Проектирование принципиальных схем и печатных плат в программной среде Mentor Graphics PADS 9.5.
Часть 9. Анализ многоплатных систем в HyperLynx

№ 7’2015
PDF версия
Одна из самых насущных задач для разработчика электронных систем — заранее проанализировать, насколько надежно сконструированная им электрическая схема будет работать при реализации ее на печатной плате. Это касается и устройств, в которых предполагается использование нескольких плат расширения. В маршруте проектирования Mentor Graphics PADS средства анализа многоплатных систем представлены утилитой MultiBoard, которая входит в состав программы HyperLynx. В статье подробно рассматривается порядок подготовки данных о топологии печатных плат, формирующих многоплатную систему, создание многоплатной системы в MultiBoard и проведение ее анализа при помощи таких средств программы HyperLynx, как цифровой осциллограф (Digital Oscilloscope) и анализатор спектра электромагнитной совместимости (Spectrum Analyzer).

Все статьи цикла

Введение

Распределенная емкость и индуктивность печатных проводников, взаимная индуктивность и емкость близлежащих проводников, наличие неоднородностей в сигнальных и возвратных проводниках, несогласованность длинных линий, высокие полные сопротивления шин питания и заземления и многие другие эффекты приводят к тому, что процесс проектирования платы и печатного узла становится итерационным. Даже при применении виртуального прототипа необходим физический прототип, после испытаний которого в него вносятся определенные изменения. Наличие виртуального прототипа сокращает срок и стоимость проектирования, но полностью устранить все недочеты можно только после тестирования реальной конструкции.

Для моделирования электронной системы на этапе создания виртуального прототипа в основном используются пакеты прикладных программ. В них этапы схемотехнического моделирования и разработки топологии печатных плат или интегральных схем разделены. Сначала проводится моделирование электронных схем без учета паразитных эффектов, присущих реальным топологиям, а затем после разработки конструкции моделирование повторяется с их учетом. Эта процедура охватывает с той или иной полнотой задачи обеспечения целостности сигналов и электромагнитной совместимости (ЭМС).

Эффективный анализ целостности сигнала и ЭМС предполагает исследование с помощью различных методов моделирования. В идеале анализ должен не только указывать на существование проблем, но и помогать обнаруживать их причины: помехи и восприимчивость. Включение эффективного анализа целостности сигнала и ЭМС в процесс проектирования печатных плат — это шаг в направлении сокращения затрат. Оценка восприимчивости узла и обнаружение источников нежелательных возмущений позволит избежать повторного проектирования и обеспечит повышение его качества в целом.

Очевидно, что новые задачи, возникающие у проектировщиков печатных плат, не могли не найти отражения и в развитии систем автоматизированного проектирования (САПР). Если на первых этапах применение САПР для проектирования печатных плат ограничивалось топологическими задачами и технологическим сопровождением, то по мере того, как проблемы обеспечения целостности сигнала и ЭМС становились более актуальными, ведущие производители САПР начали включать определенные процедуры и подсистемы в свою продукцию.

Уровень развития современных САПР электронных средств открывает широкие возможности для разработчиков печатных плат. Наряду с комплексными системами проектирования на рынке информационных технологий широко представлены специализированные программные пакеты для анализа целостности сигналов и ЭМС. Большинство из них представляют собой дополнительные модули к системам проектирования и имеют специальные интерфейсы для импорта проектов, а также для экспорта изменений, внесенных в проект, обратно в систему проектирования.

HyperLynx — средство анализа целостности сигналов и ЭМС, входящее в состав системы Mentor Graphics PADS. В настоящее время включает два продукта: LineSim и BoardSim. Первая программа предназначена для предварительной оценки проблем ЭМС, а вторая — для более подробного посттопологического анализа целостности сигналов, перекрестных помех и параметров ЭМС.

 

Средства посттопологического анализа печатных плат программы HyperLynx

Среди задач, стоящих перед разработчиком электронных систем, наиболее важной представляется задача предварительного анализа того, насколько надежна будет сконструированная схема при реализации ее на печатной плате — дойдет ли сигнал от источника к приемнику в нужное время и с нужным качеством (то есть задача оценки целостности сигнала на печатной плате). Многие из основных проблем, которые могут вызвать нарушения целостности сигнала, можно обнаружить и исправить, используя программу HyperLynx. Анализ целостности сигналов в программе HyperLynx выполняется на этапе схемы (предтопологический анализ) и на этапе платы (посттопологический анализ).

