Анализ целостности сигналов в цепях модульных систем радиоэлектронной аппаратуры

Опубликовано в номере:
PDF версия
В статье рассматривается создание модульной электронной системы и детальное моделирование ее работы при помощи средств анализа высокоскоростных печатных плат программы HyperLynx BoardSim от компании Mentor Graphics. Подробно описывается техника формирования модульной системы с использованием мастера, а также ее тестирование с помощью цифрового осциллографа, анализатора спектра и средств быстрого анализа.

Введение

Снизить затраты на разработку, подготовку производства и освоение радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), обеспечить совместимость и преемственность аппаратурных решений с одновременным улучшением качества, увеличением надежности и срока службы эксплуатирующегося оборудования позволяет модульный принцип конструирования изделий. Он предполагает проектирование изделий РЭА на основе максимальной конструктивной и функциональной взаимозаменяемости составных частей конструкции – модулей. Модуль — составная часть аппаратуры, выполняющий подчиненные функции, имеющий законченное функциональное и конструктивное оформление и оснащенный элементами коммутации и механического соединения с подобными модулями, а также с модулями низшего уровня в изделии.

Основу модульного принципа составляет разукрупнение электронной схемы РЭА на функционально законченные подсхемы, выполняющие определенные функции (рис. 1).

Структурные уровни конструктивной иерархии модульной системы

Рис. 1. Структурные уровни конструктивной иерархии модульной системы

Модульные системы предполагают использование нескольких плат расширения в одном устройстве и обмен информацией между ними (рис. 2). В качестве объединительной для организации соединения между платами используют общую плату, в разъемы расширения которой устанавливаются дочерние платы с размещенными на них радиокомпонентами. Базовая плата устанавливается в корпусе на специальных пластмассовых стойках и крепится винтами. Разъемы расширения, в которые вставляются дочерние платы, связаны друг с другом на базовой плате рядом параллельных проводников, по которым осуществляется передача данных, адресов и управляющих сигналов. При этом распределенная емкость и индуктивность печатных проводников, взаимная индуктивность и емкость рядом находящихся проводников, наличие неоднородностей в сигнальных и возвратных проводниках, несогласованность длинных линий, воздействия шумов, нелинейных искажений, отражений, высокие полные сопротивления шин питания и заземления и многие другие эффекты приводят к тому, что форма сигнала может измениться до такой степени, что передаваемая информация будет принята с ошибками.

Пример модульной конструкции радиоэлектронного прибора, в которой в разъемы расширения базовой платы установлены четыре дочерние платы с размещенными на них радиокомпонентами

Рис. 2. Пример модульной конструкции радиоэлектронного прибора, в которой в разъемы расширения базовой платы установлены четыре дочерние платы с размещенными на них радиокомпонентами

Многие из основных проблем, которые вызывают нарушения целостности сигнала, можно обнаружить и исправить с помощью программы HyperLynx [1]. Анализ целостности сигналов в HyperLynx выполняется на этапе схемы (предтопологический анализ) и на этапе платы (посттопологический анализ). Задачей посттопологического анализа является максимально полное исследование системы на наличие проблем целостности сигналов с учетом реальной трассировки, геометрических размеров и положений компонентов, а также их взаимного расположения. Исходными данными для этого анализа является готовая топология и рассчитанные ранее параметры линий передачи.

Модуль BoardSim программы HyperLynx, предназначенный для посттопологического анализа целостности сигналов, работает с законченной топологической информацией. В этот модуль можно загрузить проект платы, разработанный практически в любом современном пакете проектирования, т. к. большинство популярных продуктов для проектирования печатных плат имеют трансляторы в формат HyperLynx. Это касается и проектов, в которых предполагается использование нескольких плат расширения.

В BoardSim исследование работы систем, состоящих из нескольких плат, выполняется в режиме MultiBoard, в котором все платы в одном окне проекта размещаются одновременно (рис. 3). При этом анализ спектра электромагнитной совместимости (ЭМС) производится только с использованием токового зонда (Current Probe), поскольку файл проекта MultiBoard не определяет, как физически расположены платы по отношению друг к другу – параллельно или перпендикулярно (в таком случае расчет полей выполнить невозможно). Мастер согласования Terminator Wizard недоступен для использования в режиме MultiBoard.

