Информационные технологии проектирования сложных РЭС

Цель лекции заключается в необходимости изложения методики, которая позволяет применение общих идей информационных технологий для проектирования электронных средств.

11.1. Пакеты прикладных программ электронного проектирования

История^{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, а также на сайтах фирм-производителей САПР; Cadence, Zuken, Mentor Graphics, Spectrum Software и др.} автоматизации проектирования в электронике (EDA - Electronic Design Automation, ECAD - Electronic Сomputer-Aided Design) насчитывает порядка 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 математических моделей схем и конструкций радиоэлектронной аппаратуры и численных методов исследования этих моделей. Поэтому для первого поколения средств EDA, представлявших собой не связанные друг с другом программы расчета печатных плат и электронных схем, главными были формализация постановок проектных задач и выбор соответствующего математического аппарата. Уже с конца 60-х годов развитие EDA в основном определяется прогрессом микроэлектроники.

Проектирование СВЧ-устройств

Принципиально иной уровень сложности задач решают системы проектирования СВЧ-устройств. Как правило, для получения характеристик объемных структур здесь требуется решение уравнений Максвелла, а для моделирования линейных и нелинейных схем привычных моделей и методов, используемых ядром SPICE, недостаточно.

Microwave Office 2003 ( www.mwoffice.com) - программа фирмы Applied Wave Research, позволяет моделировать СВЧ-устройства, заданные как в виде принципиальных, так и функциональных схем. Объединяет в себе модули анализа линейных и нелинейных схем, проектирования топологий, электромагнитного моделирования планарных многослойных структур (2.5-мерное моделирование ), моделирования систем связи на уровне структурных схем. Нелинейный анализ здесь выполняется методом гармонического баланса и рядов Вольтерра. Электромагнитное моделирование планарных СВЧ-устройств выполняется методом моментов Галеркина. Модуль моделирования структурных схем, изначально разработанный компанией ICUCOM ( www.icucom.com), прекрасно интегрирован в среду и имеет самый большой набор библиотек моделей. Редактор топологий представляет собой не просто графическую среду прорисовки топологий СВЧ-устройств, а мощный инструмент для технологической подготовки производства.

Многофункциональная автоматизированная система SERENADE фирмы Ansoft ( www.ansoft.com) имеет модульную структуру. Некоторые модули системы подтвердили свою эффективность на протяжении длительного периода эксплуатации. Модуль HSFF предназначен для анализа трехмерных электромагнитных полей, модуль Harmonica обеспечивает проектирование при использовании линейных моделей таких устройств, как согласующие СВЧ-цепи, цепи связи СВЧ-диапазона, фильтры, а также нелинейные устройства СВЧ-диапазона (усилители мощности, смесители, генераторы, переключатели), модуль Trilines предназначен для расчета линий передачи, модуль Synthesis - для синтеза фильтров, модуль Super-Spice выполняет моделирование СВЧ-устройств во временной области при помощи системы SPICE, модуль Microwave Success моделирует системы радиотелефонии.

Семейство программных продуктов MMICAD, производимых фирмой Optotek ( www.optotek.com), имеет в своем составе 2-линейный анализатор; модуль, при помощи которого осуществляется ввод принципиальных схем; модуль, при помощи которого осуществляется компоновка/трассировка; систему, объединяющую модуль, при помощи которого осуществляется ввод принципиальных схем, модуль компоновки/трассировки, а также линейный анализатор; нелинейный анализатор во временной области; модуль синтеза фильтров; модуль сбора информации и малосигнального анализа схем с полевыми транзисторами; модуль сбора информации и моделирования схем с полевыми транзисторами в режимах большого и малого сигналов.

Пакет RF Design System Suite - (сокращенно RFDS) фирмы HP EEsof/HPHighFreqency Design позволяет проектировать радиочастотные цепи сотовых радиотелефонов, других персональных подвижных коммуникационных систем, универсальные процессоры, цепи радиовещательных спутников, видеосистемы и беспроводные локальные вычислительные сети. Программное обеспечение включает анализатор линейных и нелинейных цепей, который имеет двунаправленную связь с векторным анализатором цепей, анализатором спектра и цифровым осциллографом. RFDS Suite имеет инструменты для анализа переходных процессов в цепях и электромагнитного анализа, системную библиотеку, инструмент для компоновки. Кроме того, возможна интеграция с программными продуктами других фирм.

Система Sonnet Software Suite of 3D Planar High-Frequence Electromagnetic Software (коротко - Sonnet Suite ) служит для исследования высокочастотных электромагнитных полей современных 3DnnaHapHbix цепей и антенн. Для исследования резонанса оболочки включено исследование поля шестиугольного короба.

APLAC ( www.aplac.com) предназначена для проектирования и моделирования электрических схем и систем во временной и частотной областях. В их состав могут входить как цифровые, так и аналоговые компоненты, в том числе устройства диапазона СВЧ. Выполняются следующие виды расчетов: режим по постоянному току, частотные характеристики, спектральная плотность и коэффициент шума, чувствительность и параметрическая оптимизация, переходные процессы, спектры сигналов, анализ периодических режимов, статистический анализ по методу Монте-Карло. Кроме того, в состав APLAC входит подпрограмма расчета трехмерных электромагнитных полей микрополосковых конструкций и других устройств диапазона СВЧ. Последнее, на что следует обратить внимание, это возможность ввода результатов измерений и вывода управляющих сигналов с помощью интерфейсных плат стандарта IEEE-488 (GPIB, HP-IB), ка к в системе LabView.

Пакет AppCad (полное название AppCad Design Software) фирмы Hewlett-Packard предназначен для быстрых инженерных расчетов изделий ВЧ- и СВЧ-диапазонов, от схем с дискретными диодами и транзисторами до СВЧ-интегральных схем. Работает в диалоговом режиме и позволяет рассчитывать: смещенные током и напряжением интегральные схемы, схемы с диодами Шоттки в режимах большого и малого сигналов, коэффициент усиления усилителей, коэффициенты передачи и отражения линий, десять типов линий, цепи смещения биполярных транзисторов, эмиттерную обратную связь и делители напряжения, надежность и тепловой режим.

Программы CST Microwave Studio немецкой компании CST ( www.cst.de) и QuickWave-3D польской QWED ( www.qwed.com.pl) решают задачу полного трехмерного электромагнитного моделирования объемных СВЧ-устройств. Последняя программа больше известна под своим коммерческим названием CONCERTO. Обе программы используют метод конечных разностей (FDTD), дополненный методом конформных преобразований. Главное отличие программ состоит в завершенности интерфейса: немецкий продукт является законченной графической средой для постановки задачи, польский же, помимо прорисовки структуры, требует от пользователя написания программного кода. Обе программы имеют средства оптимизации и обе показывают лучшие результаты моделирования, чем одноименные продукты HFSS от Agilent и Ansoft.

Более простое и дешевое решение предлагает другая немецкая компания - IMST ( www.imst.de). Ее продукт EMPIRE использует классическую реализацию метода FDTD, поэтому для получения точных результатов для объемных структур произвольной формы, образованных криволинейными поверхностями, требуется больше времени и вычислительной мощности. Еще здесь можно получать различные частотные характеристики СВЧ-устройств, а также диаграммы направленности антенн.

Имитационное моделирование на уровне структурных схем

Эта категория продуктов нацелена на моделирование электронных систем на поведенческом уровне. Здесь от программы требуется большая гибкость, наличие точных библиотек функциональных модулей, возможность сопряжения с другими системами моделирования.

Программный комплекс MATLAB 6.5 ( www.mathworks.com, www.mat-lab.ru) фирмы The MathWorks, Inc. относится к системам компьютерной математики. Система поддерживает выполнение операций с матрицами, полиномами, решение линейных, нелинейных и дифференциальных уравнений, оптимизацию, интерполяцию, построение графиков, трехмерных фигур и многое другое. MATLAB - интерактивная система, основным объектом которой является массив, для которого не требуется указывать размерность явно. Это позволяет решать многие вычислительные задачи, связанные с векторно-матричными формулировками.

Главным расширением системы MATLAB является программный пакет Simulink. Уже в силу своего названия Simulink выполняет как бы симуляцию работы моделируемых систем и устройств, которую также называют имитационным моделированием. Для построения функциональной блок-схемы Simulink имеет обширную библиотеку блочных компонентов и удобный редактор блок-схем. Simulink автоматизирует следующий, наиболее трудоемкий этап моделирования: он составляет и решает сложные системы алгебраических и дифференциальных уравнений, описывающих заданную функциональную схему, обеспечивая удобный и наглядный визуальный контроль за поведением созданного пользователем виртуального устройства.

Ценность Simulink заключается и в обширной, открытой для изучения и модификации библиотеке компонентов. Она включает источники сигналов с практически любыми временными зависимостями, масштабирующие, линейные и нелинейные преобразователи с разнообразными формами передаточных характеристик, квантующее устройство, интегрирующие и дифференцирующие блоки и т. д. В библиотеке имеется целый набор виртуальных регистрирующих устройств - от простых измерителей типа вольтметра или амперметра до универсальных осциллографов, позволяющих просматривать временные зависимости выходных параметров моделируемых систем - токов, напряжений, перемещений, давлений и т. п. Имеется графопостроитель для создания фигур в полярной системе координат, например, фигур Лиссажу и фазовых портретов колебаний. Simulink имеет средства анимации и звукового сопровождения. А в дополнительных библиотеках можно отыскать и такие "приборы", как анализаторы спектра сложных сигналов, многоканальные самописцы и средства анимации графиков.

System View 5.0 ( www.elanix.com) - программа компании Elanix представляет собой конструктор, с помощью которого из стандартных "кубиков" строится функциональная схема исследуемой электронной системы. Продукт предназначен для моделирования любых динамических систем и позволяет провести моделирование во временной области любой системы, будь то логическая или аналоговая схема или же вовсе некая математическая абстракция - главное, чтобы для этого имелась необходимая библиотека.

Рассчитываются преобразования Фурье графиков, корреляционные и взаимно корреляционные функции, выполняются арифметические и тригонометрические операции, статистическая обработка данных и многое другое. С пакетом поставляется большой набор библиотек функциональных блоков, имеется возможность создания пользовательских библиотек любой сложности.

Пакет Microwave Office описан в разделе " Проектирование СВЧ-уст-ройств".

Пакет Visual System Simulator ( www.mwoffice.com) фирмы Applied Wave Research представляет собой программу моделирования цифровых устройств систем связи на системном уровне. Пакет имеет более 700 моделей функциональных блоков, прикладные библиотеки, поддерживающие все распространенные в настоящее время стандарты связи, такие как: GSM, CDMA, 3G, GPS, DVB, HDTV и многие другие.

Так как пакет Visual System Simulator ориентирован на моделирование именно телекоммуникационных систем, здесь имеется обширный набор моделей каналов. Сюда входят модели таких эффектов, как замирание, многолучевость, блокировка и импульсные помехи, позволяющие весьма точно оценивать работу систем в реальных условиях эксплуатации.

Проектирование печатных плат

Любая система проектирования печатных плат представляет собой сложный комплекс программ, обеспечивающий сквозной цикл, начиная с прорисовки принципиальной схемы и заканчивая генерацией управляющих файлов для оборудования изготовления фотошаблонов, сверления отверстий, сборки и электроконтроля.

Наилучших результатов добилась компания Mentor Graphics (www.mentor.com/pcb).Имея собственную систему проектирования печатных плат Mentor BoardStation, компания поглотила двух своих конкурентов, компании Verybest и Innoveda, и сейчас продолжает развивать линии продуктов Expedition PCB и PADS PowerPCB. Ключом к успеху компании явилась ориентация на современные интегрированные среды проектирования для Windows.

Пакет Expedition PCB представляет сейчас наиболее мощное решение в области проектирования плат.

Основу системы составляет среда AutoActive, позволяющая реализовать такие функции, как предтопологический анализ целостности сигналов, интерактивная и автоматическая трассировка с учетом требований высокочастотных плат и специальных технологических ограничений, накладываемых использованием современной элементной базы. Единая среда позволяет моделировать наводки в проводниках непосредственно при прокладке трассы или шины и контролировать превышение ими заданного уровня.

У данного продукта отмечают только один недостаток - его высокую стоимость.

Другой продукт компании Mentor, система PADS PowerPCB ( www.pads.com) предлагает более дешевое решение. Эта система может похвастаться лучшим автотрассировщиком BlaseRouter, поддерживающим все необходимые при трассировке высокочастотных плат функции. Пакет имеет модули предтопологичекого и посттопологического анализа, тесно взаимодействующие с системой контроля ограничений.

Далее по мощности предлагаемых решений идет компания Cadence. Для верхнего уровня проектирования предлагается пакет PCB Design Studio ( www.pcb.cadence.com). В качестве редактора печатных плат здесь используется программа Allegro, позволяющая разрабатывать многослойные и высокоскоростные платы с высокой плотностью размещения компонентов. В качестве штатного модуля авторазмещения и автотрассировки применена программа SPECCTRA ( www.specctra.com), управляемая обширным набором правил проектирования и технологических ограничений. Выполняется анализ электромагнитной совместимости.

Другой продукт компании Cadence, пакет OrCAD ( www.orcad.com) рекомендуется как более легкое и дешевое решение для проектирования печатных плат. Данный пакет рассматривается фирмой Cadence как приоритетная система ввода проектов и моделирования: модули Capture CIS и PSpice сейчас поставляются в составе пакета PCB Design Studio. Редактор печатных плат OrCAD Layout имеет три различные конфигурации с разными функциональными возможностями. В проекте платы здесь может присутствовать до 30 слоев, 16 из которых могут быть сигнальными. Имеются встроенные средства авторазмещения и автотрассировки, а также интерфейс с программой SPECCTRA. Однако главным модулем здесь является не редактор печатных плат, а редактор принципиальных схем OrCAD Capture CIS, оснащенный единственной в своем роде системой управления базами данных компонентов. Система CIS (Component Information System) была разработана для обеспечения всем пользователям OrCAD доступа чер ез Интернет к централизованным базам да нных компонентов на сайте www.spincircuit.com. Гибкость системы CIS позволяет организовать корпоративные базы разрешенных к применению компонентов и работать в локальных сетях, а также использовать процедуры автоматизированного нормоконтроля.

Третьим производителем САПР печатных плат является австралийская компания Altium Technologies ( www.altium.com). Благодаря умелой инвестиционной политике эта фирма смогла свести до минимума потери, связанные со спадом рынка высоких технологий в 2002 году. В августе 2002 года компания выпустила в свет пакет Protel DXP ( www.protel.com), представляющий собой продолжение собственной оригинальной линий продуктов Protel. Этот пакет обеспечивает сквозной цикл проектирования смешанных аналого-цифровых печатных плат с использованием программируемой логики фирм Xilinx и Altera. Весь инструментарий реализован на базе интегрированной среды проектирования, работающей под управлением Windows X P. К имевшимся ранее средствам посттопологического анализа целостности сигналов добавилась возможность выполнять предтопологический анализ.

В настоящее время компания Altium продолжает развивать свой второй пакет проектирования печатных плат P-CAD 2002 ( www.pcad.com). Эта система остается достаточно популярной в России, что обусловлено, с одной стороны, хорошей функциональностью программы и, с другой стороны, ассоциацией с распространенными здесь старыми версиями PCAD 4.5 - 8.7. В 1996 г. фирма ACCEL Technologies впервые представила версию широко известной системы разработки печатных плат P-CAD на платформе Windows. Обновленный продукт получил новое название ACCEL EDA. С этого момента продукт ACCEL EDA приобрел широкую популярность среди разработчиков электронных устройств. В сентябре 1999 г. вышла последняя 15 версия продукта. 17 января 2000 г. произошло слияние двух ведущих разработчиков систем САПР печатных плат - фирм Protel International и ACCEL Technologies, которые объединили свои совместные усилия под торговой маркой Protel (ныне Altium). С марта 2000 г. продукт ACCEL EDA сменил свое название на P-CAD.

Система P-CAD 2002 выполняет полный цикл проектирования печатных плат, а именно:

• графический ввод электрических схем;
• смешанное аналого-цифровое моделирование на основе ядра SPICE3;
• упаковку схемы на печатную плату;
• интерактивное размещение компонентов;
• интерактивную и автоматическую трассировку проводников;
• контроль ошибок в схеме и печатной плате;
• выпуск документации;
• анализ целостности сигналов и перекрестных искажений;
• подготовку файлов Gerber и NC Drill для производства печатных плат;
• подготовку библиотек символов, топологических посадочных мест и моделей компонентов.

Основные возможности P-CAD 2002:

• удобный пользовательский интерфейс для Windows;
• хранение проектной информации в бинарных и текстовых файлах;
• удобная справочная система;
• проект схемы может содержать 999 листов, проект платы - до 999 слоев (11 из них стандартных);
• число цепей в проекте - до 64000;
• число вентилей в компоненте - до 5000;
• максимальное число выводов у компонента - 10000;
• максимальные размеры листа схемы или чертежа печатной платы 60х60 дюймов;
• поддержка дюймовой и метрической систем мер;
• предельное разрешение 0.0001 дюйма (0.1 мила), или 0.01 мм (10 микрон);
• минимальный угол поворота компонентов на плате - 0.1 град.;
• длина имен компонентов - до 30 символов, максимальный объем текстовых надписей и атрибутов - до 20000 символов;
• механизм переноса изменений печатной платы на схему и наоборот;
• библиотеки компонентов, содержащие более 27000 элементов и сертифицированные по стандарту ISO 9001.

Нельзя не упомянуть еще один почти неизвестный в России, но достаточно мощный и популярный в мире продукт - Visula компании ZUKEN ( www.zuken.com). Продукты этой компании обеспечивают сквозной цикл проектирования и предлагают мощные средства моделирования и синтеза программируемой логики с последующей разработкой печатной платы. Здесь имеется стандартный набор инструментария, а также собственные средства авторазмещения и автотрассировки. Компания ZUKEN также предлагает пользователям интегрированные средства трехмерного твердотельного моделирования разрабатываемых устройств.

CircuitMaker ,разработанный фирмой MicroCode Engineering, после слияния ее с компанией Protel стал предлагаться как самое дешевое решение для проектирования несложных печатных плат. Стандартная версия позволяет разрабатывать платы, содержащие до шести сигнальных слоев и до двух слоев металлизации. Этот продукт имеет удобный и гибкий редактор схем, а также программу моделирования.

Автоматическое размещение и трассировка реализуются и в ряде других систем проектирования печатных плат, в частности, в отечественной САПР RELIEF с оригинальным алгоритмом быстрой плотной упаковки разногабаритных элементов. Алгоритм основан на многократном дихотомическом делении множества размещаемых элементов