DSP Designer

"DSP Designer" stanowi przełom w zakresie projektowania DSP przy wykorzystaniu ICAP/4 do symulacji cyfrowych algorytmów sterowania i innych aspektów DSP. Specjalne modele zapewniaj środki wizualne do symulacji funkcji przenoszenia i równoważnych instrukcji programowania kodu cyfrowego procesorów sygnałowych (DSP), a potem wyświetlenia odpowiednich przebiegów, a w tym wykresów Bodego parametrów transformacji Z.
"DSP Designer" umożliwia uruchomienia analiz linii wielkosygnałowych i zmiennego obciążenia oraz wprowadzanie sygnałów zakłócających, jak również ma wbudowaną funkcję autotest (BIST - built in self-test) wykorzystywaną w ramach pakietu Test Designer.
W niedalekiej przyszłości dane cyfrowego sterowania z pakietem "DSP Designer" zostaną automatycznie przekształcone z IsSpice4 do formatu asemblera. Pliki sa wytwarzane, mogą zostać włączone do zintegrowanego środowiska roboczego (IDE - integrated development environment). "DSP Designer" zapewnia także sterowniki do włączenia sygnałów z oscyloskopu laboratoryjnego i innych przyrządów testowych, które mogš być prezentowane bezpośrednio w ICAP/4 w oscyloskopie elektronicznym (IntuScope), obok przebiegów z symulacji.
Więcej, dostępne jest tutaj.

 Wirtualne prototypy urządzeń elektronicznych

W artykule przedstawiono pojęcie i omówiono proces tworzenia wirtualnego prototypu urządzenia elektronicznego. Znaczny stopień skomplikowania współczesnych układów elektronicznych zmusza do korzystania z narzędzi symulacyjnych, które znakomicie przyspieszają procesy przygotowywania dokumentacji produktu współczesnej elektroniki. Większość zawartych przykładów dotyczy czołowego produktu firmy Intusoft – pakietu programowego ICAP/4 Windows.

1. Wprowadzenie

Dostawcy narzędzi EDA kontynuują swoją ekspansję w dziedzinie innowacji dla sektora badawczo-rozwojowego (R&D), nawet podczas częściowej recesji. Główna przyczyna tego stanu rzeczy? Znaczny stopień skomplikowania projektów i konieczność szybkiego ich wdrażania (time to market). Inne czynniki obejmują uznaną innowacyjność układów krzemowych, usprawnione techniki projektowania i wytwarzania płytek drukowanych. Jak można dotrzymać kroku tym tendencjom?

Jeszcze nie tak dawno w raportach Gartner Dataquest można było przeczytać, że 38% projektantów elektroników używa płytek próbnych, przy czym większość z nich stanowią konstruktorzy układów analogowych. Ale dzisiaj jest już inaczej, zdecydowanie rośnie zainteresowanie symulacją układów analogowych i mieszanych, rozpoczynającą się od stworzenia schematu i zakończoną symulacją błędów. Równocześnie, laboratoryjne prototypy ciągle są zdolne spełniać swoją rolę w procesie projektowania urządzenia.

2. Wirtualne prototypy

Wirtualny prototyp (VP) jest pojęciem odnoszącym się na ogół do włączenia projektu elektronicznego do sekwencji działań zapewniających zgodność z wymaganiami podczas projektowania płytki i procesu produkcyjnego. Ale tutaj ta definicja obejmuje wiele etapów więcej. VP otwiera drogę do naśladowania na komputerze projektowania w świecie rzeczywistym, wprowadzanie poprawek do projektu przy użyciu dowolnych technik, analizę produkowalności, i osiągnięcia integralności między projektem płytki drukowanej (PCB) a ostateczną postacią produktu.

Istotnie, VP obejmuje wykonanie solidnego projektu zgodnego z wymaganiami. Poza wszystkimi innymi czynnikami, umożliwia sprawdzenie wszystkich wymagań, integralności sygnału i wymagań produkowalności ostatecznej płytki drukowanej (PCB). Natomiast prototyp laboratoryjny na płytce, zbudowany w miejsce VP, nie daje odpowiedzi na wszystkie pytania. Należy pamiętać, że taka płytka jest skonstruowana z wykorzystaniem jednego zestawu elementów, w jednej temperaturze i przy określonym wzajemnym ułożeniu elementów.

