Введение к работе
.,-"'- I.
~^J Актуальность проблемы» Несмотря на успехи, достигнутые в последнее время в развитии методов и средств цифровой обработки сигналов, аналоговые электронные схемы продолжают во многих случаях успешно конкурировать с цифровыми. В частности, для решения задач фильтрации, коррекции и генерации синусоидальных сигналов в широком диапазоне частот в электронной аппаратуре систем управления, передачи информации, измерений, контроля и диагностики применяются линейные и квазилинейные аналоговые электронные схемы, построенные на резисторах, конденсаторах и усилителях напряжения или тока.
Современное развитие аналоговых электронных схем идет по пути совершенствования технологии их изготовления с переходом к применению полузакаэных аналоговых интегральных схем на основе базовых кристаллов. Эта тенденция обеспечивает возможность дальнейшего повышения технического уровня и качества электронной аппаратуры и обуславливает возрастающую потребность в новых схемных решениях. В процессе проектирования новых схем необходимо учитывать не только технические, но и технологические, эксплуатационные и экономические аспекты. При этом обеспечение высокого технического уровня и качества проектируемых схем предполагает необходимость их оптимизации по совокупности показателей качества, включающей все перечисленные аспекты. В этих условиях важнейшим инструментом разработчика электронной аппаратуры становятся автоматизированные системы схемотехнического' проектирования.
Разработанные к настоящему времени системы автоматизированного проектирования радиоэлектронной аппаратуры обоспочиваот проектировщика эффективными средствами решения задач анализа и параметрической оптимизации проектируемых схем, возлагая на него целиком и полностью решение задач выбора и оптимизации их структур. Однако средства параметрической оптимизации при заданной и неизданной структуре схемы но могут во многих случаях обеспечить получение требуемого проектного решения. Кроме того, совершенствование технологии изготовления схем и существенное уменьшение в связи с этим стоимости их отдельных компонентов создает возможность улучшения качества схемы за счет усложнения со структуры. Поэтому оптимизация структуры п большей степени определяет оптимальность результата схемотехнического проектирования, чем оптимизация параметров входящих в схему
- 2 -компонентов. В условиях разнообразных, а иногда и противоречивых исходных данных решение задач, связанных с оптимизацией структуры на основе интуиции и здравого смысла может заластув приводить к решение ям, далеким от оптимальных, что отрицательно сказывается на качестве проектируемых схем.
Таким образом, автоматизация проектирования оптимальных по совокупности показателей качества структур линейных аналоговых электронных схем представляет собой актуальную научно-техническую задачу, поскольку ее решение способствует повышению технического уровня и качества электронной аппаратуры аналоговой обработки сигналов, имеющей достаточно широкую сферу применения. Вместе с тем, с точки зрения практического использования автоматизированных методов проектирования структур, реализацию этой задачи необходимо рассматривать в тесной взаимосвязи с другими задачами проектирования электронных схем в рамках единой системы автоматизированного проектирования оптимальных аналоговых электронных схем.
Цель работы и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка системы автоматизированного проектирования оптимальных схем аналоговых фильтров, амплитудных и фазовых корректоров и генераторов синусоидальных колебаний, построенных на резисторах, конденсаторах и усилителях напряяения или тока. Система проектирования должна объединять решение задач аппроксимации характеристик, проектирования оптимальной по совокупности показателей качества структуры схемы и синтеза оптимальных параметров ее компонентов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить.следующие основные задачи:
исследовать математическую постановку задачи проектирования оптимальных электронных схем и с учетом поставленной цели выбрать способ декомпозиции этой задачи на базовые проектные процедуры и математические модели этих процедур;
разработать методику автоматизированного проектирования оптимальных по совокупности показателей качества структур линейных аналоговых электронных схем;
разработать алгоритмическое, программное, информационное и лингвистическое обеспеченно для реализации предложенной методики в системе автоматизированного схемотехнического проектирования.
Основные метопы исследований. При решении поставленных задач использовались теория электрических цепей, аппарат теории множат
- з -и формальних алгебраических моделей, понятия и представления теории графов, методы системного и структурного программирования.
Новые научные результаты. Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:
-
Предложена новая методика автоматизированного проектирования оптимальных структур линейных аналоговых электронных схем. Новизна предложенной методики состоит в том, что для решения задачи предложено организовать базу знаний, пополняемую трудоемкими процедурами формального синтеза структур электронных схем и оценивания их свойств. Использование накопленных в системе знаний позволяет решать задачу выбора оптимальной по совокупности показателей качества структуры, опираясь не на интуитивные, а на формальные оценки структурных свойств схем и многокритериальные процедуры выбора оптимального решения.
-
Разработаны алгоритмы исключения изоморфных вариантов структур как при синтезе схем, так и при пополнении базы знаний. Алгоритмы основаны на предложенном способе кодирования элементов матрицы смежности смешанного раскрашенного графа.
-
Предложена система шкал и математических описаний правил оценивания структурных свойств электронных схем, не зависящих от численных значений параметров их компонентов.
-
Разработан специализированный язык, отличающийся наличием средств описания структурных свойств и правил вычисления их оценок для линейных аналоговых электронных схем.
-
Предложена новая методика выбора оптимальной по совокупности показателей качества структуры электронной схемы, отличающаяся использованием адаптивного алгоритма многокритериальной оптимизации вектора смешанных (числовых и вербальных) оценок структурных свойств.
Практическая ценность работы. Значение результатов диссертационной работы для практики состоит в следующем:
I. Разработана подсистема автоматизированного синтеза структур активных RC -звеньев аналоговых фильтров, корректоров и генераторов синусоидальных колебаний, содержащих до 15 пассивных компонентов. Подсистема Отличается от известных более широким классом синтезируемых схем, а также организацией программного обеспечения, позволяющей уменьшить затраты времени на синтез за счет адаптивного управления последовательностью выполнения операций.
-
Разработана подсистема автоматизированного анализа структурных свойств линейных аналоговых электронных схем, позволяющая оценивать топологические и функциональные свойства структур электронных схем при отсутствии численных значений параметров их компонентов.
-
Разработана база знаний, включающая множество синтезированных структур электронных схем и вычисленных с помощью подсистемы структурного анализа векторных оценок их свойств, а также совокупность описаний структурных свойств и правил вычисления.их оценок. Накопленная в базе знаний информация позволяет использовать ее для выбора оптимальной структуры схемы в разработанной системе автоматизированного проектирования.
-
Разработано информационное, лингвистическое к программное обеспечение диалоговых пакетов прикладных программ аналитической аппроксимации типовых АЧХ, оптимальной аппроксимации АЧХ произвольного вида, выбора оптимальной структуры схемы, синтеза оптимальных пара-; метров компонентов схемы.
На основе комплексного использования полученных результатов создана система САПАС - система автоматизированного проектирования оптимальных схем аналоговых фильтров, амплитудных и фазовых корректоров и генераторов синусоидальных колебаний, построенных на резисторах, конденсаторах и усилителях напряжения или тока. Отличительной особенностью системы САПАС является автоматизация проектирования оптимальной структуры схемы и объединение этой задачи с задачами аппроксимации характеристик и синтеза оптимальных параметров компонентов схемы в рамках единой системы проектирования.
Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в двух хоздоговорных НИР, выполненных на кафедре автоматики и вычислительной техники ЛПИ им. М.И.Калинина в 1080-1083 гг. в соответствии о целевой комплексной научно-технической программой О.Ц.027 ГКНТ СССР, Госплана СССР и АН СССР по заданию 05.23 Минвуза РСФСР {приказ № 20 от 15.02.84 г. пункт 3,61) и межвузовской научно-технической Программой на 1986 -1990 гг. "Создеше и развитие учебно-исследовательских САПР и их подсистем в высших учебных заведениях" (приказ Минвуза СССР № 195 от 16.03.6Г7 г., пункт 3.2.20), а также в ряд& договоров о творческом содружестве. Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях и учебних заведениях Ленинграда, Москвы, Уфы, Мурманска.Акты, подтверждающие внедрение приведены в диссертации.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации докладывались на Бессоюзном научно-техническом совещании "Автоматизация проектирования микроэлектронной аппаратуры", г. Владимир, 1983 г., на Всесоюзной научно-технической конференции "Моделирование и идентификация компонентов и узлов электронной техники", г. Киев, 1984 р., на конференции молодых ученых и специалистов ЛПИ, Ленинград, 1906 г., на пятой школе-семинаре "Активные избирательные системи", г. Таганрог, 1936 г.
По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ и получено 2 авторских свидетельства.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, наложенных на 153 страницах машинописного текста, иллюстраций и таблиц на 33 страницах, списка литературы, включащего 172 наименования, и приложений.
Похожие диссертации на Система автоматизированного схемотехнического проектирования оптимальных аналоговых электронных схем
