САПР
В процессе проектирования электронных устройств приходится использовать целый набор программ. На этапе разработки структурной схемы применяются такие известные программы, как SysCalc, System View, SIMULINK, LabView. При создании принципиальных схем - PSpice (в составе пакета DesignLab), Micro-Cap, Electronics Workbench, а при проектировании устройств СВЧ - специализированные программы Super Compact, Touchstone, Libra и др. (см. PC Week/RE, № 10/97, с. 44 и № /97, с. 62). Все эти программы довольно дорогостоящи, поэтому большой интерес, особенно в технических университетах, вызывают универсальные программы, к которым относится APLAC.
APLAC с успехом моделирует аналоговые и цифровые устройства, содержащие элементы как принципиальных, так и функциональных схем
Программа APLAC была разработана в 1988 г. профессором Хельсинкского университета Мартти Валтоненом, а затем доработана сотрудниками лаборатории теории цепей этого университета совместно со специалистами Nokia Research Center и Nokia Mobile Phones. Она предназначена для проектирования и моделирования электрических схем и систем во временно
й и частотной областях. В состав этих схем и систем 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. Этот набор довольно стандартен, но только APLAC позволяет выполнять такие расчеты, не прибегая к помощи других программ. Помимо этого в APLAC имеется ряд интересных особенностей, о которых мы расскажем ниже. Еще одна важная особенность APLAC - наличие большого набора библиотек элементов принципиальных схем и отдельных блоков, применяемых в аналоговых и цифровых системах связи. По своему функциональному составу эти библиотеки превосходят библиотеки других систем. 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, HPIB), как в системе LabView. Теперь обо всем по порядку.
Ввод схем.
Программа моделирования APLAC считывает входные данные из текстового файла, в котором указаны номера узлов схемы, типы подключенных к узлам компонентов и их математические модели. Язык описания схем похож на язык программы SPICE. Допускаются сложные математические выражения с использованием арифметики комплексных чисел и функций, определяемых пользователем. Возможна трансляция описания схем, составленных для программ PSpice и Touchstone. Графический ввод схем производится с помощью отдельной программы NASSE (Nokia Application Specific Schema Editor), разработанной в Nokia Research Center.
Наибольшую привлекательность в программе APLAC представляют обширные библиотеки, подразделяемые на несколько категорий:
2 Component library - аналоговые компоненты: Basic Component - неидеальные конденсаторы, индуктивности, трансформаторы, резисторы, источники тока и напряжения и др.; Semiconductors - полупроводниковые приборы; Microwave - отрезки микрополосковых линий передачи, планарные индуктивности и конденсаторы; Misc - циркуляторы, коаксиальные кабели, операционные усилители, фазовые детекторы и т. п.; System - контактные площадки, многослойные печатные платы, нелинейные усилители, модуляторы, управляемые напряжением генераторы и др;
2 User library - библиотеки пользователей (в отдельных файлах с расширением имени .lib);
2 Discrete time library - дискретные компоненты (фильтры, согласованные фильтры, цифровые компоненты, экспандеры, модуляторы, демодуляторы, генераторы, коррелометры, анализаторы спектра и др.);
2 Formula-based library - открытая для расширения библиотека компонентов, задаваемых аналитическими выражениями (антенна, антенный переключатель, смеситель, усилитель и т. п.).
Из недостатков программы APLAC отметим отсутствие библиотек компонентов конкретных типов, например конкретных типов транзисторов и серий интегральных микросхем, как в системе DesignLab. По-видимому, эти библиотеки помещаются в файлы с расширением .lib, поставляемые отдельно.
Каталог библиотек открывается по команде Component или щелчком правой кнопки мыши. После расстановки компонентов на схеме они соединяются проводниками. При этом не нужно подробно прокладывать трассу каждого проводника - достаточно по команде Wire/Wire указать курсором соединяемые выводы компонентов, и трасса будет проложена автоматически. Промежуточные точки для создания Т-образных соединений вводятся по команде Wire/Split. Параметры каждого компонента задаются системой атрибутов, список которых открывается щелчком курсора на символе компонента.
