Программа моделирования аналоговых устройств PSpice, которая лежит в основе пакета Design Center корпорации MicroSim, пользуется популярностью разработчиков аппаратуры и де-факто стала эталоном. Во многих зарубежных журналах принимают к печати статьи по схемотехнике только после подтверждения справедливости основных результатов путем моделирования с помощью PSpice.
Первая версия PSpice появилась в 1984 г. и была предназначена для моделирования исключительно аналоговых устройств. В 1989 г. была выпущена версия PSpice 4.0, позволяющая моделировать и смешанные устройства. Уже в следующем году создана очередная версия, обеспечивающая не только текстовый, но и графический ввод принципиальных схем в среде Windows, кроме того, теперь программа PSpice вошла в состав пакета Design Center. Версия 6.0 пакета Design Center (январь 1994 г.) характеризовалась очень интересной возможностью расчета паразитных эффектов, присущих реальной печатной плате, и проведения моделирования с их учетом. В нее также было включено средство проектирования программируемых логических матриц. В версию Design Center 6.1 (август 1994 г.) вошел модуль проведения параметрической оптимизации.
В начале 1995 г. корпорация MicroSim заявила о намерении включить в следующую версию Design Center 6.2 принципиально новую возможность - средства разработки печатных плат, аналогичные по возможностям пакетам типа P-CAD, но интегрированные в одну систему. В результате пользователи могли бы получить первую на ПК систему сквозного проектирования печатных плат. Но, как это часто бывает, в июне 1995 г. вышла версия Design Center 6.2 без подсистемы разработки печатных плат, выпуск которой перенесен на ноябрь 1995 г. Однако в последней версии Design Center имеется много и других особенностей, обзору которых посвящена данная статья.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА DESIGN CENTER
В предыдущих версиях Design Center имелось два варианта программы моделирования: относительно дешевая программа PSpice, предназначенная для моделирования только аналоговых устройств, и более дорогая программа PSpice A/D - для моделирования аналого-цифровых устройств. В связи с тем что не всем пользователям нужны полные возможности PSpice и PSpice A/D, в версию Design Center 6.2 включены два промежуточных, так называемых базовых, варианта PSpice Basic и PSpice A/D Basic-1-.
В базовые варианты включены все библиотеки моделей, за исключением библиотек европейских и японских фирм, библиотек мощных МОП - транзисторов, тиристоров, магнитных сердечников и линий передачи.
Неограниченность размера схемы означает, что максимальный размер схемы определяется исключительно объемом памяти ПК (примерно 1 Мб на каждые 100 транзисторов или 4000 вентилей). В программе PSpice Basics допускается не более 100 транзисторов и/или функциональных управляемых источников и 500 других компонентов.
Стоимость базовой версии засчитывается при покупке более полной версии. Университеты получают скидку 70% за первый экземпляр любой программы пакета и 95% за каждый последующий.
В пакет Design Center входят следующие программы:
- Schematics - графический редактор принципиальных схем, который одновременно является управляющей оболочкой, из которой можно запускать основные модули пакета на всех стадиях работы с проектом.
- PSpice, PSpice Basics - моделирование аналоговых устройств.
- PSpice A/D, PSpice A/D Basics+ - моделирование смешанных аналого-цифровых устройств.
- PLogic - моделирование цифровых устройств. Программа имеет такие же функциональные возможности, как и PSpice A/D.
- PLSyn - синтез цифровых устройств на базе ИС с программируемой логикой;
- StmEd - редактор входных сигналов (аналоговых и цифровых);
- Probe - графическое отображение, обработка и документирование результатов моделирования;
- Parts - идентификация параметров математических моделей диодов, биполярных, полевых, МОП и арсенид-галлиевых транзисторов, операционных усилителей, компараторов напряжения, регуляторов напряжения и магнитных сердечников по паспортным данным;
- PSpice Optimizer - параметрическая оптимизация аналого-цифровых устройств по заданному критерию при наличии нелинейных ограничений (в предыдущих версиях эта программа носила название Paragon);
- Polaris - проверка целостности сигнала, т. е. проведение моделирования с учетом паразитных емкостей и индуктивностей, присущих реальным печатным платам;
- Device Equation - исходный текст встроенных математических моделей только полупроводниковых приборов на языке Си. В них можно изменить имена параметров, ввести псевдонимы, добавить параметры и изменить уравнения моделей. Модели новых компонентов можно ввести только под именем одной из существующих моделей. После компиляции отредактированных текстов они компонуются с объектным кодом программы PSpice, который входит в комплект поставки Device Equation, и результате чего получается загрузочный файл PSPICE.ЕХЕ. В версии Design Center 6.2 модуль Device Equation поставляется только на платформе Windows;
- PCBoard и PCBoard with Autorouter -проектирование печатных плат с возможностями автотрассировки;
- Cadence и Mentor Integration интерфейс к пакетам Cadence и Mentor Framework;
- Filter Designer - синтез пассивных и активных аналоговых фильтров и фильтров на переключаемых конденсаторах (только на платформе DOS).
Существуют версии Design Center для DOS, MS-Windows, Sun и HP9000/700. Для платформ DOS и MS-Windows имеются лицензии для автономных пользователей (stand-alone) и для работы в сети, для Sun и HP9000/700 - только сетевые.
ГРАФИЧЕСКИЙ ВВОД СХЕМ И ВЫПОЛНЕНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ
В графический редактор Schematics внесены незначительные изменения. Первое сразу бросается в глаза - в горизонтальное меню включены пиктограммы наиболее употребительных команд, что значительно ускоряет создание схем. Теперь на схему можно наносить надписи на русском языке, что позволит с помощью Design Center выпускать конструкторскую документацию (в программе Probe кириллица, к сожалению, по-прежнему отсутствует).
Большую радость испытают любители OrCAD, узнав, что по команде File/Import можно переносить в Design Center файлы схем и библиотек символов из формата популярного редактора OrCAD SDT (но обратная трансляция невозможна). Для 1 [их выпущена даже инструкция "Quickstart for OrCAD Users" - "Быстрое начало для пользователей OrCAD". Это свидетельствует о серьезных намерениях корпорации MicroSim расширить круг своих клиентов, привлекая открывающимися возможностями сквозного проектирования печатных плат в рамках одной системы.
В связи с тем что теперь Schematics создает схемы не только для моделирования, но и разработки печатных плат, введены изменения в систему атрибутов. В частности, введены признаки символов, по которым можно различить символы компонентов, участвующих только в моделировании и не размещаемых физически на печатной плате (к ним относятся, например, источники сигналов). Каждому символу теперь приписывается имя его корпуса. В библиотеку символов вводится также информация, позволяющая по команде File/Reports составить перечень элементов схемы.
Из новых возможностей собственно моделирования отметим, что теперь при создании нелинейных источников напряжения или тока (так называемое Analog Behavioral Modeling) можно использовать операторы дифференцирования DDT(x) и интегрирования SDT(x). Это обеспечивает удобную возможность моделирования таких устройств и систем, как управляемые напряжением конденсаторы, механические системы, химические и тепловые процессы, процессы ядерной физики, и вообще моделировать произвольные системы, заданные системами дифференциальных уравнений.
Очень интересна функция проведения параметрической оптимизации с помощью модуля PSpice Optimizer. На схеме специфицируются варьируемые параметры, по команде Tools/Run Optimizer активизируют оптимизатор и затем в развернувшемся меню указывают целевую функцию в виде численного значения или математического выражения, предварительно описанного в текстовом файле, указываются также ограничения области значений варьируемых параметров и их начальные значения. Программа оптимизации отыскивает локальный экстремум, ближайший к точке старта. Программа оптимизации рассчитывает, как нужно изменить значения варьируемых параметров на каждом шаге оптимизации, программа PSpice рассчитывает характеристики схемы при измененных параметрах, и затем Probe рассчитывает целевую функцию, после этого управление передается снова программе оптимизации для выполнения следующей итерации. Если процесс итерации не сходится, то рекомендуется начать его с другой точки или изменить целевую функцию.
Программа PSpice Optimizer взаимодействует только с PSpice A/D для Windows. Оптимизируются аналоговые и смешанные цени, для которых целевые функции составлены в любом из видов анализа. Однако очевидно, что оптимизация в частотной области или режима по постоянному току выполняется гораздо быстрее, чем при анализе переходных процессов.
Возможности проверки целостности сигнала при учете паразитных параметров, присущих реальной печатной плате, достаточно подробно изложены в статье автора в журнале "Монитор" (1995, №4).
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Программа PLSyn предназначена для синтеза цифровых схем на программируемых логических устройствах (PLD). Первоначальная информация о проектируемом устройстве задается в виде принципиальной схемы, состоящей как из реальных компонентов, так и аппаратно-независимых типовых элементов. Возможно описание с помощью автоматов состояний, таблиц истинности и логических выражений (используется язык высокого уровня Design Synthesis Language, DSL). После проведения моделирования с целью проверки правильности функционирования этого варианта без учета реальных задержек распространения сигналов программа PLSyn позволяет скомпоновать всю схему или ее часть в одно или несколько PLD, тип которых выбирается разработчиком.
В стандартный комплект поставки входит небольшая библиотека символов и математических моделей программируемых логических матриц PALIOxx- PAL22xx, GAL16xx- GAL20xx. Всего же имеется более 4000 моделей программируемых логических устройств примерно 16 фирм. Наибольший объем имеет библиотека устройств фирмы AMD, поставляемая в трех конфигурациях: демонстрационная, стандартная и расширенная. В нее входят около 500 программируемых логических устройств, таких, как PALxxx, PALCExxx, PALLVxxx, АМ27хх, AMPALxxx, MACHxx, MACHLVxx, P20LIOxx и др. Из других библиотек можно отметить библиотеку ИС фирмы Atmel.
После завершения компиляции производится повторное моделирование с учетом реальных задержек в выбранных программируемых логических устройствах. Процедура синтеза завершается созданием управляющего файла для программатора в формате JEDEC и коррекцией принципиальной схемы.
По своим функциональным возможностям компилятор PLSyn похож на пакет CUPL [3], однако его основное преимущество в том, что он входит в состав интегрированной системы сквозного проектирования.
РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
В состав Design Center включен графический [редактор печатных плат PCBoard и автотрассировщик Autorouter. В результате реализована идея сквозного проектирования печатных плат аналого-цифровых электронных устройств. Судя по рекламным проспектам, наряду с собственным автотрассировщиком дополнительно может поставляться программа SPECCTRA фирмы ССТ (Cooper&Chian Technology), которая, кроме того, будет также поставляться совместно с системой проектирования печатных плат P-CAD 8.5. Поэтому можно считать, что трассировщик SPECCTRA, по-видимому, превосходит хорошо зарекомендовавший себя трассировщик MaxRoute фирмы Massteck, считавшийся несколько лет назад лучшим трассировщиком для ПК.
PCBoard вместе с Autorouter фирмы MicroSim позволяет проектировать платы, имеющие до 64 слоев, без ограничений количества компонентов и выводов и габаритных размеров. Библиотека конструктивов содержит около 32 тыс. компонентов, имеющих корпуса 9501 пион.
При графическом вводе схем, предназначенных для разработки печатных плат, имеет смысл учесть следующие рекомендации:
- компоненты, используемые только при моделировании (например, источники сигналов, паразитные емкости и т. п.), следует размещать на отдельной странице схемы, которую помечают с помощью команды Navigate/Edit Page Info;
- нанести на схему разъемы и соединители, проставив их позиционные обозначения, и типы корпусов с помощью атрибутов PKGREF, GATE;
- подсоединить источники питания аналоговых и цифровых компонентов, если это не было сделано в целях моделирования (например, использовалась линейная модель операционного усилителя, не требующая подключения источника питания);
- заменить источники сигналов - логический "О" и "1"-в цифровых компонентах подключением к "цифровой земле" и источникам питания соответственно;
- составить список соединений для разработки печатной платы, запустив процедуру упаковки, распределив символы компонентов схемы к физическим корпусам по команде Analysis/Annotate и щелкнув по кнопкам Package and Assign Reference Designators и All Except User-Assigned;
- повторить моделирование, убедиться в правильности внесенных изменений.
Приобретать средства проектирования печатных плат фирмы MicroSim имеет смысл, очевидно, лишь тем фирмам, которые моделируют разрабатываемые устройства и реализуют цикл сквозного проектирования. Программа Polaris позволяет учитывать при моделировании наличие перекрестных искажений, явления отражения и задержек с учетом реальной топологии проводников, что значительно улучшит качество проектирования (из замеченных недостатков Polaris отметим неполную поддержку форматов текстовых файлов .pdf последних версий P-CAD 7.0, 8.0). Однако сравнительно низкая цена программ PCBord и Autirouter корпорации MicroSim (во всяком случае они дешевле аналогичных программ системы P-CAD), возможность трансляции схем из OpCAD привлекут к ним внимание и других разработчиков печатных плат.
