Компьютерные технологии проектирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Компьютерные технологии проектирования

1. Системы автоматизированного проектирования. Типовая структура САПР

Проектирование - задача синтеза, в которой на определенной элементно-технологической базе требуется построить объект (или систему), реализующий заданный класс функций.

Результатом проектирования является комплект конструкторско-технологической документации (КТД), на основании которого производится изготовление, отладка и испытания опытных образцов изделия, техническая и технологическая подготовка серийного или массового производства изделия.

Именно заданный класс функций и определяет структуру разрабатываемого изделия. Для того, чтобы создать современное конкурентноспособное изделие необходимо:

· Высокое качество проектирования на каждом этапе создания ВС;

· Сокращение сроков и стоимости проектирования;

· Обеспечение высокой надежности изделия, стойкости к механическим, тепловым, электромагнитным и прочим воздействиям и т.д.

Решение проблемы: системный подход к проектированию на основе автоматизации всех этапов и шагов проектирования ВС, т.е. использование компьютерных технологий проектирования.

Автоматизация Проектирования - проектирование, при котором отдельные преобразования описания объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, а также представления описания на различных языках, осуществляются взаимодействием пользователя и компьютера.

Система Автоматизированного Проектирования (САПР) - это комплекс технических средств и программного обеспечения, позволяющий выполнять те или иные части работы по проектированию изделия с помощью вычислительной машины. В мире используется несколько схожих с определением САПР понятий.

CAD - Computer Aided Design - Собственно, синоним САПР. Применяется, в основном, к САПР печатных плат.

Структура САПР:

Технические средства - совокупность применяемых в процессе проектирования компьютеров и периферийного (в том числе специального периферийного) оборудования.

Математическое обеспечение - совокупность математических методов, математических моделей и алгоритмов проектирования.

Информационное обеспечение - совокупность БД и СУБД.

Программное обеспечение - программы алгоритмов проектирования, определяющие назначение и функциональные возможности конкретной САПР.

Лингвистическое обеспечение - совокупность языков проектирования.

Организационное обеспечение - определяет форму представления результатов

проектирования и взаимодействие пользователей САПР.

Методическое обеспечение - совокупность документов, устанавливающих состав и правила отбора и эксплуатации средств обеспечения САПР.

САПР помогут при проектировании в телефоне:

Пластмассовый корпус сложной формы - САПР трехмерных деталей.

Металлический экран - Специализированные САПР занимаются оптимизацией раскроя материала, расчетом усилий штамповки, расчетом размеров выкроек (разверток).

Антенна -САПР антенн - это в первую очередь сложная математика расчета распространения радиоволн.

Печатная плата с установленными на нее элементами.

Здесь с помощью САПР создают электрическую схему устройства, моделируют ее поведение при различных входных воздействиях, затем эту схему перекладывают на печатную плату, расставляют элементы относительно друг друга. Затем делают трассировку соединений, те есть создают на печатной плате топологический рисунок. Далее моделируют тепловые и электромагнитные процессы на печатной плате.

Кроме того, на плате могут находиться микросхемы ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы) определение внутренней структуры которых - это отдельная задача специализированных САПР. Ну и, наконец, автоматизированный контроль технологичности получившейся печатной платы, подготовка управляющих программ для изготовления, проверки и сборки плат - это тоже удел САПР.

Не стоит забывать, что все вышеупомянутые детали взаимоувязаны между собой, и соответствующие САПР должны иметь возможность передачи информации из системы в систему.

2. САПР печатных плат. Основные задачи САПР печатных плат

Печатная плата - изделие для электрической коммутации между собой радиоэлектронных изделий. Типичная конструкция простой печатной платы - на плоском диэлектрическом основании методом травления медной фольги формируется рисунок электрических проводников и контактных площадок с одной или с обеих сторон основания. К контактным площадкам припаиваются радиоэлектронные компоненты (резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, микросхемы и т.д.) которые и реализуют заданные электрические функции изделия.

Основные задачи, решаемые САПР печатных плат.

1) Создание электрической принципиальной схемы радиоэлектронного устройства.

2) Моделирование работы этой схемы - компьютерное прогнозирование формы и величины выходных сигналов системы в зависимости от величины и формы входных. Определение временных задержек сигнала.

3) Компоновка элементов электрической схемы на печатной плате.

4) Оптимизация размещения элементов с целью улучшения параметров схемы

5) Оптимизация связей электрической схемы с целью уменьшения числа слоев платы, облегчения трассировки и улучшения электромагнитной совместимости сигналов.

6) Создание топологического рисунка печатной платы, трассировка связей

7) Контроль топологии на предмет соответствия электрической схеме и технологическим ограничениям производства.

8) Оптимизация топологии для повышения технологичности изготовления печатной платы.

9) Подготовка управляющих программ для технологического оборудования, используемого при изготовлении печатных плат.

10) Выпуск конструкторской документации.

11) Обмен информацией о проекте с другими САПР

12) Контроль целостности проекта, отслеживание внесенных изменений.

3. САПР PCAD. Структура системы. Общие принципы работы

Система сквозного проектирования PCAD 2006 состоит из набора отдельных программ, взаимодействующих друг с другом или работающих отдельно и позволяющих:

· Создавать библиотечные элементы, некие описания электрических и геометрических свойств радиоэлектронных компонентов, применяемых в радиоэлектронных устройствах.

· Создавать из библиотечных элементов электрические схемы проектируемых устройств.

· Осуществлять моделирование работы таких устройств, проверяя временные задержки распространения сигнала, правильность функционирования.

