Журнал "Радио", номер 5, 1999г.Автор: И. Григорьев, г. Коломна Московской обл.
В радиолюбительском эфире вот уже сорок лет звучит позывной Коломенского радиоклуба. Операторов детской коллективной радиостанции RK3DZD знают далеко за пределами России. То, что школьники из Коломны - хорошие спортсмены, подтверждает внушительная коллекция призов и дипломов. А вот о другой стороне работы клуба - конструкторской, известно не так уж много. А зря. Ведь здесь ребята изучают азы электроники с помощью компьютеров и компьютерных программ. И компьютеры-то здесь не весть какие - старенькие "ВэЭлБэшные четверки" (с шиной VLB). Но оказывается, даже на их основе можно организовать радиолабораторию. О чем мы вам расскажем, проверено на опыте работы клуба. Сдается, что наши дети действительно умнее нас. То, что взрослые дяди и тети понимают с пятого раза, они схватывают на лету. И не беда, что нет фундаментальной физико-математической подготовки. Можно начать с компьютерного моделирования простого устройства на одном-двух транзисторах и потом двигаться дальше. С этого номера журнала мы открываем цикл статей под названием "Компьютер в домашней радиолаборатории". Адресован он всем нашим читателям - владельцам домашних компьютеров, а также руководителям радиокружков, имеющим возможность проводить свои занятия в школьном компьютерном классе.
Что изменилось за последний десяток лет в радиолюбительском конструировании? Появились и стали доступными новые интегральные микросхемы, представляющие собой законченные функциональные узлы, современные биполярные и полевые транзисторы. Но самое главное, наверное, в том, что в радиолюбительское конструирование пришел компьютер. Пришел так же стремительно, как и во многие другие области человеческой деятельности.
Оснастив специальными программами домашний компьютер, вы сможете превратить его в хорошую радиолабораторию. Конечно, полностью заменить осциллограф или генератор сигналов, особенно при отладке высокочастотной аппаратуры, такой компьютер не в состоянии, но помочь радиолюбителю грамотно спроектировать и проверить устройство он, безусловно, может.
Как же используют компьютер в домашней радиолаборатории?
Во-первых, как комплект низкочастотной измерительной аппаратуры. Если в компьютере установлена звуковая карта, с помощью демонстрационной версии программы "AudioTester" (ее можно найти в Интернете на сайтеhttp://www.shareit.com/) или ей подобных можно наблюдать на экране монитора осциллограмму сигнала, поданного на микрофонный вход звуковой карты, с выхода карты снимать низкочастотные сигналы различной формы, а подключив исследуемое устройство между входом и выходом, получить его амплитудно-частотну характеристику. На рис. 1 показан пример панели управления генератором сигналов.
К сожалению, возможности таких "виртуальных измерительных приборов" сильно ограничены скоростью аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, выполняемого звуковой картой. При этом можно ориентироваться на частоту 44 кГц. Именно с такой частотой оцифровывает аналоговый сигнал одна из самых распространенных звуковых карт - AWE32. Профессионалы используют в своей работе не звуковую карту, а набор специальных аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и пакет программ для управления ими.
Вторая область применения компьютера - разработка печатных плат. Здесь нашими радиолюбителями накоплен значительный опыт. Вот уже много лет по рукам ходит пакет программ самой популярной системы проектирования - PCAD 4.5 для DOS. В последнее время стали доступны демоверсии новых программ PCAD и ACCEL EDA, а также OrCAD (http://www.orcad.com/) под управлением операционной системы Windows-95. Всем интересующимся этой тематикой будет полезна великолепная книга Д. А. Сучкова [1].
Третья область применения компьютера - программирование микроконтроллеров и трассировка ПЛИС (программируемых логических интегральных схем). Описания интересных конструкций, особенно с применением микроконтроллеров, все чаще появляются на страницах журнала. Без микроконтроллеров просто невозможно выполнить синтезатор частоты для радиолюбительского трансивера или высококлассного радиовещательного приемника, сколь-нибудь сложную систему управления бытовой техникой. При этом радиолюбителям сейчас доступны как простые дешевые программаторы, так и развитые системы программирования. Так, например, московская фирма "Фитон" (сайт в Интернете -http://www.phyton.ru/) разработала и свободно распространяет полностью работоспособную демоверсию системы программирования для микроконтроллеров семейства MCS-51, работающую под управлением Windows-95. Единственное ограничение в демонстрационной версии накладывается на размер программы. Он не должен превышать четырех килобайт.
Пройдет совсем немного времени и, вероятно, на страницах журнала появятся описания конструкций, выполненных на ПЛИС, которая представляет собой кристалл, состоящий из множества элементарных ячеек и коммуникационной среды, обеспечивающей как соединения между ячейками, так и их подключение к внешним выводам. Объем такого кристалла может достигать десятков тысяч элементов, быстродействие - единицы наносекунд, а интервал цен начинается от $5. Сейчас радиолюбителям доступна демонстрационная версия системы проектирования ПЛИС фирмы ALTERA - лидера в этой области. Название этой системы - "MAX + PLUS II", версия 9.1. При разработке устройства на ПЛИС будет вполне достаточно вашего опыта работы с цифровыми микросхемами ТТЛ серий. В библиотеке элементов, из которых составляется схема, вы найдете практически весь перечень микросхем ТТЛ. Но это, конечно, не все. Есть в библиотеках и универсальные макроэлементы. Например, счетчик. Поместив его графическое изображение на схему, можно самостоятельно определить и разрядность и требуемые управляющие входы. Схема, составленная из таких элементов, больше напоминает функциональную, нежели принципиальную. Используя упомянутую выше систему проектирования, можно провести полный цикл разработки: от создания принципиальной электрической схемы до трассировки ПЛИС и ее программирования.
К сожалению, демонстрационная версия "MAX + PLUS II" в отличие от профессиональной не позволяет делать самого главного - моделировать работу устройства. Вот об этом-то, о моделировании - четвертой области применения компьютера в домашней радиолаборатории и пойдет обстоятельный разговор.
Наверное, многие из читателей, интересующихся схемотехникой, хотели бы иметь возможность как можно быстрее проверить "в деле" разработанное устройство. Действуя традиционным образом, нужно собрать и отладить его макет. При этом под руками должны быть все необходимые детали и приборы. Да и ошибок в монтаже допускать не желательно. А как быть, если нужно убедиться в том, что устройство будет хорошо повторяемым, и его свойства останутся неизменными при разбросе параметров электронных компонентов? Собрать небольшую партию? Дороговато...
Решить эти задачи поможет ваш домашний компьютер, который заменит большую часть работы по макетированию компьютерным моделированием. Рабочим столом с электронными компонентами и измерительными приборами станет экран монитора, а паяльником - "мышка". Чтобы промоделировать устройство, нужно пройти следующие этапы:
- создать графическое изображение принципиальной электрической схемы и задать свойства компонентов;
- наблюдать требуемые характеристики (осциллограммы, амплитудночастотные характеристики и т. п.);
- внести изменения в схему и свойства компонентов и повторить цикл.
На первом этапе используют графический редактор, позволяющий составить принципиальную схему. Составные части схемы, как правило, подразделяются на компоненты общего назначения и библиотечные компоненты. Первые обычно "встроены" в графический редактор, и их изображение нельзя изменить по вашему усмотрению. Это относится к соединительным проводам, жгутам, условным обозначениям соединений с общим проводом и питанием, портам ввода-вывода и т. п. Что же касается библиотечных компонентов - транзисторов, операционных усилителей и пр., их графические изображения хранятся в библиотечных файлах и могут быть изменены с помощью специального графического редактора.
В чем главная особенность библиотечных компонентов? Прежде всего в том, что их графических изображений для моделирования недостаточно. Необходимо как-то описать их работу.
В любой системе моделирования работа электронного компонента описывается моделью и списком параметров. Модель, иногда ее еще называют схемой замещения, можно представить, составленной из элементарных компонентов, которыми замещают сложный компонент. Так, например, простейшая модель транзистора, включенного с общим эмиттером, в режиме малого сигнала (рис. 2) состоит из управляемых генераторов тока, резисторов и конденсаторов [2]. Именно они определяют параметры модели: значения емкости между электродами, тока, напряжения и т. д. Совершенно очевидно, что ни одна модель не в состоянии описать поведение компонента с абсолютной точностью. Тем не менее существуют модели, позволяющие очень точно представить работу того или иного электронного компонента при определенных условиях, скажем, на частотах до нескольких сотен мегагерц. Современные модели электронных компонентов выражены в аналитической форме - в виде системы уравнений. Модели активных нелинейных компонентов довольно сложны и насчитывают не один десяток параметров. Этим достигается высокая точность расчетов. При всем многообразии моделей для компьютерного моделирования используются, как правило, SPICE-модели, разработанные фирмой MicroSim и ставшие фактически стандартом. Стандартом стал и формат файла, в котором записаны значения SPICE-параметров компонентов. Соотношение между графическим изображением библиотечного компонента, его моделью и списком значений параметров проиллюстрировано на рис. 3.
Если с графическим изображением компонентов проблем, как правило, не возникает, с файлами, содержащими значения SPICE-параметров, все обстоит сложнее. Определенный минимум таких файлов распространяется вместе с системой моделирования. В случае, если необходимого файла в библиотеке не оказывается, можно либо попытаться его поискать, либо попробовать создать такой файл самостоятельно. Первый вариант предпочтительнее в том случае, если есть где искать. А искать конечно же нужно в сети Интернет. Многие зарубежные фирмы свободно распространяют файлы со SPICE-параметрами своих электронных компонентов. Их нужно только "перекачать" по сети и правильно подключить к имеющимся библиотекам. Что же касается отечественных компонентов, здесь лучше всего пользоваться их зарубежными аналогами, благо такие есть почти всегда. Во втором случае придется найти графики, отображающие набор характеристик электронного компонента и изрядно повозиться с их вводом по точкам. К сожалению, далеко не все демонстрационные версии программ моделирования из числа доступных радиолюбителю позволяют это делать.
Когда найдены все компоненты и составлена принципиальная схема, можно приступать к моделированию. Для этого, как обычно, на вход устройства подают входной сигнал, а на выход подключают нагрузку. В различных системах моделирования символы, обозначающие источник входного сигнала, различны, но они везде существуют. Далее на схеме помечают точку, в которой вы хотите наблюдать, скажем, осциллограмму, и включают режим моделирования. На экране компьютера появляется осциллограмма. Если устройство не работает, следует вернуться назад, сделать исправления и снова запустить моделирование.
Но самое интересное начнется тогда, когда смоделированное устройство заработает. Во-первых, все модели электронных компонентов позволяют устанавливать температуру окружающей среды. Установите значение температуры градусов на двадцать выше, повторите моделирование и сразу станет ясно, насколько термостабильно исследуемое устройство. Во-вторых, у любого электронного компонента, даже у самого простого, есть разброс характеристик. Укажите значение этого разброса для одного или нескольких компонентов и проведите моделирование методом Монте-Карло. В результате моделирование покажет, как будет себя вести устройство при многократном его повторении.
Ну вот, пожалуй, и все. В следующем выпуске нашей рубрики мы расскажем вам о том, как установить на домашний компьютер систему моделирования MICROCAP и промоделировать с ее помощью работу простого устройства.
Автор выражает свою благодарность фирме "MobilTelecom-Коломна" за организацию доступа в Интернет.
Литература
1. Сучков Д. И. Проектирование печатных плат в САПР P-CAD 4.5, P-CAD 8.5 и ACCEL EDA - М.: МАЛИП, 1998.
2. Каганов В. И. Транзисторные радиопередатчики. - М.: Энергия, 1976.
