Аналіз програмних засобів емуляції логічних схем

КУРСОВА РОБОТА з дисципліни «Основи обчислювальної техніки» на тему:

«Аналіз програмних засобів емуляції логічних схем»

Зміст

1. Вступ

2. Програмні засоби емуляції логічних схем

2.1 Electronics WorkBench

2.2 Multisim

2.3 Proteus

2.4 Micro-cap

2.5 CircuitMaker

2.6 Logisim

Висновок

Список використаних джерел

1. Вступ Актуальність дослідження. Цифрова схемотехніка займає центральне місце в розробках сучасних електронних систем управління побутовими і виробничими пристроями та механізмами. Системи автоматизованого проектування широко використовуються для розробки інтегральних схем і електронних пристроїв на дискретних елементах. Маршрут проектування кожного зі згаданих виробів включає ряд типових задач. Однією з таких задач є моделювання логічних схем.

Логічна схема аналізується з точки зору пошуку можливих ризиків збою в її роботі, тобто таких поєднань характеристик логічних елементів і конфігурації схеми, при яких на один набір вхідних сигналів можлива поява декількох різних значень вихідного сигналу, що, без сумніву, небажано для об'єкта управління.

Для таких цілей існує цілий ряд програмних засобів, що мають зручний і функціональний інтерфейс. Аналіз цих програмних засобів дозволить порівняти їх функції, переваги та недоліки.

Метою даної курсової роботи є власне аналіз програм для емуляції логічних схем.

Об'єктом дослідження є програмні засоби емуляції логічних схем.

Предметом дослідження є логічні схеми, особливості їх побудови і емуляції роботи в різних програмних засобах, призначених для цього.

2. Програмні засоби емуляції логічних схем Сучасні електронні САПР використовуються для вирішення наступних завдань:

Моделювання змішаних аналого-цифрових пристроїв;

Моделювання і синтез логіки для ПЛІС;

Схемотехнічне і електромагнітне моделювання НВЧ-пристроїв;

Поведінкове моделювання на рівні структурних схем;

Проектування друкованих плат;

Аналіз електромагнітної сумісності;

Теплове моделювання;

Засоби підготовки друкованих плат до виробництва;

Проектування топологій ВІС;

Проектування електротехнічних схем і креслень;

Найбільш поширеним завданням проектування є моделювання аналого-цифрових пристроїв. Всі сучасні продукти передбачають введення проекту в редакторі принципових схем, після чого генерується список з'єднань, необхідний для роботи програми моделювання.

Світовим лідером в області автоматизації схемотехнічного проектування можна вважати програму SPICE. Вона була розроблена в університеті Берклі, США в 1972 р. Різні версії цього алгоритму були в різний час запозичені виробниками програмного забезпечення для використання у своїх продуктах і в даний час під цією назвою відомий ряд програм різних фірм. У силу використання єдиного обчислювального алгоритму програми різних виробників представляють собою за великим рахунком всього лише графічні оболонки, що надають користувачеві доступ до функцій програми SPICE, а також деякі додаткові можливості обробки отриманих даних.

2.1 Electronics WorkBench

Electronics Workbench 5 — розробка фірми Interactive Image Technologies. Дозволяє моделювати аналогові, прості цифрові й аналого-цифрові схеми електронних пристроїв, пристроїв автоматики, електромеханічних пристроїв, а також схем, що складаються з функціональних блоків із заданими передавальними функціями. Є велика бібліотека моделей аналогових і цифрових пристроїв, включаючи моделі інтегральних схем і польових транзисторів. Дозволяє створювати і редагувати принципову схему, підключати вимірювальні прилади і виконувати зазначені нижче види аналізу. Можливість підключення в схему вимірювальних приладів, за зовнішнім виглядом і характеристиками наближаються до промислових зразків, є однією з відмінних особливостей програми, В якості контрольно-вимірювальних приладів можна використовувати мультиметр, осцилограф, вимірювач АЧХ і ФЧХ, логічний аналізатор, логічний перетворювач, генератор слів, функціональний генератор. Програма дозволяє імітувати відмови компонентів у вигляді розриву, короткого замикання, наявності перехідного опору. Реалізовані наступні види аналізу:

DC-аналіз (режими роботи по постійному струму);

АС-аналіз (АЧХ і ФЧХ);

аналіз перехідних процесів;

багатоваріантний аналіз по постійному струму;

Фур'є-аналіз та аналіз спектру внутрішніх шумів;

аналіз нелінійних та інтермодуляційних спотворень;

аналіз при варіації параметрів схеми і температури;

розрахунок нулів і полюсів передавальних функцій;

розрахунок відносної чутливості характеристик схеми до зміни параметрів обраного елемента в режимах DC і АС;

розрахунок на найгірший випадок;

статистичний аналіз методом Монте-Карло.

Користувачеві програми дається можливість налаштування параметрів аналізу — вибір методу чисельного інтегрування; задання величин відносної та абсолютної похибки обчислень; задання мінімальної провідності гілок; зміна величини кроку і числа ітерації при статичному аналізі. Для програми створено інформаційний ресурс Інтернет з більше 12 мільйонами компонентів (EdaParts.com), що дає користувачам швидкий і простий доступ до центру конструювання, найбільшою у світі бази даних з електронних компонентів.

Програма має модуль для редагування, імпорту або створення нових компонентів.

Мал. 1.1 Робоче вікно Electronics Workbench

2.2 Multisim

Multisim — програма, призначена для професіональної розробки електронних схемотехнічних елементів та моделювання. Є однією з небагатьох програм, які використовують оригінальну програмну SPICE-симуляцію, розроблену в Берклі.

Multisim є подальшою еволюцією програми Electronics Workbench від Interactive Image Technologies. В 2005, Interactive Image Technologies була придбана National Instruments Electronics Workbench Group і Multisim змінив назву на NI Multisim. Широко використовується в науці, освіті та промисловості для побудови електричних кіл, створення електронних схем і SPICE-моделювання.

NI Multisim дозволяє об'єднати процеси розробки електронних пристроїв і тестування на основі технології віртуальних приладів для навчальних та виробничих цілей. Програма містить найновіші версії програмного забезпечення для інтерактивного SPICE-моделювання та аналізу електричних ланцюгів, що використовуються в схемотехніці, проектуванні друкованих плат і комплексному тестуванні. Ця платформа пов’язує процеси тестування і проектування, надаючи розробнику електрообладнання гнучкі можливості технології віртуальних приладів. Спільне використання програмного забезпечення для моделювання електричних ланцюгів Multisim компанії з середовищем розробки вимірювальних систем LabVIEW, дозволяє порівнювати теоретичні дані з реальними безпосередньо в процесі створення схем звичайних друкованих плат, що знижує кількість проектних ітерацій, кількість помилок у прототипах і прискорює вихід продукції на ринок. Multisim можна також використовувати для інтерактивного створення принципових електричних схем і моделювання їх режимів роботи.

База даних компонентів включає більше 2000 SPICE-моделей елементів від провідних виробників, таких як Analog Devices, Linear Technology, Phillips і Texas Instruments, а також більше 100 нових моделей імпульсних джерел живлення. Крім цього, в новій версії програмного забезпечення з’явився засіб Convergence Assistant, який автоматично коригує параметри SPICE, виправляючи помилки моделювання. Додана підтримка моделей МОП-транзисторів стандарту BSIM4, а також розширені можливості відображення та аналізу даних, включаючи новий вимірювач значень струму та оновлені статичні вимірювачі для диференціальних вимірювань.

У Multisim є бази даних трьох рівнів:

З Головної бази даних (Master Database) можна тільки зчитувати інформацію, в ній знаходяться всі компоненти;

Користувацька база даних (User Database) відповідає поточному користувачу комп’ютера. Вона призначена для зберігання компонентів, які небажано надавати в загальний доступ;

Корпоративна база даних (Corporate Database). Призначена для тих компонентів, які повинні бути доступні іншим користувачам з мережі.

Засоби управління базами даних дозволяють переміщати компоненти, об'єднувати дві бази в одну і редагувати їх. Всі бази даних розділяються на групи, а вони, у свою чергу, на сімейства. Коли користувач вибирає компонент і додає його в схему, створюється нова копія цього компоненту, всі зміни з нею ніяк не зачіпають інформацію, що зберігається в базі даних. База даних Master Database розділена на групи:

1) Sources. Містить всі джерела напруги та струму, заземлення. Наприклад, power sources (джерела постійного, змінного струму, заземлення, бездротові з'єднання — VCC, VDD, VSS, VEE), signal voltage sources (джерела прямокутних імпульсів, джерело сигналу через певні проміжки часу), signal current sourses (постійні, змінні джерела струму, джерела прямокутних імпульсів

2) Basic. Містить основні елементи схемотехніки: резистори, індуктивні елементи, ємнісні елементи, ключі, трансформатори, реле, конектори і т.д.

3) Diodes. Містить різні види діодів: фотодіоди, діоди Шотткі, світлодіоди і т.д.

4) Transistors. Містить різні види транзисторів: pnp-, npn-транзистори, біполярні транзистори, МОП-транзистори, КМОП-транзистори і т.д.

5) Analog. Містить всі види підсилювачів: операційні, диференціальні, інвертуючі і т.д.

6) TTL. Містить елементи транзисторно-транзисторної логіки.

7) CMOS. Містить елементи КМОП-логіки.

8) MCU Module — керуючий модуль багатопунктового зв’язку.

9) Advanced Peripherals. Містить зовнішні пристрої (дисплеї, термінали, клавішні поля).

10) Misc Digital. Містить різні цифрові пристрої.

11) Mixed. Містить комбіновані компоненти.

12) Indicators. Містить вимірювальні прилади

(вольтметри, амперметри), лампи, цифрові індикатори і т.д.

Мал. 1.2 Робоче вікно NI Multisim

2.3 Proteus

PROTEUS VSM — пакет програм для моделювання та автоматизованого проектування електронних схем, розроблений компанією Labcenter Electronics (Великобританія).Пакет являє собою систему схемотехнічного моделювання, що базується на основі моделей електронних компонентів прийнятих у PSpice. Відмінною рисою пакету PROTEUS VSM є можливість моделювання роботи програмованих пристроїв: мікроконтролерів, мікропроцесорів, DSP та інших Бібліотека компонентів містить довідкові дані. Додатково в PROTEUS VSM входить система проектування друкованих плат. Пакет Proteus складається з двох частин, двох підпрограм: ISIS — програма синтезу та моделювання безпосередньо електронних схем і ARES — програма розробки друкованих плат. Разом з програмою встановлюється набір демонстраційних проектів для ознайомлення.

Пакет є комерційним. Безкоштовна ознайомча версія характеризується повною функціональністю, але не має можливості збереження файлів. Примітною особливістю є те, що в ARES можна побачити 3D-модель друкованої плати, що дозволяє розробнику оцінити свій пристрій ще на стадії розробки.

Однією з ключових особливостей Proteus є можливість емуляції роботи мікроконтролерів. Інструмент USBCONN дозволяє підключитися до реального USB порту комп’ютера, інструмент COMPIM — підключиться до реального COM-порту ПК. Іншими словами, Proteus надає можливість підключити вільного COM або USB порту і налагоджувати пристрій на МК який має керувати ним. Також є можливість підключити до COM-порту будь-який реальний пристрій з яким ваш створюваний прилад буде спілкуватися в режимі реального часу.

PROTEUS VSM чудово працює з популярними компіляторами Сі для МК: програмний емуляція логічна схема

CodeVisionAVR (для МК AVR)

IAR (для будь-яких МК)

ICC (для МК AVR, msp430, ARM7, Motorola)

WinAVR (для МК AVR)

Keil (для МК архітектури 8051 і ARM)

HiTECH (для МК архітектури 8051 і PIC від Microchip)

Мал. 1.3 Робоче вікно Proteus VSM

2.4 Micro-cap

Сімейство програм схемотехнічного аналізу Micro-Cap (розробник Spectrum Software) користується досить великою популярністю серед студентів ВНЗ радіоелектронного профілю. Це пов’язано з тим, що ці програми традиційно мають зручний, дружній інтерфейс і досить скромні вимоги до програмно-апаратних засобів комп’ютера. Досвідчені користувачі пакета можуть за потреби створювати власні макромоделі, що полегшують імітаційне моделювання без втрати суттєвої інформації про поведінку системи. А початківці практично відразу можуть відразу почати роботу з програмою на основі аналізу прикладів, що поставляються з програмою. Крім того, Micro-CAP має демонстраційний режим, який дозволяє зрозуміти основні можливості та прийоми.

Повна сумісність зі SPICE-моделями та схемами і розвинені можливості конвертації дозволяють користувачеві Micro-Cap успішно користуватися всіма розробками, призначеними для DESIGNLAB і ORCAD, а отримані навички моделювання дозволять у разі потреби набагато швидше опановувати більш складні професійні пакети моделювання.

Micro-Cap надає практично всі види аналізу аналогових і цифрових схем, а також:

засоби синтезу пасивних і активних аналогових фільтрів;

інтерфейс з програмами розробки друкованих плат OrCAD, P-CAD, Protel та ін;

режим анімації при аналізі;

аналіз S-параметрів лінійних 4-полюсних елементів і кругові діаграми (діаграми Сміта) для моделювання високочастотних пристроїв;

редактор впливів Stimulus Editor;

редактор компонентів Component Editor.

Інші достоїнства Micro-Cap:

вичерпна вбудована допомога;

можливість завдання функціональних залежностей параметрів схеми (як функцій часу, струмів гілок і вузлових потенціалів), причому ці можливості навіть дещо ширше, ніж в OrCAD — в них можна зробити параметри пасивних компонентів залежними тільки від струмів або напруг інших гілок схеми, в цих цілях не потрібно застосовувати керовані джерела струмів або напруг;

багатосторінковий графічний редактор принципових схем, що підтримує ієрархічні структури;

поведінкове моделювання аналогових і цифрових компонентів, можливість опису цифрових компонентів за допомогою логічних виразів, що, у поєднанні з бібліотекою графічних символів типових операцій (підсумовування, віднімання, множення, інтегрування, застосування перетворення Лапласа, Z-перетворення і т. п.), дозволяє моделювати динамічні системи, задані не тільки принциповими, але і функціональними схемами;

велика бібліотека компонентів, що включає в себе найбільш популярні цифрові інтегральні схеми дискретної логіки і PLD і аналогові компоненти типу діодів, біполярних, польових і МОП-транзисторів, магнітних сердечників, ліній передачі з втратами, макромоделі операційних підсилювачів, кварцових резонаторів, датчиків Холла і т. п. Всі ці моделі написані в стандартному форматі SPICE і можуть бути використані з програмами моделювання фірм Altium, Cadence, IntoSoft та ін;

макромоделі компонентів можуть бути представлені у вигляді принципових електричних схем або в текстовому вигляді;

графіки результатів виводяться в процесі моделювання або після його закінчення за вибором користувача, маються сервісні можливості обробки графіків;

багатоваріантний аналіз при варіації параметрів і статистичний аналіз за методом Монте-Карло;

є спеціальна програма для розрахунку параметрів математичних моделей аналогових компонентів за довідковими або експериментальними даними.

Для Micro-Cap є студентська або демонстраційна версія, яка призначена для моделювання найпростіших схем містять не більше 50 компонентів або 100 зв’язків (кількість зв’язків дорівнює числу вузлів + число індуктивностей + число джерел сигналів), що цілком достатньо для студентів молодших курсів та перевірки нескладних проектів. Крім того, в ній відсутня програма складання математичних моделей компонентів за експериментальними даними MODEL, недоступна команда складання списку з'єднань схеми для їх передачі до системи розробки друкованих плат і ряд інших, обмежені можливості засобів синтезу аналогових фільтрів, побудови тривимірних графіків і ряду ін Моделювання в студентській версії виконується в кілька разів повільніше, ніж в професійній. Крім того, вбудовані в студентську версію текстові редактори обробляють файли обсягом не більше 30 000 байт і до неї прикладаються скорочені бібліотеки математичних моделей компонентів і їх символів, які можна самостійно розширювати.

2.5 CircuitMaker

CircuitMaker — одна із найпростіших систем моделювання фірми Microcode Engineering (нині належить компанії Protel), в якій прийняті моделі компонентів стандарту SPICE.

Пакет програм CircuitMaker 2000 відноситься до «легких» системам САПР електроніки та в основному призначений для навчання навичкам схемотехнічного моделювання змішаних аналого-цифрових пристроїв і розробки друкованих плат на комп’ютерах під управлінням сімейства ОС Windows. Він має ряд особливостей, орієнтовані на застосування в навчальному процесі.

За допомогою CircuitMaker виконується графічне введення принципових електричних схем, моделювання змішаних аналого-цифрових пристроїв і розробка друкованих плат, що проводиться за допомогою програми TraxMaker, що входить до складу пакету або зовнішніх програм PADS, P-CAD, Protel та ін.

CircuitMaker дозволяє створювати принципові схеми і симулювати їх роботу, можливе створення власних елементів (макросів).

Програма містить велику бібліотеку моделей промислових виробів електронних компонентів з можливістю оперативного перегляду їх основних характеристик (наприклад, для транзистора — це тип корпусу, максимальна напруга, струм, частота, виробник та ін.). Програма дозволяє досить оперативно створювати електричні схеми аналогових, цифрових або змішаних аналого-цифрових пристроїв та проводити їх моделювання з отриманням результатів у вигляді осцилограм сигналів і графіків частотних характеристик; можливе отримання точних відліків за допомогою вертикальних і горизонтальних візирних ліній; дозволяє контролювати режим по постійному струму у вибраних точках схеми. Відмінною особливістю програми є наявність анімаційних компонентів, покликаних імітувати кінцевий результат роботи схеми, а також наявність навчального посібника в демонстраційному режимі.

Мал. 1.5 Робоче вікно CircuitMaker 2000

2.6 Logisim

Logisim — інструмент, що дозволяє розробляти і моделювати цифрові електричні схеми, використовуючи графічний інтерфейс користувача. Logisim — вільне програмне забезпечення, випущене під GNU GPL; може запускатися на Microsoft Windows, Mac OS X, і Linux. Код повністю написаний на Java з використанням бібліотеки Swing для графічного інтерфейсу користувача. Основний розробник, Carl Burch, працює над Logisim з його появи в 2001 році.

Програма найчастіше використовується учнями в курсі вивчення інформатики для розробки і експериментів з цифровими схемами при моделюванні, а також студентами коледжів і університетів по всьому світі в багатьох типах курсів, починаючи від короткого курсу по логіці в оглядовому вивченні інформатики в загальноосвітніх закладах, закінчуючи курсами по організації ЕОМ і повними курсами з архітектури комп’ютерів. Схеми розробляються в Logisim за допомогою графічного інтерфейсу, близького до традиційного для програм для малювання, такий інтерфейс зустрічається в багатьох інших програмах для моделювання схем. На відміну від більшості інших програм такого призначення, порівнянних з Logisim по складності, Logisim дозволяє користувачам редагувати схеми в процесі моделювання. Відносна простота інтерфейсу робить програму зручною для оглядових курсів. Можливості розробки більш складних схем, такі як «підсхеми» і «пучки дротів», наявні в Logisim, доступні в деяких інших графічних інструментах з відкритим вихідним кодом.

Хоча користувачі можуть розробляти навіть повні реалізації процесорів, використовуючи Logisim, програма розроблена в основному для освітнього використання і не надає можливості працювати з аналоговими компонентами.

Logisim поширюється з підтримкою російського інтерфейсу і повною документацією російською мовою.

Мал. 1.6 Робоче вікно Logisim

Висновок В ході виконання даної роботи були проаналізовані найпопулярніші програмні засоби емуляції логічних схем, які використовуються як у професіональній розробці і створенні аналогових, цифрових та аналого-цифрових схем електронних пристроїв, пристроїв автоматики, електромеханічних пристроїв, та інших схемотехнічних елементів, так і у процесі навчання.

Оскільки більшість розглянутих програм базуються на програмному комплексі SPICE, вони мають багато у чому схожий функціонал, проте кожна має свої особливості, переваги (зручний інтерфейс, тощо) та недоліки.

Також були продемонстровані можливості кожної з програм у створенні та симуляції роботи логічної схеми.

Дана курсова робота буде актуальна як фахівцям у даній галузі, так і тим, хто намагається підібрати для роботи оптимальну електронну САПР.

Список використаних джерел Шевкун И. М. Методические указания к лабораторной работе «Логическое моделирование» — Минск: Белгосуниверситет, 2009. — 26 с.

Рогинский В. Ю., Таранов И. Н. Моделирование логических схем. — Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2010. — 52 с.

Обзор программных продуктов электронного САПР.