Схемотехника ЭВМ

Программы компьютерного моделирования
электрических цепей и электронных устройств

 

  В современных условиях проектирование и создание электрической и радиоэлектронной аппаратуры представляет собой сложный итерационный процесс, состоящий из этапов: функционального проектирования, разработки принципиальной схемы, разработки печатной платы, ее изготовления, проведения испытаний, доработки по их результатам принципиальной или функциональной схемы, внесения изменений в печатную плату и т.д. Этот циклический процесс, сопровождающийся физическим и/или математическим моделированием разрабатываемого устройства, осуществляется до тех пор, пока не будут удовлетворены все требования технического задания на параметры и характеристики проектируемого устройства.

С повышением сложности аппаратуры, переходом к более высоким диапазонам частот, применением смешанных аналого-цифровых устройств число итераций увеличивается. Связано это с тем, что аналитически трудно учесть "паразитные" эффекты, присущие как электронным компонентам, так и проводникам печатных плат, и их взаимное влияние.

Кроме того, физическое моделирование разрабатываемого устройства связано с 6ольшими материальными затратами, поскольку требуется изготовление натурных макетов и их трудоемкое исследование. Часто физическое моделирование просто невозможно из-за чрезвычайной сложности устройства или невозможности доступа к отдельным его элементам (например, при разработке больших и сверхбольших интегральных микросхем).

Единственный выход из сложившегося положения заключается в организации сквозного цикла автоматизированного компьютерного проектирования аппаратуры, включающего в себя:

 

• синтез структуры и принципиальной схемы устройства;

 

• анализ его характеристик в различных режимах с учетом разброса параметров компонентов и наличия дестабилизирующих факторов и параметрическую оптимизацию;

 

• синтез топологии, включая размещение элементов на плате или кристалле и разводку межсоединений;

 

• верификацию топологии;

 

• выпуск конструкторской документации.

 

Задачи структурного синтеза решаются с помощью узкоспециализированных программ, ориентированных на устройства определенного типа. Создано, например, большое количество программ синтеза согласующих цепей, аналоговых и цифровых фильтров. Наибольшие достижения в построении программ структурного синтеза и синтеза принципиальных схем имеются в области проектирования цифровых устройств. Для большинства устройств их структура и принципиальная схема в существенной степени зависят от области применения и исходных данных на проектирование, что создает большие трудности при синтезе принципиальной схемы с помощью ЭВМ. В этом случае первоначальный вариант схемы составляется инженером "вручную" с последующим моделированием и оптимизацией на ЭВМ. Поэтому разработчики программного обеспечения САПР сосредоточили в первую очередь усилия на создании универсальных моделирующих программ для анализа характеристик широкого класса аналоговых и цифровых устройств (при этом остается огромное поле деятельности по созданию программ синтеза принципиальных схем устройств частного назначения).
Современные программы САПР работают в диалоговом режиме и имеют большой набор сервисных модулей, упрощающих работу на ПЭВМ и делающих их "дружественными" по отношению к пользователям. В частности, стандартом стал ввод принципиальной схемы моделируемого устройства в графическом виде.

Топология печатной платы или кристалла интегральной схемы синтезируется после завершения разработки принципиальной схемы. На этом этапе проектирования решается задача размещения элементов и трассировки соединений. Наиболее успешно она решается при проектировании цифровых устройств, где вмешательство человека в процесс синтеза топологии сравнительно невелико. Разработка аналоговых устройств требует гораздо большего участия человека в процессе проектирования, коррекции и при необходимости в частичной переделке результатов машинного проектирования. Основная сложность при разработке аналоговой аппаратуры заключается в автоматизации синтеза топологии и обеспечении взаимодействия программ моделирования схем и синтеза топологии.

Заключительным этапом разработки является верификация топологии. На нем проверяются соблюдение технологических норм, соответствие топологии исходной принципиальной схеме, а также рассчитываются электрические характеристики схемы с учетом паразитных параметров, присущих конкретной конструкции. При этом следует заметить, что моделирование аналоговых схем не заменит, по крайней мере в ближайшее время, физического макетирования, так как при моделировании всегда выбираются упрощенные схемы замещения, не полностью адекватные условиям работы реального устройства. Результаты логического моделирования цифровых устройств более достоверны.

Наиболее полно вышеперечисленные задачи решаются на специализированных рабочих станциях с применением программного обеспечения корпораций Mentor Graphics, Cadence и др. Однако дороговизна такого решения делает его невозможным для широкого применения.

На платформе персональных компьютеров в настоящее время так же появляется множество разнообразных программных продуктов решающих отдельные задачи в этой области. Имеются профессиональные системы, обеспечивающие сквозное проектирование аналого-цифровой аппаратуры - система DesignLab корпорации MicroSim Система OrCAD фирмы Cadence и др.

Эти программные продукты, в частности, могут быть хорошим инструментом моделирования электрофизических процессов, происходящих в электрических цепях и радиоэлектронных устройствах. С помощью программ ориентированных на схемотехническое проектирование можно рассчитывать установившиеся режимы работы цепи по постоянному и гармоническому току, её частотные, переходные и шумовые характеристики, анализировать влияние на них температуры элементов электрической цепи, а также многое другое.

В качестве элементов, составляющих моделируемую электрическую цепь в этих программах выступают: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, полупроводниковые диоды, биполярные и полевые транзисторы, трансформаторы, операционные усилители, линии задержки сигнала и ряд других радиоэлектронных и цифровых элементов.

В разделе "Электротехника" курса "Электротехника и электроника" расчёты обычно проводятся по электрическим схемам замещения цепей, которые не следует путать с электрическими принципиальными схемами. Элементы электрических схем замещения отображают электрофизические характеристики используемых при моделировании цепи компонет. Поэтому, при выполнении лабораторных и расчётных работ, элементами схем замещения являются схемные модели электрических свойств компонент реальной электрической цепи:

 

• сопротивления (резистора; провода катушки индуктивности; слоёв вещества полупроводниковых приборов и т.п.);

 

• ёмкости (конденсатора; между проводниками, например, катушки индуктивности; p-n переходов и т.п.);

 

• индуктивности (катушки индуктивности; проводника и т.п.);

 

• идеальные независимые и управляемые источники тока и напряжения (ЭДС батарей и аккумуляторов; напряжение сети электропитания, полупроводниковые и электровакуумные приборы, трансформаторы и т.п.);

 

• идеальные ключи (переключатели; контакты реле; полупроводниковые ключи и т.п.) и некоторые другие компоненты.

 

Для типовых компонент электрических цепей, цифровых и радиоэлектронных устройств обычно используются макромодели этих элементов, уже включающие в себя несколько типичных для этих приборов электрофизических свойств и имеющие соответствующие настройки их параметров. В качестве примера можно привести макромодели для полупроводниковых приборов, операционных усилителей, линий задержки сигнала и т.п.

Информация, необходимая для расчёта конкретных электрических процессов по выбранной, с учётом различных факторов (точность отображения электрофизических свойств, режим работы элементов цепи, технологические особенности изготовления элементов цепи и т.п.), схеме замещения электрической цепи, хранится в файлах, имеющих произвольные имена и расширения, эксклюзивные для каждой из программ. Эти файлы содержат: описания схемы, её элементов; указания на тип и характеристики выполняемого анализа, информацию для входящих в пакеты вспомогательных программ отображения результатов моделирования и другие данные.

Все современные системы схемотехнического проектирования имеют развитый графический интерфейс, позволяющий легко и быстро формировать и редактировать моделируемую схему и её параметры, настраивать процесс моделирования.

Программа Electronics Workbench .

Интерфейс программы

Интерфейс программы Electronics Workbench (EWB) v.4.хх типичен для Windows-приложений и содержит в области управления:

• поле меню (File, Edit, Circuit, Window, Help),

 

• линейку контрольно-измерительных приборов (Multimeter - цифровой измеритель постоянного и гармонического напряжения и тока, а также сопротивления; Function generator - генератор периодических сигналов (гармонического, пилообразного и импульсного прямоугольного); Oscilloscope - двухлучевой осциллограф; Bode Plotter - измеритель амплитудно- и фазо-частотных характеристик и приборы для исследования и преобразования дискретных логических сигналов)

 

• линейку нескольких библиотек компонентов ( ), которые развертываются обычно в левой части рабочей области программы в виде дополнительного окна;

 

• клавишу O-I для управления работой (включения и выключения) исследуемой схемы.

Принцип работы с программой Electronics Workbench .

Принципиальная электрическая схема моделируемой цепи с подключенными к ней иконками контрольно-измерительных приборов располагается в основном окне на рабочем поле программы. При необходимости, на экран может быть выведено в виде ещё одного дополнительного окна краткое описание схемы (description), к сожалению, только на английском языке. Линейки прокрутки используются только для перемещения схемы по экрану.

Соединение элементов схемы производится следующим образом: курсор мыши наводится на контакт элемента, который мы хотим соединить, нажимам левую кнопку мыши, затем наводим курсор мыши на элемент схемы с которым этот контакт соединяется и нажимаем левую кнопку мыши.

Пример:

Соберем произвольную логическую схему на элементах И-НЕ, для этого:

- активизируем окно набора логических элементов (Logic Gates), нажав на иконку с изображением

- в появившемся окне выберем нужный нам логический элемент и перетаскиваем его с помошью мыши на рабочее поле.

В результате выше указанных манипуляций получится следующее:

- Действуя аналогично, добавим еще два логических элемента. При этом можно пользоваться процедурой Copy -> Past:

1. Выделите объект, который следует переместить или скопировать.

2. Выполните одно из следующих действий.

   • Чтобы скопировать объект, выберите Copy в меню Edit. Или воспользуйтесь сочетанием клавиш (Ctrl + C).

   • Чтобы вставить ранее скопированный объект, нажмите Past в том же меню. Или сочетание клавиш (Ctrl + V).

- соединим элементы схемы

- Подключим к выходу схемы индикационную лампочку (Red Probe) , которая находится в поле Indicators с иконкой .

- На вход схемы подадим управляющие сигналы +5 V (+Vcc Voltage Source) через управляемые ключи (Switch) , которые можем найти в поле Basic c иконкой .

• Чтобы назначить управляющую клавишу переключателя (ключа) – дважды кликните на его изображение, затем в поле Key меню Value укажите управляющею клавишу.

В результате выше указанных манипуляций получится следующее: