Математические модели РЭС на метауровне. Схемотехническое проектирование

15.4. Информационные технологии схемотехнического моделирования аналого-цифровых устройств

Все современные ^{1В 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, Eurointech.ru, статьи Гридина В.Н., Долина Г.А., Бороздина Д.Н., книги В.Разевига, В.Дьяконова, а также на сайтах фирм-производителей САПР  Cadence, Zuken, Mentor Graphics, Spectrum Software и т.д.} продукты предполагают ввод проекта в редакторе принципиальных схем, после чего генерируется список соединений, необходимый для работы программы моде-лирования.

Мировым лидером в области автоматизации схемотехнического проектирования можно считать программу SPICE. Она была разработана в университете Беркли, США, в 1972 г. Различные версии этого алгоритма были в разное время заимствованы производителями программного обеспечения для использования в своих продуктах, и в настоящее время под этим названием известен ряд программ различных фирм. В силу применения 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 виды анализа, 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 учетом насыщения 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 моделирования фирмы Microcode Engineering (ныне принадлежит компании Protel), в которой приняты модели компонентов стандарта SPICE.

Программа содержит обширную библиотеку моделей промышленных изделий электронных компонентов с возможностью оперативного просмотра их основных характеристик (например, для транзистора это тип корпуса, максимальное напряжение, ток, частота, фирма-изготовитель и др.).

Программа позволяет достаточно оперативно подготавливать электрические схемы аналоговых, цифровых или смешанных аналого-цифровых устройств и проводить их моделирование с получением результатов в виде осциллограмм сигналов и графиков частотных характеристик; возможно получение точных отсчетов с помощью вертикальных и горизонтальных визирных линий; позволяет контролировать режим по постоянному току в выбранных точках схемы. Отличительной особенностью программы 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. Есть возможность создавать и редактировать принципиальную схему, подключать измерительные приборы и выполнить указанные 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;
• 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; задание минимальной проводимости ветвей; изменение величины шага и числа итерации при статистическом 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 плат не 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 другие программы 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. Для программы создан информационный ресурс Интернета с более чем 12-ю миллионами компонентов (edaParts.com), дающий пользователям быстрый и простой доступ к центру конструирования (Design Center), наибольшей в мире базы данных по электронным компонентам. Программа имеет модуль для редактирования, 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 (например, 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 или напряжений других ветвей схемы, в этих целях не нужно применять управляемые источники токов или напряжений;
• многостраничный графический редактор принципиальных схем, поддерживающий иерархические структуры;
• 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 схем или в текстовом виде;
• графики результатов выводятся в процессе моделирования или после его окончания по выбору пользователя, имеются сервисные возможности обработки графиков;
• многовариантный анализ при вариации параметров и статистический анализ по методу Монте-Карло;
• имеется специальная программа для расчета параметров математических моделей аналоговых компонентов по справочным или экспериментальным данным.

Программа Micro-Cap очень удобна для первоначального освоения схемотехнического моделирования электронных 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 (бывшая DesignLab), в которую в 1999 г. влились прежние разработчики программы - компании MicroSim и OrCAD. Проектирование начинается с ввода принципиальной схемы, ее моделирования и оптимизации и заканчивается 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 схемы проектов разного типа. При синтезе ПЛИС и моделировании цифровых устройств этот модуль работает с модулем OrCad Express. При моделировании аналоговых или аналого-цифровых устройств он работает с модулем PSPICE, при параметрической оптимизации - совместно с модулем PSPICE Optimizer, при разработке печатных плат - с модулем OrCad Layout;
• OrCad Capture Cis (Component Information System) - модуль для создания принципиальных схем с поддержкой Internet. Зарегистрированный пользователь получает доступ к каталогу из 200 000 компонентов ведущих фирм-производителей;
• OrCAD PSpise - модуль моделирования аналоговых и цифровых устройств. Позволяет рассчитывать режимы по постоянному току, чувствительность характеристик к вариации параметров компонентов, передаточные функции, частотные, фазовые и шумовые характеристики, переходные процессы, проводить спектральный анализ, статистические испытания по методу Монте-Карло, многовариантный анализ, параметрическую оптимизацию.

Protel DXP (www.protel.com) - интенсивно развивающаяся система сквозного проектирования аналоговых и цифровых электронных устройств фирмы Protel. Позволяет проводить все виды анализа из стандартного набора, предлагаемого любыми программами на базе ядра SPICE. По своим функциональным возможностям приближается к системе OrCAD. Позволяет выполнять проектирование аналоговых и аналого-цифровых устройств, в том числе задаваемых многостраничными принципиальными схемами иерархической структуры и схемами, содержащими самые современные ПЛИС, производить размещение (компоновку/трассировку) печатных плат с применением различных программ автотрассировки, проводить анализ целостности сигналов.

View Analog (www.innoveda.com) изначально был разработан компанией ViewLogic, а впоследствии вошел в состав пакета eProduct Designer компании Innoveda. Модуль имеет стандартный набор функций моделирования смешанных аналого-цифровых устройств на базе алгоритма SPICE, но он настолько тесно интегрируется с продуктами семейства Fusion, что позволяет моделировать поведение программируемой логической схемы, описанной на языках VHDL, Verilog, Abel, в окружении аналоговых компонентов.

Примером отечественных программ схемотехнического анализа могут служить версии программ ПА: версия ПА 7, в которой наряду с видами анализа, обычными для программ анализа электронных схем, реализовано моделирование механических, гидравлических, тепловых процессов, и последняя версия ПА 9, написанная на языке Java и ориентированная на использование в распределенных системах проектирования.

15.5. Синтез логических схем

Важной задачей проектирования является синтез логической схемы для последующей ее реализации на программируемых логических интегральных схемах (PLD, CPLD, FPGA). Как правило, в продуктах, предназначенных для этих целей, используется задание функционирования работы схемы, сделанное на одном из языков описания аппаратуры (HDL), например, VHDL или Verilog. Для простых устройств проект может быть задан в виде принципиальной схемы.

MAX+PLUS II (www.altera.com) фирмы Altera предлагает полный спектр возможностей логического дизайна: разнообразные средства описания проектов с иерархической структурой, мощный логический синтез, компиляцию с заданными временными параметрами, разделение на части, функциональное и временное тестирование (симуляцию), тестирование нескольких связанных устройств, анализ временных параметров системы, автоматическую локализацию ошибок, программирование и верификацию устройств.

Программа PeakFPGA (www.peakfpga.com) была изначально разработана компанией Accolade Design Automation, которая впоследствии вошла в состав Protel. Программа предназначена для построения проектов, описанных на языке VHDL, и упаковки их в конкретные микросхемы различных производителей.

Мощные средства моделирования и верификации позволяют производить быстрый поиск ошибок по различным критериям и отладку разрабатываемого устройства. Для описания проектов используется язык CUPL, позволяющий описывать логические схемы произвольной комбинацией трех методов: булевыми выражениями, таблицами истинности и методом конечных автоматов. Имеется возможность прорисовки отдельных частей проектов в редакторе принципиальных схем с использованием специальных библиотек. Синтезированное устройство упаковывается в конкретную микросхему, для программирования которой генерируется файл в JEDEC-формате.

Более мощным решением служит программа FPGA Studio, которую компания Cadence начала предлагать своим пользователям вместо программы OrCAD Express. Эта программа обеспечивает расширенные возможности синтеза и моделирования логических схем с последующей упаковкой их в микросхемы ведущих производителей. Она превосходит по функциональности продукты, предлагаемые компанией Protel, однако стоит при этом почти на порядок дороже.

Наиболее мощным решением в данной области является семейство продуктов Fusion компании Innoveda, входящее в состав интегрированного продукта eProduct Designer. Программа Fusion/SpeedWave позволяет работать на языке VHDL, Fusion/VSCi - на языке Verilog, ViewPLD - на языке ABEL, Fusion/ViewSim - на вентильном уровне. Все эти программы объединяются в единое целое под управлением модуля IntelliFlow, а в комбинации с упомянутым модулем ViewAnalog предлагают пользователям непревзойденные возможности по разработке сложных иерархических проектов, отдельные части которых используют различные технологии. Ближайшим конкурентом продуктов Innoveda является стоящий почти вдвое дороже пакет DSP Designer от Agilent Technologies (www.agi-lent.com).