Модуль BoardSim предназначен для посттопологического анализа целостности сигналов. BoardSim работает с законченной топологической информацией. В данный модуль может быть загружен проект платы, разработанный практически в любом современном пакете проектирования, так как большинство популярных продуктов для проектирования печатных плат имеют трансляторы в формат HyperLynx. Например, в программе PADS Layout системы Mentor Graphics предусмотрена специальная команда запуска HyperLynx с автоматической загрузкой всех необходимых данных о результатах проектирования топологии — Signal/Power Integrity (рис. 1), которую можно вызвать из основного меню Tools/Analysis программы PADS Layout. Также в PADS Layout есть возможность экспорта проекта платы в формат .hyp (формат HyperLynx). Для этого используется команда File/Export основного меню программы.

Запуск модуля BoardSim из программы PADS Layout

Рис. 1. Запуск модуля BoardSim из программы PADS Layout

В BoardSim имеются средства расчета полных сопротивлений проводников с учетом многослойной структуры платы, оценки степени согласования их с нагрузкой и оптимизации топологии для решения проблемы целостности сигналов.

Используя возможности Quick Analysis («Быстрый анализ») в Batch Mode («Пакетный режим») — рис. 2, удается быстро распознать и назначить приоритеты горячих точек для целостности сигналов и помех, а также цепей, требующих дополнительного согласования. Затем можно запустить Terminator Wizard («Мастер согласования») или добавить Quick Terminators («Быстрые оконечные нагрузки») — рис. 3, для улучшения качества сигнала, а потом произвести интерактивное моделирование целостности сигналов и EMC для оптимизации проекта. В итоге можно промоделировать все критические цепи в пакетном режиме перед реализацией проекта для изготовления прототипа.

Установки Quick Analysis в пакетном режиме Batch Mode

Рис. 2. Установки Quick Analysis в пакетном режиме Batch Mode

Диалоговое окно добавления оконечных нагрузок

Рис. 3. Диалоговое окно добавления оконечных нагрузок

Quick Analysis можно использовать для быстрого сканирования всей платы на обнаружение цепей с рисками. Quick Analysis производит проверку каждой цепи во всех подсхемах платы. При выполнении Quick Analysis не производится детального моделирования. Вместо этого для прогнозирования рисков целостности сигналов и наводок применяются алгоритмы экспертной системы. После идентификации цепей с высоким риском в Quick Analysis можно переходить к детальному моделированию выбранных цепей (выполнить моделирование целостности сигналов и/или ЭМС).

Для проверки и редактирования стека слоев платы предназначен Stackup Editor (рис. 4). Stackup Editor в BoardSim можно использовать для изменения порядка сигнальных слоев (например, передвинуть слой TOP на внутренний слой), назначения слоям цвета, толщины и других свойств, для изменения свойств диэлектрика и проводимости металла. При проведении изменений импеданс рассчитывается с помощью стандартной ширины трасс на данном слое и отображается в диалоге Stackup Editor.

Редактор Stackup Editor модуля BoardSim

Рис. 4. Редактор Stackup Editor модуля BoardSim

Интерактивный симулятор Digital Oscilloscope предусмотрен для анализа характеристики целостности сигналов и наводок. Каждая цепь моделируется с использованием информации передающей линии, сгенерированной анализатором полей. На рис. 5 представлена глазковая диаграмма, полученная при помощи цифрового осциллографа модуля BoardSim.

Глазковая диаграмма, полученная при помощи цифрового осциллографа модуля BoardSim

Рис. 5. Глазковая диаграмма, полученная при помощи цифрового осциллографа модуля BoardSim

Симулятор электромагнитной совместимости Spectrum Analyzer в BoardSim применяется для оценки характеристик ЭМС единичных трасс платы. В отличие от LineSim, где Spectrum Analyzer вынужден делать предположения о местоположении сегментов цепи, в BoardSim доступна вся информация о местоположении и ориентации всех сегментов трассировки. Это означает, что в BoardSim при помощи Spectrum Analyzer можно вычислить электромагнитное излучение как для каждого сегмента трассы, так и общее для всей цепи. Общее электромагнитное излучение платы рассчитать нельзя, поскольку время переключения передатчиков (относительно друг друга) обычно достаточно подробно неизвестно и способно изменяться от одного цикла синхронизации к другому.

В BoardSim можно анализировать системы, которые состоят из нескольких плат. Для реализации такого моделирования предназначен режим MultiBoard, в котором все платы в одном окне проекта размещаются одновременно.

Анализ многоплатной системы выполняется таким же образом, как и анализ одноплатного проекта. Однако есть два отличия. Анализ ЭМС производится только с помощью токового зонда (Current Probe), поскольку файл проекта MultiBoard не определяет, как физически ориентированы платы по отношению друг к другу — параллельно или перпендикулярно (в таком случае расчет полей выполнить нельзя). Мастер согласования (Terminator Wizard) недоступен для использования в режиме MultiBoard.