МОДЕЛИРОВАНИЕ В СРЕДЕ DOS
Изменения в Design Center под DOS не так впечатляющи, как в версии под Windows. Его последняя версия по-прежнему использует текстовое описание схемы (аналоговой или смешанной аналого-цифровой). Правда, к настоящему времени практически все известные графические редакторы схем имеют конвертеры в текстовый формат PSpice - это редакторы фирм ACCEL Technologies (P-CAD и Tango), Automated Images, Cadence Design, CALOS, Capilano Computing, Dazix, Design Computation, FutureNet, Mentor Graphics, Omation, OrCAD, Phase Three Logic, Silvar-Lisco, Teradyne EDA, Valid Logic Systems и Viewlogic. Кроме того, схемы, созданные в Design Center на платформе Windows, могут быть преобразованы в текстовое описание, которое воспринимается Design Center на платформе DOS (результаты моделирования одной и той же схемы идентичны).
В версии Design Center 6.2 на платформе DOS учтено, естественно, расширение функциональных возможностей программы моделирования PSpice и внесены незначительные изменения во внешний вид управляющей оболочки. Из других изменений отметим следующие:
- предусмотрен выбор программы моделирования между PSpice и PLogic;
- из управляющей оболочки теперь можно вызывать все программы, входящие в состав Design Center на платформе DOS, включая программу идентификации параметров моделей Parts;
- в меню управляющей оболочки допускается включение от одной до трех произвольных программ по усмотрению пользователя;
- реализован многооконный интерфейс, позволяющий быстро переключаться из окна описания схемы в окно отображения текстовых результатов моделирования, просмотреть текст помощи и т. п., введены пиктограммы наиболее употребительных команд.
ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ВЕРСИИ И ДОКУМЕНТАЦИЯ НА CD-ROM
Корпорация MicroSim выпустила CD-ROM с демонстрационными версиями Design Center 6.2 на платформе Windows и полной документацией. Теперь перед покупкой пакета пользователь имеет возможность получить о нем полное представление.
Имеются демонстрационные версии основных программ, позволяющие решать собственные задачи при ограничениях на их сложность (так называемое Evaluation Software):
- Schematics - ввод электрических схем для их дальнейшего моделирования и передачи программам разработки печатных плат. Ограничения: схема размещается на листе формата А4, содержит до 25 компонентов, не более 20 типов символов компонентов, созданных пользователем, символы нельзя копировать из одной библиотеки в другую и распечатывать;
- PSpice A/D - моделирование смешанных устройств, содержащих не более 64 аналоговых узлов, 10 транзисторов, 2 операционных усилителей, 10 линий передачи (в том числе не более 4 связанных линий), 65 логических примитивов, в каждом из которых не более 36 выводов, временные диаграммы сигналов на выходе цифровых устройств имеют не более 10 тысяч переключений;
- Parts - составление математических моделей только диодов;
- StmEd - включение в схему только независимых источников гармонического сигнала;
- PSpice Optimizer - оптимизация схемы при изменении одного параметра, причем целевая функция может быть задана только в одной точке;
- Polaris - проверка целостности сигнала; - PLSyn - синтез устройств программируемой логики на базе ИС МАСН231 фирмы AMD (Advanced Micro Devices);
- Filter Designer - синтез фильтров до 3-го порядка.
Этих программ достаточно, чтобы познакомиться с функциональными возможностями новой версии на собственных небольших задачах. Демонстрационные версии распространяются свободно, поэтому их можно использовать для показа студентам.
Во-вторых, имеется электронный учебник MicroSim Tutorials, с помощью которого можно прочесть краткие инструкции по выполнению основных проектных операций и просмотреть мультфильм о том, как это практически сделать.
В-третьих, предоставляется полная документация по пакету программ (On-Line Documentation), просматриваемая под управлением FrameViewer (отдельные файлы документов читаются и распечатываются с помощью Word 6.0). Ее содержание представляет собой копию бумажной документации по рабочей версии Design Center 6.2; - Schematic Capture User’s Guide;
- Circuit Analysis User’s Guide; - Circuit Analysis Refereence Manual; - Programmable Logic Synthesis User’s Guide; - Analog Performance Optimization Usei’s Guide; - Signal Integrity User’s Guide. Вся документация имеет единое содержание, предметный указатель и занимает объем 43 Мб. При ее установке на винчестер копируется FrameViewer, а сами тексты читаются с CD-ROM. Надеемся, что примеру корпорации MicroSim последуют и другие фирмы.
Автор благодарит А. А. Поделько, заместителя генерального директора фирмы "Родник Софт" - официального дилера корпорации MicroSim за предоставленные материалы и консультации но последним версиям Design Center.
Всеволод Разевиг
