Средства автоматизации проектирования

Курсовая работа

Пакеты для разработки аппаратных средств электронных устройств

Под всеобъемлющим термином » САПР » (система автоматизированного проектирования) в России понимают ряд англоязычных терминов (CAD/CAM/CAE/PDM/TDM/AEC/GIS и т.д.).

В процессе автоматизированного проектирования в качестве входной информации используются технические знания специалистов, которые вводят проектные требования, выполняют различные проверочные расчеты, анализируют и уточняют полученные результаты, выполняют модификацию конструкции.

Первые САПР (CAD) были созданы в 1960-х годах и получили наибольшее распространение в электронике и механике. Это объясняется тем, что объекты проектирования в этих областях сравнительно легко формализуются, а результаты проектирования представляют собой программу для станков с числовым программным управлением (ЧПУ), что резко сокращает период между началом разработки и началом серийного выпуска изделия. Сейчас, наиболее широко автоматизированное проектирование используется в машиностроении, архитектуре и строительстве, картографии и кадастре, в электротехнике и электронике.

Перечислим этапы типового цикла проектирования блоков питания электронной аппаратуры можно разбить на несколько этапов:

  • разработка структурной схемы;
  • разработка принципиальной схемы, включая моделирование;
  • предварительное определение конструктивных требований;
  • разработка печатной платы;
  • разработка конструктива;
  • оценка электромагнитной совместимости;
  • оценка тепловых режимов;
  • оценка надежности;
  • изготовление прототипов, отладка и испытания.

В современных условиях почти на всех перечисленных этапах должны использоваться специализированные системы автоматизированного проектирования электронных устройств (Electronic Design Application — EDA).

Поэтому основные направления проектирования, можно разделить на следующие задачи:

  • моделирование смешанных аналого-цифровых устройств;
  • моделирование и синтез логики для ПЛИС;
  • схемотехническое и электромагнитное моделирование СВЧ-устройств;
  • поведенческое моделирование на уровне структурных схем;
  • проектирование печатных плат;
  • анализ электромагнитной совместимости;
  • тепловое моделирование;
  • средства подготовки печатных плат к производству;
  • проектирование топологий БИС;
  • проектирование электротехнических схем и чертежей.

Современные средства проектирования позволяют решать не одну задачу проектирования, а группу задач. Стоимость EDA продуктов сильно зависит от их функциональности, поэтому надо знать основные детали, которые следует иметь в виду при выборе системы проектирования.

8 стр., 3741 слов

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

... исследования является разработка методов автоматизированной оптимизации системы разработки нефтяного месторождения на основе геолого-технологического моделирования. В качестве средства управления, моделирование позволяет более ... систем проектирования, способных анализировать текущее состояние и генерировать набор геолого-технологических мероприятий (ГТМ) различных вариантов разработки, проводить ...

Наиболее распространенной задачей при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ является моделирование аналого-цифровых устройств . Системы моделирования позволяют резко уменьшить объем экспериментальных исследований, для проведения которых требуется приобретение дорогостоящих измерительных приборов, радиодеталей, трудоемкая сборка и длительная настройка макетов.

Применение программ моделирования позволяет всесторонне исследовать разрабатываемые устройства в различных режимах работы (например, в предельно допустимых режимах), что сложно выполнить экспериментальными методами. Результаты макетирования дают ограниченный объем информации о характеристиках разрабатываемой аппаратуры. Экспериментальные исследования отражают характеристики лишь конкретных единичных макетов. Они не позволяют оценить влияние статистического разброса параметров полупроводниковых и других элементов устройства, и поэтому трудно делать обобщающие выводы по результатам макетирования. Экспериментально сложно определить, какие последствия вызовет наихудшее сочетание параметров радиоэлементов, и что произойдет при отказе отдельных радиоэлементов. Опытным путем не просто исследовать влияние дестабилизирующих факторов, например, внешней температуры. Перечисленные проблемы, возникающие при экспериментальных исследованиях, легко преодолеваются путем моделирования работы устройств.

Программы моделирования могут с успехом использоваться и в учебном процессе. Это избавляет от необходимости делать значительные затраты на приобретение оборудования для лабораторных работ, исключает отказы оборудования из-за ошибочной коммутации, позволяет исследовать многие режимы работы устройств, которые недопустимы в реальных макетах.

Кратко рассмотрим назначение и применяемые САПР основных задач проектирования.