Перед созданием проекта MultiBoard необходимо каждый проект платы из PADS Layout транслировать в формат HyperLynx. Разработчик определяет конфигурацию проекта, в которой задает участвующие платы, разъемы, соединяющие эти платы, и их характеристики. На рис. 6 представлен проект MultiBoard, в который назначены три платы (материнская и две дочерние) и диалог, позволяющий определить платы, формирующие этот проект, и задать точки соединения между ними. Для дальнейшего анализа выбирается цепь (независимо от того, находится она на одной плате или проходит через все платы) и производится моделирование так, как если бы проектировщик работал с одной платой (рис. 7).

Проект MultiBoard, в который назначены три платы (материнская и две дочерние) и диалог, позволяющий определить платы, формирующие этот проект, и задать точки соединения между ними

Рис. 6. Проект MultiBoard, в который назначены три платы (материнская и две дочерние) и диалог, позволяющий определить платы, формирующие этот проект, и задать точки соединения между ними

Анализ целостности сигналов в проекте MultiBoard

Рис. 7. Анализ целостности сигналов в проекте MultiBoard

 

Создание многоплатной системы

Порядок подготовки в PADS Layout данных о топологии печатных плат, формирующих многоплатную систему

Может случиться так, что разрабатываемое устройство предполагает использование нескольких плат расширения и обмен информацией между ними. Средства редактора PADS Layout системы Mentor Graphics PADS позволяют передать в программу HyperLynx для проведения дальнейшего анализа данные об электрических параметрах компонентов и топологии печатных плат, входящих в многоплатную систему. К этому моменту проектирование всех плат в редакторе PADS Layout должно быть полностью завершено.

Для этой цели каждый проект печатной платы, являющейся конструктивной частью многоплатной системы, должен быть сохранен в формате .hyp. Для чего в основном меню программы PADS Layout необходимо выбрать команду File/Export. В результате будет открыто окно File Export (рис. 8), в котором следует выбрать папку для сохранения файла на диске компьютера, задать имя файла и указать его расширение в поле «Тип файла», после чего нажать на кнопку «Сохранить».

Процесс экспорта проекта платы в формат .hyp

Рис. 8. Процесс экспорта проекта платы в формат .hyp

 

Обратите внимание, нет ли в проекте платы незалитых областей металлизации, и если таковые имеются, выполните их определение при помощи команды Tools/Pour Manager основного меню редактора PADS Layout (рис. 9). В результате будет открыто одноименное диалоговое окно (рис. 10). На вкладке Flood («Заливка») установите переключатель в поле Flood Mode («Режим заливки») в позицию Flood All («Залить все») и нажмите на кнопку Start, после чего перейдите на вкладку Plane Connect («Соединение областей металлизации»), в поле Layers укажите нужные слои и снова нажмите на кнопку Start. Закройте окно Pour Manager, нажав кнопку Close.

Проект платы в редакторе PADS Layout системы Mentor Graphics PADS после создания областей металлизации

Рис. 9. Проект платы в редакторе PADS Layout системы Mentor Graphics PADS после создания областей металлизации

Диалоговое окно Pour Manager

Рис. 10. Диалоговое окно Pour Manager:
а) вкладка Flood;
б) вкладка Plane Connect

Теперь можно запустить процесс экспорта проекта платы в формат .hyp. При этом поочередно будут открыты два диалоговых окна настроек экспорта. В окне HYP Export (рис. 11) путем установки флажков и переключателей в нужные позиции задаются выходные параметры проекта платы. В открывшемся окне Missing Height (рис. 12) выберите из выпадающего списка Design Units единицы измерения проекта, установите флажок в чекбоксе For All Parts и нажмите кнопку ОК.

Окно HYP Export

Рис. 11. Окно HYP Export

Окно Missing Height

Рис. 12. Окно Missing Height

Таким образом, перед тем как создать проект многоплатной системы в HyperLynx, на диске компьютера уже должны быть подготовлены файлы в формате .hyp для всех плат проекта, как материнской, так и дочерних.

