9. Программы схемотического моделирования аналоговых

9. ПРОГРАММЫ
СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ
УСТРОЙСТВ
 Школа Н.Ф.
«ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА»
«АНАЛОГОВЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА»
Ч.1. «АНАЛОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА»
Лекция №24 2005 г.
СОДЕРЖАНИЕ
•
•
•
•
ВВЕДЕНИЕ
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Задачи схемотехнического моделирования
ПРОГРАММНЫЕ КОМПЛЕКСЫ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭА
• Заключение
• Internet-адреса
• Библиографический список
ВВЕДЕНИЕ
Развитие электроники и повышение сложности
электронных
устройств
привели
привели
к
необходимости
повышения эффективности их
проектирования. До недавнего времени при
проектировании
электронных
устройств
использовались в основном два способа: расчет и
экспериментальное исследование. В настоящее время
большое значение приобрели методы математического
моделирования
электронных
устройств
на
компьютере. Математическое моделирование стало
одним из способов проектирования и проверки
результатов формульных расчетов электронных схем и
является составной частью автоматизированного
проектирования ЭУ.
За
последние
двадцать
лет
средства
автоматизированного проектирования прошли путь от
сравнительно простых чертежных систем до
интегрированных
программных
комплексов,
обеспечивающих единую поддержку всего цикла
разработки, начиная от эскизного проектирования и
заканчивая подготовкой производства, испытаниями и
сопровождением.
Современные
системы
CAD/CAM/CAE не только дают возможность
сократить срок внедрения новых изделий, но и
оказывают существенное влияние на технологию
производства, позволяя повысить качество и
надежность выпускаемой продукции, что в конечном
счете определяет ее конкурентоспособность.
Основные термины и определения
Проектирование - это процесс
создание описания, необходимого
для построения в заданных условиях
еще не существующего объекта или
реализации нового процесса, на
основе первичного описания этого
объекта или процесса.
Способы создания описания нового
объекта (способы проектирования):
•неавтоматизированное проектирование весь
процесс
проектирования
осуществляется человеком;
•автоматизированное
проектирование
проектирование выполняется в процессе
взаимодействия человека и ЭВМ;
•автоматическое проектирование - описание
объекта
осуществляется
без
участия
человека.
При
проектировании
объектов
используются следующие понятия:
•техническое
задание
- первичное
описание объекта проектирования, в нем
указываются сведения о назначении объекта,
его параметрах, конструктивной реализации
и т.п.;
•проектное решение - промежуточное
или
конечное
описание
объекта
проектирования,
достаточное
для
определения дальнейшего направления или
•проект
совокупность
проектных
документов, в котором представлен результат
проектирования;
•проектная процедура - действия,
выполнение
которых
оканчивается
проектным решением;
•проектная операция - действие,
составляющее часть проектной процедуры.
Классификация уровней сложности РЭА и
уровней проектирования
Уровни
сложности РЭА
Функциональные уровни автоматизированного
проектирования
Уровень
Функциональ Системное
ные
проектирование
комплексы
Структурное
проектирование
Функциональ Функциональное и
ные
логическое
устройства
проектирование
Функциональ Схемотехническое
ные узлы
проектирование
Функциональ Проектирование
ные
компонентов
элементы
Компоненты
Подуровень
Информационный
Информационный
Точностный
Функциональный
Регистровый
Логический
Макромодельный
Элементный
Модели с
сосредоточенными
параметрами
Модели с
распределенными
параметрами
Задачи (проектные процедуры) и
способы схемотехнического
проектирования
•
•
•
•
•
расчет;
анализ;
оптимизация;
синтез
документирование.
• неавтоматизированный расчет
по заранее полученным
формулам;
• физическое моделирование,
основанное на принципе
электрофизических аналогий;
• натурное макетирование;
• математическое
моделирование.
Схемотехническое моделирование моделирование
электрических
процессов в электронных устройствах,
заданных в виде принципиальных
электрических схем, т.е. соединений
условных обозначений компонентов, с
учетом
реальных
физических
ограничений в электрических процессах,
заданных законами Кирхгофа.
Характеристика схемотехнического моделирования
Анализ - это определение изменения
выходных
параметров
и
характеристик
устройств в зависимости от изменения его
внутренних и внешних параметров. Задача
расчета
при
неизменных
внутренних
параметрах называется
одновариантным
анализом, а задача анализа - многовариантным
анализом.
Проектная процедура анализа, выполненная
методом
математического
моделирования,
имеет целый ряд преимуществ в сравнении с
другими способами проектирования.
Преимущества проектирования электронных
устройств методом математического
моделирования
• позволяет проанализировать выходные
параметры и характеристики схемы в
предельных и запредельных режимах,
физическая реализация которых опасна
для макета;
• позволяет
выполнить
расчет
серийнопригодности и анализ различных
статистических характеристик схемы без
ее запуска в серию;
•позволяет
выполнить
анализ
воздействия на схему внешних условий
без реальных климатических и других
испытаний;
•позволяет
выполнить
анализ
нереализуемых на макете зависимостей
выходных параметров от внутренних,
например параметров транзистора.
