Современные программы моделирования электронных цепей. 
Аналитический обзор научной и патентной информации

Одними из важных средств современной организации труда являются системы автоматизированного проектирования (САПР), ориентированные на подготовку чертежей, составление спецификаций, перечней элементов, схем, разводку печатных плат, моделирование процессов в аналоговых и цифровых цепях и т. д. Как правило, САПР имеют развитые библиотеки данных, что практически исключает обращение к литературе и создает удобства пользователю.

Типовая радиотехническая САПР обеспечивает возможности:

визуализации и вывода изображения;

графического редактирования;

измерения на изображениях;

текстового редактирования;

работы с базами данных объектов;

работы с библиотеками графических объектов и текстов;

подготовки технической документации;

моделирования работы объектов;

программирования функций с помощью встроенного языка;

использования системных функций.

Указанные возможности обеспечиваются программными средствами САПР и требуют от пользователя минимальных навыков работы на ПЭВМ [9].

Рассмотрим основные особенности этой наиболее распространенной программы САПР и порядок работы с ней применительно к деятельности радиоинженера.

Компьютерное моделирование является в настоящее время важнейшей составной частью процесса проектирования электронных устройств. Это объясняется следующими обстоятельствами:

необходимостью сокращения сроков разработки новых электронных устройств. В первую очередь это касается интегральных схем, поскольку физическое моделирование ИС связано с большими материальными затратами;

наличием эффективных алгоритмов и программ компьютерного моделирования электрических цепей;

развитой теорией математического моделирования электронных компонентов;

Современные программы моделирования электронных цепей представляют виртуальные лаборатории, включающие обширные библиотеки электронных компонентов. Они дают возможность инженеру проверить, удовлетворяет ли спроектированное устройство требованиям технического задания, когда используются реальные компоненты с характеристиками, отличающимися от идеальных. Многие программы позволяют автоматизировать все стадии проектирования электронных устройств, включая подготовку принципиальных схем, моделирование процессов в аналоговых и цифровых цепях, компоновку и трассировку печатных плат, редактирование и расширение библиотек компонентов. Необходимым условием для эффективного использования моделирующих программ является понимание алгоритмов, реализованных в программе и знание принципов построения моделей электронных компонентов. Неправильное применение моделей компонентов, настройка и использование вычислительных алгоритмов могут привести к получению ошибочных результатов моделирования.

Программные средства, которые применяются при проектировании радиотехнических устройств:

текстовые редакторы и издательские системы: Microsoft Word, Adobe Pagemaker, Scientific Word, Ami Pro и др.;

переводчики и словари: Promt XT Office, Stilus, Lingvo и др.;

табличные процессоры: Microsoft Excel, Quattro Pro, Lotus 1−2-3 и др.;

графические редакторы и графические системы: PaintBrush, Adobe Photoshop, Corel Draw, AutoCAD, Компас-3D LT, Visio Pro, 3D Studio;

математические программы: Mathcad, MathLab, Mathematica, Marple;

программы моделирования и оптимизации процессов в электронных схемах: Multisim, LabView, PSpice, Design Center, Design Lab, Micro-Cap, Circuit Maker, Electronics Workbench, и др.;

программы моделирования и оптимизации процессов в радиотехнических системах: Dynamo, HyperSignal Block Diagram, SystemView и др.;

САПР по выполнению схем и разводке печатных плат: P-CAD, Orcad, TangoPro, MaxRoute, Visual Route, Specctra, Protel и др.

Работа программ происходит в соответствии с определенными алгоритмами.

National Instruments, или NI (NASDAQ: NATI) — американская компания, насчитывающая свыше 6000 сотрудников и имеющая представительства в 41 стране мира. Штаб-квартира компании расположена в г. Остин, Техас. National Instruments является одним из мировых лидеров в технологии виртуальных приборов и в разработке и изготовлении аппаратного и программного обеспечения для систем автоматизированного тестирования.

