CC BY
15"СШ1ЖПЕ
ИЗ ОПЫТА РАБОТЫ
A.Д. МАСЛОВ, A.D. MASLOV,
B.В. СУХОТИН V.V. SUKHOTIN
ОСНОВА ФОРМИРОВАНИЯ ВОЕННОГО ИНЖЕНЕРА
BASIS OF MILITARY ENGINEER FORMATION
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ В КУРСЕ ПОДГОТОВКИ ВОЕННЫХ СПЕЦИАЛИСТОВ ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 11.05.02 «СПЕЦИАЛЬНЫЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»
AUTOMATIK DESIGN SYSTEMS FOR THE MILITARY SPECIALIST TRAINING IN SPECIALITY 11.05.02 «SPECIAL RADIOTECHNICAL SYSTEMS»
Сведения об авторах: Маслов Александр Дмитриевич - доцент Военной академии ВПВО ВС РФ имени Маршала Советского Союза А.М. Василевского, кандидат технических наук, доцент (г. Смоленск. E-mail: a_maslov@bk.ru);
Сухотин Валерий Викторович - доцент Военной академии ВПВО ВС РФ имени Маршала Советского Союза А.М. Василевского, кандидат технических наук, доцент (г. Смоленск. E-mail: bursaksmol@gmail.com).
Аннотация. В работе дается обоснование необходимости освоения систем автоматизированного проектирования в системе подготовки военных специалистов по специальности «Специальные радиотехнические системы», формулируются основные требования, предъявляемые к системам автоматизированного проектирования (САПР) по специальности. Даются краткие характеристики и основные возможности САПР, используемые в системе подготовки специалистов Военной академии войсковой ПВО для формирования у выпускников проектно-конструкторских компетенций.
Ключевые слова: обучение, информационные технологии, военный инженер.
Information about the authors: Aleksandr Maslov -Associate Professor of the Military Army Air Defence Academy of the RF Armed Forces named after Marshal of the Soviet Union A.M. Vasilevsky, Cand. Sc. (Tech.), Associate Professor (Smolensk. E-mail: a_maslov@bk.ru);
Valery Sukhotin -Associate Professor of the Military Army Air Defence Academy of the RF Armed Forces named after Marshal of the Soviet Union A.M. Vasilevsky, Cand. Sc. (Tech.), Associate Professor (Smolensk. E-mail: bursaksmol@gmail.com).
Summary. The work provides a substantiation of the need to master the computer-aided design systems within the complex of training military specialists in the specialty 'Special radio engineering systems9, as well as formulates the basic requirements for computer-aided design systems (CADS) for this specialty. The authors give brief characteristics and basic capabilities of the CADS used at the Military Army Air Defence Academy for forming design-and-engineering competencies of its graduates.
Keywords: learning, information technologies, military engineer.
Проектирование современных радиоэлектронных средств как военного, так и гражданского назначения в сжатые сроки невозможно без
использования систем автоматизированного проектирования.
САПР - совокупность математического, технического
и программного обеспечения, необходимого для автоматической разработки законченного изделия и выпуска конструкторской документации.
К настоящему времени создано большое число программно-методических комплексов для САПР с различной степенью специализации и прикладной ориентации. В результате автоматизация проектирования стала необходимой составной частью подготовки инженеров различных специальностей. Поэтому совершенно естественна необходимость изучения теоретических основ систем автоматизированного проектирования радиотехнических систем (РТС) для специалистов войсковой ПВО. Освоение автоматизированных систем проектирования позволяет подготовить выпускников не только к выполнению выпускной квалификационной работы, но и способствует более глубокому пониманию процессов и явлений, происходящих в радиотехнических устройствах, а значит, более качественной подготовке военных радиоинженеров, от профессионализма которых зависит боеготовность войсковой ПВО.
