Конспект первых лекций по дисциплине “ основы автоматизированного схемотехнического проектирования
|
Скачать 469.27 Kb.
|
|
Общие сведения об объектах и задачах схемотехнического проектирования (моделирования) Вначале определим некоторые общие понятия, которые относятся к проектированию любых устройств независимо от их физической природы. Введем понятие параметров элементов (или компонентов), параметров устройства и параметров окружающей среды. Параметры элементов (или компонентов), из которых состоит проектируемое устройство, будем называть внутренними; параметры устройства, по которым оценивается его качество – выходными; параметры действующих на устройство внешних информационных сигналов – входными; параметры окружающей среды – внешними. Пример (применительно к проектированию транзисторного усилителя): параметры самих транзисторов и пассивных элементов, входящих в состав этого усилителя – внутренние параметры; потребляемая мощность, коэффициент гармонических искажений – численные выходные параметры; АЧХ и ФЧХ – функциональные выходные параметры (выходные характеристики); частота и амплитуда входного сигнала – численные входные параметры; спектральная характеристика входного сигнала – функциональный входной параметр; температура окружающей среды – внешний параметр. Основные задачи схемотехнического проектирования Каждый из пяти функциональных уровней проектирования: АСтП, АФЛП, АСхП, АКП и АКТП – включает решение следующих задач: расчета, анализа, оптимизации, синтеза и выпуска технической документации. Эти задачи называют также проектными процедурами. Рассмотрим эти задачи на примере схемотехнического проектирования, которые имеют здесь следующее содержание. Расчет – определение выходных параметров и характеристик устройств при неизменных значениях его внутренних параметров и постоянной структуре. Пример: расчет широкополосного усилителя, включая расчет режима по постоянному току, полосу пропускания, площадь усиления и т.п. Анализ – определение изменения выходных параметров и характеристик устройства в зависимости от изменения его внутренних и входных параметров. В случае применения ПЭВМ задача расчета часто называется одновариантным анализом, а задача анализа – многовариантным анализом. Например, вариация (stepping) номиналов пассивных компонентов оценивает их влияние на функциональные выходные характеристики (АЧХ и ФЧХ) усилителя. Оптимизация – определение наилучших в том или ином смысле значений выходных параметров и характеристик путем целенаправленного изменения внутренних параметров устройства (при параметрической оптимизации) или структуры устройства (при структурной оптимизации). При этом большое значение имеет опыт разработчика или используется специальный математический аппарат теории чувствительности. Подчеркнем, что наиболее сложными процедурами являются задачи параметрического и структурного синтеза. В общем случае синтезом называется генерация исходного варианта устройства, включая его структуру (структурный синтез) и значения внутренних параметров (параметрический синтез). Указанная генерация может выполняться различными способами: выбором из уже известных устройств, построением на основе определенных теоретических соотношений, путем изобретательства, эвристического решения и др. Примеры: двойной RC-мост Вина, схема RC-генератора Сифорова, автогенератор по схеме Клаппа, трехточка Ричарда Ши и др. Полученное в результате синтеза устройство не обязательно должно быть наилучшим, но обязательно работоспособным, т.е. иметь практический смысл. Если же полученное устройство – наилучшее в каком-либо смысле, то такой синтез называется оптимальным. Подчеркнем, что задача синтеза – это весьма сложная задача и в большинстве случаев не может быть решена автоматически без участия и помощи специалиста-разработчика. В конце концов любой сложный алгоритм и соответствующая ему программа разрабатываются человеком. Решение задачи разработки и выпуска технической документации необходимо для изготовления и последующей эксплуатации конкретного радиоэлектронного устройства. На этом этапе выполняется компоновка и размещение элементов и узлов, разводка печатных и проводных соединений, а также решаются задачи теплоотвода, электрической прочности, защиты от внешних воздействий и т.п. Затем проводится технологическая подготовка производства, которая предполагает разработку технологических процессов изготовления отдельных блоков и всей системы в целом. Типы объектов схемотехнического проектирования Как правило, все РЭУ, проектируемые на ПЭВМ, разделяют на три типа: аналоговые, дискретные и цифровые. К аналоговым относятся устройства, в которых используются аналоговые сигналы, или сигналы аналогичные, полностью подобные порождающему его физическому процессу. Эти сигналы являются непрерывными во времени. Примеры: сигнал гармонической формы, пилообразной, треугольной и др. В дискретных устройствах используются дискретные сигналы, которые образуются из аналоговых путем дискретизации по времени. К цифровым относят устройства, рабочие сигналы которых закодированы в виде чисел, обычно представляемых в двоичном коде цифрами 0 и 1 (триггеры, счетчики, регистры, микропроцессоры, микроконтроллеры и т.п.). Эти сигналы получают из аналоговых путем использования двух операций: дискретизации (получение выборок, отсчетов) и квантования. Наконец, существуют промежуточные классы устройств: аналого-дискретные и аналого-цифровые. В аналого-дискретных устройствах используют дискретный способ изменения параметров аналоговых устройств без явного дискретизатора. Например, электронные схемы на переключаемых МОП - конденсаторах. К аналого-цифровым устройствам относятся разного типа преобразователи: аналого-цифровые (аналог – код, АЦП), цифро-аналоговые (код – аналог, ЦАП), спецвычислители, процессоры с аналоговыми устройствами ввода и вывода и др. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ АСхП РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ Рассмотрим в несколько упрощенном виде процесс автоматизированного схемотехнического проектирования радиоэлектронных устройств. Он состоит из нескольких этапов (см. рис.2). На первом этапе (1) сложное проектируемое устройство разбивается на функционально законченные блоки и вырабатываются частные технические задания (ТЗ) на каждый отдельный блок. ТЗ предусматривает описание внешних и внутренних параметров: входных и выходных сигналов, диапазона частот, потребляемой мощности, условий эксплуатации, предельных допусков на основные характеристики и т.п. На этом этапе очень многое зависит от личности разработчика-конструктора: от его знаний, интуиции, интеллекта и кругозора. На втором этапе (2) после формулировки ТЗ на разрабатываемый блок составляется его принципиальная электрическая схема начального (нулевого) приближения. Это обычно делается разработчиком также на основании собственного опыта и опыта предыдущих разработок. Здесь же выбираются компоненты схем, как-то: транзисторы, диоды, ИМС, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и др., а также номинальные значения и допуски на параметры компонентов. Далее на третьем этапе (3) выбирается система автоматизированного схемотехнического проектирования (моделирования), а в ней программа, которая наилучшим образом подойдет для анализа данной электронной схемы и позволит судить о соответствии ТЗ выбранной схеме. Подчас в выбранном пакете требуется не одна, а группа программ для проведения всех необходимых вычислений. Например, анализ по постоянному току, анализ во временной и частотной областях. Затем принципиальная схема проектируемого блока подготавливается для проведения компьютерного анализа и вводится в память ПЭВМ текстовым или графическим способом (этап 4).  Рис.2.Основные этапы автоматизированного проектирования электронных схем Далее на основании встроенной библиотеки моделей компонентов автоматически составляется математическая модель анализируемого устройства по введенной принципиальной схеме (этап 5). На этапе 6 производится анализ математической модели электронной схемы в диалоговом режиме. Например, в случае анализа схемы аналогового устройства предполагается выполнение следующих видов расчетов: - расчет схемы по постоянному току; - расчет схемы в частотной области; например, вычисление АЧХ и ФЧХ, спектральной плотности шума; - расчет во временной области; например, определение переходных и импульсных характеристик, проведение спектрального анализа. Полученные в результате анализа характеристики схемы сравниваются с данными ТЗ и (или) с результатами испытаний макета (этапы 7 и 8). На основании этого сравнения принимается решение о принятии или отклонении рассмотренного варианта проекта (этап 9). Такое решение проводится неформально, так как в некоторых случаях инженерное понимание сути дела позволяет пренебречь некоторым расхождением результатов компьютерного анализа с ТЗ. После принятия проекта разрабатывается техническая документация для последующего изготовления разработанного устройства и проведения испытаний (этап 11). Если характеристики неудовлетворительны, то принципиальная схема и (или) модели компонентов