Создание многоплатной системы при помощи мастера MultiBoard Project Wizard

Для создания многоплатной системы в HyperLynx необходимо добавить в MultiBoard платы, формирующие проект. Сделать это можно при помощи мастера MultiBoard Project Wizard. Рассмотрим данный процесс более подробно. Для чего в основном меню программы HyperLynx или в HyperLynx BoardSim выберем пункт File/New MultiBoard Project, в результате откроется первое окно мастера создания многоплатной системы (рис. 13а). В данном окне необходимо в поле Project file name ввести название проекта многоплатной системы, при помощи кнопки Browse задать месторасположение этого проекта, после чего нажать на кнопку Next>. Отметим, что проект MultiBoard рекомендуется размещать в отдельной директории. На следующем этапе создания проекта многоплатной системы (рис. 13б) при помощи кнопки Insert выполняется добавление *.hyp-файлов плат, формирующих проект. Заметим, что один и тот же файл *.hyp можно добавить несколько раз в том случае, если формирующие проект платы имеют идентичную топологию. Примером может служить конструкция устройства, в котором несколько одинаковых модулей монтируются на одной объединительной (материнской) панели. После нажатия на кнопку Insert будет открыто окно проводника Windows (рис. 14) Select BoardSim File(s), при помощи которого можно перейти в директорию размещения файлов плат. Выберите левой кнопкой мыши нужный файл платы и нажмите на кнопку «Открыть» — файл появится в списке Design File окна мастера. Для каждого добавленного *.hyp-файла можно ввести директорию его размещения (поле Directory) и комментарий (поле Comment). В том случае, когда файл многоплатного проекта *.pjh и файлы плат *.hyp размещены в одной директории, путь к *.hyp-файлам в окне мастера можно указать относительно (.\). Комментарий можно ввести для того, чтобы отличать идентичные платы, если один и тот же файл *.hyp используется в проекте несколько раз. Для удаления ошибочно добавленного файла платы в проект необходимо в окне мастера выделить левой кнопкой мыши строку с названием файла и нажать на кнопку Delete.

Мастер создания многоплатной системы MultiBoard Project Wizard

Рис. 13. Мастер создания многоплатной системы MultiBoard Project Wizard:
а) шаг 1;
б) шаг 2;
в) шаг 3;
г) шаг 4

После того как все необходимые файлы плат *.hyp добавлены в проект, нажмите кнопку Next> для перехода к третьему шагу работы мастера (рис. 13в), в котором выполняется определение соединений (виртуальных разъемов) плат. При этом в качестве точек соединения можно использовать любые компоненты платы. Рассмотрим данное окно мастера более подробно. Оно разделено на две части. В полях Design file #1 и Design file #2 из выпадающего списка выбираем названия плат, между которыми требуется выполнить соединение. В полях Reference designators отображены позиционные обозначения компонентов выбранных плат, которые могут быть использованы в качестве соединителей. Для того чтобы настроить соединение между двумя платами проекта, необходимо выбрать в этих полях нужные значения и нажать на кнопку Insert, в результате чего пара плат появится в списке соединений Interconnection list. Для удаления ошибочно добавленных значений в Interconnection list необходимо в этом списке выделить левой кнопкой мыши нужную строку и нажать кнопку Delete. Можно также выполнить соединение определенных выводов разъемов между собой. К примеру, чтобы соединить второй вывод разъема J1 материнской платы B00 и четвертый вывод разъема J1 дочерней платы B03, нужно в списке соединений задать следующее соответствие B00:J1.2 M1 B03:J1.4 D3 (рис. 15). После того как все пары соединений назначены, надо при помощи кнопки Next> перейти к четвертому шагу мастера.

На четвертом, заключительном этапе создания многоплатной системы (рис. 13г) выполняется определение свойств виртуальных соединений. Для каждого соединения можно назначить свой набор свойств. Для чего необходимо при помощи левой кнопки мыши выбрать пару плат в поле Interconnection list и назначить следующие параметры ее соединения в полях:

  • Resistance (сопротивление);
  • Inductance (индуктивность);
  • Capacitance (емкость);
  • Impedance (импеданс);
  • Delay (задержка);
  • Connector model (модель соединения): Short (короткая), Simple (простая), Advanced (расширенная) — рис. 16.

Выбор *.hyp-файла в окне Select BoardSim File(s)

Рис. 14. Выбор *.hyp-файла в окне Select BoardSim File(s)

Определение соединения второго вывода разъема J1 материнской платы B00 и четвертого вывода разъема J1 дочерней платы B03 в списке Interconnection list

Рис. 15. Определение соединения второго вывода разъема J1 материнской платы B00 и четвертого вывода разъема J1 дочерней платы B03 в списке Interconnection list

Модель соединения плат

Рис. 16. Модель соединения плат:
а) Short;
б) Simple;
в) Advanced

В случае если разработчику неизвестны характеристики соединения, можно использовать их значения по умолчанию. Для редактирования соединения предназначена кнопка Connection Editor поля Connector model.

После того как все нужные действия выполнены, нажмите на кнопку Finish, чтобы закончить работу с мастером создания многоплатной системы. Результат работы мастера — проект MultiBoard, в который назначены четыре платы (материнская и три дочерние), — представлен на рис. 17. Редактирование уже созданного проекта многоплатной системы в MultiBoard выполняется при помощи команды основного меню Edit/MultiBoard Project. В результате будет открыто окно мастера MultiBoard Project Wizard, в котором можно изменить нужные настройки проекта.

Результат работы мастера MultiBoard Project Wizard — проект MultiBoard, в который назначены четыре платы (материнская и три дочерние)

Рис. 17. Результат работы мастера MultiBoard Project Wizard — проект MultiBoard, в который назначены четыре платы (материнская и три дочерние)

 

Проведение анализа многоплатной системы

Выполнение анализа целостности сигналов при помощи цифрового осциллографа Digital Oscilloscope

Моделирование в осциллографе используется для анализа целостности сигналов и наводок в цепях схемы. Выбор цепи для анализа выполняется в окне Select Net by Name (рис. 18), которое можно открыть, нажав кнопку Select Net by Name for SI Analysis панели инструментов BoardSim MultiBoard.

