Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Дослідження характеристик і оптимізація параметрів схеми по критерію мінімального спотворення сигналів.
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Інститут комп’ютерних наук та інформаційних технологій
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Системи автоматизованого проектуваня
Інформація про роботу
Рік:
2003
Тип роботи:
Курсова робота
Предмет:
Системи схемотехнічного функціонально технічного та структурного проектування
Група:
ІТП- 5
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
ІКНІТ
Кафедра систем автоматизованого проектування
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
до курсової роботи
з дисципліни: Системи схемотехнічного функціонально технічного
та структурного проектування.
на тему:
Дослідження характеристик і оптимізація параметрів схеми по критерію мінімального спотворення сигналів.
Допущено до захисту:
Дата: ________________
Виконав:
студент групи ІТП- 5
Прийняв :
Оцінка:_______________
Дата: ________________
Львів-2003
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
Кафедра : САПР
Дисципліна : „Системи схемотехнічного, фукціонально-технічного та структурного проектування”
Спеціальність : ІТП
Курс : п’ятий Група : ІТП-51 Семестр : десятий
Завдання
на курсову роботу
студента
1. Тема: „ Дослідження характеристик і оптимізація параметрів схеми по критерію мінімального спотворення сигналів ”.
2. Термін здачі закінченої роботи _________
3. Вихідні дані для роботи:
Схема електрична принципова.
4. Завдання на курсову роботу:
Виконати налагодження схеми і дослідження параметрів;
Оптимізувати параметри схеми по критерію мінімального спотворення сигналів;
Виконати частотне дослідження в діапазоні частот 8Гц-18МГц;
Виконати дослідження фазочастотної характеристики;
Визначити температурну залежність;
Календарний план
№
Назва етапу курсової роботи
Термінивиконання етапів роботи
Примітки
1
Аналіз завдання на курсову роботу.
4.03.2003 – 10.05.2003
2
Відлагодження схеми
10.05.2003 – 20.05.2003
3
Пошук необхідної інформаціії
20.05.2003– 30.05.2003
4
Оформлення пояснювальної записки
30.05.2003 – 8.06.2003
Студент: __________________ Засєдволк В.З.
Керівник : ________________ Іванців Р.Д.
Реферат
Дана пояснювальна записка складається з __ листів. Було використано кілька інформаційних джерел.
Метою даної роботи є:
ознайомитись і набути практичних навиків роботи з програмою аналізу електричних принципових схем Microcap
поглибити теоретичні знання з курсу системи схемотехнічного функціонально-технічного та структурного проектування.
ЗМІСТ.
Завдання_________________________________________________________
Календарний план_________________________________________________
Реферат_________________________________________________________
Зміст____________________________________________________________
Вступ___________________________________________________________
Теоретична часина________________________________________________
Моделювання частотних і фазових характеристик______________
Аналіз чутливості____________________________________________
Параметрична оптимізація схем. Основні методи оптимізації.___
Поняття макромоделі в АсхП._________________________________
Методи аналізу електронних кіл_______________________________
Дослідження схеми електричної принципової________________________
Частотний аналіз_____________________________________________
Температурний аналіз_____________________________________________
NET файл працюючої схеми________________________________________
Висновок_________________________________________________________
Вступ
Поняття “схемотехнічного проектування” було сформовано давно, ще тоді, коли всі складові радіоелектронної апаратури (РЕА) – були дискретні елементи: резистори, конденсатори, дроселі, трансформатори, транзистори, діоди.
В зв”язку з прогресом інтегральної технології і збільшенням інтегральної складності дискретних елементів поняття “схемотехнічного проектування” суттєво розширилося. Інженеру схемотехніку при проектуванні інтегральних схем (ІС) приходиться не тільки розраховувати електричні процеси, а й проектувати функціональні і структурні схеми. До таких пристроїв відносяться як ІС, які складаються з великої кількості елементів, розрахунок з допомогою ЕОМ електричних процесів (статичних і динамічних) практично нездійснимий через великі затрати часу. Тому виникла необхідність застосування методів спрощених розрахунків на логічному і функціональному рівні.
Схемотехнічне проектування включає в себе рішення таких задач: розрахунку, аналізу, оптимізації і синтезу.
Задача розрахунку передбачає визначення вихідних параметрів і характеристик пристрою при незмінних значеннях його внутрішніх параметрів і незмінній структурі.
Задача аналізу передбачає визначення зміну вихідних параметрів і характеристик пристрою в залежності від зміни його внутрішніх і вхідних параметрів.
Задача оптимізації передбачає визначення найкращих значень вихідних параметрів і характеристик за рахунок цілеспрямованої зміни внутрішніх параметрів пристрою (параметрична оптимізація) або структури пристрою (структурна оптимізація). При параметричній оптимізації змінні внутрішні параметри треба вибирати такі, які можна легко міняти і контролювати під час виробництва.
Найбільш складними є задачі параметричного і структурного синтезу. Синтезом називають процес генерування первинного варіанту пристрою, в тому числі його структуру (структурний синтез) і значення внутрішніх параметрів (параметричний синтез). Генерування первинного варіанту може виконуватися різними способами – вибір з ряду відомих пристроїв, побудова на основі доказаних теоретичних результатів (співвідношень), шляхом винахідництва і т.п. Пристрій, який отриманий як продукт синтезу, не повинен бути найкращим, але обов”язково працездатним.
Теоретичні відомості
При проектуванні РЕА використовують різноманітні методи. Основні є такі:
Натурне макетування;
Математичне моделювання на ЕОМ.
Недостатки неавтоматизованого розрахунку – низька точність, обмежені функціональні можливості, … Фізичне моделювання використовують рідко, але використовують там де математичне моделювання складне і трудомістке.
Натурне макетування – один з найбільш старих і розповсюджених способів проектування РЕА. Основна перевага – висока достовірність результатів, тому що досліджуються реальні електричні схеми, а не їх приближені моделі. Недоліки – велика тривалість в часі, обмежені можливості проектувати НВІС – вноситься при макетуванні багато паразитних елементів: Rn, Ln, Cn. Крім цього неможливо забезпечити 100% перевірку розкладу параметрів внутрішніх окремих модулів при крайніх розкидах параметрів. Також необхідно відмітити велику вартість такого методу.
Під математичним моделюванням на ЕОМ звичайно розуміють весь комплекс питань, які зв”язані з розробкою математичної моделі пристрою РЕА і її використання в процедурах розрахунку, аналізу, оптимізації. В порівнянні з макетуванням математичне моделювання на ЕОМ має такі переваги.
В задачах розрахунку з допомогою моделі можна визначити любі вихідні і проміжні (внутрішні) параметри ІС.
В задачах аналізу моделювання дозволяє отримати вихідні параметри і характеристики схеми РЕА в граничних і заграничних режимах (що неможливо при макетуванні). Моделювання дозволяє отримати параметри серійнопридатності, тобто виконати аналіз статистичних характеристик схеми при певних законах розподілу ймовірностей зміни внутрішніх параметрів (нормальний закон розподілу, рівномірний закон розподілу …).
В задачах оптимізації можливості макету обмежені невеликим числом регулювальних елементів, тоді як в моделі можна змінювати любі параметри, маючи за мету покращення вихідних параметрів.
Роль моделювання в задачах синтезу визначається в перевірці правильності функціонуванні синтезованих схем шляхом розрахунку їх математичних моделей. Очевидно, що часові затрати значно менші ніж для макетування ряду синтезованих схем.
Однак, моделювання повністю не може витіснити макетування. При використанні добре відпрацьованихелементів (модулів) і високій достовірності їх мат. моделей – мат. моделювання досить достовірні результати.
Якщо необхідно спроектувати нову оригінальну схему для якої нема достовірної математичної моделі – то розробка і виготовлення макету (і його дослідження) може бути більш доцільним ніж розробка нової програми математичної моделі.
Класифікація параметрів елементів,
з яких складається пристрій.