· Размещать элементы на печатной плате и оптимизировать это размещение с точки зрения длины связей, трассируемости, величины взаимных помех.

· Осуществлять трассировку электрических соединений.

· Контролировать электрические параметры полученной топологии, такие как: импеданс цепей и электромагнитные помехи.

· Оптимизировать топологию печатной платы с точки зрения технологичности производства.

· Создавать управляющие программы для оборудования, применяемого при производстве печатных плат.

· Передавать информацию о проекте в другие САПР.

· Получать информацию из других САПР.

Редактор электрических схем SCH - создание из заранее подготовленных библиотечных элементов электрической схемы. Можно моделировать работу схемы с помощью программы анализа целостности сигналов Signal Integrity, а затем информацию о схеме в виде списка цепей передать в редактор топологий PCB. В этом редакторе рисуется контур будущей печатной платы, задаются ее технологические параметры, (число слоев, например) и импортируется из схемотехнического редактора список цепей и посадочные места элементов, присутствующих в электрической схеме. В PCB или в отдельных других программных модулях расставляют элементы схемы на печатной плате наиболее оптимальным способом и производит трассировку, рисует медные проводники соединяющие контактные площадки в соответствии с электрической схемой.

Готовая и прошедшая все проверки топология и является основным результатом работы системы, она сама или сгенерированные из нее управляющие программы для станков передаются на производство, где печатная плата и изготавливается.

4. САПР PCAD. Структура библиотек, символы, паттерны, компоненты

Электрическая схема и топология печатной платы создаются из заранее подготовленных библиотечных элементов.

Менеджер библиотек Library Executive и два редактора: редактор символов SymEd и редактор посадочных мест PatEd. По сути каждая библиотека элементов - это отдельный файл в файловой системе компьютера, в котором содержится информация о входящих в эту библиотеку компонентах, символах и паттернах.

На этапе проектирования схемы или топологии к проекту может быть подключено множество различных библиотек одновременно, поэтому обычно библиотеки создают для групп близких по конструкции или назначению элементов. Например, принято создавать отдельную библиотеку для резисторов, отдельную для конденсаторов.

Символы (от английского Symbol) - это фрагменты будущей электрической схемы, несущие в себе информацию как об электрических функциях выполняемых элементом, так и графическую информацию о том, как он должен выглядеть на электрической схеме. Иногда символы называют гейтами (Gate), в отечественной литературе их принято называть условными графическими обозначениями, сокращенно - УГО.

Паттерны (Pattern), они же посадочные места - это фрагменты будущей топологии печатной платы, они несут информацию о физических размерах элемента, форме и расположении его контактных площадок.

Компоненты (Component) - это законченные описания радиолектронных элементов, включающие в себя не только символ и паттерн, но определяющие соответствие между их выводами.

Количество хранящихся в одной библиотеке символов может не совпадать с числом паттернов или компонентов, разные компоненты могут включать в себя одни и те же символы или паттерны.

Имена паттернам принято давать в соответствии со стандартным обозначением корпуса того или иного радиоэлектронного компонента, например, DIP-16, SOIC-8, 0805.

Имена символам дают либо по их выполняемым функциям, либо по названию микросхемы, а вот имена компонентов должны однозначно определять тип используемого радиоэлемента.

5. САПР PCAD. Программа Library Executive. Назначение, основные возможности, порядок создания библиотечных элементов

Проектирование любого радиоэлектронного устройства начинается с описаний микросхем, разъемов резисторов или конденсаторов.

Основная задача менеджера библиотек - это создать модель (изображение) элемента правильно отображающую его электрические функции для применения ее при разработке электрических схем, создать топологическую структуру элемента, правильно отражающую его геометрические размеры и технологические особенности его установки на печатную плату, и что самое главное, дать однозначное соответствие этих двух моделей между собой. Вся текстовая информация об упаковке компонентов и их атрибутах заносится в две таблицы, удобные для просмотра и редактирования. Тем самым исключаются ошибки несогласованного ввода этой информации.

P-CAD Library Executive позволяет составлять списки соответствий выводов символов и вентилей (секций) компонентов и имеет средства просмотра параметров компонентов. Из менеджера библиотек легко запускаются две отдельные программы: Мастер создания электрических символов SymEd и мастер посадочных мест PatEd.

6. САПР PCAD. Программа Library Executive. Символы (УГО)

При помощи мастера электрических символов разработчик создает условное графическое изображение (УГО) радиоэлектронного компонента, по-английски называемого Symbol (символ) или иногда Gate (гейт), хотя правильнее гейтами называть отдельные секции УГО.

Российские разработчики опираются при создании УГО на требования Государственных стандартов, зарубежные разработчики - на свои собственные стандарты, поэтому изображения символов одного и того же элемента созданные разными разработчиками могут довольно сильно отличаться друг от друга. Вообще, при создании символа в программе SymEd разработчик должен:

1. Описать в символе все необходимые системе PCAD данные для ее нормального функционирования.

2. Нарисовать ненужные PCADу, но нужные для пользователя вещи, такие, например, как форма и размеры УГО, названия вывод в - все то, что сделает в дальнейшем электрическую схему удобной, читаемой и соответствующей стандартам.

Основные зоны УГО

На левой и правой сторонах прямоугольника рисуются выводы элемента - короткие отрезки, к концам которых будут в дальнейшем подходить (или отходить) входные (или выходные) сигналы. На уровне этих отрезков внутри прямоугольника в дополнительной зоне, а при ее отсутствии - в основной, ставятся метки выводов - отличающие одни выводы от других, обычно метками служат имена выводов - Pin Name.

