Название: применение пакета orcad для компьютерного проектирования электронных схем (Д.Е. Грошев)

Жанр: Информатика

Просмотров: 999


Введение

Традиционная (докомпьютерная) отладка электронного устройства заключалась в следующем. Собирался макетный (breadboard, prototype) вариант устройства. На него подавалось питание, производилась проверка правильности поступления питания ко всем компонентам устройства. (Обратите внимание, что среди специалистов очевидным считается, что на любую микросхему следует подавать питание. Но для некоторых студентов это совершенно не очевидно. Поэтому, пользуясь случаем, напоминаем: чтобы микросхема работала, на нее нужно подать питание. Пусть Вас не смущает, что на принципиальной схеме не всегда в явном виде показан подвод питания – ведь принципиальные схемы, вообще говоря, рассчитаны на специалистов.) Потом проверялось функционирование устройства в отсутствие входных сигналов (по постоянному току). Если при этом не было дыма, то Вы могли считать себя удачливым разработчиком. На данном этапе за измерительный прибор вполне мог сойти тестер. Дальше надо было проверять влияние входных и управляющих сигналов. Здесь Вас мог выручить только осциллограф или (для цифровых схем) логический анализатор. Надо сказать, что стоят эти приборы несколько дороже тестера, да и квалификация требуется повыше. Подавая входные сигналы (Reset, Clock, некоторую синусоиду и т.д.) и наблюдая за поведением устройства в определенных точках, Вы могли бы найти неисправности и ликвидировать их. Главное в этом процессе – знать, какие входные сигналы следует подавать, и сигналы каких точек схемы нужно отображать на осциллографе. Кстати, на экране осциллографа мы видим след движения электронного пучка – как-никак, осциллограф – это электронный прибор. На английском языке «след» – track, trace. Физики давно пользуются словом трек, когда говорят о следах движения элементарных частиц. Представляется, что и нам будет удобно называть осциллограммы треками. Хочется верить, что к этому времени Вы уже точно избавились от щенячьего оптимизма и твердо усвоили: что бы Вы ни сделали – схему, программу, компьютер, расчет – с первого раза все равно это работать не будет. Но это не повод для беспокойства, ведь Вы уже столько знаете и умеете, что со временем Вам и окружающим кажется, что устройство функционирует нормально. Но тут кто-то открыл окно и, к всеобщему изумлению, устройство снова перестало работать. Вы смекнули – надо проверить влияние температуры. Включается осциллограф, паяльник... – жизнь идет! Проблемы часто в том, что схемы имеют широкий разброс параметров, и изменение входного сигнала на несколько наносекунд для одних устройств никак не повлияет на выход, для других – существенно изменит выходной сигнал, а для третьих – сделает схему совершенно неработоспособной. На самом же деле не все так плохо и когда-нибудь это чертово устройство действительно заработает. «Товарищ, верь...»

К сожалению, применение компьютера качественно ничего не меняет, но количественно можно существенно сократить время, затрачиваемое на отладку. А нас учили, что иногда количество переходит в качество! Итак, пришло время разбираться, как можно существенно сэкономить время и, следовательно, что такое симуляция? Симуляция (Simulation) – это имитация функций схемы. Симуляция начинается переводом схемы в программную модель, затем модель тестируется с приложением определенных входных сигналов. Симулятор рассчитывает и отображает выходные сигналы устройства, когда на вход устройства подаются специальные сигналы, называемые стимулами (stimuli).

Симуляция позволяет узнать характеристики устройства перед его сборкой в виде макета. Симулятор анализирует разработку, основываясь на базе данных соединений: списка соединений, сети соединений, списка сети, сетевого списка (последнее по-английски можно написать как net list) и принимает во внимание спецификацию каждого прибора, входящего в устройство. Симулятор строит программную модель цепи, основываясь на этой информации. Динамическая модель предполагает отображение результатов действия стимулирующих сигналов, которые прилагаются к входам схемы. Разработчики утверждают, что симуляция быстрее, легче, дешевле и глубже, чем аппаратная отладка.

Логика работы симулятора не отличается от логики аппаратной отладки. Стимулы играют роль входных сигналов, треки играют роль треков осциллографа или логического анализатора. Но симулятор имеет ряд принципиальных преимуществ. С помощью симулятора можно просто:

· видеть, как ведет себя устройство при особых условиях испытаний, когда, например, параметры сигналов изменяются во времени;

· изменять начало, конец и интервал симуляции. При аппаратной отладке бывает трудно повторить результат и «держать» его постоянно на экране. Программа же может многократно в любые моменты времени повторять любые участки сценария испытаний;

· проводить анализ типа «а что, если...». В любые цепи можно подать любые сигналы.

2004 год можно считать годом 40-летия EDA (Electronic Design Automation – Автоматизация разработки электроники), поскольку первые публикации, посвященные этой теме, появились в 1964 году. При этом одной из самых важных компонент EDA было моделирование электронных схем. Первыми программами для моделирования интегральных схем, получившими признание, были программы Astap (advanced statistical analysis program), созданная в IBM, и Spice (simulation program for integrated circuits emphasis), разработанная в университете Беркли (UCB – University of California at Berkeley) [1]. Исторически так случилось, что в СССР и позже в России программа Astap не получила широкого распространения, в то время как Spice и ее клоны чрезвычайно популярны.

Сейчас почти во всех программах симуляции в качестве системного ядра используется программа Spice. При создании она была ориентирована на компьютеры IBM-360 с алфавитно-цифровыми дисплеями, которые предопределили использование текстовых файлов в качестве объектов, где могла бы храниться служебная информация. Применяемые в Spice модели хорошо соответствовали реальным объектам, что обеспечило пакету долгую жизнь, подтвердившую правильность выбранных алгоритмов. В настоящее время под названием Spice известен ряд программ различных фирм: HSpice (фирмы MetaSoftware), PSpice (MicroSim), IS_Spice (Intusoft), Micro-Cap (Spectrum Software), Analog Workbench (Cadence), Saber (Analogy), Dr.Spice и ViewSpice (Deutsch Research). В силу использования единого вычислительного алгоритма все программы имеют схожую функциональность, отличаясь графическим интерфейсом и дополнительными возможностями представления и обработки результатов анализа. Пожалуй, наиболее широкое распространение на сегодняшний день получили программы PSpice и Dr.Spice. Первые версии PSpice вплоть до 4.03 имели возможность только текстового ввода схем. Начиная с версии 5.1 (Design Center) и выше (8.0 – Design Lab) обеспечивается возможность графического ввода принципиальных схем. Программа Design Lab входит как составная часть PSpice в пакет OrCAD, начиная с версии 9.1, а программа Dr.Spice –

в пакет AccelEDA14.0, образуя мощные системы сквозного проектирования аппаратуры.

Авторы работали с пакетом OrCAD, начиная с версии 3.Х. В этой версии в комплект программ не входил инструмент для симуляции, но вместе с пакетом распространялась библиотека Pspice.lib,

на основе которой можно было создавать принципиальные схемы для анализа с помощью программы PSpice. Следующая версия

OrCAD 4.X (1993 год) содержала специальный набор инструментов Digital Simulation Tools VST 386+ для симуляции только цифровых схем. Несмотря на довольно удобный интерфейс и большой набор тестируемых параметров, отсутствие возможности работать с аналоговыми схемами существенно ограничивало его применение. Наконец, начиная с версий для Windows (версии 6 OrCAD Design Desktop 7, 9 OrCAD Unison Suite) в состав пакета OrCAD включается OrCAD PSpice.

9 сентября 2003 года фирма Cadence анонсировала выход 10-й версии пакета OrCAD [2], выпускаемого в следующих конфигурациях:

· OrCAD Unison EE – состоит из OrCAD Capture® для создания принципиальных схем и PSpice® A/D для аналогового и аналого-цифрового моделирования;

· OrCAD Unison PCB – включает OrCAD Capture для создания принципиальных схем, OrCAD Layout® для размещения компонентов и разводки (трассировки) печатных плат, и SPECCTRA® for

OrCAD для автотрассировки;

· OrCAD Unison Ultra – система сквозного проектирования от создания принципиальных схем и моделирования до разводки печатных плат.

В зависимости от комплектации стоимость пакета составляет от 1,355 до 7,996 долл. Cadence продолжает работу над пакетом и к

IV кварталу 2004 года анонсирует выпуск 4 сервисных пакетов и доведение версии до OrCAD Unison 10.5.

Далее в нашем учебном пособии речь будет идти о версиях PSpice для OrCAD 9 и OrCAD Unison Suite 10 (EE или Ultra) [3–9]. Эти версии имеют много общего, что позволяет рассматривать их вместе, несмотря на то, что по сравнению с PSpice 9 в 10-ю версию внесено много изменений. Часть новых возможностей PSpice 10 будет рассмотрена ниже. Из общих изменений 10-й версии хотелось бы отметить существенно улучшенную навигацию и поиск по OnLine документации. Для этого используется система CDSDoc, состоящая из следующих компонентов:

· библиотечное окно (Library window) – java-приложение для навигации по OnLine документации с возможностью сортировки по продуктам, семействам и типу документов (рис. 1).

· Flow Documentation Gateway – HTML-документ, отображающий структуру продукта и облегчающий доступ к нужной документации (рис. 2).

· локальный http сервер, выполняющий функции полнотекстного поиска по документации.

 

Рис. 1. Библиотечное окно PSpice

 

Рис. 2. Flow Documentation Gateway