Внутрішні параметри – параметри елементів.
Вихідні параметри – параметри пристрою, по яких оцінюють його якість.
Вхідні параметри – парметри зовнішніх інформаційних сигалів, які діють на пристрій.
Зовнішні параметри – парметри навколишнього середовища.
Моделювання частотних і фазових характеристик.
Моделювання амплітудно-частотних характеристик (АЧХ) на ЕОМ базується на трьох підходах : символьному, число-символьному і числовому.
Символьний метод реалізується так, що треба обчислити коефіцієнти аі, bi у вигляді формул. Цей метод можна використовувати при розрахунку АЧХ невеликих схем, тому що зі збільшенням схеми обсяг обчислень різко зростає. Аналогічний недолік має число-символьний метод але АЧХ як і в символьному методі обчислюється як відношення поліномів.
Найбільшого розповсюдження дістали числові методи. АЧХ обчислюється як числове значення F(jw) при різних значеннях w, тобто точково.
Аналіз чутливості
Чутливість - це реакція схеми на малі зміни її параметрів Х. Кількісна оцінка такої зміни вихідного параметра схеми Y при заданій зміні внутрішнього параметра Х називається коефіцієнтом чутливості. Аналіз чутливості потрібний при визначенні стабільності внутрішніх параметрів схеми, а відповідно для визначення вимог до технології виготовлення елементів з метою збільшення відсотку виходу працездатних мікросхем а також при проектуванні мікросхем, які призначені працювати у складних умовах оточуючого середовища – високі перепади температур, вологості, тиску, прискорене старінння, радіація.
Мета аналізу – знаходження елементів схеми і їх параметрів Х, відхилення яких від номінальних значень викликає найбільше відхилення вихідних параметрів схеми Y.
При аналізі чутливості треба знайти матрицю чутливості А[m*n], елментами якої є коефіцієнти чутливості вихідного параметра Yi до змін внутрішнього параметра Хі : .
Параметрична оптимізація схем.
Основні методи оптимізації.
Завершальним етапом проектування РЕА є оптимізація схем. Оптимізація – це процес визначення такої сукупності внутрішніх параметрів схеми(ємностей, опорів, параметрів активних елементів), при якій вибрвні вихідні параметри (швидкодія, час затримки сигнала, споживана потужність і т.п.) приймають найкращі можливі значення. При цьому структура схеми, типи елементів, схема з”єднань є незмінними. Також є задані діапазони зміни параметрів елементів схеми. Задчі проектування , які вимагають використання методів оптимізації, можнаподілити на 4 групи.
Пошук оптимальних параметрів схем, які забазпечують екстремальне значення однієї вихідної функції(наприклад швидкодія).
Задачі наближення розрахункових характеристик до характеристик, які задані точково(наприклад ідентифікація моделей).
Задачі адаптації схем до нових технічних вимог – новий частотний або температурний діапазон.
Задача уточнення параметрів схем, які синтезовані або створенні на основі спрощенних інженерних розрахунків.
Якщо позначити X – вектор внутрішніх параметрів, F(X) – функція системи. Задача пошуку оптимального значення вектора X відноситься до загальної задачі нелінійного програмування, де треба знаходити max F(X) або min F(X), тобто максимізація або мінімізація скалярної функції F(X) при таких умовах:
X=(x1, x2, … ,xn) ( Dx (53–1)
g1(x1, x2, … ,xn) ( 0 ,
g2(x1, x2, … ,xn) ( 0 , (53–2)
gm(x1, x2, … ,xn) ( 0 ,
де qi(x) – функціональні і критеріальні обмеження; Dx – область n-мірного евклідового простору Rn, в межах якої допустима зміна внутрішніх параметрів X. Область, яка визначається умовами (53–1) і (53–2) позначається як G(X) і називається областю працездатності. F(X) – функція схеми.
