Конструкторское проектирование

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………..2

1. Конструкторское проектирование
1. Постановка задачи……………………………………………………….3
2. Модели конструкций и схем……………………………………………6
3. Алгоритмы компоновки………………………………………………..10
4. Алгоритмы размещения………………………………………………..14
5. Алгоритмы трассировки……………………………………………….19
2. Общие сведения о системе проектирования печатных плат P-CAD……26

Заключение…………………………………………………………….........30

Список используемой литературы………………………………………...31

Приложение 1: Спецификация

Приложение 2: Схема электрическая  принципиальная

Приложение 3: Перечень элементов

Приложение 4: Чертеж печатной платы

Приложение 5: Сборочный чертеж

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

        Печатные платы являются основным элементом электронной аппаратуры (ЭА), выполняя функции несущей конструкции и коммутационного устройства на различных уровнях разукрупнения аппаратуры:

1) в микросборках;

2) в ячейках;

3) в коммутационных (монтажных)  панелях.

        Печатные платы широко применяются в бытовой технике, аппаратуре средств связи, вычислительной технике, в системах автоматизации, контрольно-измерительной аппаратуре, в медицинском приборостроении, в автомобильной промышленности, в других областях промышленной электроники, в авиационной, космической промышленности, в спецтехнике, в городском коммунальном хозяйстве, экологического контроля воды, воздуха, земли по радиационным, физическим, механическим и химическим параметрам.

        Одной из проблем в настоящее время является разработка и производство ПП, соответствующих мировому современному уровню для обеспечения конкурентоспособности ПП, которая определяется их качеством, надежностью и безопасностью эксплуатации. Проблема осложняется постоянным ростом функциональной и конструктивной сложности электрорадиоизделий (ЭРИ), устанавливаемых на ПП, а также процессом миниатюризации ЭА, отставанием технологических возможностей межэлементной коммутации, что требует повышения трассировочных возможностей ПП за счет повышения плотности монтажа, уменьшения ширины печатных проводников и расстояний между ними, увеличения числа слоев многослойных печатных плат (МПП), уменьшения габаритов и массы ЭА и, соответственно, ПП. Таким образом, конструкция и технология сборки электронных модулей на ПП — «электронная сборка» (electronic assembly) — требует от производителя ПП постоянного совершенствования конструкции и технологии.

        Система автоматизированного проектирования  ПП представляет собой сложный  комплекс программ, применяемый  для автоматизации проектирования  и подготовки производства ПП, начиная с прорисовки электрической принципиальной схемы, размещения ЭРИ, ПМК и других этапов, трассировки соединений и заканчивая выводом на печать конструкторской и технологической документации на ПП и разработкой управляющих файлов для сверлильно - фрезерных станков, фотоплоттеров, фотокоординатографов. Таким образом, САПР ПП представляют собой сквозные системы проектирования.

        Основными требованиями, предъявляемыми  к современным САПР ПП, являются:

•   полная русификация системы;

•  поддержка  системы сквозного проектирования в реальном времени;

•   возможность адаптации к технологии проектирования и производства  

     ПП на конкретном предприятии;

•   наличие отечественных и импортных  баз данных ЭРИ и ПМК;

•   наличие интерфейса с технологическим  оборудованием;

•  наличие  автоматического размещения ЭРИ  и ПМК и трассировки ПП;

•   автоматизированный выпуск конструкторской  документации в                      

     соответствии с ГОСТ 2.123—93;

•   возможность импорта/экспорта с  другими САПР через список цепей  и 

     перечень элементов;

•   расширение функциональности (проверка электромагнитной, термической

    совместимости и т. д.);

•   невысокая стоимость и др.

        Рынок программного  обеспечения для проектирования  и подготовки производства ПП  в настоящее время многообразен  и постоянно расширялся. Применение той или иной САПР ПП зависит от уровня решаемых задач, применяемого на предприятии технологического оборудования, от конструкции ПП и пр.

