Тема 20. Анализ электронных схем на эвм

Задачей курса является также дать студентам возможность приобрести навыки использовать компьютер как инструмент, с помощью которого они получают знания и умения, согласно образовательным стандартам и типовой программе «Электронные приборы и устройства». Для этого при выполнении практических занятий предполагается изучение порядка работы с пакетами MathCAD и OrCAD. В частности , наиболее важным в курсе является изучение порядка использования модуля PSpice AD, входящего в состав системы сквозного проектирования электронных устройств OrCAD.

Проектирование электронной аппаратуры представляет собой итерационный процесс, состоящий из этапов функционального проектирования, разработки принципиальной схемы, разработки печатной платы, ее изготовления, проведения испытаний, доработки по их результатам принципиальной или функциональной схемы, внесения изменений в печатную плату и т.д. и осуществляемый до тех пор, пока не будут удовлетворены все требования технического задания. С повышением сложности аппаратуры, переходом к более высоким частотам, применением смешанных аналого-цифровых устройств число итераций увеличивается. Связано это с тем, что аналитически трудно учесть паразитные эффекты, присущие как электронным компонентам, так и проводникам печатных плат, и их взаимное влияние. Единственный выход из положения заключается в организации сквозного цикла автоматизированного проектирования аппаратуры, включающего в себя моделирование как идеальной схемы, так и реальной конструкции и ее испытаний при действии различных дестабилизирующих факторов и учета разброса параметров элементов.

Основу моделирующего ядра системы OrCAD составляет программа PSpice, которая является наиболее известной модификацией программы схемотехнического моделирования SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), разработанной в начале 70-х годов в Калифорнийском университете г. Беркли. Она оказалась очень удачной, с тех пор интенсивно развивается и de facto стала эталонной программой моделирования аналоговых устройств. Принятые в ней математические модели полупроводниковых приборов используются во многих аналогичных программах, предназначенных для моделирования сверхвысокочастотных устройств: Serenade (Ansoft. Corp.), Advanced Design System (Agilent Technologies), Microwave Office (Applied Wave Research Inc.). Списки соединений схемы в формате SPICE составляются большинством пакетов САПР: Micro-Cap, OrCAD, P-CAD, ACCEL EDA, Viewlogic, COMPASS, Design Architect и др. Первая версия программы PSpice для IBM PC создана в 1984 г. корпорацией MicroSim. Эта и последующие версии используют те же алгоритмы и формат представления входных и выходных данных, что и SPICE.

Представление о возможностях системы OrCAD дает перечень входящих в ее состав программных модулей: Capture – графический редактор схем; Capture CIS (Component Information System) – графический редактор с возможностями доступа к базам данных через Интернет; Express – моделирование цифровых устройств (включает в себя встроенный редактор схем OrCAD Capture) и интерфейс с программами проектирования программируемых логических интегральных схем с возможностью использования VHDL-описаний; Layout – разработка печатных плат; Layout Plus – программа для разработки печатных плат, дополненная бессеточным автотрассировщиком SmartRoute, использующим методы оптимизации нейронных сетей; Schematics – графический редактор принципиальных схем, который одновременно является управляющей оболочкой для запуска основных модулей системы, предназначенных для выполнения моделирования; PSpice A/D – моделирование смешанных аналого-цифровых устройств; PSpice Stimulus Editor – редактор входных сигналов (аналоговых и цифровых); PSpice Probe – графическое отображение, обработка и документирование результатов моделирования; PSpice Model Editor – идентификация параметров математических моделей диодов, биполярных, полевых и мощных МОП-транзисторов, операционных усилителей, компараторов напряжения, регуляторов и стабилизаторов напряжения и магнитных сердечников по паспортным данным; PSpice Design Manager – удобное средство ведения проектов для моделирования; PSpice Optimizer – параметрическая оптимизация аналого-цифровых устройств по заданному критерию при наличии нелинейных ограничений.

При выполнении задания в рабочую тетрадь заносится следующая информация: исходные данные; принципиальные схемы устройств; выражения, по которым проводятся расчеты; промежуточные и окончательные результаты расчетов; ответы на вопросы, набранные курсивом по тексту в пункте «Порядок выполнения задания», и на предложенный преподавателем контрольный вопрос. Принципиальные схемы устройств и графики характеристик должны выполняться в соответствии с требованиями Единой системы конструкторской документации.

Полученные при выполнении расчетов значения параметров элементов (резисторов и конденсаторов) принципиальных схем различных устройств необходимо округлять до номинальных значений согласно рядам ГОСТ (прил. 1). Значения резисторов выбирать из ряда, соответствующего допустимому отклонению ±5 %, конденсаторов – ±20 %. При проведении всех последующих расчетов оперировать только номинальными значениями. Напряжения источников питания необходимо выбирать согласно ряду номинальных значений, приведенному в прил. 2. Справочные данные по биполярным и полевым транзисторам, операционным усилителям, необходимые для проведения расчетов, содержатся в прил. 3, 4 и 5, а семейства статических вольт-амперных характеристик биполярных транисторов – в прил. 6.

Вторая часть практического занятия выполняется с использованием пакетов MathCAD и OrCAD. При их выполнении необходимо учесть следующее: создаваемые файлы сохранять в папке D:\Student\... .; там же содержатся файлы с исходными данными, если такие используются при выполнении задания. При составлении принципиальных схем с помощью редактора Schematics (пакет OrCAD) необходимо использовать библиотеки, содержащие условные графические обозначения (УГО) компонентов, выполненные согласно ЕСКД: St1 – резисторы, конденсаторы, источники тока и напряжения и т.д.; diodrus – диоды; biprus – биполярные транзисторы; fetrus – полевые транзисторы; opamrus – операционные усилители.