Software & Systems

Назначение схемотехнических САПР. Электронные устройства (схемы) применяются повсеместно: в быту, науке н технике, в промышленности, связи и транспорте. По богатству и разнообразию их типов они сравнимы разве что с имеющими многовековую историю развития механическими устройствами. Физические процессы, протекающие в схемах, сложны и недоступны для обычных органов чувств человека. Лишь их математический анализ и исследования с помощью специальных приборов позволяют понять сложные физические закономерности работы электронных устройств.

С возникновением микроэлектроники стало ясно, что инженеры-практики схемотехнического профиля выходят из моды, поскольку от-макетировать микроэлектронное устройство традиционными способами оказывается попросту невозможно. Слишком дорого стали обходиться и эксперименты с новыми типами мощных биполярных и полевых' транзисторов. Достаточно кратковременных перегрузок (порою в тысячные доли секунды), чтобы эти дорогие и дефицитные приборы превратились в горку металлолома. А исследование схем на множестве макетов с целью прогнозирования серийного выпуска (метод Монте Карло) обходится слишком дорого.

По этим причинам естественен интерес к машинным методам моделирования и проектирования электронных схем [1-6]. Ряд систем для этого (например схемотехнические САПР) был реализован на больших и мини-ЭВМ (серии IBM 360, VAX, отечественные ЕС и др.). Например, широкую известность получила система SPICE, ставшая эталоном схемотехнических САПР среднего уровня [1]. Подобные системы способны проводить различные виды анализа топологически заданных электронных схем произвольной конфигурации.

К сожалению, такие системы были практически недоступны большинству схемотехников, инженеров и научных работников в силу специфики работы на больших ЭВМ. Лишь с появлением персональных компьютеров (ПК) с достаточно высокими техническими характеристиками (таких, как IBM PC XT/AT и PS2) стала возможной разработка схемотехнических САПР, доступны* указанным категориям пользователей. Более того, прекрасные графические возможности ПК и ориентация базовых программных средств на удобный диалог с пользователем привели к существенному улучшению эргономических и эксплуатационных характеристик САПР и автоматизированных рабочих мест (АРМ) на их основе.

САПР аналоговых схем серии MicroCAP II.

В 1986 г. фирма Spectrum Software выпустила на рынок интегрированную программную систему MicroCAP [8,9]. Различные версии этой системы способны работать даже на простых ПК серии IBM PC (например IBM PC XT, Amctrad PC 512, Euro PC и т.д.).

Интегрированные системы схемотехнического моделирования MicroCAP II выгодно отличаются от других таких систем для ПК (например PSPICE или NAP-2 [7]} своим превосходным сервисом. Самый трудный этап проектирования (задание схемы и ее топологическое и математическое описание) в них реализован простым и наглядным графическим диалогом. Он напоминает сборку схем с помощью конструктора, содержащего кубики с компонентами электронных схем, из которых радиолюбитель собирает нужную схему. Не требуется знания никаких входных языков для топологического задания схем и управления системой в ходе их моделирования. Результаты его получаются как в числовой (табличной форме), так и в виде прекрасных графиков, весьма напоминающих осциллограммы в результате исследований схемы с помощью электронного осциллографа, характериографа или измерителя частотных характеристик.

Одна из последних версий MicroCAP II {v. 4.0, 1987) имеет улучшенные вычислительные возможности. В ней устранены некоторые неточности в описании отдельных компонентов схем, хотя она в целом сохранила идеологию предыдущих версий. Эта версия содержит наиболее обширные библиотеки компонентов - до 100 для каждого из основных компонентов (диодов, биполярных и полевых транзисторов, операционных усилителей и др.).

MicroCAP II позволяет осуществлять следующие виды анализа схем:

-    анализ по постоянному току (DC),

-    малосигнальный анализ в частотной об ласти (АС),

-    анализ переходных процессов (Transient Analysis),

-    спектральный анализ (Fourier).

При анализе схем по постоянному току и при анализе переходных процессов число узлов может доходить до 150, а при анализе в частотной области до 75. Возможен многовариантный расчет, например для разных температур или с учетом статистического разброса параметров. Окно схемы содержит 4 страницы.