В связи с этим на кафедре Специальных радиотехнических систем Военной академии войсковой ПВО, с целью формирования компетенций проектно-конструкторской деятельности, изучаются и осваиваются основные типы САПР, ориентированные на проектирование радиоэлектронных средств (РЭС).
При выборе конкретных систем проектирования, необходимых для подготовки специалистов по специальности «Специальные радиотехнические системы» (СРС), предъявляются довольно противоречивые требования. С одной стороны, системы должны иметь широкий набор проектных процедур, необходимых для проектирования радиоэлектронной аппаратуры, с другой - эти
системы не должны предъявлять жестких требований к техническому обеспечению, иметь простой и удобный пользовательский интерфейс, а также демонстрационные версии этих систем, желательно отечественного производства. Последнее требование особенно актуально для использования в учебном процессе, так как лицензионное программное обеспечение может стоить до нескольких сотен тысяч рублей за один комплект на одно рабочее место (например, программа конструкторского проектирования А11штБе81§пег стоит более 800 тыс. руб. за один комплект на два рабочих места).
В общем случае процесс проектирования РЭС состоит из трех основных этапов: системотехнического, схемотехнического и конструкторского. Поэтому для целостного представления обучаемых об автоматизированных системах проектирования на кафедре осваиваются три вида систем автоматизированного проектирования, которые ориентированы на выполнение соответствующих видов проектирования.
[Ц-Ц 1]! 11 T 1 ■ i j
1 М.-1 -Jib IjJ ;fj} \ |
При системотехническом проектировании разрабатываются общая структурная или функциональная схемы РЭС. Системотехнический этап проектирования в основном пока является неформализованным процессом, в котором используются творческие возможности инженера. На этом этапе нашли применение программы (см. таблицу 1), которые позволяют моделировать изделия на уровне структурных и функциональных схем. На кафедре СРС для уяснения особенностей моделирования радиотехнических систем на этом уровне оказалась удобной программа математических вычислений МаЫхсас!. Выбор этой программы был обусловлен не только ее возможностями, простотой освоения, но и тем, что она широко применяется обучающимися с первого курса в течение всего срока обучения. По этой причине стало возможным больше внимания уделять самому процессу моделирования РЭС, а не изучению системы команд этой программы.
При освоении системотехнического проектирования на
Таблица 1
Уровень проектирования Задачи САПР, ППП, среды, программы
Системный Структурное моделирование систем (радиосистем) Алгоритмические языки общего назначения; Языки имитационного моделирования GASP, GPSS, SIMSCRPT, SIMULA
Функциональный Функциональное моделирование РЭУ (системы радиоавтоматики и другие радиотехнические устройства) SystemView(Elanix), Simulink, Signal Processing (MatLab) Mathcad
Функциональное и логическое моделирование цифровых схем VHDL (язык описания аппаратуры), OrCad
Моделирование систем сбора и обработки данных LabView, LabWindows(NI)
Проектирование устройств цифровой обработки сигналов, в том числе проектирование цифровых фильтров DSPworks,SigLab, System View, SPW/HDS Monarch, QEDesign 1000+
liiliäJ-L
ш
II
G
Ug(t)¡
ж к, .|1Ш
HI i'Hjjl
Схема 1. Функциональное моделирование в системе Mathcad
кафедре основное внимание уделяется функциональному моделированию радиоэлектронных устройств. В качестве примера на схеме 1 показаны результаты функционального моделирования радиоприемника прямого усиления в системе МаЬЬсас!.
Конкретные преимущества работы в среде математической программы Ма^сас! для функционального моделирования радиотехнических устройств заключаются в том, что программа имеет следующий неполный перечень вычислительных инструментов:
- решение алгебраических уравнений и систем;
- решение обыкновенных дифференциальных уравнений;
- работа с векторами и матрицами;
- поиски минимумов и максимумов функциональных зависимостей;
- возможность представления данных в виде таблиц, графиков и анимационных клипов.
