Проектування засобів обчислювальної техніки в САПР PCAD 2009 (схема дешифратора сигналів)

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ім. Ю. Федьковича ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ЕОМ

7.09.1501 Компґютерні системи та мережі

ПРОЕКТУВАННЯ ЗАСОБІВ ОБЧИСЛЮВАЛЬНОЇ ТЕХНІКИ В САПР PCAD 2009 (СХЕМА ДЕШИФРАТОРА СИГНАЛІВ)

ЗМІСТ

Вступ

Огляд сучасних САПР

Опис роботи в середовищі PCAD 2009

Висновки Література

Вступ При розгляді САПР необхідно врахувати поставлену задачу і в зв’язку з її вимогами обирати найбільш підходящу САПР. В роботі описується PCAD 2009 для трасування не дуже складних цифрових вузлів, а також даний короткий огляд САПР які існують на сьогоднішній день.

Огляд систем автоматичного проектування Від 18 вересня прийшла довгоочікувана звістка, що інтерфейс із схемним редактором ACCEL Schematic включений у версію 8.2 програми моделювання змішаних аналого-цифрових пристроїв Dr. Spice фірми Deutsch Research, у якій раніш були інтерфейси лише зі схемними редакторами OrCAD Capture 7.0, OrCAD Express/Capture 7.1, ViewLOGIC ViewDraw і Protel EDA Client. У результаті програма Dr. Spice 2009 A/D 8.2 із системою ACCEL EDA 13.0 утворили наскрізну систему проектування електронних пристроїв, що включає графічне введення і моделювання схем, розробку друкованих плат і випуск технічної документації для їхнього виготовлення Цю систему доцільно доповнити програмою авторозміщення й автотрасування SPECCTRA 7.1 фірми Cadence, що забезпечує в даний час кращі результати на платформі IBM PC.

Обмін даними між програмою Dr. Spice і ACCEL Schematic організований у такий спосіб. Спочатку в програмі Dr. Spice по команді Commands-Preferences вибирається ім'я графічного редактора схем ACCEL Schematic. Потім за допомогою ACCEL Schematic створюється схема моделюємо пристрою, куди за допомогою спеціальних символів CARD уводяться параметри всіх компонентів і директиви завдання на моделювання (останнє робити необов’язково, але тоді при кожній зміні схеми ці директиви потрібно вручну дописувати в текстовий файл завдання). По команді Utils-Generate Netlist створюється опис схеми у форматі PSpice. На цьому конфігурування програм закінчується. Тепер досить у програмі Dr. Spice по команді File-Open-Design Files указати ім'я файлу схеми, як завантажиться графічний редактор ACCEL Schematic і в схему можна буде внести доповнення і зміни. По завершенні Utils-Generate Netlist керування повертається в Dr. Spice і по команді Simulation виконується моделювання. Для побудови графіків вузлових потенціалів і струмів галузей їхні імена вибираються зі списку перемінних або потрібний вузол або компонент указується на схемі курсором (для цього виконується команда Commands-Cross Probing).

При моделюванні аналогових електронних пристроїв, у тому числі інтегральних схем, широко використовуються алгоритми SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), розроблені наприкінці 70-х років в Університеті Беркли (Каліфорнія). На їхній основі створений ряд комерційних програм для ПК: HSPICE (фірма MetaSoftware), PSpice (MicroSim), IS_SPICE (Intusoft), Micro-Cap V (Spectrum Software), Analog Workbench (Cadence), Saber (Analogy), Dr. Spice і ViewSpice (Deutsch Research). Всі останні версії цих програм доповнені можливостями моделювання змішаних аналого-цифрових пристроїв.

Засновник фірми Deutsch Research Джеффри Дойч (Jeffrey T. Deutsch) у свій час брав участь у розробці SPICE. Модифікації, внесені їм у Dr. Spice, дозволили поліпшити збіжність алгоритмів розрахунку режиму нелінійних схем по постійному струмові і збільшити швидкість розрахунку перехідних процесів (як затверджує фірма, у порівнянні з PSpice приблизно в 1,5 рази). При розрахунку перехідних процесів користувач може вибрати метод інтегрування: за замовчуванням застосовується стандартний метод трапецій, а при включенні опції METHOD=Gear використовується метод Гира, характеризується підвищеним ступенем збіжності (за рахунок збільшення часу обчислень). При включенні в завдання на моделювання опції CHECKPOWER=On розраховуються миттєві потужності, що розсіюються на компонентах, що порівнюються з гранично припустимими значеннями (вони задаються за допомогою параметрів POWER, що включаються в математичні моделі).

Моделі аналогових компонентів виконані в стандарті SPICE, що дозволяє обмінюватися бібліотеками математичних моделей з аналогічними програмами. Тут, щоправда, є одне виключення: для феромагнітних матеріалів використовується модель Джона Чена (John Chan), більш точна, чим зухвала багато дорікань модель Джилса — Атертона (Jiles і Atherton), застосовувана в програмі PSpice. Що стосується моделей типових цифрових компонентів (вентилів, тригерів, лічильників, ПЗУ й ін.), те вони простіше, ніж у PSpice: враховуються тільки затримки поширення сигналів і не приймаються в увагу вхідні і вихідні опори.

У програмі Dr. Spice виконується стандартний аналіз характеристик: розраховуються режими нелінійних ланцюгів по постійному струмові, перехідні процеси, спектри сигналу, частотні характеристики і спектральні щільності шуму лініаризованих ланцюгів. Проводиться статистичний аналіз впливу розкиду параметрів компонентів по методові Монте-Карло і різноманітний аналіз при варіації температури або одного з параметрів компонентів схеми або їхніх моделей. Передбачено електронну обробку графіків результатів моделювання, однак тут можливостей трохи менше, ніж у програмі Probe системи DesignLab.

У цілому однозначно віддати перевагу однієї із систем проектування досить важко: усі вони мають свої сильні і слабкі сторони (наприклад, програма Micro-Cap V, версія 2.0 дозволяє одночасно варіювати до десятьох параметрів і будувати тривимірні графіки). З власного досвіду можу сказати, що систему DesignLab 8.0, що включає в себе схемний редактор, програму моделювання PSpice, графічний редактор друкованих плат MicroSim PCBoards, програму SPECCTRA і ряд допоміжних програм (синтез аналогових фільтрів і пристроїв програмувальної логіки, оптимізатор параметрів, розрахунок параметрів моделей по паспортне даним, моделювання з обліком паразитних параметрів друкованих плат), доцільно використовувати у випадках, коли основні проблеми зв’язані зі схемотехнічним проектуванням. Тоді можна упокоритися з недосконалістю графічного редактора друкованих плат MicroSim PCBoards і використовувати його в основному для переносу схеми на плату, а розміщення компонентів і трасування провідників виконувати за допомогою програми SPECCTRA (при необхідності список з'єднань схеми через файл *.alt можна відразу передати в програми P-CAD або ACCEL P-CAD PCB для розробки друкованих плат, але тоді порушиться «гаряча» зв’язок між редакторами схем і друкованих плат). Якщо ж основна увага приділяється конструкторській розробці складних багатошарових друкованих плат, а проблеми моделювання виникають епізодично, то має сенс використовувати систему ACCEL EDA і програму моделювання Dr. Spice.

Демонстраційну версію Dr. Spice 2009 A/D 8.2 (розмір архівного файлу 10,5 Мбайт) можна одержати через Internet, звернувшись на вузол, або по електронній пошті. Робітники і демонстраційні версії Dr. Spice працюють під керуванням Windows 3.1, Windows 95, Windows NT 3.5.1 і більш пізніх версій, при цьому необхідний процесор і486DX або Pentium. Мінімальний обсяг ОЗУ 8 Мбайт, вільне місце на жорсткому диску 12 Мбайт.

Опис роботи в середовищі PCAD-2009

Для проектування електронно обчислювальної техніки використовується PCAD 2009 PCB вона для створення корпусів дискретних елементів та трасування плати з реальними фізичними розмірами компонент, PCAD 2009 Scemantic — для побудови принципових схем з усіма схемними позначеннями, PCAD 2009 Library Manager — для створення бібліотек невідомих для САПР PCAD дискретних елементів.

Розглянемо роботу в PCAD 2009 Scemantic.

В цьому середовищі можна створювати принципові схеми для їх подальшого трасування, а також створювати символьне (схемне) позначення компонент.

Для побудови схеми необхідно встановити потрібний формат листа (А4,А3,А2,А1), а також одиницю виміру (mm — міліметри, mil — десята частина дюйма, inch — дюйми), після цього потрібно вибрати титульний лист, який також можна створити в PCAD 2009 Scemantic. Перейдемо до створення реальної принципової схеми. Для виконання будь-якої команди потрібно вибрати цю команду і вона буде діяти до тих пір, поки команда не буде відмінена натисканням на стрілку або вибором іншої команди. На панелі швидкого реагування (зліва) вибрати кнопку символ. Після вибору кнопки «символ» клікнути на робочій області, після чого у вікні вибрати потрібний компонент, якщо його в поточній бібліотеці немає потрібно у випадаючому меню вибрати іншу бібліотеку або встановити її до списку поточних вибравши кнопку Library setup. Після того як необхідний компонент вибраний вибираємо його положення на принциповій схемі і кліком розміщуємо на ній, при цьому якщо натиснути на кнопку миші і утримуючи її натискати `z' та `f', то компонент відповідно буде крутитися та дзеркально відображатися відносно горизонтальної осі.

Після розміщення всіх компонент їх необхідно з'єднати у відповідності до логічного функціонування схеми. При чому для зручності, якщо провідник десь перетинається з іншими провідниками кілька разів, то зручно на ньому встановити порти з однаковими назвами, як це робиться на принципових схемах для позначення схемної землі.

Вибором команди Place/Wire з'єднуємо поставлені на лист елементи.

Після того, як схема намальована в PCAD 2009 Scemantic виділяємо її і за допомогою команди Util/Generic Netlist генеруємо список зв’язків між компонентами (елементами схеми) у файлі з розширенням *.net. Після чого записуємо принципову схему на диск для подальшого опрацювання та роздрукування. На цьому дії в PCAD 2009 Sсemantic завершуються.

Для трасування плати завантажуємо програму PCAD 2009 PCB виберемо розмір робочої зони, одиницю виміру командою Options/Configure… Потім завантажуємо файл з розширенням *.net — файл зв’язків. Для цього виберемо команду Utils/Load Netlist. Якщо в принциповій схемі немає помилок, то програма завантажить корпуса елементів з їхніми зв’язками. Виберемо команду Route/Autoroutes. Вона дозволяє вибрати кількість провідних прошарків Layers для трасування однопрошаркових та багатопрошаркових плат, а також можна задати за якою технологією будуть виготовлюватися плати на підприємствах (Engenearing Design), а також крок сітки та товщину ліній трасування. Натиснувши на клавішу Start програма про трасує елементи та розведе плату. Після чого записуємо схему на диск для її подальшої обробки.

У разі відсутності потрібних елементів їх можна створити самостійно, як це зроблено в даній роботі у зв’язку з відсутністю бібліотек з вітчизняними компонентами. Для створення компонент необхідно створити схемне позначення та вигляд корпусу в програмах Pcad 2009Scemantic та PCAD 2009 PCB. При чому виводи символів Pins Designators повинні бути однаковими в корпусі та схемному позначенні. Після цього в Library Manadger створюємо об'єкт під'єднуємо до нього корпус та схемне позначення та в ручну корегуємо та заповнюємо службову інформацію про елемент. А саме: логічне призначення виводів належність до певної секції у багатосекційних елементах, назви виводів, їх еквівалентність. Можна також перенести компонент, схемне позначення або корпус вибравши опцію Librarys Copy після чого вказуємо з якої бібліотеки копіювати та в яку бібліотеку копіювати елементи. Однією з потужних операції програми є модифікація існуючих елементів елементів. Після того, як елемент створений записуємо його під оригінальною назвою, яка на схемі позначається як тип елемента.

Для створення схемного позначення елемента використаємо програму PCAD 2009 Scemantic намалюємо елемент, пронумеруємо виводи елемента та вкажемо однакові для елемента і корпуса елемента значення Pin Designbator, встановимо прив’язку елемента, його тип та схемне посилання і запишемо його схематичне позначення в бібліотеку. В програмі PCAD 2009 PCB створимо зовнішній вигляд корпусу компонента. Вкажемо значення Pin Name, Pin Designator, встановимо прив’язку елемента (точка відносно якої елемент можна обертати), його тип, схемне позначення, та запишемо його в бібліотеку.

Опис принципової схеми дешифратора сигналів

Цифрова частина дешифратора дозволяє виділити на фоні завад і других сигналів власний. Схема простого дешифратора індивідуального коду приведена в додатках.

Так як для даної схеми не потрібно мати дешифратор на багатьох можливих важливих варіантах коду. Схема виконана на трьох мікросхемах. При цьому використана властивість КМОП мікросхем працювати при низьковольтному живленні.

Пачки вхідних імпульсів поступають на формувач зібраний з елементів R1, C1, D1.1. Така схема запобігає спрацьовуванню повторювачу сигналу D1.1 від короткочасних завад, а також забезпечує круті фронти імпульсів на виході незалежно від крутизни на вході.

З входу D1.1/3 імпульси поступають на лічильник імпульсів D2 і детектор паузи, зібраний на елементах R2, C2, VD1, D1.2. До тих пір поки на вході D1.1 діє рівень логічного «0», конденсатор С2 через діод VD1 швидко заряджається і на виході D1.2/4 буде діяти логічний «0». В паузі між пачками імпульсів С2 поступово зарядиться через резистор R2 і на виході D1.2 сформується імпульси, додатній фронт який виконує запис стану з виходу лічильника D2/10 в тригер D3.1. Цей же імпульс поступаючи на вхід R переводить лічильник D2 в початковий стан. Даний процес періодично повторюється при появі наступної пачки імпульсів на вході. На тригерах D3.1 і D3.2 зібрані формувачі інтервалів 1,5 і 35 секунд відповідно.

Світлодіод HL1 індукує наявність прийнятого коду і за його станом можна легко визначити яка група датчиків в автомобілі, що охороняється спрацювала.

В якості датчика звукового сигналу використаний п'єзовипромінювач типу ЗП — 25. А для того щоб підвищити гучність його роботи при низьковольтному живленні паралельно з п'єзокерамічним випромінювачем увімкненна котушка L1. Підбираючи номінал резистора R10 можна настроїти частоту низькочастотного генератора так щоб гучність звукового сигналу була максимальною.

Висновки

При освоєнні САПР PCAD 2009 було реалізоване трасування плати, для схеми управління освітленням з будь-якого пульту ДУ. РСAD 2009 показала себе надійною при реалізації проекту. До недоліків даної системи можна віднести відсутність компонент вітчизняного виробництва та відсутність в стандартній версії PCAD 2009 підтримки вітчизняного стандарту. До переваг описаної САПР відноситься зручний для користування Windows інтерфейс, у порівнянні з попередніми версіями, та швидке створення схеми на основі готових блоків функціональних вузлів.

Література

1. HELP файли по PCAD 2009

2. И. П. Шелестов Радиолюбителям: полезные схемы. — М.:Солон-Р, 1999, 216 с ил.

3. В. Л. Шило Популярные цифровые микросхемы: Справочник. — М.: Радио и связь, 1997