На персональном компьютере

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге

 

Кафедра ЭГА и МТ

М. Н. Рябец

 

 

МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО К ВЫПОЛНЕНИЮ

ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

«ИЗУЧЕНИЕ СИСТЕМЫ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ СХЕМ

MICROCAP»

 

 

Таганрог – 2007

 

 

Рябец М. Н. Методическое руководство к выполнению лабораторной работы «Изучение системы схемотехнического проектирования аналоговых и цифровых схем MICROCAP». Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007, ил.

 

Описаны простейшие приемы работы с системой, приведен перечень заданий для выполнения лабораторной работы.

 

Ил. 11 Таб. 2 Библиогр.

 

 

Рецензенты

 

 

Ó Таганрогский Технологический Институт

Южный Федеральный Университет

2007.

Обзор программ моделирования электронных схем

на персональном компьютере.

На стадии проектирования электронных устройств основной задачей является разработка принципиальных электрических схем и их оптимизация. Дальнейшими этапами при проектировании являются задачи типизации и унификации, позволяющие уменьшить количество элементов и их разновидности в разрабатываемом устройстве. Далее производится компоновка элементов по блокам, размещение их на печатной плате и трассировка соединений. При решении задачи компоновки основным критерием является минимальное количество межблочных соединений. Размещение элементов производится по критериям электромагнитотепловой (ЭМТ) совместимости, плотности монтажа, а также задержек в распространении сигнала. Трассировка предусматривает соединение элементов по кратчайшему расстоянию (критерием при этом является длина проводника или дорожки) с минимальным количеством переходных отверстий на печатной плате и количеством слоев.

Для задач компоновки, размещения и трассировки созданы специализированные пакеты проектирования – P-CAD, AMSCAD, ORCAD, ACCEL EDA, AutoRouter и другие. При решении основной задачи (разработка и расчет принципиальной электрической схемы устройства) широко используются различные программы и пакеты моделирования электронных схем. Наиболее популярными в использовании являются программы QuickWorks (основана на языке VHDL компьютерного моделирования и анализа процессов в электронных цепях), Active VHDL, Electronic Workbench, Lab View, MicroCAP. Особенностями данных программ являются различные подходы к решению задач моделирования, учет параметров моделируемых элементов и выбор критериев при решении данной задачи. К примеру, в пакете Active VHDL производится описание каждого элемента электронной схемы, функции входов и выходов (рис.1.1), а также связи между элементами, при помощи текста программы (рис.1.2).

 

Рис.1.1. Макетирование элемента в программе Active VHDL.

Рис.1.2. Описание элемента в виде программы на языке VHDL.

 

Результатом работы является файл, описывающий функциональное назначение элемента. Этот файл можно добавить в существующую библиотеку элементов и в дальнейшем использовать при проектировании схем.

При использовании программы Electronic Workbench ведется анализ принципиальных схем в визуальном режиме – к изображенной схеме проектируемого устройства «подключаются» средства отображения информации: осциллографы, анализаторы спектра, цифровые индикаторы и т.п. Элементы принципиальной схемы берутся из базы данных программы, либо создаются самостоятельно (моделируются пользователем во внутреннем редакторе программы). Кроме того, данная программа может работать с элементами VHDL – проектирования, а также производить размещение и трассировку схемы различными алгоритмами.

Основными алгоритмами размещения элементов схемы являются алгоритм Гото, «Отжиг металла» и силовая релаксация. Сравнительная оценка работы данных алгоритмов на произвольной схеме показана на рис.1.3. (t – время работы в условных единицах, N –количество элементов)

Одними из наиболее распространенных алгоритмов трассировки соединений являются:

1. алгоритм Ли

2. встречная волна

3. трассировка комплексами

4. алгоритм Айкерса

5. метод охватывающих прямоугольников

6. двухлучевой

7. четырехлучевой

 

Сравнительная оценка работы данных алгоритмов на произвольной схеме показана на рис.1.4. Здесь N – количество трасс, ρ – целевая функция качества (время работы).

 

 

Рис.1.3. Сравнительная оценка работы алгоритмов размещения

(1-Гото, 2- «отжиг металла», 3 – силовая релаксация).

 

 

Рис.1.4. Сравнительная оценка работы алгоритмов трассировки

(y – комплексами; z – Айкерса; w – двухволновой; q – ограниченных прямоугольников; a – четырехлучевой; e - двухлучевой).

 

Пример работы с программой Electronic Workbench показан на рис. 1.5, 1.6.

 

 

Рис.1.5. Программа Electronic Workbench с загруженной и проанализированной схемой модулятора.

 

 

 

Рис.1.6. Программа Electronic Workbench с промоделированной схемой диодного ограничителя.

 

Размещение элементов на печатной плате может производиться как в автоматическом, так и в ручном режиме. При этом учитываются размеры печатной платы и типы корпусов используемых элементов (взятых из базы данных программы либо отредактированных пользователем).

Трассировка схемы также может производиться в автоматическом или ручном режиме различными алгоритмами с заданием ограничений (количество слоев печатной платы и т.п.).

Примеры выполнения размещения и трассировки на схеме показаны на рис.1.7 и рис.1.8 соответственно.

 

 

Рис.1.7. Размещение элементов, выполненное программой MultiRoute.

 

 

 

Рис.1.8. Трассировка соединений, выполненная при помощи программы MultiRoute.

 

Программный пакет Electronic Workbench является одним из наиболее удобных в использовании. В полной комплектации при разработке схем он позволяет выполнить разработку проекта от принципиальной схемы до разведенной печатной платы устройства. Кроме того, внутренний конвертер файлов позволяет выводить результаты моделирования в других форматах часто используемых программ, таких, как MathCAD, Excel и др.

 

 Пакет LabView представляет собой язык макропрограммирования. Он предназначен для проектирования любых систем (не только электронных) в виде отдельных модулей на уровне структурной схемы. При этом пользователем создается интерфейс, обеспечивающий управление системой оператором будущей конструкции. Таким образом, результатом работы программы LabView является симулятор автоматизированного рабочего места (АРМ), что позволяет не только отладить проектируемый прибор или устройство, но и производить дальнейшее обучение обслуживающего персонала и, непосредственно, оператора. Так, к примеру, в пакете LabView легко можно смоделировать любые математические процессы, процессы автоматизированного управления оборудованием, само оборудование и его отдельные части. Область использования данного программного продукта практически неограниченна – от создания механических систем и систем управления до проектирования объектов нанотехнологии. Существующая в пакете база данных позволяет облегчить труд программиста при проектировании. Она включает в себя различные аналитические, математические и функциональные модули, а также огромный выбор средств управления ими и систем отображения информации.