 

1. Конструкторское проектирование

 

1.1 Постановка задачи

 

        На этапе конструкторского проектирования  РЭА функционально-логическая или  принципиальная электрическая схема  преобразуется в совокупность конструктивных узлов, которые осуществляют ее физическую реализацию. При этом необходимо рассматривать размеры ИС, транзисторов, резисторов, конденсаторов и других радиокомпонентов, размеры проводников и расстояния между ними, размеры сменных блоков, число контактов разъема на сменных блоках, вид монтажа для проведения соединений. Кроме того, следует обеспечить заданные требования к надежности работы устройства в заданных физических и климатических условиях, возможность ремонта, приемлемую стоимость изготовления и обслуживания, уложиться в заданные габариты и весовые показатели.

        Основным принципом конструирования  РЭУ является модульность построения устройств, причем модульная структура имеет, как правило, иерархический характер. Наиболее ярко это проявляется при конструировании ЭВА, имеющей относительно высокую степень унификации схемных решений. Модули различного уровня сложности объединяются в устройствах в соответствии с их функциональной иерархией (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Иерархия конструктивных модулей

 

        Модуль уровня 1 представляет - собой или ИС, содержащую несколько логических элементов типа И, ИЛИ, НЕ, или фрагмент БИС — триггер, регистр. Модуль уровня 2 объединяет на одной печатной плате (обычно двусторонней) несколько десятков ИС или несколько БИС и является типовым элементом замены (ТЭЗ), который используется для оперативной замены при возникновении неисправностей в устройстве. Модуль уровня 3 объединяет ТЭЗы в блоки, которые конструктивно могут быть оформлены в виде кассеты с панелью, имеющей проводной или печатный монтаж. Модуль уровня 4 представляет отдельное устройство и содержит ряд кассет, конструктивно объединяемых в стойку или шкаф, в котором межпанельные соединения осуществляются жгутовым монтажом.

        Соединения в РЭУ в значительной  степени определяют их основные технические параметры, такие как вес, объем, надежность, быстродействие. Например, при переходе от узлов низшего конструктивного уровня к высшему (ИС — печатные платы — панели) происходят значительные потери плотности компоновки элементов, что увеличивает время распространения электрических сигналов.

        Системы   автоматизированного   конструкторского    (технического) проектирования в первую очередь были реализованы для проектирования двухслойных и многослойных печатных плат, а также для выпуска технической документации, в состав которой входят электрические схемы и сборочные чертежи, таблицы цепей и спецификационные таблицы, технологическая документация на машинных носителях. Технологическая документация в виде, например, перфолент представляет собой управляющие программы автоматов для изготовления фотошаблонов, сборки, пайки, сверления монтажных отверстий, контроля монтажа, а затем и тестового контроля логического функционирования ячеек.

        При техническом проектировании  предпочтение отдается автоматическим  системам, когда по исходному  описанию схемы обеспечивается проектирование и выпуск документации без участия человека. Это значительно снижает вероятность внесения ошибок и повышает производительность труда проектировщиков, так как ЭВМ передаются утомительные рутинные операции.

        Типовые в содержательном плане  задачи конструирования РЭУ, которые  требуется решать для устройств,  как различного уровня сложности,  так и различной степени интеграции, имеют общую природу с точки  зрения автоматизации проектирования. Они решаются с использованием общего семейства алгоритмов, при конкретной реализации которых на ЭВМ в САПР учитывается применяемая технология изготовления устройств. Такими типовыми задачами являются компоновка блоков, размещение компонентов и трассировка монтажных соединений. Эти задачи являются оптимизационными.

        Среди алгоритмов конструкторского  проектирования выделяются два основных класса; конструктивные и итерационные.

        Конструктивные  алгоритмы формируют проектное решение за ряд последовательных шагов: выбирается один элемент схемы рассматриваемого уровня, к нему по определенным правилам присоединяется второй, к полученному комплексу элементов — третий и т.д. Алгоритмы, использующие подобную методологию, называются последовательными. Алгоритмы, в которых формируется несколько групп элементов в пределах одного шага, называются параллельными. Разработаны также комбинированные последовательно-параллельные конструктивные алгоритмы.

        Итерационные  алгоритмы, в отличие от конструктивных, требуют задания начального приближенного решения задачи конструкторского проектирования, которое затем улучшается. Начальное решение задается конструктором-проектировщиком или получается на ЭВМ как результат работы конструктивного алгоритма. Примером итерационного алгоритма является процедура парных перестановок, состоящая в том, что делается попытка попарно поменять местами друг с другом все элементы конструкции с целью улучшения проектировочного решения на основании максимизации или минимизации заданной функции критерия качества. Аналогична процедура групповых перестановок, в которой производится обмен группами элементов. Основанные на этой процедуре алгоритмы являются параллельно-итерационными.                              

        Задачи конструкторского проектирования  имеют по своему существу комбинаторный характер. Проектируемая РЭА при детализации ее до уровня радиокомпонентов имеет число элементов N= 10²... 10⁷. Поэтому решение комбинаторных задач оптимального проектирования методами, использующими прямой перебор N! вариантов, практически неприемлемо.

        С целью сокращения временных  затрат, которые в реальных задачах  конструкторского проектирования  очень велики, используются различные способы сокращения перебора вариантов. Вследствие этого в автоматизированном конструкторском проектировании наибольшее распространение получили эвристические алгоритмы, предназначенные для специализированных методов, учитывающих, как правило, особенности технологии изготовления схем. В эвристических алгоритмах также используются конструктивные и итерационные процедуры.

        Очевидно, что само выделение  трех этапов конструкторского  проектирования — компоновки, размещения и трассировки,—(направлено на снижение размерности общей задачи. Декомпозиция задачи производится таким образом, что сначала осуществляется компоновка путем оптимальной группировки функциональных узлов, затем размещение компонентов выделенных узлов в их монтажном пространстве с учетом критериев, отражающих оптимальность последующего этапа — трассировки межсоединений. Последняя задача конструкторского проектирования — трассировка — является практически наиболее важной, но до настоящего времени она не имеет полностью автоматического решения. После работы программ автоматической трассировки остается порядка 5...10% неразведенных соединений, которые затем дорабатываются конструкторами.

 

 

 

 

2. Модели конструкций и схем

 

        Наиболее общей моделью конструкции является монтажное пространство, размеры которого соответствуют габаритным размерам схемы k-го уровня иерархии.

        Математическая модель монтажного  пространства, как правило, дискретна.  В этом случае она представляет собой описание координатной сетки с равномерным или неравномерным шагом (рис. 1.2). Возможные позиции элементов характеризуются целочисленными индексами, а не действительными значениями координат, что удобно для алгоритмизации задач конструирования. Обычно проектируются и реализуются двухслойные и многослойные конструктивные элементы, причем каждый слой имеет свой номер. Поэтому для описания местоположения элемента в слое достаточно двух индексов. При этом расстояние определяется в относительных единицах. Примерами физического представления плоского монтажного пространства служат печатная плата, подложка микросборки,  слой   кристалла БИС.

Рисунок 1.2 – Регуляторное монтажное пространство с ортогональной метрикой

        Поскольку задачи конструкторского  проектирования практически всегда связаны с оценкой длины соединений, то в монтажном пространстве задаются различные метрики. Например, расстояние d_ij между i-м и j-м компонентами схемы определяют следующими способами:

1.1)

 

        Первый способ дает оценку  длины соединения между двумя  точками с координатами (x_i, y_i), (x_j, y_j) по кратчайшему расстоянию (рис. 1.3,а, б). Второй способ предназначен для оценки длины ортогональных соединений, прокладываемых параллельно осям координат (рис. 1.3,в—д), когда соединения проводятся по магистралям или каналам. Третий способ полезен, когда в задачах оптимизации требуется уменьшение не только суммарной, то и максимальной длины проводников. При использовании последней метрики при s=2, 3, ... «длинные» соединения сильнее влияют на функцию оптимизации.