5 Методические указания по применению эвм

В ХОДЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Проектирование электрической схемы обязательно должно завершаться ее моделированием на ЭВМ. В ходе этого этапа проектирования проверяется правильность функционирования предложенного варианта схемы, рассчитываются ее основные вторичные параметры и характеристики, в ряде случаев проводится многокритериальная параметрическая оптимизация. В случае цифровых схем выявляются гонки и состязания сигналов, рассчитываются соответствующие времена задержек. Для этого необходимо использовать современные системы автоматизированного проектирования.

В настоящее время известно большое количество программ и систем проектирования электронных схем, среди которых наиболее известными являются:

 Мicro-Cap – разработка фирмы Spectrum Software для расчета электрических характеристик схем;

 Design Lab – интегрированный пакет корпорации MicroSim, в состав которого входит известная программа моделирования Pspice. Он позволяет проводить сквозное проектирование радиоэлектронных устройств: от ввода принципиальной схемы и ее моделирования до создания управляющих файлов для программаторов, разработки печатных плат и управляющих программ для сверлильных станков и вывода данных на графопостроитель;

 P-CAD - пакет логического анализа и конструкторского проектирования на платформе DOS, который стал фактически стандартом на промышленных предприятиях;

 ACCEL EDA – пакет P-CAD на платформе Windows;

 Electronics WorkBench - разработка фирмы Interactive Image Technologies для моделирования электрических процессов в схемах;

 OrCAD – разработка одноименной фирмы.

Из вышеприведенных программ выделяются программа Electronics WorkBench (благодаря наличию контрольно-измерительных приборов-мультиметр, осциллограф и др.- по внешнему виду, органам управления и характеристикам максимально приближенных к реальным, легкости в освоении и удобству использования) и система сквозного проектирования OrCAD, которая позволяет практически реализовывать все проектные процедуры от алгоритмического описания схемы до выпуска конструкторской документации и программ для автоматов, выпускающих электронные схемы.

5.1 Применение системы OrCAD

Комплекс OrCAD решает полный цикл задач проектирования электронного оборудования: создание схемы устройства; создание описания схемы на языке VHDL; синтез блоков на FPGA и CPLD; аналоговое, цифровое и смешенное моделирование; проектирование печатной платы. В его состав входят следующие программы:

OrCAD Capture - графический редактор схем;

OrCAD Exprres - синтез и анализ логических ИС и ПЛИС;

OrCAD Pspice - моделирование аналоговых и смешанных аналого-цифровых устройств;

OrCAD Pspice Optimizer- программа параметрической оптимизации;

OrCAD Layout- разработка печатных плат и ряд других.

Программа OrCAD Capture предназначена для создания проекта, часть которого может быть задана в виде принципиальной электрической схемы, а другая часть может быть описана на языке высокого уровня VHDL . Кроме того, из оболочки OrCAD Capture запускается модуль OrCAD Express для синтеза и моделирования ПЛИС, а также программы моделирования аналоговых, цифровых и смешанных аналого-цифровых устройств PSpice и параметрической оптимизации PSpice Optimizer.

При создании проекта каждого типа загружаются соответствующие библиотеки компонентов. При создании принципиальных схем проекта необходимая информация отыскивается во встроенной базе данных, которая поставляется вместе с системой и пополняется пользователями. Компоненты хранятся в соответствующих библиотеках (имеющих расширение .olb ):

– Analog – дискретные аналоговые компоненты (резисторы, емкости, индуктивности и др.);

– Source – источники аналоговых и цифровых сигналов, параметры которых задаются в текстовом виде;

–Sourcestm.olb – такие же источники, но их параметры задаются с помощью редактора сигналов Stimulus Editor;

– Bipolar.olb – биполярные транзисторы;

– CD400.olb – КМОП логические элементы;

– Digecl.olb – ЭСЛ логические элементы;

– 7400.olb – ТТЛ логические элементы;

– Siemens.olb – полупроводниковые приборы фирмы Siemens;

– Angdev.olb – операционные усилители и другие ИС фирмы Analog Devices.

Создание проекта электрической схемы производится в программе OrCAD Capture. В нем всегда отображаются два окна - менеджер проекта и информационное окно "Session Log". В менеджере проекта отображается структура проекта в виде файлов. Файловая структура проекта содержит ряд разделов: Design Resource - описание проекта (файл проекта *.dsn, файлы отдельных страниц схемы, перечень компонентов Design Cache, VHDL-файлы, перечень используемых библиотек компонентов *.olb); Outputs - результаты проектирования; PSpice Resource - информация для моделирования с помощью PSpice (Include Files, Model Library, Simulation Profiles, Stimulus Files) и др.

В программе OrCAD Capture возможно создавать четыре типа проектов:

Analog or Mixed-Signal Cicrcuit- аналоговое или смешенные аналого-цифровые устройства, моделируемые с помощью программы PSpice(возможна дальнейшая разработка печатной платы с помощью OrCAD Layout);

PC Board- печатные платы с возможностью электрического моделирования;

Prоgrammabel Logic-устройства программируемой логики CPLD или FPGA;

Schematic- только создание и документирование принципиальной схемы.

Программа аналогового моделирования PSpice поддерживает следующие типы анализа:

Bias Point- расчет по постоянному току;

DC Sweep-варьирование параметрами компонентов в режиме расчета по постоянному току;

Time Domain(Transient)-временной анализ(расчет переходного процессов);

AC Sweep/Noise-частотный анализ;

Monte Carlo/Worst Case-статический анализ по методу Монте Карло или наихудшего случая.

5.1.1 Порядок выполнения анализа схемы. Перед выполнением работы следует определить (самостоятельно или с помощью преподавателя), какие виды анализа необходимо провести для полного исследования схемы.

Запустите программу графического редактора Capture из главного меню программной группы OrCAD .

Создайте свой новый проект:

1. Вызовите из главного меню команду "File/New/Project.."

2. В диалоговом окне " New Project" задайте Name - имя проекта. Выберите Мастер создания аналоговой или смешенной схемы - "Analog or Mixed-Signal Circuit Wizard". В поле "Location" с помощью кнопки " Browse.." необходимо указать папку расположения проекта.

3. Нажмите "Ok"

4. В диалоговом окне " Analog or Mixed-Signal Circuit Wizard" выберите используемые библиотеки(можно оставить всю информацию предлагаемую по умолчанию без изменения). После нажатия кнопки "Ok" мастер сам создаст проект (с именем *.opj , *.dsn) и схему с единственным листом.

Для создания исследуемой схемы в графическом редакторе выполните следующие действия:

1 . Находясь на активной странице, выберите из главного меню команду "Place /Part" (или путем нажатия на кнопку дополнительной панели инструментов с пиктограммой ).

2. В диалоговом окне " Place Part " выберите необходимую библиотеку (если она отсутствует в кэше проекта, тогда выберите ее с помощью кнопки "Add library..") и в ней необходимый компонент. Символы земли и источников питания размещаются по команде Place/Ground и Place/Power ( или пиктограмма ).

3. Разместите компоненты на листе. Используя контекстное меню для правильной ориентации компонента(Rotate - поворот на 90 градусов, Mirror Horizontally - отобразить по горизонтали и Mirror Vertically - отобразить по вертикали).

4. Соедините выводы компонентов между собой проводниками. Находясь на активной странице выберите из главного меню команду "Place /Ware " (или из дополнительной панели инструментов пиктограмму ). Курсором мыши соедините выводы компонентов. Для прокладки шины выберите из главного меню команду "Place /Bus " и расположите входы в шину по команде "Place /Bus Entry " . Проводники и шины именуются по команде "Place /Net Alias".

Р едактирование параметров компонентов можно произвести двумя способами. Если параметр отображается на схеме, то он редактируется двойным нажатием мыши или из контекстного меню "Edit Properties..". В противном случае после двойного нажатия на компонент (или из контекстного меню "Edit Properties..") найдите в таблице и отредактируйте нужное свойство. При вводе параметров возможно использование следующих масштабных коэффициентов: T-10¹²; G-10⁹; MEG-10⁶; K-10³; m-10^-3; u-10^-6; n-10^-9; p-10^-12.

Редактирование воздействия (при этом компонент должен быть активным) производится по команде "Edit \ PSpice Stimulus". После чего запускается редактор воздействий - "Pspice Stimulus Editor".

Создание задания на моделирования производится по команде "PSPice / New Simulation Profile", а редактирование - "PSPice / Edit Simulation Profile". В диалоговом окне " New Simulation " введите имя профиля и нажмите кнопку "Create". В диалоговом окне " Simulation Settings" выберите вкладку "Analysis" и в поле " Analysis type " выберите анализ во временной области(переходной процесс)("Time domain (Transient)")(или другой тип анализа в зависимости от особенностей схемы ). В поле "Run to time" укажите время моделирования, а в поле "Start saving data after" укажите момент времени, с которого будут сохраняться результаты. Нажмите кнопку "Ok".

Моделирование электронной схемы производится по команде из главного мены "Run PSPice". После этого запускается программа моделирования PSPice. По окончанию ее работы необходимо в программе Capture выделить исследуемые величины тока или напряжения. Это производится по команде "PSPice / Markers/ Voltage Level" или "PSPice / Markers / Carrent into pin". Возможно также отображать сигналы в программе Pspice по команде " Trace\ Add Trace". Для исследования полученных графиков выберите курсор по команде "Trace\ Cursor\Display" и указателем мыши измерьте необходимые параметры.

После моделирования необходимо проанализировать полученные результаты моделирования и, если необходимо, произвести повторное моделирование схемы с другими параметрами или выполнить другой вид анализа.

Вопросы компьютерного моделирования схем с помощью системы OrCAD подробно изложены в [ 38 ].

5.1.2 Порядок выполнения оптимизации параметров схемы. В OrCAD параметрическая оптимизация выполняется методом наискорейшего спуска путем взаимодействия модуля Optimizer с графическим редактором Capture, программой моделирования и просмотра PSpice. Критерий оптимизации – обеспечение заданного значения целевой функции при выполнении ряда линейных и нелинейных ограничений. Перед началом процесса оптимизации предварительно должна быть подготовлена и проанализирована электрическая схема в программах Capture и PSpice.

Потом в Capture задаются начальные значения варьируемых параметров и пределы их изменения, а также задание на моделирование. Оптимизируемые параметры определяются следующими величинами: Name-имя параметра; Initial Value-начальное значение; Current Value-текущее значение; Lower Limit-нижняя граница изменения параметра; Upper Limit-верхняя граница изменения параметра; Tolerance-допуск стандартного ряда значений параметров, используемый при округлении значения параметров, в процентах.

В программе Pspice Optimizer задаются ограничения и целевые функции, затем вызывается программа расчёта схемы Pspice A/D и проводится моделирование схемы. Производится проверка на соответствие параметров схемы и значений целевых функций заданным пределам и ограничениям; если соответствие не достигнуто, то проводится вычисления чувствительности целевых функции к изменению параметров. В соответствии с этим расчётом изменяются текущие значения переменных, и моделирование происходит снова. При расчётах можно указывать некоторые дополнительные величины, например:

• Options\Defaults\Advanced Options\Delta – приращения переменных оптимизации;

• Options\Defaults\Advanced Options\Max Iterations – максимальное количество полных перерасчётов схемы.

Так как все целевые функции и граничные условия в Pspice  Optimizer входят в одну целевую функцию, которая, собственно, и является критерием оптимизации, то можно указать тип вычисления этого критерия – методом наименьших квадратов, или простой минимизацией входящих в неё критериев (Options\Defaults\Advanced Options\Least Squares или Minimize).

Ручной подбор значений предоставляет программа Pspice Optimizer. При использовании данного метода пользователь сам изменяет значения параметров и даёт команду на пересчёт схемы. С помощью “Tune\Update Derivatives” – вычисление частных производных целевой функции по каждому параметру, пользователь может определять необходимое направление изменения оптимизируемых значений.

В качестве целевых функций можно использовать встроенные, определённые пользователем и таблично заданные функции. Таким образом, можно подбирать значения до соответствия заданным или приближать форму графика к желаемой кривой. Вот примеры встроенных целевых функций:

- BandWith(BPBW) – ширина полосы пропускания на определённом уровне (-3db). Находит разницу между значениями X, где график пересекает уровень Ymax-db_level(максимальное значение Y на графике минус заданный уровень) сначала на подъёме, затем на спаде;

- CenterFreq – центральная частота. Определяет значение X посередине между значениями X, аналогично BandWith на заданном уровне;

- FallTime(RiseTime) – ширина спада (подъёма) импульса. Находит разницу между значениями X, где график пересекает уровень 90%(от Ymax), а затем 10% на участке спада (подъёма);

- GenFall(GenRise) – находит начальное и конечное значения Y графика, вычисляет разницу этих значений (Yrange), затем определяет промежуток на оси X между точками, где график пересекает 10% и 90% Yrange на спаде (подъёме);

- Max (Min) – определяет максимальное (минимальное) значение Y на графике;

- OverShoot – находит первый выброс импульса, т.е. разницу между Ymax и конечным Y на графике;

- Peak – находит значение X на N-ном пике графика;

- Period – определяет период функции. Находит промежуток между первым и вторым значением X, где график пересекает среднюю точку промежутка по Y (Ymax-Ymin) на участке подъёма;

- PulseWidth – длительность импульса. Находит разницу между значениями X, где график пересекает среднюю точку промежутка по Y (Ymax-Ymin) на участке подъёма и последующего спада;

- YatX – определяет значение Y в точке X.

Оптимизацию в пакете OrCAD возможно проводить в трех режимах: AC (частотный анализ), DC ( анализ по постоянному току) и TRAN(переходные процессы).

Порядок действий и пример оптимизации схемы приведены в [ 39 , с. 30-41].

5.2 Применение программы Electronics Workbench

Программа Electronics Workbench (в зависимости от версии) позволяет выполнить расчет схемы по постоянному току (DC Operating Point), расчет частотных характеристик (AC Frequency), расчет переходных процессов (Transient), Фурье-анализ (Fourier), анализ спектра внутренних шумов (Noise), анализ нелинейных и интермодуляционных искажений (Distortion), многовариантный анализ (Parameter sweep), температурные испытания схемы (Temperature sweep), расчет относительной чувствительности характеристик схемы к изменениям параметров выбранного компонента (Sensitivity), расчет на наихудший случай (Worst Case) и статистический анализ по методу Монте-Карло (Monte Carlo).

Окно программы EWB содержит главное меню, панели инструментов и библиотек компонентов и контрольно-измерительных приборов, а также рабочее поле (пространство). Рабочее пространство представляет собой самую большую центральную область окна EWB. Оно является подобием макетной платы, на которой собирается и отлаживается схема.

Сборка схемы осуществляется помещением элементов из активной библиотеки элементов в рабочую область экрана, соединением этих элементов и, при необходимости, подключением измерительных приборов.

Для размещения элемента на рабочем поле необходимо активизировать соответствующую библиотеку компонентов(Basic, Transistors, Analog Ics, Digital Ics и т.д), выбрать требуемый элемент и, зажав левую клавишу мыши, "перетащить" его на поле.

Соединение элементов схемы между собой производится аналогично перетаскиванию элементов в рабочее пространство. Подведите указатель мыши к выводу одного из элементов, которые вы хотите соединить, вывод примет вид черного квадрата, нажмите левую кнопку мыши и, не отпуская ее, переместите указатель на вывод другого элемента (вывод также должен принять вид черного квадрата), затем отпустите кнопку мыши. Если вы хотите соединить вместе более двух выводов элементов или соединить два вывода одного и того же элемента, то вам сначала необходимо установить соединитель из библиотеки Basic (·), а затем выполнить необходимые соединения с помощью этого соединителя. При необходимости присоединения вывода элемента к существующей линии соединения соединитель можно не устанавливать, а просто протянуть указателем мыши линию от вывода элемента к линии соединения (на линии появится небольшой круг) и отпустить кнопку мыши. Если вы попытаетесь подключиться к выводу, который уже соединен с другим выводом, то старое соединение будет прервано.

Чтобы воспользоваться измерительным прибором, необходимо выбрать прибор (после активизации библиотеки Instruments) и:

1. Переместить его иконку в рабочее пространство.

2. Присоединить иконку к схеме.

3. Открыть иконку, чтобы увидеть измерительный прибор.

4. Переместить его если необходимо.

5. Установить его параметры.

Для проведения анализа схемы из главного меню следует выбрать пункт Analysis, задать вид анализа и его параметры и нажать кнопку 0-1, расположенной в правом верхнем углу экрана.

Полученные результаты необходимо проанализировать, сделать выводы и в случае необходимости внести коррективы в схему. Затем моделирование повторить с новым вариантом схемы.

Подробное описание программы EWB, порядок работы с ней и примеры моделирования аналоговых, цифровых и цифро-аналоговых схем приведены в [ 35 - 37].