автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему: Развитие математического и программного обеспечений подсистемы САПР для параметрических устройств
Текст работы Масленков, Алексей Владимирович, диссертация по теме Системы автоматизации проектирования (по отраслям)
ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи
МАСЛЕНКОВ Алексей Владимирович
РАЗВИТИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЙ ПОДСИСТЕМЫ САПР ДЛЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ
Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель д.т.н. Ланцов В.Н.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ. 4
1. СОСТОЯНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЙ САПР НЕЛИНЕЙНЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ. 11
1.1. Особенности и тенденции развития класса параметрических устройств. 11
1.2. Состояние математического обеспечения анализа и моделирования параметрических устройств. 17
1.3. Состояние в области программного обеспечения САПР НРТУ. 32
1.4. Цель и задачи исследований. 38
2. РАЗВИТИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОДСИСТЕМЫ САПР ДЛЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ. 44
2.1. Формирование уравнений модели. 44
2.2. Представление сигналов в модели параметрических устройств . 49
2.3. Методы численного решения уравнений гармонического баланса в частотной области на втором этапе. 51
2.4. Модели нелинейных элементов. 65
2.6. Метод решения больших систем уравнений баланса. 71
3. РАЗВИТИЕ ПРОГРАММНОГО И ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЙ 82 3.1.Структура ПСП-ПК. *. 82
-33.2. Информационное и лингвистическое обеспечение. 85
3.3. Разработка алгоритмов, реализующих методы анализа параметрических устройств. 91
3.4. Графический постпроцессор для подсистемы ПСП-ПК. 103
4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ В ПОДСИСТЕМЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПСП. 108
4.1. Исследование тестовых схем. 108
4.2. Исследование практических схем. 115
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ
АСхП - автоматизация схемотехнического проектирования
БД - база данных
ВАХ - вольт-амперная характеристика
ВЧ - высокая частота
ГБ - гармонический баланс
ДБШ - диод с барьером Шотгки
ис - интегральная схема
ЛПЦ линейно-параметрическая цепь
ММИС - монолитная микроволновая интегральная схема
МО - математическое обеспечение
МП - матрица преобразования
МПЛ - микрополосковая линия
НРТУ - нелинейное радиотехническое устройство
НЭ - нелинейный элемент
ОМК - область межпрограммной коммуникации
ОНМ - обобщенная нелинейная модель
по - программное обеспечение
пч - преобразователь частоты
САПР - система автоматизированного проектирования
свч - сверхвысокая частота
СЛАУ - система линейных алгебраических уравнений
СНДУ - система нелинейных дифференциальных уравнений
ФРВ - функциональный ряд Вольтерра
чи - численное интегрирование
эдс - электродвижущая сила
Системы автоматизированного проектирования нелинейных радиотехнических устройств (НРТУ) стали неотъемлемым инструментом, используемым при разработке радиоэлектронной аппаратуры на всех этапах, начиная с описания технического задания на проектирование и кончая получением документов на изготовление изделия. В многообразии радиотехнических устройств выделим и будем рассматривать класс параметрических устройств. К этому классу можно отнести смесители, параметрические усилители, амплитудные модуляторы, синхронные детекторы и т.д. Общим для всех этих устройств является наличие одного или более воздействий, которые значительно превышают остальные по амплитуде.
Данный класс устройств относится к наиболее сложным для расчетов и моделирования. В настоящее время анализ таких устройств в программах систем автоматизированного проектирования (САПР) выполняется методами численного интегрирования во временной области, методами гармонического баланса в частотной области и методами раздельного нелинейного и линейного анализа. Но при многочастотном воздействии использование первого метода приводит к значительным вычислительным затратам при анализе установившегося режима (большая длительность переходного процесса, трудности определения установившегося режима), применение второго - к большим размерностям уравнений. Дополнительно, в этих методах при сильно различающихся амплитудах входных воздействий возникают проблемы точности оценки комбинационных составляющих. Использование методов и алгоритмов третьей группы требует больших затрат машинного времени, либо вообще неприменимо для анализа схем работающих в области существенной нелинейности Поэтому разработка математического и программного
обеспечения для САПР нелинейных устройств, включающего в себя ряд более эффективных методов анализа и моделирования нелинейных устройств при многочастотном воздействии с сильно различающимися амплитудами, является весьма актуальной задачей.
Актуальность этих работ возрастает с каждым годом по мере постоянного роста сложности, уменьшения габаритов и потребляемой мощности, увеличения функциональных возможностей нелинейных устройств и систем. Например, разработаны и с каждым годом находят все более широкое
распространение цифро-аналоговые и аналоговые микроволновые монолитные интегральные схемы (ММИС); быстрыми темпами развиваются беспроводные средства связи; разрабатывается аппаратура для работы в субмиллиметровом диапазоне.
Общей математической моделью данного класса устройств на схемотехническом уровне является система нелинейных дифференциальных уравнений (СНДУ). Отмеченный фактор повышения сложности нелинейных систем и их многофункциональности приводит, в конечном счете, к росту размерности систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) при решении СНДУ численными методами. Задача решения систем уравнений большой размерности также является актуальной.
Цель работы заключается в развитии методов и алгоритмов моделирования параметрических устройств и реализации их в виде пакета прикладных программ для САПР нелинейных устройств и систем.
Для достижения цели работы в диссертационной работе решены следующие задачи:
- сравнительный анализ методов моделирования параметрических устройств;
- разработка новых подходов к анализу и расчету параметрических устройств и нелинейных устройств при многочастотном воздействии;
-7- разработка алгоритма для решения систем уравнений гармонического баланса большой размерности;
- разработка алгоритмов и программ моделирования данного класса устройств на основе новых подходов;
- реализация разработанных алгоритмов и программ в виде пакета прикладных программ для САПР нелинейных устройств и систем;
- оценка эффективности разработанного математического и программного обеспечения на ряде тестовых и практических задач.
Для решения поставленных задач в работе использованы следующие теории: электрических цепей, полупроводниковых приборов, САПР, матричной алгебры, численных методов решения систем линейных уравнений. Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана и исследована новая методика для моделирования параметрических цепей, являющаяся развитием двухэтапных методов анализа нелинейных радиотехнических устройств при многочастотном воздействии.
2. Предложено и исследовано использование различных вариантов расчета крутизны нелинейных элементов (НЭ), ограничителя шага итераций в полученных итерационных формулах.
3. Получены выражения для формирования матрицы Якоби при моделировании данного класса устройств.
4. Разработан алгоритм проекционного метода решения больших систем линейных уравнений на базе подпространств Крылова применительно к задачам гармонического баланса.
Реализация и внедрение. Разработанные методы и алгоритмы включены в программное обеспечение САПР ПСП, используемой в ряде промышленных организаций, и внедрены в учебный процесс в ВлГУ.
Практическая ценность. Работы по теме диссертации проводились в рамках межвузовских программ "Информатизация России" и "Интеллектуальная собственность высшей школы", а также в рамках научно-исследовательской работы (НИР) №1684/96. Разработанные алгоритмы и программы реализованы в виде пакета прикладных программ подсистемы автоматизации схемотехнического проектирования (АСхП) для персональных компьютеров. Данная подсистема может использоваться как радиотехническими предприятиями для разработки связной аппаратуры, так и учебными заведениями для обучения студентов по ряду радиотехнических специальностей и САПР в электронике.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях, семинарах:
-Международная научно-техническая конференция "Нечеткая логика, интеллектуальные системы и технологии" (Владимир, 1997);
- Межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика" (Москва, 1997);
- Межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника" (Таганрог, 1997);
- научно-технические конференции студентов (Владимир, 1993-1995);
- Всероссийская межвузовская научно-технических конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика" (Москва, 1998);
- Ш Международная научно-техническая конференция "Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии" (Владимир, 1998).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 3 научных статьи и 7 тезисов докладов на научно-технических конференциях.
На защиту выносятся:
1. Метод моделирования параметрических устройств, основанный на использовании итерационных формул.
2. Подход для повышения скорости сходимости и надежности решения итерационных формул за счет выделения крутизны НЭ и введения ограничителя шага итерации для параметрических устройств.
3. Математические выражения для аналитического формирования Якобиана для данного класса устройств.
4. Алгоритм решения больших систем линейных уравнений
проекционным методом на базе подпространств Крылова в задачах гармонического баланса для параметрических схем.
5. Программное обеспечение, включающее в себя разработанные методы и алгоритмы, позволяющее моделировать исследуемый класс устройств.
6. Алгоритм и программное обеспечение графического постпроцессора для САПР.
7. Результаты моделирования НРТУ при многочастотным входном
воздействии с сильно различающимися амплитудами.
В первой главе приведены особенности и тенденции развития класса параметрических устройств. В разделе приводится история развития, состояние и проблемы математического обеспечения анализа и моделирования параметрических и нелинейных устройств. Отмечены недостатки и преимущества существующих методов моделирования исследуемого класса устройств. Выделена перспективная двухшаговая методика расчета параметрических устройств.
Во второй главе диссертации описывается новый подход к анализу работы параметрических устройств, основанный на использовании различных итерационных методов. Рассмотрено несколько вариантов аппроксимации
Якобиана с целью снижения вычислительных затрат при сохранении точности расчета. Приведены основные выражения для получения матрицы Якоби аналитическим методом применительно к исследуемому классу устройств. Описывается проекционный метод решения уравнений баланса на основе подобластей Крылова.
В третьей главе описывается развитие программного обеспечения подсистемы АСхП для моделирования параметрических устройств. Разработанные методы и алгоритмы были реализованы в виде пакета прикладных программ и включены в подсистему схемотехнического моделирования ПСП-ПК. Рассмотрены характеристики и возможности данной подсистемы, ее информационное и лингвистическое обеспечение. Разработан и реализован в составе САПР графический постпроцессор, позволяющий значительного облегчить работу с результатами моделирования различных устройств.
В четвертой главе приведены результаты исследований математического и программного обеспечения параметрических устройств, в котором используются предлагаемые подходы и алгоритмы. Представлены результаты исследований как на ряде тестовых задач с целью определения эффективности предложенных методов, так и на ряде практических схем. Приводятся разнообразные графики и таблицы, содержащие информацию об относительной погрешности расчета параметров устройств новым подходом и методами, проверенными на практике при различных уровнях входных воздействий. В диссертации приводятся данные о времени моделирования исследуемого класса устройств с помощью различных методов. Сравнивается эффективность использования различных вариантов крутизны НЭ.
В заключении приведены основные результаты работы.
1. СОСТОЯНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЙ САПР НЕЛИНЕЙНЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ
В главе отражены особенности и тенденции развития параметрических и нелинейных устройств и систем. Представлена оценка состояния в области математического обеспечения анализа и моделирования нелинейных и параметрических устройств. Рассматриваются пять наиболее распространенных в настоящее время подходов к анализу параметрических устройств: гармонический баланс, анализ во временной области, решение уравнений линейно-параметрических цепей, матрица преобразований и функциональных рядов Вольтерра или нелинейного тока. Приводится оценка состояния в области программного обеспечения САПР радиоэлектронных устройств. В данной главе также формулируется цель и основные задачи диссертационной работы.
1.1. Особенности и тенденции развития класса параметрических устройств
Характеристики элементов цепи в большинстве случаев не зависят от времени. Такие элементы называются инвариантными во времени или элементами с постоянными параметрами. Но в общем случае, характеристики могут зависеть от времени [1]. Процессы в цепях с подобными элементами получаются очень сложными. Для линейных элементов с переменными параметрами можно ввести зависящие от времени параметры:
и = х Т = Д0 х*>. д = С(/) хм
-12В отличие от элементов с постоянными параметрами здесь сопротивление, индуктивность и емкость являются функциями времени. Практически наибольший интерес представляет изменение параметров цепи по периодическому закону.
Приведем некоторые существенно другие свойства элементов с переменными параметрами в отличие от элементов с постоянными параметрами. В резистивном элементе и=К(1)х1: 1=0(1)хц, подключенному к источнику постоянного тока (напряжения), напряжение (ток) на элементе будет переменным, содержащим все гармоники.
Кулон-вольтная характеристика емкостного элемента с переменной емкостью имеет вид ц=^(1;)=С(1:)и. Здесь как напряжение, так и емкость являются функциями времени. Поэтому связь между током и напряжением элемента выразится соотношением:
г = — = С(0 х — + их —^. б// Л
Первое слагаемое обусловлено изменением напряжения, второе - изменением
емкости во времени. Для емкости с постоянным параметром второе слагаемое
равно нулю и характеристика элемента имеет вид, который принимался в
теории линейных цепей с постоянными параметрами. Добавочное слагаемое,
вызываемое изменением величины емкости, существенно изменяет
характеристику элемента. В частности, в случае приложения к элементу
постоянного напряжения, первое слагаемое равно нулю, но в емкости имеется
ток, пропорциональный скорости ее изменения. Следовательно, емкостной
элемент с переменным параметром преобразует постоянное напряжение в
переменный ток. Аналогичные рассуждения можно привести и для
Индуктивность с переменным параметром преобразует постоянный ток в переменное напряжение.