ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСТЕТ

им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ»

Кафедра «Приборов и информационно-измерительных систем»

Методическое указание

к лабораторной работе

по дисциплине

Б1.Б.9.2 «Прикладные информационные технологии»

Направление подготовки 12.03.01 - Приборостроение

Квалификация (степень) выпускника бакалавр

Форма обучения очная

Составитель: к.т.н., доцент кафедры С.В. Смирнова

Казань 2016

Моделирование схемы электрической принципиальной в программе MultiSim и разработка печатной платы в приложении Ultiboard.

В этой лабораторной работе можно познакомиться с методикой моделирования схемы электрической принципиальной и разработкой печатной платы.

Сведения из теории.

Разработка любого электронного средства (ЭС) сопровождается физическим или математическим моделированием. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требуется изготавливать макет и проводить достаточно трудоемкие исследования. Зачастую физическое моделирование невозможно. Например, при разработке БИС и СБИС. Поэтому целесообразно применять при проектировании новых устройств программы математического моделирования, которые не только позволяют снизить сроки и стоимость разработки, но и предоставляют разработчику ряд инструментов анализа, либо недоступных при физическом моделировании, либо имеющих чрезвычайно высокую стоимость.

Задача моделирования цифровых узлов и систем может быть решена на основании моделей интегральных микросхем, составленных разными способами. В зависимости от подхода и метода составления моделей они имеют разное назначение, сложность и точность описания электрических свойств и логики функционирования. В настоящее время наибольшее распространение получили следующие программы схемотехнического моделирования: MicroCap, Alpak, Orcad, Altium Designer (ранее Protel), Multisim (ранее Electronics Workbench), LabView и другие. Практически все программы схемотехнического моделирования используют язык описания электронных схем SPICE, языки спецификации логических систем VHDL и AHDL и формат IBIS представления данных об электрических свойствах цифровых интегральных схем (ЦИС).

Язык и система SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) предназначены для описания электрических цепей разной сложности. SPICE использует для расчета схем во временной и частотной областях, а также в статическом режиме. Они позволяют решить следующие задачи проектирования:

- верификация электрической схемы в целом с учетом паразитных элементов, которые появляются после проектирования топологии ИС и МС;

- оптимизация отдельных блоков электрической цепи, СБИС и МС в целом, в том числе в заданном температурном диапазоне;

- выбор параметров элементов с учетом их технологического разброса с целью увеличения выхода годных кристаллов;

- оценка выхода годных кристаллов;

- статистический расчет надежности, связанной со старением элементов, запасом помехоустойчивости и воздействием внешних факторов;

- предсказание динамических характеристик и потребляемой мощности, в том числе с учетом влияния корпуса и печатной платы.

Максимальной точностью и достоверностью обладают классические SPICE-подобные программы схемотехнического моделирования, которые основаны на машинном составлении системы обыкновенных дифференциальных уравнений электрической цепи и их решении без применения упрощающих предположений. В них используются численные методы Рунге-Кутта или метод Гира для интегрирования системы дифференциальных уравнений, метод Ньютона-Рафсона для линеаризации системы нелинейных алгебраических уравнений и метод Гаусса или LU-разложение для решения системы линейных алгебраических уравнений.

Для увеличения скорости моделирования SPICE-подобных программ при минимальном снижении достоверности используются методы, которые первоначально были разработаны для логического моделирования (методы ускоренного моделирования, «fast-SPICE simulation»). К ним относится моделирование только активной части цепи, т. е. путей распространения сигнала, учет временной неактивности (латентности) подсхем, применение табличных моделей активных элементов, применение различного временного шага и различных численных методов для разных подсхем, применение макромоделей и сочетание различных методов моделирования на разных уровнях иерархии проекта СБИС (гибридное электро-логическое моделирование).