Цели и задачи анализа электронных устройств
• Цель
схемотехнического
моделирования
состоит в определении формы и параметров
сигналов тока и напряжения , возникающих в
разных точках схемы
• Практической задачей анализа является
доводка полученного на этапе эскизного
проектирования (расчета по формулам)
работоспособного варианта, играющего роль
начального
приближения,
до
уровня,
соответствующего техническому заданию, с
помощью программ автоматизированного
проектирования.
•
•
•
•
•
•
•
Проектные процедуры (задачи)
схемотехнического моделирования
расчет статического режима;
расчет переходных процессов;
расчет частотных характеристик;
расчет параметров сигналов;
расчет спектра выходного сигнала;
расчет чувствительности схемы;
статистический анализ схемы ;
• оптимизации параметров схемы.
Алгоритмы схемотехнического
моделирования SPICE (Simulation
Program with Integrated Circuit Emphasis)
Коммерческие программы, созданные на основе
программного ядра SPICE:
•
•
•
•
•
•
•
Pspice - MicroSim;
HSPICE - Meta Software;
IS-SPICE - IntuSoft;
Micro-Cap - Spectrum Software;
Analog Workbench - Cadence;
Saber - Analogy
Dr.SPICE и ViewSpice - Deutsch Research
Характеристики вариантов программы PSpice
P
P
P
P
Характеристика
Spice spice spice spice
Basic A/D A/D
s
Basic
s+
Возможности моделирования
Расчет режимов DC, AC,
Да
Да
Да
Да
Transient
Расчет шумов, спектров,
Да
Да
Да
Да
вариация температуры
Статистический анализ
Да
Нет
Да
Нет
по методу Монте-Карло
Интерфейс с StmEd
Да
Нет
Да
Нет
Наличие программы Parts Да
Нет
Да
Нет
Целевые функции в Probe Да
Нет
Да
Нет
ПРОГРАММНЫЕ КОМПЛЕКСЫ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ
СИСТЕМ
СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ САПР
Программы моделирования аналоговых,
цифровых и аналого-цифровых
устройств
Pspice, Design Center и Design Lab
MicroSim Corporation
Менеджер программ пакета Design Lab 8.0
Состав пакета Design Lab 8.0
• Schematics - графический редактор принципиальных схем;
• PSpice, PSpice Basics - моделирование аналоговых
устройств;
• PSpice A/D, PSpice A/D Basics+ - моделирование смешанных
аналого-цифровых устройств;
• PLogic - моделирование цифровых устройств;
• PLSyn - синтез цифровых устройств на базе ИС с
программируемой логикой;
• StmEd - редактор входных сигналов (аналоговых и
цифровых);
• Probe
- графическое отображение,
обработка и
документирование результатов моделирования;
• Parts - идентификация параметров математических моделей;
Состав пакета Design Lab 8.0(продолжение)
• PSpice Optimizer - параметрическая оптимизация аналогоцифровых устройств по заданному критерию при наличии
нелинейных ограничений;
• Polaris - проверка целостности сигнала, т. е. проведение
моделирования с учетом паразитных емкостей и
индуктивностей, присущих реальным печатным платам;
• Device
Equation
исходный
текст
встроенных
математических моделей только полупроводниковых
приборов на языке Си;
• PCBoard и PCBoard with Autorouter -проектирование
печатных плат с возможностями автотрассировки;
• Cadence и Mentor Integration интерфейс к пакетам Cadence и
Mentor Framework;
• Filter Designer - синтез пассивных и активных аналоговых
фильтров и фильтров на переключаемых конденсаторах.
Экран редактора Schematics.
Просмотр библиотек
Меню режимов моделирования
Вывод результатов моделирования
программой Probe
Весовая функция как результат FFT
Запуск программы PCBoards
Окно программы PCBoards
ПРОГРАММНЫЕ КОМПЛЕКСЫ
СКВОЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
• PCAD 4.5-8.7 - ACCEL EDA 12.0-15.0
PCAD 2000 (ACCEL Technologies)
+Dr.SpiceA/D(Deutsch Research)
• OrCAD 7.2-9.0 (OrCAD) + Pspice
(MicroSim)
Программа MIСRO-CAP
Spectrum Software
• Версии 5-7 переведены на платформу
Windows, имеет удобный интерфейс, в
текстовых надписях на схемах и
графиках поддерживает кириллицу;
• позволяет моделировать не только
аналоговые, но и цифровые и аналогоцифровые электронные устройства;
•используются
математические
модели,
принятые в известной программе Pspice;
•по
функциональным
возможностям
находится
между
профессиональной
программой
моделирования
аналогоцифровых устройств PSpice A/D и более
дешевым
базовым
вариантом
с
ограниченными возможностями Pspice A/D
Basics+;
•работа
под
управлением
одной
управляющей оболочки.
Экран программы Micro-CAP 7
Программа Electronics Workbench
Interactive Image Technologies
Рекомендуется для перевода лабораторного
практикума на компьютеры, для измерения
характеристик и проведения исследований
электронной аппаратуры. В отличие от
программ схемотехнического моделирования,
на экране изображаются измерительные
приборы с органами управления, максимально
приближенными к реальности. Управление
приборами осуществляется с помощью
мыши.
Окно программы Electronics Workbench
Система функционально-логического
проектирования MAX+PLUS II
Для разработки цифровых устройств на
СБИС программируемой
логики фирма
Altera
предоставляет
пользователям
функционально
полный
пакет
проектирования MAX+PLUS II.
Пакет
имеет модульную структуру и в объеме,
необходимом для реализации полного цикла
проектирования, бесплатно доступен на
www.altera.com или на www.altera.ru.
Название системы MAX+PLUS II является
аббревиатурой от Multiple Array MatriX
Programmable Logic User System. Система
MAX+PLUS II имеет средства удобного
ввода проекта, компиляции и отладки, а
также непосредственного программирования
устройств программируемой логики.
кнопки быстрого вызова
приложений
приложения
Главное окно системы
MAX+PLUS II
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ И
СИСТЕМНЫЕ САПР
Программа SystemView , ELANIX
• визуальная
среда
проектирования
высокого уровня,
содержащая
всесторонние аналоговые и цифровые
инструментальные средства проекта для
использования в приложениях по DSP,
связи, обработке сигналов и управлению, а
также математическому моделированию
систем.
•Программа SystemView представляет собой
конструктор, с помощью которого из
стандартных
"кубиков"
строится
функциональная схема.
•В каталоге библиотеки указывают нужный
функциональный модуль, который мышью
переносят на схему.
•Синтез параметров этого модуля и
измерение характеристик производят после
еще одного щелчка мышью.
Программа моделирования устройств обработки
сигналов
HyperSignal Block Diagram
Hyperception,Inc.
• Программа
HyperSignal
Block
Diagram/RIDE
(Real-time
Integrated
Development) – возможность подключения
аппаратуры для обработки сигналов в
реальном времени) предназначена для
моделирования аналоговых и цифровых
устройств, заданных функциональными
схемами.
•Профессиональная версия содержит
библиотеку из 300 функций для
моделирования и примерно 500 функций
для работы в реальном времени.
•Дополнительно
поставляется
транслятор Hyperception Application
Interface для генерации исполняемых
модулей (аналог Application Builder из
пакета LabView).
Окно программы HyperSignal Block Diagram
Заключение
Система схемотехнического проектирования
электронных
устройств
Micro-CAP фирмы
Spectrum
Software
является
наиболее
привлекательной для образовательных и научных
целей. Успешное освоение среды Micro-CAP
позволяет не только решать вопросы углубленного
изучения курсов по электронике, повышения
качества и интенсификации обучения, обеспечения
индивидуального обучения, но и эффективно
реализовать автоматизированное проектирование
при решении задач по созданию схем и устройств
детекторной электроники на различных этапах
выполняемых НИР.
Методические материалы по системе Micro-CAP
в электронном виде размещены на сервере
кафедры ЭФ:
\\Dep1\Учеба\Школа\Изучаем MicroCAP
Internet-адреса
DesignLab -- http://www.microsim.com ;
Micro-Cap --http://www.spectrum-soft.com ;
Electronics Workbench -- http://www.interactiv.com ;
SystemView -- http://www.elanix.com;
HyperSignal Block Diagr-http://www.hyperception.com ;
LabView -- http://www.ni.com ;
Dr. Spice 2000 A/D -- http://www.deutsch.com.
MAX+PLUS II
--www.altera.ru
Последние
новости
САПР
помещаются
на
http://www.rodnik.ru.
электроники
Web-странице
Библиографический список
•
Автоматизация схемотехнического проектирования: Учеб. пособие для
вузов/В.Н. Ильин, В.Т. Фролкин, А.И. Бутко и др.; Под ред. В.Н. Ильина. - М.:
Радио и связь, 1987. - 368 с.: ил.
• Влах И., Сингхал К. Машинные методы анализа и проектирования
электронных схем: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1988. - 560 с.
• Ушаков В.Н.Электротехника и электроника: Учеб. пособие для вузов. - М.:
Радио и связь, 1997. - 328 с.
•
Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств
DesignLab 8.0. - М.: Изд-во "СОЛОН-Р", 2000
•
Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro- Cap6. - М.:
Изд-во "СОЛОН-Р", 2001
• Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics
Workbench и ее применение. - М.: Изд-во "СОЛОН-Р", 2001
•
Разевиг В.Д. Программы для разработки электронных схем//PC Week/RE.
1997. №37.
• “Автоматизация проектирования” 96, 97, 98.
• “Открытые системы”: #3/97, #2/97.