МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ

Просмотров

Free Web Counters

 
 

Конспект лекций

СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

СОДЕРЖАНИЕ

ПАКЕТЫ ПРОГРАММ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ И УСТРОЙСТВ

Системы схемотехнического моделирования аналоговых и цифровых устройств и проектирования печатных плат Design Center и Design Lab разработаны корпорацией MicroSim [1,8]. В основу этих систем положен известный пакет программ РSРIСЕ, первые версии которого были разработаны в начале 70-х годов прошлого века в Калифорнийском университете. Возможности этих систем существенно зависят от варианта поставки и операционной системы. Они позволяют выполнять моделирование аналоговых, смешанных аналого-цифровых и просто цифровых радиоэлектронных устройств, синтез цифровых устройств на базе интегральных схем с программируемой логикой, а также моделирование с учетом паразитных емкостей и индуктивностей, присущих реальным печатным платам.

Системы Design Center и Design Lab оснащены графическим редактором принципиальных схем РЭУ, который одновременно является управляющей оболочкой для запуска программных модулей на всех стадиях работы с системами. Системы позволяют выполнять расчет режимов радиоэлектронных устройств по постоянному и переменному току, спектральный анализ, моделирование переходных процессов в РЭУ, расчет уровней шума, статистический анализ с учетом вариации температуры при работе устройства. Моделирование аналого-цифровых и цифровых устройств выполняется на логическом уровне с подключением аналого-цифровых и цифро-аналоговых интерфейсов для обеспечения связи аналоговой и цифровой частей РЭУ.

В системах может выполняться параметрическая оптимизация аналого-цифровых устройств по заданным критериям при наличии нелинейных ограничений на параметры варьируемых компонентов.

Системы имеют графический редактор печатных плат, который в автономном режиме воспринимает информацию о соединениях в формате Р-САD), а в составе системы — от графического редактора принципиальных схем. Компоненты РЭУ автоматически или вручную размещаются на одной или двух сторонах печатной платы, после чего возможна трассировка многослойных соединений в автоматическом или интерактивном режиме. По результатам трассировки создаются командные файлы для изготовления фотошаблонов и сверлильных станков с ЧПУ.

Возможна передача данных в систему AutoCAD для выпуска конструкторской документации.

К системам DesignCenter и Design Lab прилагаются многочисленные библиотеки графических символов элементов РЭУ и банки данных с более чем восемью тысячами математических моделей компонентов (диодов, тиристоров, биполярных и полевых транзисторов, оптопар, операционных усилителей, компараторов напряжения, кварцевых резонаторов, магнитных сердечников, цифровых и аналого-цифровых микросхем) производства различных фирм США, Западной Европы и Японии. Имеется возможность пополнения библиотек.

Примерно такими же возможностями с точки зрения схемотехнического проектирования обладает система ICAP, разработанная фирмой Intusoft. В основу этой системы также положен пакет программ PSPICE. Система ICAP отличается удобным оконным редактором, возможностью работы с измерительным оборудованием, совместимостью выходных файлов с пакетом P-CAD.

Получившая широкое распространение в конце 70-х — начале 80-х годов первая версия программ Super-Compact выдвинула фирму Compact Software в одну из ведущих в мире по разработке программного обеспечения для про­ектирования радиочастотных устройств, особенно СВЧ-диапазона. Пакет Super-Compact оказался очень удачным. Достаточно точные математические модели широкого круга элементов СВЧ-цепей, удобство входного языка и ряд других достоинств привели к широкому распространению этого пакета, ориентированного на проектирование фильтров, согласующих цепей и цепей связи СВЧ-диапазона.

В пакете используются базовые элементы в виде двух-, четырех-, шести- и восьмиполюсников, характеризующихся А-, S-, Y-параметрами. Допускается вклю­чение произвольных многополюсников. Пакет позволяет анализировать СВЧ-цепи, содержащие наиболее употребительные конфигурации элементов с распределенными и сосредоточенными параметрами. Распределенные элементы могут представлять различные типы связанных и одиночных отрезков линий передачи: микрополосковые и полосковые, линии с подвешенной подложкой и коаксиальные, компланарные и щелевые, прямоугольные и круглые волноводы. Распределенные элементы могут характеризоваться как геометрическими, так и электрическими параметрами. При моделировании СВЧ-устройств учитываются электрические неоднородности, влияние дисперсии, излучения, многослойной металлизации проводников, шероховатости поверхности, потери в проводниках и диэлектриках.

Модели полупроводниковых приборов описываются параметрами рассеяния либо матрицами классической теории цепей. Моделирование СВЧ-цепей выполняется на основе аппарата У-матрицы, причем отдельные части цепи могут описываться с помощью аппарата А-матриц.

Описание устройства производится покомпонентно, причем в одной строке указываются аббревиатурой тип компонента, способ его подключения в цепи и параметры компонента с допустимыми границами изменения параметров в процессе оптимизации.

Оптимизация параметров устройства может выполняться одновременно для нескольких характеристик и в нескольких состояниях. Например, СВЧ-диодный пе­реключатель может одновременно оптимизироваться в режимах «Включено» и «Выключено». Для оптимизации используется одна из разновидностей градиентного метода и случайный поиск с самообучением. Процесс оптимизации параметров устройства ведется в границах изменения варьируемых параметров, определяемых их физической реализуемостью и точностью моделей компонентов.

Для обеспечения разработчика информацией о параметрах полупроводниковых компонентов, проводников и диэлектрических материалов в пакет включено несколько банков данных, которые могут вызываться на командном уровне для отыскания компонента с заданными техническими характеристиками. Пакет позволяет разработчику формировать свои банки данных.

Вывод информации осуществляется на экран монитора, печать, графопостроитель и может включать схему устройства и ее различные частотные характеристики в табличном виде либо в виде графиков в полярных или декартовых координатах. По требованию разработчика Super-Compact может построить линии равного усиления, уровня шума, стабильности устройства. Для точного изучения отдельные участки характеристик могут быть представлены в увеличенном масштабе.

Дальнейшим развитием пакета Super-Compact является вышедшая в середине 80-х годов и полностью с ним совместимая система Microwave Harmonica, позволяющая выполнять моделирование и ряда нелинейных СВЧ-устройств, таких как малошумящие усилители и усилители большого уровня мощности, смесители, генераторы, переключатели и другие устройства радиочастотных трактов. Для моделирования нелинейных устройств в этой системе используется метод гармонического баланса. В начале 90-х годов появляется версия системы Microwave Harmonica, ориентированная на платформу Windows. Различные версии системы Microwave Harmonica широко используются в России разработчиками радиоаппаратуры различного назначения.

В последние годы эту линию программ развивает фирма Ansoft, которой были разработаны новые программные системы:

Serenade, позволяющая выполнять моделирование и оптимизацию не только СВЧ-, но и оптоэлектронных устройств и имеющая много версий, в числе которых есть версии, ориентированные на топологическое представление моделируемого устройства. Имеются версии этой системы, ориентированные на платформы Windows 95 и Windows NT;

Super-Spice, в которой путем подключения известной программы Spice решена задача моделирования СВЧ-устройств во временной области;

Microware Success, позволяющая выполнять моделирование систем радиотелефонии;

Microware Explorer — система для моделирования электромагнитных полей в различных элементах радиоэлектронных устройств.

Кроме разработки программного обеспечения фирмой Ansoft поддерживаются банки данных с линейными и нелинейными моделями элементов СВЧ- и оптоэлектронной техники.

В последние годы широкое распространение получила система APLAC 7.0, предназначенная для проектирования и моделирования электрических схем РЭУ. В состав схем могут входить как цифровые, так и аналоговые компоненты, в том числе устройства СВЧ-диапазона.

Предусмотрены следующие виды расчетов: режим по постоянному току, частотные характеристики, спектральная плотность и коэффициент шума, чувствительность и параметрическая оптимизация, переходные процессы, спектры сигналов, анализ периодических режимов, статистический анализ по методу Монте-Карло.

В основном этот набор опций стандартен, однако аналогичные расчеты прово­дятся обычно с помощью нескольких разных программ, а система APLAC 7.0 предоставляет пользователям интегрированную среду разработки радиоэлектронной аппаратуры. Другая важная особенность APLAC 7.0 — наличие большого набора библиотек элементов принципиальных схем и отдельных блоков, применяемых в аналоговых и цифровых системах связи. По своему функциональному составу эти библиотеки превосходят библиотеки других систем. Кроме того, в состав APLAC 7.0 входит подпрограмма расчета трехмерных электромагнитных полей микрополосковых конструкций и других устройств диапазона СВЧ. Система APLAC 7.0 также предоставляет возможность ввода результатов измерений и вывода управляющих сигналов с помощью интерфейсных плат стандарта IEEE-488 [10].

Система Electronics Workbench в отличие от других программ схемотехнического моделирования изображает на экране измерительные приборы с органами управления, максимально приближенными к реальности. Пользователь освобождается от изучения довольно абстрактных правил составления заданий на моделирование. Достаточно на схему поместить двухканальный осциллограф и генератор сигналов — и программа сама сообразит, что нужно анализировать переходные процессы. Если же на схеме разместить анализатор спектра, то будет рассчитан режим по постоянному току, выполнена линеаризация нелинейных компонентов и затем произведен расчет характеристик схемы в частотной области. Диапазон анализируемых частот, коэффициент усиления и характер оцифровки данных (в линейном или логарифмическом масштабе) устанавливаются на лицевой панели с помощью мыши. Чтобы начать моделирование, достаточно щелкнуть выключателем. После этого на устройствах индикации цифровых вольтметров и амперметров будет зафиксирован режим по постоянному току, на экране измерителя нарисованы частотные характеристики (амплитудно- или фазочастотные), а на экране осциллографа будут непрерывно изображаться эпюры напряжений до тех пор, пока не заполнится буферная память, а затем можно прекратить моделирование или обнулить память и продолжить наблюдения [10].

Система Micro-Cap фирмы Spectrum Software нашла наибольшее распространение в студенческой среде как наиболее простая и доступная в изучении, однако перечень ее возможностей достаточно широк [9]. Программа имеет удобный многостраничный редактор принципиальных схем, поддерживающий различные структуры. Имеется возможность описания цифровых компонентов с помощью логических выражений, что в сочетании с библиотекой графических символов типовых операций (суммирование, вычитание, умножение, интегрирование, применение преобразований Лапласа и др.) позволяет моделировать динамические системы, заданные не только принципиальными, но и функциональными схемами. Кроме того, в системе Micro-Cap имеется специальная программа MODEL для расчета параметров математических моделей аналоговых компонентов по справочным или экспериментальным данным.

Пакет программ Micro-LOG разработан также фирмой Spectrum Software и предназначен для моделирования цифровых устройств на логическом уровне. При моделировании в пакете используются базовые логические элементы и макрорасширения, представляющие собой ранее созданные схемы на основе базовых логических элементов — отдельных триггеров, регистров, линий для соединения входов и выходов отдельных элементов, программируемых генераторов входных сигналов, тактовых генераторов, задающих шкалу модельного времени.

Моделирование цифровых устройств возможно без учета задержек срабатывания (синхронными алгоритмами) и с учетом задержек срабатывания (асинхронными алгоритмами), которые для отдельных вентилей могут выбираться равными максимальными или минимальными для данной технологии, либо фиксированными из банка данных по конкретной серии микросхем. Пакет позволяет одновременно создавать и моделировать до девяти различных цифровых блоков, каждый из которых может содержать до 200 вентилей.

Результатами моделирования являются временные диаграммы сигналов на различных узлах цифрового устройства на протяжении модельного времени, определенного числом тактов. Программируемые генераторы входных сигналов могут включать до 1024 тактов, минимальная длительность такта равна 1 не.

Описание моделируемого цифрового устройства осуществляется с помощью интерактивной машинной графики с рисованием схемы устройства на экране монитора. Система вложенных меню позволяет легко выбирать текущие элементы, редактировать схему устройства, выполнять операции с файлами, изменять представление результатов моделирования и выполнять другие операции.

Для обеспечения разработчика информацией о параметрах цифровых устройств в пакет включен банк данных, содержащий информацию о сериях ТТЛ и КМОП микросхем, наиболее широко используемых в практике, стандартные генераторы входных сигналов и тактовые генераторы. Банк может расширяться пользователем.

Вывод информации о результатах моделирования осуществляется на экран монитора, печать либо графопостроитель и включает схему цифрового устройства и временные диаграммы сигналов на выбранных пользователем узлах.