Снаружи прямоугольника УГО для каждого вывода над линией вывода может быть записан номер (или имя) контактной площадки посадочного места, на которую выходит этот вывод в реальном радиоэлектронном компоненте - Pin Des.

Теперь, что касается упомянутой выше первой задачи при создании символа. Для того, чтобы символ был полноценным он должен обязательно содержать:

· точку привязки (reference point) - точку от которой отсчитываются координаты всех остальных фрагментов символа.

· Выводы элемента, причем система запомнит внутренний номер вывода, называемый Pin Number, и координаты активного конца вывода - той точки, к которой будут подключаться электрические цепи.

Два обязательных атрибута символа: атрибут {RefDes} - ставится снаружи УГО сверху над ним или справа от него. В дальнейшем на его месте появится позиционное обозначение элемента в электрической схеме. Другой обязательный атрибут - {Type}. Этому атрибуту в дальнейшем будет присвоено имя, под которым этот символ будет записан в библиотеке.

7. САПР PCAD. Программа Library Executive. Паттерны (Посадочные места)

При помощи мастера посадочных мест PatEd разработчик создает топологический рисунок части печатной платы, на который будет в дальнейшем устанавливаться данный компонент, его называют - посадочное место или паттерн (от английского Pattern). Разработчик, с учетом технологических возможностей того или иного производства, выбирает размеры контактных площадок и их расположение, определяет размеры посадочного места и маркировку (условные обозначения на поверхности печатной платы).

В данном конкретном случае атрибуты контактных площадок Pad Number и Pin Designator совпадают.

Pin Designator может быть не обязательно цифрой, а вот Pad Number, также как и Pin Number в символьном элементе может принимать значение только в диапазоне от 1 до N, где N - число контактных площадок посадочного места.

Симметричные посадочные места, если на них устанавливается несимметричный элемент (например - микросхема, в отличие от резистора) обязательно должны иметь ключ. Ключ - это некий ориентир, по которому можно однозначно определить правильную ориентацию элемента при его установке на посадочное место.

8. САПР PCAD. Программа Library Executive. Компоненты

Когда УГО и посадочное место созданы, разработчик приступает к созданию компонента - основной единицы библиотеки элементов. Именно в компоненте указывается: из одного или нескольких и, каких именно, УГО состоит компонент. Там же указывается, какой вывод УГО соответствует тому или иному выводу посадочного места. В описании компонента также указывается возможность или невозможность перестановки выводов элементов без нарушения правильности их работы (эквивалентность выводов) или перестановки целых УГО (эквивалентность гейтов).

Соответствие выводов УГО и паттерна задается в таблице связей (Spreadsheet).

9. САПР PCAD. Программа Schematic. Назначение, основные возможности, порядок создания электрических схем

С помощью этой программы разработчик, подключившись к нужным библиотекам, создает из библиотечных элементов электрическую схему устройства, любую - от самой простой, до сложнейшей, многолистовой и иерархической.

Схема эта должна быть правильной и хорошо читаемой. Для этого в редакторе предусмотрено множество полезных инструментов, таких, как создание портов или шин данных.

В редакторе имеется встроенная проверка правил электрического соединения элементов (ERC - electrical rules control). Для более полного контроля электрических параметров схемы предусмотрена передача данных в систему анализа целостности сигнала Signal Integrity, а также в другие системы моделирования. Естественно в редакторе имеется множество средств для удобного редактирования созданных ранее схем и присутствуют средства для выпуска конструкторской документации. По результатам работы в редакторе схем генерируется список цепей, который является основным результатом работы данного модуля в рамках общей системы, именно он передается затем в топологический редактор для дальнейшей работы.

Формат представления этого списка цепей может быть различным, бинарным или текстовым, P-CAD, TANGO или EDIF, но сущность его от этого не меняется. В списке цепей обязательно присутствуют два следующих раздела:

· Описание всех использованных в данной схеме компонентов с указанием для каждого его позиционного обозначения (RefDes), присвоенных данному компоненту атрибутов и значений (например, номиналов резисторов), количества выводов и их наименований, наименования посадочного места, соответствующего данному компоненту.

· Описание электрических связей, включающее в себя наименования цепей с указаниями присвоенных им атрибутов (например, максимально допустимая длина) и список контактов входящих в каждую из цепей, поясняющих что и с чем надо соединить.

10. САПР PCAD. Программа Schematic. УГО - ввод, нумерация, редактирование символов

Электрические схемы выполняются без соблюдения масштаба. Реальное расположение компонентов на монтажно-коммутационном поле не учитывается при рисовании электрических схем. Выбранный размер форматки листа, на который выводится рисунок схемы, должен обеспечить компактность и ясность при чтении деталей схемы.

Place/Part - Выбор библиотеки и элементов.

Num Parts обозначает число логических секций, входящих в компонент, aPart Num - номер вводимой логической секции. Позиционные обозначения RefDesразмещаемых элементов и их секций на электрической схеме проставляются автоматически. Например, если элементу в окне RefDes присвоено позиционное обозначение DD1, то последовательно размещаемые элементы получат имена DD1, DD2, DD3 и т. д., а элементы, состоящие из нескольких секций, получают имена DD1:A, DD1:B, DD1:C и т. д. Если секции примыкают друг к другу, то на схеме позиционные обозначения отдельных секций не указываются.

Символ компонента можно перемещать по полю экрана, поворачивать его (клавиша R), зеркально отображать (клавиша F).