На рис. 3 представлен проект MultiBoard, в который назначены три платы (базовая и две дочерние) и диалог, позволяющий определить платы, формирующие этот проект, и задать точки соединения между ними.

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

Рис. 3. Проект MultiBoard, в который назначены три платы (базовая и две дочерние) и диалог, позволяющий определить формирующие проект платы и задать точки соединения между ними

Инструменты проверки и редактирования стеков слоев плат модульной системы в MultiBoard предоставляет Stackup Manager (рис. 4). В таблице в его левой части отображено имя выбранной в списке Board платы модульной системы, в правой части – 2D- или 3D-модель ее стека слоев. Stackup Manager служит интерфейсом для запуска редактора Stackup Editor, который в BoardSim вызывают для каждой отдельной платы и используют для добавления и удаления слоев, изменения порядка сигнальных слоев (например, для перемещения слоя TOP на внутренний слой), назначения слоям цвета, толщины и других свойств, изменения свойств диэлектрика и проводимости металла.

Инструменты менеджера стека слоев плат, формирующих модульную систему

Рис. 4. Инструменты менеджера стека слоев плат, формирующих модульную систему

Перед созданием проекта MultiBoard необходимо каждый проект платы из топологического редактора транслировать в формат HyperLynx. Разработчик определяет конфигурацию проекта, в которой задает участвующие платы, разъемы, соединяющие эти платы, и их характеристики. Для дальнейшего анализа выбирается цепь (независимо от того, находится она на одной плате или проходит через все платы), и осуществляется моделирование так, как если бы проектировщик работал с одной платой (рис. 5).

Анализ целостности сигналов с помощью цифрового осциллографа в проекте MultiBoard

Рис. 5. Анализ целостности сигналов с помощью цифрового осциллографа в проекте MultiBoard

 

Создание модульной системы

Подготовка данных о топологии печатных плат

Может случиться так, что разрабатываемое устройство предполагает использование нескольких плат расширения и обмен информацией между ними. Средства современных редакторов проектирования топологии печатных плат (PADS Layout, Xpedition Layout, Altium Designer) позволяют передать в программу HyperLynx для проведения дальнейшего анализа данные об электрических параметрах компонентов и топологии печатных плат, входящих в модульную систему. К этому моменту проектирование всех плат в топологическом редакторе должно быть полностью завершено. Каждый проект печатной платы, являющейся конструктивной частью модульной системы, должен быть сохранен в формате .hyp.

Таким образом, перед созданием проекта модульной системы в HyperLynx на диске компьютера уже должны храниться файлы в формате .hyp для всех плат проекта – как базовой, так и дочерних.

Создание модульной системы с помощью мастера MultiBoard Project Wizard

Для создания модульной системы в HyperLynx необходимо добавить в MultiBoard платы, формирующие проект. Это делается при помощи мастера MultiBoard Project Wizard. Рассмотрим данный процесс подробнее. В основном меню программы HyperLynx или в HyperLynx BoardSim выберем пункт File/New MultiBoard Project (рис. 6), чтобы открыть первое окно мастера по созданию модульной системы (рис. 7а). В этом окне в поле Project file name вводится название проекта модульной системы, а с помощью кнопки Browse задается месторасположение проекта (файл проекта модульной системы получит расширение .pjh), после чего следует нажать кнопку Next>. Заметим, что проект MultiBoard рекомендуется размещать в отдельной папке. На следующем этапе создания проекта модульной системы (рис. 7б) 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 тому может служить конструкция устройства, в котором несколько одинаковых модулей монтируется на одной объединительной (базовой) панели. После нажатия кнопки Insert откроется окно проводника Windows (рис. 8) Select BoardSim File (s), при помощи которого можно перейти в папку с файлами плат. Нужный файл платы выбирается левой кнопкой мыши, затем нажимают кнопку Open: файл появится в списке Design File окна мастера. Для каждого добавленного *.hyp-файла можно ввести папку для его размещения (поле Directory) и комментарий (поле Comment). В том случае, когда файл модульного проекта *.pjh и файлы плат *.hyp размещены в одной папке, путь к файлам *.hyp в окне мастера можно указать относительно (.\). Комментарий вводится для того, чтобы отличать идентичные платы в случае, когда один и тот же файл *.hyp используется в проекте несколько раз. Для удаления ошибочно добавленного в проект файла платы в окне мастера выделяют левой кнопкой мыши строку с названием файла и нажимают кнопку Delete.

