OrCAD 17.2. Анализ и проектирование электронных устройств

Москва
Горячая линия – Телеком 
2023

Тиражирование книги начато в 2019 г. 
 
Все права защищены. 
Любая часть этого издания не может быть воспроизведена  
в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами  
без письменного разрешения правообладателя. 
 
© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком» 
www.techbook.ru 
           
 

Введение
В настоящее время активно обсуждаются концепции реализации «Четвёртой промышленной революции», названной Индустрия
4.0. Её предпосылкой считают возникновение возможности объединять, импортировать в облако все отдельные процессы и вычисления в изолированных системах, выполняемые не только большими вычислительными машинами, но и персональными устройствами. Это означает, что рабочий процесс, содержание и управление
как отдельной машиной, так и сериями машин сможет выполняться удалённо.
Такая организация управления системами позволит
значительно сократить человеческие ресурсы, необходимые для обслуживания предприятия. Индустрия 4.0 будет использовать два
концептуальных решения: облачные вычисления и Интернет вещей
(Internet of Things – IoT). Первое заключается в размещении в Интернете информации и позволяет осуществлять удалённый доступ к
приложениям, службам и сохранённым данным. Интернет вещей основывается на этой же концепции, используя облако для хранения
и автоматизации процессов в объектах, которые синхронизируются с Интернетом, таких как автомобили с поддержкой Интернета,
удалённое управление домашним освещением, различная носимая
электроника, медицинская техника.
Составлен список из 30 технологий и технических достижений,
без которых вообще невозможна Индустрия 4.0. Этот список включает, в частности, мобильные устройства, облачные вычисления,
платформы Интернета вещей, когнитивную робототехнику, системы
автоматизированного проектирования, мехатронику, высокоточные
приборы, сверхчувствительные сенсоры, интеллектуальные датчики, микроэлектромеханические системы (MEMS), анализ больших
данных и так далее.
На следующем этапе развития к интернету вещей будут относить: умный транспорт и беспилотники, умный город, умные рабочие места, умные электросети, умные заводы, точное земледелие,
умные скважины и многое другое.
Интеграция информационных технологий и концепций, активно
развивающихся в XXI веке, создаёт предпосылки к формированию
локальных и даже национальных киберфизических систем.
Киберфизические системы (Cyber-Physical System, CPS) — это

Введение
системы, состоящие из различных природных объектов, искусственных подсистем и управляющих контроллеров, позволяющих представить такое образование как единое целое. В CPS обеспечивается
тесная связь и координация между вычислительными и физическими ресурсами. Компьютеры осуществляют мониторинг и управление физическими процессами с использованием такой петли обратной связи, где происходящее в физических системах оказывает
влияние на вычисления и наоборот. Причём управление киберфизическими системами будет основаться на предварительном компьютерном моделировании процессов в них.
Вполне очевидно, что Интернет вещей и Индустрия 4.0 могут
быть реализованы только на самом современном электронном оборудовании и выпускники вузов должны владеть средствами автоматизированного проектирования электронных систем.
Современные тенденции развития электроники заключается в
применении встраиваемых систем на основе систем на кристалле
(System-on-Chip (SoC) или СБИС СнК). Такие SoC-решения обычно
состоят из встроенного процессора (процессоров), встроенных памяти, аппаратных ускорителей, высокоскоростных коммуникационных
интерфейсов и реконфигурируемой логики. Вследствие этого разработки таких радиоэлектронных систем становятся все более сложными, поскольку они предъявляют более жёсткие требования к низкой стоимости, более высокой производительности, качеству продукции, безопасности.
Разработчики используют сложные современные программные средства автоматизированного проектирования электронных систем, созданные известными компаниями США:
Synopsys, Mentor Graphics, Cadence, Altera и др. Освоение и применение этих программных сред требует многолетней упорной работы
научно-производственных групп и коллективов.
В учебных планах вузов знакомство с отдельными программами
названных выше компаний предусмотрено в дисциплинах по технологиям проектирования электронных устройств и систем средствами САПР.
В этом учебном пособии мы изучаем систему автоматизированного проектирования OrCAD 17.2 компании Cadence. Это одна из
лучших программ сквозного проектирования электронной аппаратуры, предоставляющая разработчикам широкие возможности разработки и моделирования электронных схем и создания печатных
плат. Первые книги по OrCAD в России были написаны В.Д. Разевигом, однокурсником и хорошим знакомым автора данного учебного
пособия [9]. Примерно в то же время в переводе в России была опуб

Введение
5
ликована книга Джона Коена [10]. Причём в ранних версиях OrCAD
отсутствовал графический интерфейс пользователя (Graphical User
Interface — GUI) и схему цепи требовалось программировать на языке PSpice. Это существенно замедляло процесс обучения и исследования.
Последние версии OrCAD (16.6, 17.2) имеют всё необходимое
для выполнения различных этапов процесса разработки: входное
проектирование, функциональное моделирование, синтез, размещение, маршрутизация, моделирование задержек, генерация элемента.
Основным недостатком OrCAD является высокая стоимость профессиональных версий. Однако компания Cadence предлагает бесплатные облегченные учебные версии программы OrCAD Capture CIS
Lite, которые мы используем в нашем учебном пособии.
Изучив основы схемотехнического проектирования в учебной
программе OrCAD 17.2 Lite, вы сможете в будущем успешно работать и в полных версиях.
При создании этой книги были использованы многочисленные
материалы и техническая документация, которые автору удалось
найти в Интернете. Компания Cadence заинтересована в привлечении разработчиков к своей продукции и публикует подробные руководства и видеоуроки по OrCAD. Мы будем изучать OrCAD на
примерах моделирования аналоговых электрических цепей и электронных схем, цифровых и смешанных (аналогово-цифровых) схем,
начиная с простейших цепей постоянного тока. Это позволит читателям восполнить или приобрести знания по электротехнике, электронике и цифровой технике. В последних главах вы ознакомитесь
с основами проектирования печатных плат.
Материалы этой книги успешно использовались в Российском
технологическом университете (МИРЭА) при изучении студентами
дисциплины «Технологии проектирования устройств и систем вычислительной техники средствами САПР».
Итак, мы приступаем к изучению OrCAD 17.2!
Желаю успехов!
Доктор технических наук, профессор кафедры
вычислительной техники Российского
технологического университета — РТУ МИРЭА
В.А. Алехин

Начало работы в OrCAD 17.2
В этой главе содержится информация о загрузке и установке
нового PSpice OrCAD 17.2 Lite, первые шаги, которые вы должны
выполнить, чтобы создать и смоделировать проект.
1.1. Системные требования
Для установки OrCAD 17.2 и работы с этой программой ваше
оборудование должно соответствовать следующим требованиям:
• Операционная система:
Windows 7 Professional, Enterprise, Ultimate или Home Premium
(64-разрядная версия);
Windows 8 (64-разрядная версия, все пакеты обновления);
Windows 10 (64-разрядная версия);
Windows Server 2008 R2 R2;
Windows 2012 Server (все пакеты обновления).
• Рекомендуемое программное обеспечение:
Microsoft Internet Explorer 11.0 или новее.
• Минимальное оборудование:
4 ГБ физической памяти;
10 ГБ дискового пространства.
Виртуальная память должна быть как минимум вдвое больше
доступной физической памяти.
Разрешение экрана 1024×768 для истинного цвета (16-битный
цвет).
• Рекомендуемое оборудование:
Intel 4-го поколения Core или AMD Kaveri;
4 ГБ физической памяти;
10 ГБ свободного места на диске;
разрешение экрана 1280×1024 с истинным цветом (не менее 32битного цвета).
Рекомендуется использовать выделенную графическую карту.

Начало работы в OrCAD 17.2
7
1.2. Что такое Spice-модели электронных
компонентов
Реальные электронные устройства в настоящее время разрабатывают с использованием компьютерных программ сквозного проектирования, в которых электронные компоненты моделируются
Spice-моделями.
Первая версия программы Spice (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) в переводе означает «Программа моделирования, предназначенная для интегральных схем» была разработана
в середине 70-х годов прошлого века в Калифорнийском университете, США. Она позволяла анализировать линейные и нелинейные цепи во временной и частотной области, рассчитывать частотные характеристики линейных цепей. Для анализа линейных цепей
использовался метод узловых потенциалов.
Библиотека моделей
включала модели диода и биполярного транзистора. С течением
времени программа совершенствовалась, расширялся список моделей компонентов.
В 1984 году корпорация MicroSim представила
программу Spice для персональных компьютеров, назвав её PSpice.
В начале 90-х годов были созданы версии, позволяющие моделировать не только аналоговые, но и смешанные аналого-цифровые
устройства. Программа получила удобный интерфейс, обеспечивающий графический ввод схем.
PSpice широко применяется в промышленности, позволяя исследовать работу схем без создания реальных макетов в лаборатории. При этом достигается существенная экономия материалов и
рабочего времени. Если проект требует изменений или улучшений,
результаты легко могут быть получены на компьютере при изменении исходных условий. Разработчик просто заменяет компоненты,
которые обычно используются в реальных цепях, и после этого снова исследует работу и электрические свойства устройства. Обычно трудно бывает предсказать, сколько таких компонентов должно
быть заменено. Когда же этим занимается компьютерная программа, она производит утомительные вычисления с меньшей вероятностью ошибок и намного быстрее, чем человек.
В последние годы несколько компаний разработали на основе
программы PSpice новые программные продукты — OrCAD, TINA,
Proteus и др. В этих программах также используются стандартные
Spice-модели электронных компонентов. Причём в разработке Spiceмоделей участвуют ведущие производители электронных компонентов: Analog Devices, Burr-Brown, Motorola, National Semiconductor,
Texas Instruments, Zetex и многие другие.

Г л а в а 1
1.3. Установка пакета OrCAD 17.2 Lite
Загрузить бесплатную программу OrCAD 17.2 Lite можно с сайта www.orcad.com.
На вкладке Overview найдите вкладку Try OrCAD for Free, а на
ней откройте вкладку Download OrCAD 17.2 Lite Now (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Загрузка программы OrCAD 17.2 Lite
Заполните и отошлите запрос на загрузку программы, и Cadence даст Вам такую возможность. Важно отметить, что эта учебная
программа работает без ограничения по времени и с её помощью
можно изучить очень многое.
После того как вы загрузили программное обеспечение, разархивируйте его и нажмите Setup (Приложение) или 17.2-2016-OrCADPSpice-Designer-Lite.exe.
После этого выполняйте рекомендуемые
инструкцией шаги для успешного завершения установки:
• выберите установку приложения для всех пользователей этого
компьютера;
• выберите директорию, в которую вы хотите установить программу, или директория будет назначена по умолчанию;
• на следующей вкладке нажмите Install.
Установка займёт некоторое время. Затем нажмите «Готово».

Начало работы в OrCAD 17.2
9
Рис. 1.2. Структура установленного ПО
После установки вы найдёте на вкладке «Пуск →Все программы» в папке Cadence Release 17.2-2016 структуру только что установленного программного обеспечения (рис. 1.2).
1.4. Структура и состав пакета программ
OrCAD 17.2 Lite
Установленный пакет OrCAD 17.2 Lite включает (см. рис. 1.2):
• Capture CIS Lite: (CIS — Component Information System) — схемотехнический графический редактор проектов, предназначенный для создания моделей электрических схем из моделей элементов. Возможности этой программы расширены за счет того,
что справочная информация может получаться через Интернет.
При этом зарегистрированный пользователь получает доступ к
информации о приблизительно 200 тысячах электронных компонентов.

Г л а в а 1
• PCB Editor Lite: графический редактор для проектирования
печатных плат (PCB — Printed Circuit Board).
• PCB Router Lite: использует маршрутизацию на основе ShapeBased или бессеточной технологии и является более быстрым
инструментом маршрутизации (разводки печатных плат).
• PSpice AD Lite: универсальная программа моделирования с возможностями аналого-цифрового моделирования, выполняет симуляцию и вывод результатов.
• PSpice Advanced Analysis Lite: универсальная программа моделирования с возможностями аналого-цифрового моделирования, имеет набор возможностей анализа для оптимизации параметров, прогнозирования надёжности и улучшения качества
и производительности;
• Утилиты PSpice: набор инструментов, которые будут использоваться в сочетании с Capture и PSpice (редактор магнитных
деталей, редактор моделей, диспетчер моделирования, редактор стимулов).
1.5. Состав программ OrCAD PSpice
OrCAD 17.2 использует несколько программ, основанных на
PSpice. К ним относятся следующие.
• OrCAD PSpice — программа моделирования в среде OrCAD. Эта
программа создавалась как самостоятельное средство моделирования и достаточно широко применяется в различных средах моделирования. В OrCAD 16 и 17 применяются три версии
OrCAD PSpice:
◦OrCAD PSpice — программа, предназначенная для проведения только аналогового моделирования;
◦OrCAD PSpice A/D Basic — упрощенная универсальная программа моделирования с возможностями аналого-цифрового моделирования;
◦OrCAD PSpice A/D — универсальная программа моделирования с возможностями аналого-цифрового моделирования;
• OrCAD Probe — программа, позволяющая осуществлять обработку результатов моделирования в виде осциллограмм;
• OrCAD PSpice Model Editor — инструмент, предназначенный
для создания и редактирования математических моделей электронных элементов;
• OrCAD Stimulus Editor — инструмент, использующийся при создании и редактировании моделей источников сигналов;