11. САПР PCAD. Программа Schematic. Создание электрических связей. Порты, шины

Place/Wire, Place/Bus.

Если проводится несколько шин, то имена шинам система задает автоматически, потом его можно изменить и отобразить на схеме.

Линии связи должны состоять из горизонтальных и вертикальных отрезков и иметь наименьшее количество изломов и взаимных пересечений. Линии связи в пределах одного листа, если они затрудняют чтение схемы, допускается обрывать. Обрывы линий связи заканчивают стрелками. Около стрелок указывают места обозначений прерванных линий.

Имена электрических цепей, подводимых к шине, задаются командой Place/Port для подключения к цепи портов. Порт - специальный элемент схемы, который присваивает имя подключенной к нему цепи и определяет ее для всех листов или нескольких частей цепи на одном листе схемы. Такая цепь представляет собой единую компоненту связности, а порт используется для объединения элементов шины в одну компоненту связности. У порта может быть один или два контакта для подсоединения к цепи.

12. САПР PCAD. Программа Schematic. Электрический контроль схемы, моделирование

Dсегда необходимо производить проверку схемы на наличие синтаксических ошибок («висячие» цепи и контакты компонентов, одноконтактные цепи и т. п.).

Проверку схемы выполняют по команде Utils/Erc (Electrical Rules Check -- проверка правильности электрических соединений).

Выбираем, какие элементы подлежат проверке: цепи, имеющие единственный узел; цепи, не имеющие узлов; электрические ошибки соединений; неподключенные выводы компонентов; неподключенные цепи; подведенные к шине цепи, которые не подключены хотя бы один раз к другому компоненту; неправильное подключение цепей «земли» и «питания»; вывод отчёта об ошибках, назначаем, что считать ошибкой, а что предупреждением.

13. САПР PCAD. Программа Schematic. Внесение изменений в готовую схему. Редактирование символов и цепей, удаление, копирование, перенумерация

Редактирование элементов - правой кнопкой и Свойства, либо shift+R.

Копирование фрагментов схемы: Edit Paste Circuit. Выбираем цепи, которые будут скопированы, и параметры переименования, если требуются.

Быстрое обновление force update - выбираем элементы, которые нужно обновить, и параметры объединения свойств.

Перенумерацию можно сделать с помощью одноименной утилиты, выбрав тип обновляемых элементов, направление, начальное значение и инкремент.

Редактированиелиний связей: выбираем тип (шина-цепь), фильтр (все или глобальные), пдсвечиваем нужные цепи, и пр.

14. САПР PCAD. Программа Schematic. Передача данных в другие программы. Механизм ЕСО, список цепей, DDE HotLink

Engineering Change Order (ECO) - протоколирует изменения вносимые в проект на одном из этапов работы и передает команды на внесение этих же изменений в другие части проекта.

Schematic PCB

PCB Schematic

Механизм действия ЕСО:

1. Включаем запись

2. Вносим изменения

3. Сохраняем файл

4. Добавляем ЕСО

Создание списка цепей производится с помощью утилиты, выбираем путь, информацию из библиотеки, наличие/отсутствие металлизации, объединение атрибутов и классов цепей и кодировку.

В опциях PCB есть флажок DDE hotlink (взаимосвязь проектов). Когда включен в обоих редакторах, то подсвечивая (highlight) элемент в одном редакторе, он автоматически засвечивается в другом редакторе. А изменения, вносимые в одном проекте, можно отразить в другом только если во время работы включена кнопочка Eco On/Off.

15. САПР PCAD. Программа PCB Editor. Назначение, основные возможности, порядок создания топологии

Редактор печатных плат P-CAD РСВ используется для размещения компонентов на монтажно-коммутационном поле и для ручной, интерактивной или автоматической трассировки проводников.

· Задание конструктивно-технологических параметров платы, создание контура платы, точек ее механического крепления.

· Размещение элементов электрической схемы на печатной плате

· Трассировка соединений электрической схемы

· Редактирование топологии

· Оптимизация размещения и трассировки

· Выпуск конструкторской документации

· Подготовка управляющих программ.

16. САПР PCAD. Программа PCB Editor. Инструменты создания топологии: создание электрических и неэлектрических фрагментов топологии

· Создание заготовки платы.

· В активном слое Board. нарисуйте контур вашей печатной платы. Толщина линии контура может быть любой, так как размеры платы определяются по осям линий.

· Контур платы может иметь вырезы

· Контур платы состоит из отрезков и дуг

· Контур платы должен быть замкнутым

· Командой Utils/Load Netlist загружается файл Вашего списка цепей *.net (этот файл был получен ранее, как результат создания электрической схемы в схемо-техническом редакторе). На экране должны появиться все посадочные места компонентов и их линии связей.

· В меню Options / Pad Style создаем новый тип контактных площадок - крепежное отверстие. Площадка должна быть со сквозным отверстием (Thru), металлизированная (Plated), круглая (Ellipse), диаметры отверстия и площадки указаны в задании.

· Командой Place / Pad установите крепежные отверстия в заданные места пе-чатной платы. Зафиксируйте их от случайного перемещения.

17. САПР PCAD. Программа PCB Editor. Настройки редактора на технологию изготовления печатной платы

Настройка редактора.

· Метрическую систему измерения (меню Options/Configure).

· подключение личной библиотеки элементов

· шаг сетки 1.00мм.

