Министерство Российской Федерации по связи и информатизации

Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики

Перов Г.В.

Конструирование и технология РЭС

Методические указания по выполнению лабораторных работ

Новосибирск

2014

Оглавление

Лабораторная работа №1 3

Лабораторная работа №2 26

Лабораторная работа №3 34

Лабораторная работа №4 43

Лабораторная работа №5 49

Лабораторная работа №6 54

Лабораторная работа №1

"Знакомство с системой автоматизированного проектирования электронных устройств OrCAD"

Цель работы

Cоздание первого проекта для моделирования аналоговых и цифровых схем.

Теоретические сведения

Создание первого проекта для моделирования цифровых и аналоговых схем

Система автоматизированного проектирования OrCAD является одной из наиболее популярной на сегодняшний день САПР электронных устройств высокого уровня, которая предназначена для выполнения логического и топологического проектирования цифровых, аналоговых и гибридных устройств высокой сложности.

Общие сведения о системе Orcad

Система OrCAD содержит следующие модули:

OrCAD Capture - графический редактор схем; OrCAD 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 Schematics - графический редактор схем, заимствованный из пакета DesignLab; OrCAD-PSpice A/D - программа моделирования аналоговых и смешанных аналого-цифровых устройств, данные в которую передаются как из PSpice Schematics, так и из OrCAD Capture; OrCAD PSpice Optimizer - программа параметрической оптимизации; OrCAD Layout - графический редактор печатных плат; OrCAD 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); OrCAD 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; OrCAD GerbTool - программа создания и доработки управляющих файлов для фотоплоттеров (разработка фирмы WISE Software Solutions специально для OrCAD, аналог программы САМ350);

Процесс проектирования устройства при помощи САПР Orcad можно представить в виде следующей структуры:

На следующем рисунке изображен экран программы OrCAD Capture. В его верхней части расположено меню команд и ниже - панель инструментов. В правой части рисунка изображен редактор схем, для которого активирована дополнительная панель инструментов.

Рис.1. Экран программы OrCAD Capture

Панель инструментов

Состав пиктограмм панели инструментов зависит от выбранного режима работы и типа текущего проекта, их состав изображен на рис. 2 и приведен в табл 1.

Рис.2. Состав пиктограмм панели инструментов

Таблица 1

N	Команда	Описание
1	New	Создание нового документа
2	Open	Открытие существующего документа
3	Save	Сохранение внесенных изменений в текущем проекте
4	Print	Вывод твердой копии одной или более'страниц текущей схемы или изображения символа компонента
5	Cut	Удаление выбранного объекта с копированием в буфер обмена
6	Сору	Копирование выбранного объекта в буфер обмена
7	Paste	Размещение объекта из буфера обмена
8	Undo	Отмена результата выполнения одной последней команды
9	Redo	Отмена результата выполнения одной последней команды
10	Zoom In	Увеличение масштаба изображения
11	Zoom Out	Уменьшение масштаба изображения
12	Zoom Area	Вывод на весь экран окаймленной части изображения
13	Zoom All	Вывод на экран полного изображения страницы схемы
14	Annotate	Назначение позиционных обозначений компонентам выбранной страницы схемы
15	Back Annotate	Выполнение перестановок логически эквивалентных секций компонентов и выводов в процессе обратной корректировки
16	Check Design Rules	Проверка соблюдения правил проектирования DRC и правил составления электрических принципиальных схем ERC
17	Create Netlist	Составление файла списка соединений выбранной страницы схемы в форматах EDIF 200, SPICE, VHDL, Verilog, Layout и др.
18	Cross Reference	Составление файла перекрестных ссылок
19	Bill of Materials	Составление отчета о проекте или выбранной странице
20	Snap to Grid	Привязка курсора к узлам сетки на окне редактирования схем и символов компонентов (аналог команды Options->Preferences->Grid Display)
21	Project manager	Загрузка менеджера проектов
22	Help Topics	Вывод содержания, предметного указателя и средств поиска терминов встроенной инструкции

Менеджер проектов

Менеджер проектов расположен в левой части экрана программы Capture. В режиме File развертывается плоская файловая структура проекта, в режиме Hierarchy - его иерархическая структура.