Пакет SystemView компании Elanix (www.elanix.com) также позволяет моделировать логические схемы и упаковывать их в ПЛИС фирмы Хiliпх (www.xilinx.com). Однако уровень моделирования проекта тут принципиально другой - эта программа предназначена для моделирования систем на уровне структурных схем. Здесь применяются поведенческие модели, позволяющие оценить работоспособность проекта на вентильном, а не на схемотехническом уровне. К достоинствам пакета можно отнести наличие мощного модуля синтеза цифровых фильтров.

В нашей стране ЦИТП РАН реализован экспериментальный пакет СПЕКТР, который кроме традиционного расчета схем по постоянному току со SPICE-моделями позволяет осуществлять следующие виды расчета:

• анализ устойчивости первым методом Ляпунова по расположению собственных частот на комплексной плоскости;
• расчет чувствительности собственных частот к элементам схемы и расчет параметрического запаса устойчивости;
• построение траекторий собственных частот при больших изменениях параметров элементов, а также температуры и питающих напряжений;
• быстрый расчет частотных характеристик и S-параметров на основе резольвенты пучка;
• расчет переходных и установившихся процессов в режиме малого сигнала разработанным численно-аналитическим методом.

Как показали численные эксперименты, переходные процессы на длительных интервалах времени рассчитываются с относительной погрешностью не более 10-12, причем такая точность не доступна никакому численному методу.

К перспективам развития пакета относятся расчет нулей и полюсов передаточных (схемных) функций и их параметрических чувствительнос-тей, разработка и реализация новых мощных методов оптимизации в частотной области, реализация численно-аналитического метода Ньютона-Канторовича-Михайлова для решения нелинейных сверхжестких дифференциально-алгебраических систем уравнений для анализа аналоговых схем в сугубо нелинейном режиме, разработка численно-аналитического метода решения дифференциальных систем с запаздывающим аргументом, которыми можно заменить системы уравнений в частных производных (телеграфные уравнения) для моделирования длинных линий и мик-рополосковых линий передач.

Широкое распространение в схемотехническом проектировании получили также следующие системы:

• система ЮАР (фирма Intusofi), которая отличается возможностью работы с измерительными устройствами;
• система Super-Compact и Micro ware Harmonica (фирма Compact Software), в которой предусмотрено моделирование СВЧ-уст-ройств;
• системы Serenade, Super-Spice, Microware Success, Microware Explorer (фирма Ansoft), обеспечивающие моделирование и оптимизацию СВЧ- и оптоэлектронных устройств, в том числе во временной области, систем радиофонии, электромагнитных полей и др. Имеются версии систем, ориентированные на Windows 95 (NT);
• системы Micro CAP, Micro LOG (фирмы Spectrum Software), предназначенные для анализа и моделирования аналоговых и аналого-цифровых устройств (расчет переходных процессов, частотных характеристик, спектральный анализ и др.), а также цифровых устройств на логической основе;
• система Or CAD фирмы Or CAD System Corp, позволяющая решать задачи схемотехнического и конструкторского проектирования. Следует заметить, что в 1998 г. корпорации Or CAD и MicroSim объединились - это облегчило интеграцию программных продуктов Or CAD и Design Lab.

Система обеспечивает ввод и вывод на печать принципиальных схем, трассировку печатных плат, создание спецификаций, разведение проводников, шин, моделирование цифровых устройств, проектирование ПЛИС и др. Библиотека систем содержит более 2700 изображений компонентов РЭС.

Система состоит из программных модулей:

• Or CAD Capture - графический редактор схем;
• Or CAD Capture CIS (Component Information System) - графический редактор схем со средствами ведения баз данных компонентов, при этом через Internet возможен доступ к каталогу компонентов (более 200 000 наименований);
• Or CAD Pspice Optimizer - параметрическая оптимизация и др. Версия Or CAD 9.2 функционирует на ПК (процессор Pentium, ОС Windows) с объемом ОЗУ не менее 32 Мб и 250 Мб дискового пространства.

Основным конкурентом системы Or CAD является пакет P-CAD (фирма Personal CAD System), который часто рассматривается как стандарт при выпуске конструкторской и технологической документации. Поэтому списки соединений принципиальных схем, созданных в Or CAD ранних версий, передавались в P-CAD для вывода схем на принтер или плоттер. Пакет имеет открытую архитектуру, он позволяет проектировать печатные платы, имеющие до 500 элементов и 2000 связей.

Широкое применение находит также пакет AutoCAD (фирма Auto Desk), который представляет собой систему автоматизированной разработки чертежей, рисунков, схем в интерактивном режиме. Важным достоинством пакета является возможность работы с трехмерной графикой, позволяющей строить реальные объекты (детали, дома, станки, одежду и др.), наблюдать их в различных ракурсах.

Рынок программных продуктов содержит большое число пакетов для решения разных задач моделирования. При разработке РЭС широкое применение находят следующие пакеты:

• система Microware Office (фирма AWR) обеспечивает решение задач моделирования при проектировании высокочастотных интегральных и монолитных СВЧ-микросхем, антенн, СВЧ согласующих цепей и фильтров, усилителей, смесителей и др. Модули пакета написаны на языке C++ и позволяют интегрировать в себя новые методы моделирования;
• система Genesys (фирма EAGLEWARE) обеспечивает высокоскоростное моделирование радиочастотных цепей и других элементов, по описанию моделирующего устройства позволяет синтезировать его топологию и представлять трехмерную анимационную картину распределения токов по проводникам. Пользовательский интерфейс системы полностью совпадает со стандартным интерфейсом ПО фирмы Microsoft.

К настоящему времени различными фирмами создано большое число программ автоматизированного проектирования в электронике (САПР-Э, или ECAD - Electronic Computer Aided Desing) ECAD, различающихся типами выполняемых проектных процедур и ориентацией на те или иные разновидности радиоэлектронных изделий. Динамичное развитие радиоэлектроники предъявляет все более жесткие требования к САПР по эффективности и разносторонности выполняемых функций. В результате процесс обновления состава программного обеспечения в САПР происходит весьма динамично.

К настоящему времени разработано большое количество пакетов прикладных программ САПР электрических и электронных средств. В качестве примеров можно привести ДИСП, САМРИС-2, СПАРС, АРОПС, КРОСС. Из зарубежных систем можно отметить пакеты Micro CAP, PSPICE, P-CAD, SPADE.

Значительное число этих пакетов ориентировано на автоматизацию проектирования печатных плат, цифровых и аналоговых интегральных схем, операционных усилителей, низкочастотных радиотехнических устройств.

Однако на данное время существует недостаточно пакетов программ проектирования радиочастотных, в том числе мощных, устройств, радиоэлектронных средств СВЧ, пакетов, посвященных комплексному построению и интеграции радиочастотных средств, включающих в себя как усилители, так и пассивные радиочастотные устройства, вплоть до антенн и СВЧ-устройств.

Развитие программного обеспечения САПР требует все более значительных затрат высококвалифицированного труда. Стоимость многих промышленных САПР составляет миллионы долларов. Поэтому актуальной становится разработка САПР второго порядка, или САПР САПРов. Пока таких систем еще не существует, но прогресс в этом направлении

наблюдается. В отличие от традиционных САПР, в таких системах результат имеет нематериальный (информационный) характер. Различие результатов вызвано различными языками описания предметных областей: в одном случае - чертежи, схемы, устройства, а в другом - программа проектирования. Однако и в том, и в другом случае возможен единый системный методологический подход к проектированию: становится актуальным создание и развитие банка инженерных знаний, необходимых для проектирования.