структурной (укрупненной)

Обычно работа таких систем представляет собой конструктор, с помощью которого из стандартных «кубиков» строится структурная схема. В библиотеке выбирают нужный модуль, который затем переносят на схему.

После этого этапа проектируются принципиальные схемы самих блоков, осуществляется различные проверки и выбирается элементная база.

Объединение схемотехнического моделирования c функциональным моделированием обладает рядом достоинств, к которым, например для связки в программ MATLAB/Simulink и OrCAD, следует отнести:

  • моделирование с идеальными моделями, позволяющими доказать работоспособность моделируемого устройства;
  • моделирование радиоэлектронных проектов с использованием моделей компонентов PSpice;
  • большая библиотека компонентов для PSpice и блоков для Simulink;
  • полный доступ к окружающей среде PSpice для проектирования и отладки;
  • полный доступ к MATLAB для осуществления анализа и визуализация данных.

Проектирование принципиальных схем

принципиальных схем

5 стр., 2395 слов

Моделирование системы автоматизации проектирования

... один существенный шаг в автоматизации построения моделей и использования имитационного моделирования систем. Постановка задачи Система автоматизации проектирования состоит из трех ЭВМ и трех терминалов. Каждый ... схема показывает типы устройств и соединений в таком виде, в каком их легче понять. 1(а), 1(б) и 1(в)- согласно задачи эти стрелки обозначают ввод строки проектировщиком в ЭВМ и работы ...

Для сложных задач используются OrCAD (PSpice A/D) и SPECCTRA, P-CAD 2000-200X (ACCEL EDA) и Altium Designer (Protel), eProduct Designer, PowerPCB, CAM 350, Viewlogik (Analog), BETASoft, MATLAB+Simulink и т.д.

При проектировании устройств сверхвысокочастотного диапазона могут быть использованы программы Super Compact, Touchstone, Libra, Microwave Office.

Все современные продукты предполагают ввод проекта в редакторе принципиальных схем, после чего генерируется список соединений, необходимый для работы программы моделирования. В качестве счетного ядра почти во всех программах используется программа SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis).

Различные версии этого алгоритма были в разное время заимствованы производителями программного обеспечения для использования в своих продуктах. Сейчас для моделирования аналоговых устройств в основном используется версия SPICE 3, а для моделирования цифровых устройств версия XSPICE. Эта версия была разработана специально для моделирования цифровых устройств, описанных списком соединений, причем сами модели компонентов описываются на языке SimCode.

Если сложность разрабатываемых устройств невелика, то для проектирования можно использовать более дешевые продукты, например, Electronic Workbench, Pulsonix, MicroCAP, CircuitMaker.

Electronics Workbench

Сейчас пакет принадлежит NI. Multisim 10.1 реализованы новые возможности профессиональной разработки, нацеленные также на модернизацию процесса моделирования, улучшению совместимости с моделями PSpice и базой данных из 300 новых компонентов лидирующих производителей, таких как Analog Devices и Texas Instruments. Среда Multisim 10.1 также обладает автоматизированным интерфейсом прикладного программирования (API) в помощь разработчикам для автоматизации моделирования в COM-ориентированных языках программирования.

Благодаря интеграции Multisim 10.1 и LabVIEW, специалисты смогут точнее определять и анализировать поведение схем и детектировать ошибки еще на ранних стадиях разработки. Кроме того, с использованием бета версии NI LabVIEW Multisim Connectivity Toolkit, разработчики смогут улучшить реализацию своих проектов.

Micro-Cap

CircuitMaker

Проектирования печатных плат

проектирования печатных плат

Expedition PCB

Другой продукт компании Mentor, система PADS предлагает более дешевое решение. Эта система может похвастаться лучшим автотрассировщиком BlaseRouter, поддерживающим все необходимые при трассировке высокочастотных плат функции (рис. 2 ).

Пакет имеет модули предтопологичекого (HyperLinks LineSim) и посттопологического (HyperLinks BoardSim) анализа, тесно взаимодействующих с системой контроля ограничений. Сейчас эти модули значительно улучшены за счет внедрения в них оригинальных алгоритмов моделирования, ранее применявшихся в продукте XTK компании Innoveda.

Рис. 1. Анализ наводок в соседних проводниках при прокладке трассы в пакете Expedition PCB.

Рис. 2. Автоматическое изменение формы проводника с контролируемой длиной при перемещении конденсатора в пакете PADS PowerPCB.

Design Studio.

