В.Т. Комаров, И.Д. Пахомкин
Лабораторный практикум по курсу
“ Автоматизированное проектирование радиоэлектронных устройств”
Москва 2017
УДК 621.1.37
Сборник лабораторных работ по учебному курсу «Математическое обеспечение САПР”, предназначен для студентов радиотехнической специальности. Целью сборника является практическое изучение методов машинного проектирования радиоэлектронных устройств. В лабораторных работах используются основные математические методы машинного проектирования устройств: временной, частотный и электродинамический. В сборнике приводится описание входного языка и знакомство с базой данных программы ORCAD, предназначенной для широкого круга электронных задач . В сборнике даются основы работы с базой данных, а также с интерфейсом программы Advanteth Designer System (ADS) и программы анализа и оптимизации высокочастотных схем Ansoft Designer.
Лабораторная работа № 1 проектирование схем в програмной среде cadens-orcad
Цель работы: 1) изучение программной среды CADENS-ORCAD сквозного цикла проектирования, включающего в себя формирование электрической схемы устройства, моделирование электрических процессов схемы, формирование печатной платы.
Продолжительность работы 6 часов.
Состав программы OrCad
Представление о программе OrCAD дает перечень входящих в ее состав программных модулей:
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 ICA, Internet Component Assistant) доступ к каталогу компонентов, содержащему более 200 тыс. наименований;
OrCAD PSpice A/D — программа моделирования аналоговых и смешанных аналого-цифровых устройств, ;
PSpice Advanced Analysis— программа параметрической оптимизации;
PSpise SLPS option интерфейс связи с пакетом Matlab
PCB Designert — редактор печатных плат;
SPECTRA for OrCAD—программа автоматической трассипровки.
Зарегистрированные пользователи OrCAD имеют возможность получать дополнительную информацию и ответы на свои вопросы через Интернет, используя проект OrCAD Design Network (ODN, http://www.orcad.com/odn) . Кроме того, круглосуточно доступна «горячая линия» по электронной почте: info@orcad.com.
Моделирование аналоговых устройств программой PSpice Schematics
Программа ORCAD PCB Designer/with Pspice позволяет выполнять анализ по постоянному и переменному току, выполнять анализ переходных процессов схемы.
Теория автоматизированного проектирования включает в себя формализацию объекта, которая состоит из формирования электрической схемы, на ее основе формирования электрических уравнений Кирхгофа, и представлении этих уравнений в стандартной форме удобной для расчета численными методами.
Модели электрических компонентов представлены сосредоточенными элементами: емкостей, индуктивностей, сопротивлений, отрезками длинной линии. Полупроводниковые элементы представлены полными эквивалентными схемами и параметрами эквивалентных схем.
Анализ переходных процессов представляет собой решение систем дифференциальных уравнений во временной области [1] Анализ схем по постоянному и переменному току представляет собой решение алгебраических уравнений в частотной области [1].
Библиотеки символов компонентов
Входным языком программы ORCAD является электрическая схема.
Библиотеки символов элементов схемы (файлы *.olb) программы Capture системы OrCAD содержат более 30 тыс. элементов. При создании проекта необходимо заранее продумать, какими библиотеками можно воспользоваться в каждом конкретном случае. Иначе, например, после создания принципиальной схемы устройства не удается разработать печатную плату из-за несогласованностей библиотек символов и корпусов компонентов. В таб.3 приведены краткие сведения о размещении входящих в стандартную поставку библиотек.
В каталог Capture\Library\PSpice помещены библиотеки символов *.olb и математических моделей компонентов *.lib, используемые при моделировании с помощью программы PSpice, причем сюда включены практически все символы графического редактора PSpice Schematics и соответствующие им математические модели.
Ряд библиотек символов из каталога \Capture\Library\PSpice не содержит информации об упаковке компонентов, ссылок на их корпуса и численных значениях параметров математических моделей (эти значения вводятся непосредственно на схеме):
Abm.olb — функциональные блоки (сумматор, умножитель, линейное инерционное звено, интегратор, дифференциатор, ограничитель и др.);
Analog.olb — дискретные аналоговые компоненты (R, С, L, Е и др.);
Breakout.olb - заготовки символов полупроводниковых приборов и других компонентов;
Source.olb — источники аналоговых и цифровых сигналов, параметры которых задаются в текстовом виде;
Sourcestm.olb — источники аналоговых и цифровых сигналов, создаваемых с помощью программы Stimulus Editor;
Special.olb — символы для задания специальных директив моделирования (в их число входит спецификация параметров PARAM, метка WATCH и др.);
Другие библиотеки соответствуют компонентам определенных типов, они согласованы с библиотекам математических моделей и корпусов компонентов (эти библиотеки находятся в подкаталогах \Capture\Library\PSpice и \Capture\Library):
Anlg_dev.olb — операционные усилители и другие ИС фирмы Analog Devices;
Bipolar.olb — биполярные транзисторы;
CD400.olb — цифровые к МОП-вентили;
Lin_tech.olb — операционные усилители фирмы Linear Technology;
Siemens.olb — полупроводниковые приборы фирмы Siemens;
7400.olb, 74ac.olb и др. — цифровые ТТЛ-ИС;
Таб.3
Стандартные библиотеки OrCAD
|
Этап проектирования |
Расширения имен файлов библиотек |
Имя подкаталога расположения библиотек |
|
|
Создание схем (OrCAD Capture) |
olb — символы компонентов |
\ Capture \ Library \PSpice |
|
|
Создание схем (PSpice Schematics) |
sib — символы компонентов plb — упаковочная информация |
\PSpice\Library |
|
|
Моделирование схем (OrCAD PSpice) |
lib — математические модели компонентов |
\ Capture \ Library \ PSpice |
|
|
Разработка печатных плат (OrCAD Layout) |
lib — типовые корпуса (Footprints) компонентов |
\Layout\Library (см. каталог библиотек, в файлах Liblist.txt, Layllb.txt) |
|
Задание на проектирование
Пользуясь электрической схемой высокочастотного автогенератора, обладающего малыми фазовыми шумами, собрать в графическом редакторе программы электрическую схему автогенератора, используя библиотечные элементы реальных транзистора, емкостей, индуктивности и сопротивлений.
Провести временное моделирование автогенератора с целью получения стационарного режима на заданной частоте в соответствии с заданным вариантом таб.4.
Добавить в схему варикап и добиться перестройки частоты не менее 10%
Произвести подготовку проекта для экспорта в программу проектирования печатной платы PSB Designer, для этого необходимо всем элементам схемы обеспечить посадочные места (foot print)
Произвести экспорт схемы в программу PSB Designer. Определить размер печатной платы, разместить на печатной плате элементы и осуществить соединение элементов металлизированными проводниками. Добавить на плату контактные площадки питания, управления варикапом, нагрузки и выбрать контактный разъем.
Варианты заданий
Вариант задания |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
Частота Ггц |
0.9 |
1 |
1.1 |
1.2 |
1.3 |
1.4 |
Вариант задания |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
Частота Ггц |
1.5 |
1.6 |
1.7 |
1.8 |
1.9 |
2 |
Методика выполнения работы
На рабочем столе активировать команду-Подключение к удаленному рабочему столу, в появившемся окне выбрать компьютер skylab.sipc.miet.ru.
Войти в систему удаленного рабочего стола.
С помощью команды ПУСК определить директорию Cadence и вызвать программу ORCAD 16.3. Вызвать подпрограмму ORCAD CAPTURE CIS with PISPICE [2]. Сформировать новый проект, указав имя проекта и место хранения (директория H).В появившемся меню рис.1 выделить режим работы ANALOG or MIXE A/D
.
Рис. 1 Меню программы PSPISE/
В меню открыть новый проект -blank project или выбрать образец готового из списка примеров программы- existing project.
Рис.2 Выбор готового проекта
Кликнув команды DSN, SHEMATIC, PAGE1 можно приступать к графическому формированию электрической схемы.
