Использование машинных методов проектирования

 

Автоматизированное проектирование является неотъемлемым этапом разработки современных радиоэлектронных устройств (РЭУ).

В настоящее время существует достаточно много пакетов прикладных программ, позволяющих осуществить, как полный цикл автоматизированного проектирования РЭУ, так и различные его этапы в раздельности.

Например, такие пакеты как PSpice, Micro-CAP, Electronics Workbench предназначены только для моделирования принципиальных схем. Системы типа PCAD, ACCEL EDA ( PCAD для Windows) предназначены только для проектирования печатных плат.

За последнее время появились интегрированные САПР, позволяющие реализовать, так называемую сквозную систему проектирования электронных устройств, включающую в себя графический ввод схем, их моделирование, разработку печатных плат и выпуск технической документации для их изготовления. К ним относятся системы типа OrCAD, DesignLab, Dr. Spice 2000 A/D 8.2 (совместно с системой ACCEL EDA 13.0) и др.

Рассмотрим вкратце возможности некоторых версий перечисленных выше пакетов прикладных программ, которые могут быть использованы для автоматизированного проектирования устройств, разрабатываемых в данном курсовом проекте.

PSpice является пакетом схемотехнического моделирования аналоговых радиоэлектронных схем (РЭС), разработан фирмой Microsim. PSpice позволяет анализировать аналоговые РЭСC:\Documents and Settings\ADMIN\Local Settings\Temp\slovar\slovar.htm - РЭС с количеством узлов до 9999.

PSpice выполняет 8 видов анализа РЭС:

1) расширенный анализ на постоянном токе при развертке значений входного источника тока или напряжения (карта.DC);

2) вычисление рабочей (статической) точки (карта.ОР). Используя эту рабочую точку, можно проводить следующие виды анализа;

3) вычисление коэффициента передачи в режиме малого сигнала (карта.TF);

4) вычисление чувствительности на постоянном токе (карта.SENS);

5) вычисление полного и собственного шума (карта.NOISE);

6) вычисление частотной характеристики (карта.АС);

7) вычисление переходной характеристики (карта.TRAN);

8) используя переходную характеристику, вычисляет амплитуды гармоник с помощью Фурье преобразования (карта.FOUR).

Программный комплекс системы PCAD включает в себя взаимосвязанные пакеты программ и отдельные программы, образующие систему сквозного проектирования радиоэлектронной аппаратуры.

Система PCAD позволяет выполнять следующие проектные операции:

· создание условных графических обозначений элементов принципиальной электрической схемы (УГО) и их физических образов (конструктивов);

· графический ввод чертежа принципиальной электрической схемы и конструктивов проектируемого устройства;

· математическое моделирование цифровых электронных устройств, в том числе программируемых логических матриц;

· одно- и двустороннее размещение разногабаритных элементов с планарными и многослойными контактными площадками на поле ПП с печатными и навесными (вырубными) шинами питания в интерактивном и автоматическом режимах;

· ручную и автоматическую трассировку печатных проводников произвольной ширины в интерактивном режиме (число слоев 1...32);

· размещение межслойных переходов;

· автоматизированный контроль результатов проектирования ПП на соответствие принципиальной электрической схеме и конструкторско-технологическим ограничениям;

· автоматическую коррекцию электрической принципиальной схемы по результатам размещения элементов на ПП (после эквивалентной перестановки компонентов или их выводов);

· полуавтоматическую корректировку разработанной ПП по изменениям, внесенным в принципиальную электрическую схему;

· выпуск конструкторской документации (чертеж принципиальной схемы, деталировочный и сборочный чертежи) и технологической информации (фотошаблоны и файлы данных для сверления отверстий с помощью станков с ЧПУ) на проектируемую ПП.

Аналоговые и смешанные аналого-цифровые устройства моделируются с помощью отдельной программы PSpice версий 4 и 5 фирмы "MicroSim Corp.", которая интегрируется с системой PCAD [11]. Кроме того, возможно подключение к ней более совершенных программ моделирования цифровых устройств CADAT, DDL и др.

Наиболее популярная версия системы PCAD - версия 4.5, характеризуется следующими возможностями.

 

Табл.3.1

Параметры	Значение
Максимальное количество компонентов на плате	1300
Максимальное количество типов компонентов	800
Максимальное количество связей	2500
Максимальное количество выводов компонентов	32767
Максимальные размеры печатной платы:
в метрической системе, мм	1524х1524
в английской системе, дюйм	60х60

Micro-CAP (Micro computer circuit Analysis Program) семейство программ схемотехнического моделирования на персональных компьютерах фирмы Spectrum Software. Наибольший интерес представляют Micro-CAP IV (февраль 1992 г.), Micro-CAP V, версия 1.0 (август 1995 г.) и Micro-CAP V, версия 2.0 (август 1997 г.)

В Micro-CAP IV используются надежные вычислительные алгоритмы SPICE 2G.6, полная совместимость с пакетом PSpice, как по принятым моделям электрорадиокомпонентов, так и по текстовому описанию схемы. Имеется исчерпывающая встроенная помощь и возможность задания функциональных зависимостей параметров схемы как функций времени, токов ветвей и узловых потенциалов. Однако управляющая оболочка не очень удобна, принятая последовательность выполнения программ нелогична.

Программа Micro-CAP V претерпела радикальные изменения по отношению к своим предшественницам. Во-первых, она переведена на платформу Windows, имеет удобный интерфейс, в текстовых надписях на схемах и графиках поддерживает Кириллицу. Во-вторых, позволяет моделировать не только аналоговые, но и цифровые и аналого-цифровые электронные устройства. В третьих, как для аналоговых, так и для цифровых компонентов используются математические модели, принятые в известной программе PSpice. Для моделирования аналоговых компонентов оставлен алгоритм Spice 2G.6, а для моделирования цифровых компонентов разработан собственный алгоритм.

Программа Micro-CAP V удобна для первоначального освоения схемотехнического моделирования электронных схем.

В программе Micro-CAP V, версия 2.0 основные изменения связаны с развитием многовариантного анализа. Допускается одновременно варьировать до 10 переменных и строить графики зависимостей характеристик схемы от варьируемых параметров. Введен режим построения 3-мерных графиков. Значительно расширена библиотека компонентов, включающая модели более 10 тыс. электрорадиокомпонентов ведущих фирм производителей.

Electronics Workbench 5.0 – отличается от других программ схемотехнического моделирования пользовательским интерфейсом. Источники входных сигналов и измерительные приборы изображаются на экране дисплея с максимальным приближением к реальности. Пользователь освобождается от составления заданий на моделирование. В рабочем окне размещаются генераторы сигналов и двухканальный осциллограф, подсоединяемые к необходимым узлам моделируемой электронной схемы – и программа анализирует переходные процессы. Если же к схеме подключать анализатор частотных характеристик, то будут рассчитан режим по постоянному току, выполнена линеаризация нелинейных компонентов в рабочей точке и проведен расчет характеристик схемы в частотной области. Диапазон анализируемых частот, коэффициент усиления и характер развертки по оси частот (в линейном или логарифмическом масштабе) устанавливаются с помощью органов управления на лицевой панели приборов посредством манипулятора мышь. Для выполнения моделирования достаточно щелкнуть выключателем. После этого на индикаторах цифровых вольтметров и амперметров будет зафиксирован режим по постоянному току, на экране измерителя отображены частотные характеристики, а на экране осциллографа будут непрерывно изображаться эпюры напряжений до тех пор, пока не будет заполнена буферная память. Моделирование можно прекратить или продолжить, обнулив буферную память.

32-разрядная система ACCEL EDA 13.0 выполняет полный цикл проектирования печатных плат (ПП), включающий в себя графический ввод схем, упаковку схемы на печатную плату, ручное размещение компонентов, ручную, интерактивную и/или автоматическую трассировку проводников, контроль ошибок в схеме и печатной плате и выпуск документации. Имеется механизм переноса изменений печатной платы на схему и наоборот (Engineering Change Order, ECO). Поддерживается как английская, так и метрическая система единиц. Применение 32-разрядной арифметики обеспечивает дискретность измерения линейных размеров 0,1 мил в английской системе (1 мил = 0,001 дюйма) и 0,01 мм в метрической системе, угловых размеров 0,1 град. и возможность изменения системы единиц на любой стадии работы с проектом без потери точности. Напомним, что в PCAD система единиц устанавливается до начала работы с проектом и в дальнейшем не может быть изменена. Поддержка текстовых форматов DXF и PDIF описания баз данных позволяет обмениваться информацией с такими распространенными пакетами, как AutoCAD, OrCAD, Viewlogic, PCAD и др. Автоматическое размещение компонентов на плате и более эффективная автоматическая трассировка проводников реализованы в поставляемом отдельно пакете SPECCTRA 7.1 фирмы Cooper&Chyan Technology (сейчас права на него купила Cadence), который заменил известный ранее автотрассировщик MaxRoute фирмы Massteck. Доработка ПП с учетом особенностей технологии конкретного оборудования выполняется с помощью программ семейства CAM350 фирмы Advanced CAM Technologies, в состав которого входит известная программа PCGerber и более совершенная CAM350. Система ACCEL EDA поставляется с большой библиотекой современных импортных электрорадиоэлементов, которую можно пополнить библиотеками отечественной элементной базы, в частности, импортированными из PCAD.

Программа SPECCTRA 7.1 фирмы Cadence успешно размещает компоненты в автоматическом режиме и трассирует платы большой сложности благодаря применению нового принципа представления графических данных, так называемой ShapeBased-технологии.

Автотрассировщик SPECCTRA использует адаптивные алгоритмы, реализуемые за несколько проходов трассировки. На первом проходе выполняется соединение абсолютно всех проводников без обращения внимания на возможные конфликты, заключающиеся в пересечении проводников на одном слое и нарушении зазоров. На каждом последующем проходе автотрассировщик пытается уменьшить количество конфликтов, разрывая и прокладывая вновь связи (метод Rip-up-and-retry) и проталкивая проводники, раздвигая соседние (метод Push-and-shove). Информация о конфликтах на текущем проходе трассировки используется для "обучения" - изменения весовых коэффициентов (штрафов) так, чтобы путем изменения стратегии уменьшить количество конфликтов на следующем проходе.

Программа SPECCTRA имеет режимы интерактивной трассировки проводников и размещения компонентов. SPECCTRA выполняет размещение компонентов и трассировку платы, на которой предварительно размещены компоненты с помощью одного из графических редакторов печатных плат PCBoards, PCAD, TangoPRO, PADS, Protel, ORCAD. Плата с предварительно размещенными компонентами транслируется в формат пакета SPECCTRA. Разведенная в программе SPECCTRA печатная плата транслируется обратно. Процедура трансляции встроена в ACCEL PCAD PCB, графический редактор PCBoards системы Design Center, к остальным программам трансляторы поставляются отдельно.

Пакет программ ORCAD служит для разработки схем, проектирования печатных плат и их тестирования. ORCAD включает в себя 3 программы: CAPTURE, LAYOUT,SIMULATE.

Использование ORCAD'а облегчается благодаря удобному интерфейсу, работающему под Windows и обладающему большими функциональными возможностями, такими как быстрое изменение принципиальных схем, номиналов элементов, задаваемых процедур анализа, просмотра токов и напряжений во всех узлах исследуемой схемы построение графиков, взятие функций от функции показанной на графике и др. Редактор имеет выход в INTERNET.

Программа Dr. Spice 2000 A/D 8.2 совместно с системой ACCEL EDA 13.0 образуют сквозную систему проектирования электронных устройств, включающую в себя графический ввод схем, их моделирование, разработку печатных плат и выпуск технической документации для их изготовления. Эту систему целесообразно дополнить программой авто размещения и автотрассировки SPECCTRA 7.1 фирмы Cadence, обеспечивающей в настоящее время лучшие результаты на платформе IBM PC.

DesignLab 8.0 корпорации MicroSim - интегрированный программный комплекс для сквозного проектирования аналоговых, цифровых и смешанных аналого-цифровых устройств, синтеза устройств программируемой логики и аналоговых фильтров. Система DesignLab является развитием систем предыдущего поколения Design Center. Во всех этих системах используется широко известная программа моделирования PSpice. Система DesignLab включает в себя модули MicroSim PSpice A/D вместе со Schematics, MicroSim PLSyn вместе с модулем синтеза PLD, MicroSim FPGA, MicroSim PCBoards вместе с автотрассировщиком SPECCTRA на 6 слоев 4000 выводов и Polaris. Cистему DesignLab 8.0 целесообразно использовать в случаях, когда основные проблемы связаны со схемотехническим проектированием.

Следует помнить, что программные продукты для САПР постоянно изменяются и совершенствуются, а также появляются новые.

В заключение данного раздела добавим, что знание студентами основ САПР РЭУ, умение применять их на практике будет соответствующим образом оцениваться членами комиссии при защите курсового проекта.

 

Примерный календарный план выполнения типового курсового проекта

 

Примерный календарный план выполнения типовогокурсовогопроектирования общим объемом самостоятельной работы над проектом 40 - 60 часов, распределенных по 5 - 7 часов в неделю, приведены в табл.3.2.

 

Таблица З.2

Неделя	Вид работы	Примерный объем, %
I II     III   IV   V   VI   VII VIII IX	Ознакомление с литературой. Анализ и доработка технического задания. Выбор и обоснование структурной схемы АУ, и его эскизный расчет (выбор транзисторов и режимов работы, либо выбор интегральной схемы, распределение усиления и искажений между отдельными каскадами (схемами)). Составление принципиальной схемы АУ. Электрический расчет выходного каскада и входной цепи АУ. Электрический расчет входного и промежуточного каскадов. Составление перечня элементов. Выбор и расчет схем регулировок усиления. Обоснование требований к источнику питания и к фильтрам в цепях питания. Расчет результирующих характеристик АУ, уточнение принципиальной схемы и вычерчивание ее (для пояснительной записки) Описание конструкции АУ. Оформление пояснительной записки. Вычерчивание чертежей и подготовка к защите проекта. Защита проекта.	10 15     15   15   10   10   15 10