Расчетно экспериментальные методы проектирования. Раздел 5

Первые системы автоматизированного анализа РЭС
Модель проектируемого РЭС
Симулятор
Результат анализа
Требования к РЭС
ОК
Макет
Требования к РЭС
ОК
Измерения

Системы проектирования с использованием автоматизированного параметрического синтеза
Модель проектируемого РЭС
Симулятор
Результат анализа
Требования к РЭС
Макет
Требования к РЭС
ОК
Измерения
Оптимизатор

Автоматизированный расчетно-экспериментальный метод проектирования
Модель проектируемого РЭС
Симулятор
Результат анализа
Требования к РЭС
Макет
Требования к РЭС
Измерения
Оптимизатор
Оптимизатор

Преимущества расчетно-экспериментального метода проектирования
Сокращение участия человека в процессе проектирования.
Уменьшение времени проектирования за счет реализации моделирования и измерений на единой программно-аппаратной платформе.
Формирование единого «гибридного» пространства варьируемых параметров, в котором одновременно могут варьироваться как параметры самого макета, так и его модели.
Стимулирование творческого потенциала инженера за счет отображения расчетных и экспериментальных графиков в режиме «online» на одном поле.

Краткая сущность расчетно-экспериментального метода
Параметры и характеристики РЭС рассчитываются обычным образом исходя из его модели.
Изготавливается макет.
Параметры и характеристики модели корректируются таким образом, чтобы модель наилучшим образом отображала параметры макета.
Параметры откорректированной, «хорошей» модели подстраиваются так, чтобы удовлетворить технические требования к РЭС.
Вновь изготавливается макет по «хорошей» модели. Вероятность того, что его параметры будут близки к требуемым достаточно высока.

На чем основаны преимущества расчетно-экспериментального метода?
Источник преимуществ расчетно-экспериментального метода: низкое качество обычных моделей, которые получены в другом месте, в другое время, на другом оборудовании и, главное, на других тестовых сигналах.
На основе интегрированных систем моделирования и измерений можно реализовать процедуру получения моделей для собственного использования, которые будут работать для узкого класса сигналов, но очень хорошо.

Аппаратное обеспечение расчетно-экспериментального метода проектирования
Для реализации расчетно-экспериментального метода необходим набор автоматически управляемых измерительных приборов.
В принципе это может быть набор самых обычных приборов с управлением от компьютера.

Гибкие измерительные платформы на базе интерфейса PXI и пакета программ LabVIEW
Лучше всего интегрируются между собой и с компьютером модульные измерительные приборы на базе крейтовых систем.
Наибольшее распространение получили модульные приборы с использованием шин PXI и LXI.
Для систем небольшого масштаба лучше подходит шина PXI.
PXI-шасси
Модульные приборы

LabVIEW – стандартная среда для управления PXI-приборами
Так выглядит программа на языке LabVIEW

Интеграция измерительных систем (LabVIEW) с системами моделирования (AWRDE)

Для вызываемого виртуального прибора AWRDE задает входные параметры и характеристики и снимает результаты измерения:
Интеграция измерительных систем (LabVIEW) с системами моделирования (AWRDE)

Основной интерфейсной средой может быть либо AWRDE, либо LabVIEW.
В первом случае с контрольных точек (на предыдущем рисунке справа) можно строить графики средствами AWRDE, которые будут отображать результаты измерения на реальном макете. На тот же график можно вывести результаты расчетов по модели РЭС в САПР.
Интеграция измерительных систем (LabVIEW) с системами моделирования (AWRDE)

Второй вариант: для совместного отображения расчетных и экспериментальных графиков можно использовать LabVIEW:
Интеграция измерительных систем (LabVIEW) с системами моделирования (AWRDE)

Возможная стратегия применения интегрированных систем измерения и моделирования
Построение модели проектируемого устройства (например, принципиальной схемы) с использованием «стандартных» моделей.
Определение формы, амплитуды и других параметров сигналов, воздействующих на ключевые элементы (например, транзисторы) в данной схеме.
Измерение характеристик ключевых элементов при определенных воздействиях на них и экстракция параметров их моделей на этой основе.
Замена в модели проектируемого устройства «стандартных» моделей на уточненные.

Второй путь интеграции систем моделирования и измерений – замена отдельных каскадов их моделями
Макет
Макет
N-й каскад макета
Переход макет-модель
(АЦП, LabVIEW)
Модель
(AWR DE)
Переход модель-макет
(ЦАП, LabVIEW)

Или наоборот
Сущность обоих вариантов: сочетание декомпозиционного подхода с моделированием на реальных сигналах.
Модель (AWR DE)
Макет
Модель N-го каскада
Переход модель-макет
(ЦАП, LabVIEW)
Модель
(AWR DE)
Переход макет-модель
(АЦП, LabVIEW)

Системы экстракции параметров моделей
Промежуточное положение между системами измерений и моделирования занимают также системы экстракции параметров моделей.
Задача таких систем – по результатам измерения характеристик какого либо элемента или системы (диода, транзистора, конденсатора, резистора) определить параметры модели этого элемента.
Налицо совокупность задач измерения и моделирования.

Экстракция параметров линейных моделей
Средства экстракции параметров моделей делятся на:
линейные;
нелинейные.
Экстракция параметров линейных моделей (двухполюсников, четырехполюсников, многополюсников) осуществляется при помощи векторных измерителей характеристик цепей (Vector Network Analyzer, VNA).

Векторные измерители характеристик цепей
Классифицируются по виду тестового сигнала:
с использованием частотного свипа;
с использованием шумовых сверхширокополосных сигналов;
с использованием короткоимпульсных сигналов (рефлектометры с с преобразованием Фурье).

Примеры векторных измерителей характеристик цепей
С частотным свипом Keysight E5080A
Рефлектометр с преобразованием Фурье
С СШП тестовыми сигналами Keysight N7081A

Результат экстракции параметров линейной модели транзистора (пример)
Файл формата s2p – таблица S-параметров для заданной схемы включения (общий эмиттер) и рабочей точки (uКЭ = 4 В, iК = 40 мА) + таблица шумовых параметров.

Экстракция параметров нелинейных моделей
Существует два класса инструментальных средств для экстракции параметров моделей нелинейных элементов:
для «одночастотных» нелинейных моделей элементов – нелинейные векторные измерители характеристик цепей (Nonlinear Vector Network Analyzer, NVNA);
для универсальных (SPICE) моделей – характериографы.

Нелинейные векторные измерители характеристик цепей
В принципе их работу можно рассматривать как расширение линейных измерителей характеристик цепей, в которых предусматривается свип не только по частоте, но и по другим параметрам сигналов и нагрузок. Общий перечень свипов:
частота тестового сигнала;
амплитуда тестового сигнала;
сопротивление источника тестового сигнала;
сопротивление нагрузки.
Последние два свипа относят к так называемым load-pull измерениям.
Систему параметров, которая при этом измеряется, обычно называют X-параметрами.

X-параметры
S-параметры – коэффициенты, определяющие передачу спектральной составляющей с некоторой частоты на эту же самую частоту.
X-параметры – набор коэффициентов, определяющих передачу спектральной составляющей с некоторой частоты на ряд других частот.
Для каждой конкретной амплитуды входного воздействия выполняется принцип суперпозиции гармоник. Т.е. выходной сигнал представляется как линейная взвешенная сумма входных гармоник.
X-параметры являются нелинейной моделью только в радиотехнической терминологии. С физико-математической точки зрения это линейная модель для каждого конкретного воздействия.
Нелинейность учитывается только в том смысле, что коэффициенты передачи зависят от амплитуды воздействия.
Принцип суперпозиции гармоник

Измерение X-параметров
Технически X-параметры измеряются также, как и S-параметры, но для каждой амплитуды падающей волны (из дискретного ряда) отдельно.
Отличие измерителей Х-параметров (нелинейных измерителей характеристик цепей) состоит в наличии системы абсолютной калибровки (с учетом абсолютной мощности тестового сигнала) и фазовых соотношений внутри регистрируемых многочастотных сигналов.

Load-pull X-параметры
Коэффициенты в системе X-параметров зависят не только от амплитуды падающей на объект волны, но и от сопротивления подводящей и отводящей линий.
Поэтому для получения полной модели нелинейного объекта в системе X-параметров приходится табулировать коэффициенты матрицы рассеяния для каждого значения (из дискретного ряда) сопротивления нагрузки и источника сигнала.
Для создания изменяемого сопротивления источника сигнала и нагрузки служат автоматически перестраиваемые устройства – «тюнеры».

Примеры нелинейных векторных измерителей характеристик цепей
Keysight PNA-X N5274A
Load-pull измерительная система на основе Keysight PNA-X N5274A
Управляемые нагрузки «тюнеры»

Недостатки X-параметров
Х-параметры хороши своей универсальностью: не нужно знать, что вы моделируете – диод, целый усилитель или смеситель.
Но при табулировании X-параметров реально учесть зависимость их коэффициентов только от амплитуды первой гармоники и постоянного смещения.
Поэтому X-параметры работают только для сигналов близких к гармоническим.
При произвольном воздействии в настоящее время хорошо работают только модели в виде эквивалентных схем для конкретных элементов.

Характериографы
Характериографы используются для измерения характеристик и параметров элементов эквивалентных схем, используемых в SPICE-моделях.
SPICE-модели – совокупность нелинейных проводимостей (характеризуются ВАХ) и нелинейных емкостей (характеризуются ВФХ).
Поэтому характериограф – прибор позволяющий измерять ВАХ и ВФХ в рамках принятых эквивалентных схем (например, последовательной или параллельной).

Принцип действия характериографов
ВАХ измеряется путем установки различных напряжений на объекте с последующим измерением токов через него.
ВФХ измеряется двумя способами:
на гармоническом сигнале с изменяющимся постоянным смещением;
на медленно меняющемся линейно нарастающем сигнале.
Иногда для исключения саморазогрева объекта (что влияет на ВАХ и ВФХ) ограничивают длительность приложения постоянного напряжения или гармонического сигнала со смещением (так называемые PIV-измерения).

Пример характериографа
Keithley 4200

Недостатки «обычных» характериографов
Обычные характериографы работают на квазистационарных сигналах (постоянном токе или медленно меняющихся гармонических сигналах).
Получающиеся модели не учитывают ряд особенностей нелинейных переходных процессов в объектах (например, накопление и рассасывание диффузионного заряда).
Нелинейность объекта заставляет при измерении емкости выбирать малую амплитуду тестового воздействия. Это приводит к увеличению погрешности измерения, в особенности при наличии тока проводимости через объект.