ЭлТехн-МетУказV1_00

пример, информаицю по языку Verilog-AMS можно посмотреть на сайте http://www.eda.org/verilog-ams/

Недостатки алгоритмов, используемых в программах моделирования типа SPICE

Одним из факторов, существенно осложняющих работу SPICE, является сложность схемы. При моделировании реальных схем в SPICE приходится иметь дело с сотнями или тысячами узлов схемы, их вольтамперными характеристиками и эквивалентными схемами замещения. Для обработки таких массивов данных может потребоваться очень сложная программа, но методология моделирования и в этом случае ничем не отличается от той, которая используется для моделирования простой двухэлементной цепи. Независимо от числа узлов схемы, программа SPICE все равно работает методом задания начальных значений и подбора подходящего решения путем итерации. Основными недостатками при моделировании сложных схем для SPICE – моделей являются следующие.

1.SPICE моделирует режим работы схемы в дискретные моменты времени. Если временной шаг выбран слишком большим, результаты будут неверными. Если временной шаг выбран слишком маленьким, то на расчет уйдет слишком много времени.

2.В некоторых версиях SPICE установлен пониженный предел минимально допустимого шага. Если этот предел слишком высок для расчета сверхбыстродействующей схемы, то данная версия SPICE непригодна для ее моделирования.

3.На каждом шаге программа SPICE должна принимать решение: продолжить или прекратить итерационный процесс. Решение принимается путем проверки выполнения правила Кирхгофа для токов при заданной точности равенства нулю суммы токов, втекающих в узел или вытекающих из него, что занимает много времени.

4.Может произойти так, что итерационная процедура не обеспечит сходимости. SPICE может оказаться не в состоянии найти решение, особенно в тех случаях, когда в схеме возникают индуктивные выбросы или имеются изломы вольтамперных характеристик. В таких случаях программа иногда в состоянии только определить, что она работает неверно, а иногда не может сделать даже этого.

5.SPICE оперирует только теми данными, которые получает от пользователя. Если выборка параметров не учитывает всех существенных паразитных элементов схемы, то результаты моделирования, полученные SPICE, будут неверны. Эта проблема выявляется только при сравнении расчетных результатов с работой реальной схемы.

181

SPICE великолепно справляется с моделированием режимов работы интегральных схем и позволяет моделировать работу каждого транзистора в логической схеме, учитывая даже функциональную структуру логической схемы, заложенную в кристалл. Если попытаться построить модель всей схемы на этом уровне, учитывая все до единого транзистора в каждой из микросхем, установленных на большой плате, моделирование может затянуться на очень долгое время.

Полная верификация проектов интегральных схем сверхбольшой степени интеграции на схемотехническом уровне (несколько миллионов транзисторов) реализуется на ряде крупных фирм на основе специально разработанных программ, позволяющих рассчитывать в экономически приемлемые сроки блоки цифровых и аналого-цифровых КМОП–схем размерностью до 100 тысяч транзисторов. Если действительно нужно моделировать каждый транзистор, то нет иного выхода, кроме как включить компьютер и оставить его «перемалывать» данные (иногда этот процесс занимает недели). Но если цель состоит всего лишь в том, чтобы промоделировать «звон»1 и перекрестные помехи в линиях, соединяющих интегральные схемы, то стоит подумать об использовании технологии моделирования, изложенной в стандарте I/O Buffer Information Specification (IBIS). Модель по этой технологии строится проще и рассчитывается быстрее, чем полная модель на уровне отдельного транзистора. Она обеспечивает достаточно точную оценку «звона» и перекрестных помех. Благодаря этому стандарту модуль схемотехнического моделирования позволяет повысить размерность проектируемых схем до нескольких миллионов транзисторов и даже более. При этом ощутимое снижение временных затрат при моделировании будет проявляться на схемах, в которых в каждый момент времени переключается сравнительно небольшое количество транзисторов (10-20% от общего числа элементов). Большинство цифровых схем, имеющих практическую значимость, удовлетворяют этому критерию. Стоит отметить, что такой значительный выигрыш по времени достигается не за счет потери точности моделирования, которая соответствует общепризнанным мировым стандартам в области схемотехнического моделирования, а в некоторых случаях и превосходит их, а за счет применения именно иного подхода к самому процессу моделирования.

