Руководство по pads на русском

Время на прочтение
2 мин

Количество просмотров 13K

Доброго времени суток, уважаемый читатель!

Компания Mentor Graphics совместно с Нанософт разработали краткое руководство пользователя в виде серии уроков, которые познакомят начинающих пользователей с базовым функционалом САПР PADS Professional.

За более подробной информацией добро пожаловать под кат.

Краткий обзор

Целью настоящего руководства является предоставление пользователю краткой информации о работе в среде PADS Professional. Выполнив серию коротких упражнений, Вы сможете узнать о том, как создать простую печатную плату с помощью PADS Professional.

Несмотря на то, что программное обеспечение PADS Professional поддерживает различные алгоритмы создания печатных плат, настоящее руководство ориентировано на упрощенный процесс проектирования и рассматривает следующие темы:

1. открытие нового проекта в DxDesigner
2. размещение и подключение компонентов
3. упаковка проекта и создание файла топологии
4. компоновка печатной платы
5. трассировка печатной платы
6. создание файлов для производства

Прежде чем продолжить ознакомление с инструкцией, убедитесь, что Вы загрузили, установили и активировали пробную версию программного обеспечения PADS Professional VX.2.4 или более позднюю версию.

Подать запрос на получение пробной версии

Установка и лицензирование

После размещения запроса на получение программного обеспечения PADS Professional Вы должны были получить письмо со следующими ссылками:

• Онлайн-установщик программного обеспечения PADS Professional
• Файл с 14-дневной лицензией

1. Для того, чтобы начать установку программного обеспечения, дважды щелкните по иконке онлайн-установщика.
2. Нажмите «Далее» (Next).
3. Прочитайте и примите условия лицензионного соглашения, если Вы с ними согласны.
4. Нажмите «Далее» (Next) для того, чтобы принять рекомендуемое место установки.
5. По завершении установки нажмите «Готово» (Done).
6. Загрузите файл лицензии с именем «PADSPro.dat» по ссылке, предоставленной Вам по электронной почте, и сохраните данный файл по адресу: C:\PADS_Professional_QuickStart\.
7. Закройте все окна и приступайте к Уроку 1.

Примечание: До завершения установки необходимо обеспечить подключение к сети интернет. Время установки зависит от скорости подключения к интернету

УРОК 1: открытие и заполнение нового проекта в DxDesigner

УРОК 2: размещение и подключение компонентов

УРОК 3: прямая аннотация, создание файла топологии, изменение формы печатной платы

УРОК 4: Физическая компоновка печатной платы

УРОК 5: трассировка печатной платы

УРОК 6: создание производственных файлов и простановка габаритных размеров платы

Скачать все материалы данного руководства можно здесь

Если у вас возникли какие-либо вопросы касаемо работы или получения бесплатной версии PADS Professional, пожалуйста, напишите нам: support_pads@nanocad.ru

Создание библиотеки компонентов – важнейший этап в работе над проектами печатных плат. В PADS Professional входит специальное приложение PADS Library Tools, которое представляет собой единый интерфейс для объектов центральной библиотеки, таких как символы (УГО), ячейки (посадочные места), падстеки (выводы компонентов, переходные, крепёжные и монтажные отверстия), шаблоны печатных плат, чертежей, панелей и др.

Справочная система PADS Professional содержит подробные видеоуроки по PADS Library Tools и каждому этапу над библиотекой (Рис. 1):

Рис. 1 Видеоуроки по PADS Library Tools в справочной системе PADS Professional

Рис. 2 Создание центральной библиотеки в PADS Professional

После создания нового проекта на базе вашей центральной библиотеки перейдите к ее редактированию через меню Tools – PADS Library Tools. Интерфейс программы достаточно простой. Стоит выделить четыре основных редактора – Part Editor (редактор компонентов), Symbol Editor (редактор символов), Padstack Editor (редактор контактных площадок и отверстий), Cell Editor (редактор ячеек (посадочных мест)) (Рис. 3):

Рис. 3 Интерфейс PADS Library Tools

Аналогично библиотека делится на несколько разделов, основными из которых являются разделы Parts, Symbols, Cells и Padstacks.

Нажмите на иконку Symbol Editor для создания нового символа УГО для компонента. Аналогично вы можете раскрыть раздел Symbols, подраздел и нажать правую кнопку мыши для выбора способа создания нового символа (Рис. 4):

Рис. 4 Выбор способа создания символа в дереве центральной библиотеки

Если вы выбираете New Symbol, то запускается PADS Symbol Editor. Давайте более подробно рассмотрим настройки в меню Setup — Settings, которые необходимо сделать на первом этапе:

1. В первую очередь необходимо перейти к разделу Schematic Editor, чтобы установить единицы измерения (Unit) и шаг сетки (Grid Spacing).

Активируйте панель Grid (нажмите ПКМ на любой панели), чтобы вы всегда могли оперативно изменить шаг, включить или отключить привязку и маркеры выравнивания (Рис. 5):

Рис. 5 Панель Grid

2. В разделе настроек Symbol Editor необходимо установить длину вывода (Default length) и расстояние между выводами (Default spacing).

3. В разделе настроек Symbol Editor – Symbol Default Properties вы можете указать свойства, которые по умолчанию будут добавлены к каждому новому символу. Рекомендуется указать свойство Ref Designator и, при необходимости, Manufacturer PN (Рис. 6):

Рис. 6 Настройка дополнительных свойств для символов в PADS Symbol Editor

4. В настройках Symbol Editor – Pin Default Properties укажите дополнительные свойства для выводов. Рекомендуется добавить свойство Pin Number.

5. В разделе Display – Fonts вы можете настроить необходимы шрифт (рис.7):

Рис. 7 Настройка шрифтов

6. В разделе Display – Objects вы можете изменить цветовую схему для объектов и фона PADS Symbol Editor. Нажмите кнопку Load Scheme и загрузите файл цветовой схемы, например, Aspen Blue.

