Основные понятия схемотехнического проектирования радиоэлектронных устройств области.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Сущность схемотехнического проектирования РЭУ

Необходимость сокращения сроков и повышения качества разработки радиоэлектронных устройств (РЭУ) и систем требует широкого применения ЭВМ и методов автоматизации проектирования (САПР) электронной техники различного назначения. При этом целью проектирования является создание более совершенных РЭУ, отличающихся от своих аналогов и прототипов более высокой эффективностью за счет использования новых физических явлений и принципов функционирования, более совершенной элементной базы и структуры.

Возможны следующие задачи совершенствования системы или электронного устройства :

Частичная модернизация существующего ЭУ производится за счет изменения его параметров структуры и конструкции, обеспечивающая сравнительно небольшое (до нескольких десятков процентов) улучшение одного или нескольких показателей качества для решения тех же или новых задач.

Существенная модернизация, предполагает значительное (в несколько раз) улучшение показателей качества. РЭУ

Создание нового РЭУ основано на ранее не применявшихся принципах действия, для резкого (на несколько порядков) увеличения показателей качества при решении тех же или существенно новых задач.

 С точки зрения последовательности выполнения различают основные стадии проектирования:

1. Предварительное проектирование, результатом которого являются технические предложения (аванпроект). Эта стадия в наибольшей степени насыщена элементами

научного поиска, теоретическими расчетами, экспериментальными исследованиями. Они завершаются обычно созданием лабораторных макетов.

2. Эскизное проектирование, результатом которого является эскизный проект. На этой стадии усилия разработчиков во многом направлены на поиски эффективных конструкторских решений. Она также связана с большим объемом теоретических изысканий, сложных расчетов и заканчивается созданием экспериментального образца

проектируемого изделия и его тщательными экспериментальными исследованиями (натурным моделированием).

3. Техническое проектирование, при котором выполняется тщательная проработка всех схемных, конструкторских и технологических решений. На стадии технического проектирования создается техническая документация на разрабатываемую аппаратуру и процессы ее производства. Итогом является технический проект, содержащий необходимую документацию и опытный образец изделий, прошедший всесторонние испытания в реальных условиях эксплуатации. При этом следует подчеркнуть чрезвычайную важность и трудоемкость создания технической документации, на основе которой происходит дальнейшее единичное, серийное или массовое производство РЭУ.

По содержанию решаемых задач процесс проектирования можно разбить на следующие четыре уровня:

1. Системотехническое проектирование, при котором выбираются и формулируются цели проектирования, обосновываются исходные данные и определяются принципы

Сущность схемотехнического проектирования РЭУ построения системы. При этом формируется структура проектируемого объекта, его составных частей

(функционально завершенных блоков), определяются энергетические и информационные связи между составными частями. В результате формируются частные технические задания

на проектирование отдельных составных частей объекта.

2. Схемотехническое (функциональное) проектирование

РЭУ, имеющее целью аппаратурную реализацию составных частей устройства. При этом выбор элементной базы, принципиальной схемы, структурный и параметрический

синтез радиоэлектронных схем (оптимизация параметров) производятся с расчетом обеспечения наилучшего функционирования (и эффективного производства). При выборе

элементной базы и синтезе радиоэлектронных схем необходимо учитывать конструкторско-технологические требования.

3. Техническое проектирование (конструирование), решающее задачи компоновки и размещения элементов и узлов, выполнения печатных и проводных соединений, а также задачи теплоотвода, электрической прочности, защиты от внешних воздействий и т. п.

На этом этапе разрабатывается техническая документация для изготовления и эксплуатации РЭУ.

4. Технологическая подготовка производства, предполагающая разработку технологических процессов изготовления отдельных блоков и всей системы в целом.

Схемотехническое проектирование, как и другие перечисленные этапы, сводится к формированию описаний проектируемого РЭУ и состоит из отдельных проектных

процедур, реализуемых с помощью пакетов прикладных программ автоматизированного проектирования и заканчивающихся частным проектным решением.

Типичными для схемотехнического проектирования РЭУ проектными процедурами являются анализ и синтез их описанийна различных уровнях рассмотрения.

Процедура анализазаключается в  исследовании РЭУ с заданной структурой во временной или частотной областях и выборе и оптимизации параметров входящих компонентов и режимов работы.

Процедура синтеза заключается в создании проектного решения (описания) по заданным требованиям, свойствам и ограничениям. Например, широко используются при проектировании РЭУ процедуры синтеза электронных схем по их заданным характеристикам в частотной или временной области функционирования

Основные понятия схемотехнического проектирования радиоэлектронных устройств области.

 Проектирование рассматривается как последовательное решение двух задач:

 выбора структурной схемы, называемого структурным синтезом,

 определения параметров ее элементов (обеспечивающих требуемые характеристики), называемого параметрическим синтезом.

 Процедура анализа состоит в определении свойств заданного описания РЭУ. Примером такой процедуры может служить расчет частотных или переходных характеристик электронных схем, определение реакции схемы на заданное воздействие и др. Анализ позволяет оценить степень удовлетворения проектного решения заданным требованиям и его работоспособность в заданных условиях (Техническое задание).

Процедуры синтеза и анализа в процессе проектирования РЭУ тесно связаны между собой, поскольку обе они направлены на создание приемлемого или оптимального проектного решения.

Типичной проектной процедурой является оптимизация, которая приводит к оптимальному (по определенному критерию) проектному решению. Например, широко используется оптимизация параметров электронных схем с целью наилучшего приближения частотных характеристик к заданным. Процедура оптимизации состоит в многократном анализе при целевом изменении параметров схемы до удовлетворительного приближения к заданным характеристикам.