Введемо позначення. Вектор X*=[x1*, … xn*]T, який задовільняє умовам (53–1) і (53–2) і мінімизує (або максимизує) функцію F(X), називається оптимальною абоекстремальною точкою, а відповідне йому значення F(X*) – оптимальне значення функції схеми.
Множина точок, для яких функція двох змінних має постійне значення, називається лінією рівня функції F(X). Якщо ця функція неперервна і диференційована, то існує градієнт функції F(X), який визначається як вектор–стовпчик з перших часткових похідних F(X) по X в заданій точці X(k):
(54–1)
Відомо, що градієнт функції направлений в напрямку найскорішого підйому. Вектор, який направлений в протилежному напрямку, направлений в сторону найскорішого спуску.
Методи методи нелінійного програмування базуються на апроксимації функції F(X) з допомогою ряда Тейлора в околі точки X(k):
де (2F(X(k))=H(X(k)) – квадратична матриця других часткових похідних функції F(X), в точці X(k), і називається матрицею Гессе
В залежності числа членів, які використовуються в розкладі (54-1) виділяють методи оптимізації нульового, першого і другого порядку.
Для того, щоб точка Х* була точкою мінімуму функції F(Х), необхідні такі умови:
Функція F(Х) диференційована в точці Х*;
, тобто точка Х* є стаціонарною;
.
Класичні методи оптимізації базуються на тому, що F(X) задається у вигляді формули, яку диференціюють по параметрах Х. Далі похідні прирівнюють до нуля і розв’язують рівняння. З цих розв’язків перевіряють такі умови 1) та 2). Дальше перевіряють умову 3), і якщо вона виконується – рішення знайдено.
a) – одно екстремальна функція;
б) – багато екстремальна функція.
Щоб знайти глобальний екстремум у випадку б) треба весь простір допустимих значень перевірити з кроком S і чим менше S – тим більший обсяг обчислень, але тим вища ймовірність визначення глобального екстремума.
Поняття макромоделі в АсхП.
Макромоделі – це спрощене представлення функціональних вузлів ІС, які з достатньою точністю відбивають статичні і динамічні характеристики на зовнішніх контактах ІС.
Якщо уявити, що сучасні ІС можуть мати 105...106 і більше вентилів на кристалі, то зрозуміла проблема схемотехнічного аналізу, тим більше оптимізації. Ця проблема розв’язується так. ІС і її модель представляється набором моделей під схем спрощеної структури – макромоделей. Сама під схема оптимізується окремо, система рівнянь суттєво простіша, ніж для ІС. Це дає можливість спростити процес моделювання ІС в десятки раз, а похибка збільшується до 15...10%, що допустимо.
Для спрощення макромоделей використовують три способи:
Виключення з мікромоделей несуттєвих елементів, які відбивають фізичні ефекти другого порядку точності.
Заміна окремих фрагментів мікромоделі більш простішими.
Заміна складних характеристик елементів мікромоделі більш простими.
Методи аналізу електронних кіл
Позначення. I - постійний струм (ампери), E - напруга джерела живлення (вольти), U - падіння напруги (вольти), R - опір (оми), g - провідність (сіменси). I, E, U - векторні величини, R, g - скалярні. (a, (b - потенціали в точках a і b. (a - (b - різниця потенціалів між точками a і b.
1. Закон Ома для ланки, яка не має джерела живлення.
рис. 1
Uab = IR; I = Uab : R = ((a - (b) : R.
2. Закон Ома для ланки, яка має джерело живлення.
рис. 2
В загальному вигляді (якщо врахувати зміну номерності джерела живлення):
Задача 1
Ланка - див. рис. 2. Якщо струм I = 10А тече від a до c, то напруга Uac = 3В. Якщо струм I = 10А тече від c до a, то напруга Uac = 7В. Визначити R і E.
; IR = Uac + E.
10R = 3 + E; 3 + E = -7 - E; 2E = -10; E = -5;
10R = -7 - E;
20R = -4; R = -0.2
3. Закони Кірхгофа
На всі електричні кола розповсюджуються 1-й і 2-й закони Кірхгофа.