Файловая структура проекта содержит ряд разделов:

Design Resource - описание проекта (файл проекта *.dsn, отдельные страницы схемы, перечень компонентов Design Cache, VHDL-файлы, перечень используемых библиотек компонентов *.olb); Outputs - результаты проектирования; PSpice Resource - информация для моделирования с помощью PSpice (Include Files, Model Library, Simulation Profiles, Stimulus Files) и др.

Двойной щелчок левой кнопки мыши по имени конкретного файла или по его значку загружает его в соответствующий редактор (при выборе файла схем загружается редактор схем, при выборе текстового файла - встроенный текстовый редактор). Щелчок правой кнопки мыши по значку отдельного файла или каталога разворачивает меню, состав которого зависит от типа выбранного объекта

Состав контекстного меню:

Add File - добавление файла; Part manager - загрузка менеджера компонентов; Edit - редактирование файла; Properties - просмотр и редактирование свойства объекта; New Schematic - создание новой схемы; Design Properties - редактирование параметров проекта; Save - сохранение внесенных изменений; Save As... - сохранение внесенных изменений в проекте с новым именем; Simulate Selected Profile(s) - выполнение моделирования с помощью PSpice в соответствии с выбранным профайлом (файлом задания на моделирование); View Simulation Results - просмотр графических результатов моделирования; View Output File - просмотр текстового файла результатов моделирования; Edit Simulation Settings - редактирование задания на моделирование; Make Active - активизация выбранного профайла; New Page - добавление новой страницы схемы; Edit Page - редактирование страницы схемы; Schematic Page Properties - редактирование параметров настройки схемного редактора; Edit Selected object properties - редактирование атрибутов выбранного на схеме объекта; Make Root - перенос выбранной схемы на верхний уровень иерархии; Rename - переименование файла.

Панель инструментов для рисования схемы

Состав пиктограмм для рисования схемы в режиме редактирования приведен на рис. 3, а описание команд, соответствующих пиктограммам приведено в табл. 2.

Рис. 3. Состав пиктограмм панели инструментов для редактирования схемы устройства

Таблица 2

N	Команда	Описание
1	Select	Режим выбора объектов
2	Part	Выбор в библиотеке компонента для размещения его символа на схеме
3	Wire	Рисование электрических цепей. При нажатии кнопки Shift возможен ввод не ортогональных цепей
4	Net Alias	Размещение псевдонимов (дополнительных имен) цепей и шин
5	Bus	Изображение шины (линии групповой связи)
6	Junction	Нанесение точки электрического соединения двух цепей
7	Bus Entry	Нанесение отводов ж шины, расположенных под углом 45o
8	Power	Размещение символов выводов источников питания и "земли"
9	Ground	Размещение символов выводов источников питания и "земли"
10	Hierarchical Block	Размещение иерархических блоков
11	Hierarchical Port	Размещение портов иерархических блоков
12	Hierarchical Pin	Размещение выводов иерархических блоков
13	Off-Page Connector	Размещение символов соединителей страниц
14	No Connect	Подключение к выводу компонента символа отсутствия соединений
15	Line	Рисование линии
16	Polyline	Рисование полилинии
17	Rectangle	Рисование прямоугольника
18	Ellipse	Рисование эллипса/окружности
19	Arc	Рисование дуги
20	Text	Размещение одной или нескольких строк текста с указанием его размера, цвета, ориентации и шрифта

Панель инструментов для моделирования схемы

Состав пиктограмм для моделирования схемы проектируемого устройства приведен на рис. 4, а описание команд, соответствующих пиктограммам приведено в табл. 3.

Рис. 4. Состав пиктограмм панели инструментов для моделирования схемы устройства

Таблица 3

N	Команда	Описание
1	New Simulation Profile	Создание нового файла задания на моделирование
2	Edit Simulation Setting	Редактирование задания на моделирование
3	Run PSpice	Запуск программы PSpice на моделирование
4	View Simulation Result	Просмотр графических результатов моделирования
5	Voltage/Level Marker	Простановка маркера напряжения/логического I уровня
6	Voltage Differential Markers	Простановка двух маркеров разности напряжений
7	Current Marker	Простановка маркера тока
8	Power Dissipation Marker	Простановка маркера рассеиваемой мощности
9	Enable Bias Voltage Display	Отображение на схеме узловых напряжений в рабочей точке
10	Toggle Voltage On Selected	Net Показать/удалить значение потенциала по постоянному току выбранной цепи
11	Enable Bias Current Display	Отображение на схеме токов ветвей в рабочей точке
12	Toggle Current On Selected Part/Piт	Показать/удалить значение постоянного тока выбранного вывода компонента
13	Enable Bias Power Display	Отображение на схеме рассеиваемой мощности ветви в рабочей точке
14	Toggle Power On Selected Part	Показать/удалить значение рассеиваемой мощности по постоянному току выбранного компонента

Создание проекта

Проекты, созданные с помощью программы OrCAD Capture, заносятся в файлы с расширением .opj (по терминологии, принятой в программе, проект называется Project), которые содержат ссылки на имена всех используемых файлов: файлов отдельных схем (*.dsn, по принятой терминологии файлы схем называются Design, в переводе также "проект"), библиотек, текстовых VHDL-файлов, файлов отчетов о проекте и др. В файле проекта могут содержаться ссылки на одну или несколько папок, ассоциируемых с файлами принципиальных схем. Папка принципиальной схемы содержит одну или несколько страниц схемы. Файл схемы содержит также Design cahe - кэш проекта, который содержит копии символов компонентов, используемых в схеме. Проект может содержать ссылки на несколько библиотек. Однако он может иметь только одну схему (файл с расширением имени .dsn), состоящую из одной иди нескольких страниц. Можно создать новый проект и затем создать новые схемы, библиотеки и VHDL-файлы.

Порядок действий при создании проекта

• File->New Project (открывается диалоговое окно (рис. 5))

  • Указать имя проекта [Name]

  • Указать расположение проекта [Location]

  • Выбрать тип проекта.

Analog or Mixed-Signal Circuit (Аналоговый или смешанный A/D) налоговые, цифровые или смешанные аналого-цифровые устройства, моделируемые с помощью программы PSpice A/D.

Именно этот режим должен быть выбран при создании нового файла с необходимостью в последующем выполнения моделирования схемы проектируемого устройства.

PC Board (Мастер панели PC) - создание печатных плат Schematic (Схематичный) - неспециализированные проекты. Возможно только создание и документирование принципиальных схем, моделирование и разработка печатных плат не предусматривается.

Рис. 5. Выбор типа проекта

Во всех используемых в системе ORCAD именах (директорий, файлов, цепей и т.д.) должна быть использована только кодировка, соответствующая DOS !!!

Создание принципиальной схемы проекта

Структура принципиальной схемы проекта

Электрические схемы большинства проектов размещаются на нескольких страницах не самого большого формата. Имеются два способа организации схем большого объема: плоские обычные многостраничные структуры и иерархические структуры.

Электрические цепи, расположенные на разных страницах многостраничной схемы, соединяются друг с другом с помощью так называемых межстраничных соединителей (off-page connectors), имеющих одинаковые имена. Все страницы таких схем содержатся в одной папке на одном и том же уровне. Их структура показывается в менеджере проектов при нажатии клавиши File.

На схемах иерархических проектов размещаются специальные символы, называемые иерархическими блоками (hierarchical block). Принципиальная электрическая схема каждого такого блока размещается в виде отдельной схемы, помечаемой в папку на том же уровне иерархии, что и основная схема. Иерархическая структура показывается в менеджере проектов при нажатии клавиши Hierarchy.

Размещение символов компонентов и электрических цепей

Размещение символов компонентов

Библиотеки программы Capture содержат в себе символы компонентов, источников питания и "земли". Они размещаются на схеме по команде Place->Part, активизируемой также нажатием на пиктограмму меню инструментов (рис. 6).

Рис. 6. Диалоговое окно команды размещения компонента

Основные функциональные кнопки

• Add Library. Открытие диалогового окна для добавления библиотек в список Libraries.

• Remove Library. Удаление выбранной библиотеки из списка.

• Part Search. Поиск конкретного компонента в библиотеках из списка Libraries.

Порядок действий при размещении элемента

• Выбор имени библиотеки (список Libraries) Содержание библиотеки отображается на панели Part.

• Выбор имени компонента

• Выбор изображения логических компонентов (раздел Graphic)

  • Обычное (Normal)

  • Эквивалентное в стиле DeMorgan (Convert).

• Нажатие ОК. Символ выбранного компонента переносится на схему.

• Фиксирование компонента на нужном месте схемы (нажатие левой кнопки мыши).

Если не прерывая режима размещения символов компонентов на схеме во всплывающем меню выбрать команду Edit Properties, выводится диалоговое окно редактирования параметров текущего символа (рис. 7).

Рис. 7. Диалоговое окно редактирования параметров компонента

Диалоговое окно редактирования параметров содержит следующие поля:

• Part Value (значение части) - номинальное значение параметра простого компонента (сопротивление, емкость и т.п., принимаемые во внимание при моделировании) или наименование сложного компонента (программой моделирования во внимание не принимается);

• Part Reference (ссылка части) - позиционное обозначение компонента. Оно проставляется здесь вручную, если на закладке Miscellaneous команды Options->Preferences не выбран параметр Automatically reference placed parts - автоматическое присваивание позиционных обозначений размещаемым на схеме компонентам.

• Панель РСВ Footprint (след PCB) - коррекция имени корпуса компонента.

• Панель Power Pins Visiblе (Контакты видны). Указывает на необходимость отображения на схеме выводов "земли" и питания

• Панель User Properties. Открытие диалогового окна просмотра и редактирования параметров компонента (рис.8)

Рис. 8. Диалоговое окно редактирования свойств пользователя

• Name - имя параметра;

• Value - значение параметра;

• Attributes - характеристики (атрибуты) параметра отображения на схеме (R - только для чтения, V - видимые на схеме).

Размещение символов "земли" и источников питания.

Команды Place->Ground и Place->Power (кнопки панели инструментов ) вызывают диалоговые окна (рис. 9)

Рис. 9. Диалоговое окно размещения символа "земли"

Перечень символов "земли" и источников питания, размещенных в стандартных библиотеках CAPSYM.OLB и SOURCE.OLB, приведен на рис. 10. Причем эти символы могут быть размещены на схеме только с помощью команд Place->Ground и Place->Power. Обе эти команды эквивалентны. При этом символы питания имеют видимые атрибуты их имен, которые можно изменять на панели Name, которые не имеют принципиального значение, они наносятся лишь для большей наглядности схемы.

Рис.10. Перечень стандартных символов "земли" и источников питания

Символы "земли" и питания подключают к узлу с именем "0" цепи или к выводам компонентов, к которым они должны быть подсоединены.

Размещение символов отсутствия соединений.

Команда Place->No connect (кнопка панели инструментов) позволяет нанести символы отсутствия соединений, которые на схеме отображаются в виде символов "(", подсоединенных к выводам компонентов. Выводы, помеченные такими символами, не включаются в отчеты сообщений об ошибках и в списки соединений. Символы NC не могут быть удалены нажатием на клавишу [Delete], для их удаления нужно поверх символа NC разместить еще один такой же символ.

Размещение электрических цепей.

Проводники цепей размещаются по команде Place->Wire, нажатием комбинации клавиш Shft+W панели инструментов. Начало ввода цепи отмечается щелчком левой кнопки мыши, поле чего курсор изменяет свою форму, приобретая вид креста. Цепь прокладывается движениями курсора. Каждый излом проводника фиксируется щелчком левой кнопки мыши. Таким образом, в цепи можно сделать ортогональные изломы под углами, кратными 90°. Ввод проводника под произвольным углом производится при нажатой клавише Shift. Ввод текущей цепи завершается, если ее конец совпадает с выводом компонента или любой точкой другой цепи. Принудительное завершение ввода цепи выполняется двойным щелчком левой кнопки мыши, после чего можно провести другой проводник. Режим ввода цепей завершается нажатием клавиши Esc или выбором строки End Wire во всплывающем меню, открываемом щелчком правой кнопки мыши. Если цепи начинаются или заканчиваются в любой точке сегмента другого проводника или на выводе компонента, между ними устанавливается электрическое соединение. Признаком подсоединения цепи к выводу является изменение его формы - пропадание квадратика на его конце. Пересекающиеся сегменты проводников не соединяются друг с другом. Их соединение выполняется двояко:

1. При прокладке пересекающего проводника нужно остановиться в точке соединения и дважды щелкнуть левой кнопкой мыши - в результате соединение будет помечено специальной точкой (junction);

2. Для соединения пересекающихся проводников курсор устанавливается в точку пересечения и выполняется команда Place->Junction, нажимается комбинация клавиш Shft+J или кнопка на панели инструментов; для отмены электрического соединения необходимо поверх точки соединения разместить другую такую точку.

Если при размещении компонентов на схеме один или несколько выводов соприкасаются, между ними устанавливается электрическое соединение, и если потом эти компоненты раздвинуть, автоматически прокладывается проводник.

При размещении цепей им автоматически присваиваются системные имена, например N01049, которые невозможно изменить. Однако в списки соединений заносятся так называемые псевдонимы (Alias) цепей, которые для выбранной цепи определяются по команде Place->Net Alias, инициируемой также нажатием комбинации Shift+N или нажатием на кнопку панели инструментов. Каждая цепь может иметь несколько псевдонимов, из которых в таблице Properties выбирается текущий псевдоним, который и используется при составлении списка соединений.

На схеме проводники изображаются линиями стандартной ширины 0,2 мм при масштабе 1:1 (изменить эту ширину, нельзя). Линиями такой же толщины изображаются линии контуров символов компонентов и их выводы.

Подготовка к моделированию

После создания схемы моделируемого устройства на нее должны быть дополнительно нанесены элементы, отображающие паразитные эффекты в реальна конструкциях, и подключены источники питания и сигналов. Задание на моделирование заносится в так называемый профайл (*,SIM), который создается по команде PSpice->New Simulation Profile , диалоговое окно которой приведено на рис. 11.

Рис. 11 Ввод имени профайла

После ввода имени нового задания на моделирование или после выполнения команды PSpice->Edit Simulation Profile открывается диалоговое составления задания на моделирование, показанное на рис. 12. В нем имеется 8 закладок:

• General - задание имен файлов (профайла, текстового файла результат моделирования и файла графических данных для программы построения графиков Probe);

• Analysis - выбор директивы моделирования;

• Include Files - подключение внешних файлов;

• Libraries - загрузка библиотек математических моделей;

• Stimulus - загрузка файлов описания внешних сигналов;

• Options - задание параметров моделирования;

• Data Collection - выбор переменных, заносимых в файл графических данных;

• Probe Window - характер отображения данных в программе построений графиков Probe.

Рис. 11. Составление задания на моделирование