Пакеты программ автоматизации проектирования РЭС

Системы программ, предназначенные для автоматизации проектирования РЭС, можно разделить на две основные группы: системы схемотехнического проектирования и конструкторского проектирования РЭС. Это деление весьма условно, особенно для систем проектирования микроэлектронной аппаратуры, а также СВЧ и излучающих устройств. В последнее десятилетие наметилась явная тенденция интеграции пакетов программ для схемотехнического и конструкторского проектирования радиоустройств.

Кроме этих основных групп пакетов программ, в системах автоматизированного проектирования РЭС широко используются различные вспомогательные пакеты: математические пакеты, базы данных, графические и текстовые редакторы, электронные таблицы и т. п.

Пакеты программ для схемотехнического проектирования РЭС

В настоящее время известно большое число пакетов программ, предназначенных для выполнения схемотехнического проектирования радиоэлектронных средств и ориентированных на использование рабочих станций и персональных компьютеров. Рассмотрим некоторые из этих пакетов, получившие наибольшее распространение.

Системы схемотехнического моделирования аналоговых и цифровых устройств и проектирования печатных плат Design Center и Design Lab разработаны корпорацией MicroSim. В основу этих систем положен известный пакет программ PSPICE, первые версии которого были разработаны в начале 1970-х гг. в Калифорнийском университете. Возможности этих систем существенно зависят от варианта поставки и операционной системы.

Чаще всего системы позволяют выполнять моделирование аналоговых, смешанных аналого-цифровых и просто цифровых радиоустройств, синтез цифровых устройств на базе интегральных схем с программируемой логикой, выполнять моделирование с учетом паразитных емкостей и индуктивностей, присущих реальным печатным платам.

Системы Design Center и Design Lab оснащены графическим редактором принципиальных схем РЭС, который одновременно является управляющей оболочкой для запуска программных модулей на всех стадиях работы с системами. Системы позволяют выполнять расчет режимов радиоустройств по постоянному и переменному току, спектральный анализ, моделирование переходных процессов в РЭС, расчет уровней шума, выполнять статистический анализ, учитывать вариации температуры при работе устройства. Моделирование аналого-цифровых и цифровых устройств выполняется на логическом уровне с подключением аналого-цифровых и цифро-аналоговых интерфейсов для обеспечения связи аналоговой и цифровой частей РЭС.

В системах может выполняться параметрическая оптимизация аналого-цифровых устройств по заданным критериям при наличии нелинейных ограничений на параметры варьируемых компонентов.

Системы имеют графический редактор печатных плат, который в автономном режиме воспринимает информацию о соединениях в формате Р-CAD, а в составе системы - от графического редактора принципиальных схем. Компоненты РЭС автоматически или вручную размещаются на одной или двух сторонах печатной платы, после чего возможна трассировка многослойных соединений в автоматическом или интерактивном режиме. По результатам трассировки создаются командные файлы для изготовления фотошаблонов для сверлильных станков с ЧПУ. Возможна передача данных в систему AutoCAD для выпуска конструкторской документации.

К системам Design Center и Design Lab прилагаются многочисленные библиотеки графических символов элементов РЭС и банки данных с более чем восемью тысячами математических моделей компонентов (диодов, тиристоров, биполярных и полевых транзисторов, оптопар, операционных усилителей, компараторов напряжения, кварцевых резонаторов, магнитных сердечников, цифровых и аналого-цифровых микросхем) производства различных фирм США, Западной Европы и Японии. Имеется возможность пополнения библиотек.

Примерно такими же возможностями с точки зрения схемотехнического проектирования обладает система ЮАР, разработанная фирмой Intusoft. В основу этой системы также положен пакет программ PSPICE. Система ICAP отличается удобным оконным редактором, возможностью работы с измерительным оборудованием, выходные файлы системы совместимы с пакетом P-CAD.

