З цього номера журналу ми відкриваємо цикл статей під назвою "Комп'ютер
в домашній радіолабораторії ". Адресований він усім нашим читачам
– Власникам домашніх комп'ютерів, а також керівникам радіогуртку, мають можливість проводити свої заняття в шкільному комп'ютерному класі.

Журнал "Радіо", номер 5, 1999г.Автор: І. Григор 'єв, м. Коломна Московської обл.

    У радіолюбительському ефірі ось уже сорок років звучить позивний Коломенського радіоклубу. Операторів дитячої колективної радіостанції RK3DZD знають далеко за межами Росії. Те, що школярі з Коломни – хороші спортсмени, підтверджує значна колекція призів та дипломів. А ось про інший бік роботи клубу – конструкторської, відомо не так вже й багато. А даремно. Адже тут хлопці вивчають ази електроніки за допомогою комп'ютерів і комп'ютерних програм. І комп'ютери-то тут не звістку які – старенькі "ВеЕлБешние четвірки" (з шиною VLB). Але виявляється, навіть на їх основі можна організувати радіолабораторію. Про ніж ми вам розповімо, перевірено на досвіді роботи клубу. Здається, що наші діти дійсно розумніші за нас. Те, що дорослі дяді і тьоті розуміють з п'ятого разу, вони схоплюють на льоту. І не біда, що немає фундаментальної фізико-математичної підготовки. Можна почати з комп'ютерного моделювання простого пристрою на одному-двох транзисторах і потім рухатися далі. З цього номера журналу ми відкриваємо цикл статей під назвою "Комп'ютер в домашній радіолабораторії". Адресований він усім нашим читачам – власникам домашніх комп'ютерів, а також керівникам радіогуртку, мають можливість проводити свої заняття в шкільному комп'ютерному класі.

Що змінилося за останній десяток років у радіоаматорському конструюванні? З'явилися і стали доступними нові інтегральні мікросхеми, які становлять закінчені функціональні вузли, сучасні біполярні та польові транзистори. Але найголовніше, напевно, в тому, що в радіоаматорську конструювання прийшов комп'ютер. Прийшов так само стрімко, як і в багато інші області людської діяльності.

Оснастивши спеціальними програмами домашній комп'ютер, ви зможете перетворити його в гарну радіолабораторію. Звичайно, повністю замінити осцилограф або генератор сигналів, особливо при налагодженні високочастотної апаратури, такий комп'ютер не в змозі, але допомогти радіоаматорові грамотно спроектувати і перевірити пристрій він, безумовно, може.

Як же використовують комп'ютер в домашній радіолабораторії?

По-перше, як комплект низькочастотної вимірювальної апаратури. Якщо в комп'ютері встановлена ??звукова карта, за допомогою демонстраційної версії програми "AudioTester" (її можна знайти в Інтернеті на сайтеhttp: / / www.shareit.com/) або їй подібних можна спостерігати на екрані монітора осцилограму сигналу, поданого на мікрофонний вхід звукової карти, з виходу карти знімати низькочастотні сигнали різної форми, а підключивши досліджуване пристрій між входом і виходом, отримати його амплітудно-частотну характеристику. На рис. 1 показаний приклад панелі керування генератором сигналів.

На жаль, можливості таких "віртуальних вимірювальних приладів" сильно обмежені швидкістю аналого-цифрового і цифро-аналогового перетворення, виконуваного звуковою картою. При цьому можна орієнтуватися на частоту 44 кГц. Саме з такою частотою оцифровує аналоговий сигнал одна з найпоширеніших звукових карт – AWE32. Професіонали використовують у своїй роботі не звукову карту, а набір спеціальних аналого-цифрових і цифроаналогових перетворювачів і пакет програм для керування ними.

Друга область застосування комп'ютера – розробка друкованих плат. Тут нашими радіоаматорами накопичений значний досвід. Ось уже багато років по руках ходить пакет програм найпопулярнішою системи проектування – PCAD 4.5 для DOS. Останнім часом стали доступні демоверсії нових програм PCAD і ACCEL EDA, а також OrCAD (http://www.orcad.com/) під управлінням операційної системи Windows-95. Всіх, хто цікавиться цією тематикою буде корисна чудова книга Д. А. Сучкова [1].

Третя область застосування комп'ютера – програмування мікроконтролерів і трасування ПЛІС (програмованих логічних інтегральних схем). Описи цікавих конструкцій, особливо із застосуванням мікроконтролерів, все частіше з'являються на сторінках журналу. Без мікроконтролерів просто неможливо виконати синтезатор частоти для радіоаматорського трансивера або висококласного радіомовного приймача, скільки-небудь складну систему керування побутовою технікою. При цьому радіоаматорам зараз доступні, як прості дешеві програматори, так і розвинені системи програмування. Так, наприклад, московська фірма "Фітон" (сайт в Інтернеті-http: / / www.phyton.ru/) розробила і вільно поширює повністю працездатну демоверсію системи програмування для мікроконтролерів сімейства MCS-51, що працює під управлінням Windows-95. Єдине обмеження у демонстраційній версії накладається на розмір програми. Він не повинен перевищувати чотирьох кілобайт.

Пройде зовсім небагато часу і, ймовірно, на сторінках журналу з'являться описи конструкцій, виконаних на ПЛІС, яка представляє собою кристал, що складається з безлічі елементарних осередків і комунікаційного середовища, що забезпечує як з'єднання між осередками, так і їх підключення до зовнішніх висновків. Обсяг такого кристала може досягати десятків тисяч елементів, швидкодія – одиниці наносекунд, а інтервал цін починається від $ 5. Зараз радіоаматорам доступна демонстраційна версія системи проектування ПЛІС фірми ALTERA – лідера в цій області. Назва цієї системи – "MAX + PLUS II ", версія 9.1. При розробці пристрою на ПЛІС буде цілком достатньо вашого досвіду роботи з цифровими мікросхемами ТТЛ серій. У бібліотеці елементів, з яких складається схема, ви знайдете практично весь перелік мікросхем ТТЛ. Але це, звичайно, не всі. Є в бібліотеках та універсальні макроелементи. Наприклад, лічильник. Помістивши його графічне зображення на схему, можна самостійно визначити і розрядність і необхідні керуючі входи. Схема, складена з таких елементів, більше нагадує функціональну, ніж принципову. Використовуючи згадану вище систему проектування, можна провести повний цикл розробки: від створення принципової електричної схеми до трасування ПЛІС та її програмування.

На жаль, демонстраційна версія "MAX + PLUS II" на відміну від професійної не дозволяє робити самого головного – моделювати роботу пристрою. Ось про це-то, про моделювання – Четвертою області застосування комп'ютера в домашній радіолабораторії і піде грунтовна розмова.

Напевно, багато хто з читачів, які цікавляться схемотехнікою, хотіли б мати можливість якомога швидше перевірити "в справі" розроблений пристрій. Діючи традиційним чином, потрібно зібрати і налагодити його макет. При цьому під руками повинні бути всі необхідні деталі і прилади. Та й помилки в монтажі допускати не бажано. А як бути, якщо потрібно переконатися в тому, що пристрій буде добре повторюваним, і його властивості залишаться незмінними при розкиді параметрів електронних компонентів? Зібрати невелику партію? Дорогувато …

Вирішити ці завдання допоможе ваш домашній комп'ютер, який замінить більшу частину роботи з макетування комп'ютерним моделюванням. Робочим столом з електронними компонентами і вимірювальними приладами стане екран монітора, а паяльником – "мишка". Щоб промоделювати пристрій, потрібно пройти наступні етапи:

– Створити графічне зображення принципової електричної схеми і задати властивості компонентів;

– Спостерігати необхідні характеристики (осцилограми, амплітудночастотние характеристики і т. п.);

– Внести зміни в схему і властивості компонентів і повторити цикл.

На першому етапі використовують графічний редактор, що дозволяє скласти принципову схему. Складові частини схеми, як правило, поділяються на компоненти загального призначення та бібліотечні компоненти. Перші зазвичай "вбудовані" в графічний редактор, і їх зображення не можна змінити на ваш розсуд. Це відноситься до сполучних проводів, джгутів, умовним позначенням сполук із загальним проводом і харчуванням, портів вводу-виводу і т. п. Що ж стосується бібліотечних компонентів – транзисторів, операційних підсилювачів та ін, їх графічні зображення зберігаються у бібліотечних файлах і можуть бути змінені за допомогою спеціального графічного редактора.

У чому головна особливість бібліотечних компонентів? Перш за все в тому, що їх графічних зображень для моделювання недостатньо. Необхідно якось описати їх роботу.

У будь-якій системі моделювання робота електронного компонента описується моделлю і списком параметрів. Модель, іноді її ще називають схемою заміщення, можна уявити, складеної з елементарних компонентів, якими заміщають складний компонент. Так, наприклад, найпростіша модель транзистора, включеного із загальним емітером, в режимі малого сигналу (рис. 2) складається з керованих генераторів струму, резисторів і конденсаторів [2]. Саме вони визначають параметри моделі: значення ємності між електродами, струму, напруги і т. д. Абсолютно очевидно, що жодна модель не в змозі описати поводження компонента з абсолютною точністю. Тим не менше, існують моделі, що дозволяють дуже точно уявити роботу того чи іншого електронного компоненту при певних умовах, скажімо, на частотах до декількох сотень мегагерц. Сучасні моделі електронних компонентів виражені в аналітичній формі – у вигляді системи рівнянь. Моделі активних нелінійних компонентів досить складні і налічують не один десяток параметрів. Цим досягається висока точність розрахунків. При всьому різноманітті моделей для комп'ютерного моделювання використовуються, як правило, SPICE-моделі, розроблені фірмою MicroSim і стали фактично стандартом. Стандартом став і формат файлу, в якому записані значення SPICE-параметрів компонентів. Співвідношення між графічним зображенням бібліотечного компонента, його моделлю та списком значень параметрів проілюстровано на рис. 3.

Якщо з графічним зображенням компонентів проблем, як правило, не виникає, з файлами, які містять значення SPICE-параметрів, все йде складніше. Певний мінімум таких файлів поширюється разом з системою моделювання. У випадку, якщо необхідного файлу в бібліотеці не виявляється, можна або спробувати його пошукати, або спробувати створити такий файл самостійно. Перший варіант переважно в тому випадку, якщо є де шукати. А шукати звичайно ж потрібно в мережі Інтернет. Багато закордонних фірм вільно розповсюджують файли зі SPICE-параметрами своїх електронних компонентів. Їх потрібно тільки "перекачати" по мережі і правильно підключити до наявних бібліотекам. Що ж до вітчизняних компонентів, тут краще всього користуватися їхніми закордонними аналогами, благо такі є майже завжди. У другому випадку доведеться знайти графіки, що відображають набір характеристик електронного компонента і неабияк повозитися з їх введенням по крапках. На жаль, далеко не всі демонстраційні версії програм моделювання з числа доступних радіоаматорові дозволяють це робити.

Коли знайдені всі компоненти і складена принципова схема, можна приступати до моделювання. Для цього, як завжди, на вхід пристрою подають вхідний сигнал, а на вихід підключають навантаження. У різних системах моделювання символи, що позначають джерело вхідного сигналу, різні, але вони скрізь існують. Далі на схемі позначають точку, в якій ви хочете спостерігати, скажімо, осцилограму, і включають режим моделювання. На екрані комп'ютера з'являється осцилограма. Якщо пристрій не працює, слід повернутися назад, зробити виправлення і знову запустити моделювання.

Але найцікавіше почнеться тоді, коли змодельованої пристрій запрацює. По-перше, всі моделі електронних компонентів дозволяють встановлювати температуру навколишнього середовища. Встановіть значення температури градусів на двадцять вище, повторіть моделювання і відразу стане ясно, наскільки термостабільної досліджуване пристрій. По-друге, у будь-якого електронного компонента, навіть у самого простого, є розкид характеристик. Вкажіть значення цього розкиду для одного або декількох компонентів і проведіть моделювання методом Монте-Карло. У результаті моделювання покаже, як буде себе вести пристрій при багаторазовому її повторенні.

Ну ось, мабуть, і все. У наступному випуску нашої рубрики ми розповімо вам про те, як встановити на домашній комп'ютер систему моделювання MICROCAP і промоделювати з її допомогою роботу простого пристрою.

Автор висловлює свою подяку фірмі "MobilTelecom-Коломна" за організацію доступу в Інтернет.

Література

1. Сучков Д. І. Проектування друкованих плат в САПР P-CAD 4.5, P-CAD 8.5 і ACCEL EDA – М.: МАЛІП, 1998.

2. Каганов В. І. Транзисторні радіопередавачі. – М.: Енергія, 1976.

І. Григор 'єв, м. Коломна Московської обл.
Журнал "Радіо", номер 5, 1999р.<

Ключові теги: Виміри