690_Glukhov_A.V._OrCAD_9.2_Proektirovanie_ehlektronnykh_

УДК 681.3.06

Глухов А.В., Шубин В.В., Рогулина Л.Г.

Проектирование электронных устройств в схемотехническом редакторе PSpice Schematics: Учебное пособие/ Новосибирск: СибГУТИ, 2016. – 77 с.

В учебном пособии представлена современная система автоматизированного проектирования OrCAD, как одна из наиболее популярных САПР электронных устройств высокого уровня, предназначенная для выполнения логического и топологического проектирования сложных цифровых, аналоговых и смешанных устройств. Приводятся описания лабораторных работ по моделированию и проектированию аналоговых и цифровых схем, иерархических блоков разных уровней, синтезу и анализу работы моделируемых устройств, ряд логических функций в совершенной дизъюнктивной нормальной форме и их минимизация, а также моделирование с помощью средств системы OrCAD. Практикум к лабораторным работам может быть использован студентами всех форм обучения, при дипломном проектировании, а также специалистами в области проектирования интегральных микросхем любой степени интеграции.

Для направления 11.03.03. – «Конструирование и технология электронных средств», 11.03.04. – «Электроника и наноэлектроника», 28.03.02. – «Наноинженерия».

Кафедра Систем автоматизированного проектирования (САПР) Илл. 74, табл. 13

Рецензенты: профессор В.Д. Фроловский, профессор Ю.А. Пальчун

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве учебного пособия.

©Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2016 г.

-2 -

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие …………………………………………..………………..……………4

1.Структура системы OrCAD, интерфейс, окна и меню схемотехнического редактора PSpice Schematics …………………………...…8

2.Основные этапы моделирования в OrCAD……………………….…..…….13

Лабораторная работа № 1. Создание принципиальной схемы проекта

с помощью схемотехнического редактора PSpice Schematics ………………….17

3.Лабораторная работа № 2. Использование шин и источников

цифровых сигналов в схемотехническом редакторе PSpice Schematics…..…....37

4.Лабораторная работа № 3. Использование иерархических структур при проектировании логических устройств в схемотехническом

редакторе PSpice Schematics……..………………………………..……….......…..60

5.Лабораторная работа № 4. Разработка комбинационных цифровых устройств с помощью схемотехнического редактора PSpice Schematics……………………………………………..………………..……….…..69

Список литературы ………………………………………………………….……..76

- 3 -

Предисловие

Современные программы моделирования электронных устройств представляют собой виртуальные лаборатории, которые включают обширные библиотеки компонентов. Такие программы позволяют проверить соответствие разрабатываемых устройств требованиям технического задания (ТЗ) при использовании реальных компонентов с характеристиками, отличными от идеальных. Во многих программах автоматизированы все стадии проектирования, включая разработку принципиальных схем, моделирование процессов в установившихся и переходных режимах, а также редактирование и расширение библиотек компонентов. В настоящее время предлагается много специализированных пакетов программного обеспечения, предназначенных для проектирования электронных устройств высокого уровня.

Одной из ведущих компаний на рынке сквозного автоматизированного схемотехнического проектирования аналоговой, цифровой и цифро-аналоговой радиоэлектронной аппаратуры является корпорация Cadence Design Systems (CDS). Система проектирования OrCAD корпорации CDS для моделирования использует программу PSpise, разработанную компанией Microsim, ставшую общепризнанным международным стандартом и основой развития её модифицированных версий Spice, HSpice. Начиная с 1996 г, корпорация Microsim занялась разработкой нового поколения моделирующих программ под названием DesignLab с целым рядом дополнительных возможностей, таких как, моделирование программируемых логических интегральных схем (ПЛИС); синтез аналоговых и аналого-дискретных фильтров на переключаемых конденсаторах; создание новых моделей компонентов; повышение надёжности алгоритмов расчета переходных процессов. В 1998 г. произошло объединение корпораций Microsim и OrCAD, что послужило стимулом развития таких проектов как DesignLab 8.0 и OrCAD 9.0. В дальнейшем объединённая компания перешла под юрисдикцию корпорации CDS, которая и выпустила обновлённую версию OrCAD 9.2, позволяющую производить моделирование аналоговых, цифровых

исмешанных устройств, параметрическую оптимизацию, разработку топологии

итрассировку печатных плат, т.е. сквозное проектирование.

Внастоящее время существуют современные интегрированные системы автоматизированного проектирования, предназначенные для проектирования электронных устройств и интегральных микросхем (ИМС), выполняемых на одном кристалле. Такие ИМС содержат сотни и более электронных компонентов и выполняются по совмещенной BiCMOS-технологии. В их состав входят аналоговые, аналого-цифровые и цифровые устройства. Такие САПР включают большое число программ, ориентированных на различные проектные процедуры и разные типы схем.

Система OrCAD является системой моделирования и сквозного проектирования аналого-цифровых электронных устройств. Последняя версия OrCAD 16.6 обладает возможностями создания и поддержки баз данных доступных интегральных схем, версия работает в ОС Windows NT 4.0, Windows 2000, Win-

-4 -

dows XP,Windows 2003 и Windows Vista. Базы данных могут обновляться путём замены пакетов компонентов непосредственно производителями. В России наиболее распространенной является версия 9.2, вышедшая после объединения фирм OrCAD и Cadence Design Systems [1,2,3]. В состав пакета входят следующие модули: редактор принципиальных схем Capture; менеджер библиотек Active Parts Capture CIS Option; пакет аналого-цифрового моделирования PSpice Analog Digital; пакет параметрической оптимизации PSPICE Аdvanced Аnalysis;

интерфейс связи с пакетом MATLAB PSPICE SLP Soption; редактор топологий печатных плат CBDesigner; интерактивный трассировщик SPECCTRA для OrCAD; модуль анализа целостности сигналов и перекрестных искажений Signal Explorer. Программа OrCAD 9.2 реализует все этапы проектирования печатных плат: схемный ввод; размещение компонентов; трассировку; вывод изделия в производство. Недостатком является отсутствие модуля анализа цифровых устройств и синтеза ПЛИС. Поэтому фирма Cadence разработала специализированный пакет программ FPGA Studia. Для моделирования поведения печатной платы имеется опция, позволяющая выполнять тестирование изделия без выпуска физического прототипа. Процесс выпуска документации автоматизирован, а также при внесении изменений в любую часть проекта всё отражаются в документации.

Технология проектирования корпорации CDS является целостной, она обеспечивает синхронизацию этапов выполнения проекта от схемного ввода до момента запуска его в производство и имеются средства ведения корпоративной базы данных компонентов CIS.

OrCAD Capture является управляющим модулем, посредством которого создаются принципиальные схемы проектов. Во время проведения синтеза и моделирования цифровых устройств модуль работает совместно с OrCAD Express или OrCAD Express Plus. При моделировании аналоговых или аналогоцифровых устройств он работает либо с модулями PSPICE, PSPICEA/D или PSPICE A/D Basic, при параметрической оптимизации – с модулем PSPICE Optimizer, а при разработке топологии с одним из модулей OrCAD Layout, OrCAD Layout Engineers Edition или OrCAD Layout Plus. При создании управ-

ляющих файлов для фотоплоттеров используется модуль OrCAD Gerb Tool. Многооконный интерфейс менеджера проектов OrCAD Capture позволяет выполнить быстрый поиск любого требуемого элемента проекта и полную информацию о нём.

Система OrCAD Capture приобрела популярность для схемного ввода благодаря своей универсальности и широкому спектру возможностей: от проектирования новых аналоговых схем или редактирования цифровых принципиальных схем, до проектирования типовых фрагментов схем. В последней версии OrCAD Capture имеются все необходимые инструменты для быстрого проектирования, редактирования, проверки проекта и запуска изделия в производство. Опция CIS позволяет использовать структурированную базу данных CIS, что даёт возможность быстро подобрать необходимые компоненты для проекта.

- 5 -

Можно выделить следующие преимущества OrCAD Capture: высокая эффективность редактирования схем благодаря возможности повторного использования типовых фрагментов; создание и редактирование условного графического обозначения (УГО) в библиотеке, или непосредственно на схеме в процессе проектирования; автоматическая интеграция с FPGA и PLD для проектируемой схемы; коррекций свойств любых компонентов; возможность быстрого изменения с помощью редактора электронной таблицы; генерация перечня компонентов схемы (BOM – файл).

OrCAD Capture CIS (Component Information System) – модуль для созда-

ния принципиальных схем с поддержкой Internet, где после регистрации пользователь получает доступ к каталогу компонентов ведущих фирмпроизводителей. База данных CIS позволяет связать схемную часть проекта и топологию кристалла. Структурированная база данных CIS обладает большими возможностями поиска, извлечения и анализа свойств различных компонентов. Это значительно сокращает время поиска для повторного применения или выбора новых компонентов. База данных CIS включает в себя информацию об УГО, посадочном месте, технических характеристиках и поставщике компонента.

К преимуществам OrCAD Capture CIS относятся: быстрый, интуитивный полнофункциональный схемный ввод; наличие менеджера проекта, который координирует и отслеживает различные типы данных, генерируемых во время проектирования; иерархическая структура проекта, позволяющая повторно использовать блоки, схемы, и типовые их фрагменты; возможность редактировать УГО в библиотеке или непосредственно на схеме во время проектирования.

Пакет CDS OrCAD 9.2 содержит схемотехнический редактор создания принципиальных схем PSPICE Schematics, который ранее входил в состав системы DesignLab фирмы MicroSim, позволяющий передавать схемы на моделирование и разработку топологии в виде списков соединений. Программа предназначена для моделирования аналоговых устройств и обеспечивает как стандартные методы анализа (расчёт режима по постоянному току, частотных характеристик и переходных процессов), так и многовариантный и статистический анализ (по методу Монте-Карло); расчёт чувствительности схемы к разбросу параметров компонентов и проверку работоспособности для наихудшей комбинации отклонений от номинала; графический анализ формы сигнала; анализ производительности по результатам моделирования; графическое редактирование входных сигналов с возможностью аналитического задания входных воздействий; полуавтоматическое описание полупроводниковых устройств на основе данных производителя. Имеется библиотека аналоговых моделей, содержащая более десяти тысяч устройств: диоды, полевые транзисторы, мощные МОПтранзисторы, операционные усилители, стабилизаторы, регуляторы и компараторы напряжения, нелинейные магнитные устройства, тиристоры, оптроны, кварцевые резонаторы и др.

- 6 -

Программа PSPICE A/D предназначена для моделирования аналоговых и смешанных устройств, где в рамках одной программы взаимоувязаны алгоритмы для аналогового и цифрового моделирования.

Программа PSPICE Optimizer позволяет выполнять оптимизацию параметров с целью достижения заданных характеристик смешанных устройств. Она обеспечивает оптимизацию на основе градиентных методов при наличии линейных и нелинейных ограничений. При этом оптимизация выполняется автоматически или интерактивно до полного удовлетворения заданных пользователем требований. Для анализа и моделирования незаменимым средством является опция Advanced Analysis. Расширенная версия системы PSPICE – PSPICE A/D является высокоразвитой и широко используемой системой моделирования смешанных сигналов, которую используют конструкторы для получения точных результатов моделирования. Эта программа позволяет решать широкий спектр задач, таких как моделирование любой комбинации аналоговых и цифровых устройств, имеющих сигналы разных форм и величины. Преимущества PSPICE A/D: наличие инструмента для точного анализа и получения оптимальных результатов; проверка работоспособности схемы при наихудшей комбинации отклонений от номинальных значений; расчёт режима по постоянному току и чувствительности схемы к разбросу параметров её элементов; графический анализ форм, взаимовлияния и параметров сигналов одновременно в нескольких точках контроля; многовариантный и статистический анализ по методу Монте-Карло; контроль параметров и их вывод в отдельный текстовый файл.

- 7 -

1. Структура системы OrCAD, интерфейс, окна и меню схемотехнического редактора PSpice Schematics

Система автоматизированного проектирования OrCAD 9.2 содержит следующие модули (рис. 1.1):

PSpice Schematics схемотехнический редактор схем из пакета

DesignLab;

Capture графический редактор схем;

Capture CIS (Component Information System) - графический редактор схем,

дополненный средством ведения баз данных компонентов; при этом зарегистрированные пользователи получают через Интернет (с помощью службы 1СА, Internet Component Assistant) доступ к каталогу компонентов, содержащему более 200 тыс. наименований;

PSpice A/D программа моделирования аналоговых и смешанных аналого-цифровых устройств, данные в которую передаются как из PSpice Schematics, так и из OrCAD Capture;

PSpice Optimizer программа параметрической оптимизации; Layout графический редактор печатных плат;

Layout Plus программа OrCAD Layout, дополненная бессеточным автотрассировщиком SmartRoute, использующим методы оптимизации нейронных сетей (используется также в системах Protel 99 SE и P-CAD 2000);

Layout Engineer's Edition программа просмотра печатных плат, созданных с помощью Layout или Layout Plus, средство общей расстановки компонентов на плате и прокладки наиболее критических цепей, выполняемых инженером-схемотехником перед выдачей задания на проектирование печатной платы конструктору;

GerbTool программа создания и доработки управляющих файлов для фотоплоттеров (разработка фирмы WISE Software Solutions специально для OrCAD, аналог программы САМ350).

Visual CADD – графический редактор сборочных чертежей, получающий данные для работы от OrCAD Layout или Layout Plus.

Рисунок 1.1 Состав САПР OrCAD 9.2

- 8 -

Процесс проектирования устройства при помощи САПР OrCAD можно представить в виде следующей структуры рис. 1.2.

Рисунок 1.2. Алгоритм проектирования электронных устройств

Техническое задание (ТЗ) на сложное проектируемое устройство предусматривает описание внешних и внутренних параметров: входных и выходных сигналов, диапазона частот, потребляемой мощности, условий эксплуатации, предельных допусков на основные характеристики и т.п. На этом этапе очень многое зависит от личности разработчика-конструктора: от его знаний, интуиции, интеллекта и кругозора. После формулировки ТЗ на разрабатываемый блок составляется его принципиальная электрическая схема начального (нулевого) приближения (блок 2, рис. 1.2). Это обычно делается разработчиком также на основании собственного опыта и опыта предыдущих разработок. Здесь же выбираются компоненты схем, как-то: транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и др., а также номинальные значения и допуски на параметры компонентов. Далее осуществляется проверка корректности проведенных соединений элементов принципиальной схемы в соответствие с ТЗ

- 9 -

посредством программы OrCAD Capture. Затем принципиальная схема проектируемого блока подготавливается для проведения компьютерного анализа и вводится в программу текстовым или графическим способом. Далее на основании встроенной библиотеки моделей компонентов автоматически составляется математическая модель анализируемого устройства по введенной принципиальной схеме и производится анализ математической модели в диалоговом режиме. Например, в случае анализа схемы аналогового устройства предполагается выполнение следующих видов расчетов:

расчёт схемы по постоянному току;

расчёт схемы в частотной области; например, вычисление АЧХ и ФЧХ, спектральной плотности шума;

расчёт во временной области; например, определение переходных и импульсных характеристик, проведение спектрального анализа.

Полученные в результате анализа характеристики схемы сравниваются с данными ТЗ и (или) с результатами испытаний макета. На основании этого сравнения принимается решение о принятии или отклонении рассмотренного варианта проекта (блок 10). Такое решение проводится неформально, так как в некоторых случаях инженерное понимание сути дела позволяет пренебречь некоторым расхождением результатов компьютерного анализа с ТЗ. Если характеристики неудовлетворительны, то принципиальная схема и (или) модели компонентов должны быть изменены (возврат в блок 2).

Проектом в OrCAD называется несколько файлов, содержащих всю информацию, в том числе и документы отчета, необходимую для разработки принципиальной электрической схемы и всего радиоэлектронного устройства в целом. Входящие в проект файлы имеют расширения (.dsn, .pcb, .drc, .mnr и другие), соответствующие определенным стадиям разработки проекта. Управляет проектом менеджер проекта программа, позволяющая просматривать и перемещать любой из файлов проекта (рис. 1.3). При создании

схемы из библиотеки Library (рис. 1.3) в PSpice Schematics файл с символами компонентов имеет расширение .sib, а для упаковочной информации .plb. Анализ моделей проводится посредством программы PSpice, где используются расширения: .cir текстовый файл задания на моделирование для программы PSpice; .net список соединений схемы; .als cписок соответствий номеров выводов компонентов именам подсоединенных к ним цепей. При анализе функционирования разрабатываемых схем используется редактор входных воздействий Stimulus Editor, где создаются аналоговые и цифровые сигналы, которые просматриваются в графическом виде на экране и записываются в файл с расширением .stl для подключения внешних воздействий к моделируемой схеме. В системе OrCAD программа моделирования PSpice объединена с программой отображения и обработки результатов моделирования Probe. Результаты моделирования, полученные с помощью PSpice, заносятся в файлы данных для построения графиков, имеют

- 10 -