Флагманским программным продуктом компании является среда графического инженерного программирования LabVIEW. Большой популярностью в инженерно-технической среде пользуются также: LabWindows/CVI — оболочка разработки виртуальных приборов для языка C, среда управления тестами TestStand, а также Multisim (разработанная фирмой Electronics Workbench, ныне являющейся подразделением NI) — программа моделирования и анализа электрических и электронных схем.

Основные аппаратные платформы, выпускаемые National Instruments — это, в первую очередь, магистрально-модульная платформа для систем измерения, управления и автоматизации PXI (NI предлагает весь спектр PXI продуктов — шасси, контроллеры, функциональные модули, интерфейсы), а также компактные платформы реального времени Compact FieldPoint и CompactRIO. Традиционно популярны у потребителей такие семейства продуктов NI, как устройства сбора данных (data acquisition), приборные интерфейсы (instrument control), системы управления электроприводами и машинного зрения (machine vision).

Основные продукты компании:

Среда графического программирования LabVIEW.

PXI-шасси и модульные измерительные приборы на его основе.

PXI Express шасси Комплекс программ фирмы National Instruments с торговой маркой Electronics Workbench является одной из самых распространенных в мире систем автоматизированного проектирования электронной аппаратуры любого типа (аналоговой, цифровой, цифро-аналоговой и т. д.). Он сочетает в себе возможности используемых уже более 20 лет и поэтому широко известных электронных лабораторий Electronics Workbench и MicroCAP, инструментальной системы программирования на алгоритмическом языке проектирования электронных схем VHDL и системы проектирования печатных плат (пакет Ultiboard). По желанию пользователя эти возможности могут быть расширены за счет использования программного эмулятора лабораторного стенда Elvis фирмы National Instruments, а также системы проектирования программного обеспечения микроконтроллеров MultiMCU. Если состав предлагаемого для проектирования и исследования оборудования не удовлетворяет потребителя, он может самостоятельно дополнить его, воспользовавшись системой Labview. Комплекс позволяет эффективно реализовать основные этапы проектирования электронных схем, а именно: разработку схемы электрической принципиальной, ее моделирование, анализ и конструкторское воплощение в виде чертежа будущей печатной платы. При необходимости работа спроектированного изделия может быть проверена с привлечением реальных приборов и компонентов на лабораторном стенде NI Elvis. Multisim 9 имеет уникальную базу виртуальных двухи трехмерных активных и пассивных электронных компонентов, включающую свыше 17 000 наименований, набор из 20 виртуальных контрольно-измерительных приборов, таких как осциллограф, мультиметр, частотомер, логический анализатор, генераторы сигналов и слов и др., средства анализа проектируемых электронных схем (до 24 типов), в частности анализаторы спектра, работы МОП и биполярных полупроводниковых приборов, шума и т. д.

Среда проектирования Multisim Multisim — это популярный программный пакет, позволяющий моделировать электронные схемы и разводить печатные платы. Главная особенность NI Multisim — простой наглядный интерфейс, мощные средства графического анализа результатов моделирования, наличие виртуальных измерительных приборов, копирующих реальные аналоги. Библиотека элементов 30 содержит более 2000 SPICE-моделей компонентов National Semiconductor, Analog Devices, Phillips, NXP и других производителей. Присутствуют электромеханические модели, импульсные источники питания, преобразователи мощности. Инструмент Convergence Assistant автоматически исправляет параметры SPICE, корректируя ошибки моделирования. NI Multisim выпускается в двух вариантах — Professional и Education. Версия Multisim Education предназначена для учебных заведений и включает в себя обучающие курсы, подготовленные аппаратные решения и рабочие учебники. Для этого помимо интерактивных компонентов программа способна взаимодействовать с аппаратными платформами NI myDAQ (библиотека контрольно-измерительного оборудования) и NI ELVIS (виртуальный инструментарий для учебной мастерской), что делает возможным создание целых виртуальных лаборатории систем управления. Версия Multisim Professional специально создана для быстрого прототипирования и решения задач оптимизации соединений. Предлагается расширенный пользовательский интерфейс, нестандартные методы анализа, основанные на фирменной системе NI LabVIEW, и обычные алгоритмы имитационного моделирования схем по стандарту SPICE.