Стартовое окно программы HyperLynx

Рис. 6. Стартовое окно программы HyperLynx

Мастер создания модульной системы MultiBoard Project

Рис. 7. Мастер создания модульной системы MultiBoard Project:
а) шаг 1;
б) шаг 2;
в) шаг 3;
г) шаг 4

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

Рис. 8. Выбор *.hyp-файла в окне Select BoardSim File(s)

После того как все необходимые файлы плат *.hyp добавлены в проект, нажимают кнопку Next> для перехода к третьему шагу работы мастера (рис. 7в), в котором выполняется определение соединений (виртуальных разъемов) плат. При этом в качестве точек соединения можно использовать любые компоненты платы. Рассмотрим данное окно мастера подробнее.

Оно разделено на две части. В полях Design file #1 и Design file #2 из выпадающего списка выбирают названия плат, между которыми требуется выполнить соединение. В полях Reference designators отобра­жены позиционные обозначения компонентов выбранных плат, которые можно использовать в качестве соединителей. Чтобы настроить соединение между двумя платами проекта, выбирают требуемые значения в этих полях и нажимают кнопку Insert. В результате пара плат появится в списке соединений Interconnection list. Для удаления ошибочно добавленных значений в Interconnection list необходимо в этом списке выделить при помощи левой кнопки мыши требуемую строку и нажать кнопку Delete. Можно также выполнить соединение определенных выводов разъемов между собой. Например, чтобы соединить второй вывод разъема J2 базовой платы B00 и четвертый вывод разъема J1 дочерней платы B02, в списке соединений задается соответствие B00: J2.2 M1 – B02: J1.4 D2 (рис. 9). После того как все пары соединений назначены, с помощью кнопки Next> переходят к четвертому шагу мастера.

Определение соединения второго вывода разъема J2 базовой платы B00 и четвертого вывода разъема J1 дочерней платы B02 в списке Interconnection list

Рис. 9. Определение соединения второго вывода разъема J2 базовой платы B00 и четвертого вывода разъема J1 дочерней платы B02 в списке Interconnection list

На этом заключительном этапе создания модульной системы (рис. 7г) выполняется определение свойств виртуальных соединений. Для каждого соединения можно назначить свой набор свойств. С этой целью левой кнопкой мыши выбирают пару плат в поле Interconnection list и назначают следующие параметры соединения в полях:

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

В случае если разработчику неизвестны характеристики соединения, можно использовать их значения по умолчанию. Кнопку Connection Editor поля Connector model применяют для редактирования соединения.

После того как все требуемые действия выполнены, нажимают кнопку Finish, чтобы закончить работу с мастером создания модульной системы. Результатом работы мастера является проект MultiBoard, в который назначены четыре платы (базовая и три дочерние) (рис. 10). На рис. 11 представлен проект с двумя платами: базовой и дочерней. Их соединение выполнено через разъем J1, модель соединения – Simple.

Результат работы мастера MultiBoard Project – проект MultiBoard с назначенными четырьмя платами (базовой и тремя дочерними)

Рис. 10. Результат работы мастера MultiBoard Project – проект MultiBoard с назначенными четырьмя платами (базовой и тремя дочерними)

Проект MultiBoard с двумя платами (базовой и дочерней). Соединение плат выполнено через разъем J1, модель соединения – Simple

Рис. 11. Проект MultiBoard с двумя платами (базовой и дочерней). Соединение плат выполнено через разъем J1, модель соединения – Simple

Редактирование уже созданного проекта модульной системы в MultiBoard выполняется при помощи команды основного меню Edit/MultiBoard Project. В открывшемся окне мастера MultiBoard Project Wizard можно изменить нужные настройки проекта.