· Настройка правил проектирования (Options/Design Rules - Layers - зазоры для всех трассиро-вочных слоев равными 0,2 мм для переменных HoleToHole Clearance, LineTоLine Clearance, PadToLine Clearance, PadToPad Clearance, ViaToLine Clearance, ViaToVia Clearance)

· Online DRC - производится проверка технологических параметров при вводе связей и размещении компонентов.

18. САПР PCAD. Программа PCB Editor. Размещение элементов

Place Component - выбор библиотеки и конкретного компонента.

Критерии качества размещения элементов на плате

· Минимум суммарной длины связей

· Равномерность плотности связей

· Удобство монтажа и ремонтопригодность

· Минимум электрических помех

· Равномерность тепловыделения

Цель: разместить элементы таким образом, чтобы максимально облегчить в дальнейшем трассировку связей и обеспечить выполнение требований технического задания (на-пример, по минимизации длин отдельных цепей). Элементы можно поворачи-вать клавишей R (Rotate) или переносить на другой слой F(Flip). Если в проекте встречаются и планарные компоненты и компоненты, устанавливаемые в от-верстия, то чаще всего элементы со сквозными отверстиями устанавливают с верхней стороны платы, а все планарные элементы - с нижней. Элементы можно зафиксировать. Фиксированные элементы защищены от любого изменения, включая их удаление, перемещение, переименование или переподключение цепей

При размещении элементов обратите особое внимание на расположение фильт-рующих конденсаторов. Они должны быть максимально приближены к выво-дам питания микросхем, кроме того, желательно подводить электропитание сначала к конденсатору и только через него к микросхеме. При размещении компонентов следите за "паутиной" связей между ними, она по-может оптимизировать размещение.

19. САПР PCAD. Программа PCB Editor. Трассировка связей, ручная интерактивная, трассировка дифференциальных пар

ЗАДАЧА ЭТАПА ТРАССИРОВКИ - заменить все условные резиновые нити соединений на реальные физические соединения из проводников или областей металлизации с учетом технологических ограничений на конструкцию печатной платы.

· Ручная трассировка

· Интерактивная трассировка

· Дифф.пары

· Шины

· Сглаживание

Другие инструменты:

· контактные площадки (pad)

· переходные отверстия (via)

· линии (line) / проводники (wire)

· дуги и окружности (arc)

· полигоны (polygon)

· металлизация (copper pour)

· вырезы в металлизации

· запреты трассировки

· слои питания

· комнаты

Предварительная настройка ручной трассировки: Настраиваем элементы, которые будут подсвечиваться (контакты, цепи), чем будем рисовать (линии или дуги), ортогональные режимы (какие углы будут у линий), делаем активной онлайн-дрц, чтобы знать, где ошибки.

На компонентах написаны № контакта и имя подключенной цепи, вручную соединяем все контакты, подключенные к этой цепи.

Интерактивная трассировка - аналогично ручной. В интерактивном режиме курсором отмечается начало и конец сегмента проводника, который сразу же трассируется с учетом препятствий. При этом соблюдаются все ограничения на проведение трассы, установленные пользователем.

Трассировка дифф. пар.

Их можно описать в классах цепей. Указываем в свойствах класса IsDiffPair=DiffPairGap=1 и какие цепи к ним принадлежат.

Структура слоев: слои платы подразделяются на три типа и помечаются:

· Signal - слой разводки проводников,'помечается первым символом S.

· Plane - слой металлизации, помечается первым символом Р.

· Non Signal - вспомогательные слои, помечаются первым символом N

Список слоев:

· Тор проводники на верхней стороне платы (сторона установки компонентов);

· Assy -- атрибуты на верхней стороне платы (текстовые обозначения компонентов);

· Silk -- шелкография на верхней стороне платы (позиционные обозначения компонентов);

· Paste - графика пайки на верхней стороне платы;

· Mask - графика маски пайки на верхней стороне платы;

· Bottom - проводники на нижней стороне платы;

· Board -- границы платы.

20. САПР PCAD. Программа PCB Editor. Автоматическая трассировка

Автоматические Трассировщики:

· Quick Route

· P-CAD Shape Route

· Situs

· Specctra

Подготовка к автотрассировке:

· Зафиксировать ранее разведенные цепи, не подлежащие коррекции.

· Задать правила трассировки (ширина цепей, зазоры, типы переходных отверстий…).

· Определить области трассировки (разрешенные слои и области запрета трассировки).

· Настроить автотрассировщик (число проходов, приоритетные направления, алгоритмы…).

Качество автотрассировки не всегда удовлетворительное - проводник может подходить слишком близко к контактам, создавать петли, не учитывать, что нужно найти минимальные маршруты и т.д.

21. САПР PCAD. Программа PCB Editor. Контроль технологических параметров, определение электрических параметров топологии

Можно использовать DRC - контроль топологии. Он укажет, где ошибки и выведет её описание. Опции правил проверки:

· сравнение списка соединений текущей печатной платы и соответствующей ей принципиальной схемы;

· проверка заданных зазоров;

· проверка ограничений на заданную ширину трасс;

· проверка на наличие непроведенных цепей;

· проверка неподсоединенных выводов;

· проверка ограничений на длину цепей;

· проверка ошибок размещения компонентов;

Топологию можно оптимизировать с учётом эквивалентных гейтов и входов. Также можно сгладить прямые углы, приведя их к 45 градусам или даже кривым.

Недостатки прямых углов:

· Отражение высокочастотного сигнала,

· Излучение помех,

· Отслаивание проводников.

Также есть возможность:

· Расчет импеданса цепи программой Signal Integrity, выбрав классы цепей и конкретную цепь,

· Тепловой анализ в программе BetaSoft Board,

· Анализ помех в слое питания программа Speed 2000 (Sigrity)

Предварительный расчет импеданса и возможных отражений может быть выполнен на схемотехническом уровне еще до этапа компоновки и трассировки печатной платы, позволяя предотвратить возможные проблемы на ранних стадиях проектирования и правильно подобрать элементную базу. Импедансы, отражения и возможные перекрестные отражения могут быть уточнены (перерасчитаны) на заключительных этапах разработки и контроля топологии. Целостность сигналов может быть проанализирована при верификации (функция DRC) топологии. В этом случае проектирования (о нарушении которых выдаются соответствующие сообщения). В случае обнаружения проблем, связанных с целостностью сигналов, функция Termination Advisor поможет разработчику подобрать необходимую схему согласования для устранения выявленных недостатков.

22. САПР PCAD. Программа PCB Editor. Внесение изменений в топологию. Механизм ЕСО, коррекция библиотечных элементов

Engineering Change Order (ECO) - позволяет добавлять комментарии, если производились какие-либо изменения.

Можно скопировать фрагмент топологии, используя инструмент Edit/Paste/Circuit.

Изменение библиотечных элементов редактированием - выбор фрагмента паттерна с нажатым SHIFT. При этом можно редактировать линии шелкографии, редактировать типы контактных площадок, но невозможно переместить контактные площадки.

Также есть возможность замены библиотечного элемента, в свойствах элемента просто выбираем нужную библиотеку, но при этом необходимо скорректировать проводники на входе нового элемента.

Обновление элемента из библиотеки (Force Update).

Выбираем необходимые компоненты в списке, выбираем параметры объединения атрибутов старых и новых элементов. Результаты работы этой утилиты отменить нельзя.

23. САПР PCAD. Программа PCB Editor. Передача результатов проектирования в другие системы. Генерация Гербер-файлов

Экспорт - в меню экспорта выбираем формат экспортируемой информации.

Гербер-файлы.

Описания апертур встроены в файл, каждый слой печатной платы - отдельный рисунок в отдельном файле.

Фрагмент Гербер-файла:

G90* - Абсолютная система координат

G70* - Дюймовая система

G54D11 - Выбрать Апертуру D11

X00560Y00320D02* - Переместиться в точку с выключенной апертурой

X00670Y00305D01* - Переместиться в точку с включенной апертурой (рисовать линию)

Создание Гербер-файлов:

1. Создаем набор слоев (Top, Bottom, etc.).

2. Задаем апертуры.

3. Задаем условные обозначения отверстий.

4. Задаем параметры Гербера (количество цифр после зпт., ед. измерения)

24. САПР PCAD. Программа PCB Editor. Инструменты документирования проекта

Команды DocTool

Place Table	С использованием этой команды, входящей в P-CAD Document Toolbox, Вы можете размещать разнообразные таблицы в проект. Эту команду удобно использовать для разработки перечней элементов.
Titles	Позволяет определить рамку (формат) проекта.
Notes	С помощью этой команды вводятся примечания к проекту (как правило, указания на питание микросхем, особенности монтажа и т.д.).
Place Table	Размещения различных типов таблиц (отверстий, изменений и редакций проекта).
Place Detail	Размещение детали - изображения участка печатной платы, содержащее объекты, созданные в редакторе P-CAD PCB. Это изображение может быть увеличено, чтобы дать представление о сложных участках платы. Удобно использовать этот механизм для ввода в проект информации об установке компонентов на плату при наличии нескольких вариантов.
Place Diagram	Размещение диаграммы слоев проекта, указывающей последовательность расположения слоев в многослойной печатной плате.
Place Picture	Отличается от команды DocTool/Place Detail отсутствием полей для ввода текстовой информации.
Mirror on Copy	Включение режима зеркального отображения при выводе на твердый носитель, применяется при создании чертежей нижней стороны печатной платы.
Update	Повторно вычисляет данные проектирования и модифицирует выбранные таблицы, внедренные в проект.
Update All	Повторно вычисляет данные проектирования и обновляет все таблицы, внедренные в проект.

25. Конструкция DIP компонентов. Особенности создания библиотечных элементов для них

СКВОЗНЫЕ - с переходами на другую сторону платы (TH - Through Hole Mounted, DIP)

DIP - Dual in Line Package



1 Посадочное место стандартный (узкий) DIP

26. Конструкция планарных компонентов SOIC. Особенности создания библиотечных элементов для них

ПЛАНАРНЫЕ - без переходов на другую сторону платы (SMD - Surface Mounted Device)

l SOIC - Small Outline Integral Circuit

27. Конструкция BGA микросхем. Особенности создания библиотечных элементов для них

BGA - Ball Grid Arrays

Конструкция микросхем BGA

Конструктивные особенности:

l Сложная форма вывода или площадки

l Слияние выводов на топологии

l Дополнительные выводы и точки крепления

l Пропущенные выводы

28. Конструкция танталовых конденсаторов. Особенности создания библиотечных элементов для них

29. Конструкции разъемов, являющихся частью печатной платы. Особенности создания библиотечных элементов для них

30. Микросхемы ПЛИС и особенности проектирования печатных плат с такими микросхемами

Программируемая логическая интегральная схема -- электронный компонент, используемый для создания цифровых интегральных схем.

Подавляющее большинство выводов ПЛИС взаимозаменяемо. С одной стороны, можно использовать возможности замены выводов, чтобы упростить топологию и избавиться от ряда переходных отверстий и перекрестных соединений. С другой -- к огромному числу вариантов размещения компонентов и проведения линий добавилось и множество вариантов назначения выводов ПЛИС сигналам проекта. Поэтому приходится сначала делать черновой вариант, проводить трассировку печатной платы, а затем окончательно создавать схему. Но если использовать эти возможности взаимозамены и ручную трассировку, то в целом проводники будут более коротки, а количество переходных отверстий меньше.

Для ПЛИС среднего и большого размера можно использовать группировку сигналов управления вблизи управляемых ими шин данных. Такое решение (с учетом большей площади кристалла) позволит уменьшить задержку распространения управляющих сигналов до места их действительного применения.

В действительности ПЛИС имеют достаточное количество трассировочных ресурсов, облегчающих трассировку сигналов от блоков ввода/вывода до наиболее подходящего места в матрице логических ячеек. А потому «неудачное» размещение выводов вряд ли окажется фатальным (сигналы все же будут разведены), однако задержки распространения станут несколько больше.

· по возможности избегать автоматического размещения компонентов и автотрассировки связей, а выполнять эти операции вручную;

· фильтрующие емкости располагать в непосредственной близости от входных цепей, для фильтрации которых они применяются;

Основное внимание следует обращать на минимизацию длины проводников и отсутствие перекрестных связей.

31. Печатные платы. Типы печатных плат. Типовые конструкции

Печатные платы (PCB -Printed Circuit Board) предназначены для механического крепления и электрического соединения радиоэлектронных компонентов между собой в соответствии с заданной электрической схемой.

По конструкции печатные платы подразделяют на:

Односторонние печатные платы (ОПП) - платы у которых проводящий рисунок расположен только с одной стороны. Односторонние печатные платы применяются для простейших задач, таких например, как изготовление блоков питания, или телевизионных пультов. Эти платы просты и дешевы в изготовлении.

Двусторонние печатные платы (ДПП) - платы, электрические соединения которых осуществляются с обеих сторон. Двусторонние платы - на сегодняшний момент являются наиболее распространенными в силу своей относительной простоты, умеренной стоимости и хорошей коммутационной способности.

Многослойные печатные платы (МПП) - это те платы, у которых число слоев электрической коммутации 3 и более. Многослойные платы дороже своих конкурентов, но только они позволяют существенно повысить плотность монтажа электронных компонентов и осуществить коммутацию современных сложных микросхем типа BGA.

Многослойные платы в зависимости от своей конструкции и технологии изготовления можно разделить на группы. Вот некоторые из них:

- Платы со сквозной металлизацией,

- Платы с глухими отверстиями,

- Платы со слепыми отверстиями,

- Платы с микроотверстиями.

В последнее время к печатным платам стали относить и конструкции, ранее таковыми не считавшиеся. Бурный рост технологических возможностей привел к появлению таких понятий как:

- гибкая плата

- гибкая многослойная плата,

- Гибко-жесткая плата,

- Металлофрезерованная плата.

32. Основные параметры печатных плат

Геометрические размеры и точность их выполнения.

t - ширина проводника,

S - зазор между элементами рисунка,

D - диаметр контактной площадки,

d - диаметр отверстия,

b - гарантированный поясок, b=(D-d)/2.

Точность изготовления печатных плат зависит от комплекса технологических характеристик и с практической точки зрения определяет основные параметры элементов печатной платы.

Минимальная ширина проводника и минимальный зазор между проводниками определяются качеством технологического процесса и толщиной медной фольги. Чем она толще, тем больше должны быть минимальные размеры проводников и зазоры между ними.

Величина гарантированного пояска определяется в первую очередь точностью работы сверлильного станка и точностью совмещения фотошаблонов. Нужен этот поясок для того, чтобы всегда гарантировать наличие электрического контакта между проводником и металлизированным отверстием.

Минимальный диаметр отверстия также зависит и от качества оборудования и от технологии изготовления печатных плат. При малом диаметре отверстия и большой толщине платы возникают проблемы с доставкой электролита внутрь отверстия на этапе металлизации.

Электрические параметры.

· Диэлектрическая постоянная материала, из которого изготовлена печатная плата. Величина эта относительная и показывает, во сколько раз скорость распространения радиоволн в данном материале изменяется по сравнению с распространением волны в вакууме.

· Тангенс угла потерь. Он определяет скорость затухания сигнала при распространении его на печатной плате. Чем меньше этот тангенс - тем лучше, тем значит более качественный материал диэлектрика.

· Удельное сопротивление подложки, оно определяет токи утечки на плате

· Удельное сопротивление проводников и пробивное напряжение изоляции.

Механические свойства.

· Жесткость платы, которая зависит как от типа материала, из которого изготовлена, так и от толщины печатной платы. Знание этих параметров необходимо при расчетах устойчивость к внешним воздействиям, таким как удар или вибрация.

· Коэффициент термического расширения

Тепловые параметры.

Коэффициенты теплопроводности как диэлектрика печатных плат, так и проводящего медного рисунка. Исходя из величины этих параметров и реальной структуры платы (количества слоев, их толщина и расположение) можно рассчитать тепловое сопротивление того или иного участка платы.

33. Типовая технология изготовления двусторонних печатных плат



34. Материалы для изготовления и покрытия печатных плат

В качестве диэлектрического основания при изготовлении печатных плат обычно используются следующие материалы:

· Геттинакс - прессованная, пропитанная смолой бумага.

· Текстолитом - прессованная пропитанная смолой ткань.

· Стеклотекстолит - пропитанная в эпоксидной смоле стеклоткань.

При изготовлении односторонних и двусторонних печатных плат используют диэлектрики, например стеклотекстолит, с уже наклеенной на них медной фольгой, такие материалы принято называть ламинатами.

У двухсторонних печатных плат толщина фольги с обеих сторон имеет одинаковую толщину, это связано с тем, что иначе плата может погнуться при нагреве.

При изготовлении многослойных печатных плат обычно в качестве основы используют двусторонний фольгированный материал, называемый в данном случае уже ядром. Далее на это ядро наносятся тонкие листы стеклоткани называемой препрегом или лакотканью, и листы медной фольги.

Кроме основных материалов - фольги и диэлектрика, в печатных платах используются и другие материалы, в первую очередь это покрытия.

Так как медь на воздухе окисляется и появляется зеленоватый налет, контактные площадки обычно покрывают специальными покрытиями, обеспечивающими хорошую пайку элементов и долговременную защиту от неблагоприятных внешних воздействий.

· Облуживание контактов припоем олово-свинец, чаще всего такое облуживание производится поверх подслоя никеля. Его выравнивают с помощью сильной струи горячего воздуха, называемой воздушным ножом.

· Иммерсионное золочение - производится не прямо на медь, а обязательно на подслой никеля толщиной 5-7 мкм, толщина золота весьма невелика и колеблется от 0,05 мкм до 0,1 мкм.

Покрытия печатных плат в отличие от покрытий контактов как раз на контакты и не кладутся. Самое известное и наиболее распространенное покрытие - это паяльная маска. Обычно паяльная маска наносится на всю поверхность печатной платы за исключением контактных площадок, мест подсоединения теплоотводящих радиаторов. Она также не наносится на край платы и на неметаллизированные отверстия, поскольку является хрупкой, а механическая обработка плат производится уже после нанесения маски. Основное назначение - защита поверхности печатной платы от термоудара в процессе облуживания или при пайке, защиту поверхности от грязи, защиту от замыкания припоем соседних контактов при пайке, но не защита платы от влаги.

35. Типы отверстий в печатных платах, обработка контура печатной платы, учет технологии изготовления при проектировании печатной платы

В двусторонней печатной плате (в отличие от односторонней) кроме неметаллизированных отверстий могут быть и металлизированные. Если в эти отверстия в дальнейшем будут установлены и припаяны проволочные выводы элементов, то такие отверстия принято называть сквозными контактными площадками (Pad), они, кстати, не закрываются при изготовлении паяльной маской. Если же отверстия служат только для электрического соединения проводников верхнего и нижнего слоев, то их называют переходными отверстиями (Via), при этом диаметр отверстия стараются взять минимально возможным, чтобы не занимать лишнего места на печатной плате.

Обработка плат по контуру осуществляется после штамповки фрезерованием, алмазной резкой, резкой на гильотинах или штамповкой. В условиях опытного нли мелкосерийного производства целесообразно применять обрезку по контуру с помощью алмазных или абразивных кругов. Проверку производят сличением с эталоном при помощи лупы/микроскопа.

36. Основные понятия теории графов: ориентированные и неориентированные графы, связность, изоморфизм, клики, деревья, двудольные графы

Ориентированный граф определяется как пара (V, E), где V - конечное множество вершин графа, а Е - множество дуг - подмножество множества V х V.

В неориентированном графе G = (V,E) множество Е называют множеством рёбер графа. Множество Е состоит из неупорядоченных пар вершин: парами являются множества {и, v}, где и, v є V и и ? v.

Неориентированный граф называется связным, если для любой пары вершин существует путь из одной в другую. Ориентированный граф называется сильно связным, если из любой его вершины достижима (по ориентированным путям) любая другая.

Классы эквивалентности называются связными компонентами графа. Неориентированный граф связен тогда и только тогда, когда он состоит из единственной связной компоненты, ориентированный граф сильно связен тогда и только тогда, когда состоит из единственной сильно связной компоненты. Любой ориентированный граф можно разбить на сильно связные компоненты.

Два графа G = (V, Е) и G' = (V',Е') называются изоморфными, если существует взаимно однозначное соответствие f: V > V' между множествами их вершин, при котором рёбрам одного графа соответствуют рёбра другого. Можно сказать, что изоморфные графы - это один и тот же граф, в котором вершины названы по-разному.

Полным графом называют неориентированный граф, содержащий все возможные рёбра для данного множества вершин (все вершины попарно смежны). Соответственно, граф, в котором все вершины попарно несмежны, называют пустым. Полный подграф, не являющийся подграфом другого полного подграфа называется максимальным полным подграфом или кликой. Граф на рис.1.3 содержит три клики: {x1, x2, x5, x6}, { x2, x3, x6} и { x3, x4}.

Неориентированный граф (V,Е) называют двудольным, если множество вершин V можно разбить на две части V1 и V2 таким образом, что концы любого ребра оказываются в разных частях (подграфы, порожденные множествами вершин V1 и V2, являются пустыми).

Ациклический неориентированный граф называют лесом, а связный ациклический неориентированный граф называют деревом.

37. Алгоритмы нахождения кратчайших деревьев в графе

Пусть имеется связный неориентированный граф G(V,E), в котором V - множество контактов, а E - множество их возможных попарных соединений. Для каждого ребра графа (u,v) задан неотрицательный вес w(u,v). Задача состоит в нахождении подмножества T ?E, связывающего все вершины, для которого суммарный вес минимален.