Выбор цепи для анализа целостности сигналов в проекте MultiBoard

Рис. 18. Выбор цепи для анализа целостности сигналов в проекте MultiBoard

Анализ может включать цепи, проходящие по нескольким платам, поскольку модели передающих линий содержат и разъемы. Это особенно полезно для анализа сигналов, идущих от передатчика на одной плате к приемникам на других платах.

В центральной части окна Select Net by Name расположен список цепей, выбор нужной производится путем выделения строки с ее названием при помощи левой кнопки мыши. По умолчанию возле каждого названия цепи в списке указана ее длина. В поле Design file можно определить плату, на которой размещена цепь. Выбранная цепь отобразится в рабочей области проекта. Также отобразятся и все ассоциированные с ней цепи. Цепи, проходящие через платы, отображаются в проекте MultiBoard пунктирными линиями, идущими от вывода на одной плате через разъем к выводу на следующую плату. Для каждого соединения между платами для выбранной цепи отображается одна пунктирная линия. При этом если цепь не заканчивается на выбранной плате, она будет отображена и на других платах системы.

Для упрощения поиска цепи в окне Select Net by Name можно воспользоваться фильтром (поле Filter) или выполнить сортировку цепей по имени в алфавитном порядке, длине или ширине (поле Sort nets by).

Перед тем как провести анализ целостности сигналов при помощи цифрового осциллографа, необходимо всем пассивным компонентам выбранной цепи назначить значения, а микросхемам назначить модели, поскольку при выполнении анализа компоненты с неназначенными моделями воспринимаются как разомкнутые цепи. Для того чтобы назначить модель выводу микросхемы или компоненту, выберите цепь, к которой он подсоединен, а затем нажмите на кнопку Select Component Models or Edit Values панели инструментов BoardSim MultiBoard.

В результате будет открыто окно Assign Models, в котором для назначения модели в вывод необходимо выбрать этот вывод в списке Pins и нажать на кнопку Select. Отметим, что в списке Pins отображаются выводы как микросхем (рис. 19а), так и пассивных компонентов. Существенным различием между анализом одноплатной и многоплатной системы является то, что в режиме MultiBoard нельзя назначить модели в выводы разъемов, если эти выводы назначены для соединения плат вместе; такие выводы отмечаются иконкой соединения conn (рис. 19б).

Выбор в окне Assign Models

Рис. 19. Выбор в окне Assign Models:
а) вывода микросхемы;
б) вывода conn

В открывшемся окне Select IC Model (рис. 20) требуется в поле Libraries выбрать нужную библиотеку компонентов, а затем — модель, щелкнув на имени компонента в поле Devices и на номере вывода или имени сигнала в поле Pin (Signal). Надо отметить, что название данного поля зависит от установленного переключателя в поле Select by и может принимать одно из двух значений: Pin, Signal. В окне Select IC Model для выбора доступны следующие типы моделей:

  • *.ibs— IBIS-модели;
  • *.ebd— EBD-модели — это расширение IBIS-моделей, которое используется для электрического описания платы;
  • *.mod— MOD-модели — это упрощенный формат HyperLynx. Обычно MOD-модели представляют семейства интегральных микросхем. В HyperLynx включены следующие библиотеки MOD-моделей: MOD (общие компоненты для нескольких логических семейств, доступных во множестве скоростей фронтов), Probes.MOD (модели типичных входных зондов осциллографов), Open.MOD (модель для открытых выводов интегральных микросхем), Diodes.MOD (базовые модели диодов), User.MOD (пользовательские модели в формате MOD), Easy.MOD (технологично-ориентированные модели, которые можно задать при отсутствии в распоряжении нужной модели);
  • *.pml— PML-модели — это расширение MOD-моделей. Файлы *.pml содержат типовые модели для корпусных компонентов с добавлением паразитных характеристик корпуса и цоколевок конкретных корпусов;
  • *.sp— SPICE-модели;
  • *.s4p— S‑Parameter (Touchstone) модели — это последовательные модели, используемые для создания моделей коннекторов и корпусов. В *.s4p-файлах могут описываться S, Y, Z и другие параметры.
Окно Select IC Model

Рис. 20. Окно Select IC Model

Модели передающих и приемных буферов можно выбрать из обширных библиотек, поставляемых с продуктом.

Кнопка Find Model окна Select IC Model открывает диалог IC Model Finder (рис. 21), позволяющий найти модели по ключевым словам (текст для поиска вводится в поле Search text). После того как все действия в окне Select IC Model выполнены, нажмите на кнопку ОК. В результате диалоговое окно будет закрыто, а параметры выбранной модели отобразятся в окне Assign Models (рис. 22). При этом в поле Buffer settings посредством установки переключателя в одну из позиций можно задать назначение вывода (рис. 23):

  • Input («Вход»);
  • Output («Выход»);
  • Output Inverted («Инверсный выход»);
  • Stuck High («Постоянно высокий»);
  • Stuck Low («Постоянно низкий»).

Диалоговое окно IC Model Finder

Рис. 21. Диалоговое окно IC Model Finder

Параметры выбранной модели в окне Assign Models

Рис. 22. Параметры выбранной модели в окне Assign Models

Выбор назначения вывода компонента в поле Buffer settings окна Assign Models

Рис. 23. Выбор назначения вывода компонента в поле Buffer settings окна Assign Models

В нашем примере доступно для выбора только одно значение — Input.

Для назначения одной и той же модели нескольким выводам можно использовать следующие кнопки поля Model to paste:

  • Copy («Копировать»);
  • Paste («Вставить»);
  • Paste All (назначение выбранной модели всем выводам в схеме). Данную кнопку удобно применять, если все выводы схемы имеют одинаковую модель и отличаются только установками буфера.

После того как все параметры в окне Assign Models настроены, нажмите на кнопку «Применить».

Если при трансляции топологии в BoardSim MultiBoard не передались значения пассивных компонентов, то их нужно назначить вручную. Для чего при помощи левой кнопки мыши выберите пассивный компонент в списке Pins окна Assign Models (откроется вкладка этого типа компонента), введите нужное значение в поле Value и нажмите последовательно кнопки Copy и Paste. В результате компонент в списке Pins отобразится как назначенный (рис. 24).

Назначение значения сопротивления пассивному компоненту выбранной цепи в окне Assign Models

Рис. 24. Назначение значения сопротивления пассивному компоненту выбранной цепи в окне Assign Models

В поле Design file окна Assign Models можно определить плату, на которой размещен компонент. Перед тем как закончить работу в диалоговом окне Assign Models, проверьте все платы проекта и убедитесь, что всем пассивным компонентам назначены значения, а всем выводам — модели (нет отметок красного знака вопроса в поле Pins).

Открыть лицевую панель цифрового осциллографа в BoardSim MultiBoard (окно Digital Oscilloscope — рис. 25) можно при помощи команды основного меню Simulate SI/Run Interactive Simulation (SI Oscilloscope) или посредством нажатия на одноименную кнопку панели инструментов BoardSim MultiBoard. В верхней левой части окна расположен графический дисплей, предназначенный для графического отображения формы сигнала. Также прибор оснащен двумя курсорами для проведения измерений во временной области, каждый из них можно установить, щелкнув левой кнопкой мыши в области графического дисплея. Третий щелчок удаляет курсоры.

Окно Digital Oscilloscope

Рис. 25. Окно Digital Oscilloscope

В нижней правой части окна находятся четыре ручки управления, предназначенные для настройки отображения измеряемого сигнала:

  • поле Vertical содержит две ручки: Position — устанавливается положение кривой по вертикальной оси, Scale — задается величина деления по оси Y;
  • поле Horizontal содержит две ручки: Delay — устанавливается положение кривой по горизонтальной оси, Scale — задается величина деления по оси Х.

На лицевой панели осциллографа также можно настроить следующие параметры отображения сигнала:

  • Operation (отображение сигнала): Standard (стандартное), Eye Diagram (глазковая диаграмма);
  • Edge (фронт): Rising edge (передний фронт), Falling edge (задний фронт);
  • Oscillator (отображение обоих фронтов), при этом есть возможность задать частоту (поле MHz) и рабочий цикл (поле Duty);
  • IC modeling (передатчик сигнала): Slow-Week (медленный слабый), Typical (типичный), Fast-Strong (быстрый сильный);
  • Show — выбор кривых и информации для совместного отображения.

Перед запуском моделирования нужно установить зонды. Если установка зондов не была произведена разработчиком, то системой автоматически будут использованы первые шесть выводов компонентов из возможных. Зонды устанавливают на любой вывод компонента. Все возможные точки зондирования отображаются в поле Probes окна Show. После установки зондов задаются входные условия моделирования и значения отображения симулятора. Запуск моделирования производится посредством нажатия на кнопку Start Simulation в верхнем правом углу окна Digital Oscilloscope.

Сделаем анализ выбранной цепи BD1. Воздействие зададим в виде заднего фронта прямоугольного импульса длительностью 1 нс. На рис. 26 показан результат моделирования.

Результат анализа целостности сигналов многоплатной системы в режиме MultiBoard

Рис. 26. Результат анализа целостности сигналов многоплатной системы в режиме MultiBoard

Выполнение анализа спектра ЭМС

Анализ спектра ЭМС в BoardSim MultiBoard выполняется при помощи виртуального анализатора спектра (Spectrum Analyzer). ЭМС рассматривает электромагнитные поля, распространяющиеся от передающей линии в пространство. Анализатор спектра можно использовать для оценки ЭМС от трасс схемы.

Перед тем как начать анализ спектра ЭМС, нужно кнопкой Select Net by Name for SI Analysis панели инструментов BoardSim MultiBoard выбрать цепь для анализа. При помощи кнопки Select Component Models or Edit Values необходимо всем пассивным компонентам выбранной цепи назначить значения, а микросхемам назначить модели, по аналогии с тем, как это было сделано в анализе целостности сигналов. В течение моделирования назначить в качестве выходного передатчика можно только один вывод компонента.

Открыть лицевую панель виртуального анализатора спектра в BoardSim MultiBoard (окно Spectrum Analyzer — рис. 27) можно при помощи команды основного меню Simulate SI/Run Interactive EMC Simulation (Spectrum Analyzer) или посредством нажатия на одноименную кнопку панели инструментов BoardSim MultiBoard. При моделировании будут учитываться эффекты взаимовлияний связанных передающих трасс. Эту информацию можно использовать для оценки эффектов экранирующих трасс и других близлежащих цепей. При моделировании электромагнитного излучения допускается применение только одного передатчика, все остальные выводы должны быть определены как приемники.

Окно Spectrum Analyzer

Рис. 27. Окно Spectrum Analyzer

Перед запуском моделирования нужно установить зонды. Для этого необходимо нажать на кнопку Set в поле Probe лицевой панели анализатора спектра. В результате будет открыто окно Set Spectrum Analyzer Probing (EMC) — рис. 28.

Окно Set Spectrum Analyzer Probing (EMC)

Рис. 28. Окно Set Spectrum Analyzer Probing (EMC)

В анализе спектра ЭМС многоплатной системы доступен только один тип зонда — Current (токовый пробник), который по умолчанию уже установлен в поле Probe type.

Токовый зонд устанавливается на любой вывод интегральной микросхемы (передатчика) или на любой вывод пассивного компонента (например, резистора), а также на выводы разъемов. При этом все доступные точки токовых зондов отображаются в списке Pins. В списке Design File выполняется выбор платы многоплатной системы.

После установки зонда необходимо в окне Spectrum Analyzer определить следующие настройки моделирования и отображения сигнала:

  • Freq (частота);
  • Duty cycle (рабочий цикл);
  • IC modeling (передатчик сигнала): Slow-Week (медленный слабый), Typical (типичный), Fast-Strong (быстрый сильный);
  • Display — отображение предыдущих (позиция Show previous) или новых результатов (позиция Show new).

В нижней правой части окна находятся три ручки управления, предназначенные для настройки отображения сигнала:

  • поле Vertical содержит ручку Offset, при помощи которой устанавливается смещение графика в окне Spectrum display по вертикальной оси;
  • поле Horizontal содержит две ручки: Central Freq — центральная частота, Scale — величина деления по оси Х.

После того как все настройки выполнены, можно запустить моделирование, для чего необходимо нажать кнопку Start Simulation в верхнем правом углу лицевой панели анализатора спектра. После окончания моделирования результаты отображаются в двух окнах дисплея. Верхнее окно Mini oscilloscope display показывает токовую кривую передатчика в линейном масштабе. Нижнее окно Spectrum display — спектр токов в логарифмическом масштабе.

Выполним моделирование с установкой значения Fast-Strong в поле IC modeling. Для того чтобы отобразить в центре окна дисплея Spectrum display самую высокую вершину, можно установить в поле Display флажок в чекбоксе Auto scale. Результаты моделирования представлены на рис. 29.

Результат анализа спектра ЭМС многоплатной системы в режиме MultiBoard

Рис. 29. Результат анализа спектра ЭМС многоплатной системы в режиме MultiBoard

 

Редактирование стека слоев печатных плат многоплатной системы

Для улучшения целостности сигналов в многоплатной системе можно вносить изменения в стек слоев печатных плат, формирующих эту систему. Редактор стека слоев Stackup Editor позволяет изменять характеристики диэлектрических и металлических слоев, удалять или добавлять новые слои и анализировать происходящие вследствие этого перемены. Встроенные в редактор средства анализа электрических параметров предоставляют возможность для указанных характеристик конструкции печатной платы автоматически определять ширину трассы по заданному импедансу (отдельно для каждого слоя) и параметры дифференциальной пары (для заданного дифференциального импеданса). В Stackup Editor можно также назначить цвет для каждого слоя, впоследствии эти цвета будут использоваться для отображения трасс.

Редактор стека слоев применяется при работе с модулем LineSim, в модуле посттопологического анализа BoardSim, а также в режиме MultiBoard. Для того чтобы открыть редактор Stackup Editor, необходимо в основном меню BoardSim MultiBoard выбрать пункт Setup/Stackup/Edit. В открывшемся окне можно редактировать, удалять или добавлять слои определенной платы многоплатной системы. Для определения платы, чей стек нужно просмотреть или отредактировать, используйте поле Board, которое расположено в верхней части окна Stackup Editor. Удалить слой можно командой основного меню редактора Edit/Delete, предварительно выделив его в таблице слоев, для чего необходимо в первой колонке таблицы щелкнуть левой кнопкой мыши по номеру слоя, в результате будет выделена вся строка с описанием слоя. Добавить слой можно при помощи команд Edit/Insert Above (добавить слой выше выбранного слоя) и Edit/Insert Below (добавить слой ниже выбранного слоя) основного меню редактора. Изменения стека автоматически применяются ко всем элементам файла проекта.

Управлять выделением слоев в таблице слоев можно следующими кнопками панели инструментов редактора:

  • Select all layers (выделить все слои);
  • Select all metal layers (выделить все слои металлизации);
  • Select all dielectric layers (выделить все слои диэлектрика);
  • Deselect selected layers (снять выделение всех слоев).

Редактор Stackup Editor содержит вкладки, на которых можно настраивать:

  • общие параметры слоев (вкладка Basic — рис. 30а): видимость (поле Visible) и цвет слоя (поле Color), стиль заливки слоя металлизации (поле Pour Draw Style: None — нет заливки, Solid — сплошная, Hatched — штриховка, Outline — контур), теплопроводность (поле Thermal Conductivity), импеданс (поле Z0), толщину слоя (поле Thickness), тип слоя (поле Type: Dielectric — диэлектрик, Metal — металл), применение (поле Usage, для слоев металлизации: Signal — сигнальный, Plane — заливка, для слоев диэлектрика: Substrate — подложка, Solder Mask — паяльная маска);
  • параметры слоев диэлектрика (вкладка Dielectric — рис. 30б): тип слоя (поле Type), применение (поле Usage), технологию (поле Technology), тангенс угла потерь (поле Loss Tangent), теплопроводность (поле Thermal Conductivity);
  • параметры слоев металлизации (вкладка Metal — рис. 30в): тип слоя (поле Type), применение (поле Usage), материал металлизации (поле Metal), толщину слоя (поле Thickness), удельное сопротивление (поле Bulk R), температурный коэффициент (поле T coef), импеданс (поле Z0), кривые потерь (поле Loss Curve), теплопроводность (поле Thermal Conductivity).
Редактор Stackup Editor

Рис. 30. Редактор Stackup Editor:
а) вкладка Basic;
б) вкладка Dielectric;
в) вкладка Metal

В поле Loss Curve вкладки Metal для каждого слоя доступна кнопка View, при помощи которой можно открыть окно графика кривых потерь (рис. 31). Управление отображением кривых на графике выполняется переключателями: Resistance (сопротивление), Attenuation (затухание) — и чекбоксов: Resistive (резистивное), Dielectric (диэлектрика), расположенных в поле Show в правом верхнем углу окна.

Окно Loss-vs-Frequency Graph

Рис. 31. Окно Loss-vs-Frequency Graph

Проверить созданный стек слоев на наличие ошибок можно при помощи команды Setup/Stackup/Check основного меню BoardSim MultiBoard. В результате выполнения команды будет выведено сообщение об отсутствии ошибок. В случае их обнаружения система попытается самостоятельно устранить ошибки.

Продемонстрируем работу этой команды на конкретном примере. Введем искусственно ошибку в стек слоев дочерней платы B03 D3 — удалим слой диэлектрика, который находился между слоем GND и слоем Middle_Layer_1 (рис. 32а), в результате окажутся рядом сигнальный слой и слой заливки (рис. 32б), и проведем проверку при помощи команды Setup/Stackup/Check. В результате выполнения команды было получено сообщение (рис. 33) A dielectric layer was added near layer Middle_Layer_1_B03 (слой диэлектрика был добавлен возле слоя Middle_Layer_1_B03), что означает, что причина ошибки выявлена и устранена. В этом можно убедиться, открыв стек слоев платы B03 D3 (рис. 32в).

Стек слоев платы

Рис. 32. Стек слоев платы:
а) до ввода ошибки;
б) после ввода ошибки;
в) после выполнения команды Setup/Stackup/Check

Сообщение об устранении ошибки в стеке слоев одной из плат проекта MultiBoard

Рис. 33. Сообщение об устранении ошибки в стеке слоев одной из плат проекта MultiBoard

Литература
  1. PADS ES Suite Evaluation Guide, Mentor Graphics Corporation, 2012.
  2. Кечиев Л. Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. М.: ООО «Группа ИДТ», 2007.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *