В программах специальностей, получаемых в МЭИ (ТУ), большой объем занимают электротехнические дисциплины, такие как теоретические основы электротехники, электроника, микроэлектроника, микропроцессорная техника и др. Широкий диапазон и многообразие предметов по данному направлению преследует цель дать будущему специалисту широкие знания в области электротехники и смежных с ней, научить использовать основные электротехнические законы для понимания принципов работы тех или иных приборов и устройств, научить разрабатывать и проектировать новые, более современные устройства. С этой целью используют традиционные методы преподавания, основанные на применении карандаша и бумаги. Однако это ограничивает сложность рассматриваемых задач простыми случаями. Для изучения сложных устройств и решения непростых задач следует использовать современные методы изучения и технику (ПЭВМ), которые приближают процесс обучения к реальным технологическим процессам.

Сегодня электронные вычислительные машины стали очень важным инструментом для анализа работы и проектирования электронных схем. При использовании ЭВМ вместо имитации схемы путем ее макетирования разрабатывается вычислительная программа, предназначенная для моделирования и анализа схемы математическими методами. Машинный анализ является первым шагом к автоматическому проектированию электронных схем. В настоящее время программы моделирования электронных схем общепризнанны в качестве обязательного элемента при проектировании сложных электронных схем.

На кафедре электрофизики Московского энергетического института на протяжении многих лет применялись разнообразные программные средства для повышения качества учебного процесса. Это - универсальная программа анализа электронных схем УПАС [1] и диалоговая система анализа электронных схем ДИСАЭС [2], являющиеся собственными разработками кафедры. С начала массового использования персональных компьютеров в учебный процесс была внедрена программа PSpice [3,4], а позже система схемотехнического проектирования Design Center 6.3 [5], электронная лаборатория Electronics Work Bench (EWB 4.1 и WEWB 5.0) [6], пакет САПР MicroCap-V [7]. Многолетний опыт показал, что все они имеют как свои достоинства, так и недостатки при применении их в учебном процессе. Тем не менее, одна из последних разработок корпорации MicroSim - система сквозного проектирования аналого-цифровых устройств Design Lab 8.0 [8], с которой автор пособия работает практически с момента ее появления (июль 1997г.), пожалуй, наилучшим образом подходит для учебного процесса, так как система DesignLab 8.0:

• имеет дружелюбный интерфейс, облегчающий и ускоряющий процесс

обучения;

•при работе с ней мала вероятность испортить исходную систему малоопытными пользователями, такими как студенты младших курсов;

•в системе имеется большое многообразие компонентов;

•имеется возможность моделирования не только аналоговых схем, но и цифровых;

•результаты расчета режима по постоянному току непосредственно отображаются на схеме;

•в систему включены удобные средства обработки полученных результатов моделирования.

И не следует забывать, что DesignLab 8.0 - профессиональная система, позволяющая вести полную разработку электронных схем, включая проектирование печатных плат. Поэтому имеется большая вероятность, что выпускники МЭИ могут столкнуться на практике с данной системой проектирования или ей подобной.

Полная система DesignLab 8.0 - очень сложная и дорогая. Однако имеется вариант демонстрационной версии системы Design Lab (Evaluation version), которая позволяет промоделировать схемы, сложность которых ограничена 64 узлами, 10 транзисторами, 2 операционными усилителями или 65 цифровыми компонентами. С помощью графического редактора Schematics можно создать чертеж схемы формата А4, состоящей не более чем из 25 символов. Несмотря на ограничения, демонстрационная версия DesignLab 8.0 хорошо подходит для целей обучения студентов, выполнения расчетов с ее помощью типовых задач и курсовых проектов, проведения несложных исследований. Для сложных же, схем необходимо воспользоваться полной версией этой системы, имеющейся в распоряжении кафедры электрофизики.

Цель данного пособия показать возможности применения системы Design Lab 8.0 в курсах ТОЭ, электроники и др. Поэтому в описание введено переработанное руководство пользователя [8]. На конкретных задачах и примерах показаны возможности применения системы Design Lab 8.0.

Пособие написано доцентом кафедры электрофизики А. Т. Кобяком (введение, гл.1, гл.2, примеры, приложения). В написании примеров принимали участие доцент В. И. Паротькин, доцент А. А. Титов и старший преподаватель Н. Р. Новикова. Общее редактирование пособия выполнено профессором Ю.А.Казанцевым.

Пособие предназначено для студентов факультета автоматики и вычислительной техники, факультета электронной техники и студентов других факультетов, использующих данную систему проектирования для решения задач по ТОЭ, проработки лабораторных работ, выполнения типовых расчетов и курсовых проектов. Полезно оно будет также аспирантам, инженерам и преподавателям, работающим над исследовательскими проектами, разрабатывающими новые лабораторные работы и типовые задания для студентов.

Введение

Автоматизация проектирования - один из способов повышения производительности и качества инженерного труда - получила широкое распространение в радиоэлектронике и вычислительной технике. Проектирование электронной аппаратуры представляет собой итерационный процесс, состоящий из этапов функционального проектирования, разработки принципиальной схемы, разработки печатной платы, ее изготовления, проведения испытаний, доработки по их результатам принципиальной или функциональной схемы, внесения изменений в печатную плату и т. д., и осуществляемый до тех пор, пока не будут удовлетворены все требования технического задания. С повышением сложности аппаратуры, переходом к более высоким диапазонам частот, применением смешанных аналого-цифровых устройств число итераций увеличивается. Связано это с тем, что аналитически трудно учесть паразитные эффекты, присущие как электронным компонентам, так и проводникам печатных плат, и их взаимное влияние. Единственный выход из этого положения - это организация сквозного цикла автоматизированного проектирования аппаратуры, включающего в себя моделирование как идеальной схемы, так и реальной конструкции и ее испытаний при действии различных дестабилизирующих факторов и учета разброса параметров. Эти задачи решаются с помощью специальных систем проектирования. Одной из таких систем, обеспечивающей сквозное проектирование аналого-цифровой аппаратуры, является система Design Lab 8.0 корпорации MicroSim [8]. Её структура изображена на рис. 1.

Рис. 1. Структура системы Design Lab 8.0

В основе системы Design Lab лежит программа PSpice [5], являющаяся наиболее известной модификацией программы схемотехнического моделирования SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) [9].

В состав системы входят следующие программы: