Файл: Средства разработки клиентских программ (Разработка программного модуля).pdf

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения данной работы был разработан программный модуль построения макромоделей электрических схем. Данный модуль имеет широкий спектр областей применения, начиная с обучающей программы по схемотехнике и математике, и заканчивая разработкой электронных устройств и космических аппаратов. С его помощью можно решать такие существенные вопросы, как распознавание наиболее подверженной к возникновению тока короткого замыкания области, расположенной на поверхности космического летательного аппарата. Стоит отметить, что это довольно узкоспециализированная задача, и помимо нее, разработанная программа может применена при разработке электронного устройства на этапе проектирования принципиальной схемы для сокращения количества составных элементов в схеме, что обеспечит увеличение скорости работы устройства и уменьшит стоимость компонентов, и соответственно, себестоимость продукта. Однако, наиболее успешным образом разработанный программный модуль найдет свое применение в сфере академического обучения учеников старших классов и студентов младших курсов технических специальностей базовым алгоритмам и методам макромоделирования, иными словами, нахождения систем интегро-дифференциальных уравнений с наибольшей степенью точности и наименьшими затратами компьютерных ресурсов, необходимых для расчета такой системы.

Разработка программы началась с определения понятия макромодели и ее применения в области электротехники. Макромодель представляет собой математического описание значений напряжений в функциональных узлах электрической схемы и сил тока в ветвях, рассчитанных с достаточной степенью точности. Трудность решения задачи макромоделирования состоит в том, что нахождение решений системы дифференциальных уравнений, полученных на основании имеющейся схемы, занимает много процессорного времени и памяти, вычисление таких систем может затянуться на несколько часов, в случае электрической схемы, содержащей более сотни тысяч функциональных узлов.

После это была определена компонентная база, из которой будут строиться макромодели. В качестве используемых элементов были выбраны пассивные элементы, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Выбор соответствующей компонентной основы вызван тем, что большинство электронных полупроводников элементов могут быть с различной степенью точности представлены через эти компоненты.

Следующим этапом разработки был обзор методов построения математического представления электрической схемы. Существует два основных подхода: аналитическое решение системы и составление системы искомых сил тока и напряжений с помощью законов Кирхгофа, или же составление электрической схемы в среде, предназначенной для синтеза и моделирования работы схем, выбор режима моделирования. Среда моделирования строит матрицы на основе функциональных узлов для емкостей, индуктивностей и резисторов, после чего решает матричное дифференциальное уравнение методом Рунге-Кутты. Однако, этот метод решения является неэффективных, поэтому было принято решение применять другие методы нахождения решения дифференциальных уравнений. В рамках данной работы были рассмотрены такие методы, как явный и неявный метод Эйлера, метод PRIMA, основанный на алгоритме Арнольди, а также метод Крылова.

Завершающим этапом была разработка пользовательского интерфейса, отражающий результаты применения методов сокращения количества элементов в схеме. На вход программа принимает сгенерированную схему в среде LTspice в формате asc-файла и метод макромоделирования из списка предложенных. После выполнения расчетов в сравнительной таблице внизу отображается количество элементов в схеме до и после применения метода. Также программа предоставляется справочную информацию о каждом из методов макромоделирования.

В качестве дальнейшей разработки данный программный модуль может быть функционально расширен. Допустимо добавление других методов макромоделирования, возможности синтезировать электрические схемы из других систем, не только LTspice, но наиболее важной доработкой модуля будет возможность применения методов не только к схемам, содержащим пассивные элементы, но и к любой схеме в принципе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Odabasioglu A., Celik M., L. T. Pillage, “PRIMA: Passive reduced-order interconnect macromodeling algorithm,” IEEE Trans. Computer-Aided Design, pp. 645–654, Aug. 1998.
2. Гуревич Г.С., Каневский С.Н. Индукция, взаимоиндукция, самоиндукция - это просто. Теория абсолютности. М.: У Никитских ворот, 2015.
3. Лаврентьев Б.Ф. Схемотехника электронных средств. М.: Академия, 2010. С. 53—68.
4. Ebers J. J., Moll J. L. Large-signal behavior of junction transistors // Proceedings of the Institute of Radio Engineers. — 1954. — Vol. 42, № 12. — P. 1761–72.
5. Демидович Б.П. (ред) Задачи и упражнения по математическому анализу для ВТУЗов. М.: Астрель, 2004.
6. Эйлер Л. Интегральное исчисление, том 1, раздел 2, гл. 7. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1956.
7. Востриков А.В. Приближенный метод расчета растекания токов по элементам конструкции космического аппарата при электростатических разрядах. − Технологии ЭМС,2010.−№2(33).−С.75−79.
   Востриков А.В., Борисов Н.И. Новый алгоритм построения макромоделей на основе методов Эйлера. Труды XXI Международного совещания «Радиационная физика твердого тела», 22 августа – 27 августа 2011 г. Севастополь. − С. 283−291.
8. LTspice: modeling circuits [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://forum.cxem.net/applications/core/interface/file/attachment.php?id=394136 (дата обращения: 03.05.18).
9. K. J. Kerns, A. T. Yang. “Stable and efficient reduction of large, multiport RC networks by pole analysis via congruence transforms,” IEEE Trans. Computer-Aided Design Integr. Circuits Syst., vol. 16, no. 7, pp. 734–744, Jul. 1997.
10. Odabasioglu, M. Celik, L. T. Pillage. “Practical considerations for passive reduction of RLC circuits,” in Proc. Int. Conf. Computer Aided-Design, San Jose, CA, Nov. 1999, pp. 214–219.
11. P. Feldmann and R. W. Freund, “Efficient linear circuit analysis by Padé approximation via the Lanczos process,” IEEE Trans. Computer-Aided Design Integr. Circuits Syst., vol. 14, no. 5, pp. 639–649, May 1995.
12. J.-R. Li, F. Wang, and J. White, “An efficient lyapunov equation-based approach for generating reduced-order models of interconnect,” in Proc. 36th ACM/IEEE Design Automation Conf., New Orleans, LA, Jun. 1999, pp. 1–6.
13. Macromodeling Program [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://github.com/Macromodeling (дата обращения: 03.05.18).