Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных средств

Москва
Горячая линия – Телеком

2016

Рекомендовано УМО по образованию в области инфокоммуникационных технологий и систем связи в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся            
по направлению подготовки « Инфокоммуникационные 
технологии и системы связи» квалификации (степени) 
«бакалавр» и «магистр»

УДК  621.36.6:004.9 (075.8)
ББК 32.844-02я73 
  Т80 

Р е ц е н з е н т ы :  кафедра технологий и средств связи  Уральского федерального 
университета им. первого Президента России Б.Н.Ельцина; профессор 
Российского государственного профессионально-педагогического университета, доктор физ.-мат. наук  А. Д. Ивлиев  

Трухин М. П. 
Т80 
   Основы компьютерного проектирования и моделирования 
радиоэлектронных средств. Учебное пособие для вузов. − М.:  
Горячая линия – Телеком, 2016. – 386 с.: ил. 
ISBN 978-5-9912-0449-1. 

 Рассмотрены методология и технология компьютерного проектирования и моделирования радиотехнических средств. Основное внимание уделено алгоритмическому и математическому обеспечению 
разработки электронных схем, а также оптимизации вычислительных 
процедур. Примеры работы алгоритмов иллюстрируются с помощью 
пакета учебных программ АНАЛИЗ. 
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» квалификации 
(степени) «бакалавр» и «магистр», будет полезно для студентов других радиотехнических и инфокоммуникационных специальностей, 
изучающих вопросы компьютерного проектирования РЭС.   

ББК 32.844-02я73 

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 

Учебное издание 

Трухин Михаил Павлович 

Основы компьютерного проектирования 
и моделирования радиоэлектронных средств 

Учебное пособие  

Все права защищены.
Любая часть этого издания не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме 
и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения правообладателя
© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком»
www.techbook.ru
 © М. П. Трухин

ВВЕДЕНИЕ

История применения вычислительной техники в разработке электронных средств насчитывает более пятидесяти лет. Исключая военные и космические приложения это первая техническая область, в
которой систематически начали использоваться тогдашние ЭВМ. За
полстолетия простейшие программы анализа электронных схем превратились в современные системы сквозного проектирования радиоэлектронных средств (САПР РЭС), предлагая разработчику программное, математическое, информационное, методическое и др. обеспечение в рамках единого пользовательского интерфейса «человек —
машина». Реализованный в них огромный интеллектуальный потенциал помогает подготовленному специалисту решать многие сложные
задачи проектирования, вызывая в то же время большие затруднения
у начинающего пользователя даже при анализе простых электронных
схем.
Ценность любого инструмента (и САПР РЭС в том числе) заключается не в его внешнем виде (пользовательском интерфейсе), а в том,
насколько он способен реализовать поставленные цели, адекватно решая соответствующие практические задачи. Сравнивая между собой
большое число современных САПР РЭС, имеющих развитый пользовательский интерфейс (графические редакторы, расширенная информационная среда, большие библиотеки компонентов, многофункциональные постпроцессоры обработки и представления результатов)
следует отметить их существенные недостатки:
• закрытость коммерческих программных систем и, как следствие,
слабая достоверность полученных результатов, вызванная отсутствием у пользователя сведений о применяемых моделях и методах численного решения;
• чрезмерная универсальность, выражающаяся в большом числе
вариантов пользовательских функций и предварительных настроек, лишь малая часть которых действительно необходима в
практических приложениях;
• устаревшее математическое обеспечение большинства САПР
РЭС, основанное на разработанных ещё в 1970-е годы SPICEтехнологиях и методах численного интегрирования.
Преодоление указанных недостатков в автоматизированном проектировании РЭС возможно, на наш взгляд, только путём создания
отечественных САПР РЭС, учитывающих накопленный за десятилетия свой и чужой опыт использования подобных программных систем.
Отдельным (и весьма важным) классом таких САПР РЭС должны
стать их учебные (академические) версии.