Получившая широкое распространение в конце 1970-х - начале 1980-х гг. первая версия пакета программ Super-Compact сделала фирму Compact Software одной из ведущих в мире по разработке программного обеспечения для проектирования радиочастотных устройств, особенно СВЧ-диапазона. Пакет SuperCompact оказался очень удачным и с тех пор интенсивно развивается. Достаточно точные математические модели широкого круга элементов СВЧ-цепей, удобство входного языка и ряд других достоинств привели к широкому распространению этого пакета, ориентированного на проектирование фильтров, согласующих цепей и цепей связи СВЧ-диапазона.

В пакете используются базовые элементы в виде двух-, четырех-, шести-и восьмиполюсников, характеризующихся А-, S-, У-параметрами. Допускается включение произвольных многополюсников, описанных одними из перечнеленных параметров таблично, в зависимости от частоты. Пакет позволяет анализировать СВЧ-цепи, содержащие наиболее употребительные конфигурации элементов с распределенными и сосредоточенными параметрами. Распределенные элементы могут представлять различные типы связанных и одиночных отрезков линий передачи: микрополосковые и полосковые, линии с подвешенной подложкой и коаксиальные, компланарные и щелевые, прямоугольные и круглые волноводы. Распределенные элементы могут характеризоваться как геометрическими, так и электрическими параметрами. При моделировании СВЧ-устройств учитываются электрические неоднородности, влияние дисперсии, излучения, многослойной металлизации проводников, шероховатости поверхности, потерь в проводниках и диэлектрических потерь.

Модели полупроводниковых приборов описываются параметрами рассеяния либо матрицами классической теории цепей. Моделирование СВЧ-цепей выполняется на основе аппарата Y-матрицы, причем отдельные части цепи могут описываться с помощью аппарата А -матриц.

Описание устройства производится покомпонентно, причем в одной строке указываются аббревиатурой тип компонента, способ его подключения в цепи и параметры компонента с допустимыми границами изменения параметров в процессе оптимизации.

Оптимизация параметров устройства может выполняться одновременно для нескольких характеристик и в нескольких состояниях. Например, СВЧ-диодный переключатель может одновременно оптимизироваться в режимах «включено» и «выключено». Для оптимизации используется одна из разновидностей градиентного метода и случайный поиск с самообучением. Процесс оптимизации параметров устройства ведется в границах изменения варьируемых параметров, определяемых их физической реализуемостью и точностью моделей компонентов.

Для обеспечения разработчика информацией о параметрах полупроводниковых компонентов, проводников и диэлектрических материалов в пакет включено несколько банков данных, которые могут вызываться на командном уровне для отыскания компонента с заданными техническими характеристиками. Пакет позволяет разработчику формировать свои банки данных.

Вывод информации осуществляется на экран монитора, печать либо графопостроитель и может включать схему устройства и ее различные частотные характеристики в табличном виде либо в виде графиков в полярных или декартовых координатах. По требованию разработчика Super-Compact может по строить линии равного усиления, уровня шума, стабильности устройства. Для точного изучения отдельные участки характеристик могут быть представлены в увеличенном масштабе.

Дальнейшим развитием пакета Super-Compact является вышедшая в середине 1980-х гг. и полностью с ним совместимая система Microwave Harmonica [14], позволяющая выполнять моделирование и ряда нелинейных СВЧ-устройств, таких как малошумящие усилители и усилители большого уровня мощности, смесители, генераторы, переключатели и другие устройства радиочастотных трактов. Для моделирования нелинейных устройств в этой системе используется метод гармонического баланса. В начале 1990-х гг. появилась версия системы Microwave Harmonica, ориентированная на платформу Windows. Различные версии системы Microwave Harmonica широко используются в России разработчиками радиоаппаратуры различного назначения.

В последние годы эту линию программ развивает фирма Ansoft, которой были разработаны новые программные системы:

  • • Serenade, позволяющая выполнять моделирование и оптимизацию не только СВЧ, но и оптоэлектронных устройств и имеющая много версий, в числе которых есть версии, ориентированные на топологическое представление моделируемого устройства. Имеются версии этой системы, ориентированные на платформы Windows 95 и Windows NT;
  • • Super-Spice, в которой путем подключения известной программы Spice решена задача моделирования СВЧ-устройств во временной области;
  • • Microware Success, позволяющая выполнять моделирование систем радиотелефонии;
  • • Microware Explorer - система для моделирования электромагнитных полей в различных элементах радиоэлектронных устройств и ряд других.

Кроме разработки программного обеспечения фирмой Ansoft поддерживаются банки данных с линейными и нелинейными моделями элементов СВЧ и оптоэлектронной техники.

Пакет программ Micro-CAP версии 5.0 и выше, разработанный фирмой Spectrum Software, предназначен для анализа и моделирования аналоговых и смешанных аналогово-цифровых устройств. Пакет находит широкое применение в учебном процессе и инженерной практике при разработке разнообразных радиоэлектронных устройств (усилителей, фильтров, модуляторов и демодуля торов, автогенераторов, логических элементов, стабилизаторов напряжения, устройств сопряжения аналоговых и цифровых устройств и т. п.).

Пакет проводит анализ характеристик электронных устройств, принципиальные схемы которых вводятся с помощью графического редактора. Программа позволяет проводить четыре вида анализа: расчет переходных процессов и режима по постоянному току нелинейных электрических цепей, расчет частотных характеристик линеаризованных цепей, а также спектральный анализ переходных процессов.

Библиотека компонентов содержит модели операционных усилителей, полупроводниковых диодов, биполярных и полевых транзисторов, трансформаторов, источников синусоидальных и импульсных сигналов, нелинейных зависимых источников тока и напряжения и различных пассивных компонентов. Разработчик имеет возможность пополнять библиотеки компонентов.

Вывод информации о результатах моделирования может осуществляться на экран монитора, печать либо графопостроитель и включает вывод схемы устройства, параметров моделирования и его результатов в табличной или графической форме.

Программы конструкторского проектирования РЭС

В большинстве из рассмотренных выше пакетов схемотехнического проектирования РЭС предусмотрены операции конструкторского проектирования.

Однако существуют чисто конструкторские пакеты, обеспечивающие более полное решение различных задач конструкторского проектирования РЭС.

Пакет программ Р-CAD фирмы Personal CAD Systems, Inc. - это полное комплексное программное решение для проектирования электронных устройств, в частности ввода схемы и проектирование схемной печатной платы. Комплексное решение предполагает, что логика, описанная в схеме, воплощается в топологию печатной платы; программы осуществляют функции логического моделирования, проверяют соблюдение правил проектирования, создают список соединений для моделирования, автоматически размещают компоненты и трассируют печатную плату и создают документы для автоматизированных производственных систем. Пакет содержит взаимодействующие средства проектирования, удобную для пользователя оболочку и интеллектуальную базу данных, обширную библиотеку, диалоговые редакторы, средства сопряжения с популярными средствами анализа. Пакет имеет открытую архитектуру, обеспечивает выдачу готовых документов для технологии монтажа и другую проектную документацию.

Вывод документации после контроля на дисплее может осуществляться на принтер, плоттер или фотоплоттер. Оболочка системы помогает пользователю двигаться сквозь процесс проектирования с помощью меню, подсказок и правок. Система проектирования печатной платы обеспечивает средства для полной разработки топологии: от диалогового редактора до автоматического размещения компонентов, автотрассировки, проверки соблюдения правил проектирования и сопряжения с производством.

Библиотека пакета содержит обширную информацию о компонентах электронных схем от дискретных и электромеханических деталей до существующих и заказных микросборок интегральных схем. Программные средства сопряжения превращают данные из списка соединения компонентов схемы в формат, необходимый для конкретной программы моделирования цифровой и аналоговой схем (типа PSPICE и др.). Пакет позволяет проектировать печатные платы, имеющие до 500 элементов и 2 000 связей.

Пакет программ OrCAD фирмы OrCAD System Corp, является законченным и гибким программным блоком схемотехнического и конструкторского проектирования. Он обеспечивает ввод и вывод на печать принципиальных схем, трассировку печатной платы и другие операции. Пакет управляется с помощью иерархической разветвленной системы меню, легок в обучении пользованию, обладает многими дополнительными возможностями ввода и вывода схем.