Создание электрической схемы начинается с вызова библиотеки, которая вызывается либо командой PARTS, либо ярлыком в вертикальном меню справа от рабочего стола. Для работы с программой PSPICE выбрать в каталоге элементов библиотеку Pspice -Analog. Выбрав в библиотеке элемент, необходимо двумя щелчками установить его на рабочий стол Модели резисторов, емкостей и индуктивностей расположены по адресу Pspice-Advans-Pspice elements , после вызова на рабочий стол элемента, при помощи правой клавиши мыши, в разделе properti можно устанавливать численные значения элементов. Электрическое соединение элементов обеспечивается нажатием соответствующей клавиши в правом меню и выбором посредством мыши соединяемых узлов схемы. Посадочные места PCB Footprint для передачи в программу PCB проставляются в свойствах элемента командой Edit property: резисторы- smdres, емкости-smdcap, индуктивности -do14. На рис.3 представлена электрическая схема высокочастотного автогенератора собранного на дискретных элементах, способная работать в L и C диапазонах частот. В качестве активного элемента выбирается биполярный транзистор bfp450 (библиотека pspice-advans-rfbjn). В качестве варикапа используется диод bby510 (библиотека pspice-infineon). Источники постоянного напряжения Vdc выбираются в библиотеке pspice-sours.old. При формировании схемы используются библиотеки диодов (Infineon), индуктивностей (coilcraft), транзисторов(rfbjn). Посадочные места транзисторов обозначаются -sot143, диодов- do14. Особенностью представленной схемы автогенератора, с целью уменьшения фазовых шумов, является включение транзистора по высокой частоте по схеме с общим коллектором. Высокочастотный сигнал снимается с эмиттера. Частота автоколебаний зависит от последовательного резонансного контура, представленного катушкой индуктивности (типичное значение 8nh) и емкостью (типичное значение 2pf). Положительная обратная связь в автогенераторе обеспечивает емкость, включенная между эмиттером и базой (типичное значение (0.5-1)pf)). Условие самовозбуждения обеспечивают резисторы смещения и автосмещения.
Рис.3 Электрическая схема высокочастотного автогенератора
Начальным толчком для самовозбуждения в компьютерной модели является одиночный импульс длительностью 0.5ns. Модель импульсного источника тока расположен по адресу Pspice-Advans-Pspice elements Для анализа переходного процесса и установившегося режима необходимо в верхнем меню, во второй строке интерфейса командой profile задать время анализа режима Time Domain (Ttranziet). Время анализа переходного процесса должно превосходить период заданной частоты. Интерфейс режима представлен на рис.4. Командой анализа RUN проводится анализ схемы
Рис.4 Меню временного анализа схем.
В случае возникновения ошибок при наборе схемы, в нижнем меню экрана появится сообщение. В результате проведенного анализа в нижнем меню появится мигающее сообщение, активируя которое можно вызвать результаты проведенного анализа, временные зависимости токов элементов, напряжений в узлах и мощностей рассеиваемых в элементах. Результаты временного анализа вызываются командой меню Trace -> Add Trace.Команда предлагает осциллограммы токов и напряжений ветвей схемы, в данной работе представляет интерес ток в нагрузке I(R3) или напряжение на нагрузке V(R3:B), в результате на экране монитора появится осциллограмма переходного процесса. Интерфейс программы позволяет выделять отдельные участки переходного процесса командой Zoom Area, команда Togle Cursor позволяет при помощи курсора вюделять численные значения переходного процесса. Пример переходного процесса автогенератора представлен на рис.5.
Рис.5 Переходной процес автогенератора
Спектральный анализ вызывается командой преобразования Фурье (FFT)
Спектральное преобразование переходного процесса представлено на рис.6.
..
Рис.6. Спектральное преобразование переходного процесса
Проектирование печатной платы программой OrCad PCB Editor.
Переход к проектированию схемы в виде печатной платы возможен при наличии в свойствах компонентов символов посадочных мест( pcb footprint)
Если в характеристиках компонента отсутствует посадочное место (PCB footprint), то экспорт схемы в программу OrCad PCB будет не полноценным.
Наличие посадочного места определяется выделением элемента и вызовом левой клавишей команду show footprint. Решить проблему можно, если предварительно загрузить программу OrCad PCB и вызвать раздел Place -> Manually. В закладке Advanced Settings включаем библиотеку элементов в меню List Construstion ставим галку напротив Library и возвращаемся в закладку Placement List рис.7.Вместо Components by refdes включаем Package symbols. Выбираем нужные элементы (по внешнему виду и типу).
Рис.7 Библиотека символов корпусов программы ORCAD PCB.
Заходим в директорию, в которую установлена программ C:/program files (x86)/SPB_16.5/Share/pcb/pcb_lib/symbols. В данной директории находятся компоненты (внешний вид которых мы выбирали)
Копируем название нужного нам компонента. (например smdres (это планарный резистор))
Возвращаемся в Orcad Capture CIS и заходим в параметры компонента. В поле PCB Footprint вписываем скопированное имя и визуально наблюдаем наличие контактных площадок (pin) элемента.
Разводка печатной платы.
Экспорт схемы в программу PCB Designer все элементы которой имеют посадочные места, необходимо активировать команды Tools -> Create netlist.
В открывшемся меню выбираем раздел Board Launching Option подпункт Open Board in OrCAD PCB Editor и OK.
Меню экспорта представлено на рис.8..
Рис.8 Меню экспорта электрической схемы в программу OrCAD PCB.
Команда Setap предполагает вызов программы конфигурации рис.9. Далее открывается программа OrCAD PCB Editor и выбирается версия загрузки данной программы. OrCAD PCB Designer Professional w/PSpice. При правильной загрузке, открывается рабочее окно прграммы pcb editor рис.10. Командами интерфейса рис/10 Setup -> Design Parameter Editor-.> Design и заменяем в User Units систему измерения с Mils на Millimeter. Применяем (Apply) выбранные настройки и нажимаем OK.
gМЕ
Рис.9 Установка программы конфигурации.
Проектирование печатной платы начинаем с добавления на экране рабочей области (платы). Для данной операции заходим в разделы меню Setup -> Outlines -> Board outline. В данном меню задаются размеры платы, а так же расстояние отступания рабочей области от края платы. Металлические поверхности платы выбираем командами OPTION->Eth->Bottom .В меню Shape выбираем команду Restangl для нанесения металлического слоя на нижнюю сторону платы. Металлический слой подложки является земляным узлом схемы, поэтому ему необходимо присвоить имя земляного элемента схемы Для этого используются команды меню Shape->Restangl->Option->Net->More . Выделенному прямоугольнику присваивается имя земляного узла
Металлизированная поверхность представлена желтым цветом.
Для добавления элементов на плату заходим в меню Place->Manually. Выбираем каждый элемент на плату. На рис.10 представлен интерфейс рабочего стола и элементы печатной платы. В меню Display->Color/Visibility выставляем цвета под элементы и слои. Top – зеленый. Botton – желтый..
Рис.10 Рабочее окно программы pcb editor .
Для добавления элементов на плату заходим в меню Place->Manually. Выбираем каждый элемент и переносим на плату. Установка элемента осуществляется в ручном режиме в соответствии электрической схемой. При установке и расположении элементов пользоваться командами move, rotate. После установки всех элементов схемы на минимальных расстояниях производится их соединение металлическими проводниками с помощью команды Route -> connectl. Для изменения ширины соединительной линии используется команда меню Chang Width. Для реализации отверстий заземления в подложке используются команды Route -> Connect->Add Via. В дальнейшем на контактной площадке фиксируется заземленное отверстие . Для включения питания по постоянному току и вывода в нагрузку высокочастотного сигнала необходимо предусмотреть контактные площадки для контактирующих устройств рис.10.
Требования к отчету
Отчет включает в себя рабочий файл проекта схемы в среде ORCAD.Задание для самостоятельной работы, Результаты расчета в виде осциллограммы и спектра. Рабочий файл печатной платы в среде PCB Designer.