Недостатком методов ускоренного моделирования является снижение достоверности полученного результата. Фундаментальной причиной снижения достоверности при использовании методов ускоренного моделирования является то, что для получения достоверных критериев упрощения исходной задачи нужно сначала получить ее точное решение. То есть все величины, на основании которых принимается решение о латентности, наступлении события и т.п., являются исходно неточными. По этой причине наряду с понятием точности при описании свойств программ моделирования используют понятие достоверности. Достоверность понимают как вероятность того, что результат моделирования имеет ожидаемую точность. В результате низкой достоверности средств ускоренного моделирования для субмикронных ИС только 40% проектировщиков достигли успеха, используя программы, не учитывающие аналоговые эффекты.

Еще одной трудностью, возникающей на пути полного схемотехнического моделирования цифрового узла на основе SPICE-моделей составляющих его элементов, является отсутствие в свободном доступе принципиальных электрических схем, тем более с номиналами пассивных и характеристиками активных элементов. Напротив, большинство крупных фирм старается сохранить эту информацию в тайне (особенно для новых разработок) В технической документации на микросхемы они лишь иногда приводят структурную схему, которая не дает практически ничего для составления SPICE-моделей. В настоящее время производители микросхем практически прекратили распространение их SPICE-моделей. Все большее развитие получает новый подход к моделированию микросхемы, основанный на IBIS-описании.

Моделирование цифровых узлов с позиций целостности сигнала и ЭМС оказывается весьма непростой задачей. Для ее решения необходимо было использовать новый подход. Специалисты остановились на формальных макромоделях микросхем, и результатом их работы стало появление нового типа моделей — IBIS (I/O Buffers Information Specification, или информационная спецификация буферов ввода/вывода).

Сущность IBIS заключается в том, что в спецификации приводится описание свойств только входных и выходных буферов микросхем, причем под буфером (термин широко используется в стандарте) понимается часть схемы, непосредственно связанная с тем или иным сигнальным выводом. Распространение сигналов внутри микросхемы не моделируется. Сами буферы представляются в виде схем замещения.

Для того чтобы входные и выходные буферы функционировали взаимосвязано, необходимо входные сигналы привести к нормированному виду. Схема, при помощи которой обрабатывается входной сигнал и формируется управляющий выходной, называется внутренней логикой, или, согласно принятой в IBIS терминологии, логикой уровня и активации.

Однако IBIS-модели можно использовать и при моделировании с использованием языка SPICE и систем на его основе. В этом случае внутреннюю часть схемы заменяют такой схемой замещения, чтобы она выполняла интересующие пользователя логические функции, а входные и выходные буфера — их IBIS-моделями.

В настоящее время наблюдаются две важные тенденции в области IBIS. Первая из них — это массовый переход от SPICE к IBIS-моделям микросхем. Вторая заключается в том, что IBIS в своем развитии все больше сближается с VHDL и другими подобными языками. Файлы с IBIS-описанием микросхем могут быть дополнены VHDL-описанием логики ее функционирования. Такое сочетание языков разного назначения в стандарте IBIS называют мультиязычным расширением.

VHDL — это язык, который позволяет описывать поведение, т. е. алгоритмы функционирования цифровых узлов и цифровых интегральных схем при их проектировании, а также проводить иерархическое функционально-структурное описание систем. Он имеет средство для описания ряда асинхронных процессов, регулярных структур и в то же время имеет все признаки языка программирования высокого уровня.

Логические системы проектируются на базе хорошо формализованного вполне строгого и сравнительно простого аппарата булевой алгебры. В рамках этого математического аппарата доказано, что любая логическая система может быть скомпонована из ограниченного количества простых объектов, называемых элементами.

Языки VHDL и AHDL очень похожи как по командному базису, так и по возможностям описания цифровых систем и ПЛИС. Отличие между ними состоит в том, что VHDL создавался как язык описания цифровых устройств вообще, а АНDL ориентирован на ПЛИС и другие микросхемы фирмы Altera. Это значит, что он имеет более узкую «специализацию», но, поскольку был создан для микросхем с определенной архитектурой, то позволяет наиболее полно использовать ее особенности.