должны быть изменены (этап 10). Цикл анализа затем повторяется снова. Именно здесь, при проведении многовариантных расчетов, компьютерные программы анализа электронных схем особенно полезны: они дают возможность автоматически в течение короткого времени провести анализ многих вариантов. Модификация схемы может производиться также с помощью специальных программ оптимизации на ПЭВМ (этап 12), в которых широко применяются методы оптимизации проектных решений, основанных на решении задач математического (линейного и нелинейного) программирования. В этих задачах производится поиск минимума или максимума некоторой целевой функции, зависящей от многих переменных при наличии ограничений на эти переменные. При проектировании РЭУ эта целевая функция отображает качество работы, стоимость аппаратуры и иные характеристики, зависящие от параметров компонентов, оптимальные значения которых требуется найти в результате решения задачи. Ограничения же формулируются в виде системы соотношений, сужающих допустимую область изменения параметров компонентов при решении задачи оптимизации РЭУ. По окончании оптимизации можно рассчитать чувствительность схемы, оценить влияние разброса параметров компонентов и получить другие важные характеристики. Таким образом, при таком процессе проектирования решаются задачи, связанные с расчетом, анализом и оптимизацией схемных решений. Что касается задачи синтеза, то это весьма сложная задача, ее можно жестко алгоритмизировать только для некоторых частных случаев, например, существует методика классического синтеза пассивных и активных аналоговых и цифровых частотных фильтров, классического синтеза широкополосных согласующих устройств, синтеза цифровых автоматов. В других случаях обычно задача синтеза решается эвристическим путем, основываясь на предыдущем опыте, путем изобретательства. Подчеркнем, что в процессе конструирования и разработки технологии также может потребоваться коррекция принципиальных схем, структуры системы и даже исходных данных. Поэтому процесс проектирования является не только многоэтапным, но и многократно корректируемым по мере его выполнения, т.е. процесс носит итерационный характер. Отметим, что автоматизированное проектирование электронных схем с помощью ПЭВМ имеет ряд преимуществ перед традиционным способом проектирования “вручную” с последующей доводкой на физическом макете. Разработчик может использовать возможности ПЭВМ в нескольких областях. Во-первых, с помощью прикладных программ гораздо легче наблюдать эффект варьирования параметров схемы, чем с помощью сугубо экспериментальных исследований. Во-вторых, имеется возможность анализировать критические режимы работы устройства без физического разрушения его компонентов. В-третьих, программы анализа позволяют оценить работу схемы при наихудшем сочетании параметров, что трудно и не всегда возможно осуществить экспериментально. В-четвертых, программы дают возможность провести такие измерения на модели электронной схемы, которые трудно выполнить экспериментально в лаборатории. Особенно это утверждение справедливо для БИС и СБИС. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОМПОНЕНТОВ И ЭЛЕКТРОННОЙ СХЕМЫ В ЦЕЛОМ Электронная схема состоит из пассивных и активных компонентов, соединенных в соответствии с ее функциональным назначением. Способ соединения компонентов в схеме (или ее структура) называется топологией. Понятие математической модели компонента и схемы В общем случае под математической моделью реального объекта понимается любое математическое описание, отражающее с требуемой точностью поведение этого объекта в заданных (реальных) условиях. Если объектом является компонент электронной схемы или целая схема, то математической моделью будем называть математическое описание связей между токами и напряжениями, возникающих в компоненте или схеме в статическом и динамическом (переходном) режимах работы. Математическая модель компонента (ММК) обычно описывает функционирование данного компонента на макроуровне, т.