Алгоритм создания символа

1. Выполните команду File – New – Symbol

2. На экране появятся атрибуты символа и точка начала координат. Вы можете свободно перемещать эту точку в рабочем пространстве (Рис. 8):

Рис. 8 Точка начала координат

Рис.9 Редактирование свойств выводов

Вы можете изменить длину выводов динамически. Просто потяните за точку на его конце.

Рис. 10 Размещение графики

5. Дополнительные атрибуты для символа можно добавлять через панель Properties. Достаточно выделить пустую ячейку в столбце Property и выбрать нужный атрибут из выпадающего списка. Атрибуты, значение которым не присвоено, отображаются со штриховкой. Для перемещения атрибутов вне сетки используйте клавишу Shift (Рис. 11):

Рис. 11 Добавление атрибута для символа через панель Properties

6. Каждый символ автоматически получает несколько отображений. Вы можете переключаться между ними при помощи вкладок в нижней части рабочего поля. На каждой вкладке положение атрибутов задается пользователем так, чтобы на схеме это выглядело корректно (Рис. 12):

Рис. 12 Положение атрибутов на изображении символа под углом 90^○

7. На последнем этапе символ необходимо сохранить по команде File – Save в нужном разделе центральной библиотеки и определить его имя (Рис. 13):

Рис. 13 Сохранение символа в центральной библиотеке

В следующей части блога мы рассмотрим создание многовыводного символа различными способами.

Введение

Процесс размещения радиоэлементов на печатной плате называют компоновкой. От нее в немалой степени зависит работоспособность электронного устройства. К примеру, неудачное расположение элементов на плате генератора может стать причиной его неустойчивой работы, а у усилителя радиочастот — вызвать самовозбуждение.

Размещение компонентов на плате рекомендуется выполнять в следующем порядке:

• в первую очередь на плате размещаются компоненты, чье положение уже определено. В частности, элементы крепежа, изменение месторасположения которых невозможно в силу конструктивных особенностей устройства;
• далее выполняется размещение органов управления устройством (таких как тумблеры, кнопки), а также разъемов и индикаторов — их месторасположение оговорено заранее (то есть элементов, выступающих из корпуса проектируемого устройства);
• затем размещаются разъемы, к которым подключаются датчики для измерений (во избежание искажений и наводок на измеряемый сигнал, компоненты, подсоединяемые к таким разъемам, должны устанавливаться в непосредственной близости от них), высокочастотные разъемы, разъемы высокоскоростной связи, силовые коннекторы;
• свободное место рационально распределяется между оставшимися компонентами. При этом рекомендуется начать с самых крупных, размещая рядом сопровождающие компоненты;
• в последнюю очередь размещают мелкие компоненты (резисторы, конденсаторы и др.).

Задача размещения радиоэлектронных компонентов на печатной плате заключается в том, чтобы будущие печатные проводники были наиболее короткими (для лучшего прохождения сигнала) и количество переходных отверстий было минимальным. Для этого компоненты с общими связями располагают рядом, с учетом количества общих связей. Основными критериями качества установки компонентов служат уменьшение общей длины проводников и расположение рядом максимального числа связей.

Если плата большая, имеет смысл проводить пробную трассировку отдельно скомпонованных участков. Рекомендуется располагать компоненты как можно плотнее, даже если места достаточно, а впоследствии при необходимости раздвинуть их.

Установив вручную на плате — элементы крепежа и органы управления устройством, положение которых определено заранее, можно зафиксировать их, а затем выполнить автоматическое размещение оставшихся компонентов.

Размещение компонентов на плате достаточно ответственный этап проектирования печатной платы, ведь от него в значительной мере зависит качество выполнения трассировки проводников.

В системе Mentor Graphics PADS процесс компоновки выполняется в редакторе PADS Layout, который представляет собой среду разработки печатных плат, выполнения определенных функций CAD-систем и подготовки результатов проектирования к производству.

Подготовка проекта печатной платы к компоновке радиоэлементов

Определение геометрии печатной платы

Перед тем как выполнить трансляцию схемы электрической принципиальной в топологический редактор и разместить компоненты, необходимо определить геометрию печатной платы (рис. 1). Понятие «геометрия платы» в PADS Layout включает границу платы, монтажные отверстия, области запрета.

Создание платы начинается с формирования контура, который определяет ее физическую форму и размер. Контур платы должен быть замкнутой формы и обычно представляет собой замкнутую ломаную линию, которая может содержать дугообразные области. В проекте предусмотрен только один контур платы. С целью обеспечения крепления на плате создаются монтажные отверстия, которые обычно неметаллизированы.

В PADS Layout для создания геометрии платы предназначены следующие инструменты панели инструментов Drafting Toolbar (рис. 2):

• 2D Line (2D-линия);
• Board Outline and Cut Out (создание контура платы и вырезов в плате);
• Keepout (область запрета);
• Text (текст);
• From Library (добавить в проект элементы из библиотеки);
• Add New Label (добавить атрибуты);
• Import DXF File (импорт файлов в формате .dxf).

Контур платы можно создать путем импорта из машиностроительных САПР (сложные контуры могут быть импортированы из AutoCAD — файл в формате .dxf) или при помощи инструмента Board Outline and Cut Out. Также контур платы может быть определен вручную при помощи мыши или посредством ввода его параметров в окне Drafting Edge Properties (рис. 3), которое вызывают кнопкой Properties панели инструментов Standard Toolbar.

При рисовании контура платы вручную используются инструменты контекстного меню (рис. 4):

• Polygon — добавить многоугольник;
• Rectangle — добавить прямоугольник;
• Circle — добавить окружность;
• Add Arc — добавить дугу (данный инструмент используется совместно с инструментом Polygon);
• Orthogonal — рисование ортогональных линий (под углом 90°);
• Diagonal — рисование косых линий (под углом 45°);
• Any Angle — рисование линий под любым углом;
• Snap to Objects — использовать привязку к объектам.

