
Что понимается под оптимальным синтезом
устройства?
1.3.
Каковы преимущества компьютерного моделирования?
1.4.
Назовите и охарактеризуйте два подхода к проектированию радиоэлектронных устройств.
1.5.
Перечислите основные этапы моделирования.
1.6.
Дайте понятие математической модели объекта и
моделирования. Какие типы математических и физических моделей
вы знаете?
1.7.
Охарактеризуйте роль алгоритмических процессов
в процессе моделирования.
1.8.
Какими свойствами характеризуется алгоритмический процесс?
Тема 2
2.1. Какие способы структурного моделирования вы знаете? Приведите их сравнительную характеристику.
2.2. Приведите общую схему процесса структурного проектирования.
2.3. Какие типы задач решаются при структурном моделировании?
Приведите примеры.
Тема 3
3.1.
Изложите сущность функционального
моделирования и перечислите основные допущения при функциональном моделировании.
3.2.
Назовите базовые элементы функциональных схем. Приведите примеры.
3.3.
В описании каких безинерционных элементов входит время и почему?
3.4.
Какие способы моделирования инерционных нелинейных элементов вы знаете?
3.5.
Как зависят методы моделирования инерционных линейных элементов от способов их описания?
12
Изобразите типовые структуры функциональных схем и назовите общие подходы к их моделированию.
3.7.
В каких пакетах САПР возможно функциональное моделирование?
3.6.
Тема 4
4.1. Что понимается под схемотехническим моделированием?
4.2. Совокупность каких уравнений образует математическую модель объекта?
4.3. Что такое базовый набор схемных элементов и как моделируются элементы схемы, не вошедшие в базовый набор?
4.4. Перечислите известные вам варианты модели биполярного
транзистора и области их применения.
Тема 5
5.1. Перечислите основные процедуры формирования макромоделей.
5.2. Изобразите обобщенную типовую структуру макромодели.
5.3. Расскажите о формах представления макромоделей в программах схемотехнического проектирования.
5.4. Перечислите типовые макроэлементы набора для формирования математической модели любого заданного информационного описания цифровой схемы.
5.5. Назовите цели расчета статических режимов.
5.6. Перечислите и охарактеризуйте основные методы моделирования статических режимов.
5.7. Как формируются вектор токов и матрица узловых проводимостей для модели статического режима?
Тема 6
6.1. Что такое логическая модель и для решения каких задач она
применяется?
6.2. Что понимается под алфавитом логического моделирования?
Какие типы алфавитов вы знаете?
6.3. Какие разновидности алгоритмов синхронного моделирования
вы знаете? В чем их различие?
6.4. Назовите достоинства и недостатки асинхронных алгоритмов
двоичного моделирования.
6.5. Когда целесообразно использование моделирования с помощью
многозначных алфавитов?
Тема 7
13
7.1. Что представляют собой базовые элементы СВЧ-устройств?
7.2. Какие существуют способы анализа базовых элементов?
7.3. Выведите и объясните структуру дифференциальных уравнений относительно векторного и скалярного потенциала для решения задач моделирования полей различного типа.
7.4. Какие методы моделирования полей вам известны?
Тема 8
8.1. Что такое целевая функция?
8.2. Приведите примеры целевых функций.
8.3. Что понимается под параметрической оптимизацией?
8.4. Приведите классификацию задач параметрической оптимизации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная литература
1. Представление знаний в информационных системах: учебник
для студентов вузов / Б. Я. Советов, В. В. Цехановский, В. Д.
Чертовской. – М.: Академия, 2011. – 144 с.
2. Советов Б. Я. Моделирование систем: учебник для студ. вузов,
обуч. по специальности "Информатика и вычислительная техника" и "Информационные системы" / Б. Я. Советов, С. А. Яковлев. - 5-е изд.,стереотип. - М. : Высш. шк., 2007. - 343 с. : ил.
3. Казиев В. М. Введение в анализ, синтез и моделирование систем: учебное пособие. / В. М. Казиев. - Интенет-Ун-т Информ.
Технологий (ИНТУИТ). - М. : ИНТУИТ: БИНОМ. ЛЗ, 2006. 244с.: ил.
4. Норенков И. П. Основы автоматизированного проектирования.
Учебник для ВУЗов. / И. П. Норенков. - М.: МГТУ им. Баумана,
2006. - 448с.
Дополнительная литература
5. Ю.Б.Колесов, Ю.Б.Сениченков. Моделирование систем. Практикум
14
по компьютерному моделированию. БЧВ-Петербург, 2007. 352с.
6. Кузнецова С. А. OrCAD 10. Проектирование печатных плат / С.
А. Кузнецова, А. В. Нестеренко, А. О. Афанасьев. - М. : Горячая
линия-Телеком, 2005. - 454с. : ил.
7. В.Д.Разевиг Система проектирования OrCAD 9.2. М.: СОЛОНР, 2003. – 528с.
8. Советов Б. Я. Моделирование систем: Практикум: Учебное пособие для студ. вузов. / Б.Я.Советов, С.А.Яковлев. - 2-е изд.,
перераб. и доп. - М. : Высш. шк., 2003. - 295с.
9. Разевиг В.Д. Система проектирования цифровых устройств
OrCAD. / В.Д. Разевиг. - М.: Солон-Р, 2000. - 160с.
10. Хайнеман Р. PSPICE. Моделирование работы электронных
схем: Пер. с нем. / Р. Хайнеман – М.: ДМК Пресс, 2002. - 336с.
11. Практикум по автоматике. Математическое моделирование систем автоматического регулирования: учебное пособие для
студ. вузов, обуч. по агроинженер. спец.. / Б. А. Карташов и др;
под ред. Б. А. Карташова. - М.: КолосС, 2004. - 184с.: ил. (Учеб. и учеб. пособия для вузов). + CD-ROM.
15