Введение

Вычислительные и графические возможности современного аппаратного обеспечения САПР предоставляют их разработчикам большие возможности для проектирования больших и сверхбольших по
составу и функциям электронных изделий.
В первую очередь это
касается интегральных схем и специализированных микропроцессоров. Однако имеющееся математическое обеспечение — методы формирования и численного анализа моделей — во многих случаях существенно ограничивают возможности САПР при создании сложных
электронных изделий. Необходимы новые как универсальные, так и
специальные математические методы и вычислительные алгоритмы,
в большей степени отвечающие задачам современного проектирования: повышение качества, снижение материальных затрат и сокращение сроков разработки. Кроме того, необходимость взаимодействия человека и ЭВМ и специфика проектных задач порождают много
дополнительных требований к организации их совместного функционирования.
Целью настоящего учебного пособия, название которого соответствует названию учебной дисциплины «Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных средств», является
систематическое ознакомление студентов и магистров с применением вычислительной техники в проектировании электронных средств.
В рамках системного подхода обсуждаются наиболее существенные
вопросы, связанные с компьютерной автоматизацией схемотехнического и конструкторского проектирования:
• придание физического смысла математическим методам формирования моделей радиоэлектронных схем и схем замещения компонентов;
• оценка эффективности использования новых и традиционных вычислительных процедур в решении практических задач анализа,
синтеза и оптимизации электронных средств;
• создание и применение пакета учебных программ как основы лабораторного практикума учебного курса.
Совершенствование существующих и разработка новых САПР
РЭС, либо узко специальных, либо развёрнуто универсальных, в любом случае требуют детального изучения уже применённого математического аппарата.
Именно это обстоятельство даёт надежду на
то, что знания, полученные при освоении названного здесь учебного
курса, не устареют морально вместе с сегодняшними САПР, а будут
востребованы при создании РЭС с помощью новых, более эффективных систем автоматизированного проектирования.
На рис. В.1 представлено содержание учебного пособия, состоящего из 13 глав, разделённых на четыре части. Главы, отмеченные
на рисунке затемнённым фоном, требуют обязательного изучения при

Введение
5

Рис. В.1. Схема связей между главами учебного пособия

освоении учебного курса. Остальные главы представляют расширенное ознакомление с математическим аппаратом, используемом в современных САПР РЭС. SPICE-технологии моделирования электронных схем (главы 3 и 5) рассматриваются в той степени, которая необходима для сравнения различных методов анализа при выполнении
лабораторных работ.
Метод переменных состояния выбран в качестве основного метода
формирования математических моделей электронных схем (главы 6
и 8). Полученные этим методом системы нелинейных алгебраических
уравнений для статического режима схемы (глава 10) и нелинейных
алгебро-дифференциальных уравнений для её динамического режима
(глава 11) придают этим математическим моделям ясный физический
смысл, однозначно сопоставляя переменные и параметры моделей с
электрическими переменными и параметрами элементов схемы.

Часть I
ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ
В ПРОЕКТИРОВАНИИ РЭС

Глава 1
КОНЦЕПЦИЯ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Деятельность инженера так или иначе связана с проектированием — разработкой технических объектов или процессов. Проектирование — сложный многоэтапный процесс, в котором могут принимать участие как большие коллективы специалистов, так и отдельные разработчики. Постоянно растущая сложность объектов и ужесточение требований к скорости и качеству проектирования привели
к активному использованию ЭВМ на всех этапах создания проекта.
Это потребовало существенной перестройки прежних методов и подходов в сторону большей формализации, однозначности определений,
чёткости классификаций. В главе приведены определения и термины проектирования технических объектов в области радиотехники, с
использованием которых на основе нормативных материалов строится современная концептуальная модель проектирования электронных
средств.