Схемотехническое проектирование состоит в разработке принципиальных схем блоков и узлов, где для моделирования электронных схем используются такие известные программ-
Таблица2
Уровень проектирования Задачи САПР, ППП, среды, программы
Схемотехнический Схемотехническое моделирование аналоговых и аналого-цифровых устройств, в т.ч. проектирование аналоговых фильтров Pspice^Design Lab 8.0^ OrCad 9.0 Electronics WorkBench, APLAC 7.0, MicroCap Dr. Spice, CiruitStudio (для PROTEL)
Проектирование в аналоговых программируемых больших интегральных схемах PacDesigner (Lat. Semiconduc.) AnadigmDesigner (беспл.)
ные продукты, как MicroCap, Electronic Workbench и т.д. (см. таблицу 2).
Программа MicroCap была выбрана из широкого круга программ схемотехнического моделирования в связи с тем, что она имеет удобный, дружественный интерфейс и предъявляет достаточно скромные требования к программно-аппаратным средствам персонального компьютера. Однако представляемые при этом возможности достаточно велики. MicroCap позволяет анализировать аналоговые, цифровые, а также смешанные аналого-цифровые электронные устройства. Кроме того программа представляет пользователю широкий круг различных видов анализа электронных схем.
Все виды анализа можно разделить на три основные группы:
- анализ по постоянному току;
- анализ по переменному току;
- анализ нелинейных искажений (см. схему 2).
Виды анализа по постоянному току.
DC Analysis - анализ передаточных функций по постоянному току. Обеспечивает расчет передаточных функций по постоянному току при вариации постоянной составляющей одного или двух источников сигналов. С помощью этого вида анализа можно снимать ВАХ (вольт-амперные характеристики) электронных приборов или передаточные характеристики по постоянному току радиотехнических устройств.
Dynamic DC - динамический анализ режима по постоянному току. Данный анализ позволяет динамически отображать узловые потенциалы, токи ветвей и рассеиваемые мощности при изменении значений параметров радиокомпонентов с помощью специальных движков (Sliders).
Sensitivity Analysis - анализ чувствительностей на постоянном токе. В этом режиме рассчитываются чувствительности одной или нескольких выходных переменных к изменению одного или нескольких входных параметров.
Trasfer Function - анализ малосигнальных передаточных функций на постоянном токе. Рассчитывается отношение измеренного изменения заданного пользователем выходного выражения к вызвавшему это изменение малому возмущению заданного пользователем входного источника постоянного тока (У21, Н21, Z21). При этом автоматически рассчитываются входное и выходное сопротивления схемы на постоянном токе.
Перечисленные выше виды анализа выполняются при исключении из схемы конденсаторов и закорачивании катушек индуктивности.
DC Analysis Transient A Distortion
Dynamic DC AC Analysis
Sensitivity A Dynamic AC
Trasfer Function
Дополнительные возможности основных видов анализа
Stepping
Optimize
Спектр А
Monte Carlo
30-графика
Схема 2. Виды анализа в системе MicroCap Виды анализа по перемен- от режима Dynamic DC на схе-
ному току.
Transient Analysis - анализ переходных процессов. Позволяет строить зависимости от времени различных переменных состояния схемы и наблюдать их в графическом окне так же, как и на экране осциллографа.
AC Analysis - анализ по переменному току на малом сигнале. Позволяет проводить расчет и построение зависимости различных переменных схем при подаче на вход гармонического воздействия с меняющейся частотой и постоянной амплитудой (АЧХ, ФЧХ).
Dynamic АС - динамический анализ малосигнальных передаточных функций в частотной области. Данный анализ позволяет при заданной частоте входного сигнала динамически отображать узловые потенциалы, токи ветвей и рассеиваемые мощности при изменении значений параметров радиокомпонентов с помощью специальных
ме отображаются значения в комплексном виде.
Distortion - анализ нелинейных искажений. Производится расчет нелинейных искажений с использованием математического аппарата спектрального Фурье-анализа. В этом режиме запускается анализ переходных процессов при гармоническом воздействии на вход схемы, выполняется преобразование Фурье для выходного сигнала, затем производится расчет и вывод на экран значений коэффициента гармоник.