е. отражаются только те свойства и закономерности компонента, которые характеризуют его взаимодействие с другими компонентами устройства. Такие модели оперируют с сосредоточенными параметрами и устанавливают связь между напряжениями на компонентах u(t) и токами i(t), протекающими через них. ММК называют еще компонентными уравнениями [7]. Различают математические модели идеальных и реальных компонентов. Так, например, для идеальных пассивных компонентов такие уравнения имеют вид: для идеального резистора  ,для идеального конденсатора  ,для идеальной катушки индуктивности  ,где R и G – сопротивление и проводимость резистора соответственно, C – ёмкость конденсатора, L – индуктивность катушки. Математическая модель идеального активного электронного компонента – усилительного прибора представляется схемой замещения с источником тока, управляемым напряжением. Математические модели реальных компонентов должны учитывать их нелинейные, частотные и шумовые свойства, зависимость параметров от температуры и других факторов. Таким образом, математическими моделями реальных компонентов могут быть уравнения ВАХ или дифференциальные уравнения переходных процессов в компоненте. Например, ММК реального транзистора соответствует схема замещения, состоящая из линейных и нелинейных сопротивлений, нелинейных ёмкостей и нелинейных управляемых источников. Программы моделирования, реализуемые в системах автоматизированного схемотехнического проектирования, содержат встроенные библиотеки ММК различных уровней сложности для реальных типовых компонентов. Математическая модель схемы (ММС) – это обычно системы уравнений, описывающие статический или динамический режим, которые формируются на основе компонентных уравнений и характеризуют совместное функционирование компонентов, зависящее от конкретного способа их соединения – топологии схемы. Объединение компонентных уравнений в ММС осуществляется с помощью так называемых топологических уравнений, которые составляются на основе законов Кирхгофа: для любого узла схемы n ∑ ik(t) = 0 (первый закон Кирхгофа); k=1 для любого контура m ∑ ui(t) = 0 (второй закон Кирхгофа). i=1 Уравнения законов Кирхгофа инвариантны для сигналов, которые представлены функциями времени, изображениями по Лапласу или комплексными амплитудами. Для формирования ММС аналогового радиоэлектронного устройства используется несколько методов, которые различаются составом независимых переменных и видом исходных топологических уравнений. К их числу относятся: табличный метод, метод узловых потенциалов и метод переменных состояния. Однако наиболее широкое распространение в САПР получил метод узловых потенциалов и его модификации. Метод узловых потенциалов позволяет формировать ММС в виде системы уравнений, которые составляются на основе первого закона Кирхгофа для внутренних узлов схемы. Для формирования ММС цифровых радиоэлектронных устройств используются алгоритмы физического и логического моделирования. При физическом моделировании отдельные элементы, из которых состоит цифровое устройство (ЦУ), представляются их электрическими макромоделями, состоящими из базовых элементов теории цепей (пленочных резисторов и конденсаторов, диффузионных резисторов и конденсаторов, биполярного или МОП-транзистора, полупроводникового диода и т.д.). На основании системы этих макромоделей формируется полная электрическая модель ЦУ. Физические модели ЦУ позволяют наиболее полно представить работу устройства во времени с учетом реальных задержек срабатывания элементов. Эти модели целесообразно использовать на заключительном этапе проектирования РЭУ из-за больших затрат времени на моделирование, когда необходимо иметь данные об устройстве, которые нельзя получить с помощью более простых моделей. При логическом моделировании каждый элемент ЦУ представляется упрощенной формальной моделью в виде логического соотношения, полученного с помощью булевой алгебры и описывающего логику его функционирования. При меньшей детализации работы в сравнении с физическими логические модели обладают во много раз большим быстродействием и позволяют решать ряд важных практических задач, в частности, проверять правильность логического функционирования ЦУ и сравнивать характеристики различных вариантов схемных решений. Отметим, что в дальнейшем основное внимание будет уделено схемотехническому моделированию аналоговых и аналого-цифровых устройств. А теперь вернемся к обсуждению вопросов, связанных с математическими моделями реальных электронных компонентов, причем договоримся обозначать их также аббревиатурой ММК. Вопросы классификации математических моделей реальных электронных компонентов и их параметров Все параметры этих моделей делятся на два класса: внешние и внутренние. Каждый из этих классов подразделяется на два подкласса: первичные и вторичные параметры. Первичные внешние параметры моделей – токи и напряжения. Вторичные внешние (их иногда называют выходными, или схемными) – параметры, вычисляемые на основе токов и напряжений, как-то: длительности фронтов, импульсов и задержек, рассеиваемые и потребляемые мощности, неравномерности частотных характеристик, характерные значения токов и напряжений в отдельных узлах схемы. Первичные внутренние параметры – это электрофизические и конструктивно-технологические параметры; например, размеры отдельных областей компонентов, контактная разность потенциалов, подвижность носителей заряда, характеристики полупроводниковых материалов (ширина запрещенной зоны, температурные коэффициенты и др.) Вторичные внутренние (или электрические) – параметры, которые могут быть определены на основе только электрических измерений на выводах компонента: входные и выходные сопротивления, коэффициенты усиления и т.