Wirtualne projektowanie i symulacja zaczyna się od narysowania schematu ideowego, co polega na wybraniu żądanych elementów o przygotowanych symbolach graficznych, elementów zebranych w bibliotekach złożonych z wielu tysięcy pozycji. Modele programowe to modele matematyczne zawierające wszystkie dane wymagane przez symulator, dane umożliwiające opis ich działania w warunkach rzeczywistych. Przewody, szyny danych i punkty pomiarowe są również dołączane do schematu wraz z różnymi sygnałami pobudzającymi (stymulatorami), takimi jak sygnały liniowo narastające i opadające, sinusoidalne, fale o dowolnym przebiegu, sygnały o modulowanej częstotliwości i sygnały cyfrowe, wszystko stosownie do dyspozycji projektanta. Lokomotywą symulacji jest ustalona procedura, konstruktor może zaznaczyć dowolny punkt układu i kliknąc nań, aby obejrzeć występujące w nim sygnały elektryczne, które są przenoszone do innego programu narzędziowego – przeglądarki przebiegów. Narzędzie do przeglądania przebiegów przystosowuje się do wielu analiz. Jako przykłady można podać dziedzinę czasu (symulacja analogowa i cyfrowa) oraz częstotliwości, statyczny punkt pracy i przemiatanie stałoprądowe.

Różne wersje projektu mogą być szybko stworzone na podstawie schematu podstawowego, na potrzeby różnych zadań, takich jak początkowa korekcja błędów, powrotne testowanie, projektowanie płytki drukowanej i spełnienie wymagań niezawodnościowych. Co istotne, narzędzie wprowadzania schematu umożliwia takie operacje jak kopiowanie, wycinanie, wklejanie i obracanie elementów, a także wyświetlanie danych statycznych punktów pracy, specjalnych symboli i przebiegów bezpośrednio na rysunku schematu. Te narzędzia również umożliwiają skuteczne sterowanie procesem projektowania i doborem właściwych elementów, które w przypadku przeciwnym mogą stać się przyczyną defektów.

Co więcej, wiele narzędzi korekcji błędów umożliwia szybką zmianę wartości podzespołów lub parametrów i kolejną symulację w zmienionych warunkach. Nowe przebiegi mogą zastępować uprzednie wyniki lub są wyświetlane na nowym wykresie.

Przemiatanie może być szybko zrealizowane przez wypełnienie okna dialogowego, w którym podaje się zakres zmienności elementu lub jego parametrów w postaci skokowej (np. w zakresie 1001000 w 100 krokach). Ta właściwość może być rozszerzona na „nested sweep” czyli taki sposób przemiatania, w którym podczas kolejnych kroków następuje zmiana innego elementu. W efekcie są generowane rodziny przebiegów, a wartości elementów zwykle są wyświetlane przy odpowiadających im przebiegach.

Co więcej, specjalne cechy optymalizacyjne zawarte w symulatorach analogowych automatycznie obliczają wartości elementów biernych (np. kondensatorów i rezystorów) na podstawie zadanych przez projektanta kryteriów. Jako przykład można podać wyznaczenie takich elementów, przy których margines fazy będzie równy 45°, wzmocnienie napięciowe 100, a pasmo przenoszenia 12 kHz i maksymalny przerzut 250 mV.

Inne etapy, które eliminuje VP, to zbieranie elementów, przygotowywanie roboczych wersji schematu i potrzeba zebrania wielu składników pomocniczego wyposażenia (generator sygnałowy, oscyloskop, analizator sygnałów, zasilacz i analizator widma), a także przyrządy laboratoryjne do przechwytywania sygnałów w różnych krytycznych punktach. Przy wykorzystaniu VP, wszystkie dane pochodzące z analiz są osiągalne w przeglądarce przebiegów (w jednym oknie) i w dowolnym czasie. Niektórzy dostawcy narzędzi EDA również dostarczają wirtualne przyrządy odniesienia do wszystkich wymienionych uprzednio funkcji. Taka praktyka naśladuje tok postępowania z fizycznym modelem laboratoryjnym, ale na komputerze.

Patrząc dalej, narzędzia do przetwarzania mogą zrealizować złożone operacje na przebiegach elektrycznych, takie jak rozbudowane operacje matematyczne, filtrowanie, transformację Fouriera, wykresy Bode’go, przebiegi wzmocnienia i margines fazy. Dobra przeglądarka przebiegów udostępnia również dane liczbowe takie jak odstęp pomiędzy zboczami sygnałów, średnie napięcie, prąd szczytowy i czas narastania. Kilka przeglądarek sygnałów analogowych i mieszanych jest w stanie wyświetlić przebiegi wzajemnej relacji niezależnych wielkości, takich jak zależność stałoprądowego współczynnika wzmocnienia prądowego tranzystora od temperatury.

3. Niezbędne składniki

Jak postępować, jeżeli dostawcy narzędzi EDA nie dostarczają wszystkich potrzebnych modeli elementów? To nie zawsze wygląda źle, ale dostawcy umieszczają w takich sytuacjach wiele narzędzi do tworzenia modeli. Dla celów projektów analogowych, dołączenie istniejących lub nowych symboli graficznych używanych w symulacji modeli – znalezionych na stronach internetowych producentów układów scalonych – jest możliwe. Użytkownik może wprowadzić dane wytwórcy elementu do odpowiedniego okna dialogowego i w wyniku otrzymać stosowny model elementu dyskretnego, takiego jak tranzystor bipolarny złączowy, prostownik sterowany, tranzystor polowy MOS lub diak. Uzyskane parametry mogą być modyfikowane do specjalnej postaci. Język C-code i język B-element są innymi narzędziami modelowania do tworzenia elementów analogowych. Czasem można nawet użyć innego osiągalnego elementu, który może być zbliżony w działaniu do żądanego. W dziedzinie cyfrowej, krzemowe układy scalone ASIC, FPGA i układy submikronowe są często dostarczane przez producentów w postaci zestawów zawierających szeroki asortyment modeli podzespołów. Języki VHDL i Verilog również zapewniają elastyczność modelowania układów scalonych o wielkim stopniu scalenia, zarówno cyfrowych jak i mieszanych, analogowo-cyfrowych.

Projektowanie interdyscyplinarne może być również prowadzone przy użyciu symulatorów układów elektronicznych. Wymaga to zastosowania pewnych trików wprowadzanych w stadiach początkowych. Mogą być symulowane funkcje obejmujące ruch, bezwładność, sprężystość, obciążenie, moment bezwładności, współczynnik tarcia, ciśnienie, a także operacje matematyczne, wyrażenia wielomianowe, funkcje przenoszenia, sumowanie i powielanie oraz funkcje logiczne..

4. Weryfikacja projektu

Narzędzia do automatyzacji projektowania pomagają osiągnąć sytuację, w której wirtualny prototyp jest, z punktu widzenia kilku kluczowych kwestii, gotowy do produkcji. W projekcie układu analogowego, zaczyna się od analizy wrażliwości, która wskazuje jak jeden element w związku z innym wywołuje zmiany zachowania układu. To może pomóc wykryć elementy, najbardziej wrażliwe, które znajdują się w krytycznych obszarach projektu. Analiza szumowa i analiza zniekształceń może przynieść odpowiedź odnośnie zachowania pewnych typów elementów analogowych. Analiza położenia zer i biegunów, analiza czwórnikowa i analiza z wykorzystaniem wykresów Smith’a zapewniają wgląd w stabilność układu i efekty linii transmisyjnych. W projektach układów cyfrowych, statyczna analiza czasowa bada koordynację czasową i problemy związane z synchronizacją pośród sygnałów i elementów. Większość takich analiz nie może być przeprowadzona na płytce prototypowej.

Dodając do wirtualnego prototypu analizy, takie jak Monte Carlo, analizę najgorszego przypadku lub wartości ekstremalnych, uzyskuje się dla projektu analogowego lub mieszanego oceny wpływu zmienności elementów lub wartości parametrów (chociażby takich jak współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora lub temperatura) na właściwości projektowanego układu. Rodziny krzywych, histogramy, skumulowane wykresy i dane liczbowe wspomagają wgląd w projektowane urządzenie i jego zachowanie w warunkach rzeczywistych. Konstruktor może teraz spojrzeć do założeń i skorygować niektóre tak, aby układ w pełniejszy sposób spełnił oczekiwania, a tym samym by ryzyko występowania błędów produkcyjnych było jak najmniejsze.

Ostatecznie, synteza błędów i generacja wektorów testowych pomaga w testowaniu projektu VP. Zarówno w świecie analogowym jak i cyfrowym, jest to dokonywane przez testy. Wysoki, niski, “właściwa wartość” i inne wyniki przetaczają się przez cały projekt. Warunki testów są symulowane, a podzespoły i węzły układu niespełniające dopuszczalnych tolerancji są oflagowywane, podobnie jak inne błędy znalezione podczas kolejnych testów.. W projektowaniu analogowym, kryteria „spełnia / nie spełnia” są ustalane przez konstruktora przy wykorzystaniu wymagań technicznych produktu jak i zarówno intuicji. Po uruchomieniu analizy Monte Carlo lub analizy najgorszego przypadku granice zmienności sygnału w istotnych węzłach mogą być skorygowane.

Kiedy konstruktor jest przekonany o prawidłowym działaniu swojego wirtualnego prototypu, to może konstruować płytkę drukowaną lub budować aktualną płytkę prototypową dla celów testowych.

Rozkład elementów na płytce drukowanej (PCB), prowadzenie ścieżek, DFM, DFA i analiza integralności sygnału (SI - Signal Integrity) na potrzeby płytki przekraczają ramy niniejszego artykułu. Krótko, wszystkie te modne skróty prowadzą do zapewnienia właściwego wytworzenia płytki drukowanej (PCB), maksymalnej redukcji szkodliwych efektów elektrycznych, które mogą wystąpić na jej ścieżkach. Czynniki mające wpływ na produkowalność zawierają ograniczenie wysokości elementów, krytyczne położenie elementów wrażliwych na ciepło, ułożenie elementów blokujących zasilanie możliwie jak najbliżej końcówek zasilających, odpowiednią grubość ścieżek w celu przeciwdziałania przegrzaniom, minimalne odstępy pomiędzy wyspami lutowniczymi a ścieżkami i krawędziami płytki, ochronne pokrycia uodporniające na czynniki środowiskowe, oddzielenie masy analogowej od cyfrowej i wiele innych.

Na potrzeby projektantów układów cyfrowych, narzędzia SI symulują ciągi impulsów pochodzące z zastępczego wyjściowego elementu cyfrowego, które są transmitowane do stosownego odbiornika dołączonego do końca ścieżki. SI ostatecznie mierzy i wskazuje pasożytnicze efekty w płytkach, włączając w to opóźnienie propagacji, pojemność linii przesyłowej, międzyścieżkową indukcyjność wzajemną i przesłuch. Konstruktor lub projektant płytki może wprowadzić reguły projektowe i zasady elektryczne do dowolnego narzędzia projektowania PCB, a naruszenia zasad będą automatycznie oznaczone w dokumentacji.

Oczywiście, projektanci układów analogowych chcieliby poznać w wyniku analizy SI rezystancje, pojemności, indukcyjności, impedancje i przesłuchy tak, aby uwzględnić je w schemacie w postaci modeli analogowych i linii transmisyjnych dołączonych do schematu oryginalnego. Cóż, to się jeszcze nie stało z VP, i to z dwóch powodów. Po pierwsze, elementy analogowe mają różne wrażliwości na sygnały cyfrowe, poziomy impedancji i pojemności niż elementy typowo cyfrowe, co powoduje, że narzędzia SI nie mają w ich przypadku zastosowania. Po drugie, o ile wiadomo, to nie ma jeszcze automatycznych narzędzi dokonujących zwrotnej korekty podzespołów elektrycznych na schematach analogowych. Są to zadania dla przyszłych rozwiązań EDA.

Ostatecznie, jeżeli ktoś jest mocno przywiązany do prototypów materialnych, to można to dopuścić w przypadku małych i prostych projektów. Ale dla bardziej złożonych, użycie prototypów wirtualnych (VP) może być ogromną pomocą w maksymalizacji niezawodności produktu finalnego.