При проектировании печатных плат иногда возникает необходимость разработать зоны запрета размещения. Области запрета создаются в такой топологии платы, где есть ограничения по высоте компонентов или имеются области, в которых размещение компонентов вообще запрещено. Для того чтобы создать зону запрета размещения, необходимо на панели инструментов Drafting Toolbar нажать кнопку Keepout. Контур зоны запрета создается таким же способом, как и контур платы. Можно задавать области запрета для компонентов, цепей, областей металлизации.

При необходимости на плате можно разместить монтажные отверстия — специальные стеки контактных площадок, которые представляют металлизированные и неметаллизированные отверстия в топологии платы.

Более подробно определение геометрии печатной платы в PADS Layout было рассмотрено в [2].

Трансляция схемы электрической принципиальной в редактор PADS Layout

После того как работа над проектом схемы электрической принципиальной в схемотехническом редакторе завершена, схему экспортируют в PADS Layout — редактор разработки печатных плат. Важным этапом разработки схемы электрической принципиальной является создание списка цепей и компонентов, который будет использоваться в редакторе PADS Layout. В PADS такой файл имеет расширение *.asc и может быть импортирован в PADS Layout при помощи команды основного меню редактора File/Import. При этом возникшие ошибки записываются в файл ascii.err (рис. 5), который открывается автоматически по окончании процесса импорта. Если ошибки не являются критическими, то система выдаст информационное сообщение о том, что уведомления в файле ascii.err могут быть игнорированы (рис. 6), после чего следует продолжить работу над проектом. В процессе передачи данных о схеме электрической принципиальной в редактор печатных плат системой выполняется обработка списка цепей и компонентов, при этом указанные в нем компоненты выбираются системой из библиотек и первоначально располагаются в точке начала координат (рис. 7).

Кроме того, выполнить трансляцию схемы из схемотехнического редактора в PADS Layout можно при помощи средств прямой аннотации. Интерфейс данной функции открывается командой Tools/DxDesigner основного меню редактора печатных плат, в результате будет открыто окно DxDesigner Link. Для выполнения связи топологии печатной платы со схемой электрической принципиальной используется вкладка Documents этого окна (рис. 8).

Для того чтобы настроить связь, необходимо в поле PADS Layout Design этой вкладки при помощи кнопки Browse выбрать на диске компьютера файл проекта печатной платы с расширением *.pcb и нажать кнопку Connect, затем в поле DxDesigner Project File кнопкой Browse выбрать файл схемы с расширением *.prj и нажать Connect. Если между файлами схемы и платы есть связь, то автоматически откроется окно редактора DxDesigner с указанным проектом схемы (рис. 9), а в окне DxDesigner Link будут доступны кнопки Compare Designs, Forward to PCB и Backward from PCB, которые имеют следующее назначение:

• Compare Designs — выдает отчет о различиях между схемой и топологией (рис. 10а);
• Forward to PCB — открывает диалог прямой аннотации Forward Annotation (рис. 10б);
• Backward from PCB — открывает диалог обратной аннотации Backward Annotation (рис. 10в).

После нажатия кнопки Forward to PCB открывается окно Forward Annotation, в котором в поле Data to pass to PCB при помощи флажков в чекбоксах задаются данные для передачи в топологию. Устанавливая переключатель в одну из позиций, указываем действие, которое необходимо выполнить системе:

• Create PCB — передать список цепей и компонентов в проект печатной платы;
• Update PCB — этот пункт используется в том случае, если список цепей и компонентов уже был передан в проект печатной платы, однако в схему внесены изменения и теперь набор компонентов и цепей в проекте печатной платы необходимо обновить.

После нажатия кнопки OK в окне Forward Annotation будет запущен процесс выполнения прямой аннотации и открыто окно индикации хода выполнения процесса Process indicator (рис. 11). По окончании процесса (если не выявлено ошибок) во всех полях окна Process indicator будут установлены красные галочки, а в проект печатной платы — передан набор компонентов и цепей, которые будут расположены в точке начала координат (рис. 12). Теперь для удобства размещения компонентов на плате можно воспользоваться командой Tools/Disperse Components основного меню PADS Layout, в результате выполнения которой все компоненты будут перемещены за контур платы (рис. 13), что освободит рабочую область проекта и позволит разработчику видеть сразу все переданные в топологию компоненты.

Размещение компонентов на плате в редакторе PADS Layout

Для размещения компонента на плате он должен быть полностью укомплектован, то есть содержать информацию, которая связывает условное графическое обозначение с посадочным местом электрорадиоэлемента. Типичный компонент — это набор взаимо-связанной конструкторской, технологической и схемотехнической информации об электрорадиоэлементе, который монтируется на печатной плате. Такой набор содержит:

• условное графическое обозначение (позиционное обозначение, тип, номинал);
• посадочное место компонента;
• текстовую и справочную информацию.

После того как схема электрическая принципиальная транслирована в редактор печатных плат, на панели инструментов Project Explorer будет отображен список импортированных цепей (Nets), посадочных мест (PCB Decals) и компонентов (Components). Все элементы списка распределены по соответствующим категориям.

Ручное размещение компонентов на плате

Как только компоненты схемы импортированы в редактор печатных плат, разработчику нужно вручную при помощи мыши расположить их в области контура платы, с учетом размеров и формы. Для чего можно использовать технологию drag-and-drop («перетащи и оставь»). При этом необходимо стремиться к тому, чтобы компоненты располагались компактно.

Для выделения отдельных объектов в рабочей области проекта можно использовать фильтры. Данный способ особенно удобен при выделении объектов в тесной области проекта, где перекрываются цепи, компоненты, текст, области запрета (рис. 14). Выбор необходимого фильтра производится из контекстного меню (рис. 15). Для выделения компонентов на плате предназначен фильтр Select Components, для контура платы — Select Board Outline. Фильтр Select Shapes позволяет выделить область запрета, а фильтр Select Documentation — текстовые надписи. Для выделения всех объектов рабочего проекта за исключением контура платы предназначен фильтр Select Anything.

При помощи команды основного меню Tools/Disperse Components для удобства последующего размещения можно автоматически расположить компоненты вокруг контура печатной платы произвольным образом, что позволит разработчику видеть сразу все компоненты, не загромождая область платы. Как правило, они группируются согласно типу, при этом также отображаются электрические связи между их выводами (рис. 16).

Последовательность действий при ручном размещении компонентов может быть следующей:

• выделите компонент при помощи левой кнопки мыши, используя фильтр Select Components;
• переместите его с помощью зажатой левой клавиши мыши в нужное место платы и отпустите клавишу мыши (рис. 17);
• щелкните левой клавишей мыши по компоненту для его установки на плату (рис. 18).

Автоматическое размещение компонентов на плате

Разместить компоненты в области контура платы можно и автоматически. И хотя разработчики печатных плат обычно предпочитают выполнять размещение вручную, результаты автоматического размещения бывают полезны в качестве начального варианта, от которого можно отталкиваться. Также в PADS Layout можно выполнять размещение комбинированным способом, при котором основные компоненты устанавливаются вручную, затем выполняется автоматическое размещение оставшихся компонентов. После того как размещение всех компонентов выполнено, можно воспользоваться средствами выравнивания и расталкивания компонентов в области печатной платы.

Автоматическое размещение компонентов выполняется при помощи команды основного меню редактора PADS Layout — Tools/Cluster Placement, в результате будет открыто окно Cluster Placement (рис. 19). Окно содержит три кнопки:

• Build Clusters (построение кластеров);
• Place Clusters (размещение кластеров);
• Place Parts (размещение компонентов).

Для выполнения автоматического размещения компонентов необходимо нажать кнопку Place Parts, а затем — кнопку Run. В результате откроется окно индикаторов, которые отображают ход выполнения процесса компоновки (рис. 20).

Для настройки параметров автоматического размещения компонентов предусмотрена кнопка Setup окна Cluster Placement, соответствующая кнопке Place Parts. Для настройки параметров размещения и построения кластеров компонентов используются кнопки Setup, расположенные под соответствующими им кнопками.

Результат автоматического размещения компонентов на плате представлен на рис. 21.

Фиксация компонентов на плате

Если на плате имеются компоненты, положение которых определено заранее, то перед выполнением автоматического размещения их необходимо разместить вручную и зафиксировать. Фиксация компонента выполняется следующим образом. Поместите вручную компонент в нужное место на плате, выделите его при помощи левой кнопки мыши, а правой кнопкой вызовите контекстное меню и выберите в нем пункт Properties. В результате будет открыто окно Component Properties (рис. 22), в котором надо установить флажок в чекбоксе Glued, а затем нажать кнопку OK. Теперь можно выполнить автоматическое размещение, в процессе которого все незафиксированные компоненты будут многократно перемещаться в области платы произвольным образом в поисках оптимального для них месторасположения.

Создание кластеров компонентов

При проектировании плат большого размера удобно представлять группы компонентов в виде кластеров, которые используют, чтобы составить представление о том, как будут расположены функциональные блоки на плате (рис. 23). Кластеры изображаются в виде окружностей, размер которых зависит от количества компонентов, входящих в кластер.

Для создания кластера необходимо выделить при помощи левой кнопки мыши все входящие в него компоненты, вызвать правой кнопкой контекстное меню и выбрать в нем команду Create Cluster (рис. 24).

Группа преобразуется в кластер, который можно перемещать как единое целое и расположить в любом свободном месте на плате. Для выделения кластеров следует воспользоваться фильтром Select Clusters. Для отмены группировки компонентов в кластер выделите его левой кнопкой мыши, а правой кнопкой вызовите контекстное меню и выберите в нем команду Break для разгруппировки выделенного кластера или Break All Clusters — для разгруппировки всех кластеров проекта.

По умолчанию кластеру присваивается название CLU_x, где x — номер кластера по порядку в проекте печатной платы. Однако при необходимости его можно изменить. Делается это еще в процессе создания кластера, когда после запуска команды Create Cluster открывается окно Cluster name definition (рис. 25), в поле Change default name (изменить название кластера по умолчанию) которого и можно с клавиатуры ввести нужное имя. После чего нажать на кнопку ОК. Также переименовать кластер можно в окне менеджера кластеров (рис. 26), которое открывается командой Tools/Cluster Manager основного меню редактора печатных плат. Для этого в открывшемся окне в одном из списков выделите нужный кластер левой кнопкой мыши, а в поле Name введите новое имя, после чего нажмите кнопку Rename.

Также окно Cluster Manager используется для удаления или добавления компонентов в уже созданный кластер, для чего предусмотрены следующие инструменты:

Top Level — списки кластеров, компонентов платы и компонентов кластеров. Развернуть список компонентов кластера в поле Top Level можно двойным щелчком левой кнопки мыши по названию кластера или же при помощи соответствующей кнопки;

• Move— поле содержит две кнопки: >> и <<, с помощью которых выполняется перемещение компонентов из одного списка в другой;
• Break— удалить кластер;
• Find— найти компонент в активном списке (активным является тот список, в верхней части которого установлен переключатель);
• Expand— развернуть список компонентов кластера;
• Collapse— свернуть список компонентов кластера.

Для завершения работы с менеджером кластеров нажмите на кнопку ОК.

При разработке маленьких плат использование кластеров не имеет смысла.

Размещение компонентов комбинированным способом

Рассмотрим процесс размещения компонентов комбинированным способом на конкретном примере. Для чего откроем в PADS Layout подготовленный заранее проект печатной платы, в котором уже создан контур платы и определены области запрета (рис. 27). Следующим этапом проектирования будет импорт файла списка цепей и компонентов. Так как в процессе передачи данных схемы электрической принципиальной в редактор печатных плат системой выполняется обработка списка цепей и компонентов, а указанные в нем компоненты выбраны из библиотек, то разработчику необходимо подключить данные библиотеки. Для этого при помощи команды File/Library основного меню редактора печатных плат откроем окно Library Manager (рис. 28) и в поле Library выберем нужную библиотеку из выпадающего списка или же установим значение All Libraries для подключения сразу всех имеющихся в системе библиотек. Для подключения сторонней библиотеки необходимо в окне Library Manager нажать на кнопку Manage Lib. List, а затем в открывшемся окне Library List (рис. 29) — на кнопку Add. В результате будет запущено окно проводника Windows — Add Library (рис. 30), в котором нужно выбрать файл библиотеки с расширением *.pt9 на диске компьютера и нажать кнопку «Открыть» для закрытия окна проводника. Затем файл библиотеки будет добавлен в список Library окна Library List и соответственно появится в выпадающем списке Library окна Library Manager. Просмотреть список имеющихся в библиотеке компонентов можно с помощью кнопок поля Filter (рис. 31). Закрыть окно Library Manager можно кнопкой Close.

Теперь командой File/Import основного меню редактора печатных плат можно импортировать файл списка цепей и компонентов. Результат импорта — набор компонентов и связующих их цепей, расположенных в точке начала координат, — показан на рис. 32. Для удобства выполнения компоновки автоматически разместим все компоненты за пределами контура платы командой Tools/Disperse Components основного меню PADS Layout (рис. 33). Это позволит видеть сразу все компоненты, не загромождая область платы.

В нашем проекте на плате имеются компоненты, положение которых определено заранее, — это коннектор P2 и микросхема U11, поэтому в первую очередь выполним вручную их размещение, перетащив мышью. Для этого каждый компонент выделим левой кнопкой мыши, используя фильтр Select Components, и, зажав клавишу мыши, переместим в нужное место (рис. 34). Зафиксируем установленные на плате компоненты, для чего для каждого компонента откроем окно его свойств и установим флажок в чекбоксе Glued.

Поскольку нам известны позиционные обозначения компонентов, то для их выбора можно воспользоваться командой основного меню PADS Layout — Edit/Find. В результате открывается окно Find (рис. 35), при помощи которого можно выполнять выделение, подсветку, поворот компонентов, цепей, кластеров, областей запрета, выводов компонентов и других элементов проекта платы. Для выделения компонента необходимо в окне Find выполнить следующую последовательность действий:

• из выпадающего списка в поле Find by выбрать пункт Ref. Designator;
• из выпадающего списка в поле Action выбрать пункт Select;
• в поле Ref. Des. Prefix левой кнопкой мыши выбрать префикс компонента (C — конденсатор, P — коннектор, U — микросхема, R — резистор);
• в поле Ref. Designators левой кнопкой мыши выбрать позиционное обозначение компонента.
• Также позиционное обозначение можно указать в поле Value путем ввода с клавиатуры. После того как все параметры заданы, нажмите на кнопку Apply для выделения компонента в проекте печатной платы. При этом его месторасположение отобразится в окне предварительного просмотра Selected items. Закрыть окно Find можно кнопкой ОК.

Этот способ выбора удобен для поиска и выделения компонентов в таком проекте, где перекрывается большое число связей и других компонентов.

Если известны точные координаты, то месторасположение выделенного и прикрепленного к курсору мыши компонента на плате задается путем их ввода в поле Command окна Modeless Command (рис. 36), которое можно вызвать нажатием клавиши с буквой «s» на клавиатуре. При этом в поле Command уже будет прописана клавиатурная команда «s» и нам остается через пробел ввести нужные координаты. Команда ввода координат имеет следующий синтаксис: s, x, y, где x, y — координаты компонента на плате. Отправить команду на выполнение можно клавишей Enter на клавиатуре. При этом компонент лишь переместится в заданное место платы, а для того чтобы его установить, нажмите на клавиатуре пробел.

Прикрепить компонент к курсору мыши можно следующим образом. Наведите курсор на выделенный компонент и нажмите на клавиатуре комбинацию клавиш Ctrl+E или вызовите правой кнопкой мыши контекстное меню и выберите в нем пункт Move.

Теперь, когда месторасположение коннектора P2 и микросхемы U11 определено на плате, выполним автоматическое размещение оставшихся компонентов (рис. 37), используя команду Cluster Placement основного меню редактора PADS Layout.

Радиальное размещение компонентов

Радиальный метод размещения компонентов удобен для плат круглой формы. Рассмотрим радиальное размещение компонентов на конкретном примере. Для этого создадим в PADS Layout новый проект, нарисуем круглый контур платы (рис. 38) и импортируем в проект список цепей и компонентов (рис. 39). Используя фильтр Select Components, выделим при помощи левой кнопки мыши всю группу компонентов, а правой кнопкой мыши вызовем контекстное меню и выберем в нем пункт Radial Move. В результате будет нанесена радиальная сетка, вдоль осей которой автоматически размещены компоненты (рис. 40). Количество осей сетки можно задать в поле Sites Per Ring диалогового окна Radial Move Setup (по умолчанию их восемь). Данное окно открывается одно-именной командой контекстного меню. Размах размещения компонентов радиального массива можно регулировать, перемещая мышь в рабочей области проекта. Если результат вас устраивает, щелкните дважды левой кнопкой мыши в рабочей области проекта (рис. 41). Теперь расположение неудачно размещенных компонентов можно подкорректировать вручную, перемещая их мышью. Как видно на рис. 41, в нашем случае нужно сдвинуть месторасположение всего массива компонентов и найти подходящее место для коннектора Р2 и микросхемы U12 (рис. 42). Для того чтобы точки начала координат радиальной сетки и печатной платы совпадали, необходимо в окне Radial Move Setup в поле Polar Grid Origin указать нулевые значения координат X и Y. Следует отметить, что такие элементы платы, как переходные отверстия, рекомендуется зафиксировать перед выполнением автоматического размещения компонентов радиальным методом, в противном случае они могут быть размещены на плате вместе с остальными компонентами.

Радиальный метод предусматривает и ручное размещение компонентов. Каждый отдельный компонент выбирают из группы, командой контекстного меню Radial Move включается радиальный режим размещения, после чего компонент мышью перемещается в определенное для него место платы. При этом система автоматически контролирует направление размещения компонента, которое соответствует сетке (рис. 43). После того как место размещения определено, щелкните левой кнопкой мыши для установки компонента (рис. 44).

Средства выравнивания и расталкивания компонентов

Когда размещение всех компонентов выполнено, можно воспользоваться средствами выравнивания и расталкивания компонентов в области печатной платы.

Автоматическое расталкивание компонентов на плате выполняется командой Tools/Nudge Components основного меню PADS Layout (рис. 45) и может использоваться в случаях, когда после автоматического размещения компоненты расположены неоправданно близко друг к другу или перекрываются. Однако на платах с высокой плотностью монтажа данное средство необходимо применять с осторожностью, поскольку можно изменить месторасположение удачно установленных компонентов или всю компоновку платы. В некоторых случаях нужно применять фиксацию отдельных компонентов и только после этого использовать команду Nudge Components.

После размещения компоненты можно выровнять. Для этого выделите левой кнопкой мыши два и более компонента, при помощи правой кнопки мыши вызовите контекстное меню и выберите в нем пункт Align. В результате будет открыто одноименное окно, в котором находятся шесть кнопок (рис. 46), выполняющих следующие функции:

• вертикальное выравнивание по самому левому компоненту из выбранных;
• вертикальное выравнивание по центральному компоненту из выбранных;
• вертикальное выравнивание по самому правому компоненту из выбранных;
• горизонтальное выравнивание по самому верхнему компоненту из выбранных;
• горизонтальное выравнивание по центральному компоненту из выбранных;
• горизонтальное выравнивание по самому нижнему компоненту из выбранных.

Кнопки не имеют названий, но их функции интуитивно понятны по пиктограммам, нарисованным сверху. Для закрытия диалогового окна Align используйте кнопку Close.

Результат применения кнопки вертикального выравнивания по самому правому компоненту представлен на рис. 47. На рис. 48 показан результат применения кнопки горизонтального выравнивания по центральному компоненту.

Введение

Одной из очень полезных функций, включенных в состав PADS Professional, является встроенный инструмент моделирования аналоговых смешанных сигналов (AMS), благодаря которому вы можете моделировать ваши схематические проекты с использованием моделей SPICE и VHDL­AMS. Возможность применения обоих вариантов моделей позволяет выполнять более гибкую и точную проверку сложных мехатронных систем. Выполняя моделирование до начала этапа компоновки, трассировки или производства, вы сможете гарантировать, что ваши схемотехнические решения будут работать так, как вы задумывали, и при этом исключите проблемы, связанные с их эксплуатационными характеристиками. В предлагаемом примере мы спроектируем и смоделируем схему генератора с использованием моделей SPICE и VHDL­AMS. А затем рассмотрим, как применять  интегрированные функции AMS для моделирования уже существующих схем.

Создание схемы

В PADS Designer мы спроектировали частично законченный контур осциллятора. Первое, что мне нужно сделать, это добавить недостающие элементы схемы и связанные с ними имитационные модели. Специальный инструмент для поиска и размещения символов можно запустить непосредственно из панели инструментов моделирования AMS в PADS Designer. Первый компонент, который я размещу на схеме, — это операционный усилитель LM741, представленный стандартным 7­выводным символом, расположенным в подразделе SpiceMacromodel (рис. 1).

Рис. 1. Добавление символа операционного усилителя
в частично законченную схему осциллятора

Аналогичным способом разместим из библиотеки символ недостающего резистора с привязанной моделью VHDL­AMS. После того как мы разместили символ резистора, кликаем правой кнопкой мыши на символе и выбираем Edit Model Properties. В появившемся окне Model Properties я могу отредактировать все необходимые свойства модели, в том числе выбрать конкретный part number и задать нужные числовые параметры. В нашем случае я присваиваю компоненту заранее рассчитанное значение резистора в 3,2 кОм, которое необходимо для достижения правильного усиления осциллятора (рис. 2).

Рис. 2. Присвоение номинала резистору через окно Model Properties

Далее аналогичным образом через окно Model Properties выбираем для символа операционного усилителя нужную модель микросхемы. В выпадающем списке Spice File Name показаны все доступные разделы библиотек моделей. В списке Model/Sub­circuit отображаются все компоненты, входящие в выбранную библиотеку моделей. Здесь я выбираю модель операционника: LM741 (рис. 3). После выбора модели открывается окно, где вы можете сопоставить выводы модели с выводами символа (это происходит автоматически, но при необходимости вы всегда можете их переназначить).

Рис. 3. Назначение имитационной SPICE-модели LM741
символу операционного усилителя

Чтобы закончить эту схему генератора с мостом Вина, мне понадобится пара диодов. SPICE­примитив диода может быть размещен непосредственно из панели инструментов моделирования в PADS Designer. После размещения символа я следую той же процедуре, что и при использовании операционного усилителя LM741, чтобы выбрать нужную модель компонента. В нашем случае мне нужна модель 1N914. Данная схема требует, чтобы эти диоды были размещены параллельно и во встречном направлении для поддержания правильного коэффициента усиления и обеспечения стабильного состояния колебаний. После того как я назначил модель первому диоду, я могу просто скопировать этот символ со всеми назначенными ему свойствами и поместить его в необходимое место как второй диод (рис. 4).

Рис. 4. Добавление двух параллельных диодов в схему осциллятора

Формирование источников питания и сигналов

В PADS Pro Designer, благодаря полностью интегрированной платформе моделирования AMS, модели земли и питания могут быть добавлены без необходимости создания и размещения отдельного схематического символа. Перед тем как добавить положительные и отрицательные модели источника напряжения для моего операционного усилителя, я сначала нарисую цепи, подключу их к положительному и отрицательному выводу символа и назову их соответствующим образом. Далее выбираю Setup Schematic на панели Simulation и в появившемся окне перехожу на вкладку Add Sources (Добавить источники). Так как на предыдущем шаге я уже указал имена цепей питания, подключенных к контактам операционного усилителя, выбор этих цепей для назначения им положительных и отрицательных 5­вольтовых источников будет очень простым процессом (рис. 5).

Рис. 5. Добавление положительного и отрицательного источников напряжения для операционника

На этих моделях источника есть возможность включить опцию моделирования по переменному току (AC). Она может применяться, когда вы хотите промоделировать частотный отклик данного домена в другой цепи постоянного тока. Я не буду использовать опцию моделирования переменного тока для источников напряжения операционника, но добавлю кусочно­линейный источник тока с опцией анализа по переменному току в RC­цепь (P1) своей схемы генератора. Цель — имитировать переходные процессы включения, которые запускают колебания в реальных условиях. Для кусочно­линейного источника тока я хочу, чтобы 0,1 мА включались на 30 мкс, а затем выключались при значении переменного тока, равном 1 А. Этого будет достаточно, чтобы запустить осцилляции (рис. 6).

Рис. 6. Создание кусочно-линейного источника тока
для скачкообразных осцилляций

Моделирование

После того как мы добавили все источники, можно приступать к самому моделированию схемы. Я выбираю только ту часть схемы, которую хочу смоделировать в PADS Designer, затем щелкаю правой кнопкой мыши и выбираю Simulate Selected Components (Моделировать только выбранные компоненты). Начну с анализа во временной области (5 мс). Я надеюсь увидеть выходную синусоиду с частотой около 14 кГц. Быстро просмотрев и оценив смоделированный выходной сигнал, делаю вывод, что эта схема работает так, как и ожидалось (рис. 7).

Рис. 7. Моделирование формы выходного сигнала
во временной области для схемы генератора

Теперь, когда я знаю, что этот осциллятор правильно работает на частоте 14 кГц, скопирую эту схему и изменю значения конденсаторов в RC­цепочке, чтобы смоделировать второй осциллятор на частоте 8 кГц. Далее включу в схему третий операционный усилитель, который будет действовать как простой сумматор, чтобы сложить две синусоиды вместе (рис. 8). Наконец, мне, как и ранее, нужно добавить кусочно­линейный источник тока в цепь (P2). Я буду использовать для этого источника тока те же параметры, что и для первого генератора; таким образом, оба генератора будут запускаться одновременно. На практике я могу воспользоваться этой схемой для устройств обработки сигналов, где выход на суммирующий усилитель является входом в АЦП.

Рис. 8. Готовая схема с двумя генераторами и суммирующим усилителем

PADS Professional позволяет осуществлять подобные симуляции на любых этапах проектирования. Таким образом, выполняя моделирование на разных этапах проекта, вы можете значительно уменьшить или полностью исключить нежелательные функциональные сюрпризы в готовом изделии. Теперь я готов смоделировать весь лист со схемой, чтобы убедиться, что вся система работает, как и ожидалось. На этот раз выполню моделирование в частотной области от 1 Гц до 100 кГц, чтобы получить четкое визуальное представление о работе всей системы. Посмотрев на выходной сигнал схемы суммирования (рис. 9), можно ясно видеть два синусоидальных сигнала, каждый из которых функционирует на своих заданных частотах.

Рис. 9. Моделирование всей схемы в частотной области. Отчетливо видны оба синусоидальных сигнала

Различные виды анализа

Вернемся к нашей схеме. Я также создал простой понижающий преобразователь (5 В – 3,3 В) с частотой переключения 250 кГц (рис. 10). Для создания необходимой моделирующей формы сигнала и подтверждения правильной функциональности схемы я хочу просмотреть БПФ выходного сигнала во временной области. Я могу сделать это, установив флажок Enable FFT в разделе Time­Domain Analysis (Анализ во временной области) всплывающего окна Simulation Control (Управление моделированием). На вкладке Results в окне Simulation Control могу настроить выборочный запуск БПФ только для выходного сигнала. Выбрав конкретный интересующий меня сигнал для выполнения БПФ вместо того чтобы делать преобразование для всех сигналов в схеме, я значительно сокращаю общее время моделирования. Далее запускаю сам процесс моделирования.

Рис. 10. Схема понижающего преобразователя (5 В – 3,3 В)

В первую очередь я хочу измерить выходную пульсацию напряжения, чтобы убедиться, что оно попадает в пределы допустимых эксплуатационных ограничений. Выбираю сигнал v_out из левой панели окна Waveform Analyzer. В целом видно, что выходное напряжение, как и ожидалось, устанавливается примерно на уровне 3,3 В (рис. 11a). Для измерения пульсации напряжения я увеличу небольшой участок исследуемого сигнала и воспользуюсь встроенным калькулятором формы сигналов, чтобы получить пиковое значение пульсации напряжения (рис. 11б). Калькулятор формы сигналов может широко использоваться для подобных и многих других типов вычислений.

Рис. 11. Форма сигнала v_out, показывающая напряжение 3,3 В (а);
анализатор формы сигнала, используемый для расчета пикового значения пульсации выходного напряжения (б)

Для более глубокого понимания работы импульсного преобразователя я могу посмотреть форму сигнала БПФ, которую включил для v_out. Ее можно найти в разделе Fourier Analysis, слева в окне Waveform Analyzer. Для лучшей интерпретации результатов представлю ось X в логарифмическом масштабе. Теперь по амплитуде и фазе выходного сигнала отчетливо виден эффект низкочастотного фильтра выходного конденсатора, индуктивности и резистивной нагрузки, а кроме того, ясно видно ослабление гармоники на частоте переключения 250 кГц (рис. 12).

Рис. 12. БПФ и ФЧХ выходного сигнала понижающего преобразователя

Помимо стандартных сценариев моделирования во временной и частотной областях, я также могу запустить другие виды анализа — например, sweep­анализ, анализ Монте­Карло, анализ чувствительности и анализ наихудшего случая. Я выполню sweep­анализ (развертку), чтобы посмотреть на поведение моего импульсного преобразователя в различном диапазоне входных напряжений. Sweep­параметром будет источник входного напряжения, и я установлю диапазон от 6 до 16 В с шагом в 2 В. Sweep­анализ может быть невероятно полезным, помогая вам понять, как ваша схема будет вести себя при различных сценариях. На рис. 13 вы можете видеть результаты sweep­моделирования со всеми выходными сигналами понижающего преобразователя в заданном мной диапазоне входного напряжения. Другие доступные расширенные возможности моделирования могут дать вам дополнительное представление о производительности. Например, анализ Монте­Карло может показать вам важную статистическую информацию о реальных рабочих характеристиках проектируемого изделия. Это поможет вам предсказать потенциальные отказы в функционировании изделия, а также наихудшие сценарии развития событий.

Рис. 13. Форма выходного напряжения понижающего преобразователя в диапазоне входных напряжений

Функциональное моделирование BeagleBone Black

Далее для моделирования я буду использовать схему одноплатного компьютера BeagleBone Black, которая свободно распространяется и является opensource­проектом. На листе Power Management схемы, приведенной на рис. 14, PMIC обеспечивает большинство требований по питанию для платы. Хотя эта микросхема обеспечивает выход в 3,3 В, ее недостаточно для питания всех потребителей на плате. Для компенсации этого используется отдельный линейный регулятор, на вход которого подаются 3,3 В, формируемые в PMIC. Давайте теперь промоделируем секцию линейного регулятора на нашей схеме.

Рис. 14. Схема управления электропитанием BeagleBone Black (PMIC (в центре) и линейный регулятор (внизу слева))

При моделировании схемы линейного регулятора мне нужно будет назначить модели компонентов для символов, размещенных на схеме. Я скачал SPICE­модель для этого конкретного LDO с сайта производителя, а для резисторов и конденсаторов могу использовать стандартные SPICE­примитивы, входящие в библиотеку. Для назначения моделей резисторов и конденсаторов буду следовать тем же шагам, что и ранее, поэтому просто щелкаю правой кнопкой мыши на компоненте и выбираю Edit Model Properties (рис. 15). Единственное отличие данного сценария заключается в том, что символы для этих компонентов не были выбраны из библиотеки AMS, — вместо этого они размещены из центральной библиотеки компонентов. При назначении моделей для этих элементов мне придется выполнять pinmappings, но не понадобится указывать номиналы компонентов. Связано это с тем, что информация о номиналах автоматически извлекается из центральной библиотеки проекта.

Рис. 15. Присвоение моделей ранее размещенным символам компонентов

При назначении модели LDO я могу выбрать ранее скачанную мной модель, хранящуюся на локальном диске, нажав на три точки рядом со Spice File Name (рис. 16a). Поскольку символ компонента и файл модели не являются стандартными для библиотеки AMS, то для правильного моделирования следует сопоставить выводы, указанные в модели, с выводами на символе (рис. 16б). После того как мы назначили все необходимые модели, нужно задать источники питания. Я хочу посмотреть, как LDO работает при запуске, поэтому настрою источник напряжения на выводе (EN) так, чтобы через 1 мс он достиг значения 3,3 В. Это будет имитировать выход 3,3 В с микросхемы PMIC. Для этого я следую тому же самому процессу, который показывал ранее, чтобы добавить кусочно­линейный источник питания на пин включения (EN). В завершение назначу источник 5 В на входной пин (IN) и землю на соответствующие земляные контакты. Добавив модели источников непосредственно к нужным цепям, вместо того чтобы добавлять отдельные символы для моделирования, я могу сохранить схему в ее первоначальном состоянии.

Рис. 16. Можно выбрать локальную SPICE для модели LDO (а);
сопоставление выводов в SPICE-модели с выводами на УГО (б)

Запустив моделирование во временной области (до 5 мс) и проанализировав выходной сигнал, можно четко увидеть включение устройства при достижении напряжения на пине (EN) 3,3 В. Применив инструменты для измерения и расчета уровня напряжения, я вижу, что уровень выходного напряжения не является достаточным. Для питания потребителей мне нужно получить 3,3 В, однако эта итерация моделирования показывает, что максимальное полученное напряжение составляет примерно 3 В (рис. 17). Значит, скорее всего, существует проблема с номиналами резисторов в цепи обратной связи.

Рис. 17. LDO включается, когда напряжение на пине EN достигает необходимого значения, но в данном случае на выходе LDO мы получили недостаточное значение питающего напряжения

Чтобы решить эту проблему, необходимо будет открыть datasheet на LDO. После некоторых простых расчетов я обнаружил, что выбранный мной номинал резистора R2 слишком велик, а это, в свою очередь, делает регулируемое выходное напряжение слишком низким. Далее я просто изменяю номинал резистора до соответствующего значения, а затем повторно запускаю моделирование. Анализируя формы полученных сигналов, вижу, что выходное напряжение теперь имеет необходимый уровень в 3,3 В (рис. 18). Данный случай показывает одну из многих сложностей, с которыми постоянно сталкиваются инженеры. Простая ошибка (например, неправильно подобранное значение резистора) может привести к сбою в работе схемы и, как следствие, к дорогостоящему перепроектированию устройства. Благодаря возможностям функционального AMS­моделирования я смог отловить эту проблему на ранней стадии проекта, внести необходимые изменения, а затем убедиться в правильности функционирования устройства.

Рис. 18. Проверка уровня выходного напряжения 3,3 В для LDO

Таким образом, c помощью полностью интегрированного в PADS Professional инструмента AMS (цифроаналоговое и смешанное моделирование) можно смоделировать поведение реальных схем, чтобы в дальнейшем не возникло никаких сюрпризов.