д. Следует подчеркнуть, что, исходя из задач конкретного этапа проектирования, математическая модель реального компонента должна отвечать самым различным требованиям. Эти требования в своем большинстве являются противоречивыми, и удачное компромиссное удовлетворение этих требований в одних задачах может оказаться далеким от оптимальности в других. По этой причине для одного и того же компонента или устройства часто приходится иметь не одну, а несколько моделей. В связи с этим классификация моделей РЭУ должна выполняться по множеству признаков, чтобы охватить все возможные случаи. По названным причинам рассмотрим классификацию ММК (реальных компонентов) более подробно. Обычно их различают по шести признакам: по характеру отображаемых процессов, по способу представления модели, по характеру зависимостей, используемых для моделирования, по диапазону рабочих сигналов, по диапазону рабочих частот, по количеству параметров модели. По характеру отображаемых процессов модели делятся на статические (на постоянном токе) и динамические. По способу представления различают модели аналитические, графические и табличные. Аналитические модели компонентов представляются обычно в виде уравнений вольтамперных характеристик (ВАХ) или в форме дифференциальных уравнений переходных процессов. Дифференциальные уравнения характеризуют инерционность компонента. Графические модели могут быть заданы в виде графиков ВАХ, а также в виде схем замещения (или эквивалентных схем). Часто исключение реактивных элементов из динамической схемы замещения превращает ее в статическую. Такие схемы замещения называют сепарабельными. Пример: эквивалентная схема Эберса-Молла для биполярных транзисторов. Табличные модели задаются в виде цифровых таблиц; им обычно соответствуют графики экспериментальных ВАХ, для которых трудно найти аналитическое выражение. Практически любую модель (аналитическую, графическую и табличную) можно оформить в виде компьютерной подпрограммы, которая называется цифровой моделью. По характеру зависимостей, используемых для моделирования, модели делятся на два больших класса: линейные и нелинейные. По диапазону рабочих сигналов различают модели для малого (малосигнальные) и большого сигналов. Обычно малосигнальные модели – это линейные, поскольку они получаются при рассмотрении малых отклонений токов и напряжений от стационарной рабочей точки. Модели для большого сигнала, как правило, являются нелинейными. По диапазону рабочих частот различают низкочастотные и высокочастотные модели. В низкочастотных моделях инерционность компонентов на высоких частотах не учитывается. В высокочастотных моделях инерционность учтена либо дифференциальным уравнением, описывающим переходной процесс внутри компонента, либо введением дополнительных внешних ёмкостей. По количеству параметров в модели компонента выделяют: - простые, которые характеризуются малым количеством параметров, часть из которых можно непосредственно указать на схеме; например, R4 10k, C10 5nF, хотя полная модель резистора или конденсатора может содержать больший перечень параметров (9…10); - сложные, которые характеризуются большим количеством параметров. Они заносятся в библиотеку моделей (например, модель биполярного транзистора имеет 52 параметра). Подчеркнем, что основное требование к модели – адекватность (полное соответствие) реальному объекту. Оно определяет точность проводимых расчетов. Однако требование к точности модели зависит от типа схемы. Например, одни и те же активные компоненты работают в схемах дифференциального усилителя и в схемах логических транзисторных ключей. Но их модели должны быть различными. Например, разными должны быть модели биполярного транзистора, поскольку в дифференциальном усилителе режим насыщения принципиально не используется, а логический транзисторный ключ использует именно этот режим. Поэтому целесообразно для одного и того же компонента иметь набор встроенных моделей различной сложности и точности. Например, для биполярного транзистора известны зарядовая модель Гуммеля – Пуна, нелинейная высокочастотная модель Эберса – Молла, линейные модели – Т-образная и гибридная П-образная. Такой набор нужен не только для отдельных компонентов, но и для типовых функциональных узлов. Например, для операционного усилителя, компаратора, АЦП, ЦАП, триггера, ЗУ и др. Упрощенные модели таких типовых ФУ получили название «макромоделей». Современные программные пакеты, используемые в системах автоматизированного схемотехнического проектирования (моделирования) Вначале о требованиях к структуре таких пакетов. Современный пакет прикладных программ должен обеспечить проведение разнообразных расчетов РЭУ широкого назначения. Анализ нелинейных схем (необязательно чисто аналоговых) включает в себя решение следующих задач: - расчет режима по постоянному току при отключенных источниках переменного сигнала, - расчет переходных процессов под действием источников переменного периодического сигнала, - отыскание периодических решений при действии периодического сигнала, - отыскание периодических решений автоколебательных систем в отсутствии внешних сигналов, - спектральный анализ периодических решений, - расчет чувствительности, учет статистического разброса параметров, анализ наихудшего случая, - параметрическая оптимизация. Анализ линейных аналоговых схем включает в себя решение следующих задач: - расчет комплексного коэффициента усиления (или передаточной функции), входных и выходных сопротивлений (проводимостей), - расчет уровня внутренних шумов, - исследование устойчивости, - построение переходного процесса при гармоническом и произвольном внешнем воздействии, - расчет чувствительности, учет статистического разброса параметров, рассмотрение наихудшего сочетания параметров, - параметрическая оптимизация. Предусматривается взаимодействие программ анализа линейных и нелинейных схем: исходная схема описывается как нелинейная, затем рассчитывается режим по постоянному току и в окрестности найденной рабочей точки программно производится линеаризация характеристик, после этого проводится анализ линейного режима. Аналого-цифровые (АЦП, ЦАП, компараторы, таймеры) и чисто цифровые устройства (включая цифровые устройства на ПЛИС) моделируются в режиме расчета переходных процессов, т.е. во временной области. Однако другие режимы также доступны. Например, в режиме Dynamic DC (анализ по постоянному току) временные задержки сигналов в цифровых устройствах игнорируются и рассчитываются только выходные логические уровни (логическая “1” и логический “0”) в стационарном режиме. Кроме того в режиме AC (расчет частотных характеристик: АЧХ и ФЧХ) цифровые компоненты не участвуют в анализе малосигнальных частотных характеристик. Но для аналоговых частей АЦ- и ЦА- интерфейсов составляются линеаризованные схемы замещения их входных и выходных комплексных сопротивлений. Краткая историческая справка Ведущей компанией на рынке сквозного автоматизированного схемотехнического проектирования аналоговой, аналого-цифровой и цифровой радиоэлектронной аппаратуры на платформе персональных компьютеров до недавнего времени являлась корпорация Microsim. Первая программа схемотехнического моделирования SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) была разработана специалистами этой компании в начале 70-х годов прошлого столетия в Калифорнийском университете (г. Беркли). Она оказалась настолько удачной, что с тех пор интенсивно развивается, и де-факто стала эталонной программой моделирования чисто аналоговых устройств. Модификация этой программы под названием PSPICE, первая версия которой для IBM PC была создана в 1984 году, стала основой всех разработанных САПР для схемотехнического моделирования (проектирования). Далее компанией Microsim в 1990 году на основе общего вычислительного ядра PSPICE был создан программный пакет Design Center в среде Windows. Он позволял реализовать не только текстовый, но и графический ввод электрических принципиальных схем, а также проектирование не только аналоговых, но и аналого-цифровых (компараторы, АЦП, ЦАП) и чисто цифровых устройств (вентили, триггеры, счетчики, запоминающие устройства и т.п.). Последующие версии Design Center 6.0, 6.1 и 6.2 (1994 – 96г.г.) были дополнены программами для проектирования программируемых логических матриц (ПЛМ) и разработки топологии печатных плат. Начиная с 1996 г, корпорация Microsim стала разрабатывать новое поколение САПР для схемотехнического моделирования под названием Design Lab 8.0 (1997г), которая уже имела ряд дополнительных возможностей, в том числе: - возможность моделирования программируемых логических ИС (ПЛИС) фирмы Xilinx, - синтез аналоговых и аналого-дискретных фильтров на переключаемых конденсаторах, - возможность создания новых моделей компонентов, - повышенную надежность алгоритмов расчета переходных процессов. Наконец, в начале 1998г. произошло объединение корпораций Microsim и OrCAD, которое стимулировало развитие их ведущих проектов Design Lab и OrCAD. Новая фирма получила название OrCAD. В марте 2000г. эта объединенная фирма выпустила очередную версию OrCAD 9.2, которая позволяет производить моделирование аналоговых, аналого-цифровых и цифровых устройств, параметрическую оптимизацию, а также эффективную разработку топологии и трассировки печатных плат, т.е. сквозное проектирование. В лабораторном практикуме нашего курса широко используется система схемотехнического проектирования (моделирования) типа Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) компании Spectrum Software, конкретно версия 7. Этот пакет прикладных программ также в значительной степени развивался на основе вычислительного ядра SPICE. Первая версия этой программы (наиболее простая) МС-1 была создана в сентябре 1982года. Она позволяла осуществить графический ввод линейных и нелинейных схем только аналоговых устройств и их моделирование, а так- же получить динамическое отображение графиков характеристик в процессе моделирования. Используемая нами в учебном процессе версия МС-7 (2001 года) обладает следующими основными характеристиками:
Для пакета МС-7 имеются студенческая (демонстрационная) и профессиональная версии. Например, первая предназначена для моделирования простейших схем, содержащих не более 50 компонентов или 100 связей (число узлов + число индуктивностей + число источников сигналов). Кроме того, возможности демоверсии ограничены: в ней отсутствует программа MODEL составления математических моделей компонентов по экспериментальным данным, недоступна команда доставления списка соединений схемы для их передачи в системы разработки печатных плат, ограничены возможности средств синтеза аналоговых фильтров, построения трехмерных графиков и ряда других. В профессиональной версии МС-7 максимальный объем схемы увеличен до 10 тысяч узлов, но ее стоимость гораздо выше. Отметим, что моделирование в студенческой версии выполняется в несколько раз медленнее, чем в профессиональной. Студенческую версию можно получить по Интернету, обратившись на сайт www.spectrum-soft.com (дистрибутив демоверсии занимает 3,9 Мб). Пакет Micro-Cap7 выпускается для платформ IBM, NEC и Macintosh. В настоящее время специалисты этой компании разработали новые версии семейства: Micro-Cap 8 и 9. Эти версии используются на нашей кафедре при подготовке бакалаврских и дипломных работ. Из других систем автоматизированного схемотехнического моделирования следует выделить: ● Electronics Workbench, версия 5.0 (см. сайт www.interactiv.com)– в отличие от других систем на экране дисплея изображаются измерительные приборы (осциллографы, вольтметры и др.) 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 сообщит, что нужно анализировать переходные процессы. Если же на схеме разместить анализатор спектра, то будет сначала 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. Однако практика показывает, что точность расчетов, получаемой с помощью такого пакета, к сожалению, невелика. ● Protel DXP (на сайте www.protel.com) – интенсивно развивающаяся система сквозного проектирования аналоговых и цифровых электронных устройств, которая разработана фирмой Protel International (новое название Altium). ● Microwave Office 2002 (на сайте www.mwoffice.com) – позволяет моделировать СВЧ устройства, заданные как в виде принципиальных, так и в виде функциональных схем. Здесь моделирование стационарных режимов нелинейных устройств выполняется методом гармонического баланса, а в случае слабо нелинейных устройств используются функциональные ряды Вольтерры-Винера. Можно проводить также анализ шумов и синтез топологии микрополосковых линий. Следует отметить, что для проектирования сложных радиоэлектронных устройств и систем на уровне функционально-логического проектирования используют следующие программные пакеты: ● System VIEW фирмы Elanix (www.elanix.com) - предназначен для системотехнического моделирования систем аналоговой, цифровой и аналого-цифровой обработки сигналов, систем связи, систем автоматического регулирования и управления и др. Он представляет собой “конструктор”, позволяющий из стандартных “кубиков-черных ящиков” (как-то: усилителей, перемножителей, модуляторов, демодуляторов, генераторов, источников различных сигналов и др.) создавать функциональные схемы устройств и выполнять моделирование при воздействии на них различных сигналов и помех. ● ADS (Advanced Design System) фирмы Agilent – это пакет, предназначенный для моделирования с целью анализа характеристик современных радиосистем, содержащих блоки аналоговой и цифровой обработки сигналов различного функционального назначения. Необходимо также упомянуть о существовании современных интегрированных САПР для проектирования сверхбольших ИМС (СБИС), например, СБИС типа систем на одном кристалле – “system on chip”.Такие СБИС содержат до 106 и более электронных компонентов на одном кристалле. Они выполняются по совмещенной BiCMOS-технологии и содержат, как правило, три части: аналоговую, аналого-цифровую (АЦП и ЦАП) и цифровую (на процессорах цифровой обработки сигналов). Эти САПР состоят из большого числа программ, различающихся ориентацией на различные проектные процедуры и разные типы схем. Наиболее известными разработчиками интегрированных САПР являются фирмы Synopsys, Cadence Design Systems, Mentor Graphics. Отметим, что в дальнейшем изложение лекционного материала будет проводиться в основном применительно к версиям программного пакета МС-7, который активно используется в учебном процессе на радиотехническом факультете МЭИ. |
Похожие:
 |
Конспект лекций по дисциплине для специальности 080101. 65 «Экономическая безопасность» Информационные системы в экономике: конспект лекций по дисциплине для обучающихся по специальности 080101. 65 «Экономическая безопасность»... |
 |
Конспект лекций по дисциплине вгипу, 2009 Конспект лекций по дисциплине... Учебное пособие предназначено для студентов различных специальностей, изучающих дисциплину “Автоматизированные системы управления... |
|
Методическое пособие по выполнению лабораторных работ по дисциплине... Изыскания и основы проектирования, автомобильных дорог. Методическое пособие по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Основы... |
|
Конспект-лекций основы социальной работы 44. 05. 01 «Педагогика и... Мельников С. В. Основы социальной работы: Конспект-лекций по специальности 44. 05. 01 «Педагогика и психология девиантного поведения»... |
|
Конспект лекций Ш 39 Метрология, стандартизация, сертификация: Конспект лекций / О. А. Шейфель; Кемеровский технологический институт пищевой промышленности.... |
|
Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 080110... Налоги и налогообложение: Конспект лекций / Составитель Н. А. Леончик. – Кемерово, 2006. – 80 с |
|
Технические средства автоматизации конспект лекций Конспект лекций предназначен для студентов дневной, вечерней, заочной и дистанционной форм обучения по специальности 220301 «Автоматизация... |
|
Конспект лекций Владимир 2010 Министерство образования Российской... Автоматизированные системы бухгалтерского и управленческого учета. Часть 1: Конспект лекций / Владим гос ун-т; Сост.: Д. Н. Васильев... |
|
Конспект лекций по дисциплине «экономика татарстана» Принята на заседании кафедры экономико-математического моделирования Института управления, экономики и финансов |
|
Конспект лекций по дисциплине «Коммерческая деятельность на воздушном транспорте» Тема Рыночно-конъюнктурные исследования в коммерческой деятельности аэро- портов и авиакомпаний |
|
Конспект лекций по дисциплине «Безопасность сельскохозяйственного... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
|
Техническое задание по теме ниокр «Создание системы автоматизированного... Уровень автоматизации процесса проектирования молниезащиты весьма низкий, цикл проектирования основывается на применении разрозненных... |
|
Конспект лекций по дисциплине: «Судовые вспомогательные механизмы и устройства» Охватывает насосы с подачей 0,45÷400и давлением до 25. Трехвинтовые насосы относятся к классу герметичных и выполняются с односторонним... |
|
Конспект лекций по дисциплине опд. 06 «Маркетинг» для специальности... Сфера применения маркетинга: услуги, политика, государственные общественные организации, идеи 6 |
|
Конспект лекций по дисциплине «Информационные системы и технологии в науке и образовании» Введение. Содержание дисциплины и порядок ее изучения. Фактографический поиск. Математические модели фактографического поиска. Информационная... |
|
Конспект лекций по дисциплине Общий курс железных дорог Функционирование железнодорожного транспорта осуществляется, исходя из следующих принципов: устойчивость его работы; доступность,... |