Micro-CAP II является интегрированной программкой системой, содержащей графический редактор, программу моделирования схем,

библиотеки различных компонентов, драйверы внешних устройств, программу отладки моделей и др. Режимы работы системы задаются выбором пункта основного меню, командная строка которого находится в верхней части экрана. С помощью меню можно производить операции по построению схемы и ее корректировке, подготовке схемы к анализу, работе с файлами, библиотеками и утилитами сервиса системы. Вызов нужного пункта меню осуществляется нажатием начальной буквы каждой команды.

Для настройки моделей компонентов в системы семейства Micro-CAP введены специальные программы расчета параметров компонентов PEP (Parameter Estimation Program), которые по справочным данным на прибор [10,11] автоматически составляют таблицу параметров его модели и записывают их в специальную библиотеку. Пользователь» может не только проанализировать полученные значения параметров, но и изменять их для получения желаемого сходства расчетных статических характеристик прибора (график их можно вывести на экран) с реальными.

Схемотехнические САПР серии Micro-CAP Ш. Новые большие возможности для проектирования, изучения и анализа электронных схем предоставляют последние версии Micro-CAP III, графический редактор которых ориентирован на работу с мышкой (хотя и сохраняет возможность работы с клавиатурой). Помимо значительно большего быстродействия, система Micro-CAP HI предоставляет пользователю множество дополнительных возможностей: современный многооконный интерфейс, выпадающие меню и каталоги файлов и компонент, встроенный калькулятор, удобную систему подсказок, возможность нанесения на рисунки схем сопроводительных надписей и т.д. Предусмотрена трансляция библиотек компонентов и схемных данных из более ранних версий, а также подготовка файлов схем для работы с другой популярной системой моделирования PSP1CE.

Система Micro-CAP Ш позволяет быстро вводить графическое изображение схем и работать с меню либо с помощью мышки, маркер которой перемещается по экрану и позициям меню. Применение мышки существенно ускоряет процесс конструирования и коррекции схем, тем более что графический редактор Micro-CAP III имеет довольно широкий набор средств редактирования. Например, имеется возможность переносить отдельные элементы схемы по экрану, выделять фрагмент схемы в "ящик", с которым можно проводить операции редактирования отдельно, плавно перемещать все изображение в любом направлении и др.

Micro-CAP III позволяет вести отдельную "записную книжку" для каждой рассчитываемой схемы и при необходимости пользоваться комментариями для пояснения ее особенностей. Встооенный калькулятор обеспечивает проведение простых математических вычислений по ходу анализа схемы, что является весьма полезным при осмыслении реэультато] моделирования или при прикидках данных i нему.

Наиболее важным достоинством Micro-CAF III является возможность задания практически любых аналитических зависимостей (например временных или ВАХ) с помощью функций пользователя, что необходимо для создания собственных математических моделей новых приборов. В результате система стала расширяемой, и в ней можно моделировать схемы с принципиально новыми приборами и их моделями. Заметно улучшен аппарат Micro-CAP Ш.

На базе системы Micro-CAP III возможно создание современного АРМ схемотехника. При этом разработанные схемные решения могут передаваться в САПР печатных плат и из изготовления. Тем самым возможна реализация сквозного цикла проектирования н выпуска устройств.

Режимы конструирования и анализа схем задаются с помощью многооконной системы ввода и представления информации и задания меню. На рисунке 1 представлено переднее панно системы после загрузки схемного файла.

Основное меню расположено в верхней строке экрана. Каждый пункт основного меню имеет свое выпадающее подменю, которое раскрывается после указания соответствующего пункта. Для этого достаточно нажать на клавишу с заглавной буквой одной из позиций основного меню. Активизировать позицию меню можно и с помощью мышки, установив ее маркер (жирную стрелку) на нужную позицию основного меню. Далее нажимается левая клавиша и маркер перемещается с нужной под-позиции. Ее ввод фиксируется отпусканием левой клавиши мышки.

Кроме того, на экране присутствуют два дополнительных окна: окно с меню режимов редактирования Mode (левое вертикальное окно) и окно с перечнем компонентов Components (правое вертикальное окно). Схема конструируется в центральном окне. Окна можно перемещать по экрану с помощью левой клавиши мышки, окно схем можно распахнуть на весь экран. Открытие и закрытие окон осуществляется выбором Windows основного меню.

Для ввода изображения компонента схемы достаточно указать маркером мышки его тип в правом окне. Затем в левом окне указываются позиции Add и Component. После этого маркер мышки устанавливается примерно в нужное место экрана, нажимается и удерживается левая кнопка мышки. Перемещая мышку, можно плавно перемещать изображение компонента. Если одновременно нажать правую кнопку мышки, изображение компонента начнет вращаться, и можно задать нужную его ориентацию. Отпускание клавиш ведет к фиксации компонента.

В верхней строке каждого активного окна имеются небольшие квадратики. Квадратик с буквой Н вызывает появление сообщения о помощи. Квадратик с 9 маленькими квадратиками позволяет перемещать изображение в окне в различном направлении. Есть квадратик, с помощью которого окно распахивается на весь экран. Пустой квадратик закрывает окно. Для всех этих действий достаточно установить маркер мышки на нужный квадратик и нажать левую клавишу мышки.

Следует отметить, что не всегда возможно выполнение отдельных видов работ (например, в режиме калькулятора нельзя конструировать схему). В'этом случае Micro-CAP III изменяет цвет и вид шрифта для тех пунктов меню, которые не могут быть выполнены. Это очень удобно, особенно в начале освоения системы, когда логика ее работы не вполне ясна.

На рисунке 2 даны семейства АЧХ, ФЧХ и частотных зависимостей групповой задержки для указанных значений С. Из н«х отчетливо видно, что конденсатор С влияет, в основном, на вид АЧХ к ФЧХ в низкочастотной границе частотного диапазона. Возможность вывода нескольких кривых для каждого параметра (опция Steping) дает возможность наглядного сравнения нескольких вариантов расчета.

Возможно создание макромоделей сложных электронных устройств. На рисунке 3 показано задание макромодели диодного оптрона. Излучатель представлен входным GaAs диодом. Световой поток его пропорционален прямому току. Поэтому фототок диода моделируется с помощью управляемого током источника тока (компонент IOF1) с заданным коэффициентом передачи тока. Фотодиод представлен источником фототока, зашунтированным другим диодом. С помощью обозначений PIN маркируются выводы многополюсника - макромодели. Она описывается редактором параметров компонент.

исполнении команды Transirnt в позиции Run основного меню.

В библиотеку системы включены макромо-делк основных типов логических устройств (NO, AND, OR) с различным числом входов. Макромодели построены на основе управляемых напряжением ключей. Они позволяют учитывать напряжения питания и задержку переключения (она моделирует RC-цепями). Разумеется, этот учет дает лишь приближенное представление о физических процессах в таких устройствах.

САПР логических схем Micro-LOGiC. С появлением микроэлектроники возник и интенсивно развивается новый класс схем - интегральные логические и цифровые микросхемы [12]. Для пользователя они являются неким "черным ящиком" с известным и довольно простым поведением. Полная принципиальная схема такой микросхемы, как правило, пользователю неизвестна, и в справочной литературе даже не приводится. Из логических и цифровых микросхем могут создаваться сложные электронные системы - от наручных электронных часов и калькуляторов до вычислительных машин, сложнейших систем управления аэропортами и космодромами.

В корне меняется подход к моделированию таких схем - вместо детального моделирования (на уровне учета каждого компонента) используется макромоделирование, при котором схема описывается как многополюсник с известными логическими функциями. Основной задачей моделирования является получение временных логических диаграмм работы устройства в том виде, который выдают специальные испытательные устройства - логические анализаторы.

Рисунок 4 иллюстрирует применение модели оптрона в схеме для его испытания во временной области.

Для реализации этих возможностей фирма Spectrum Software наряду с системами Micro-САР создала интегрированные системы моде

лирования логических и цифровых схем серии Micro-LOGIC. Эти системы позволяют конст-

руировать логические или цифровые схемы из набора компонентов в виде стандартных интегральных логических и цифровых микросхем. Можно описывать и свои нестандартные логические схемы.