3.1. 1-й закон
Алгебраїчна сума струмів, які протікають через будь-який вузол схеми, дорівнює нулю.
рис. 3
I1 - I2 - I3 - I4 = 0 або I1 = I2 + I3 + I4.
3.2. 2-й закон
Алгебраїчна сума падіння напруги в будь-якому замкненому контурі дорівнює алгебраїчній сумі е.р.с. (електрорушійних сил) в цьому ж контурі.
(IR = (E
I, E - векторні величини.
Закони Кірхгофа справедливі для лінійних і нелінійних кіл при будь-якому законі зміни струмів і напруг.
рис. 4
Важливо отримати лінійно незалежні рівняння. Згідно 1-го закону Кірхгофа можна отримати незалежні рівняння по кількості y - 1, де y - кількість вузлів.
Згідно 2-го закону Кірхгофа складають таку кількість рівнянь
K = (( - (джс) - (y - 1) = ( - (джс - y + 1,
де ( - всі ланки схеми, (джс - ланки з джерелами струму, y - кількість вузлів.
4. Метод контурних струмів
При розрахунку електричних кіл методом контурних струмів роблять допущення, що в кожному незалежному контурі схеми тече свій контурний струм. Рівняння складають відносно контурних струмів, через які визначають струми в ланках.
Метод контурних струмів можна охарактеризувати (визначити) як метод розрахунку, в якому за невідомі величини приймають контурні струми. Кількість невідомих в цьому методі рівна кількості рівнянь, які можна записати згідно 2-го закону Кірхгофа. Тому цей метод більш економний, ніж метод з використанням законів Кірхгофа.
рис. 5
Виведення розрахункових співвідношень виконуємо для схеми, зображеної на рис. 6.
Допускаємо, що в обох контурах протікають контурні струми I11 та I22 за годинниковою стрілкою. Будемо мати на увазі, що через ланку R5E5, яка є спільна для обох контурів, тече струм I11 – I12.
Напрямок обходу контурів приймаємо також по годинниковій стрілці. Для першого контуру:
(R1 + R2)I11 + R5(I11 – I22) = E1 + E5
Для другого контуру:
- R5(I11 - I22)+(R3 + R4)I22 = - E5 – E4
Треба розв'язати цю систему 2-х рівнянь відносно I11 і I22.
Можна зробити такі заміни:
R11 = R1 + R2 + R5 – сума опорів в першому контурі
E11 = E1 + E5
R12 = R21 = - R5
R22 = R3 + R4 + R5
E22 = - E4 – E5
Тоді рівняння можна записати:
R11I11 + R12I22 = E11
R21I11 + R22I22 = E22
Для 3-х контурів буде така система рівнянь:
R11I11 + R12I22 + R13I33 = E11
R21I11 + R22I22 + R23I33 = E22
R31I11 + R32I22 + R23I33 = E33
або в матричному вигляді:
R11 R12 R13 I11 E11
[R] = R21 R22 R23 ; [I] = I22 ; [E] = E22 .
R31 R32 R33 I33 E33
Схема електрична принципова.
Трансцидентний аналіз.
Аналіз у 18-му і 17-му вузлах.
Аналіз у 2-му і 5-му вузлах.
Аналіз у 7-му і 8-му вузлах.
Аналіз у 7-му і 8-му вузлах при зміні опору на базі з 7.5к на 45к.
Аналіз у 8-му і 9-му вузлах при зміні опору з 10 Ом на 45к
Аналіз у 13-му і 17-му вузлах
Аналіз в 18-му та 17-му вузлах
Відлагоджена схема електрична принципова
Частотний аналіз.
Температурний аналіз АЧХ в діапазоні –60-60 (С з інтервалом 10(С
Температурний аналіз ФЧХ в діапазоні –60-60 (С з інтервалом 10(С
KURS.NET
109
1430,183,184,701
1400,183,157,701
2.0MKF
430,1,2,401
15K
200,0,2,602
1400,132,106,502
1420,185,184,703
1400,106,80,402
20K
200,2,3,302
1400,54,28,202
1430,28,29,102
1410,55,81,203
4K
210,5,0,505
1410,161,187,605
1420,187,186,705
1420,186,185,704
1400,135,109,505
1420,31,30,105
1420,30,29,104
1430,31,32,105
1410,32,58,106
1420,189,188,707
1420,188,187,706
1
630,6,1058,406
1400,189,163,707
500
200,0,7,607
3000PF
430,7,0,507
1410,138,164,508
1410,164,190,608
1420,190,189,708
1400,111,85,407
3K
200,8,3,307
1400,59,33,207
1420,33,32,107
1410,87,113,309
2.0MKF
430,8,9,307
1430,112,113,408
1
630,9,10,409
1410,113,139,409
1410,139,165,509
3K
210,9,0,609
1420,191,190,709
1430,191,192,709
1400,192,166,710
1400,166,140,610
45K
200,9,3,309
1400,61,35,209
1420,35,34,109
1420,34,33,108
1430,35,36,109
0.1MGN
310,3,11,110
2K
210,11,10,210
1410,88,114,310
1430,114,115,410
120
230,10,12,411
120
230,12,13,412
1410,116,142,412
1MGN
310,14,0,612
1420,194,193,712
1420,193,192,711
1430,36,37,110
1430,37,38,111
1430,194,195,712
1430,117,118,413
1430,39,40,113
1
630,13,2266,414
1400,119,93,415
1410,158,184,602
1430,195,196,713
1430,196,197,714
1400,197,171,715
1K
200,0,15,615
1430,145,146,515
2.0MKF
430,15,17,516
300
210,17,0,517
1410,173,199,617
1420,199,198,717
1420,198,197,716
1430,199,200,717
1400,200,174,718
1500PF
400,0,17,618
1420,148,147,518
1810,200,0,718
8
200,16,3,315
1430,41,42,115
1420,41,40,115
1410,41,67,115
+11V
120,0,3,117
1K
200,18,1,501
1
630,2,2854,302
1
630,19,753,403
1430,134,135,504
2.0MKF
430,5,6,405
6.2K
210,6,0,406
1410,136,162,506
1410,162,188,606
1400,110,84,406
45K
200,6,3,306
1400,108,82,404
1400,82,56,304
1400,56,30,204
800PF
400,14,12,612
1430,38,39,112
1410,170,196,614
1
1710,18,0,501
1830,43,0,117
0.5MGN
301,4,3,203
1410,86,112,308
1410,118,144,414
2000PF
410,13,0,514
1E-2
1E6
-20
80
-800
-90
1E-20
1E-19
18
17
5
A
27
1
N
N
Y
ESC
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
N
10
10
.5
1
2
50
.001
2
27
1
N
N
Y
*
Y
N
1E-2
1E-2
5
1
1
0.8/-0.8
15
17
12/-2
Z
N
N
Y
27
1
N
N
Y
N
Y
N
.001
2
1
0
STD
1
1E6
-1
1E-6
1E-6
Висновок
Суть функціонального моделювання (ФМ) є поділ пристроїв РЕА на окремі функціональні блоки і розрахунок параметрів та форми сигналу у всіх точках функціональні схеми.
Основні вимоги при ФМ: - висока швидкість моделювання (для перегляду багатьох варіантів) і – не високі вимоги до точності (ФМ), тому що ФМ – це початковий етап.
В зв”язку з прогресом інтегральної технології і збільшенням інтегральної складності дискретних елементів поняття “схемотехнічного проектування” суттєво розширилося. Інженеру схемотехніку при проектуванні інтегральних схем (ІС) приходиться не тільки розраховувати електричні процеси, а й проектувати функціональні і структурні схеми. До таких пристроїв відносяться як ІС, які складаються з великої кількості елементів, розрахунок з допомогою ЕОМ електричних процесів (статичних і динамічних) практично нездійснимий через великі затрати часу. Тому виникла необхідність примінення методів спрощених розрахунків на логічному і функціональному рівні.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора