7 - 2008

Опыт применения САПР P-CAD 20хх для моделирования электрических цепей

В.П.Зонтиков, А.А.Хахулин

Требования бортовой аппаратуры к электрорадиоэлементам могут существенно различаться, что является следствием разнообразия ее задач и специфики применения, и наличие универсальных комплектующих, удовлетворяющих всему комплексу этих требований, становится важным условием эффективного приборного проектирования. Одним из примеров универсальных электрорадиоизделий (ЭРИ) является серия микросхем стандартной логики 5584, разработанная унитарным предприятием «Белмикросистемы» Научно-производственного объединения «Интеграл» (г.Минск) при непосредственном участии приборных разработчиков ОАО «Ракетно-космическая корпорация (РКК) “Энергия” им. С.П.Королева». Продолжением работ в направлении 5584 стало создание базы ее математических моделей, позволяющей средствами моделирования САПР P-CAD 20хx выполнять предварительную проверку работоспособности схем на ее основе.

Современные средства моделирования электрических цепей, аналогичные тем, что есть в программном пакете P-CAD 20хx, дают возможность исследовать режимы работы элементов, минимизировать переходные процессы и помехи при разводке электрических цепей и тем самым выявить большую часть ошибок и просчетов, которые практически неизбежны в процессе разработки схем на бумаге. В пакете P-CAD 20хx эту задачу решает программа Mixed-Signal Circuit Simulator, в которую может быть напрямую загружена схема из среды P-CAD 20хx Schematic, что позволяет шаг за шагом контролировать процесс ее создания и избавиться от трудоемкого процесса вылавливания ошибок в ее окончательном варианте.

Проведение анализа разрабатываемых схем с помощью моделирующих программ требует наличия описания ЭРИ во времени, в диапазоне температур и питающих напряжений, которое выполняется с помощью специализированных языков и используется в виде программных кодов, называемых математическими моделями. Для САПР P-CAD 20хx созданы обширные библиотеки таких моделей зарубежных элементов. В то же время аналогичных библиотек отечественных ЭРИ — встроенных или общедоступных — до сих пор нет, что для аналоговых элементов может быть связано с отсутствием в их документации необходимых параметров для их описания с помощью языка PSPICE, поэтому для анализа работы этих схем часто используют модели их зарубежных аналогов. А вот для цифровых компонентов все необходимые параметры, как правило, есть в технических условиях, поэтому здесь можно обойтись без аналогов, в особенности для микросхем серии 5584, для которых есть только косвенные аналоги, причем с худшими характеристиками. Учитывая оптимальное сочетание свойств этих микросхем, удовлетворяющих требованиям различной бортовой аппаратуры, вполне очевидна необходимость создания для них базы математических моделей, которая обеспечит проверку корректности разрабатываемых схем и выявит возможные временные нестыковки сигналов, обычно исправляемые уже на этапах производства и приводящие к дорогостоящей доработке аппаратуры и документации.

База математических моделей 5584 в составе: ЛА3Т, ЛЕ1Т, ЛИ1Т, ЛЛ1Т, ТМ2Т, ИД7Т, ИЕ10Т и ИР23Т — была создана на языке Digital SimCode в ОАО «РКК “Энергия”» и использована для анализа работы электрической схемы управления бортового вычислительного модуля «Системный контролер». Для исследования ее работы применялись средства моделирования электрических цепей программного пакета САПР P-CAD 2004. Внешний вид этой схемы в среде P-CAD 2004 Schematic показан на рис. 1.

Рис. 1. Электрическая схема управления вычислительного модуля «Системный контроллер» в среде P-CAD 2004 Schematic

Рис. 1. Электрическая схема управления вычислительного модуля «Системный контроллер» в среде P-CAD 2004 Schematic

 

Рис. 2. Диаграмма напряжений, полученная с помощью моделирующей программы P-CAD 2004 Mixed-Signal Circuit Simulator

Рис. 2. Диаграмма напряжений, полученная с помощью моделирующей программы P-CAD 2004 Mixed-Signal Circuit Simulator

На рис. 2 представлена диаграмма напряжений в различных точках анализируемой схемы, полученная с помощью моделирующей программы P-CAD 2004 Mixed-Signal Circuit Simulator.

Использование измерительных курсоров на этой диаграмме позволяет определить относительное временное положение любых сигналов. К примеру, текущее положение курсоров A и B показывает временное рассогласование сигналов net3 и _we, равное 48,251 нс.

Далее в качестве примера на языке Digital SimCode приведен код программно-логической модели цифровой микросхемы 5584ЛА3Т:

//Section 1 - SimCode Function Identification

#la3t source

//Section 2 - Data declarations

INPUTS VCC, GND, A, B;

OUTPUTS VCC_LD, A_LD, B_LD, Y;

INTEGERS tblIndex; REALS tplh_val, tphl_val, tt_val, temp_tp, ril_val, rih_val, ricc_val;

PWR_GND_PINS(VCC,GND); //set pwr_param and gnd_param values

SUPPLY_MIN_MAX(4.5,5.5); //test for min supply=4.5 and max supply=5.5

VOL_VOH_MIN(0.5,-1.3,0.1); //vol_param=gnd_param+0.5,voh_param=pwr_param-1.3

VIL_VIH_VALUE(0.25,3.35); //set input threshold values: vil and vih

IO_PAIRS(A:A_LD, B:B_LD);

//Section 3 - SimCode Function Initialization

IF (init_sim) THEN

BEGIN //select prop delay, setup, hold, and width times

//tp_param= (3);

tt_val= (MIN_TYP_MAX(tt_param: NULL, 5n, NULL));

temp_tp= (PWL_TABLE(sim_temp: -75, -5n, 125, 5n)); //tp temperature affect

tplh_val= ((MIN_TYP_MAX(tp_param: NULL, 14n, 25n)) + temp_tp);

tphl_val= ((MIN_TYP_MAX(tp_param: NULL, 20n, 40n)) + temp_tp);

//LS stdout drive IOL max=8mA @ VOL typ=0.35V:rol_param=0.35V/98mA=43.75

//LS stdout drive IOL max=8mA @ VOL max=0.5V: rol_param=0.5V/8mA=62.5

rol_param= (MIN_TYP_MAX(drv_param: 62.5, 43.75, NULL));

//LS stdout drive IOS min=20mA @ VCC max=5.25V: roh_param=5.5V/12mA=(458.5);

//LS stdout drive IOS max=100mA @ VCC max=5.25V: roh_param=5.5V/25mA=(220)

roh_param= (MIN_TYP_MAX(drv_param: 458.5, NULL, 220));

//LS input load IIH max=20uA @ Vin=2.7V: ril= (2.7-vol_param)/20uA=125k

ril_val= (MIN_TYP_MAX(ld_param: NULL, NULL, 125k));

//LS input load IIL max=-0.4mA @ Vin=0.4V:rih= (voh_param-0.4)/0.4mA=10.5k

rih_val= (MIN_TYP_MAX(ld_param: NULL, NULL, 10.5k));

//Icc @ 5V: 2500= 4mA/2 typical, 1250= 8mA/2 max

ricc_val= (MIN_TYP_MAX(i_param: NULL, 2500, 1250));

//STATE Q = ONE; // initialize output states

//STATE QN = ZERO;

EXIT;

END;

//Section 4 - LOAD and DRIVE Statements

DRIVE Y = (v0=vol_param,v1=voh_param,ttlh=tt_val,tthl=tt_val);

LOAD A_LD B_LD = (v0=vol_param, r0=ril_val, v1=voh_param, r1=rih_val,io=1e9, t=1p);

LOAD VCC_LD = (v0=gnd_param,r0=ricc_val,t=1p);

//Section 5 - Device Functionality

EXT_TABLE tblIndex

A B Y

0 0 H

0 1 H

1 0 H

1 1 L;

//Section 6 - Output Delays/Post Events

DELAY Y =

CASE (TRAN_LH) : tplh_val

CASE (TRAN_HL) : tphl_val

END;

EXIT;

Исключив необходимость маке тирования рассматриваемой схемы, средства моделирования электрических цепей подтвердили корректность ее работы в диапазоне температур и питающих напряжений и обеспечили тем самым полную работоспособность вычислительного модуля сразу же после его производства и первого включения.

Существенно сокращая затраты средств и времени, моделирующие пакеты современных САПР сегодня являются непременным атрибутом создания сложной бортовой аппаратуры. И наличие баз математических моделей ЭРИ, таких как 5584, для этой аппаратуры становится важнейшим условием обеспечения ее качества и надежности, что еще раз было подтверждено в разработке бортового вычислительного модуля «Системный контроллер», выполненной с применением средств моделирования электрических цепей программного пакета P-CAD 2004 в ОАО «РКК “Энергия” им. С.П.Королева».

САПР и графика 7`2008