Директивы задания на моделирование вводятся несколько сложнее. Сначала по команде Aplac/Aplac objects открывается окно для ввода директив, а затем по команде Component/Show All Aplac Objects или Component/Show One Aplac Object они при необходимости размещаются на поле схемы, как показано на рисунке.
Расчет характеристик.
Моделирование запускается непосредственно из управляющей оболочки NASSE по команде Aplac/Simulate. Возможности моделирования APLAC несколько превосходят DesignLab на основе PSpice. Во-первых, выполняется синтез передаточных функций различных фильтров: частотно-избирательных фильтров типа Баттерворта, Чебышева, Кауэра, согласованных фильтров и адаптивных фильтров на основе алгоритма Уидроу. Во-вторых, выполняется параметрическая оптимизация с возможностью выбора из довольно широкого набора методов оптимизации (к DesignLab нужно приобрести отдельный модуль PSpice Optimizer). В-третьих, выполняется расчет чувствительности характеристик к изменению параметров компонентов в частотной области (в PSpice это возможно только в режиме по постоянному току). В-четвертых, имеются алгоритмы расчета характеристик установившегося режима нелинейных устройств (генераторов, усилителей), что избавляет от необходимости расчитывать весь переходный процесс с самого начала.
Отображение и обработка результатов моделирования.
Результаты моделирования отображаются в одном или нескольких окнах в соответствии с заданием на моделирование. Однако возможностей обработки результатов моделирования меньше, чем в программе Probe системы DesignLab. Имеется только один электронный курсор (в Probe их два, что позволяет считывать разность координат) и нет средств расчета целевых функций, таких, как минимум, максимум, центральная частота, полоса пропускания, длительность фронта и т. п. При построении графика спектра можно выбрать его форму: в виде отдельных спектральных составляющих (что привычнее инженерам) или отрезков линий, соединяющих соседние точки (как в программе Probe).
Проведенный краткий анализ показывает, что все программы имеют сильные и слабые стороны. В частности, хотелось бы присоединить к программе APLAC обширные библиотеки конкретных компонентов системы DesignLab, программы обработки результатов измерений Probe и идентификации параметров математических моделей Parts из этой же системы или же программу Model из пакета Micro-Cap V. Поэтому при реальном проектировании поневоле приходится пользоваться несколькими программами. Область применения APLAC - проектирование аналого-цифровых устройств на функциональном уровне с возможностью включения фрагментов принципиальных схем, содержащих элементы с сосредоточенными и распределенными параметрами.
Программы APLAC и NASSE выпускаются для UNIX и Windows 3.1. Ядро профессиональной версии APLAC 7.0 стоит $4840, графический редактор схем NASSE 1.7.2 - $1110. К программе APLAC дополнительно поставляются следующие модули:
2 для анализа высокочастотных устройств (поставляются модели высокочастотных компонентов и алгоритмы анализа периодических процессов и шумов, расчета схем на переключаемых конденсаторах);
2 для моделирования систем с дискретным временем и систем, описываемых с помощью формул;
2 для расчета электромагнитных полей (методом конечно-разностной аппроксимации FDTD) и микрополосковых линий передачи на печатных платах с двуслойной и многослойной структурой.
Университетам со значительной скидкой поставляются лицензии на 10 рабочих мест (timo@aplac. hut.fi, mikko.a.rinne@research.nokia. com). По Internet (http://www. aplac.hut.fi/aplac) распространяется демоверсия, имеющая ограничение на сложность схемы (не более 10 любых компонентов), к ней прикладывается электронное руководство в формате PostScript.
ВСЕВОЛОД РАЗЕВИГ
С автором можно связаться по адресу: razevig@pcweek.redline.ru.