1 «Звоном» в электронике называют помеху в виде резко появляющегося и быстро затухающего периодического сигнала, сопровождающего какие-либо коммутационные процессы в электрических цепях.

182

Технология IBIS реализуется на основе предварительно подготовленных таблиц вольтамперных характеристик и ряда дискретизированных сигналов, характеризующих интегральные схемы, работающие в общей схеме. Суть метода состоит в том, что программа последовательно проходит каждую ветвь, запуская каждый источник сигнала, рассчитывая сигналы на входах всех приемников для положительных и отрицательных переходов входных сигналов. Затем путем анализа полученного набора принятых сигналов выделяются значения выброса, «звона», времени установления и перекрестных помех в каждой ветви, соответствующие наихудшему случаю.

Параметры IBIS модели получают на основе знания вольтамперной характеристики для различных логических состояний выводов по постоянному току, паразитных параметров корпуса и передаточных характеристик на идеальной резистивной нагрузке. Если отсутствует IBIS модель устройства, то, следовательно, отсутствует и точная SPICE модель, а это значит, что математическое моделирование невозможно. В этом случае приходится строить IBIS модель на основании физических измерений, что обуславливает наличие погрешностей. Проведение на практике физических измерений очень сложное занятие, потому что связано с такими явлениями, как учет паразитных эффектов, конфигурирование микросхемы для получения правильных состояний на выводах, точное определение высокоскоростных передаточных характеристик и данных, изменяющихся в процессе ее функционирования.

Приведем порядок действий при создании IBIS модели, используя физические измерения

Определение типов выводов

Установка выводов в нужное состояние

Конфигурирование тестируемой ИМС

Измерение вольтамперных характеристик

Проведение измерений на переменном токе

Определение паразитных параметров выводов

Построение модели

Самой сложной задачей по окончании физических измерений является получение скорректированной вольтамперной характеристики, необходимой для формирования IBIS модели.

Технология IBIS позволяет создать функциональное описание передатчика или приемника, не раскрывая подробностей о его внутреннем устройстве, т.е. производители могут с помощью IBIS модели

183

конкретно показать достоинства новых конструкций, не раскрывая фирменных секретов конкурентам.

Взаключение необходимо подчеркнуть, что IBIS является международным стандартом описания электрических характеристик интегральных передатчиков и приемников. Стандарт IBIS определяет, как вносить разнообразные параметры интегрального передатчика или приемника в стандартный файл данных IBIS, но не определяет, что с ними делать дальше.

Более полную информацию по стандарту можно получить в Интернете на официальной странице по адресу - http://www.eigroup.org/ibis/. Другой вариант практической реализации подхода, аналогичного IRBIS – подход, реализованный в САПР

AVOCAD (http://www.avocad.ru/).

Сказать, какой из программных продуктов, предназначенных для моделирования электрических схем, лучше достаточно сложно. Повидимому, здесь также, как и с рекомендациями по выбору языков программирования, лучше всего посоветовать пользоваться тем, что есть, и что лучше освоено. На начало 2008 года из таких продуктов в РФ были доступны MultiSIM 8.0 американской фирмы National Instruments (NI), и различные версии программы Micro-Cap, из которых на сайте другой американской фирмы – разработчика Spectrum Software имелась 9 версия. Остановимся из них на продуктах фирмы NI как наиболее доступных и, по устному мнению специалистов, занимающихся применением электронных симуляторов, и более качественных.