К сожалению, ограниченный объем времени, выделяемый на изучение системы, не позволяет в полном объеме освоить все виды анализа. На практических занятиях основное внимание уделяется тем видам анализа, которые позволяют наиболее наглядно отображать физические процессы, протекающие в РЭС, к ним относятся DC Analysis, Dynamic DC, Transient Analysis, AC
движков (Sliders). В отличие Analysis. В качестве примера
,-Г~НГГД
S* ,.
MiIAZA.
№
Iii
на фото 1 показаны результаты моделирования усилителя промежуточной частоты в системе MicroCap, анализ проведен с использованием команды Transient Analysis (анализ переходных процессов).
Характерной особенностью программы MicroCap является то, что программа представляет богатые графические возможности обработки результатов анализа. Можно выполнять панорамирование и масштабирование окна моделирования, нанести на графики размерные линии и координаты отдельных точек и т.п. Кроме того программа позволяет наряду с двухмерными графиками строить 3-х мерные графики и выполнять анимацию.
Таким образом, в заключение можно сформулировать основные преимущества программы MicroCap:
1) большой набор различных видов анализа, что позволяет глубоко изучить особенности работы электронных схем любых типов;
2) удобный и простой интерфейс, в нем нет «измерительных приборов», загро-
мождающих рабочее поле программы;
3) качественное представление результатов моделирования в виде двух и трехмерных графиков, гистограмм, таблиц;
4) наличие специального программного обеспечения, упрощающего ввод параметров полупроводниковых приборов российского производства.
Конструкторский этап включает разработку конструкции изделия. На кафедре основное внимание уделяется разработке и моделированию печатных узла и платы изделия, а также оформлению конструкторской документации. Для автоматизации проектных процедур этого вида проектирования используются программы OrCAD, P-CAD, Protei, AccelEDA, Altium Designer, AutoCAD, SPECCTRA и т.д.
В настоящее время в России наиболее популярной программой конструкторского проектирования (разработки печатных плат) является система P-CAD. По этой причине освоение САПР кон-
Не Ed* Component
:- & ы н о
Р G Siüit/
• iВШ1ПИ1
V ® ш
■ P- ^ 2Й ~ + Hill - □□Хй'й^эеи * « Э О ©
» S / СШ НВЕШЭ Q ^
Фото 1. Анализ переходных процессов усилителя промежуточной частоты
структорского проектирования осуществляется на основе изучения одной из первых ее версий - P-CAD 2000.
Система P-CAD 2000 предназначена для проектирования многослойных печатных плат аналоговых и цифровых устройств в среде Windows. Программа выполняет полный цикл проектирования печатных плат, включающий в себя графический ввод электрической схемы, упаковку схемы на печатную плату, ручное размещение компонентов, а также ручную, интерактивную и/или автоматическую трассировку проводников, контроль ошибок в схеме или печатной плате и выпуск документации. Кроме того, система имеет очень удобный интерфейс и позволяет разрабатывать конструкторскую документацию в соответствии с требованиями ECK Д. Применение сопутствующих программ позволяет выполнять моделирование схем и анализ паразитных эффектов, присущих реальным печатным платам, до их изготовления.
Программа состоит из шести основных модулей:
- менеджер библиотек (LibraryManager или LibraryExecutive) формирует интегрированные библиотеки, которые содержат информацию о графике символов и типовых корпусов компонентов и текстовую информацию (число секций в корпусе компонента, номера и имена выводов, коды логической эквивалентности выводов и т.п.). Библиотеки легко пополняются с помощью графических редакторов, а текстовая информация координируется администратором библиотек. Вся текстовая информация о компонентах заносится в таблицы, удобные для просмотра и редактирования;
- редактор символов (SymbolEditor) предназначен для создания условных гра-
|К|<1Нн1\Раяс1ХТе*Л1»*>/
фических обозначений радиокомпонентов;
- редактор корпусов (PatternEditor) предназначен для создания корпусов;
- редактор электрических схем (Schematic);
- редактор печатных плат (РСВ).
Кроме этого она содержит ряд вспомогательных программ.
Два последних редактора -Schematic и РСВ - графические редакторы принципиальных схем и печатных плат.
Библиотеки отечественных компонентов в среде P-CAD легко выполняются по ЕСКД. Средствами Windows реализован многооконный интерфейс, что разрешает на одном экране посмотреть чертежи схем и плат и провести идентификацию на плате цепей, выделенных на схеме (реализуя так называемую «горячую» связь). Применение векторных масштабируемых шрифтов TrueType позволяет наносить на схемы и печатные платы надписи на русском языке.
В редакторе РСВ имеются режимы ручной, интерактивной (полуавтоматической) и автоматической трассировки проводников. В интерактивном режиме курсором отмечают начало и конец, трассировка выполняется программой автоматически.
Хотя система P-CAD2000 является устаревшей и в чем-то уступающей современным версиям конструкторского проектирования, зато программа позволяет достаточно быстро освоить последовательность и основные процедуры разработки печатных плат, включая разработку комплекта конструкторской документации на печатный узел. В качестве примера на фото 2 показан фрагмент результатов проектирования печатной платы типового
ft File Edit Vim Pis» Route Options Library Utils Macro Window Help
¡T РНн|йН I l-H.-lcaWH&ll 4bM
Верхний слой печатной платы
Нижний слой печатной платы
3.0 DIA ■
2 4 6 8 10 12 14 16 18
-45.0 -
о о ю о ^г ю
I i i *
i i v.y.Miir,:i : I i %v< v.*: м . iид\>a п ♦ тцчмхх Цч1:
I iiu-s: пп •
I I •'.*.*•• iiii г
II .• gill: II% III.V 11 ML:: i ::: ::: sjii:;
i Цч'::-
i r'-4.::
ii
:<: : ♦: и
'/.4* V 11>л • )f. Ili v.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-50.0-
■¿>«4™ Jdn"'"'! Jd~
Фото 2. Фрагмент результатов проектирования печатной платы типового узла РЭС
узла РЭС в редакторе печатных плат РСВ.
Изучение и освоение соответствующих систем автоматизированного проектирования на кафедре реализуется не в специальных курсах, а в ходе изучения общеинженерных дисциплин, таких, как: Электроника, Схемотехника аналоговых электронных устройств, Основы конструирования и технологии производства радиоэлектронных систем и др. На лекционных занятиях, как правило, рассматриваются только основные сведения о соответствующих системах автоматизированного проектирования, а на практических занятиях и лабораторных работах обучаемые приобретают навыки проектирования типовых радиоэлектронных узлов с использованием соответствующих систем автоматизированного проектирования. Такой подход позволяет, с одной стороны, углубить и расширить понимание физических процессов в РЭС за счет использования графических и математических возможностей систем автоматизирован-
ного проектирования, с другой стороны, осуществляется целенаправленное освоение только основных проектных процедур.
Таким образом, САПР, которые изучаются на кафедре специальных радиотехнических систем, обеспечивают достаточно качественную подготовку обучаемых к проектно-конструкторской деятельности выпускников Военной академии, а также к выполнению выпускной квалификационной работы по специальности «Специальные радиотехнические системы». "Ф"
ЛИТЕРАТУРА
1. Очков В.Ф. Mathcad для студентов и инженеров: русская версия. - СПб.: БХВ-Петербург, 2009.
2. Амелина М.А., Амелин С.А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap 8. — М.: Горячая линия - Телеком, 2007.
3. Разевиг В.Д. Система
проектирования печатных плат ACCEL EDA 15 (P-CAD 2000). -М.: Солон-Р, 2001.
