Современная электроника 2018 №5

Реклама

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Упрощение сложных измерений с помощью источника-измерителя (SMU) Том Ольсен, (Tektronix) разования энергии. В ходе определения электрических характеристик преобра- В статье показано, как двухканальные источники-измерители могут зователя постоянного тока приходит- ускорить тестирование преобразователей постоянного тока и полевых ся измерять множество параметров, и транзисторов. в том числе следующие: ● нестабильность по входу; В современных быстро развиваю- ций и, как следствие, снижает вероят- ● нестабильность по нагрузке; щихся технологиях проектирования ность ошибки оператора. ● погрешность входного и выходного электронного оборудования слож- ность является реальным злом и долж- Чтобы не тратить много времени на напряжений; на избегаться любой ценой, в то время объяснения того, как SMU упрощает ● ток покоя; как простота олицетворяет собой всё измерения, рассмотрим конкретный ● КПД; хорошее и правильное. Возможно это пример. Для этого сначала покажем, как ● время включения; слишком сильно сказано, но, когда речь с помощью SMU упростить измерение ● пульсации; заходит о контрольно-измерительных параметров преобразователя постоян- ● динамические характеристики. задачах, простота становится лучшим ного тока, а потом рассмотрим мето- другом инженера, поскольку позволя- ды упрощения тестирования полево- Обычно измерение электрических ет экономить время и снижает трудо- го транзистора. Как покажут эти при- характеристик преобразователей посто- ёмкость, при этом позволяя получать меры, работа с SMU требует меньшего янного тока включает подачу и измере- более достоверные и точные резуль- числа операций и обеспечивает глубо- ние входного напряжения (Uвх), изме- таты. кое понимание результатов измерений. рение входного тока (Iвх), измерение выходного напряжения (Uвых) и выход- Одним из приборов, способных мак- УПРОЩЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ного тока (Iвых) на определённой нагруз- симально упростить многие широко ке. По результатам этих измерений мож- распространённые измерения, являет- ПАРАМЕТРОВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ но узнать КПД и другие параметры пре- ся источник-измеритель (SMU), объе- ПОСТОЯННОГО ТОКА образователя. КПД является одним из диняющий в себе функции источника важнейших показателей, особенно напряжения и тока, цифрового муль- Как и для любых других устройств для устройств с автономным питани- тиметра и электронной нагрузки. параметры преобразователей посто- ем, поскольку от него непосредствен- В результате получается измеритель- янного тока необходимо измерять в но зависит время работы устройства ный прибор, более гибкий, чем каж- процессе их производства, а также для от батареи. дый из входящих в его состав отдель- оценки пригодности их применения в ных приборов, что упрощает схему проектируемой схеме. В стремлении Традиционно для выполнения таких измерения, сокращает число опера- создать изделие с меньшим энергопо- измерений используют пару цифро- треблением разработчики ищут спосо- вых мультиметров, источник пита- бы повышения эффективности преоб- ния и электронную нагрузку. Однако измерение параметров преобразова- SMU (Канал 1) U Преобразователь U SMU (Канал 2) телей постоянного тока можно упро- Подача напряжения вх вых Потребление тока стить, заменив все эти приборы одним двухканальным SMU. SMU очень удобны Измерение тока постоянного тока для измерения вольт-амперных харак- Измерение напряжения теристик преобразователей постоян- (нагрузка) ного тока, поскольку они могут пода- вать и измерять как ток, так и напря- Измерение тока жение, а также могут выступать в роли электронной нагрузки. Обратите вни- Измерение напряжения мание, что для измерения всех пара- метров преобразователя постоянно- Рис. 1. Подключение SMU к входным и выходным контактам преобразователя го тока, кроме SMU, обеспечивающего входное напряжение и ток нагрузки, Выход HI I Выход HI понадобится ещё и осциллограф. Измерение HI Измерение HI нагр Применение одного прибора вместо A нескольких упрощает схему измерения, Преобразователь программирование и синхронизацию, V U постоянного тока U а также экономит место в стойке или в M испытательном стенде. Как показано на Измерение LO вх вых рисунке 1, подключение одного канала SMU (канал 1) к входным контактам и Выход LO V M SMU (Канал 1) Подача напряжения Измерение LO Измерение тока Выход LO Измерение напряжения SMU (Канал 2) Потребление тока (нагрузка) Измерение выходного напряжения Рис. 2. Типовая схема измерения нестабильности по нагрузке с помощью двух каналов SMU 50 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ второго канала SMU (канал 2) к выход- 3,610Выходное напряжение, В ным контактам преобразователя посто- 3,609 янного тока заменяет несколько изме- 3,608 0,8 1,0 рительных приборов. 3,607 Ток нагрузки, А 3,606 Измерение параметров преобра- 3,605 зователя постоянного тока включает 3,604 регистрацию многих электрических 3,603 величин. Но мы сосредоточимся на 3,602 нестабильности по нагрузке и по вхо- 3,601 ду, поскольку эти измерения являются 3,600 самыми распространёнными. 0,0 0,2 0,4 0,6 НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ПО НАГРУЗКЕ Рис. 3. Результаты типового измерения нестабильности по нагрузке Нестабильность по нагрузке харак- теризует способность преобразователя 4 постоянного тока поддерживать задан- ное выходное напряжение при измене- Выходное напряжение, В 3 нии тока нагрузки (Iнагр) при постоян- ном входном напряжении Uвх. Обычно 2 этот параметр измеряется во всём диа- пазоне токов нагрузки. 1 На рисунке 2 показана типовая схе- 0 ма измерения нестабильности по нагрузке с помощью двух каналов SMU. –1 5,5 6,0 Канал 1 SMU подаёт входное напряже- 3,5 4,0 4,5 5,0 Входное напряжение, В ние и измеряет входной ток. Канал 2 SMU работает в режиме электрон- Рис. 4. Результаты типового измерения нестабильности по входу ной нагрузки (является источником отрицательного тока). В этом режиме циальной программы. Значение неста- результирующее выходное напряже- SMU работает в четвёртом квадранте и бильности по нагрузке легко рассчиты- ние. Обычно ток нагрузки устанавли- потребляет ток. вается по измеренным значениям тока вается на 0 А. На рисунке 4 показаны и напряжения. результаты типового измерения неста- Каналы SMU настраиваются на рабо- бильности по входу. Один канал SMU ту с отдельным измерительным вхо- НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ПО ВХОДУ (первый) настроен так, чтобы менять дом напряжения (четырёхпроводной напряжение на входе тестируемого режим). Четырёхпроводной режим Нестабильность по входу характе- устройства, а другой канал SMU (вто- подключения компенсирует падение ризует способность преобразователя рой) настроен на измерение выходно- напряжения на соединительных про- постоянного тока поддерживать задан- го напряжения. Затем нестабильность водах, которое, в противном случае, ное выходное напряжение при изме- по входу можно рассчитать по измерен- отрицательно сказалось бы на точно- нении входного напряжения. Выход- ным значениям входного и выходного сти измерений. В четырёхпроводном ное напряжение должно оставаться напряжения. режиме напряжение подаётся по одной постоянным в пределах нескольких паре проводов (Выход HI и Выход LO), милливольт при изменении входно- УПРОЩЕНИЕ ТЕСТИРОВАНИЯ а измеряется по другой паре проводов го напряжения в указанном диапазо- (Измерение HI и Измерение LO). Изме- не. Для измерения нестабильности по ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА рительные провода следует подклю- входу оба канала SMU подключаются чать как можно ближе к тестируемому к преобразователю постоянного тока С ПОМОЩЬЮ SMU устройству, что минимизирует влияние так же, как при измерении нестабиль- сопротивления проводов на результа- ности по нагрузке. Измерение вольт-амперных характе- ты измерения. ристик полевого транзистора исполь- Однако в ходе этого измерения вход- зуется для того, чтобы подтвердить его На рисунке 3 показаны результаты ное напряжение меняется в заданном соответствие требованиям специфи- типового измерения нестабильности диапазоне и при этом измеряется каций и пригодность к применению по нагрузке, в ходе которого постоян- в целевых приложениях. Измеряемые ное выходное напряжение тестируе- мого устройства было установлено на 3,6 В. Канал 1 SMU настраивался так, чтобы подавать на вход преобразова- теля напряжение 5 В (номинальное зна- чение). Канал 2 SMU настраивался так, чтобы изменять ток нагрузки от 0 до 1 А и измерять результирующее выходное напряжение. Измерения выполнялись автоматически под управлением спе- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018 WWW.SOEL.RU 51

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ MOSFET Сток ры отличаются конструктивно и типом Затвор канала. Выход HI Исток Выход HI Вольт-амперные характеристики полевого транзистора можно исполь- A A зовать для извлечения многих пара- SMU SMU метров устройства, для изучения вли- Канал 1 Канал 2 яния технологий изготовления и пара- метров технологических процессов и Выход LO Выход LO для определения качества контактов. На рисунке 5 показана схема измерения Рис. 5. Схема измерения вольт-амперных характеристик транзистора MOSFET на постоянном токе вольт-амперных характеристик тран- с помощью двухканального SMU зистора MOSFET на постоянном токе с помощью двухканального SMU (кана- Рис. 6. Семейство выходных характеристик транзистора MOSFET, полученное с помощью лы 1 и 2). Здесь клемма Выход HI кана- двухканального SMU ла 1 подключена к затвору транзистора, клемма Выход HI канала 2 подключе- параметры могут включать ток утечки питание и на которых надо выполнять на к стоку. Исток транзистора подклю- затвора, напряжение пробоя, порого- измерения. чён к клеммам Выход LO обоих каналов вое напряжение, передаточные харак- SMU или к третьему каналу SMU, если теристики, ток стока, сопротивление в В большинстве случаев поле- нужно подавать и измерять напряже- открытом состоянии и т.п. вой транзистор представляет собой ние на всех трёх выводах транзистора. устройство, работающее с основными Тестирование полевого транзисто- носителями заряда, в котором проте- После подключения транзистора к ра зачастую включает программи- кающий ток меняется под воздействи- SMU нужно настроить управляющую рование и синхронизацию несколь- ем электрического поля. Полевой тран- программу (как правило, встроенную ких измерительных приборов, в том зистор, как правило, имеет три выво- в SMU) на выполнение автоматиче- числе чувствительного амперметра да: исток, сток и затвор. Приложенное ских измерений. Подключите прибор и нескольких источников питания, к затвору напряжение (Uз) управляет к компьютеру кабелем Ethernet, вве- что может отнимать много времени. током, протекающим от истока (Iи) к дите IP-адрес SMU в адресную строку И хотя готовые системы для изме- стоку (Iс). любого браузера, после чего откроет- рения параметров полупроводни- ся внутренняя веб-страница прибора. ковых приборов решают проблему Существует множество струк- С этой страницы пользователь может интеграции, стоимость систем тако- тур полевых транзисторов, включая запустить встроенную программу и го типа составляет обычно десятки MOSFET (металл-окисел-полупровод- настроить нужные тесты, которые мож- тысяч долларов. ник), MESFET (металл-полупроводник), но сохранить для дальнейшего исполь- JFET (полевой транзистор с управля- зования. Альтернативный подход заключается ющим p-n-переходом), OFET (органи- в использовании SMU. Число SMU, необ- ческий полевой транзистор), GNRFET Одним из измерений, часто выполня- ходимых для проведения теста, зави- (транзистор с графеновой нанолен- емых для транзисторов MOSFET, явля- сит обычно от числа выводов полевого той) и CNTFET (транзистор с углерод- ется получение семейства выходных транзистора, на которые надо подавать ной нанотрубкой). Все эти транзисто- характеристик (Uси-Iс). В ходе этого измерения канал 1 SMU ступеньками меняет напряжение на затворе (Uз), а канал 2 SMU свипирует напряжение на стоке и измеряет результирующий ток стока (Iс). После настройки двух кана- лов SMU на выполнение этого теста, данные можно получать и выводить в виде графика на экран в режиме реаль- ного времени. На рисунке 6 показано семейство выходных характеристик транзистора MOSFET, полученное с помощью двух- канального SMU, оптимизированного для измерения малых токов. После экс- порта в файл формата CSV эти данные можно загружать в электронные табли- цы для дальнейшего анализа или для преобразования в таблицу. Другим широко распространённым измерением полевого транзистора, которое можно выполнить по той же схеме, является построение зависимо- сти тока стока (Iс) от напряжения на 52 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ затворе (Uз). В ходе этого измерения Ток стока, А 1,00E+00 выполняется свипирование напряже- 1,00E–01 ния на затворе и измеряется резуль- 1,00E–02 тирующий ток стока при постоянном 1,00E–03 напряжении на стоке. 1,00E–04 1,00E–05 На рисунке 7 показана результирую- 1,00E–06 щая кривая Iс-Uз, полученная при посто- 1,00E–07 янном напряжении на стоке. Однако в 1,00E–08 этом случае полученные данные были 1,00E–09 экспортированы в виде файла и нанесе- 1,00E–10 ны на график в полулогарифмическом 1,00E–11 масштабе. Этот тест можно изменить 1,00E–12 так, чтобы напряжение на стоке меня- лось шагами, а напряжение на затворе 01 234 56 свипировалось. Данные Iс-Uз отобража- Напряжение на затворе, В ют несколько декад тока стока, измерен- ного с помощью SMU (от 10-12 до 10-2 А). Рис. 7. Зависимость тока стока от напряжения на затворе транзистора MOSFET ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе измерений характеристик собой более простую и недорогую аль- преобразователей постоянного тока тернативу схемам измерения, состоя- Сложность измерений отрицатель- один двухканальный SMU заменяет щим из чувствительного амперметра и но сказывается на эффективности и пару цифровых мультиметров, источ- нескольких источников напряжения продуктивности работы инженера. ник питания и электронную нагрузку. или из специализированной системы Как показано в статье, источники- В ходе измерений параметров поле- для измерения характеристик полупро- измерители, объединяющие в себе вого транзистора SMU представляет водниковых приборов. функции нескольких приборов, могут упростить процедуры тестирования, экономя время и позволяя получать более точные и воспроизводимые результаты. Российская электроника для ответственных применений CompactPCI 2.0, 2.16, 2.30, Serial CPC503 CPC508 Поддерживаемые ОС CPC510 CPC512 ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018 WWW.SOEL.RU 53

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Аналого-цифровые преобразователи с понижением частоты Часть 2 Виктор Алексеев ([email protected]) ширины реальной зоны Найквиста. При этом на переходную полосу приходится Во второй части статьи рассказывается о прохождении сигнала 23%. Аналогично в отрицательной ком- через FIR-фильтры при различных коэффициентах децимации плексной области полоса пропускания и и использовании отладочных средств Virtual Eval для моделирования полоса задерживания составляют 38,5% характеристик АЦП. от комплексной зоны Найквиста с пере- ходной полосой, занимающей оставшие- ПРОХОЖДЕНИЕ СИГНАЛА ЧЕРЕЗ В идеальном случае АЧХ фильтра деци- ся 23%. Таким образом, фильтр HB1 име- FIR-ФИЛЬТРЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ мации для широкополосной обработ- ет полную зеркальную симметрию между ки сигналов должна быть максимально действительной и комплексной частями. КОЭФФИЦИЕНТАХ ДЕЦИМАЦИИ равномерной и иметь прямоугольный Для понижения частоты дискрети- спектр в полосе пропускания. Теперь следует рассмотреть случай, когда в AD9680 имеется встроенный зации сигнала и уменьшения скоро- В реальных условиях на АЧХ филь- блок ЦППЧ. Стоит отметить, что блок сти потока данных в ЦППЧ использу- тра влияют различного рода наводки и преобразования комплексного сигнала в ются CIC-фильтры (Cascaded Integrator- нестабильность работы элементов схе- вещественный (CRC-блок) поставляется Comb), которые представляют собой мы, что приводит к потерям полезного как расширение стандартного варианта разновидность FIR-фильтров. сигнала и искажению его формы, поэ- AD9680. Наличие CRC-блока обеспечи- тому анализ работы децимирующих вает реальные (не комплексные) сигна- Амплитудно-частотная характери- фильтров, а также коррекция возмож- лы на входе и выходе ЦППЧ. На рисун- стика (АЧХ) FIR-фильтра зависит от его ных нежелательных факторов являет- ке 11 показан отклик фильтра HB1 при порядка, коэффициента децимации и ся крайне важной задачей при проек- включённом CRC-блоке. Данный блок задержки в дифференцирующем звене. тировании широкополосных устройств автоматически сдвигает спектр вверх цифровой обработки аналоговых сиг- на величину fS/4 (где fS – частота сэм- 38,5% –f /2 38,5% f /2 налов. Далее будут проанализированы плирования входного сигнала АЦП) [6]. SS такие важные характеристики филь- Сплошная линия соответствует отклику <0,001 дБ <0,001 дБ тров, как разрядность коэффициентов, фильтра HB1 при сдвиге частоты на fS/4. порядок, окно, нормированная частота Пунктирные линии соответствуют тео- 38,5% f /2 среза АЧХ, полосы пропускания и осла- ретическому случаю для варианта, ког- S бления, вектор частот в полосе ослабле- да фильтр не работает в зоне Найквиста. >100 дБ ния и другие, на примере АЦП AD9680. Из рисунка видно, что отклик фильтра не может распространяться за пределы –100 дБ В данной статье под термином «поло- границы Найквиста (от 0 до fS/2). са пропускания фильтра» подразумева- –f /2 –f /4 0 f /4 f /2 ется интервал частот, в пределах кото- Следует отметить, что полоса частот S S рого отношение амплитуды сигнала на фильтра HB1 остаётся неизменной и при SS выходе фильтра к амплитуде колебаний наличии блока преобразования ком- на его входе не может быть ниже задан- плексного сигнала в вещественный, и Рис.10. Пример отклика на выходе фильтра HB1 ного уровня. Термин «полоса задержи- при его отсутствии. Разница между эти- вания» определяет диапазон частот, в ми двумя случаями соответствует сдви- 77% f /2 котором относительное затухание гу частоты на fS/4, в результате чего цен- S фильтра больше или равно заданно- тральная частота смещается в зону Най- му пределу. Термин «переходная поло- квиста. При отсутствии CRC-блока будет <0,001 дБ са» обозначает диапазон частот, в кото- возникать по 38,5% от зоны Найквиста, ром АЧХ фильтра переходит от полосы как для комплексной, так и для действи- Комплексная пропускания к полосе задерживания. тельной составляющих сигнала. В слу- часть чае использования CRC-блока комплекс- отброшена Для начала следует рассмотреть общий ная составляющая трансформируется, случай отклика FIR-фильтра. На рисун- и на реальную часть будет приходить- –100 дБ ке 10 показан отклик на выходе фильтра ся 77% зоны Найквиста. Таким образом, HB1 с учётом комплексной и действи- блок преобразования комплексного сиг- –f /4 0 f /4 f /2 3f /2 тельной составляющих сигнала [6]. Как нала в вещественный повлиял только на S SS S видно из рисунка, фильтр HB1 имеет в сдвиг частоты fS/4, однако в результате положительной действительной области преобразования коэффициент децима- Рис. 11. Отклик фильтра HB1 при включённом полосу пропускания и полосу задержи- ции стал равным единице. Частота сэм- блоке преобразования комплексного сигнала вания, составляющие по 38,5% каждая от в вещественный 54 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ плирования fS осталась прежней, но вме- 38,5% fS сто полной полосы частот остаётся толь- <0,001 дБ ко 77% от зоны Найквиста. Отклик на реальный сигнал Представляет практический инте- Отклик на алиасинг рес вопрос влияния эффекта наложе- ния на отклик фильтра. Для начала сле- 0 f /4 f /2 3f /4 f 5f /4 3f /4 7f /4 2f 9f /4 дует рассмотреть только вещественную SS S S S S S SS часть диаграммы. На рисунке 12 при- ведён пример влияния эффекта нало- Рис. 12. Пример влияния эффекта наложения частот входного сигнала АЦП на отклик фильтра HB1 жения частот на отклик фильтра HB1 (вещественная часть) (вещественная часть). Сплошная синяя линия соответствует отклику фильтра 38,5% fS/2 Отклик на реальный сигнал HB1 на реальный сигнал. Пунктирная <0,001 дБ Отклик на алиасинг линия показывает влияние эффекта наложения на отклик фильтра HB1. –100 дБ Поскольку гармоники входного сигна- 0 f /8 f /4 3f /8 f /2 5f /8 3f /4 7f /8 f 9f /8 ла АЦП во 2-й, 3-й, 4-й и т.д. зонах Най- SS S S SS S SS квиста вызывают эффект наложения в первой зоне Найквиста, отклик фильтра Рис. 13. Пример влияния эффекта наложения частот входного сигнала АЦП на отклик комбинации HB1 показывает его реакцию на алиа- фильтров HB1+HB2, DCM=2 (вещественная часть) синг именно в этих зонах. Так, например, сигналы на частоте 3fS/4 будут вызывать 38,5% f /2 эффект алиасинга в первой зоне Найкви- S ста в районе fS/4. Важно понимать, что отклик фильтра HB1 всегда находится <0,001 дБ только в первой зоне Найквиста, поэто- му отклик фильтра на частотные наложе- Отклик на реальный сигнал ния в других зонах также будет распола- Отклик на алиасинг гаться в первой зоне Найквиста. 38,5% f /2 Рассмотрим, как влияет алиасинг S на отклик фильтра при различных значениях коэффициента децима- >100 дБ ции. Обратимся к примеру ЦППЧ, в котором задействованы два фильтра –100 дБ HB1 и HB2. Отклик фильтров для это- го случая показан на рисунке 13. При –fS –3fS/4 –fS/2 –fS/4 0 fS/4 fS/2 3fS/4 fS использовании комбинации филь- тров HB1+HB2 коэффициент децима- Рис. 14. Пример влияния эффекта наложения частот входного сигнала АЦП на отклик фильтра HB1 ции будет равен 2. Отклик комбинации (коэффициент децимации 2, комплексный сигнал) фильтров HB1+HB2 на реальный сиг- нал показан синей сплошной линией. эффекта наложения на рисунке 14 области в процентном отношении от Центральная частота полосы пропу- показан аппроксимированный вид ширины реальной зоны Найквиста HB1 скания фильтра равна fS/4. В результа- кривой отклика фильтра HB1. В данном имеет полосу пропускания 38,5%, поло- те работы фильтров HB1+HB2 полоса примере предполагается, что ЦППЧ су задерживания – 38,5%, переходную частот уменьшилась до 38,5% от зоны сконфигурирован таким образом, что- полосу – 23%. В мнимой части на долю Найквиста. Сигнал, который появля- бы на его выходе был комплексный сиг- полосы пропускания и полосы задер- ется в зоне 7fS/8 будет вызывать нало- нал, содержащий действительную часть живания приходится по 38,5%, что в жение частот в первой зоне Найквиста (I – синфазный канал) и мнимую часть сумме составляет 77% от комплексной на частоте fS/8. В то же время гармони- (Q – квадратурный канал). зоны Найквиста. Переходная полоса в ка 5fS/8 вызовет наложения в первой комплексной области занимает 23%. зоне Найквиста на частоте 3fS/8. Этот Вернёмся к рисунку 10, на котором пример с группой фильтров HB1+HB2 представлены действительные и мни- Сплошная синяя линия на рисунке легко можно распространить на слу- мые части отклика фильтра HB1. Сле- 14 соответствует фактическому откли- чаи группы фильтров HB1+HB2+HB3 дует напомнить, что в действительной ку фильтра. Пунктирной синей линией и HB1+HB2+HB3+HB4. Следует учиты- вать, что фильтр HB1 не может быть «прозрачным», в отличие от фильтров HB2, HB3 и HB4. Теперь рассмотрим, как ведёт себя комплексная часть сигнала при раз- личных конфигурациях ЦППЧ в АЦП AD9680. В качестве примера влияния СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018 WWW.SOEL.RU 55

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 38,5% f /4 S <0,001 дБ Отклик на реальный сигнал Отклик на алиасинг 38,5% f /4 S >100 дБ –100 дБ –f –7f /8 –3f /4 –5f /8 –f /2 –3f /8 –f /4 –f /8 0 f /8 f /4 3f /8 f /2 5f /8 3f /4 7f /8 f S SS S SS S S SS S S SSS S Рис. 15. Пример влияния эффекта наложения частот входного сигнала АЦП на отклик группы фильтров HB1+HB2 (коэффициент децимации 4, комплексный сигнал) ные режимы работы фильтров, усили- Характеристики ЦППЧ для АЦП AD9680 при различных схемах включения фильтров децимации телей, преобразователей и других эле- Конфигурация Коэффициент Частота Коэффициент Частота Полоса, Улучшение ментов без использования непосред- децимации сэмплирования децимации сэмплирования защищённая отношения ственно АЦП. Таким образом, не имея HB1 от эффекта сигнал/шум, дБ самого физического АЦП, разработчик HB1+HB2 на выходе на выходе наложения может имитировать работу различных HB1+HB2+HB3 моделей и выбирать наиболее опти- HB1+HB2+HB3+HB4 комплексный сигнал реальный сигнал мальный вариант, соответствующий конкретной задаче. Пользователь AD 2 0,5×fS 1 f 0,385×fS 1 S 4 0,25×fS 2 0,5×fS 0,1925×fS 4 8 0,125×fS 4 0,25×fS 0,09625×fS 7 16 0,0625×fS 8 0,125×fS 0,048125×fS 10 Virtual Eval имеет возможность моде- изображён сглаженный отклик фильтра увеличении отношения сигнал/шум в лировать в режиме онлайн конкретные на эффект наложения частот. Для вход- полезной области полосы пропускания. АЦП с использованием сервера Analog ного сигнала на частоте 7fS/8 алиасинг Помимо этого, использование децима- Devices и работать с различными типа- будет наблюдаться в полосе пропуска- ции приводит к уменьшению полосы ми АЦП, включая высокоскоростные ния фильтра в первой зоне Найквиста на пропускания при работе с интерфей- АЦП, прецизионные и специализиро- частоте fS/8. В мнимой области для отри- сом JESD204B. Для ряда приложений ванные преобразователи. ПО позволя- цательной частоты −7fS/8 эффект нало- такой подход позволяет использовать ет моделировать спектры в различных жения будет проявляться в отрицатель- более дешёвые ПЛИС. точках АЦП при заданных пользова- ной области полосы пропускания −fS/8. В таблице приведены характери- телем параметрах. Данное программ- На рисунке 15 показано влияние эффек- стики АЦП с ЦППЧ AD9680 при раз- ное обеспечение находится в свобод- та наложения при включении группы личных схемах включения фильтров ном доступе на сайте разработчика [7]. фильтров HB1+HB2 с коэффициентом децимации. Одновременное исполь- Рассмотрим как результаты реальных децимации 4. Сплошной синей линией зование всех четырёх фильтров измерений AD9680 согласуются с модель- изображён реальный отклик фильтра. HB1+HB2+HB3+HB4 позволяет улуч- ными расчётами, выполненными с помо- Пунктирная линия соответствует эффек- шить скорость обработки и увеличить щью AD Virtual Eval. ту алиасинга. При совместной работе соотношение сигнал/шум на 10 дБ. После выбора модели открывается обоих фильтров HB1+HB2 доступная Как было показано на примере АЦП главное окно программы, позволяющее полоса пропускания составляет 38,5% AD9680, при использовании фильтров работать с симулятором. Программа от зоны Найквиста в действительной и децимации существует ряд преиму- позволяет также вывести на экран блок- мнимой областях (38,5% от fS/4). В этом ществ. В частности, в зависимости от схему исследуемого АЦП, которая соот- случае эффект наложения будет про- приложения ЦППЧ может работать с ветствует технической документации и являться для частоты 15fS/16 в первой действительными или комплексными информирует пользователя о конфигу- зоне Найквиста в районе fS/16. В мнимой выходными сигналами. рации и основных блоках устройства области отрицательная частота −15fS/16 (см. рис. 16). На данном этапе выбира- накладывается на другие частоты в мни- ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТЛАДОЧНЫХ ются основные параметры АЦП, такие СРЕДСТВ VIRTUAL EVAL как частота и амплитуда входного сиг- мой области Найквиста со значением − fS/16. Для случаев совместной работы ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ нала, тактовая частота, наличие ЦППЧ, частота сэмплирования, которая в при- фильтров HB3+HB4 эпюры будут ана- ХАРАКТЕРИСТИК АЦП логичны приведённым на рисунке 15. Новое программное обеспечение AD ведённом примере составляет 500 МГц. Зачем же нужна децимация, и какие Virtual Eval предназначено для анали- На следующем этапе выбираются преимущества даёт эта операция? Одна за работы отдельных узлов АЦП. Это параметры для работы Virtual Eval в из целей децимации заключается в ПО позволяет моделировать различ- режиме имитации анализатора спек- 56 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ тра. На рисунке 17 показано окно Рис. 16. Окно программы Virtual Eval с блок-схемой исследуемого АЦП программы Virtual Eval с параметра- ми, которые необходимо ввести для Рис. 17. Окно программы Virtual Eval для ввода базовых параметров выполнения имитации FFT. В данном примере выбраны следующие значе- –59,29 МГц –4,94 МГц ния: тактовая частота – 491,52 МГц, 36,38 МГц частота входного сигнала – 150 МГц, ЦППЧ включён с частотой генератора, Рис. 18. Результаты фактических измерений комплексного сигнала на выходе ЦППЧ установленной на 155 МГц. Для входа преобразователя AD9680-500, полученные с помощью VisualAnalog™ АЦП установлено значение «Реальное», преобразование с комплексным режи- мом (C2R) отключено, скорость деци- мации ЦППЧ – 4, коэффициент уси- ления – 6 дБ. Такой коэффициент уси- ления в ЦППЧ выбран для того, чтобы компенсировать потерю 6 дБ из-за про- цесса смешивания в преобразователе. Таким образом, ЦППЧ настроен для реального входного сигнала и слож- ного выходного сигнала с коэффици- ентом децимации 4. Программа Virtual Eval позволяет моде- лировать шумы и нелинейные искаже- ния только в раздельных режимах. На рисунке 17 показаны результаты моде- лирования шумов. Результаты эмуляции нелинейных амплитудно-частотных искажений также выводятся в отдельном окне. Модельные расчёты, проведённые с помощью Virtual Eval, дают следующие значения шумовых параметров: соотно- шение сигнал/шум – 71,953 дБ полной шкалы (dBFS), динамический диапазон, свободный от паразитных составляю- щих (SFDR), – 69,165 дБн. Если допустить, что отклик базовой частоты отсутству- ет, то значение SFDR будет составлять 89,978 дБ, что соответствует величине 88,978 дБн, приведённой к −1 дБ пол- ной шкалы входной мощности. С помощью меню в Virtual Eval мож- но задавать множество параметров, позволяющих анализировать раз- личные варианты работы АЦП, выби- рать оптимальные диапазоны рабочих частот и контролировать наличие жела- емой частоты в выходном спектре. Так, например, варьируя параметры рабо- ты АЦП, можно моделировать различ- ные варианты положения основной частоты и соответствующих гармоник на выходе ЦППЧ. Такой подход делает процесс разработки значительно про- ще и эффективнее, чем использование только аппаратных средств. Результаты фактических измерений комплексного сигнала на выходе ЦППЧ преобразователя AD9680-500, получен- ные с помощью VisualAnalog™, показаны на рисунке 18 [8]. Основная частота рас- положена на уровне −4,94 МГц. Мнимая часть основной частоты находится на СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018 WWW.SOEL.RU 57

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ −59,28 МГц с амплитудой −67,122 дБ пол- шо согласуется с расчётным значением Точное предсказание поведения АЦП, ной шкалы. Это означает, что в мнимой 88,978 дБн. а также возможность создания реаль- части за счёт фильтров децимации наблю- ного частотного плана позволяют дается ослабление примерно на 66 дБ. В заключение можно сказать, что отла- эффективно использовать отладоч- дочные средства VisualAnalog™, FTT и ные средства AD в таких приложени- Вторая гармоника находится на Virtual Eval предоставляют пользовате- ях, как, например, военное и граждан- частоте 36,38 МГц и ослаблена пример- лям уникальную возможность точно- ское радиолокационное оборудование, но на 10 дБ. Третья гармоника отфиль- го моделирования поведения АЦП при системы наведения и контроля траек- трована до уровня шума измерения. использовании различных параметров тории, автоматические системы управ- и режимов работы [9]. В частности, в слу- ления транспортом и многие другие. Необходимо отметить, что програм- чае использования АЦП с встроенным ма Virtual Eval не учитывает базовую ЦППЧ, таких, например, как AD9680, ЛИТЕРАТУРА частоту при расчётах соотношения AD9690, AD9691 и AD9684, перечислен- сигнал/шум. Поэтому для того что- ные программные средства позволяют 1. Zou А. Digital Signal Processing in IF/RF бы получить правильное значение, разработчику получать эпюры базовых Data Converters: www.analog.com при настройке параметров работы с частот, их гармоник, а также конфлик- VisualAnalog™ необходимо исключить тующих частот в реальном и комплекс- 2. Jayamohan U. Not Your Grandfather’s базовую частоту из результатов прямых ном виде и выбирать такой режим рабо- ADC: RF Sampling ADCs Offer Advantages измерений, выполненных с помощью ты, при котором нежелательные частоты in Systems Design: www.analog.com анализатора спектров. Идея заключа- будут находиться вне пределов рабоче- ется в том, чтобы при выборе опти- го диапазона, насколько это возможно. 3. Gigasample ADCs Promise Direct RF мального диапазона базовая частота Conversion: www.electronicdesign. не попала в выходной спектр. Поскольку агрегация несущих и прямое радиочастотное преобразо- 4. Frequency Folding Tool: www.analog.com Значение соотношения сигнал/шум, вание становятся всё более популяр- 5. Harris J. What’s Up With Digital полученное с помощью прямых измере- ными в самых различных областях ний, составляет 71,602 дБ полной шкалы. науки, техники, медицины и произ- Downconverters. Part 1: www.analog. Это значение достаточно близко к резуль- водства, отмеченные выше инстру- 6. Harris J. What’s Up With Digital тату модельных расчётов, выполненных менты могут оказаться крайне полез- с помощью программы Virtual Eval, – ными при разработке новейших образ- Downconverters. Part 2: www.analog. 71,953 дБ. Экспериментальное значе- цов широкополосного оборудования. 7. Virtual Eval Tool – BETA: www.analog.com ние SFDR, равное 91,831 дБн, также хоро- 8. Harris J. What’s Up With Digital Downconverters: www.allaboutcircuits. 9. Jayamohan U. ADC Modeling Tools Speed Up Evaluation: www.analog.com ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР 58 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018

РАЗРАБОВТКЫАСИОПКРООИНЗАВДОЕДЖСТНВООЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 100% РОССИЙСКАЯ КОМПАНИЯ !!^^^____^^^!! Реклама ЗАКАЗНЫЕ РАЗРАБОТКИ КОНТРАКТНОЕ ПРОИЗВОДСТВО Разработка электронного оборудования Контрактная сборка электроники уровней: по ТЗ заказчика в кратчайшие сроки модуль / узел / блок / шкаф / комплекс • Модификация КД существующего изделия • ОКР, технологические консультации и согласования • Разработка спецвычислителя на базе • Макеты, установочные партии, постановка в серию • Полное комплектование производства импортными COM-модуля • Конфигурирование модульного и отечественными компонентами и материалами • Поддержание складов, своевременное анонсирование корпусированного изделия • Сборка магистрально-модульной системы снятия с производства, подбор аналогов • Серийное плановое производство по спецификации заказчика • Тестирование и испытания по методикам и ТУ • Разработка изделия с нуля • Гарантийный и постгарантийный сервис WWW.DOLOMANT.RU • (495) 739-0775

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Синтез антенн MIMO для компактных устройств в AntSyn National Instruments AWR В данной статье рассматривается аль- тернативный подход, в основе которо- В статье рассказывается о возможностях программного обеспечения го лежит использование инструмента AntSyn от NI AWR для моделирования антенн MIMO. На практических синтеза и оптимизации антенн AntSyn примерах показано, как можно достичь высоких показателей, от NI AWR. Применение AntSyn позволя- необходимых для современных систем Интернета вещей и мобильной ет разработчикам автоматически про- связи 5-го поколения. ектировать сложные антенные устрой- ства, например компактные антенные ВВЕДЕНИЕ пространственным разнесением эле- решётки MIMO на основе вводимых ментов, но такое решение приводит к спецификаций, что существенно сокра- Ключевыми элементами систем свя- увеличению размеров устройства и/ щает затраты времени и сил при реше- зи 5-го поколения (5G) и Интернета или требует использования дополни- нии подобного рода задач. вещей (IoT) являются специализиро- тельных внешних антенн. Для созда- ванные антенны, имеющие улучшен- ния развязки применяются дроссели, ПРОЕКТИРОВАНИЕ ные характеристики, меньшие стои- согласующие цепи и другие способы, мость и габариты. каждый из которых обладает собствен- ПО СПЕЦИФИКАЦИИ ными преимуществами и недостатками. Удобный инструмент проектирова- За счёт использования несколь- ких антенн технология MIMO (мно- Оптимизация антенн вручную для ния AntSyn сочетает в себе продвинутые гоканальный вход – многоканальный получения требуемых характеристик алгоритмы оптимизации и электроди- выход) позволяет обеспечить лучшую устройства (рабочая полоса, КПД намического моделирования и позво- производительность и стабильность антенны, согласование импеданса и ляет получить ожидаемый результат беспроводных устройств. Однако дан- т.д.) – весьма трудоёмкий процесс, тре- ещё до создания прототипа. ная технология требует не только хоро- бующий множества итераций модели- шего качества отдельных антенн, но и рования и серьёзного опыта проекти- В рассматриваемом далее примере высокого коэффициента развязки меж- рования. в спецификацию входят такие пара- ду ними. Развязку можно обеспечить метры, как рабочая полоса, потери на отражении, размер, конструкция и вза- Рис. 1. Область интерфейса ввода спецификаций AntSyn для проекта MIMO имное влияние элементов. Эти требо- вания вводятся посредством специаль- ного интерфейса, с помощью которого автоматически создаётся файл проек- та. Частично данный интерфейс пока- зан на рисунке 1, где в соответствую- щие поля вводятся значения параме- тров антенны MIMO. После запуска синтеза AntSyn предложит несколь- ко оптимизированных конструкций антенны, результаты моделирования которых отображаются в настраивае- мой панели вывода данных (см. рис. 2). Панель вывода данных может быть настроена для отображения трёхмер- ной модели антенны, частотных зави- симостей входного импеданса или мак- симального коэффициента усиления, срезов диаграммы направленности и рейтинговой оценки качества кон- струкции. Эти и другие результаты помогают быстро оценить и выбрать наиболее подходящий вариант. AntSyn может использоваться для синтеза мно- гих типов антенн: одно-, двух-, много- диапазонных, широко- и сверхширо- кополосных (>100:1) антенн, антенны с высоким КПД, электрически малых антенны, фазированных антенных- решёток, проволочных, конформ- 60 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ных, рупорных и патч-антенн, антенн Рис. 2. Предлагаемая конструкция антенны после выполнения расчётов двойной поляризации и многоцеле- Рис. 3. Примеры решётчатых антенн в библиотеке AntSyn вые антенны. AntSyn предлагает 29 типов антенн и имеет набор специаль- ных средств для создания компактных антенн MIMO, включая новые машинно генерируемые многоцелевые решётча- тые антенны с несколькими портами, усовершенствованные методы опти- мизации согласующих цепей, позво- ляющие оптимизировать каждый порт по отдельности, а также инструменты работы с заземляющими плоскостями. Отдельно стоит отметить уникаль- ность и гибкость новых конструкций решётчатых антенн – набора из 4 типов антенн c 2 или 3 портами (в дальнейшем количество поддерживаемых портов будет увеличено). Эти порты могут неза- висимо работать в разных диапазонах частот и иметь различные специфика- ции, например по поляризации или диа- грамме направленности. Решётка антенн оптимизируется в AntSyn в соответствии с заданными требованиями, при этом возможности настроек позволяют про- граммному обеспечению, по сути, изо- бретать новые антенны. Изображения таких антенн представ- лены на рисунке 3. Два типовых вари- анта решётчатой антенны могут быть размещены в углу, на краю заземления или в центре, как показано на рисунке 3. Заземление может быть сплошным или в виде оптимизированной решёт- ки. В копланарном монопольном испол- нении заземления под решёткой нет, однако предполагается, что конструк- ция проецируется за край заземления, что в ряде случаев может быть полезно. В следующих примерах рассматрива- ется копланарный монополь, обладаю- щий очень широкой рабочей полосой и достаточной гибкостью для примене- ния в малоразмерных системах. Будет показано, как на основе этих антенн AntSyn может синтезировать массивы MIMO с отличными характеристиками, высоким коэффициентом развязки и хорошим согласованием импедансов. ПРИМЕРЫ Рис. 4. Двухпортовая антенна MIMO, значения КСВН и коэффициента связи, полученные в AntSyn При создании двух- и трёхпорто- − планарное исполнение; − максимальная развязка между пор- вых антенн MIMO для условного ком- − размер порядка визитки 90×50 мм; тами. пактного устройства использовались ● интеграция антенны и электронной новые возможности последней вер- «обвязки»; Сначала двухпортовая антенна MIMO сии AntSyn. ● размещение антенн вдоль длинной на основе многоцелевого решётчатого грани; копланарного монополя была оптимизи- К условному устройству предъявля- ● MIMO: рована в AntSyn. На рисунке 1 показаны лись следующие требования: − 2 или 3 порта для приёма и пере- спецификации, введённые в интерфейс ● двухдиапазонный Wi-Fi – 2,4/5 ГГц; AntSyn, за исключением использования ● стандартные размеры устройств Ин- дачи; согласующей цепи. В данном случае в тернета вещей: СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018 WWW.SOEL.RU 61

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 5. Результаты моделирования в AXIEM Рис. 6. Характеристики трёхпортовой антенны MIMO в AntSyn Рис. 7. Трёхпортовая антенна MIMO (вид снизу) Данная конструкция была импорти- порта (см. рис. 7) составило 0,31 длины рована в NI AWR Design Environment для волны. качестве диэлектрика выступал воздух. дальнейшего анализа в Microwave Office Полученная конструкция антенны и её в планарном электромагнитном симу- Формы элементов антенны ещё более характеристики показаны на рисунке 4. ляторе AXIEM во всём диапазоне частот различны по сравнению с двухпорто- от 2 до 6 ГГц. Результаты, представлен- вым исполнением. По сути, AntSyn Созданная антенна обладает хороши- ные на рисунке 5, хорошо согласуют- создал различные антенны для каж- ми значениями коэффициента стоячей ся с оценкой AntSyn – в худшем слу- дого порта, при этом между левым и волны по напряжению (КСВН) и коэф- чае коэффициент связи составляет центральным портом было размеще- фициента связи в двух диапазонах Wi-Fi –16,8 дБ. Отметим, что КСВН и коэф- но экранирующее ограждение. Такая на обоих портах. Максимальное значение фициент связи несколько увеличивают- сложная конструкция была сгенери- КСВН достигает 1,8, а коэффициент свя- ся в промежуточном диапазоне Wi-Fi, рована в AntSyn автоматически, что зи составляет –16,5 дБ. На самой низкой однако внутриполосные характеристи- наглядно демонстрирует мощность и частоте края антенны находятся на уда- ки остаются очень хорошими. устойчивость генетических алгорит- лении менее 0,093 длины волны, а порты мов, используемых для оптимизации разнесены только на 0,41 длины волны. При помощи AntSyn также была опти- нестандартных конструкций и поис- Как можно видеть, формы двух элемен- мизирована трёхпортовая конструкция ка наилучших решений. тов схожи, но не идентичны, что являет- с теми же спецификациями и ограни- ся ожидаемым результатом, помогающим чениями по размеру (см. рис. 1). На ЗАКЛЮЧЕНИЕ обеспечить качественную развязку. этот раз для улучшения характеристик антенны использовалась согласующая В условиях растущей потребности цепь. Максимальный КСВН антенны в высокопроизводительных и доступ- оказался равным 1,8, а коэффициент ных антеннах для применения в систе- связи между двумя ближайшими пор- мах связи 5-го поколения и устройствах тами (правым и центральным на рисун- Интернета вещей инструмент синтеза и ке 6) составил –14,7 дБ. Заметим, что оптимизации AntSyn позволяет разра- расстояние между этими портами на ботчикам антенн, в том числе и ком- частоте 2,4 ГГц составило всего 0,163 пактных массивов MIMO, решать самые длины волны с минимальным разнесе- сложные задачи для перспективных про- нием элементов в 0,048 длины волны. ектов. Расстояние от центрального до левого Узнать больше об AntSyn можно на офи- циальном сайте awrcorp.com/antsyn. 62 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018

Свобода проектирования Реклама САПР электроники В состав Delta Design, обеспечивающей сквозной цикл проектирования печатных плат, входят модули: • Менеджер библиотек • Схемотехнический редактор • Схемотехническое моделирование • HDL-симулятор • Редактор правил • Редактор печатных плат • Топологический редактор плат TopoR • Коллективная работа для предприятий www.eremex.ru +7 (495) 232-1864 / [email protected]

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Интерактивная трассировка в среде Altium Designer Часть 3. Правила и редактирование Алексей Якубенко ([email protected]) но с помощью таблицы зазоров, распо- ложенной чуть ниже. Каждая строка и В предыдущих частях статьи были рассмотрены основные принципы, каждый столбец таблицы соответству- инструменты и настройки интерактивной трассировки. В данной ют определённому объекту топологии. части будут описаны правила, которые непосредственно связаны Зазор задаётся отдельно для каждой с прокладкой проводников, а также инструменты редактирования пары объектов. Для этого первым щелч- проложенных проводников. ком левой кнопки мыши (ЛКМ) выделя- ется ячейка, расположенная на пересе- ПРАВИЛА назначение состоит в определении чении строки одного объекта и столбца величин зазоров между различными второго, а вторым щелчком она активи- Технология изготовления печатной объектами токопроводящих слоёв. руется, после чего вводится новое зна- платы (ПП) оказывает прямое влияние чение. На рисунке 1 отображён упро- на такие её конструктивные параметры, В окне редактора правил все пра- щённый вариант таблицы. Переход к как ширина проводников, зазоры меж- вила данного типа сгруппирова- расширенному варианту производит- ду различными элементами топологии ны в разделе Electrical → Clearance ся с помощью переключателя Simple/ и геометрические параметры переход- (см. рис. 1). Величины зазоров опре- Advanced, расположенного над табли- ных отверстий (ПО). Своевременный деляются с помощью опций, представ- цей. Строки и столбцы таблицы зазо- учёт данных параметров в процес- ленных в поле Constraints. Если вели- ров соответствуют следующим объек- се разработки ПП может значитель- чина зазоров должна быть одинако- там топологии: но сократить время проектирования ва для всех объектов топологии, то её ● Arc (в расширенной таблице) – дуга; и повысить его эффективность. В сре- достаточно задать с помощью опции ● Track – отрезок (в расширенной та- де Altium Designer (AD) данные параме- Minimum Clearance. Правее схематич- тры задаются с помощью правил типа ного изображения проводника нахо- блице) или отрезок и дуга (в упро- Electrical → Clearance, Routing → Width, дится пункт Ignore Pad to Pad clearances щённой таблице); Manufacturing → Board Outline Clearance within a footprint. Выбор этого пункта ● SMD Pad – КП поверхностного мон- и Routing → Routing Via Style. отменяет проверку зазоров между кон- тажа; тактными площадками (КП), кото- ● TH Pad – КП монтажа в отверстия; Далее будет рассмотрена настройка рые относятся к одному посадочно- ● Via – ПО; правил указанных типов. му месту (ПМ). ● Copper (в упрощённой таблице) – по- лигональные объекты; Правила типа Electrical → Clearance Если необходимо сформировать раз- ● Fill (в расширенной таблице) – пря- Наиболее часто применяемый тип ные значения зазоров для разных объ- моугольная заливка; ектов топологии, то сделать это мож- ● Poly (в расширенной таблице) – по- правил – Electrical → Clearance. Его лигон; ● Region (в расширенной таблице) – регион; ● Text – текстовая строка; ● Hole – отверстие [1]. Рис. 1. Окно Electrical → Clearance в редакторе правил Правила типа Routing → Width Не менее важный тип правил – 64 WWW.SOEL.RU Routing → Width: с помощью него опре- деляются предельные и предпочитае- мое значения ширины проводников. В окне редактора правил все пра- вила данного типа сгруппированы в разделе Routing → Width (см. рис. 2). Настройка правила производится с помощью опций, представленных в поле Constraints. На схематичном изо- бражении проводника имеются следу- ющие основные опции: ● Min Width – минимально допустимая ширина проводника; ● Preferred Width – предпочитаемая ши- рина проводника; СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ● Max Width – максимально допустимая Рис. 2. Окно Routing → Width в редакторе правил ширина проводника. В нижней части области находится аб Рис. 3. Режимы проверки ширины проводников: а) независимая проверка элементов топологии; таблица, с помощью которой можно б) проверка с учётом прохождения тока задать указанные значения отдельно для каждого слоя. Рис. 4. Окно Routing → Routing Via Style в редакторе правил Правее схематичного изображения ния предельных и предпочитаемо- (см. рис. 4). Настройка правила произ- проводника можно найти переключа- го значений диаметров ПО и его КП. водится с помощью опций, представ- тель режимов проверки ширины про- В окне редактора правил все пра- ленных в поле Constraints. На схематич- водников; он имеет следующие поло- вила данного типа сгруппированы ном изображении ПО имеются следу- жения: в разделе Routing → Routing Via Style ющие основные опции: ● Check Tracks/Arcs Min/Max Width Individually – независимая проверка каждого отрезка и каждой дуги; ● Check Min/Max Width for Physically Connected Copper (tracks, arcs, fills, pads & vias) – проверка подключён- ных элементов топологии (отрезков, дуг, прямоугольных заливок, КП и ПО) с учётом прохождения тока. Суть режима проверки проводни- ков с учётом прохождения тока состо- ит в том, чтобы удостовериться в отсут- ствии на пути следования тока по про- водящим линиям узких мест с шириной меньше указанной с помощью опции Min Width (в то же время не подключён- ные ни к каким цепям отрезки и дуги также проверяются по отдельности). На рисунке 3 приведён пример, харак- теризующий разницу между двумя режи- мами проверки: на рисунке 3а представ- лен результат в режиме независимой проверки, а на рисунке 3б – в режиме проверки с учётом прохождения тока. В первом случае ошибка была найдена только в ширине проводника, располо- женного на зелёном слое. Во втором слу- чае было обнаружено, что на красном слое в месте соединения недоведённого проводника и ПО образуется узкое место с недостаточной шириной, выделенное в результате маркером ошибки. Под переключателем режимов про- верки расположен пункт Characteristic Impedance Driven Width, выбор которо- го переводит правило в режим опреде- ления ширины проводника в зависи- мости от комплексного сопротивле- ния. Ещё ниже находится пункт Layers in layerstack only. При выборе этого пун- кта в таблице, расположенной в нижней части области, отображаются только те сигнальные слои, которые входят в стек текущей ПП. При снятии галочки выбо- ра в таблице отобразятся все 32 доступ- ных в среде AD сигнальных слоя [2]. Правила типа Routing → Routing Via Style Правила типа Routing → Routing Via Style предназначены для определе- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018 WWW.SOEL.RU 65

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 5. Окно Manufacturing → Board Outline Clearance в редакторе правил помощью расположенной ниже табли- цы отступов. Каждая строка таблицы соответствует одному из типов грани- цы ПП: ● Outline Edge – внешняя граница ПП; ● Cavity Edge – граница полости для расположения компонента внутри ПП; ● Cutout Edge – граница выреза в ПП; ● Split Barrier – граница разделения сте- ков слоёв; ● Split Continuation – продолжение гра- ницы разделения стеков слоёв. Каждый столбец таблицы соответ- ствует определённому объекту топо- логии: ● Arc – дуга; ● Track – отрезок; ● SMD Pad – КП поверхностного мон- тажа; ● TH Pad – КП монтажа в отверстия; ● Via – ПО; ● Fill – прямоугольная заливка; ● Poly – полигон; ● Region – регион; ● Text – текстовая строка [4]. Рис. 6. Пример редактирования проводника за счёт удаления петли РЕДАКТИРОВАНИЕ ПРОВОДНИКОВ ● Via Diameter: до краёв ПП. За этот параметр отвеча- Как в случае прокладки проводников, − Minimum – минимально допусти- ют правила типа Manufacturing → Board так и в случае их редактирования среда мый диаметр КП ПО; Outline Clearance. В окне редактора пра- AD предоставляет разработчикам ряд − Maximum – максимально допусти- вил все правила данного типа сгруппи- удобных и эффективных инструмен- мый диаметр КП ПО; рованы в разделе Manufacturing → Board тов по изменению топологии. − Preferred – предпочитаемый диа- Outline Clearance (см. рис. 5). метр КП ПО; В первой части статьи были рассмо- Приёмы работы с правилами данно- трены настройки Automatically Remove ● Via Hole Size: го типа аналогичны приёмам работы с Loops и Remove Net Antennas, которые − Minimum – минимально допусти- правилами типа Electrical → Clearance. позволяют редактору ПП автоматиче- мый диаметр ПО; Величины отступов определяются с ски удалять петли и «антенны» [8]. Оче- − Maximum – максимально допусти- помощью опций, представленных в видно, что данный механизм предо- мый диаметр ПО; поле Constraints. Если величина отсту- ставляет разработчикам удобнейший − Preferred – предпочитаемый диа- пов всех элементов топологии от всех инструмент по редактированию про- метр ПО [3]. видов границ платы должна быть оди- ложенных проводников. Суть в том, что наковой, то её достаточно задать с при необходимости изменить трассу Правила типа Manufacturing → помощью опции Minimum Clearance. проводника достаточно просто проло- Board Outline Clearance Если же для разных элементов топо- жить новую трассу, которая будет начи- логии или разных видов границ ПП наться и заканчиваться на элементах Не менее важный конструкторско- необходимо определить разные зна- старой. В результате образуются одна технологический параметр – минималь- чения отступов, то это можно сделать с или несколько петель. Редактор ПП ное расстояние от элементов топологии избавится от этих петель за счёт уда- ления части старой трассы (см. рис. 6). Таким способом можно «перерисовать» как весь проводник, так и его часть. Наиболее примитивный способ редактирования проложенных провод- ников – удаление старых трасс и про- кладка новых. Можно удалить как один сегмент, предварительно выделив его ЛКМ, так и группу сегментов, выделив их сочетанием клавиш Shift + ЛКМ. Кро- ме того, можно выделить один из сег- ментов проводника и нажать клавишу Tab – в результате будут выделены все 66 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ последовательно сопряжённые сегмен- ты, находящиеся на том же слое. Un-Route аб Удалять вручную элементы провод- Рис. 7. Разница между командами: а) Un-Route → Net; б) Un-Route → Connection ников – дело достаточно неблагодар- Рис. 8. Оптимизация отдельной цепи ное, особенно когда речь идёт о боль- шом количестве цепей. На этот случай ка. На рисунке 7 приведены примеры, мо выбрать только те сегменты, кото- предусмотрена группа команд Un-Route. поясняющие данную разницу [5]. рые входят в соответствующую часть. Одноимённый пункт располагается в Необходимо при этом иметь в виду, что самом низу меню Route. Здесь доступ- Gloss Selected при оптимизации фрагмента его край- ны следующие команды: Ранее, в первой части статьи [8], мы ние точки остаются на месте. ● All (горячие клавиши U → U → A) – пол- уже рассматривали применение меха- Можно также оптимизировать прово- ное удаление проводников всех це- низма Gloss. Напомним, Gloss представ- дники, переходящие со слоя на слой или пей ПП; ляет собой механизм оптимизации имеющие в своём составе перемычки, ● Net (горячие клавиши U → U → N) – цепи, т.е. прокладки проводника таким однако при этом перемычки и ПО оста- полное удаление проводника одной образом, чтобы он имел наименьшую ются на месте. Кроме того, не оптими- цепи; длину и наименьшее количество изги- зируются сегменты, расположенные под ● Connection (горячие клавиши U → U → бов. В первой части речь шла о приме- произвольным углом (см. рис. 9). Необ- C) – удаление соединения; нении данного механизма в процессе ходимо обратить внимание, что при ● Component (горячие клавиши U → U → прокладки нового проводника. Сейчас построении нового проводника среда AD O) – удаление всех подключённых к рассмотрим применение этого механиз- использует только стандартные сегмен- компоненту проводников; ма для уже проложенных трасс цепей. ты, расположенные под углами 45° и 90°. ● Room (горячие клавиши U → U → R) – удаление всех цепей, относящихся к В общем случае для оптимизации уже При необходимости оптимизировать определённой области. проложенных проводников необходи- группу проводников перед запуском При выполнении любой из указан- мо выполнить два действия: команды Route → Gloss Selected нужно ных команд происходит удаление 1. Выбрать проводники или их части, также выбрать все сегменты всех опти- отрезков и дуг, из которых состоят про- мизируемых проводников. водники, а также ПО. Полигональные которые необходимо оптимизиро- объекты не удаляются. вать. Для оптимизации дифференциаль- Для полного удаления всех проводни- 2. Запустить команду Route → Gloss ных пар также необходимо выбирать ков ПП достаточно просто выполнить Selected (горячие клавиши U → L или все сегменты всех оптимизируемых команду Route → Un-Route → All. В слу- Ctrl + Alt + G). Выбранные проводники проводников (см. рис. 10). чае остальных команд после их запуска или их части будут оптимизированы. редактор ПП перейдёт в режим удале- Механизм оптимизации Gloss при- Однако здесь есть ряд нюансов, ния, а курсор, в зависимости от настро- меним к отдельному проводнику, диф- отличных от остальных случаев ек, примет вид большого или малого ференциальной паре или группе про- оптимизации. В данном случае редак- перекрестия под углом 90° или малого водников. Более того, можно оптими- тор ПП «понимает», что он работает перекрестия под углом 45°. В данном зировать цепи как целиком, так и их именно с дифференциальными пара- режиме необходимо щёлкнуть ЛКМ по: фрагменты. Если необходимо опти- ми, поэтому применяет механизмы, ● сегменту проводника или контактной мизировать проводник полностью, то свойственные трассировке диффе- площадке – в случае удаления прово- для этого нужно выбрать все его сег- ренциальных пар – система ориенти- дника или соединения; менты (см. рис. 8). Чтобы оптимизиро- руется на правила соответствующего ● компоненту – в случае удаления под- вать фрагмент проводника, необходи- типа, выполняет правильные отводы ключённых к компоненту проводни- от КП. Кроме того, редактор пытается ков; ● области – в случае удаления цепей, относящихся к определённой обла- сти. Для выхода из режима удаления нуж- но щёлкнуть правой кнопкой мыши (ПКМ) или нажать клавишу ESC. Различие между командами Route → Un-Route → Net и Route → Un-Route → Connection в том, что в первом слу- чае происходит полное удаление все- го проводника цепи, а во втором уда- ляется только соединение между дву- мя ближайшими конечными точками, например между двумя КП или между КП и концом недоведённого проводни- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018 WWW.SOEL.RU 67

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Примечание: при оптимизации переходные отверстия и сегменты, Рис. 10. Оптимизация дифференциальных пар расположенные под произвольным углом, остаются на месте Рис. 9. Оптимизация сегментов Рис. 11. Применение команды Route → Retrace ализированные механизмы вырав- читаемой ширины, прописанным в Selected нивания длин всё же не применя- правилах; ются [6]. ● Gloss стремится максимально сокра- проложить новые трассы таким обра- тить длину проводника, что иногда зом, чтобы выравнять длины провод- Retrace Selected приводит к радикальному измене- ников, входящих в дифференциаль- Ещё одним удобным инструментом нию его трассы; Retrace лишь слегка ную пару. Обратите внимание: если корректирует проложенную трассу, при этом достигнуть равенства длин корректировки проложенных про- делая её менее извилистой, если это проводников не получается, специ- водников является команда Route → необходимо (обратите внимание на Retrace Selected. Её назначение в том, трассы цепей NET1 и NET4 на рисун- 68 чтобы применить к выбранным про- ке 11) [7]. водникам или их фрагментам пара- Как видно, фактически, все основ- метры ширины или зазоров, опреде- ные инструменты трассировки явля- лённые соответствующими правила- ются интерактивными, следователь- ми как предпочитаемые. Применение но, значительно облегчают труд раз- данной команды аналогично приме- работчиков. нению команды Route → Gloss Selected: сначала необходимо выбрать сег- ЛИТЕРАТУРА менты или проводники полно- стью, а потом выполнить коман- 1. Altium. Documentation 2018. Clearance: ду (см. рис. 11). www.altium.com Так же как и команда Route → Gloss 2. Altium. Documentation 2018. Width: Selected, команда Route → Retrace Selected www.altium.com применима к отдельным проводникам, группам проводников, дифференци- 3. Altium. Documentation 2018. Routing Via альным парам и отдельным фрагмен- Style: www.altium.com там проводников. 4. Altium. Documentation 2018. Board При работе с дифференциальными Outline Clearance: www.altium.com парами есть особенность: с помощью этой команды можно легко менять 5. Altium. Documentation 2018. UnRoute: зазор в проложенной паре. Для это- www.altium.com го нужно поменять его предпочита- емое значение в соответствующем 6. Altium. Documentation 2018. Gloss: правиле, а потом применить команду. www.altium.com В целом команды Route → Gloss 7. Altium. Documentation 2018. Retrace: Selected и Route → Retrace Selected подоб- www.altium.com ны и даже используют один и тот же программный механизм. Основные 8. Якубенко А. Интерактивная трассиров- отличия их в следующем: ка в среде Altium Designer. Часть 1. Трас- ● Gloss оставляет неизменной шири- сировка отдельной цепи. Современная электроника. 2018. № 3. ну проводника, а Retrace меняет её в соответствии со значением предпо- 9. Якубенко А. Интерактивная трассировка в среде Altium Designer. Часть 2. Трасси- ровка дифференциальных пар и групп цепей. Современная электроника. 2018. № 4. WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018

Реклама

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ BoardAssistant – универсальный инструмент формирования документации в среде Altium Designer Вадим Иванов ([email protected]), Илья Левин ([email protected]) ● автоматизированное формирование чертежа схем, перечня элементов и Целью любого проектирования радиоэлектронных изделий является ведомости покупных изделий; готовое работающее устройство. Для производства устройства на предприятии необходима конструкторская документация (КД), ● собственный модуль для разработки от правильности которой будет зависеть и скорость изготовления, чертежей печатных плат. и количество ошибок на разных этапах производства. Чем выше уровень автоматизации при разработке КД, тем эффективнее и корректней будет РАБОТА С БАЗОЙ ДАННЫХ работа инженеров. На новый уровень автоматизации позволяет выйти комплексное решение BoardAssistant, которое встраивается в Altium ЭЛЕМЕНТОВ Designer. Общая база данных элементов на Внедрение Altium Designer в реаль- платы. Последствиями этих проблем предприятии позволяет работать с еди- ный цикл проектирования на пред- могут быть большие трудозатраты в ным набором элементов всем сотрудни- приятии сопровождается множеством создании базы элементов, её контро- кам, начиная от разработчика схемы и проблем, с которыми сталкивают- ле, а также в длительном времени раз- заканчивая сотрудником отдела закупок. ся пользователи: от отсутствия кор- работки конструкторской документа- ректной элементной базы до процес- ции. Система BoardAssistant предоставляет са оформления чертежей на печатные удобный интерфейс администрирова- Система BoardAssistant позволяет ния для стандартной DBLib-библиотеки решить множество подобных проблем Altium Designer со следующим функци- и в полной мере получать эффективные оналом: результаты. Система является дополне- ● удобное разделение электрических нием для Altium Designer и расширяет имеющийся функционал следующими радиоизделий (ЭРИ) по группам; инструментами: ● ввод новых и изменение существую- ● собственный интерфейс админи- щих элементов; стрирования базы данных элементов; ● быстрый поиск; ● комплексная проверка электриче- ● удобный механизм редактирования ских принципиальных схем; посадочных мест, файлов справки и условного графического обозначе- ния (УГО). Использование штатных механизмов доступа к базе данных (БД) (см. рис. 1) Рис. 1. Панель доступа к базе данных Рис. 2. Панель администрирования базы элементов элементов WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018 70

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ позволяет использовать любую ODBC- Важным параметром является правиль- ски, тем самым минимизируя пользо- совместимую БД, а удобный интер- ность и однотипность отображения всех вательское участие в процессе форми- фейс администрирования оптимизи- элементов на схеме. Для этого в системе рования данных документов. рует работу администратора библио- BoardAssistant разработан процесс про- теки ЭРИ на предприятии. На рисунке 2 верки всех элементов на соответствие РАЗРАБОТКА ЧЕРТЕЖЕЙ представлена панель администрирова- заданным правилам, которые хранятся в ния базы элементов. серверной части системы. Доступны раз- ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ личные правила для проверки элементов: Процесс создания чертежей печат- ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ от контроля длины вывода до проверки содержимого атрибутивной информа- ной платы согласно ЕСКД при исполь- ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ции. Все выявленные ошибки появля- зовании Altium Designer затруднителен Проектирование изделия начина- ются в стандартном меню Messages. и связан с отсутствием необходимых инструментов оформления. Штатный ется с составления принципиальной Следующим инструментом является инструмент Draftsman не позволя- электрической схемы. На данном эта- расширенная возможность компиля- ет учесть все требования ГОСТ, а при пе многое зависит от используемой ции проекта. Штатный инструмент ком- работе с экспортом через DXF/DWG элементной базы. При отсутствии пиляции Altium Designer доступен для для оформления чертежей в других необходимых элементов и созда- редактирования пользователю, поэто- CAD-системах пропадает ассоциатив- нии локальной библиотеки необхо- му есть риск упущения важных несоот- ная связь с платой и возникают пробле- димо предусмотреть возможность ветствий проекта заданным на предпри- мы, связанные с использованием ней- использования разработанных эле- ятии правилам. Компиляция проекта в тральных форматов. ментов всеми сотрудниками пред- BoardAssistant проводится по закреплён- приятия, задействованными в про- ным на сервере правилам и позволяет Решением проблемы является встро- изводственном процессе. Для это- находить ошибки в проекте независи- енная панель BoardAssistant собственной го в схемотехническом редакторе мо от настроек штатной компиляции. разработки (см. рис. 3). Данная панель Schematics реализован функционал позволяет оформить чертёж печатной выгрузки из локальной библиотеки По завершении разработки принци- платы и сборочный чертёж узла прямо в глобальную базу данных элемен- пиальной схемы необходимо разрабо- внутри файла платы. На панели имеет- тов, после чего элементы становят- тать чертежи. Получение PDF-файлов ся диспетчер видов, позволяющий встав- ся доступны для использования всем схемы, таблицы проводов и перечня лять, удалять и менять форматы листов. сотрудникам предприятия. элементов производится автоматиче- Для размещения видов чертежа име- ется соответствующий раздел, в кото- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018 WWW.SOEL.RU Реклама 71

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 5. Фрагмент разработанного чертежа платы Рис. 3. Панель PCB BoardAssistant ром выбирается нужный слой и мас- же указываются необходимые техни- штаб, после чего производится вставка ческие требования, которые будут ото- Рис. 4. Вкладка инструментов вида на нужный лист. В этом же раз- бражены на чертеже. деле есть возможность вставки проек- 72 ционных видов платы, видов для сбо- Процесс вывода чертежа на печать рочного чертежа и таблицы отверстий. полностью автоматизирован и про- изводится соответствующей кнопкой, Все действия вставки видов фиксиру- после чего формируется готовый PDF- ются в диспетчере видов, где указано, файл, который будет помещён в проект. какие именно виды вставлены и како- го масштаба. Для удобства при двойном Особенностью данного подхода явля- нажатии на любой строчке диспетчера ется то, что чертёж связан напрямую с листов или видов происходит масштаби- самой платой, при внесении изменений рование экрана под выбранный объект. в которую процесс обновления чертежа максимально упрощается. Кроме того, Виды слоёв печатной платы разраба- полученный чертёж всегда можно экс- тываются автоматически и соответству- портировать в формат DXF для даль- ют ГОСТ 2.417-91, который подразумевает нейшей работы в другой CAD-системе. наличие координатной сетки, штриховки полигонов и отображение проводников ЗАКЛЮЧЕНИЕ в соответствии с их реальной толщиной. Внедрение BoardAssistant в Altium В разделе таблицы отверстий име- Designer позволяет значительно сокра- ется возможность присвоения услов- тить трудозатраты на проектирование, ных обозначений различным диаме- оптимизировать бизнес-процессы, трам отверстий. уменьшить влияние человеческого фак- тора и, как следствие, получить ощути- Для простановки всех необходимых мую экономическую выгоду. Среднее размеров имеются удобные инструмен- сокращение трудоёмкости одного про- ты (см. рис. 4) с автоматическим подсчё- екта оценивается в 55%, что при боль- том квалитетов по ГОСТ и дополнитель- шом штате сотрудников даёт ощутимый ные поля для добавления к ним текстов. прирост эффективности труда. Также имеются инструменты про- Комплексная система BoardAssistant становки необходимых выносок, зна- имеет два различных варианта поставки: ков маркировки, клеймения с удоб- 1. Standalone – для работы локально с ным интерфейсом. Предусмотрены настройки указания стрелок, точек, автоматизированной разработкой знаков обработки по контуру, склеи- чертежей схем, таблиц соединений, вания и пайки. Все инструменты имеют перечней элементов и панелью для механизмы предварительной отрисов- разработки чертежей печатных плат. ки для удобного размещения на поле 2. Enterprise – вариант работы с сер- чертежа. На рисунке 5 приведён фраг- верной частью, с подключённой мент разработанного чертежа платы. глобальной элементной базой и гло- бальными настройками проверки Основная надпись на чертежах схем и компиляции проектов. заполняется через вкладку «Текст», там WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ НОВОСТИ МИРА нии регулярными процессами, но прекрасно трий Ольшевский. В рамках курсового про- зарекомендовала себя в управлении изме- екта они разрабатывают методику форма- 4-Я ЕЖЕГОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ нениями, проектами внедрения улучшений. лизованной оценки контрактных произво- дителей. Методика была апробирована на ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОНИКИ Олеся Чиркова сравнила свой опыт вне- трёх компаниях – членах АРПЭ. Выступле- дрения методики 8D в глобальных корпора- ние на конференции позволило собрать за- ELM CONF-2018 циях, где она работала раньше, и в компа- мечания и привлечь к проекту внимание дру- нии-стартапе с жёсткими ограничениями по гих компаний. 24 апреля 2018 года прошла ежегодная срокам и количеству персонала. конференция производителей электроники, Заключительная часть конференции про- посвящённая вопросам повышения эффек- О целях и влиянии ясного целеполагания на шла в формате открытой дискуссии о воз- тивности российского производства. В ней эффективность говорили Андрей Коржаков можностях повышения конкурентоспособ- приняли участие руководители компаний, («РКС») и Темур Аминджанов («Старлайн»). ности российского производства, а также руководители производственных подразде- проблемах избыточности инвестиций и про- лений – всего более 80 человек, в основном Свежий взгляд на оценку технологиче- изводственных мощностей. производители электроники гражданского на- ского и организационного уровня предпри- значения, работающие в условиях конкурент- ятий представили студенты кафедры РК-9 Пресс-служба АРПЭ ных рынков. МГТУ им. Баумана Дарья Покровская и Дми- Участники конференции обсудили, какие организационные практики дают быструю от- дачу, какие – долгую, а какие вообще вред- ны; что стоит за понятиями Индустрии 4.0, Agile, 8D и нужно ли российским компани- ям следовать этим модным трендам? Денис Лысенко и Александр Алексеев представи- ли опыт компании «Джейбил» и рассказали, что из практики глобальных корпораций мо- жет быть использовано российскими произ- водителями. Сергей Зорин представил опыт компании «Эвотор» по использованию методики Agile в производстве. Она не работала в управле- ® www.inter-pro.net [email protected] Реклама СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018 WWW.SOEL.RU 73

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Эффективное управление проектными данными о печатных платах на базе PADS и Teamcenter Александр Евграфов ([email protected]) PDM, собственные разработки. Одна- ко исследование показывает, что Для того чтобы успешно управлять данными о печатных платах, предприятия, признанные лучшими предприятия внедряют различные решения. В статье пойдёт речь в своём классе, на 50% чаще использу- об эффективном управлении проектными данными на базе PADS ют системы управления жизненным и Teamcenter. циклом изделия PLM (Product Life cycle Management). Современным предприятиям необ- но отражается на низкой эффективно- ходимо соответствовать жёстким тре- сти продукта. Teamcenter® – наиболее широко рас- бованиям рынка и при этом завер- пространённая в мире PLM-система шать проекты в кратчайшие сроки. Существует множество причин про- от компании Siemens PLM Software – Компании непрерывно выводят на блем, связанных с расходами и задерж- предоставляет функционал, который рынок новые, всё более инноваци- ками. Компанией Aberdeen Group было позволяет управлять различными типа- онные продукты, что заставляет кон- проведено исследование [1], в котором ми данных, описывающих изделие на курентов участвовать в технологиче- приняли участие 187 предприятий-раз- всех стадиях его жизненного цикла. ской гонке для сохранения своей доли работчиков печатных плат. Каждое рынка. Для предприятий приборостро- предприятие указывало свои основ- Teamcenter является универсальной ительной отрасли это особенно акту- ные проблемы управления данными о системой, поскольку она обеспечива- ально. Здесь одной из составляющих печатных платах (см. рис. 1). ет работу как с данными CAD/CAM/ успеха в конкурентной борьбе являет- CAE, так и с данными из систем авто- ся эффективное взаимодействие меж- Исследователи разделили предпри- матизированного проектирования ду разработчиками печатных плат. Но ятия, участвовавшие в опросе, на две радиоэлектронных устройств, таких возрастающая сложность задач, «руч- группы: «Лучшие в своём классе» и как PADS, Xpedition, Altium Designer, ное» выполнение рабочих процессов «Все остальные». Критериев разделе- OrCAD, Allegro. и частое внесение изменений увеличи- ния было несколько: достижение пла- вают риски при внедрении печатных нируемой стоимости и качества гото- Продемонстрируем возможности плат в новые изделия. вого изделия, своевременность выпол- и преимущества управления данны- нения проектов и др. Исследование ми о печатных платах с помощью Процесс разработки печатных плат показало, что лучшие в своём классе системы PLM на примере интегра- требует своевременного взаимодей- чаще конкурентов используют еди- ции Teamcenter с PADS [2]. ствия между различными проектны- ный источник данных, синхрониза- ми отделами и передачи корректных цию проекта схемы/платы с составом Команды Teamcenter встраиваются данных в производство. Разобщённость изделия (Bill of Materials – BOM), доступ непосредственно в графический интер- проектных данных приводит к задерж- к данным на основе роли пользователя фейс PADS, что позволяет пользовате- кам на стадии производства или, что и т.д. (см. табл.). лю автоматически выполнять вход в ещё хуже, к неправильному функцио- Teamcenter: открывать, сохранять и нированию устройства, что неизбеж- Чтобы успешно управлять данны- блокировать проектные данные. ми о платах, предприятия внедряют различные решения: системы PLM, Интеграция Teamcenter и PADS пре- доставляет разработчикам возмож- ность импортировать и экспортиро- Управление данными о печатных платах Сложность данных о платах 44 Показатель Лучшие Все в своём остальные, % Интеграция данных о платах в существующую систему классе, % управления данными (PLM, PDM, ERP…) 43 Синхронизация проекта 95 77 Обмен данными с подразделениями, сторонними 42 схемы и платы 81 58 организациями, партнёрами 35 Доступ к данным на Управление множеством запросов на инженерные основе ролей изменения (ECO) 31 Синхронизация проекта 76 57 Получение нужных данных нужными пользователями 27 схемы и состава изделия в нужное время 10 20 30 40 50 Единый источник данных 65 57 Управление целостностью/конфигурациями наборов Все респонденты, % проекта платы 57 40 данных, над которыми работает несколько проектных отделов Контроль версий каждого элемента 0 данных о плате Рис. 1. Проблемные области управления данными о печатных платах СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018 74 WWW.SOEL.RU

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ вать данные библиотеки компонен- Рис. 2. Управление библиотекой Teamcenter обеспечивает использование проверенных данных тов, управлять этими данными, а также получать доступ к данным о плате, Рис. 3. Проверка платы на собираемость, выполняемая на ранней стадии проектирования управлять ими и создавать архивы дан- ных в едином защищённом источнике. чения, анализа теплопередачи, вибра- Таким образом, интеграция про- ций, ударных воздействий, воздействия граммных решений Teamcenter и PADS На уровне предприятия интеграция пыли и влаги. Передача данных для предоставляет пользователям мощ- позволяет распределённым группам проведения подобных междисципли- ные инструменты управления данны- разработчиков печатных плат управ- нарных исследований позволяет повы- ми. Аппаратное и программное обеспе- лять проектными данными, вносить сить качество и надёжность изделия. чение печатных плат можно связать с изменения на протяжении всего жиз- конкретными требованиями к проекту, ненного цикла изделия и, как след- Для быстрого выявления проблем, обеспечив возможность их отслежива- ствие, уменьшить количество повтор- которые могут возникнуть на этапе изго- ния на протяжении всего жизненного ных исправлений. товления, пользователи могут внедрить цикла печатной платы. опциональные инструменты проверки На уровне пользователя интеграция изделия на собираемость (см. рис. 3) и ЛИТЕРАТУРА с Teamcenter поддерживает возмож- мощные средства просмотра данных ность открывать и сохранять «родные» ECAD. Это позволит снизить процент 1. PCB data management: how industry проектные документы PADS, получать брака и избежать повторных работ. leaders are managing their data. Отчёт об доступ к проверенным компонентам, Инструменты графической навигации исследовании, проведённом компани- управлять покупными изделиями, вза- в средствах просмотра данных ECAD ей Aberdeen Group. www.aberdeen.com/. имодействовать с проектировщиками позволяют проектным отделам и постав- механической части изделия, создавать щикам просматривать и анализировать 2. Teamcenter Integration for Mentor Graphics файлы визуального представления, в интерактивном режиме проекты схе- PADS. Техническая публикация компа- передавать данные по изготовлению мы и платы, вносить в них замечания. нии Siemens PLM Software. https://www. и сборке подрядчикам, а также созда- plm.automation.siemens.com/ru. вать составы изделий, содержащие как механические, так и электронные ком- поненты. Когда процессы управления проекта- ми ECAD и библиотекой компонентов переходят под контроль Teamcenter, их можно интегрировать в процессы электронного согласования докумен- тов и управления изменениями. Бла- годаря управлению данными о ком- понентах (см. рис. 2), разработчики печатных плат могут сократить коли- чество дубликатов, избежать использо- вания устаревших или неутверждённых деталей и осуществлять закупки только у проверенных поставщиков. Интеграция с Teamcenter обеспе- чивает множеству проектировщиков работу с гарантированно точными про- ектными данными – благодаря исполь- зованию обменных форматов IDF и IDX (EDMD). Эти форматы позволяют пере- давать информацию о контуре платы, расположении компонентов и зонах запрета размещения объектов. Управ- ляемый Teamcenter формат IDX под- держивает передачу проектных изме- нений, возможность принятия этих изменений или отказа от них проекти- ровщиками механической и электрон- ной частей изделия, а также внесения замечаний и комментариев в переда- ваемую информацию. Инженеры электронной части изделия могут передавать 2,5D/3D- элементы инженерам-механикам для проведения различных типов инже- нерного анализа: проверки на пересе- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018 WWW.SOEL.RU 75

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Работа в JTAG Maps для Altium Designer Алексей Иванов ([email protected]) того как компоненты с поддержкой периферийного сканирования выбра- В статье описывается процесс работы с расширением JTAG Maps ны, наступает черёд разработки схемы для пакета проектирования электронных устройств и плат Altium изделия. На данном этапе тестопригод- Designer. Программа JTAG Maps позволяет разработчику схем уже ность будущего изделия будет контро- на этапе проектирования оценить возможность доступа периферийного лироваться с помощью JTAG Maps. (граничного) сканирования к цепям. Для того чтобы установить это бес- При разработке электронных возможности их структурного тести- платное расширение, необходимо устройств необходимо обеспечить их рования на производстве. Их попро- открыть Altium Designer и зайти в правильное функционирование в буду- сту невозможно произвести из-за слож- меню DXP. Затем выбрать «Extensions щем, исключить проблемы, связанные ности диагностики дефектов монтажа. and Updates» и «Purchased but not со сборкой (как правило, это означа- Для диагностики таких сложных циф- installed». В открывшемся окне поис- ет разработать плату под автоматиче- ровых плат уже десятки лет существует ка набрать «JTAG Maps». В результатах ский SMD-монтаж), обеспечить надёж- технология периферийного сканиро- поиска необходимо выбрать иконку ность, защищённость от внешних воз- вания. Программная утилита JTAG Maps JTAG Maps и нажать кнопку «Install». действий и многое другое. Должное от JTAG Technologies и Altium позволя- После завершения установки кнопка соблюдение перечисленных требова- ет разработчику ещё на этапе составле- запуска программы будет находиться ний позволит разработать и создать ния схемы понять, насколько его буду- в правом нижнем углу Altium Designer. современный конкурентно-способ- щая плата будет тестируема с помощью При нажатии на неё откроется окно ный продукт. Большинство из этих периферийного сканирования. программы JTAG Maps (см. рис. 1). Ана- задач решаются инженерами-проек- лиз тестопригодности платы начина- тировщиками в САПР в процессе соз- Очевидно, что самым первым фак- ется с нажатия кнопки «Start», но при дания схемы и разводки печатной пла- тором, которому необходимо уделить первом запуске будет предложено ты. Такой САПР может являться, напри- внимание ещё до начала использова- загрузить файл бесплатной лицензии мер, Altuim Designer. ния JTAG Maps, является выбор цен- с сайта JTAG Technologies. Лицензия тральных компонентов платы (про- привязывается к MAC-адресу компью- В современных условиях немаловаж- цессоры, контроллеры, ПЛИС) с под- тера. В Altium Designer необходимо но разработать, в том числе, и тестопри- держкой стандарта периферийного будет указать путь к скачанному на годное изделие. Опыт показывает, часто сканирования IEEE 1149.1. Именно за данном этапе бесплатному лицензи- уникальные, нужные приборы со слож- счёт этих компонентов впоследствии онному файлу, зайдя в «Preferences» – нейшей функциональностью, востре- будет производиться сканирование «JTAG Maps». бованные рынком и потребителями, цепей платы. При этом необходимо оказываются непригодными к серий- обеспечить доступ тестового обору- После того как лицензия установлена, ному выпуску по причине отсутствия дования к интерфейсам JTAG. После можно вновь нажимать кнопку «Start» – откроется окно для ввода исходных Рис. 1. Интерфейс программы JTAG Maps Рис. 2. Присвоение компоненту атрибута «BoundaryScan» 76 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ данных для анализа тестопригодно- ту статуса «BoundaryScan», тогда все компонент имеет поддержку пери- сти. Сама по себе система Altium не выводы микросхемы, кроме пита- ферийного сканирования. знает, какие компоненты поддержи- ния и земли, будут считаться полно- вают периферийное сканирование, стью сканируемыми, работающими После определения атрибутов для какие элементы являются «прозрачны- во время JTAG-теста платы как вход/ компонентов платы необходимо их ми» для тестовых сигналов (например, выход (IO). Но в реальности поведе- применить, нажав кнопку «OK» (см. резисторы), поэтому необходимо вве- ние выводов микросхем при пери- рис. 2), после чего в окне JTAG Maps сти соответствующие базовые данные. ферийном сканировании не всегда будут отображены цепи исследуемой Как показано на рисунке 2 компоненту однозначное и зависит от конкрет- платы, подсвеченные разными цвета- можно присвоить следующие атрибу- ного типа ИМС. Некоторые выводы ми (см. рис. 3). Помимо красного цвета, ты: «BoundaryScan» (компонент с под- будут действительно являться входа- обозначающего цепи питания и земли, держкой периферийного сканирова- ми/выходами, другие – однонаправ- в списке можно увидеть цепи, обозна- ния), Connector (разъём), Connection ленными, а какие-то из сигнальных ченные зелёным цветом, оранжевым, (есть возможность прохождения через портов вообще не будут иметь в своём жёлтым и чёрным. элемент тестовых сигналов), Resistor, составе ячеек периферийного скани- Inductor, Capacitor, Parallel (может рования. Вся эта информация предо- Зелёным цветом показываются цепи рассматриваться как место подклю- ставляется производителем микросхе- «fully scanable», это означает, что все чения внешнего тестового оборудова- мы в виде BSDL-файла (BoundaryScan выводы компонентов, подключённых ния), Resonator. При этом для различ- Description Language). Эти файлы, как к ним, имеют поддержку периферий- ных категорий можно выбрать разные правило, скачиваются с сайта произ- ного сканирования. Для таких цепей электрические модели, например, рези- водителя микросхемы, либо запраши- тестирование возможно в наиболее стор превратить в резистивную сборку, ваются у него напрямую. При нали- полном объёме. Они могут распола- указав таблицу соединений. чии BSDL-файла можно подставить гаться, например, между ПЛИС и про- его в окно ввода исходных данных цессором, между различными ПЛИС Для определения функционально- для расчёта (например, для микросхе- и т.д. сти компонентов с поддержкой пери- мы U12 на рисунке 2). Очевидно, что ферийного сканирования в JTAG Maps при таком подходе тестовый доступ Оранжевым цветом отмечаются есть два варианта: приблизительный будет показан более точно, нежели цепи, в которых содержатся драйве- и точный. Первый вариант предус- если просто сообщить системе, что ры и/или сенсоры с поддержкой пери- матривает присвоение компонен- ферийного сканирования, но также имеются выводы компонентов без неё (т.н. «кластеры»). Эти цепи, возмож- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018 WWW.SOEL.RU 77

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 3. Внешний вид окна JTAG Maps с разноцветными цепями исследуемой платы но, удастся протестировать с помо- Если обратить внимание на цепи, (NOSCANNET) цепей, линий JTAG- щью кластерного теста, но JTAG Maps идущие от компонентов, поддержива- интерфейса (TAPNET). Также в стати- не имеет моделей функциональности ющих периферийное сканирование стическом отчёте присутствует список различных кластеров (ОЗУ, ПЗУ, логи- на внешние разъёмы, то можно заме- всех цепей с их признаками тестиру- ка и пр.) и точно просчитать тестиру- тить, что они подсвечены оранже- емости. емость таких цепей можно только в вым цветом, то есть рассматривают- профессиональных программах соз- ся как частично тестируемые. Однако Среди возможностей програм- дания приложений для периферий- многим инженерам, занимающимся мы JTAG Maps следует отметить так- ного сканирования, таких как JTAG JTAG-тестированием, известно, что же функцию экспорта архива проек- ProVision. такие цепи можно протестировать та для среды разработки тестов JTAG со 100%-м покрытием, подключив ProVision (кнопка «Export» на заглав- Чёрным цветом показываются нете- к разъёмам DIOS- или MIOS-модули ном окне JTAG Maps). Этот архив может стируемые цепи, жёлтым – цепи JTAG- (модули ввода-вывода). Если пред- впоследствии быть использован в каче- интерфейса (TAP-сигналы). положить, что при производствен- стве базы для создания проекта тести- ном JTAG-тестировании разраба- рования платы. В JTAG ProVision будет На данном этапе можно выбрать тываемого изделия будут использо- добавлена дополнительная информа- цепи, которые необходимо подсве- ваться IO-модули, то для разъёмов ция о моделях кластеров (ОЗУ, флэш, тить на схеме (или выбрать все) и можно определить атрибут «Parallel». логика, интерфейсы), позволяющая нажать кнопку «Apply». После это- Для этого необходимо вновь нажать создавать расширенный набор тестов. го межсоединения разрабатывае- кнопку «Start» и внести требуемые мой платы подкрасятся соответству- изменения, после чего цепи разъё- В JTAG ProVision существует воз- ющими цветами (см. рис. 3). Теперь мов, которые были показаны оран- можность импорта различных дан- можно наблюдать тестопригодность жевым цветом, будут «перекрашены» ных (кнопка «Import»). Это может быть всей схемы в целом. Если заранее в зелёный. информация о найденных в процессе были определены BSDL-файлы для тестирования платы дефектных цепях компонентов с поддержкой JTAG, то Для того чтобы посмотреть общую или полный отчёт о тестовом покрытии. в ряде случаев на схеме можно уви- статистику по тестовому покрытию, деть цепи, которые требуют специаль- можно кликнуть правой кнопкой мыши Использование программы JTAG ных установок для перевода микро- на списке цепей в окне JTAG Maps и Maps позволяет оценить доступность схемы в режим периферийного ска- выбрать «Show report». В открывшем- сигналов периферийного сканирова- нирования. Данные установки для ся окне (см. рис. 4) можно увидеть ния к цепям разрабатываемого устрой- некоторых устройств описаны в раз- общее количество полностью скани- ства. Этот инструмент не укажет, какие деле «COPMLIANCE PATTERNS» BSDL- руемых (BSTNET), частично сканиру- из тестов выполнимы для кластеров – модели. По умолчанию такие цепи емых (BSTSNGNET), не тестируемых устройств, окружающих компоненты с подсвечиваются фиолетовым цветом. поддержкой JTAG. Как же понять, воз- можно ли протестировать, например, 78 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 4. Получение общей статистики по тестовому покрытию микросхему оперативной памяти, под- бы оранжевый цвет. Также необходимо Программа JTAG Maps является ключённую к процессору, имеющему убедиться в наличии доступа хотя бы к отличным инструментом, помогающим периферийное сканирование? Ответ части линий данных и адреса. Анало- обеспечить надлежащую тестируемость прост: необходимо посмотреть все ли гично можно провести анализ доступ- сложных цифровых устройств на ран- управляющие сигналы ОЗУ имеют хотя ности и к другим типам кластеров. них стадиях разработки. Автоматизация Автомобилестроение Особенности: • Световоды со степенью защиты IP68 • Диапазон температур: –40...+85°C Медицина • Возможно изготовление заказных изделий ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2018 WWW.SOEL.RU 79



ПОДПИСКА НА ЖУРНАЛЫ УЖЕ ОПЛАЧЕНА РЕКЛАМОДАТЕЛЯМИ Бесплатная подписка для специалистов 3 идентичные версии: печатная, электронная, мобильная Мобильное приложение Мобильное приложение App Store Google Play App Store Google Play WWW.CTA.RU WWW.SOEL.RU Подписка оформляется на сайтах журналов

Реклама