УДК 621.372.001
ОПЫТ ПРЕПОДАВАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
«МЕТОДЫ АНАЛИЗА И РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ»
А.Ф.Глотов
Томский политехнический университет
E-mail ime@tpu.ru
Рассмотрена возможность сочетания программного обеспечения с общеобразовательными и специальными дисциплинами при математическом моделировании и анализе работоспособности технических систем на ЭВМ с целью достижения непрерывной математической и компьютерной подготовки студентов к профессиональной деятельности на разных ступенях их обучения.
В учебном плане на дисциплину «Методы анализа и расчета электронных схем» (МАРЭС) выделялось три семестра. С оснащением ВЦ ТПИ в конце 80-х годов мощной ЭВМ ЕС-60 студентам открылся широкий доступ к вычислительной технике. Был установлен кафедрой ПМЭ пакет прикладных программ (ППП) по автоматизированному проектированию электронных схем NAP-2. Результаты его внедрения в учебный процесс были ошеломляющими. Семестровую работу студентов над курсовым проектом по моделированию электронных устройств на ЭВМ оказалось возможным выполнить в течение 2-х часовой лабораторной работы. Сохранив структуру первых 2-х семестров дисциплины, вышеупомянутый семестр посвятили автоматизированному проектированию и передали его преподавание в качестве самостоятельной дисциплины поближе к производству на филиал кафедры ПМЭ в отдел САПР НПО «ПОЛЮС».
Расчет оказался оправданным. С приобретением класса ПЭВМ, при содействии того же НПО, в 1990 году стало возможным перевести преподавание и базового курса МАРЭС на компьютерные технологии. Использование MATHCAD позволило отказаться от составления трудоемких программ на Фортране, уникальных для каждой лабораторной работы, и записывать математическую модель схемы на естественном для пользователя языке математики. Это сразу же расширило возможности применение вычислительной техники в учебном процессе. Спектр тем лабораторных работ и практических занятий на ЭВМ по дисциплине стал ограничиваться только учебным расписанием и способностями студентов.
Развитие электроники и вычислительной техники взаимообусловлено. Поэтому к концу столетия появилось большое количество ППП по автоматизированному моделированию электронных схем. Ядром большинства из них является PSPICE - аналог профессионального ППП NAP-2, адаптированный к ПЭВМ с первым их появлением. Все они имеют дружественный к пользователю интерфейс. Условно говоря, работе с ними легко обучить человека «с улицы», имеющего навыки работы с компьютером.
За сравнительно короткий период можно было наблюдать движение маятника от плохо скрываемого недоверия к результатам научных работ, полученных с помощью таких ППП без «ручного» составления математических моделей и программирования их обработки на ЭВМ, до полного отрицания необходимости обучать студентов «ручной» работе так как ЭВМ сама формирует математическую модель по нарисованной на экране принципиальной схеме. По–видимому, последним обстоятельством и объясняется исключение ГОС по МАРЭС из плана подготовки для направления «Электроника и микроэлектроника» при переходе на двухуровневое обучение студентов.
Можно осмысленно обсуждать процесс обучения, если достигнуто определенное согласие относительно того, что является целью обучения. В любом случае главной остается цель – нужно научить молодых людей думать. Кафедра сохранила эту дисциплину в качестве региональной. Основным поводом для сохранения дисциплины МАРЭС послужило то, что с получением статуса университета повысились требования к фундаментальной подготовке. Назначение дисциплины – изучение методов математического моделирования электронных схем. Математическое моделирование само по себе предполагает наличие знаний у студента о физике процессов, лежащих в основе функционирования технических систем, и умений пользоваться соответствующим математическим аппаратом для их описания.
Одна из важнейших целей курса МАРЭС заключается в развитии у студентов умения решать задачи. Дисциплина читается в 6-м и 7-м семестрах. Это время изучения основ специальности. Для моделирования уже освоенных базовых схем оказываются востребованными основные разделы математики.
Любое знание состоит частично из «информации» («чистое знание») и частично из «умения» (know – how). Умение – это способность использовать имеющиеся сведения для достижения своих целей, в конечном итоге, способность методически работать. Умение в математическом моделировании в нашем случае более важно, чем одно лишь чистое знание. Для того, чтобы изучение было наиболее эффективным, студент должен самостоятельно открыть настолько большую часть изучаемого материала, насколько это в данных обстоятельствах возможно. В этом заключается принцип активного обучения, сформулированный и развитый в работах замечательного педагога-математика Д. Пойа.
Для изучения методов моделирования электронные схемы являются благодатным объектом. Возможность точного математического описания эквивалентных схем и хорошее знание работы электронного устройства позволяет прогнозировать результат моделирования на ЭВМ и испытывать удовлетворение при достижении желаемого. Умения, навыки являются наиболее важной составной частью культуры математического моделирования, гораздо более важной, чем просто знание самих методов. Определенная сторона решения задачи может быть использована как поучительная. Выделенная особенность может превратить решение, полученное на простой схеме, в типичное, в поучительный метод, подражая которому, студенты смогут решить много других задач, не обязательно связанных с электроникой. Остается след, которым можно снова воспользоваться, когда в этом возникнет необходимость.
На стадии усвоения изучаемый материал должен войти в систему знаний студента, расширить его умственный кругозор. Эта фаза прокладывает дорогу к приложениям, с одной стороны и к обобщениям на более высоком уровне – с другой. При изучении методов математического моделирования имеется возможность кроме рутинных задач, служащих для иллюстрации определенных правил, давать задачи с богатым фоном, заслуживающим дальнейшей разработки, а также задачи, дающие возможность войти во вкус научной работы.
В настоящее время при подготовке бакалавров по применению ЭВМ в профессиональной деятельности главной задачей дисциплины МАРЭС остается – установление и закрепление в сознании студентов связи физики работы схем с их математическим описанием и моделированием с помощью хорошо себя зарекомендовавшим MATHCAD. Кроме этого даются основы технологии работы с ППП PSPICE для того, чтобы студенты имели возможность воспользоваться средствами автоматизированного проектирования при выполнении бакалаврских выпускных работ
На второй ступени образования PSPICE используется при проведении научной работы и для целей проектирования сложных реальных устройств на заключительной стадии профессиональной подготовки с привлечением специалистов НПО «ПОЛЮС», согласно установившейся традиции. Подобные ППП оказывают громадную помощь в процессе анализа сложных устройств на уровне принципиальных схем, но они не «всемогущие». Математическое ядро PSPICE недоступно. Пользователи имеют ограниченную возможность управлять с помощью опций только лишь процессом численного расчета, например, в случае его несходимости, изменением числа итераций, точности вычислений и т.п. Поэтому всегда остается «место для подвига» - поле для проведения «ручной» работы при подготовке модели. Например, во время изучения базовой схемы усилителя с комплиментарным транзистором его математическая модель, составленная студентом в MATHCAD, позволяет получить более обширную информацию о схеме, чем с помощью PSPICE. Используя матрицу проводимостей схемы, дополнительно к типовым характеристикам, (рис.1), можно получить полезное представление схемы в виде эквивалентного ей генератора. Имея перед собой аналитическую запись схемных функций на экране монитора, можно исследовать различные режимы работы и влияние параметров схемы на основные характеристики устройства.
а) б) в)
Рис.1. Зависимость схемных функций от глубины отрицательной обратной связи k:
а) – входное сопротивление, б) - выходное сопротивление, в) – коэффициент усиления
по напряжению.
Знания, полученные студентами в дисциплине МАРЭС по методам математического моделирования, в частности, топологическим методам, позволяют им осуществлять моделирование на функциональном уровне сложных систем, включающих в себя подсистемы различной физической природы с помощью MATHLAB или того же PSPICE. Примером может служить выпускная работа, посвященная исследованию устойчивости системы стабилизации обращенного маятника. Подсистемы, (механическая, исполнительная – электромеханическая и управляющая – электронная), отображены своими математическими моделями в виде функциональных блоков, объединены в граф и система в целом проанализирована в среде PSPICE на функциональном уровне.
В связи с тем, что бакалавры являются выпускниками университета, программа дисциплины МАРЭС существенно переработана с целью обобщения изучаемых математических методов анализа электронных схем для их адаптации к моделированию технических систем любой физической природы. Основная тяжесть по анализу собственно электронных устройств перенесена на последующее профессиональное использование ППП по автоматизированному проектированию. В счет освободившегося времени введены разделы по исследованию чувствительности и оптимизации электронных схем. Полученные знания по расчету чувствительности, минимизации целевых функций и применению метода Монте-Карло для статистических испытаний моделей на ЭВМ могут быть использованы в дальнейшем для оценки работоспособности технических систем в процессе принятия проектного решения на производство того или иного изделия.
1. Глотов Анатолий Филиппович
2. Кафедра промышленной и медицинской электроники, доцент
3. Кандидат технических наук, доцент
4. Рабочий телефон 419-605
5. Математическое моделирование систем
6. Опыт преподавание дисциплины «Методы анализа и расчета электронных схем»