Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Свидетельство о публикации

Автоматическая выдача свидетельства о публикации в официальном СМИ сразу после добавления материала на сайт - Бесплатно

Добавить свой материал

За каждый опубликованный материал Вы получите бесплатное свидетельство о публикации от проекта «Инфоурок»

(Свидетельство о регистрации СМИ: Эл №ФС77-60625 от 20.01.2015)

Инфоурок / Другое / Статьи / Система автоматического проектирования (САПР) в производстве.
ВНИМАНИЮ ВСЕХ УЧИТЕЛЕЙ: согласно Федеральному закону № 313-ФЗ все педагоги должны пройти обучение навыкам оказания первой помощи.

Дистанционный курс "Оказание первой помощи детям и взрослым" от проекта "Инфоурок" даёт Вам возможность привести свои знания в соответствие с требованиями закона и получить удостоверение о повышении квалификации установленного образца (180 часов). Начало обучения новой группы: 28 июня.

Подать заявку на курс
  • Другое

Система автоматического проектирования (САПР) в производстве.

библиотека
материалов

Применение САПР в производстве

Перед рассмотрением машинных методов расчета необходимо представлять роль инженера и ЭВМ при проектировании схем. Наиболее ясная и, возможно, основная точка зрения заключается в том, что высокоскоростная ЭВМ является инструментом в руках человека. Человек способен применять различные орудия труда и изменять свое поведение в зависимости от конкретной, стоящей перед ним задачи. На ранних этапах своего развития человек использовал примитивные орудия труда. Не возникает вопроса о роли человека при применении таких орудий труда, как молоток, пила, или таких вычислительных средств, как логарифмическая линейка или калькулятор. Таким образом, утверждение о том, что труд и искусство человека создают материальные ценности, подтверждается фактами.

С развитием техники соотношение между ролью человека и орудием труда проявляется менее отчетливо. Используя примитивные орудия труда, два человека могут обрабатывать всего лишь несколько гектаров земли. Вооружившись современной техникой, эти два человека смогут обработать уже сотни гектаров земли. Машины и в этом случае являются лишь орудием труда, хотя и выглядят намного внушительней, чем лопаты. Машины неразумны, хотя и проводят разумные операции.

Многие области науки и техники, особенно электротехника и электроника, развивались по аналогичному пути. В настоящее время ЭВМ широко применяют на различных этапах проектирования электронных схем. Однако отнесение ее к разряду инструментов представляется менее обоснованным. Какой бы случай не взяли, не так уж легко отнести ЭВМ к неразумным объектам. Иногда при решении сложных задач она совсем не кажется неразумной. Наиболее существенно то, что ЭВМ может выбирать пути выполнения программы при соответствующих условиях. Для проведения аналогии с инструментом рассмотрим прохождение программы в ЭВМ при расчете определенной схемы. Проектировщик вводит в машину исходные данные, и через несколько секунд ЭВМ выдает спроектированную схему. Проектировщик в отличие от человека, использующего примитивнее орудия труда, не несет ответственности за расчет, он просто вводит в ЭВМ исходные данные. Можно возразить, что создатели технических средств и программного обеспечения системы проектирования в действительности ответственны за работу системы. Но можно ли, например, считать создателя молотка и зубила творцом скульптуры? Необходимо признать, что при машинном проектировании роли проектировщика и ЭВМ не так легко разделить. При решении задачи ЭВМ как бы превышает возможности обычного инструмента. С каждым годом функции ЭВМ все более расширяются и усложняются.

В последние годы многие достижения в различных областях науки и техники вызваны бурным развитием технологии. Это в полной мере относится и к электронике. При проектировании схем инженер должен учитывать возрастающие технические ограничения, накладываемые современными электронными системами. Например, для эффективного использования полосы пропускания радиотелефонных систем необходимо применение фильтров с ограниченной полосой пропускания. Размеры электронного оборудования являются важным проектным параметром при расчете схем. Уменьшение размеров оборудования связано с развитием технологии интегральных схем, в частности с производством больших интегральных схем. Необходимость низкого уровня потребляемой мощности (например, для электронного оборудования, используемого на спутниках), а также максимальной чувствительности (например, для наземных станций управления спутниками) заставила проектировщика столкнуться со сложными технологическими проблемами при создании оборудования.

Следует заметить, что в последнее время основные научные результаты были достигнуты большими коллективами ученых и инженеров, т. е. дни изобретателей-одиночек, по-видимому, прошли. Полеты на Луну, создание больших тем ЭВМ позволяют с уверенностью утверждать, что решение этих было результатом работы большого коллектива ученых и инженеров, а не изобретателей- одиночек, как при изобретении радио, телефона или телевидения.

При сложности задач, стоящих перед современным инженером, не вызывает удивления тот факт, что ЭВМ часто используется в его работе. Развитие электротехники и электроники тесно связано с успехами в области математики как в смысле разработки методов описания поведения систем, так и в смысле практического применения численных методов при расчете схем и систем. ЭВМ играет значительную роль в процессе проектирования электронных схем, поскольку с ее помощью многие сложные математические методы, разработанные в последние годы, могут найти практическое применение.

Способность современных ЭВМ решать многие сложные задачи с высокой скоростью привела к развитию новых методов расчета. Таким образом, использование ЭВМ базируется не только на применении известных численных в расчета, но и на интенсивно развивающихся новых методах.

Рассмотрим основные этапы создания электронных схем (рис. 1) и укажем специфику применения ЭВМ на каждом этапе проектирования.













hello_html_44adc58a.jpg

Рисунок 1 -Этапы создания электрических схем





Задание исходных данных. Обычно исходные данные на схему задаются проектировщику без учета метода используемого для ее расчета. Например, для усилителя исходными данными по динамическому режиму работы при воздействии на схему единичного скачка напряжения могут быть: время нарастания и перерегулирования, время задержки и др. В некоторых случаях перед началом проектирования необходимо преобразовать эти данные в частотные параметры, такие, как ширина полосы пропускания и средняя частота.

При расчете фильтров используют стандартную форму представления частотной характеристики, записываемую в эллиптических функциях или функциях Чебышева. При проектировании фильтров следует также преобразовать эти функции в форму, удобную для расчета. В тех случаях, когда стандартная форма представления характеристики не подходит для расчета, исходными данными может быть коэффициент затухания на определенных частотах, и на ЭВМ можно рассчитать реализуемую передаточную функцию.

Начальный расчет. Проектирование схемы в определенной степени является процессом творческим, основывающимся на опыте и интуиции проектировщика. В некоторых случаях (например, при проектировании фильтра) проектирование может быть осуществлено на основе хорошо разработанных алгоритмов синтеза, что позволяет использовать ЭВМ. Однако в большинстве случаев расчета транзисторных схем их структура в существенной степени зависит от области применения, что создает трудности при синтезе схем с помощью ЭВМ. В этом случае предполагается, что первоначальный вариант схемы выбирается проектировщиком и ЭВМ можно использовать лишь на этапе расчета.

Моделирование схемы. Начальный расчет схемы, проводимый проектировщикам, основывается на определенных допущениях, упрощающих процесс расчета. Например, можно полагать, что кремниевый транзистор, работающий в активном режиме, имеет напряжение база-эмиттер порядка 0,6—0,7 В. Подобным образом можно считать, что схема операционного усилителя имеет определенный коэффициент усиления, конечное входное и нулевое выходное сопротивления. Часто модель схемы создают с учетом возможности исследования изменения процессов в схеме при изменении параметров ее элементов. В последние годы создание схемы усложнилось, что связано с развитием технологии, позволяющей получать сложные интегральные микросхемы (ИМС). Затраты на проектирование ИМС без применения ЭВМ соизмеримы со стоимостью подготовки мелкосерийного производства ИМС. Наилучшее решение этой проблемы заключается в разработке модели ИМС с использованием дискретных транзисторов и пассивных компонентов. Точность моделирования процессов в схеме будет зависеть от точности моделирования интегральных компонентов и ее можно постоянно повышать.

Таким образом, ЭВМ может сыграть существенную роль при создании ИМС; ее применяют для моделирования процессов в схеме при различном соединении ее компонентов. Поэтому в последние годы много внимания уделяется моделированию электронных приборов в различных режимах их работы.



Анализ параметров схемы. Первоначальную оценку характеристик разработанной осуществляют для проверки соответствия полученных параметров требованиям ТЗ. Такую проверку на практике производят путем расчета характеристик схемы при воздействии на нее тестовых сигналов. С расчетной точки зрения анализ может быть проведен с использованием математических и физических моделей. Выбор метода анализа зависит от исследуемых характеристик.

Методы анализа схем можно разделить на три основных типа:

1) анализ линейных схем на переменном токе;

2) анализ нелинейных схем на постоянном токе;

3) анализ переходных процессов в нелинейных схемах.

Анализ линейных схем на переменном токе. Этот метод анализа может быть применен к схемам, процессы в которых удовлетворяют принципам суперпозиции и пропорциональности (усилители, фильтры и др.). Как правило, такие схемы работают в режиме малого сигнала и использование данного метода позволяет упростить анализ за счет применения методов матричной алгебры, преобразования Лапласа и др., сокращающих время проведения анализа.

Таким образом, анализ линейных цепей на переменном токе применим к расчету характеристик схемы, в которой ее элементы могут быть заменены моделями при различных (в том числе синусоидальных) малых изменениях сигналов.

Анализ нелинейных схем на постоянном токе. Данный метод анализа связан с расчетом смещающих (т. е. статических или свободных от воздействия сигналов) напряжений схемы. Например, в транзисторных усилителях или логических схемах может возникнуть необходимость в определении постоянных напряжений на базах, эмиттерах и коллекторах. Эти и другие напряжения могут быть рассчитаны при решении нелинейных алгебраических уравнений.

Компоненты электронных схем характеризуются нелинейными зависимостями их параметров. (При малых сигналах соотношения между параметрами могут быть аппроксимированы линейными уравнениями, что позволяет использовать методы анализа линейных схем, упомянутых ранее.) Поскольку расчет производят на постоянном токе, изменение параметров элементов схем от времени может не учитываться. Таким образом, анализ таких нелинейных схем связан с решением системы нелинейных уравнений, полученных на основе алгебраических соотношений для ее элементов. Так как решение нельзя получить аналитически, то единственным способом для его отыскания является применение итеративных численных методов расчета.

Анализ переходных процессов в нелинейных схемах. Во многих случаях (например, при анализе транзисторных усилителей) сочетание двух предшествующих методов анализа обеспечивает получение требуемых характеристик

схемы. Так, анализ схем на переменном токе позволяет получить характеристики при малых изменениях вблизи рабочей точки (установившегося значения), координаты которой определяют путем анализа установившихся процессов в схемах на постоянном токе.

Однако в ряде случаев сигналы в схемах изменяются в большом диапазоне и тогда ищут решения нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих поведение схемы во временной области. Процессы, происходящие в таких устройствах, как источники питания, логические схемы, демодуляторы, генераторы и т. д., могут быть изучены с помощью анализа переходных процессов в нелинейных схемах.

Нелинейность характеристик схемы исключает использование частотного метода анализа. Поэтому анализ нелинейных схем является наиболее трудоемким и сложным при машинном расчете. Даже применение наиболее эффективных методов и мощных ЭВМ не позволяет проектировщику рассчитывать процессы с той же скоростью, с какой они протекают в реальных схемах. Однако использование этих методов дает возможность получить результаты более экономичным путем, чем построение макета и физическое исследование процессов в проектируемых схемах. Поэтому программы анализа переходных процессов в нелинейных схемах могут оказать большую помощь проектировщику, и исследование макета схемы может быть заменено ее машинным анализом. Анализ линейных схем на переменном токе позволяет получить характеристики схемы в области малого сигнала при синусоидальных входных воздействиях; анализ нелинейных схем на постоянном токе дает возможность рассчитать установившиеся значения токов и напряжений, а анализ переходных процессов в нелинейных схемах используют для изучения процессов в схеме при больших сигналах. В последних двух случаях при расчете учитывают нелинейность характеристик элементов схем, используемых на практике.

Модификация схемы. В результате начального расчета схемы проектировщик часто выявляет несоответствие схемы заданным требованиям. Возникает

задача модификации схемы или ее отдельных параметров. Существуют различные пути для решения этой задачи. Например, можно изменить параметры отдельных элементов в интегральной микросхеме, заменить один транзистор на другой, имеющий лучшие параметры, катушки индуктивности, конденсаторы или даже резисторы — на элементы с улучшенными частотными свойствами и уровнями напряжений, т. е. произвести ряд последовательных изменений в схеме, каждый раз определяя ее характеристики.

В ряде случаев подобные изменения позволяют разработать схему, удовлетворяющую ТЗ. Однако когда этого достичь не удается, приходится вносить некоторые изменения в схему или ее отдельные части, после чего все этапы проектирования схемы, ее исследование и дальнейшее изменение параметров должны быть проделаны заново. Невозможность обеспечения заданных характеристик на каком-либо этапе должна быть выявлена, после чего необходимо внести определенные изменения в исходные данные и согласовать их с заказчиком. На основе скорректированных данных проектировщик должен заново провести проектирование.

Возникает вопрос, как с помощью ЭВМ можно изменить параметры схемы при ее проектировании. Для того чтобы это понять, покажем, как эта процедура осуществляется вручную. По существу, необходимо минимизировать разность между исходными данными и характеристиками проектируемой схемы путем изменения ее параметров. Отметим, что даже изменение вида схемы можно рассматривать как изменение ее параметров от нуля до конечного значения. Это осуществляется путем расчета функции ошибок, математически выраженной как разность между требуемыми и реальными характеристиками схемы. Кроме того, используют минимизационные методы, позволяющие минимизировать функцию ошибки путем изменения параметров схемы или отдельных ее компонентов. Минимизация функции является методом, основанным на минимизации функции одной переменной. Однако при минимизации функций многих переменных не все методы минимизации функции одной переменной могут быть применены, поскольку для этого существуют более эффективные методы.

Практическая подгонка параметров схемы для достижения требуемых характеристик может быть заменена оптимизацией функции ошибок с помощью методов минимизации функции за счет изменения параметров элементов схемы.

Контроль характеристик схемы. При успешном завершении начальных этапов проектирования схемы необходимо продолжить ее дальнейшее исследование. Пока многие задачи проектирования схемы были сориентированы на достижение соответствия полученных параметров заданным, но есть и задачи, непосредственно связанные с процессом производства схемы. Например, можно исследовать чувствительность параметров схемы к изменениям температуры и разбросу параметров компонентов. Кроме того, изготовителя схем может интересовать число отказов при производстве большого числа схем — экономическая важность подобной информации очевидна. На практике схему контролируют на работоспособность при изменении температуры. Для проведения этих исследований может, быть применена ЭВМ, так как влияние параметров компонентов схемы на ее характеристики может быть определено с помощью анализа схемы. Моделирование характеристик схем, получаемых при производстве с учетом разброса параметров отдельных компонентов, может быть также проведено с помощью ЭВМ. Иногда на этом этапе необходимо провести дальнейшее изменение параметров схемы с целью ее оптимизации.

Топологическое проектирование схем. Если в результате схемотехнического этапа проектирования параметры схемы удовлетворяют всем требованиям ТЗ, то можно переходить к этапу топологического проектирования. Разработка топологии является одной из интереснейших областей, привлекающей внимание проектировщиков в последние годы. Конкретные проблемы разработки топологии зависят от используемой технологии. При создании ИМС и печатных плат с однослойной металлизацией возникает проблема трассировки, при которой должны, отсутствовать пересечения проводников. При двухслойной металлизации в схемах на печатных платах такой проблемы нет, но при этом

увеличивается длина проводников. Таким образом, при разработке топологии следует устранить взаимное пересечение проводников, уменьшить их длину, оптимизировать размеры подложки кристалла и т. д. В ряде случаев эти задачи могут быть полностью решены с помощью ЭВМ при использовании методов теории графов или других топологических методов. В данной книге эти вопросы не рассматриваются, так как к настоящему времени они хорошо разработаны и решаются стандартными методами. В большинстве случаев при решении задач практически нельзя обойтись без проектировщика, а ЭВМ используется им лишь как инструмент. Расположение компонентов на платах или кристаллах ИМС моделируется на ЭВМ, и проектировщик вносит изменения в их относительное расположение непосредственно на экране графического дисплея. Окончательный вариант рабочих чертежей выводится с помощью ЭВМ на графопостроитель. В заключение отметим, что ЭВМ может играть определенную роль и в реальном процессе изготовления схем. Ряд технологических процессов и устройств может управляться с помощью мини-ЭВМ в реальном масштабе времени.




Подайте заявку сейчас на любой интересующий Вас курс переподготовки, чтобы получить диплом со скидкой 50% уже осенью 2017 года.


Выберите специальность, которую Вы хотите получить:

Обучение проходит дистанционно на сайте проекта "Инфоурок".
По итогам обучения слушателям выдаются печатные дипломы установленного образца.

ПЕРЕЙТИ В КАТАЛОГ КУРСОВ

Автор
Дата добавления 11.10.2016
Раздел Другое
Подраздел Статьи
Просмотров74
Номер материала ДБ-252152
Получить свидетельство о публикации
Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх