Алгоритмическое и программное обеспечение для моделирования аналоговых нелинейных инерционных радиотехнических устройств

Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач для разработки современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) является создание машинных методов анализа нелинейных инерционных электрических цепей (НИЭЦ). Нелинейные свойства элементов, входящих в состав РЭА, оказывают влияние на целый ряд ее технических показателей, таких как коэффициент интермодуляционных искажений, коэффициент гармонических искажений и т. д. Оценка этих показателей позволяет судить об электромагнитной совместимости устройств РЭА и возможности использования РЭА в различных областях науки и техники .

Большинство существующих систем схемотехнического моделирования (ССМ) ориентировано на анализ линейных и нелинейных безынерционных электрических цепей в РЭА. Использование этих ССМ для оценки нелинейных эффектов в НИЭЦ часто приводит к ошибочным результатам, что может существенно отразиться на оценке качества РЭА.

Известны три ССМ, которые позволяют оценивать нелинейные эффекты в НИЭЦ. В этих системах реализован либо итерационный метод гармонического баланса, применение которого ограничено условиями сходимости, либо метод нелинейных токов, при применении которого точность результатов анализа определяется сложностью моделируемой электрической цепи.

Ужесточение требований к техническим показателям аналоговых радиотехнических устройства (АРТУ) и сокращение сроков на разработку АРТУ требуют создания новых ССМ НИЭЦ, т. е. методов, позволяющих конструктивно анализировать НИЭЦ с помощью ПЭВМ.

Целью работы является разработка научно обоснованной методики компьютерного схемотехнического моделирования НИЭЦ для оценки комплекса слабых нелинейных эффектов, таких как: 1) гармонические искажения, 2) интермодуляционные искажения, 3) перекрестная модуляции, 4) амплитудно-фазовая конверсия (АФК).

Анализ показал, что указанные проблемы вызывают необходимость решения следующих исследовательских задач:

— обоснование выбора метода компьютерного схемотехнического моделирования НИЭЦ/.

— выбор способа представления сигнала на выходе НИЭЦ;

— разработка методики оценки комплекса слабых нелинейных эффектов в НИЭЦ;

— разработка алгоритмического обеспечения моделирования НИЭЦ;

— разработка программного обеспечения моделирования НИЭЦ;

— сравнительный анализ результатов, полученных при моделировании НИЭЦ в различных ССМ, включая разработанный программный комплекс, и сопоставление их с теоретическими результатами.

Область и предмет исследования. Область исследования ограничивается НИЭЦ со слабой степенью нелинейности .

Предметом исследования являются комплекс слабых нелинейных эффектов в НИЭЦ и нелинейные передаточные функции НИЭЦ.

Методология исследования основана на использовании теории функционального анализа, теории комбинаторного анализа, теории линейных и нелинейных электрических цепей, теории методов машинного моделирования электрических цепей, языка программирования Borland Delphi 7.0.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие научные результаты:

1. Разработан новый метод оценки комплекса нелинейных эффектов в НИЭЦ со слабой нелинейностью с использованием нелинейных передаточных функций, входящих в состав ядер ряда Вольтерры, на основе метода переменных состояния.

2. Разработан метод определения нелинейных передаточных функций высших порядков с использованием нелинейных передаточных функций низших порядков на основе метода переменных состояния при полигармоническом входном воздействии.

3. Предложена математическая модель электрической цепи в методе переменных состояния для совместного описания линейных, нелинейных безынерционных и нелинейных инерционных элементов.

4. Разработана методика определения комплексных амплитуд составляющих отклика на выходе НИЭЦ АРТУ при моногармоническом и бигармоническом входных воздействиях с использованием нелинейных передаточных функций .

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Метод для оценки комплекса нелинейных эффектов в нелинейных инерционных электрических цепях АРТУ со слабой нелинейностью на основе ряда Вольтерры и метода переменных состояния, позволивший создать законченный программный продукт для ПЭВМ.

2. Использование нелинейных передаточных функций до 7-го порядка включительно для оценки гармонических и интермодуляционных искажений и эффекта АФК при компьютерном схемотехническом моделировании НИЭЦ АРТУ.

3. Метод определения нелинейных передаточных функций высших порядков с использованием нелинейных передаточных функций низших порядков на основе метода переменных состояния при полигармоническом входном воздействии .

4. Выражения для определения гармонических составляющих отклика на выходе НИЭЦ АРТУ при моногармоническом и бигармоническом входных воздействиях.

5. Программный комплекс для ЭВМ Volterra, для оценки комплекса нелинейных эффектов в НИЭЦ со слабой нелинейностью.

Личный вклад. Все основные научные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично.

Практическая ценность. Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:

1. Создан законченный программный комплекс для оценки нелинейных показателей АРТУ со слабой инерционной нелинейностью, который может быть использован проектировщиками для компьютерного моделирования АРТУ.

2. Создана методика автоматизированной оценки гармонических и интермодуляционных искажений и эффекта АФК в НИЭЦ АРТУ. Она позволяет провести оценку комплекса нелинейных эффектов в НИЭЦ АРТУ с необходимой для пользователей точностью до проведения дорогостоящих натурных испытаний.

3. Созданный программный комплекс позволяет оценивать влияние на нелинейные показатели АРТУ типа усилительных элементов и режима их работы, а также влияние интермодуляционных искажений на чувствительность и динамический диапазон АРТУ.

Внедрение результатов работы. Проведенные исследования являются частью госбюджетных научно-исследовательских работ по проблемам высшей школы: «Использование компьютерных и сетевых технологий в учебном процессе по основам схемотехники и радиоприемным устройствам» в 2001 и 2002 гг. и «Использование компьютерных и сетевых технологий в учебном процессе по дисциплинам кафедры радиоприемных устройств» в 2003 г. Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы использованы и внедрены в учебный процесс Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ) по дисциплинам «Радиоприемные устройства» и «Устройства приема и обработки сигналов». Экспериментальные результаты диссертационной работы были использованы при анализе усилителей звуковой частоты в лабораториях Центрального научно-исследовательского радиотехнического института имени академика А. И. Берга (ЦНИРТИ им. акад. А. И. Берга).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельных ее разделов докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на научно-технических конференциях профессорско преподавательского состава МТУСИ и международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» 2001 -2004 гг.

Публикации по работе. По результатам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ. Из них 1 статья в журнале «Радиотехника», 1 статья в сборнике статей «Труды Московского технического университета связи и информатики», 2 депонированных работы в ЦНТИ «Информсвязь» и 8 тезисов докладов на международных и внутривузовских научно-технических конференциях. Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 005 612 971 Volterra.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 155 страниц основного текста, 3 6 рисунков и 18 таблиц. Приложения включают листинги основных процедур модулей разработанной системы на 5 0 страницах. В списке литературы 88 наименований.

выводы.

1. Получены результаты исследования простейших НИЭЦ с различным характером нелинейности с использованием разработанного программного комплекса.

2. Сравнение результатов исследования простейших НИЭЦ с использованием разработанного программного комплекса и результатов, полученных в ССМ MWO 20 02 показало, что отличие составляет величину не более.

1 93. При проведении исследования апериодического усилительного каскада на биполярном и полевом транзисторах с использованием разработанного программного комплекса получены следующие конструктивные результаты: 1) АЧХ усилительного каскада- 2) численные значения коэффициента гармоник по отдельным гармоника и общего коэффициента гармоник- 3) численные значения амплитуд интермодуляционных колебаний 2−5 порядков- 4) численные значения изменения фазового сдвига между входным сигналом и первой гармоникой выходного сигнала при изменении амплитуды входного сигнала (АФК).

4. Сравнение результатов, которые возможно получить в ССМ MicroCAP 8.0 и разработанном программном комплексе показало, что их отличие составляет величину не более 30%, что соответствует инженерной точности .

5. Результаты, полученные в процессе исследования апериодических усилительных каскадов на биполярном и полевом транзисторе не противоречат изученным физическим свойствам усилительных каскадов, т. е. алгоритмы, использованные в разработанном программном комплексе можно использовать для исследования нелинейных инерционных АРТУ со слабой нелинейностью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработан новый метод оценки комплекса нелинейных эффектов в АРТУ со слабой нелинейностью с использованием нелинейных передаточных функций, входящий в состав ряда Вольтерры, на основе метода переменных состояния.

2. Разработан метод вычисления нелинейных передаточных функций высших порядков с использованием нелинейных передаточных функций низших порядков на основе метода переменных состояния при полигармоническом входном воздействии.

3. Предложена новая математическая модель электрической цепи в методе переменных состояния для совместного описания линейных, нелинейных безынерционных и нелинейный инерционных элементов.

4. Разработана методика определения комплексных амплитуд составляющих отклика на выходе НИЭЦ АРТУ при моногармоническом и бигармоническом входных воздействиях с использованием нелинейных передаточных функций до 7-го порядка включительно.

5. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для реализации разработанного метода вычисления нелинейных передаточных функций и получения результатов оценки комплекса слабых нелинейных эффектов, таких как значения комплексных амплитуд выходного сигнала при моногармоническом и бигармоническом входных воздействиях. б. Проведенный машинный эксперимент по оценке комплекса нелинейных эффектов в апериодических усилительных каскадах на биполярном и полевом транзисторах показал, что разработанный программный продукт позволил получить новые результаты, такие как оценка АФК.