В сущности, оптимизация обеспечивает создание или синтез проектного решения с поэтапным анализом или оценкой характеристик.

Проектные процедуры состоят из отдельных проектных операций. Например, в процессе анализа математических моделей РЭУ приходится решать дифференциальные и алгебраические уравнения, осуществлять операции с матрицами и т. п. Такие операции могут иметь обособленный характер, но в целом они образуют единую проектную процедуру.

Проектные процедуры и операции выполняются в определенной последовательности, называемой маршрутом проектирования. Маршруты проектирования могут начинаться с нижних иерархических уровней описаний (восходящее проектирование) или с верхних (нисходящее проектирование).

Между всеми этапами проектирования существует глубокая связь и взаимосвязь. Так, определение окончательной конструкции и разработка всей технической документации

часто не могут быть выполнены до окончания разработки технологии.

 В процессе конструирования и разработки технологииможет потребоваться коррекция принципиальных схем, структуры системы и даже исходных данных. Поэтому процесс проектирования является не только многоэтапным, но и многократно корректируемым по мере его выполнения, т. е. процесс носит итерационный характер.

В процессе проектирования необходимо не просто создать аппаратуру, которая будет обеспечивать заданное функционирование, но и оптимизироватьее по широкому спектру функциональных, конструкторско-технологических, эксплуатационных и экономических

показателей.

На отдельных этапах для отдельных частных задач оптимизацию можно осуществить на основе разработанных формальных математических методов. Однако задача оптимизации часто не поддается формализации. В таких случаях рассматривается несколько вариантов решения поставленной задачи, подсказанных, как правило, предшествующим опытом, интуицией, и выбирается лучший из них. Такой подход называется эвристическим многовариантным анализом.

Однако в связи с все возрастающей сложностью РЭУ, с повышением требований к ним необходимые расчеты оказываются все более трудоемкими, а количество вариантов, целесообразных для рассмотрения, катастрофически возрастает. Эта ситуация получила название «тирании альтернатив».

Часто на этапе проектирования не удается предвидеть некоторые требования, вытекающие из условий эксплуатации. В таких случаях доводка аппаратуры происходит в процессе испытаний, что удорожает и затягивает проектирование во много раз. Подобное положение является результатом возникшего принципиального несоответствия традиционного подхода к проектированию и сложности современных радиоэлектронных средств. Указанное противоречие и вызвало интенсивное развитие новой технологии проектирования РЭУ, базирующейся на системном подходе и совершенствовании

процессов проектирования с применением математических методов и средств вычислительной техники, комплексной автоматизации трудоемких и рутинных проектных работ, замене макетирования и натурного моделирования математическим моделированием,

использованием эффективных методов многовариантного проектирования и оптимизации, а также повышением качества управления проектированием.

 Системный подход позволяет найти оптимальное, в широком смысле, решение задачи проектирования за счет всестороннего, целостного рассмотрения как проектируемого изделия, так и самого процесса проектирования и способен привести к подлинно творческим новаторским решениям, включая крупные изобретения и научные открытия.

 Методы оптимизации проектных решений

Оптимальные РЭУ могут быть построены либо методами классического синтеза, либо методами оптимизации на ЭВМ с применением пакетов прикладных программ автоматизации проектирования. Классический синтез позволяет проектировать относительно несложные, в основном, пассивные устройства, для которых существуют аналитические способы синтеза оптимальных схем. К ним относятся оптимальные

частотные фильтры с аппроксимацией Чебышева, Кауэра и др., оптимальные широкополосные согласующие устройства с аппроксимацией Фано, а также различного класса частотно-разделительные и мостовые устройства

Большинство же устройств из-за отсутствия аналитических методик синтеза проектируется методами оптимизации на ЭВМ. При этом различают структурную и

параметрическую оптимизацию. При структурной оптимизации определяется

наилучшая структура РЭУ, удовлетворяющая заданным требованиям.

При параметрической оптимизации определяется такая совокупность внутренних параметров РЭУ, при которой заранее выбранные выходные параметры принимают

наилучшие возможные значения.

 Полное решение задачи проектирования РЭУ методами параметрической оптимизации на ЭВМ производится в три этапа:

• моделирование устройства;

• составление целевой функции с выбором тех или иных критериев его качества;

• минимизация (максимизация) целевой функции для получения оптимальных внутренних

параметров устройства.

При проектировании РЭУ широко применяются методы оптимизации проектных решений, основанные на решении задач математического (линейного и нелинейного) программирования. В этих задачах производится поиск минимума или максимума некоторой целевой функции, зависящей от многих переменных при наличии ограничений на эти переменные.

При проектировании РЭУ целевая функция отображает качество работы, стоимость аппаратуры и иные характеристики, зависящие от параметров компонентов, оптимальные

значения которых требуется найти в результате решения задачи.

Ограничения формулируются в виде системы соотношений, сужающих допустимую область изменения параметров компонентов при решении задачи оптимизации РЭУ.

Если минимизируемая (максимизируемая) целевая функция и ограничения линейно зависят от переменных, то оптимизация проектных решений может быть выполнена на основе известных из курса математики методов линейного программирования. К этим методам относятся симплекс-метод и методы целочисленного линейного программирования. При нелинейной зависимости целевой функции и ограничений от переменных оптимальное проектирование

РЭУ производится на основе решения задачи нелинейного программирования методами одномерного поиска оптимального решения, а также градиентными или статистическими методами оптимизации.