Аннотация

Курс «Компьютерные технологии в научных исследованиях» посвящен рассмотрению проблем автоматизированного анализа и синтеза электронных устройств различного назначения. В нем освещаются постановка задачи и методы расчета электронных схем, приводятся методики проектирования и  исследования электронных схем с использованием САПР.

В настоящее время сложность и ответственность разрабатываемых схем уже давно перешла тот порог, который определялся возможностями так называемого «ручного» расчета, т.е. расчета, осуществляемого разработчиком и исследователем на основе своего личного опыта и умением владеть законами Ома и калькулятором.

Представим себе объем работ, требуемый для действительно серьезного расчета электронной схемы средней степени сложности. При выполнении типового расчета по ТОЭ в схеме, содержащей 5 – 6 элементов, было необходимо рассчитать характер переходных процессов. Для этого составлялось характеристическое уравнение цепи, проводился расчет начальных условий, затем записывались аналитические выражения для токов и напряжений в отдельных элементах схемы, и, наконец, проводилась табуляция полученных расчетных соотношений. На эту работу уходит примерно 20 часов. Реальная задача разработчика гораздо сложнее. Даже если проектируется подобная простейшая цепь, то необходимо дополнительно оценить амплитудные и действующие значения токов и напряжений в схеме для определения границ применимости тех или иных элементов, затем уточнить их эквивалентные схемы, что примерно в 3–4 раза повысит порядок схемы, провести повторный уточненный расчет, вновь проверить применимость элементной базы и при необходимости внести коррективы. Затем необходимо выполнить конструкторскую проработку узлов устройства, и, возможно, вновь внести коррективы в связи с технологическими особенностями изготовления изделия. И если к тому же учесть, что все реальные схемы как минимум на порядок сложнее, то создается впечатление, что их вообще спроектировать нельзя. Конечно, в этом вопросе во многом помогает интуиция разработчика, однако, полагаясь только на интуицию получить в результате проектирования электронную схему адекватную исходным данным очень тяжело. Это тем более трудно, если учесть что для современных схем одним из основных требований является высокая надежность и постоянное улучшение массогабаритных, энергетических, экономических и других, часто противоречивых показателей. Выходом из такого положения может быть только автоматизация проектирования, позволяющая существенно сократить время исследований и разработки и избежать существенных ошибок.

В целом проектирование представляет собой комплекс работ по изысканию, исследованию, анализу, расчету, оптимизации, конструкторскому и технологическому обеспечению нового изделия или более эффективного прототипа. Теоретически в результате проектирования должен быть выдан комплект конструкторской документации, позволяющий полностью изготовить и наладить новую разработку в условиях серийного производства. В принципе, теоретически можно представить себе возможность проведения такой работы на ЭВМ, без участия человека, и даже выпуска готовой продукции, соответствующей заданному ТЗ. Однако сложность современной электронной техники такова, что до практического решения такой задачи пока еще очень далеко. Существуют CAПP, позволяющие автоматизировать проектирование для отдельных унифицированных блоков и узлов, однако комплексное решение проблемы в ближайшее время не предвидится. Наверное, в этом есть и здравый смысл, ибо, полностью автоматизировав производство, мы замкнемся на готовом наборе стандартных решений, что приведет к выпуску морально устаревшей техники. Однако как весьма эффективный инструмент в руках инженера, САПР способны обеспечить решение десятков современных задач.