Библиотека пакета содержит более 2 700 изображений компонентов РЭС; можно легко создавать собственные начертания элементов. Простым нажатием клавиши легко выполняются многие графические операции при вводе и выводе схем: увеличение и уменьшение масштаба, преобразование (вращение, перенос, отображение и пр.) элементов и любых заданных фрагментов схемы. В системе предусмотрены создание перечня элементов (спецификаций), возможность разведения проводников, шин, входов модулей.

Пакет OrCAD в настоящее время является самым удобным и богатым по своим возможностям для ввода и вывода графических изображений принципиальных схем РЭС.

Пакет имеет удобный выход на подсистемы моделирования и анализа РЭС, а также другие графические пакеты (PSPICE, Р-CAD и др.).

Пакет универсального назначения AutoCAD фирмы AutoDesk [15] разработан на самом современном уровне машинной графики и предоставляет разработчику исключительно широкие возможности проектирования разнообразных объектов, технических систем устройств: дома и печатные платы, станки, детали и одежда. Пакет представляет собой систему автоматизированной разработки чертежей, причем чертежи, рисунки и схемы создаются в интерактивном режиме, управляемом системой иерархических меню. В любой чертеж может быть вставлен поясняющий текст. В набор функций входят панорамирование, увеличение, масштабирование, поворот, секционирование, штриховка и другие операции преобразования изображений. В системе предусмотрены подсказки в любом состоянии и для любой команды.

В пакете разработан богатый выбор драйверов графических устройств -графических дисплеев, матричных принтеров, графических планшетов и плоттеров. Одним из важнейших достоинств пакета является возможность работы с трехмерной графикой, позволяющей строить реальные объекты, которые можно наблюдать в различных ракурсах (при желании невидимые линии на изображении стираются). Применен специальный метод полилиний для вывода сложных кривых контуров деталей.

Система AutoCAD непрерывно совершенствуется. Так, в последние версии системы включен интерпретатор языка AutoLisp - одной из версий языка LISP, широко применяемого в символьной обработке и в системах искусственного интеллекта. Использование этого языка позволяет пользователю, с одной стороны, определять собственные функции и команды в среде AutoCAD, с другой - обеспечивать связь AutoCAD с другими приложениями. Сейчас начинают появляться еще более сложные системы, включающие не только язык программирования, но и экспертные системы (экспертные настройки) дли принятия решений и подсказок конструктору в процессе разработки. В эти настройки включен набор правил и математических моделей, и конструктор в процессе работы может получить «советы» по оптимальному выбору тех или иных параметров разрабатываемой системы.

Программные системы для электродинамического моделирования

В конце 1990-х гг. фирмой AWR была выпущена на рынок программная система Microwave Office. Эта система включает два основных программных модуля: EMSight и Voltaire XL, которые позволяют решать широкий круг задач, возникающих при проектировании высокочастотных интегральных и монолитиых СВЧ-микросхем, антени, СВЧ согласующих цепей и фильтров, усилителей, смесителей и автогенераторов.

В пакете EMSight для анализа полей используется метод моментов Галер-кина, представляющий точный и устойчивый алгоритм электродинамического моделирования. Здесь также используется алгоритм быстрого частотного сви-пирования, позволяющий на порядок сократить время моделирования по сравнению с обычным поточечным методом частотного анализа.

Пакет EMSight позволяет анализировать поля в слоистых средах с проводниками произвольной формы, рассчитывать поля антенны в дальней зоне и т. п. Пакет имеет расширенные графические возможности, которые позволяют разработчикам наблюдать реалистичное анимационное изображение токов высокой частоты, показывающее как амплитуду тока, так и его направление в трехмерном пространстве. Пакет также имеет обширные возможности для обработки и представления полученных при моделировании результатов.

В пакете программ Voltaire XL используются самые последние разработки методов схемотехнического моделирования. Модуль пакета, предназначенный для линейного моделирования в частотной области, содержит более 500 моделей сосредоточенных и распределенных элементов СВЧ-цепей, включая микрополосковые, копланарные и щелевые элементы, полые и диэлектрические волноводы.

Для анализа нелинейных устройств используются одио- и многочастотный методы гармонического баланса; для анализа интермодуляционных искажений — ряды Вольтерра; конверсионно-матричный метод для анализа смесителей; в пакете используется высокоскоростной метод шумового анализа, а также интегрированная система описания схем со встроенной поддержкой для файлов систем Spice и MMICAD. Пакет позволяет выполнять нелинейный анализ усилителей, смесителей и автогенераторов, нелинейный шумовой анализ, включая анализ фазовых шумов, шумов смесителей, а также нелинейный анализ их устойчивости.

EMSight и Voltaire XL написаны на объектно-ориентированном языке С, имеют общий дружественный пользователю интерфейс, могут интегрировать в себя новые методы моделирования по мере их появления.

Microwave Office работает под управлением 32-разрядных операционных систем, таких как Windows 95, 98 и Windows NT, и оптимизирован для работы под ними.

Фирмой EAGLEWARE рекламируется универсальная программная система Genesys, предназначенная для проектирования LC-фильтров, усилителей, смесителей и автогенераторов, распределенных СВЧ согласующих цепей и фильтров, активных фильтров, выравнивателей группового времени задержки и других элементов РЭС. Система Genesys включает множество программных модулей, основными из которых являются SuperStar Pro, Schemax, Layout, Filter, Oscillator, Match, Т/Line и др.

Пакет SuperSlar Pro - высокоскоростная программа для моделирования радиочастотных цепей, содержащая множество моделей пассивных компонентов цепей как СВЧ, так и более низкочастотных диапазонов. Активные компоненты радиочастотных цепей моделируются с использованием 5-параметров. При моделировании допускается произвольное число портов в цепи, в процессе работы программы могут вычисляться различные импедансные, адмиттансные характеристики и характеристики рассеяния, а также распределение полей по проводникам моделируемого устройства. Пакет Schemax позволяет на интуитивном уровне создавать графические образы моделируемых элементов РЭС для передачи описания в SuperStar Pro. Программа импортирует файлы описания цепей из систем Design Center и Design Lab и других стандартных форматов описания цепей СВЧ.

Пакет Layout позволяет по описанию моделируемого устройства в SuperStar Pro и Schemax синтезировать его топологию и представить трехмерную анимационную картину распределения токов по проводникам. Layout позволяет использовать в устройстве до 128 слоев, включая металлизацию, диэлектрические подложки, монтажные слои и т. п. Программа содержит большую библиотеку геометрических образов пассивных и активных компонентов СВЧ-цепей. Выходной файл программы Layout соответствует DXF файлу системы AutoCAD.

Различные модификации пакетов Filter и программы Oscillator позволяют синтезировать различные типы СВЧ, LC- и активных фильтров, автогенераторов и усилителей с выполнением анализа шумов.

Пакет Match предназначен для синтеза сосредоточенных и распределенных согласующих цепей, включенных между двумя произвольными комплексными нагрузками. Пакет позволяет решать задачи максимизации полосы пропускания при заданном уровне отражения сигнала либо минимизации отражения в заданной полосе частот.

Пакет T/Line позволяет выполнять анализ и синтез одиночных и связанных передающих линий различной конфигурации по их геометрическим или электрическим характеристикам.

В системе Genesys используется весьма совершенный графический интерфейс, поддерживается библиотека для нескольких тысяч выпускаемых промышленностью активных и пассивных компонентов. Система Genesys имеет пользовательский интерфейс, полностью совпадающий со стандартным интерфейсом программного обеспечения фирмы Microsoft, снабжена многочисленными файлами помощи, что делает ее удобной для использования и сравнительно лёгкой для освоения.

Контрольные вопросы по главе 5

  • 1. Назовите основные принципы построения современных САПР.
  • 2. Что является объектом автоматизации в технологической подготовке производства?
  • 3. Раскройте понятие «жизненный цикл» технического изделия.
  • 4. Перечислите этапы жизненного цикла промышленных изделий.
  • 5. Назовите основные типы АС.
  • 6. Дайте определение САПР.
  • 7. Что является основой САПР ТП?
  • 8. Что характеризует поколения РЭС?
  • 9. Охарактеризуйте виды обеспечения САПР.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >