Автоматизированная разработка схемы и ее моделирование

2. Автоматизированная разработка схемы и ее моделирование

Электрическая схема разрабатывается в редакторе Capture являющимся компонентом пакета OrCAD. С помощью службы ICA имеется доступ к базе данных, содержащей сведения о 200 тыс. компонентов различных фирм. Программа PSpice A/D применяется для моделирования цифровых, аналоговых и цифро-аналоговых схем, описанных в формате PSpice. Разработка печатных плат производится с помощью встроенной программы Layout. В САПР OrCAD может быть создано четыре вида исходных представлений проектов:

Ø   Analog or Mixed – Signal Circuit – моделирование аналоговых, цифровых и цифро-аналоговых схем;

Ø   PC Board – печатные платы с возможностью моделирования схем в PSpice A/D и цифровых схем в Express Plus;

Ø   Programmable Logic – моделирование цифровых схем и синтез программируемой логики;

Ø   Schematic – создание и документирование принципиальных схем.

Так как необходимо моделирование схемы, то первоначально создается пакет Analog or Mixed. Для создания непосредственно самой схемы из дерева пакета выбирается элемент PAGE представляющий собой полотно с расположенной координатной сеткой (Рис. 2).

Рис. 1 – Общий вид редактора при выборе компонента PAGE

Компоненты размещаются по команде Place / Part. В диалоговом окне сначала в поле Libraries выбирается имя библиотеки, содержание которой отображается на панели Part. Для добавления библиотек нажимается кнопка Add Library и добавляется необходимая библиотека. Далее выбирается имя конкретного компонента (его изображение отображается в окне), нажимается OK и символ компонента переносится на схему. Место установки компонента фиксируется щелчком левой кнопки мышки (ЛКМ).

Установленные элементы соединяются согласно схеме электрической принципиальной проводниками по команде Place / Wire. Начало ввода цепи отмечается щелчком ЛКМ. Цепь прокладывается движением курсора. Каждый излом фиксируется щелчком ЛКМ. Ввод цепи завершился, если ее конец совпадает с выводом компонента или любой точкой другой цепи. Если Вы не попали курсором на вывод компонента, то появляется предупреждение в виде восклицательного знака. Если при этом завершить проведение цепи, то соединения не будет. Режим ввода цепи завершается нажатием клавиши ESC или выбором команды End Wire в контекстном меню, открываемом щелчком ПКМ.

Рис. 2 – Результат создания схемы

Для создания моделирования создается файл *.sim, называемый файлом моделирования. В него заносятся вид анализа и глобальные параметры моделирования.

Новый файл создается по команде PSpice / New Simulation Profile. В появившемся окне записывается имя файла и нажимается кнопка Create.

После создания профиля производиться задание вида входных сигналов из контекстного меню источников сигнала. При моделировании возможно создание сигналов «0», «1», прямоугольных, синусоидальных и других сигналов определённой частоты и длительности. Задание сигналов производиться в окне Stimulus Editor.

Рис. 3 – Окно Stimulus Editor с заданными входными сигналами

Контроль выходных и входных величин осуществляется посредством установки маркеров в контрольных точках.

Рис. 4 – Вид схемы с маркерами

После того, как схема нарисована, необходимо задать профиль моделирования в меню PSpice à Edit Simulation Profile.

Моделирование режимов, заданных в профиле начинается после выбора в меню PSpice команды Run или нажатию кнопки F11.

Результат анализа отображается в окне PSpice A/D.

Рис. 5 – Окно PSpice A/D с отображенными диаграммами работы схемы.

Рисунок 5 иллюстрирует принцип работы устройства, описанный в 1-м разделе.

На рисунке 6 снизу виден один из коротких выходных импульсов. Установив маркеры на фронт и спад импульса можно измерить его длину. В окне Probe Cursor можно увидеть расстояние между этими двумя маркерами – dif = 12,15 мкс.

Рис. 6 – Отображение короткого импульса на выходе

3. Автоматизированная разработка конструкции печатного узла

Проектирование печатных плат производиться в модуле LAYOUT PLUS. Предварительно необходимо создать по команде Tools/Create Netlist список соединений. В окне выбирается формат Layout и устанавливается метрическая система измерений (миллиметры). Нажимается ОК. В результате создается файл *.mnl со списком соединений. После чего закрывается проект и модуль Capture.

Разработка ПП начинается с загрузки модуля Layout Plus. Далее выполняется команда File / New. В диалоговом окне запрашивается имя технологического шаблона. В шаблоны заложены различные технологические нормы.

Выбирается нужный шаблон и нажимается «Открыть». В следующем окне указывается имя файла списка соединений *.mnl из рабочего проекта.

Нажимается кнопка «Открыть». И в последнем окне устанавливается имя файла создаваемой ПП *.max. Нажимается кнопка «Сохранить». В процессе загрузки списка соединений (упаковка схемы на ПП) для каждого условного графического обозначения элемента схемы отыскивается в библиотеке корпусов компонентов соответствующий корпус. Если обнаружится компонент, не имеющий ссылок на корпус, то выводится диалоговое окно для определения корпуса.

В центре экрана расположен пунктирный прямоугольник, окружающий область DRC Box, внутри которой при разработке ПП в автоматическом режиме соблюдаются все установленные технологические ограничения.

Естественно, когда эта область совпадает с контуром ПП. Для задания новой области DRC Box выполняют команду View / Zoom DRC Route Box, устанавливают значок Z в один из углов ПП и, удерживая нажатой ЛКМ, перемещают значок диагонально в другой угол ПП. Для перемещения области DRC Box после выполнения команды View / Zoom DRC Route Box производится щелчок ЛКМ, после чего область DRC Box перемещается вместе с курсором.

Рис. 1 – Габариты элементов и межвыводные связи

Для размещения компонентов на поле печатной платы вычерчивается контур ПП по команде Tool / Obstacle / New. Нажав ЛКМ в одном из углов вычерчиваемой ПП и удерживая ее, перемещаем мышку по диагонали. Создается прямоугольный контур ПП. Толщину линии контура можно отредактировать в окне, открывающемся после двойного щелчка ЛКМ на линии контура ПП.

Рис. 2 – Создание габаритов печатной платы

Размещать компоненты можно вручную, выделяя и перемещая их. Для этого надо выполнить команду выбора компонента: Tool / Component / Select Tool (значок команды). Затем выделить компонент щелчком ЛКМ на нем и перемещать компонент движением мышки. Для фиксации компонента нажать ЛКМ. В автоматическом режиме размещение производится по команде Auto / Place / Board. Перед выполнением размещения можно задать правила размещения по команде Options / Placement Strategy. Можно необходимые компоненты перед автоматическим размещением зафиксировать на ПП (например, разъемы), выбрав компонент и в контекстном меню нажать ЛКМ на строчке Fix.

Рис. 3 – Результат изменения положения элементов на плате

После автоматической расстановки компонентов, выделив компонент, можно просмотреть его связи с соседними компонентами, и, при необходимости, переместить его, повернуть, разместить на обратной стороне ПП и т.д. (команды из контекстного меню).

Рис. 4 – Результат расстановки проводников (Верхний слой)

Рис. 5 – Результат расстановки проводников (Нижний слой)

Автотрассировка проводников производится по команде Auto/ Autoroute / Board. После окончания разводки плата увеличивается на весь экран по команде View / Zoom All, и визуально оцениваются результаты трассировки. Если видно, что некоторые элементы расставлены неоптимальным образом, (например, их желательно переместить, повернуть и т.п.), можно отменить результаты трассировки (команда Auto / Unroute / Board) и переместить элементы вручную.

Рис. 6 – Окончательный вид платы после трассировки

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы закрепил знания приёмов работы в пакете OrCAD. Имея в качестве исходных данных схему электрическую принципиальную, смоделировал работу схемы, получил диаграммы работы схемы, выполнил разработку печатной платы, на которой произведена компоновка ЭРЭ схемы и трассировка соединений между ними с соблюдением определенных требований, например, таких как минимизация размеров печатной платы, минимизация суммарной длины печатных проводников и т.д.

Необходимо заметить, что благодаря использованию средств автоматизированного проектирования, таких как OrCAD, время и трудоёмкость разработки конечного устройства и печатной платы, в частности, значительно уменьшаются.

Литература

 

1. Разевиг В.Д. Система проектирования цифровых устройств OrCAD. – М.: «Солон – Р», 2000.

2. Конспект лекций по курсу «Математическое моделирование в микроэлектронике» (Часть 3) 621.396.69 (07), Таганрогский государственный радиотехнический университет.

3. Хайнеман Р. PSpice.моделирование работы электронных схем. «ДМК-Пресс», Москва, 2005.

4. Шило В.Л. Популярные микросхемы КМОП. Справочник. – «Ягуар», Москва, 1993