Программные продукты фирмы National Instruments

Вначале 2007 года подразделение Electronics Workbench Group компании National Instruments анонсировало выпуск Multisim 10.0 и Ultiboard 10.0, самых последних версий программного обеспечения для интерактивного SPICE-моделирования и анализа электрических цепей, используемых в схемотехнике, проектировании печатных плат

икомплексном тестировании.

Эта платформа связывает процессы тестирования и проектирования, предоставляя разработчику электронного оборудования гибкие возможности технологии виртуальных приборов. Совместное использование программного обеспечения для моделирования электрических цепей Multisim 10.0 компании National Instruments со средой разработ-

ки измерительных систем LabVIEW позволяет инженерам сравнивать теоретические и экспериментальные данные непосредственно в процессе создания схем обычных печатных плат, что снижает количество проектных итераций, число ошибок в прототипах и ускоряет выход продукции на рынок.

184

Инженеры могут использовать Multisim 10.0 для интерактивного создания принципиальных электрических схем и моделирования их режимов работы. Multisim абстрагируется от сложностей SPICEмоделирования, поэтому инженеру не требуются глубокие знания SPICE для того, чтобы быстро спроектировать, смоделировать и проанализировать новый образец электрической схемы, что особенно полезно при обучении электротехнике. Совместное использование Multisim 10.0 и технологии виртуальных приборов, позволяет инжене- рам-разработчикам печатных плат и преподавателям электротехнических специальностей достичь полной непрерывности цикла проектирования, состоящего из трех этапов: изучение теории, создание принципиальной схемы и моделирование, изготовление прототипа и проведение тестовых испытаний.

«Multisim 10.0 составляет основу платформы для обучения электротехнике компании National Instruments, включающей в себя прототип рабочей станции NI ELVIS и NI LabVIEW. Он дает возможность студентам получить всесторонний практический опыт на всем протяжении полного цикла проектирования электронного оборудования», - заявил Рей Алмгрен, вице-президент компании National Instruments по академическим связям. «При помощи этой платформы студенты могут с легкостью перейти от теории к практике, создавая опытные образцы

иуглубляя свои знания в основах проектирования схем», - отметил он.

ВMultisim 10.0 и Ultiboard 10.0 реализовано большое количество функций для профессионального проектирования, ориентированных на самые современные средства моделирования, улучшенную компонентную базу данных и расширение пользовательского сообщества. Компонентная база данных включает в себя более 1200 новых элементов и более 500 новых SPICE-моделей от ведущих производителей,

таких, как Analog Devices, Linear Technology и Texas Instruments, а

также более 100 новых моделей импульсных источников питания. Помимо этого, в новой версии программного обеспечения появился помощник Convergence Assistant, который автоматически корректирует параметры SPICE, исправляя ошибки моделирования, была добавлена поддержка стандартов BSIM 4, а также расширены возможности отображения и анализа данных, включая новый пробник для значений тока и обновленные статические пробники для дифференциальных измерений.

Ultiboard 10.0 компании National Instruments является удобной и интуитивно понятной в работе платформой для проектирования и трассировки печатных плат. Полный процесс разработки, начиная от размещения объектов и заканчивая разводкой проводников, выполня-

185

ется в гибкой среде проектирования, обеспечивающей высокую скорость работы и удобное управление. В новой версии программного обеспечения были проведены значительные улучшения скорости работы при размещении компонентов, их перемещении, а так же трассировке проводников. Открытие больших проектов производится примерно в два раза быстрее, благодаря изменениям в процедуре проверки стандартов проекта. Эти улучшения обеспечивают более быстрый и простой переход от схемы к реальной физической плате, значительно улучшая качество конечного продукта.

Multisim 10.0 можно приобрести как законченную платформу для тестирования и проектирования интегральных схем, включающую в себя Ultiboard 10.0 и интерактивное программное обеспечение для создания измерительных систем LabVIEW SignalExpress, повышающее их производительность за счет возможностей управления всеми приборами на рабочем столе. В настоящее время выпущена англоязычная версия Multisim 10.0; демо-версии на немецком и японском языках были выпущены в середине 2007 года.

Информация для размышления. На начало 2008 года на сайте фирмы NI указывалась стоимость одного рабочего места Multisim 10.0. равная $550, 10 рабочих мест - $3080 и 25 мест – $5280 (в расчет за 1 место – около $211). А вот официальная стоимость программного продукта Micro-Cap, указанная на сайте фирмы Spectrum Software, составляет «всего» $4495.

Литература и Интернет - источники

1.Хайнеман, Р. PSPICE. Моделирование работы электронных схем: [Текст] / Р. Хайнеман; Пер. с нем. – М. : ДМК, Пресс, 2002. – 336 с.

2.Разевиг, В. Д. OrCad 2002 [Текст] / В. Д. Разевиг; М. : Солон-Р, 2001. – 528 с.

3.Разевиг, В. Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-CAP 7 [Текст] / В. Д. Разевиг; — М. : Горячая линия-

Телеком, 368 с. 621.38 Р-17 /2003

4.Разевиг, В. Д. Система моделирования Micro-Cap 6[Текст] / В. Д. Разевиг; – М. : Горячая линия-Телеком, 2001. — 344 с., ил.

5.Разевиг, В. Д. Система схемотехнического моделирования MicroCap V [Текст] / В. Д. Разевиг; – М. :, «Солон», 1997. – 273 с. 621.3 Р17 /1997

6.Разевиг, В. Д. Система сквозного проектирования электронных устройств Design Lab 8.0 [Текст] / В. Д. Разевиг; – М. :, «Солон», 1999. 004 Р-17 /2003

186

7.Карлащук, В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение [Текст] / В. И. Карлащук — М. : Солон-Р, 2001. – 726 с.

8.Micro-Cap 7.0 Electronic Circuit Analysis Program Reference Manual [Текст] / Copyright 1982-2001 by Spectrum Software 1021 South Wolfe Road Sunnyvale, CA 94086

9.Описание основ SPICE – моделей.[Электронный ресурс] / Официальный сайт фирмы National Instruments. – Режим доступа: http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/5413 (NI Developer Zone) ,

свободный. – Загл.с экрана. – Яз.англ.

10.Фирма National Instruments [Электронный ресурс] / Официальный cайт фирмы National Instruments. – Режим доступа: http://www.ni.com/, свободный. – Загл.с экрана. – Яз.англ.

11.Фирма Spectrum-software [Электронный ресурс] / Официальный сайт фирмы Spectrum-software. . – Режим доступа: http://www.spectrum-soft.com/index.shtm, свободный. – Загл.с экра-

на. – Яз.англ.

187

ПРИЛОЖЕНИЕ Г ОСНОВЫ РАБОТЫ В СРЕДЕ MULTISIM

Основные особенности работы в среде MultiSIM

1.Не забывайте, что условные обозначения, используемые в программе и обозначения, используемы в РФ, отличаются, причем некоторые из них – весьма существенно. Поэтому старайтесь избегать ошибок их неверной идентификации. В первую очередь это касается обозначения источников напряжения и тока.

2.При составлении схем не забывайте их заземлять, в противном случае система может генерировать сообщение об ошибке.

3.Не оставляйте на рабочем листе схемы не подключенных ни к чему элементов, а еще лучше – элементов со свободными выводами. В этом случае процесс моделирования оборвется на самой начальной стадии.

4.Для синхронного переключения нескольких коммутационных элементов, а также для синхронного изменения параметров других компонентов схемы задавайте для управления ими одинаковые буквы.

5.Будьте внимательны при изменении параметров переменных резисторов (потенциометров). На схемном обозначении элемента положение ползунка всегда находится в одном и том же положении. Использованное обозначение потенциометра позволяет понять, в какую сторону должен смещаться ползунок в действительности при изменении значения процента его смещения. Однако это требует от пользователя определенного воображения и опыта работы.

6.Используйте для составления схемы по возможности виртуальные элементы. Применение моделей реальных элементов может повлечь естественное отклонение результатов расчета от результатов моделирования, поскольку в такие модели закладывается случайное отклонение значения их параметров от заданных номинальных значений, а, возможно, и от температуры и времени.

7.Изменения, внесенные в модель в момент работы симулятора, не всегда отражаются на результатах моделирования. После внесения изменений лучше отключить, а затем вновь включить режим симуляции, нажав клавишу F5.

8.Пользуйтесь при работе пробником. Это позволяет существенно уменьшить число устанавливаемых в схеме приборов. К тому же пробник реагирует на изменение параметров цепи быстрее, выдает больший объем информации и, при необходимости, его можно

188

подключить к схеме стационарно, если щелкнуть мышью в соответствующем месте схемы. Единственный недостаток - невозможность измерять разность потенциалов между разными точками схемы.

9.Не нужно забывать, что симулятор работает не в реальном, а в существенно более замедленном темпе времени. Это время отображается в нижней части основного окна программы в строке состояния. Как правило, переходный процесс в различных схемах после изменения режима их работы (после включения, изменения параметра и т.д.) может занимать в реальном времени от долей секунд до нескольких секунд, а в режиме симуляции в несколько раз больше. Поэтому, перед тем, как снимать показания приборов, дождитесь, чтобы эти показания перестали меняться.

10.Иногда такие виртуальные приборы, как вольтметр и амперметр показывают неверный знак измеренной величины. После их нескольких разворотов этот дефект исчезает.

11.Все сказанные особенности относятся к восьмой версии пакета.

Работа с виртуальным осциллографом

Вцелом работа с виртуальным осциллографом почти не отличается от работы с аналоговым реальным осциллографом. Единственным принципиальным отличием является, пожалуй, наличие в нем некоторых функции, характерных для цифровых и PC – осциллографов. К таким функциям можно отнести функции, основанные на применении двух вертикальных визирных линий (визиров, или маркеров), которые можно либо интерактивно перемещать по экрану осциллографа, либо автоматически устанавливать на характерные точки сигнала, выбирая соответствующий пункт контекстно-зависимого меню. В частности, это позволяет измерять с высокой степенью точности:

временные интервалы между характерными точками сигналов в одном или различных каналах;

значение величины сигналов в любой точке осциллограммы.

Эти линии позволяют легко и просто находить такие параметры сигнала, как его частота, амплитуда, а для двух синусоидальных сигналов одинаковой частоты – и сдвиг фаз между ними. Принцип измерения этих параметров иллюстрируется рисунками Г.1 – Г.4.

На рисунке Г.1 показано три сигнала. Первый визир установлен на максимуме сигнала самой большой амплитуды, а второй – на максимуме сигнала самой маленькой амплитуды. В поле, непосредственно расположенном под экраном осциллографа, в столбцы выводится информация о времени и амплитуде сигнала для каждого из каналов. В первую строку (Т1) выводятся сведения о сигналах и времени, соот-

189

ветствующих положению первого визира, во вторую (Т2) – второго, и в третью (Т2-Т1) – разность времен и амплитуд между соответствующими значениями сигнала в местонахождении первого и второго визиров. Положение визиров можно перемещать вдоль оси времени с помощью соответствующих пар кнопок со стрелками вправо и влево независимо для каждого из визиров. Номера визиров указаны в треугольниках, прикрепленных к их верхней части. Перемещать визиры можно и автоматически, с помощью всплывающего контекстнозависимого меню, вызываемого щелчком правой кнопки мыши при нахождении ее курсора на соответствующем визире. Как это видно из рисунка Г.2, курсор можно автоматически перемещать следующим

Рисунок Г.1 – Применение виртуального осциллографа для измерения значения сигнала в заданной точке. Временной сдвиг между максимумами самого большого и самого маленького сигнала составляет 180мкс

образом:

в заданную точку по оси Х (Set X Value);

190