Micro-LOGIC позволяет (на уровне моделирования, разумеется) подключать'х заданным точкам схем тактовые и испытательные сигналы и наблюдать временные диаграммы работы моделируемой схемы как в статике, так и в динамике.

Благодаря реализации принципов макромоделирования системы Micro-LOGIC позволяет быстро моделировать довольно сложные логические и цифровые схемы, которые явно "не по зубам" системам Micro-CAP. В то же время пользовательский интерфейс у систем Micro-LOGIC очень похож на используемый в системах Micro-CAP III. Сохранена и ориентация на ПК класса IBM PC.

Совместно системы Micro-CAP и Micro-LOGIC позволяют моделировать огромное число самых разнообразных электронных схем и устройств. Их применение способствует разработке новых схемотехнических решений и повышению эффективности работы электронных устройств (в том числе надежности, долговечности, технологичности и быстродействия). Можно сказать, что эти системы взаимно дополняют друг друга и созданы как единый комплекс схемотехнического моделирования с удобным графическим и многооконным пользовательским интерфейсом. При загрузке системы Micro-LOGIC появляется переднее панно, напоминающее описанное ранее для системы. Командой Load drawing можно загрузить в центральное окно схему (рис. 6).

Пункт основного меню Simulate активизируется мышкой или нажатием клавиши S и затем 1. В результате осуществляется анализ работы заданной схемы во временной области. Рисунок 7 показывает распечатку принтером результата моделирования для примера EXAMPLE. Как видно, этот результат очень напоминает картинку, наблюдаемую на экране трубки многоканального логического анализатора.

С помощью системы Micro-LOGIC можно наблюдать бегущие логические диаграммы и анализировать логику работы сложных логических и цифровых схем, содержащих сотни вентилей.

На основе систем Micro-CAP, Micro-LOGIC, PSPICE и NAP2 в ГНЦ "КИТ" разрабатывается многофункциональный АРМ схемотехника. Для расширения возможностей систем MicroCAP подготовлены библиотеки компонентов, в которые включены многие типы отечественных полупроводниковых приборов [10,11].

Рис- 7. Временные логические диаграммы для принтера EXAMPLE

Список литературы

1. Чуа Л.О., Лнк Пен-Мин. Машинный анализ электронных схем: Алгоритмы и вычислительные методы. / Пер. с англ. - М.: Энергий, 1980. - 640 с.

2.     Ильин В.Н., Коган В,Л. Разработка и применение программ автоматизации схемотехнического проектирования. - М Радио и связь, 1984. - 368 с.

1 Системы автоматизированного проектирования в радиоэлектронн*е: Справочник / Е.В. Авдеев, А.Т. Еремин, И.П Норенков, М.И. Песков; Под ред. И.П. Норенкова. - М.; Радио и связь, 1986. - 368 с.

4.     Влах И., Сингхал К. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем / Пер. с англ. - М.: Радио I связь, 1988.- 560 с.

5.     Диалоговые системы схемотехнического проектирования / В.И. Аниснмов, Г.Д. Дмитревнч, К.Е. Скобельцын и др. Под ред. В.И. Аннскмова. - М.: Радио и связь, 198S. - 288 с.

6.     Демирчян К.С., Бутырнн П.А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей - М.: Высшая школа, 1988. - 335 с.

7.     Rubrier-Petersen Т. A Nonlinear Analysis Program for electronic circuits. User manual. - Lyngby: Technical University ol Denmark, 1973. - 107 p.

8.     Micro-CAP and Micro-LOGIC / Byte. - 1986. - ¥.11. - No6. - p.186.

9.     Micro-CAP. Andrew V. Thompson. Spectrum Software. 1983.

10.     Транзисторы: Справочник / О.П. Григорьев, В.Я. Замятин. 3. Кондратьев, С.Л. Пожидаев. - М.: Радио и связь, 1990.

11.     Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стаб; .'нтроньг, тиристоры: Справочник / А.Б. Гитцевнч, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др. Под ред. А.В. Голомедова. - М.: Радио н связь, 1988.

12.     Цифровые н аналоговые интегральные схемы: Справочник. / СВ. Якубовский, Л.И. Ннсссльсон, НИ. Кулешова и др.; Под ред. СВ. Якубовского. - М.: Радио и связь, 1990.