Другой продукт компании Cadence, пакет OrCAD рекомендуется как более легкое и дешевое решение для проектирования печатных плат. Данный пакет рассматривается фирмой Cadence как приоритетная система ввода проектов, моделирования и оптимизации схем по различным критериям: модули Capture CIS и PSpice сейчас поставляются в составе пакета PCB Design Studio. Усилены возможности синтеза и моделирования цифровых логических схем модуля NC Sim. Редактор печатных плат OrCAD Layout имеет три различные конфигурации с разными функциональными возможностями. В проекте платы здесь может присутствовать до 30 слоев, 16 из которых могут быть сигнальными. Имеются встроенные средства авторазмещения и автотрассировки, а также интерфейс с программой SPECCTRA. Для работы с силовыми цепями используют объединение схемотехнического моделирования в программе OrCAD с функциональным моделированием в программе MATLAB/Simulink.

7 стр., 3268 слов

Среда визуального моделирования Simulink

... библиотеки блоков для разных областей применения (например, Power System Blockset - моделирование электротехнических устройств, Digital Signal Processing Blockset - набор блоков для разработки цифровых ... точке зрения, является программный пакет для символьных вычислений Mathematica. Однако сотрудники компании MathWork рассматривают Microsoft Excel как своего главного конкурента. Пакет MATLAB гораздо ...

Altium Designer

P-CAD 2000-200Х

В состав P-CAD входят два основных модуля — P-CAD Schematic, P-CAD PCB, и ряд других вспомогательных программ. P-CAD Schematic и P-CAD PCB — соответственно графические редакторы принципиальных электрических схем и печатных плат (ПП).

Последняя версия системы — P-CAD 2006 SP3 SP2. В 2006 году компания Altium официально заявила о прекращении разработки данного продукта.30 июня 2008 года была прекращена поддержка. Для замены этой системы компания Altium предлагает систему Altium Designer.

Программа CAM350 является очень популярной в России, так как ранее облегченная версия этого продукта поставлялась с пакетом P-CAD 2000-200Х (ACCEL EDA), поэтому имела схожую с ней идеологию и позволяла загружать проект платы не в виде набора Gerber файлов, а файл PCB с сохранением информации об электрических связях.

Нельзя не упомянуть еще один почти неизвестный в России, но достаточно мощный и популярный в мире продукт — Visula компании Zuken. Продукты этой компании обеспечивают сквозной цикл проектирования и предлагают мощные средства моделирования и синтеза программируемой логики с последующей разработкой печатной платы. Здесь имеется стандартный набор инструментария, а также собственные средства авторазмещения и автотрассировки. Следует отметить, что компания Zuken также предлагает пользователям интегрированные средства трехмерного твердотельного моделирования разрабатываемых устройств (рис. 3 ).

Рис. 3. Трехмерное моделирование платы средствами компании Zuken.


Анализ электромагнитной совместимости

Легко заметить, что мощность всех перечисленных выше программ в значительной мере определяется встроенными средствами анализа электромагнитной совместимости ( ЕМС).

В этой связи нельзя не отметить некоторые специализированные программы. Современные тенденции развития цифровой техники диктуют необходимость изменения подхода к этой проблеме. Большинство программ анализа EMC используют модели микрополосковых линий, считающих проводники питания и заземления идеальными, и не учитывают распределение токов в них.

Пионером в данной области выступила компания Sigrity, которая разработала пакет Speed XP . Эта программа использует не упрощенные модели, а численные методы решения электродинамических задач, благодаря чему стало возможным исследование распространения помех по внутренним слоям питания (рис.17.4 ).

4 стр., 1645 слов

Системы геометрического моделирования

... программы с точными расчетами траекторий движения. Системы твердотельного моделирования Предназначены для работы с объектами, состоящими из замкнутого объема, или монолита. В системах твердотельного моделирования, в отличие от систем каркасного и поверхностного моделирования, ...

Однако, наличие столь мощной математики делает программу почти на порядок дороже продуктов ближайших конкурентов, которые предпринимают попытки реализовать аналогичные методы в своих системах, как например, компания Mentor Graphics.

Рис. 4. Анализ помех в слое заземления в пакете Speed 2000.

Omega PLUS

Системы проектирования СВЧ-устройств

проектирования СВЧ — устройств

  • Система полного электромагнитного моделирования CST Microwave Studio компании CST;
  • Система полного электромагнитного моделирования QuickWave-3D компании QWED;
  • Система полного электромагнитного моделирования EMPIRE компании IMST;

Microwave Office 200Х

CST Microwave Studio

Более дешевое решение предлагает компания IMST в продукте EMPIRE . Где используется классическая реализация метода FDTD, из-за чего для получения точных результатов для объемных структур произвольной формы, образованных криволинейными поверхностями, требуется большее время и вычислительные ресурсы. Здесь можно получать различные частотные характеристики СВЧ — устройств и диаграммы направленности антенн.

Системы теплового анализа

тепловой анализ

Рис. 5. Тепловой анализ платы в пакете BETASoft-Board.

Другая программа теплового анализа Sauna компании Thermal Solutions позволяет моделировать поведение не только плат, но и блоков и шкафов. Здесь присутствуют обширные библиотеки компонентов и материалов. Имеется специальный графический редактор, позволяющий прорисовывать конфигурацию оборудования. Система дает возможность назначать специальные рабочие циклы с учетом включения и выключения внешних источников питания.

Английская фирма Flomerics предлагает пользователям свой пакет Flotherm , главной особенностью которого является интерфейс, построенный на базе современных интернет-технологий на основе обычного браузера. Программа позволяет моделировать отвод тепла от микросхем, упакованных в современные корпуса PBGA и TBGA, а также позволяет учитывать технологию поверхностного монтажа перевернутых кристаллов (flip-chip).

Например, компания National Semiconductor включила в состав своего программного комплекса Webench специальный модуль Webtherm, позволяющий получать цветную карту градиента температур для платы, построенный на базе вычислительного ядра Flomerics.

ТРИАНА (АСОНИКА-Т),

Тепловой анализ конструкции позволяет снизить габариты устройства за счет правильного размещения теплоотводов оптимального размера и избежать перегрева и разрушения участков платы. С помощью анализа методом конечных элементов (FI) можно выявить части, склонные к разрушению из-за разности коэффициентов теплового расширения используемых материалов. Сейчас применяется зачастую порочная практика приближенной оценки объема корпуса устройства и площади поверхности радиаторов исходя из рассеиваемой элементами мощности, что иногда приводит к неоправданному завышению габаритов и веса конструкции. Следует отметить, что полученные с помощью теплового анализа температура отдельных элементов, а также динамика ее изменения в течение рабочего цикла могут быть переданы в специализированные системы анализа механических нагрузок.

14 стр., 6887 слов

Программы системы 1С: Предприятие. Администрирование в программах ...

... системы программ 1С: Предприятие является возможность изменения конфигурации самим пользователем или организациями, специализирующимися на внедрении и поддержке программных продуктов фирмы "1С". ... Дополнительные возможности системы Разнообразные возможности настройки конфигурации ... системы пользователем при временном прекращении работы. 1С: Зарплата и Кадры 7.7 (Компонента «Расчет») Программа "1С: ...

Системы подготовки производства

производству

Genesis 2000

CAMMaster

Более доступные по цене, но достаточно мощные средства CAM предлагаются на рынок сразу несколькими производителями. Прежде всего, здесь следует отметить наиболее популярную в России программу CAM350 компании Downstream Technologies. Ранее облегченная версия этого продукта поставлялась с пакетом Accel Eda, поэтому имела схожую с ней идеологию и позволяла загружать проект платы не в виде набора Gerber файлов, а файл PCB с сохранением информации об электрических связях. В качестве основного стандарта обмена данными сейчас принят формат ODB++.

Другая компания Pentalogix, ранее известная как Lavenir, предлагает пользователям линейку продуктов, самым мощным из которых является. Последние версии продуктов Pentalogix предоставляют специалистам все необходимые средства подготовки печатных плат к производству, отличительной особенностью которых является поддержка языка макроскриптов Visual Basic for Application.

Компания Wise предлагает на рынок программу GerbTool. Эта программа хорошо известна пользователям системы проектирования OrCAD, так как долгое время поставляется в составе этого пакета как штатный CAM-модуль. Здесь имеется полный набор инструментов первичной подготовки проектов плат к производству: обработка топологий, генерация файлов сверления и фрезерования, средства верификации и улучшения технологичности.

CAMtastic

Trilogy 5000

Системы проектирования ПЛИС

реализации на ПЛИС

Программа PeakFPGA компании Altium;

  • Модуль PLD, входящий в состав пакета Protel компании Altium;
  • Программа FPGA Studio компании Cadence Design Systems;
  • Программы Fusion/SpeedWave, Fusion/VSCi, Fusion/ViewSim, ViewPLD компании lnnoveda;
  • Пакет программ System View компании Elanix.

Программа PeakFPGA предназначена для описания проектов на языке VHDL (IEEE 1076-1987 и 1076-1993) и упаковки их в ПЛИС от различных производителей. Поддерживает библиотеки VITAL и Synopsys. Имеющиеся средства моделирования и верификации позволяют производить быстрый поиск ошибок по различным критериям и отладку разрабатываемого устройства.

Для описания проектов в составе пакета Protel используется модуль синтеза логики PLD, использующий язык CUPL, позволяющий описывать логические схемы произвольной комбинацией трех методов: булевыми выражениям, таблицами истинности и методом конечных автоматов. Синтезированное устройство упаковывается в конкретную микросхему, для программирования которой генерируется файл в формате JEDEC.

Большими возможностями обладает программа FPGA Studio, которую Cadence Design Systems предлагает вместо OrCAD Express. Она обеспечивает расширенные возможности синтеза и моделирования логических схем с последующей упаковкой их в ПЛИС ведущих производителей. По возможностям превосходит вышеперечисленные продукты, но и стоит почти на порядок дороже.

Оптимальным решением данной проблемы представляется семейство продуктов Fusion , входящее в состав интегрированного продукта Product Designer. Программа Fusion/SpeedWave позволяет работать на языке VHDL; Fusion/VSCi на языке Vcrilog; View PLD на языке ABEL, Fusion/ViewSim на вентильном уровне. Все ЭТИ программы объединяются в единое целое под управлением модуля IntclliFlow, а в комбинации с упомянутым модулем View Analog предлагают пользователям непревзойденные возможности по разработке сложных иерархических проектов, отдельные части которых используют различные технологии.

43 стр., 21070 слов

Управление закупками в торговой фирме на примере ООО Орио

... планом фирмы. Принцип 1. Организация планирования, производства, сбыта, закупок, хранения ... фирма розничной торговли Wal-Mart или оптовая компания Super Valu), владеют крупными (контрольными) пакетами ... компании. Можно выделить три основных типа вертикальных логистических систем (ВЛС): корпоративные (участники канала находятся в единичном владении); договорные (независимые фирмы координируют программы ...

SystemView

Следует отметить, что некоторые фирмы выпускают достаточно развитые бесплатные версии САПР. Например, пакет Max+Plus II Baseline фирмы Alter и др.

В современных САПР поддерживаются как стандартизованные языки описания аппаратуры, такие как VHDL, Verilog HDL, так и языки описания аппаратуры, разработанные компаниями производителями ПЛИС специально для использования только в своих САПР и учитывающие архитектурные особенности конкретных семейств ПЛИС. Примером может служить AHDL (Altera Hardware Description Language), поддерживаемый САПР Max+Plus II и Quartus компании Altera. Кроме того, многие крупные фирмы производители САПР интегральных схем активно включились в процесс создания ПО, поддерживающего ПЛИС различных производителей. Это позволяет проводить разработку алгоритмов, пригодных к реализации на ПЛИС не только разных семейств, но и различных производителей, что облегчает переносимость алгоритма и ускоряет процесс разработки. Примером таких систем являются продукты серии FPGA Express фирмы Synopsys, OrCAD Express фирмы OrCAD, продукты фирм VeriBest, Aldec, Cadence Design Systems и многих других.

Проектирование электротехнических схем и чертежей

проектирование электротехнических схем и чертежей

Модуль Elektra-CAD компании Desktop EDA для пакета Protel;

  • Пакет WSCAD компании WSCAD Electronic;
  • Пакет PCschematic ELautomation компании DpS CAD-centerApS;
  • Пакет Autocad Electrical компании Autodesk.

Elektra-CAD

Пакет WSCAD разрабатывался специально для решения электротехнических задач. Помимо всех необходимых функций создания электротехнических схем имеются возможности прорисовки механических чертежей. Но главным достоинством этого продукта является наличие полностью русифицированного интерфейса с адаптацией под российские стандарты, а также технической документации па русском языке. Все работы по локализации выполнены компанией TE-K. ON.

PCschematic ELautomation


Системы моделирования

поведенческом уровне

  • Пакет System View компании Elanix;
  • Пакет Microwave Office компании AWR.

SystemView


Проектирования конструкции устройства

конструкции

И последнее, очень затрудняет ориентироваться в программах тенденция поглощения конкурирующих пакетов программ одной фирмы другой, с дальнейшим приоритетным развитием одной из них и сменой названий программ.