1.1. Классификация объектов и видов
проектирования электронного изделия

Дадим определение ряду понятий, на которые будем ссылаться
в дальнейшем.
Сначала обратимся к классификации электронных
средств и элементов этих средств [1].
Понятие радиоэлектронное средство (РЭС) означает любое реально существующее устройство или их комплекс, в котором имеются
радиоэлектронные приборы. Это изделие и его составные части, в основу функционирования которых положены принципы радиотехники

Глава 1. Концепция проектирования электронных средств
7

и электроники. Этим термином предлагается называть все существующие виды и уровни электронной аппаратуры [2]. Отдельные радиоэлектронные приборы в составе РЭС будем называть компонентами.
Ими могут быть резисторы, конденсаторы, катушки индуктивностей,
транзисторы, микросхемы и т. п.
Конструкцией РЭС называют совокупность материальных объектов с различной формой и физико-химическими свойствами, которые расположены в пространстве определенным образом, находятся
в определенной механической и электромагнитной взаимосвязи. Эта
взаимосвязь обеспечивает с требуемой точностью и надежностью выполнение радиоэлектронным средством заданных функций по приему, обработке, контролю, хранению и передаче информации. Конструкция обеспечивает работоспособность РЭС в условиях действия
дестабилизирующих факторов внешней среды. Одно из важнейших
свойств конструкции — возможность ее многократного повторения в
условиях производства.
Электронная цепь — реально существующий объект, состоящий
из совокупности компонентов, проводящих тел и сред, представляющих замкнутые пути для электрического тока и использующих явления электрической проводимости в газах, в вакууме и в полупроводниках.
Принципиальная электрическая схема (ПЭСх) электронной цепи — чертеж с условными обозначениями компонентов, на котором
показываются соединения между ними и все необходимые сведения
об их параметрах.
Конфигурацией ПЭСх называется сама электрическая схема без
указания параметров компонентов.
Эквивалентная схема — это схема электронной цепи, отображающая ее существенные свойства при определенных условиях, например
при малых сигналах или на высоких частотах.
Под схемой замещения понимают эквивалентную схему компонента цепи.
Конечной целью проектирования является получение всей необходимой документации для создания новых или модернизации имеющихся изделий и процессов.
Новое знание, содержащееся в этой
документации, реализуется с учётом возможностей конкретного производства. По отношению к ранее выполненным разработкам оно может быть охарактеризовано как [3]:
• частичная модификация;
• существенная модификация;
• создание новых радиоэлектронных средств.
По полноте (последовательности) проектирование делится на:
• предварительное;

Часть I. Применение ЭВМ в проектировании РЭС

Рис. 1.1. Структурная схема передатчика с амплитудной модуляцией

• эскизное;
• техническое.
По содержанию решаемых задач проектирование принято делить
на:
• системотехническое;
• функциональное;
• техническое;
• технологическое (технологическая подготовка производства).
Под системотехническим проектированием понимают разработку
наиболее общей схемы представления объекта как системы, при котором определяются его основные функциональные части (подсистемы), указываются их назначения и взаимосвязи. Результатом системотехнического проектирования является структурная схема радиоэлектронного комплекса (рис. 1.1), содержание которой даёт ответ на
вопрос «Из чего состоит РЭС?».
Функциональное проектирование сопоставляет с каждой частью
объекта его функцию, определяет причинно-следственные связи в
объекте и даёт представление о функционировании объекта с учётом
только существенных факторов. Результатом функционального проектирования является функциональная схема объекта, составленная
из функциональных устройств (ФУС) или узлов (ФУ), содержание которой даёт ответ на вопрос «Как работает (функционирует) РЭС?».
Техническое проектирование радиоэлектронных средств — это
разработка технической документации для производства изделия.
Оно разделяется на схемотехническое и конструкторское проектирование. Под схемотехническим проектированием понимают разработку принципиальных электрических схем, под конструкторским — разработку на их основе конструкций изделий электронной техники.
Принципиальная схема определяет полный набор базовых элементов
и электрических связей между ними и даёт полное представление о
принципах работы изделия.
Технологическое проектирование включает в себя выбор технологии изготовления изделий.
В дальнейшем основное внимание будет уделено техническому
проектированию РЭС, особенно его схемотехнической составляющей.