Таким образом, с точки зрения задачи моделирования цифровых устройств, языки VHDL и AHDL и САПР на их основе обеспечивают логический расчет на ранних этапах проектирования. Эти языки пригодны также для моделирования цифровых микросхем. Эти языки не предназначены для расчета электрических схем будущего цифрового узла, но без проведения отладки функционирования средствами САПР с применением VHDL и других подобных языков создание сложных устройств становится очень затруднительным. Возможность проведения моделирования цифрового узла на стадии их проектирования — неоспоримая практическая польза и несомненное достоинство VHDL.

Фильтры

Под электрическим фильтром понимается устройство, пропускающее колебания одних частот и задерживающее колебания других частот. На основе операционных усилителей и, как минимум, двух реактивных элементов (обычно конденсаторов) можно спроектировать устройства, имеющие свойства фильтров. Такие фильтры называются активными. Их наиболее эффективно можно использовать в диапазоне частот от нуля до единиц килогерц. В этом диапазоне частот невыгодно применять в качестве реактивных элементов индуктивности большого номинала, имеющие небольшую добротность и стабильность.

Область частот, пропускаемых фильтром, называется полосой пропускания. Область частот, задерживаемых фильтром, называется полосой задерживания. Между полосой пропускания и полосой задерживания лежит переходная область. В пределах полосы пропускания коэффициент передачи должен быть постоянен по модулю и равен некоторой величине с заданной точностью.

В пределах полосы задерживания коэффициент передачи не должен превосходить некоторого наперед заданного значения. Для переходной области определяющей характеристикой является ее крутизна. Чем она больше, тем меньше расстояние от полосы пропускания до полосы задерживания. В зависимости от типа частотной характеристики выделяют фильтры: нижних частот, верхних частот, полосовые. Это основные типы активных фильтров. Кроме того, существуют фильтры резонансного типа, полосно-задерживающие и режекторные, задерживающие сигнал на определенной частоте. По крутизне среза частотной характеристики в переходной области определяют порядок фильтра. Фильтром первого порядка называют фильтр с крутизной среза 20 децибелл на декаду. К таким фильтрам можно отнести рассмотренные ранее схемы интегратора и дифференциатора. Интегратор является фильтром нижних частот первого порядка, а дифференциатор - фильтром верхних частот первого порядка. Фильтры второго порядка имеют крутизну 40 децибелл на декаду, третьего- 60, четвертого - 80 и т.д.

Активные rc-Фильтры второго порядка

Еще больше распространены схемы активных фильтров второго порядка, позволяющие реализовать большую крутизну спада АЧХ по сравнению со схемой первого порядка. Кроме того, эти звенья позволяют настраивать частоту полюса на заданное значение, полученное при аппроксимации амплитудно-частотной характеристики. Рассмотрим наиболее простую схему активного RC-фильтра второго порядка, показанную на рисунке. Данная схема выполнена на двух ОУ, в качестве источника используется ЭДС переменного напряжения.

Рис.1. Схема моделирования активного RC-фильтра второго порядка

Порядок выполнения работы:

1. Начертим схему. Установим следующие параметры АЧХ:

2) Запустим моделирование и пронаблюдаем на экране АЧХ

3) Изменим входные параметры, и проследим за изменением выходных параметров.

Ход выполнения работы

1) Начертим заданную схему:

Рис. 2. Схема моделирования активного RC-фильтра второго порядка

2. Запустим моделирование и рассмотрим АЧХ:

Мы получили идеальное АЧХ. При этом диапазон частот: fн=231Гц, fц=2.31КГц, fк=35.1КГц , ∆f=34.87КГц.

Рассмотрим влияния сопротивлений на вид АЧХ при:

1) R2=R3=100KOm

2)R4=R5=100KOm

3)R7=30KOm

R7=7.5KOm

Рассмотрим влияние конденсаторов на полосу пропускания при:

1) С=10µF

2) C=10nF

Сделаем вывод: при изменяя сопротивление R2 и R3 АЧХ остается идеальной, тоже самое при изменении конденсаторов. Но при изменении сопротивлений резисторов R1, R5, R7 и R4 АЧХ изменяется и становиться не идеальной.