3. ИЗСЛЕДВАНЕ НА ЕЛЕКТРОННИ СХЕМИ
“Опитът е всеобща майка на науката” – Сервантес
Изследването (анализът) на електронните схеми (фиг.3.1) се състои в подаването на стимул - входен (тестов) сигнал - към изследванaта схема (Circuit Under Test - CUT) и определяне на реакцията й - изходния сигнал. При това всяка изследвана точка (дори и вътрешна за схемата) се третира като изход. Характерът на изследването зависи от вида на:
- изследваната схема: линейна, нелинейна;
- входния сигнал: постояннотоков, синусоидален, импулсен и т.н.
При импулсните схеми, за да се определят основните характеристики и параметри, е необходимо да се изследват:
- статичния режим (анализ по постоянен ток);
- динамичния режим (анализ на преходните процеси).
3.1. Теоретичното изследване на електронните схеми представлява изследване на техните математически модели. То се свежда до решаване на уравнения или системи от уравнения: алгебрични - при статичен и диференциални - при динамичен режим. Специфичен за цифровите схеми е нелинейният характер на тези уравнения. Методите за анализ могат да се разделят най-общо на две групи: аналитични и числени.
Аналитичните методи дават решение на уравненията във вид на формули. Тяхното предимство е, че крайните резултати отразяват - обикновено в явен вид - влиянието на основните фактори върху параметрите на схемите.
За получаването на тези крайни резултати, обаче, се налага да се използват опростени модели и да се правят различни опростяващи допускания. С това се понижава точността на анализа. Сложността на цифровите схеми и нелинейният характер на моделите им ограничават, а често пъти правят невъзможно прилагането на аналитични методи.
Числените методи за решаване на уравненията (системите от уравнения) са основа на компютърното моделиране. То се характеризира с универсалност и точност. Последната се постига чрез използуване на точни, но сложни многопараметрични модели на схемните компоненти. Обаче численият вид на крайните резултати обикновено затруднява тяхното използване, тъй като не представя зависимостите в явна форма. Така например, за отразяване влиянието на всеки от параметрите на схемните компоненти върху параметрите на цялата схема, се налага многократно числено решаване на основните уравнения с различни входни данни. А това изисква усъвършенствувана входно-изходна система (т.нар. потребителски – user friendly - интерфейс) за управление на целия числен експеримент и за визуализация на резултатите от него. Понастоящем най-разпространената програмна система за числен анализ на електронни схеми е системата SPICE (Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis).
Компютърното моделиране предоставя богати възможности за разнообразни изследвания:
а) могат да се изследват всякакви схеми: съществуващи на практика или не, стандартни и широко използвани или специализирани, но скъпи или трудно достъпни;
б) за определен вид схема параметрите на изграждащите я елементи могат да се променят в широки граници - дори и такива, при които реалната схема просто няма да функционира;
в) поведението на всяка схема може да се изследва при най-разнообразни условия за работа - дори и при въздействие на сигнали, които биха повредили реалната схема;
г) персонален компютър плюс програмна система за анализ могат: ♦ да заменят няколко измервателни уреда, опитни постановки и различни схеми; ♦♦ да съкратят значително времето за разработка на ново изделие (т.нар. time-to-market). Следователно замяната на реалния експеримент с моделиране има и икономически основания.
3.2. Експерименталното изследване е реализация на базовата постановка показана на фиг.3.1. От генератор се подава сигнал (напрежение, ток) към входа на изследваната схема. В изхода й се свързват уреди за регистриране и измерване параметрите на сигнала. Основните недостатъци на традиционните методи и средства за експериментално изследване на електронни схеми са в големия брой еднообразни операции по време на измерване и ръчната обработка на данните. Тези недостатъци се преодоляват в съвременните автоматизирани тестови системи - ATC (Automated Test Equipment - ATE). В тях компютърът управлява провеждането на експеримента, обработката на данните и визуализацията на резултатите (фиг.3.2). Останалите системни модули са:
- цифрово - аналогови (ЦАП) и аналогово - цифрови (АЦП) преобразуватели;
- цифрови входове и изходи: извеждат и въвеждат сигнали със стандартни логически нива '0' и '1';
- функционален генератор: в неговите изходи се получава периодично напрежение с правоъгълна, синусоидална, трионообразна и произволна (зададена от експериментатора) форма;
- цифров осцилоскоп;
- лабораторен стенд с комутационно поле, в което се поставя изследваната схема.
Фиг. 3.2. Автоматизирана тестова система.
Трите подхода за изследване на електронни схеми – аналитично, чрез моделиране и експериментално - имат както своите специфични особености, така и естествена, логическа връзка помежду си. Идеалният и максимално информативен случай е, когато те се съчетаят. Така например, чрез моделиране за кратко време могат да се изследват множество различни схемни варианти, да се проследи и анализира влиянието на много отделни елементи и фактори, включително и на околната среда. Така получените резултати са почти "истински" и се доближават до експерименталните1. От своя страна лабораторният експеримент дава реална представа за самата схема, тя може “да се види”, да се свърже по необходимия начин и да се постави при определени работни условия. Тогава данните от измерванията са наистина реални. Накрая резултатите от моделирането и/или експерименталното изследване могат да се представят (обикновено чрез апроксимация) аналитично, т.е. чрез формули, аналогични на тези, които се получават от теоретичния анализ и да се сравнят с тях.
Сподели с приятели: |