Глава 1. Концепция проектирования электронных средств
9

Пример 1.1.
Процесс создания специализированных больших интегральных
схем (БИС) делят на этапы проектирования и изготовления:

Системное проектирование
Логическое проектирование
Схемотехническое проектирование
Топологическое проектирование

⎫
⎪
⎬

⎪
⎭
Проектирование БИС

Изготовление шаблонов
Изготовление кристаллов
Проверка готовой схемы

Изготовление БИС

При создании сверхбольших интегральных схем (СБИС) разработка может состоять из большого количества (до девяти) этапов: системно-архитектурный, программный, микропрограммный, организационный, алгоритмический, этап регистров передач,
этап проектирования логических элементов, схемотехнический, физический.
Необходимые при
проектировании количественные описания
свойств электронных схем и условий их эксплуатации задаются тремя группами параметров [1].
Внутренние параметры — это параметры отдельных компонентов
цепи: сопротивления резисторов, емкости конденсаторов, параметры схем замещения транзисторов и т. п. Упорядоченную совокупность
внутренних параметров будем обозначать вектором

X = [X1, X2, . . . , XN]т = [R1, R3, C1, . . . , LВЧ]т.

Внешние параметры — это количественная оценка внешних по отношению к цепи факторов, влияющих на электрические процессы в
этой цепи: температура окружающей среды, напряжение источников
питания, параметры входных сигналов и нагрузки и т. д. Совокупность этих параметров будем обозначать вектором

Q = [Q1, Q2, ..., Qm]т = [T, RH, UЕ(t), ..., Uпит]т.

Выходные параметры — количественная оценка потребительских
свойств проектируемой схемы. Они объединяются в выходной вектор

Y = [Y1, Y2, ..., YBY ]т = [UR1, UC2, ..., Kни]т.

Выходные параметры являются функциями внутренних и внешних параметров и конфигурации ПЭС:

Y = F(X, Q, M),
(1.1)

где M — одна из топологических матриц схемы, описывающая способ
соединения компонентов цепи.
Согласно
Единой
системы
конструкторской
документации
(ЕСКД) полный цикл проектирования включает в себя составление
технического задания, технического предложения, эскизного и технического проектов [4].

Часть I. Применение ЭВМ в проектировании РЭС

Разработчик электронных схем в начале проектирования получает техническое задание (ТЗ), в котором определены вектор технических требований TT к выходным параметрам и допустимая область
изменения внешних параметров G.
Заданные соотношения между
T Ti и Yj при Q ∋ G называются условиями работоспособности схемы. Они могут выражаться односторонними

Yj < T Ti;
Yj > T Ti
(1.2)

или двухсторонними неравенствами

T Ti min < Yj < T Ti max,
Q ∋ G.
(1.3)

Таким образом, задача проектирования электронной схемы формально сводится к определению вектора внутренних параметров X
и топологической матрицы M, обеспечивающих выполнение условий
работоспособности (1.2) и (1.3). При этом выходной вектор Y определяется обобщенным уравнением электронной схемы (1.1).
На стадии технического предложения выполняется анализ ТЗ,
выбираются и сравниваются по показателям качества различные варианты структурных схем РЭС.
Показателем качества (или эффективности) схемы называется
такая числовая характеристика K, которая связана с её качеством
строго монотонной зависимостью. Показатель качества может быть
скалярным (обычно положительное число, часто стоимость C) или
векторным K = [K1, K2, . . . , Km]. Монотонное изменение, например
увеличение на ΔT Ti, одного из выходных параметров T Ti может привести к нескольким вариантам изменения ΔK качества электронной
схемы K:
• качество схемы улучшается (ΔK > 0 при ΔT Ti > 0);
• качество схемы ухудшается (ΔK < 0 при ΔT Ti > 0);
• качество схемы не изменяется (ΔK = 0 при |ΔT Ti| > 0);
• качество схемы сначала улучшается, затем ухудшается, или наоборот (ΔK = f(ΔT Ti) — немонотонная функция).
Поскольку при проектировании РЭС стремятся получить наилучшее качество схемы, то первые два варианта взаимодействия K
и T Ti предпочтительнее, так как в этих случаях проще и нагляднее
проходит процесс выбора наилучшего варианта схемы.
На стадии эскизного проектирования выбирают и обосновывают функциональную схему РЭС, составляют принципиальную схему
и проводят её анализ, разрабатывают конструкции отдельных узлов
и всего РЭС в целом. Часто эту стадию делят на этап разработки
и расчета структурной и функциональной схем и этап составления
и анализа принципиальной схемы — схемотехнический этап. Стадия