Обзор пакетов прикладных программ электронного проектирования

1Обзор пакетов прикладных программ электронногопроектированияВ обзоре использованы материалы журналов: «Электронные компоненты», «CAD/CAM/CAE Observer», «EDA Express», сайтов: www.rodnik.ru, www.elcp.ru, www.eltm.ru, rk6.bmstu.ru, книги В.Разевига, В.Дьяконова.ВведениеИстория автоматизации проектирования в электронике (EDA — Electronic Design Automation, ECAD —Electronic Сomputer-Aided Design) насчитывает уже около 40 лет.На первом этапе в 60-70-е годы решались принципиальные вопросы создания математического обеспечения ECAD. До этого в электронике господствовали экспериментальные методы проектирования.

Переход к компьютерным расчетам и моделированию требовал разработки адекватных математическихмоделей схем и конструкций радиоэлектронной аппаратуры и численных методов исследования этихмоделей. Поэтому для первого поколения средств EDA, представлявших собой не связанные друг с другом программы расчета печатных плат и электронных схем, главными были формализация постановокпроектных задач и выбор соответствующего математического аппарата. Уже с конца 60-х годов развитие EDA в основном определяется прогрессом микроэлектроники.

Непрерывный рост степени интеграции, уменьшение проектных норм приводят к увеличению сложности микроэлектронных изделий, к появлению БИС, затем СБИС и УБИС. В 80-е годы появляются технологии разработки микропроцессорови схем памяти, заказных и полузаказных СБИС (ASIC — Application-Specific Integrated Circuits), в томчисле на программируемых логических микросхемах — ПЛИС (CPLD — Complex Progammable LogicDevice) и программируемых вентильных матрицах (FPGA — Field Programmable Gate Array).Выделяют следующие категории электронных САПР:• моделирование смешанных аналого-цифровых устройств;• моделирование и синтез логики для ПЛИС;• схемотехническое и электромагнитное моделирование СВЧ–устройств;• поведенческое моделирование на уровне структурных схем;• проектирование печатных плат;• анализ электромагнитной совместимости;• тепловое моделирование;• проектирование топологий БИС;• разработка конструкторской документации;• разработка технологических процессов.Некоторые категории САПР рассмотрены ниже.Схемотехническое моделирование аналого-цифровых устройствЭто наиболее распространенная задача проектирования.

Все современные продукты предполагают вводпроекта в редакторе принципиальных схем, после чего генерируется список соединений, необходимыйдля работы программы моделирования.Мировым лидером в области автоматизации схемотехнического проектирования можно считать программу SPICE. Она была разработана в университете Беркли, США в 1972 г. Различные версии этогоалгоритма были в разное время заимствованы производителями программного обеспечения для использования в своих продуктах и в настоящее время под этим названием известен ряд программ различныхфирм. В силу использования единого вычислительного алгоритма программы различных производителей представляют собой по большому счету всего лишь графические оболочки, предоставляющие пользователю доступ к функциям программы SPICE, а также некоторые дополнительные возможности обработки полученных данных.

Первая версия этой программы для персональных компьютеров PSpice создана в 1985 г. В типовой набор методов анализа входят статический, динамический и частотный видыанализа, смешанное логико-аналоговое моделирование (mixed-signal simulation), температурный (с индивидуальными значениями температуры по приборам) и шумовой анализы, расчет на наихудший случай и статистический по методу Монте-Карло, спектральный анализ, максимизация быстродействия(оптимизируется до 8 параметров). В логической части реализовано событийное моделирование, выявляются риски сбоя, рассчитываются зависимые от нагрузки задержки. Программа характеризуется богатым набором математических моделей компонентов, включая модели магнитных элементов с учетом2насыщения и гистерезиса, длинных линий с учетом задержек, отражений, потерь и перекрестных помех,взаимодействия аналоговой и цифровой частей и др. Библиотека открыта для включения моделей пользователя, имеются соответствующие инструментальные средства пополнения библиотеки.CircuitMaker 2000 (www.altium.com, www.

circuit-maker.com) — простейшая система моделированияфирмы Microcode Engineering (ныне принадлежит компании Protel), в которой приняты модели компонентов стандарта SPICE. Программа содержит обширную библиотеку моделей промышленных изделийэлектронных компонентов с возможностью оперативного просмотра их основных характеристик (например, для транзистора — это тип корпуса, максимальное напряжение, ток, частота, фирмаизготовитель и др.). Программа позволяет достаточно оперативно подготавливать электрические схемыаналоговых, цифровых или смешанных аналого-цифровых устройств и проводить их моделирование сполучением результатов в виде осциллограмм сигналов и графиков частотных характеристик; возможнополучение точных отсчетов с помощью вертикальных и горизонтальных визирных линий; позволяетконтролировать режим по постоянному току в выбранных точках схемы. Отличительной особенностьюпрограммы является наличие анимационных компонентов (запуск ракеты, старт автомобилей), призванных имитировать конечный результат работы схемы, а также наличие учебного пособия в демонстрационном режиме.

Она интегрируется с программой разработки печатных плат TraxMaker.Electronics Workbench 5 (www.interactiv.com) — разработка фирмы Interactive Image Technologies. Позволяет моделировать аналоговые, простые цифровые и аналого-цифровые схемы электронных устройств, устройств автоматики, электромеханических устройств, а также схем, состоящих из функциональных блоков с заданными передаточными функциями. Имеется обширная библиотека моделей аналоговых и цифровых устройств, включая модели интегральных схем и полевых транзисторов.

Позволяетсоздавать и редактировать принципиальную схему, подключать измерительные приборы и выполнитьуказанные ниже виды анализа. Возможность подключения в схему измерительных приборов, по внешнему виду и характеристикам приближающихся к промышленным образцам, является одной из отличительных особенностей программы, В качестве контрольно-измерительных приборов можно использовать мультиметр, осциллограф, измеритель АЧХ и ФЧХ, логический анализатор, логический преобразователь, генератор слов, функциональный генератор.

Программа позволяет имитировать отказы компонентов в виде разрыва, короткого замыкания, наличия переходного сопротивления. Реализованы следующие виды анализа:• DC-анализ (режимы работы по постоянному току);• АС-анализ (АЧХ и ФЧХ);• анализ переходных процессов;• многовариантный анализ по постоянному току;• Фурье-анализ и анализ спектра внутренних шумов;• анализ нелинейных и интермодуляционных искажений;• анализ при вариации параметров схемы и температуры;• расчет нулей и полюсов передаточных функций;• расчет относительной чувствительности характеристик схемы к изменению параметров выбранного элемента в режимах DC и АС;• расчет на наихудший случай;• статистический анализ методом Монте-Карло.Пользователю программы дается возможность настройки параметров анализа — выбор метода численного интегрирования; задание величин относительной и абсолютной погрешности вычислений; заданиеминимальной проводимости ветвей; изменение величины шага и числа итерации при статическом анализе.В конце 1998 г.

программа Electronics Workbench 5.3 дополнена простейшей программой разработки печатных плат EWB Layout (Multiboard), причем интерфейс с другими известными САПР печатных платне предусмотрен, и затем серией программ Multisim 2001, Ultiboard 2001, Ultiroute и Commsim 2001.Первая из них позволяет осуществлять SPICE, VНDL, Verilog и смешанное моделирование, две другиепрограммы выполняют размещение и трассировку соединений на платах, имеющих до 32 слоев.Multisim 2001 поступает к заказчику с полной базой компонентов. Каждый из 16000 компонентов включает имитационную модель, схематический символ, электрические параметры и макет для разводки. Дляпрограммы создан информационный ресурс Интернет с более 12 миллионами компонентов(edaParts.com), дающий пользователям быстрый и простой доступ к центру конструирования (Design3Center), наибольшей в мире базы данных по электронным компонентам.

Программа имеет модуль дляредактирования, импорта или создания новых компонентов.Micro-Cap 7 / 8 (www.spectrum-soft.com) — разработка фирмы Spectrum Software.Предоставляет практически все виды анализа аналоговых и цифровых схем, а также• средства синтеза пассивных и активных аналоговых фильтров;• интерфейс с программами разработки печатных плат OrCAD, P-CAD, Protel и др.;• режим анимации при анализе;• анализ S-параметров линейных 4-полюсников и круговые диаграммы (диаграммы Смита) для моделирования высокочастотных устройств;• редактор воздействий Stimulus Editor;• редактор компонентов Component Editor.Другие достоинства Micro-Cap:• исчерпывающая встроенная помощь;• возможность задания функциональных зависимостей параметров схемы (как функций времени,токов ветвей и узловых потенциалов), причем эти возможности даже несколько шире, чем в OrCAD — в них можно сделать параметры пассивных компонентов зависящими только от токов илинапряжений других ветвей схемы, в этих целях не нужно применять управляемые источники токовили напряжений;• многостраничный графический редактор принципиальных схем, поддерживающий иерархическиеструктуры;• поведенческое моделирование аналоговых и цифровых компонентов, возможность описания цифровых компонентов с помощью логических выражений, что позволяет моделировать динамические системы, заданные не только принципиальными, но и функциональными схемами;• большая библиотека компонентов;• макромодели компонентов могут быть представлены в виде принципиальных электрических схемили в текстовом виде;• графики результатов выводятся в процессе моделирования или после его окончания по выборупользователя, имеются сервисные возможности обработки графиков;• многовариантный анализ при вариации параметров и статистический анализ по методу МонтеКарло;• имеется специальная программа для расчета параметров математических моделей аналоговыхкомпонентов по справочным или экспериментальным данным.Программа Micro-Cap очень удобна для первоначального освоения схемотехнического моделированияэлектронных схем.OrCAD 9.2 / 10 (www.orcad.com) — интегрированный программный комплекс для сквозного проектирования аналоговых, цифровых и смешанных аналого-цифровых устройств, синтеза устройств программируемой логики и аналоговых фильтров.

Выпущен корпорацией Cadence Design Systems (бывшаяDesignLab), в которую в 1999 г. влились прежние разработчики программы — компании MicroSim и OrCAD. Проектирование начинается с ввода принципиальной схемы, ее моделирования и оптимизации изаканчивается созданием управляющих файлов для программаторов, разработкой печатной платы и выводом управляющих файлов для фотоплоттеров и сверлильных станков. Основные модули системы:OrCad Capture — управляющий модуль. При помощи этого модуля создаются принципиальные схемыпроектов разного типа. При синтезе ПЛИС и моделировании цифровых устройств этот модуль работаетс модулем OrCad Express.