 

Анализ модульной системы

Анализ модульной системы в пакетном режиме Batch Mode

Мастер Batch Mode в MultiBoard можно использовать для обнаружения проблем целостности сигналов в цепях, а также для получения общей информации обо всех цепях проекта модульной системы в виде текстового отчета. Запуск анализа осуществляется при помощи команды основного меню Simulate SI/Run Generic Batch Simulation или путем нажатия одноименной пиктограммы в верхней панели инструментов, чтобы открыть окно Batch Mode Setup – Overview (рис. 12).

Окно Batch Mode Setup – Overview

Рис. 12. Окно Batch Mode Setup – Overview

В верхней части этого окна находится поле Result files from previous analysis, в котором кнопкой Open открывают для просмотра файлы отчета предыдущих анализов проекта модульной системы. Кроме того, в этом окне имеются еще два поля:

  • Detailed simulations – набор опций для детального моделирования;
  • Quick analysis – набор опций для быстрого анализа.

Выбор опций выполняют путем установки соответствующих флажков.

Quick analysis осуществляет проверку каждой цепи во всех подсхемах модульной системы. Его можно использовать для быстрого сканирования всего проекта на обнаружение цепей с рисками. При выполнении этого анализа детальное моделирование не производится, а для прогнозирования рисков целостности сигналов и наводок используются алгоритмы экспертной системы.

В поле Quick analysis окна Batch Mode Setup – Overview имеются следующие опции:

  • Show crosstalk strength estimates, sorted by largest crosstalk value — определение интенсивности наводки для выявления цепей агрессоров;
  • Show component changes — показываются изменения компонентов;
  • Show net changes — показываются изменения цепей;
  • Show new component (i. e., Quick Terminators) — показываются новые компоненты;
  • Show stackup — показывается информация о стеке слоев печатных плат модульной системы;
  • Show interconnect statistics (lengths, R, L, C, and impedances) — в отчет включается информация о каждой цепи: минимальный и максимальный импеданс трассы, общая длина трассы, общая емкость трассы, общая индуктивность трассы, общее сопротивление трассы, средний импеданс трассы, общая задержка трассы;
  • Show counts (components, segments, nets, etc.) — определение числа сегментов, приемников и передатчиков, компонентов для каждой цепи проекта модульной системы.

Каждая выбранная опция добавляет дополнительную информацию в файл отчета. Пункты Show signal-integrity problems caused by line lengths (определение цепей, длина которых больше критической) и Suggest termination changes and optimal values (расчет оптимальных значений согласования) недоступны для выбора при анализе модульной системы. В процессе настройки параметров имеется возможность задать анализ отдельных или всех цепей проекта.

После нажатия кнопки «Далее» запускается мастер Batch Mode Setup, который позволяет поочередно открыть несколько диалоговых окон, в которых разработчик определяет настройки анализа. Навигация между окнами выполняется с помощью кнопок «Назад» и «Далее». Когда все параметры заданы, нажимают кнопку «Готово» для запуска анализа. После удачного завершения анализа результаты отображаются в текстовом файле отчета, который автоматически открывается для просмотра (рис. 13).

Фрагмент текстового файла отчета, полученного после выполнения Quick analysis

Рис. 13. Фрагмент текстового файла отчета, полученного после выполнения Quick analysis:
а) общая информация о модульном проекте и стеке слоев входящих в него печатных плат;
б) отчет о помехах и данные о выбранных для анализа цепях

В файле выводится общая информация о модульном проекте: общее количество цепей (Total number of nets), общее число компонентов (Total number of components), температура платы (Board temperature), характеристики интегральных схем (Default IC model) и информация о стеке слоев печатных плат модульной системы (STACKUP) (рис. 13а), отчет о помехах (CROSSTALK REPORT) (рис. 13б), данные о выбранных для анализа цепях (NET INFORMATION): число сегментов, приемников и передатчиков, резисторов и конденсаторов для каждой цепи.

