Leiterplattenentwurf Der virtuelle Prüfling

Zurzeit ist der Leiterplattenentwurf ein Sorgenkind der Elektronik – viele neue Techniken haben das einst klar abgegrenzte Thema recht unübersichtlich gemacht, und die Fehler häufen sich. Ein verbesserter Ansatz bei Design und Test nutzt ein lange wenig beachtetes Verfahren: die Schaltungssimulation unter Verwendung virtueller Prüflinge.

Ein virtueller Prüfling ist ein elektronisches System, das mithilfe der Simulation virtuell getestet wird. Analyse und Evaluierung des Prüflings geschehen mittels eines mathematischen Modells, wie sich der Entwickler den möglichen Betrieb des Systems vorstellt. Dieses Modell kommt im gesamten Entwicklungsprozess zum Einsatz. Zunächst wollen wir betrachten, wie sich die Designphase durch Einsatz der Schaltungssimulation verbessern lässt. SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) ist eine Sprache, die Elektronikparameter für die mathematische Simulation beschreibt.

SPICE-Modelle für Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Operationsverstärker, Transistoren und Netzgeräte können kombiniert werden, um virtuell das Verhalten und die Qualität einer Leiterplatte darzustellen. Die SPICE-Simulation gibt es bereits seit den 1960ern, hat aber lange Zeit ein Schattendasein geführt. Das kann der Tatsache zugeschrieben werden, dass es sich traditionell um eine schwierig zu verwendende, textgesteuerte Sprache handelt. In den letzten zehn Jahren haben grafische Umgebungen wie »Multisim« von National Instruments zu einer viel einfacheren Nutzung der Simulation geführt, da Entwickler ein Schaltkreis darin grafisch definieren und ein SPICE-Simulationsmodell automatisch im Hintergrund erstellen können. Durch solche Vorstöße verbreitete sich Simulationssoftware zunehmend.

Die Schaltungssimulation stellt eine sehr einfache, aber leistungsstarke Möglichkeit dar, den Entwurf zu verbessern. Zeitverluste und Kostenaufwand während des Entwicklungsprozesses hängen mit den häufigen Iterationsphasen zwischen Entwurf, Layout und Test zusammen. Bei einem Ansatz ohne Simulation wird die Leiterplatte direkt aus dem Schaltplan übernommen. Der Nachteil bei dieser Vorgehensweise besteht darin, dass sich Designfehler erst viel zu spät im Entwicklungsprozess offenbaren. Gängige Fehler während der Evaluierung eines physikalischen Prototyps können beispielsweise folgende sein:

Falsche Entscheidungen bei der Auswahl der elektronischen Bauteile. Es wurde eine ineffektive Schaltungstopologie verwendet, die jetzt neu entworfen werden muss. Im Schaltkreis trat ein unvorhergesehenes Verhalten durch nicht berücksichtigte Extremfälle und unerwartete Stimuli auf. Resultate von Fehlentscheidungen beim Design wie Rauschen und Übersprechen. Deckt der Entwickler Fehler wie die hier genannten nicht vor dem Test des Prototyps auf, so ist er gezwungen, Prototypen zu überarbeiten und somit wieder zur Designphase zurückzukehren. Diese Wiederholungen sind im Allgemeinen kostenaufwändig und umständlich, da die die Überarbeitung des Schaltbilds sowie das Warten auf das Durchlaufen der Validierung Zeit kostet.

Simulation als virtueller Prüfling

Um solche Schwächen im Entwicklungsprozess zu überwinden, ist zu überlegen, wie sich Simulation und ein virtueller Prüfling zur Verbesserung des Designverhaltens nutzen lassen. Die Simulation kann gängige Fehler ausmerzen, indem sie das Schaltungsverhalten abfragt. Relevante Punkte lassen sich innerhalb eines Schaltkreises leicht identifizieren. Die simulierte Performance kann an jedem Punkt dazu beitragen, ein Gesamtbild des Designverhaltens zu erstellen.

So kann die Simulation dazu beitragen, SPICE-Modelle von Herstellern zu nutzen, um das Verhalten der Bauteile in gängigen Designtopologien vor der Prototypenerstellung darzustellen, Simulationsergebnisse zu analysieren, um dadurch zu verstehen, ob die Spezifikationen erfüllt werden, während der Simulation verschiedene Testfälle (unterschiedliche Stimuli etc.) durchzuspielen, um das Designverhalten in Extremfällen zu sehen. Die Simulation ist keinesfalls ein Ersatz für den physikalischen Prototypen. Sie stellt aber ein Werkzeug im Repertoire des Entwicklers dar, mit dem er die Zeit für die Schritte bis zur Phase der Prototypenerstellung verringern kann. Produkte wie Multisim, das neuerdings in der Version 11.0 vorliegt, helfen die Komplexität der Simulation deutlich zu verringern.

Besser testen

Tests beginnen nicht vor der letzten Phase des Entwicklungsprozesses. Viele Prüfingenieure müssen warten, bis eine endgültige Leiterplatte fertiggestellt wurde (nach dem Layout), bevor die Entwicklung von Prüfszenarien überhaupt beginnen kann. Um den Prüfansatz zu verbessern, ist die vorhandene Latenz des Leiterplatten-Entwicklungsprozesses zu überwinden. Wieder einmal bietet Simulation die Lösung. Die Schaltungssimulation während der Designphase dient als Ersatz für einen physikalischen Prototypen.

Schrittweise Verbesserungen können durch Visualisierung des Designverhaltens erfolgen, indem die Designingenieure Bauteilmodelle modifizieren und die Designtopologie in einem virtuellen Umfeld ändern. Prüfingenieure können dieselbe Simulation als Ersatz für den Prüfling nutzen, den sie letztendlich validieren sollen. Dieser virtuelle Prüfling kann dabei helfen, Eingangssignale für festgelegte Testpunkte (dieselben, die der physikalische Prototyp haben wird) zu liefern. Dadurch lassen sich die Messgeräteeinstellungen bereits definieren und verschiedene Testszenarien durchspielen. Prüfingenieure können von der Arbeit des Designingenieurs profitieren und diese als Entwurf für die Testentwicklung verwenden. Der virtuelle Prüfling steht am Ende der Designphase zur Verfügung, sodass die Testentwicklung jetzt parallel zur Phase des Leiterplattenlayouts und der Fertigung geschehen kann. Daraus können sich Zeiteinsparungen während des Entwicklungsprozesses ergeben.

Implementierung des virtuellen Prüflings

Das Konzept des virtuellen Prüflings lässt sich durch die Simulationsumgebung Multisim und die grafische Programmiersprache »Labview« implementieren. Die Multisim-Schaltungssimulation ist über eine fertige API (Automatisierungsschnittstelle) in Labview integriert, damit Design und Test miteinander kommunizieren können. Durch diese Automatisierungsschnittstelle kann Labview Multisim als »simulierte Messquelle« behandeln. Labview-Programme lassen sich daher als virtuelle Prüflinge entwickeln.

Die verschiedenen Testszenarien, das Definieren der Messeinstellungen und der Verifizierungsansatz insgesamt können somit auf Grundlage simulierter Daten entwickelt werden. Sogar die Fehlerbehandlung der Prüfanwendung kann in dieser Vorabphase erfolgen. Sobald ein realer Prototyp bereitsteht, kann der virtuelle Prüfling gegen den als Prototyp vorhandenen Prüfling ausgetauscht werden. Das bedeutet, dass der Entwickler die Leistung des Prototyps mit genau demselben Testprogramm erfassen und analysieren kann wie den virtuellen Prüfling.

Durch Anwenden des beschriebenen Prozesses kann der Anwender Testfälle parallel zum Schaltungsentwurf und -layout definieren. Das heißt, er muss das Ende der Layoutphase nicht mehr abwarten, um mit der Testentwicklung anfangen zu können. Auf Grundlage einer virtuellen Umgebung kann er verschiedene Tests wiederholen und Extremfälle aufdecken. Fehler lassen sich besser behandeln. Außerdem können dieselben Tests, mit denen das Designverhalten verifiziert wurde, nun auch für den physikalischen Prototyp verwendet werden. So lässt sich ausschließen, dass Fehler in beiden Phasen übersehen werden.(mc)

National Instruments
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BHAVESH MISTRY ist Product Manager bei National Instruments