Как видно из рис. 13б, в разделе CROSSTALK REPORT отчета указано, что цепь IMP_A6_B00 подвержена влиянию двух цепей агрессоров IMP_A5_B00 и IMP_A7_B00. Значения пиковых выбросов перекрестных помех равны 206 и 204 мВ, соответственно, что превышает максимально допустимое значение (150 мВ), указанное в поле Maximum allowed crosstalk. Это обстоятельство может влиять на целостность передаваемого сигнала. О выявленном нарушении получено предупреждающее сообщение: ** Warning ** Estimate exceeds maximum allowed crosstalk! (превышено максимально допустимое значение электрического порога).

В текстовом файле отчета эта информация записана следующим образом:

Maximum allowed crosstalk … … … 150 mv peak
NET = IMP_A6_B00
ELECTRICALLY ASSOCIATED NETS –––––––––––––––––––
None
AGGRESSOR NETS (Estimated peak crosstalk)
IMP_A5_B00 … … … … …. 206 mv
IMP_A7_B00 … … … … …. 204 mv
Sum of the two strongest aggressors … … …. 410 mv
** Warning ** Estimate exceeds maximum allowed crosstalk!

Кроме того, файл отчета содержит информацию о дате запуска анализа и общем времени, которое занял процесс выполнения.

После обнаружения в Quick analysis цепей с высоким риском можно переходить к их детальному моделированию. Посредством установки флажка Run signal-integrity and crosstalk simulations on selected nets в поле Detailed simulations окна Batch Mode Setup – Overview задают моделирование целостности сигналов. Моделирование электромагнитной совместимости (флажок Run EMC simulations on selected nets) в проекте модульной системы недоступно. Детальное моделирование занимает больше времени, чем быстрый анализ. Как и в Quick analysis, в Detailed simulations имеется возможность выбирать цепи для моделирования, для чего предусмотрена специальная таблица. Выборочное моделирование цепей сокращает время анализа.

Результаты Quick analysis показали, что цепи IMP_A5_B00, IMP_A7_B00, SETSEC_B00, CLK2_ASSOC_B00, IMP_A6_B00 являются агрессорами. Это обстоятельство может негативно сказаться на целостности сигналов жертв, характеристики которых ухудшаются под воздействием их электромагнитного излучения и выбросов. Выполним детальное моделирование целостности сигналов и перекрестных помех этих цепей, для чего снова откроем окно Batch Mode Setup – Overview и в поле Detailed simulations установим флажок Run signal-integrity and crosstalk simulations on selected nets (все остальные флажки окна в этом случае должны быть сняты). Заметим, что поле Detailed simulations содержит две опции:

  • Run signal-integrity and crosstalk simulations on selected nets (запуск моделирования целостности сигналов и перекрестных помех выбранных цепей);
  • Run EMC simulations on selected nets (запуск моделирования электромагнитной совместимости выбранных цепей).

После выбора первой опции в окне Batch Mode Setup – Overview нажмем кнопку «Далее», чтобы запустить ряд диалоговых окон, где разработчик определяет настройки анализа. Навигация между окнами осуществляется с помощью кнопок «Назад» и «Далее». Выбор цепей для анализа выполняют установкой/снятием флажков в поле SI Enable окна Batch Mode Setup – Net-Selection Spreadsheet (рис. 14), которое открывают кнопкой SI Nets Spreadsheet из окна мастера Batch Mode Setup – Select Nets and Constraints for Signal-Integrity Simulation.

Выбор в поле SI Enable окна Batch Mode Setup – Net-Selection Spreadsheet цепей IMP_A5_B00, IMP_A6_B00, IMP_A7_B00, SETSEC_B00, CLK2_ASSOC_B00 для детального моделирования целостности сигналов и перекрестных помех

Рис. 14. Выбор в поле SI Enable окна Batch Mode Setup – Net-Selection Spreadsheet цепей IMP_A5_B00, IMP_A6_B00, IMP_A7_B00, SETSEC_B00, CLK2_ASSOC_B00 для детального моделирования целостности сигналов и перекрестных помех

Результат детального моделирования выбранных цепей модульного проекта – файл отчета в формате *.rpt, открытый для просмотра при помощи текстового редактора «Блокнот»

Рис. 15. Результат детального моделирования выбранных цепей модульного проекта – файл отчета в формате *.rpt, открытый для просмотра при помощи текстового редактора «Блокнот»

Когда все параметры заданы, нажимают кнопку «Готово» для запуска анализа. В результате его завершения мы получаем файл отчета в формате *.rpt, который открывается при помощи текстового редактора «Блокнот» (рис. 15). В случае обнаружения нарушений в файле выводятся предупреждающие сообщения. К примеру, для цепи SETSEC_B00 в файле отчета была сделана следующая запись, которая указывает на отсутствие модели интегральной схемы, в результате чего дальнейшая симуляция невозможна:

NET = SETSEC_B00
** Warning (Severe) ** Missing IC model (s); unable to simulate
** Warning (Severe) **

Кроме того, файл отчета содержит информацию о дате запуска анализа и общем времени, которое занял процесс его выполнения, и общую информацию о проекте печатной платы: общее количество цепей, общее число компонентов, температура платы, характеристики интегральных схем.

На основе полученных результатов быстрого анализа и детального моделирования разработчик должен принять решение о внесении изменений в проект модульной системы, после чего повторно запустить анализ, чтобы удостовериться, что выполненные изменения результативны, а произведенные действия не привели к появлению нарушений в цепях, которые ранее не имели проблем.

Анализ целостности сигналов с помощью 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. 16), которое открывают кнопкой Select Net by Name for SI Analysis на панели инструментов BoardSim MultiBoard. Анализ может включать цепи, проходящие по нескольким платам, поскольку модели передающих линий содержат и разъемы. Это особенно полезно для анализа сигналов, которые идут от передатчика на одной плате к приемникам на других платах.

В центральной части окна Select Net by Name расположен список цепей. Выбор производится путем выделения строки с ее названием левой кнопкой мыши. По умолчанию возле каждого названия цепи в списке указана ее длина. В поле Design file определяют плату, на которой размещена цепь. Выбранная цепь отобразится в рабочей области проекта. При этом также отобразятся 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 отображается и на других платах системы. В нашем примере (рис. 16) выбрана цепь ВА1, маршрут которой проходит через базовую и две дочерние платы.

Выбор цепи для анализа целостности сигналов в проекте MultiBoard

Рис. 16. Выбор цепи для анализа целостности сигналов в проекте MultiBoard

Перед тем как выполнить анализ целостности сигналов при помощи цифрового осциллографа, необходимо всем пассивным компонентам выбранной цепи задать значения, а микросхемам назначить модели, т. к. при выполнении анализа компоненты с неназначенными моделями воспринимаются как разомкнутые цепи. Чтобы назначить модель выводу микросхемы или компоненту, выбирают цепь, к которой он подсоединен, а затем нажимают кнопку Select Component Models or Edit Values на панели инструментов BoardSim MultiBoard. В результате откроется окно Assign Models, в котором для назначения модели выводу он выбирается в списке Pins на вкладке IC, после чего следует нажать кнопку Select. В списке Pins отображаются и выводы микросхем, и пассивных компонентов. Существенным различием между анализом одноплатной и многоплатной системы является то, что в режиме MultiBoard нельзя назначить модели выводам разъемов, если эти выводы назначены для соединения плат вместе; такие выводы отмечаются пиктограммой соединения conn (рис. 17).

Выбор вывода разъема conn в окне Assign Models

Рис. 17. Выбор вывода разъема conn в окне Assign Models

В открывшемся окне Select IC Model (рис. 18) после нажатия кнопки Select необходимо в поле Libraries выбрать требуемую библиотеку компонентов, а затем выбрать модель, щелкнув имя компонента в поле Devices и номер вывода или имя сигнала в поле Pin (Signal). Заметим, что название этого поля зависит от установленного переключателя в поле Select by и может принимать одно из двух значений: Pin или Signal. Когда все действия в окне Select IC Model выполнены, нажимают кнопку ОК. В результате диалоговое окно закрывается, а параметры выбранной модели отображаются в окне Assign Models. При этом в поле Buffer settings посредством установки переключателя в одну из позиций можно задать назначение вывода (рис. 19):

  • Input (вход);
  • Output (выход);
  • Output Inverted (инверсный выход);
  • Stuck High (постоянно высокий);
  • Stuck Low (постоянно низкий).
    Окно Select IC Model

    Рис. 18. Окно Select IC Model

    Параметры модели и назначение вывода компонента U100.AF18 в окне Assign Models

    Рис. 19. Параметры модели и назначение вывода компонента U100.AF18 в окне Assign Models

В нашем примере укажем для выводов U100.AF18 основной платы B00 M1 и U2.9 дочерней платы B02 D2 значение Input (приемник), а для вывода U2.19 дочерней платы B02 D2 — значение Output (передатчик).

Если при трансляции топологии в BoardSim MultiBoard не передались значения пассивных компонентов, их следует назначить вручную. С этой целью при помощи левой кнопки мыши выбирают пассивный компонент в списке Pins на вкладке IC окна Assign Models (при этом откроется вкладка этого типа компонента), устанавливают переключатель в позицию Value и вводят требуемое значение в появившееся поле. В результате компонент в списке Pins отображается как назначенный (рис. 20): в нашем примере это резистор R6 дочерней платы B02 D2.

Присвоение значения сопротивления пассивному компоненту выбранной цепи на вкладке Resistor окна Assign Models

Рис. 20. Присвоение значения сопротивления пассивному компоненту выбранной цепи на вкладке Resistor окна Assign Models

В поле Design file окна Assign Models можно определить плату, на которой находится компонент. Перед тем как закончить работу в диалоговом окне Assign Models, проверьте платы проекта и убедитесь, что всем пассивным компонентам заданы значения, а всем выводам – модели (нет отметок в виде красного знака вопроса в поле Pins). После того как все параметры в окне Assign Models настроены, нажимают кнопку «Применить».

Открыть лицевую панель цифрового осциллографа в BoardSim MultiBoard (окно Digital Oscilloscope) можно при помощи команды основного меню Simulate SI/Run Interactive Simulation and Show Waveforms или путем нажатия одноименной кнопки на панели инструментов BoardSim MultiBoard. В верхней левой части окна находится графический дисплей, который предназначен для отображения формы сигнала. Кроме того, прибор оснащен двумя курсорами для измерений во временной области, каждый из которых можно установить, щелкнув левой кнопкой мыши область графического дисплея. Третий щелчок удаляет курсоры.

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 обеих фронтов); при этом можно задать частоту (поле MHz) и рабочий цикл (поле Duty);
  • IC modeling (передатчик сигнала): Slow-Weak (медленный–слабый), Typical (типичный), Fast-Strong (быстрый–сильный);
  • Show: выбор кривых и информации для совместного отображения.

Перед запуском моделирования следует установить зонды. Если установка зондов не была произведена разработчиком, то система автоматически будет использовать первые шесть выводов компонентов из возможных. Зонды можно установить на любой вывод компонента. Все возможные точки зондирования отображаются в поле Probes окна Show. Выбор точек выполняют путем их отметки флажками. В нашем примере это выводы U2.19, U2.9, U100.AF18. После установки зондов задают входные условия моделирования и значения отображения симулятора. Запуск моделирования производится кнопкой Start Simulation, расположенной в верхнем правом углу окна Digital Oscilloscope.

Выполним анализ выбранной цепи ВА1. Воздействие зададим в виде заднего фронта прямоугольного импульса длительностью 1 нс. На рис. 21 показан результат моделирования. Хорошо видно, что из-за отсутствия согласования линий передачи (голубая кривая), напряжение приемников (красная и зеленая кривые) не устанавливается даже в течение 10 нс.

Результат анализа целостности сигналов цепи ВА1 модульной системы при помощи цифрового осциллографа

Рис. 21. Результат анализа целостности сигналов цепи ВА1 модульной системы при помощи цифрового осциллографа

Выполним моделирование при согласовании линий передачи с помощью параллельных резисторов с сопротивлением 180 Ом (рис. 22а), 120 Ом (рис. 22б), 20 Ом (рис. 22в). Пассивные компоненты к выводам микросхем добавляют на вкладке Quick Terminator в окне Assign Models путем выбора в поле Quick-terminator location вывода микросхемы, а в поле Terminator style – типа нагрузки. Для улучшения качества сигнала пассивные компоненты добавим к приемникам сигнала – выводам U100.AF18, U2.9 компонентов U100, U2 и передатчику сигнала – выводу U2.19 компонента U2. Результат согласования показан на рис. 23, где видно, что понижающий выброс сократился до 0 В.

Добавление компонентов согласования к выводам

Рис. 22. Добавление компонентов согласования к выводам:
а) U100.AF18;
б) U2.9;
в) U2.19

Временная диаграмма заднего фронта импульса (голубая кривая – напряжение на передатчике, красная и зеленая кривые – напряжение на приемнике) после согласования

Рис. 23. Временная диаграмма заднего фронта импульса (голубая кривая – напряжение на передатчике, красная и зеленая кривые – напряжение на приемнике) после согласования

Выполнение анализа спектра ЭМС

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

Перед тем как выполнить анализ спектра ЭМС, следует при помощи кнопки Select Net by Name for SI Analysis на панели инструментов BoardSim MultiBoard выбрать цепь для анализа. При помощи кнопки Select Component Models or Edit Values всем пассивным компонентам выбранной цепи задаются значения, а микросхемам – модели по аналогии с тем, как это делалось при анализе целостности сигналов.

Лицевую панель виртуального анализатора спектра в BoardSim MultiBoard (окно Spectrum Analyzer на рис. 24) открывают командой основного меню Simulate SI/Run Interactive EMC Simulation или с помощью одноименной кнопки на панели инструментов BoardSim MultiBoard. При моделировании учитываются эффекты взаимовлияний связанных передающих трасс. Эту информацию можно использовать для оценки эффектов экранирующих трасс и других близко находящихся цепей. При моделировании электромагнитного излучения допускается использование только одного передатчика. Все остальные выводы должны быть определены как приемники.

Выбор цепи SEL2 для анализа спектра ЭМС и запуск окна Spectrum Analyzer

Рис. 24. Выбор цепи SEL2 для анализа спектра ЭМС и запуск окна Spectrum Analyzer

Перед запуском моделирования устанавливаются зонды. Для этого необходимо нажать кнопку Set в поле Probe на лицевой панели анализатора спектра. В результате открывается окно Set Spectrum Analyzer Probing (EMC) (рис. 25). Для анализа спектра ЭМС модульной системы предлагается зонд только одного типа — Current (токовый пробник), который по умолчанию уже установлен в поле Probe type.

Окно Set Spectrum Analyzer Probing (EMC)

Рис. 25. Окно Set Spectrum Analyzer Probing (EMC)

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 выбирается плата модульной системы.

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

  • Freq (частота);
  • Duty cycle (коэффициент заполнения);
  • IC modeling (передатчик сигнала): Slow-Weak (медленный–слабый), Typical (типичный), Fast-Strong (быстрый–сильный);
  • Display: отображение новых (позиция Show previous) или предыдущих 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.

Когда все настройки выполнены, запускают моделирование, нажав 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 показывает спектр токов в логарифмическом масштабе.

Выберем в качестве примера цепь SEL2, маршрут которой проходит через базовую и дочернюю (B02 D2) платы, и выполним моделирование с установкой значения Fast-Strong в поле IC modeling (рис. 26а). Определим частоту и амплитуду двух наибольших вершин в окне Spectrum display, установим переключатель в поле IC modeling в позицию Slow-Week и повторим анализ ЭМС (рис. 26б). По результатам выполненного моделирования можно определить установки передатчика, которые вызывают наибольшее излучение электромагнитного поля и являются причиной нарушения норм ЭМС.

Результат анализа спектра ЭМС цепи SEL2, когда значение параметра IC modeling

Рис. 26. Результат анализа спектра ЭМС цепи SEL2, когда значение параметра IC modeling:
а) Fast-Strong;
б) Slow-Weak

Литература
  1.  HyperLynx SI/PI User Guide. Mentor Graphics Corporation. 2016.
  2.  Белоус И. А. Основы конструирования и технологии производства радиоэлектронных устройств. Владивостокский государственный университет экономики и сервиса. Владивосток. 2014.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *