Конструкторское проектирование

Рисунок   1.11 - Трассировка   соединений     волновым   алгоритмом при наличии препятствий

 

        Большинство известных универсальных  алгоритмов трассировки основывается  на волновом алгоритме определения  пути (трассы соединений элементов), минимизирующем некоторую монотонную многомерную функцию качества этого пути. Идея волнового алгоритма иллюстрируется на рис. 1.11, где соединяются элементы А и В, расположенные в точках (1, 4) и (4, 7) регулярного монтажного пространства. Цифрами 0, 1, 2,..., 14 показаны «фронты» распространения волны от точки (1, 4) — состояние 0, до тех пор пока она не достигнет точки (4, 7) — состояние 14. Оптимальная трасса получается соединением точек в обратной последовательности 14-13-...-1-0, как трасса, имеющая минимальную длину, минимальное число изгибов и обеспечивающая максимальную плотность монтажа. Штрихами показаны трассы, имеющие ту же длину, но худшие по остальным критериям. Модификации волнового алгоритма направлены на повышение быстродействия и уменьшение требуемого объема памяти.

Рисунок  1.12 - Трассировка   соединений   лучевым   алгоритмом при наличии препятствий.

 

        Трассировка с использованием  другого эвристического алгоритма — лучевого — показана на рис. 1.12. Между соединяемыми точками А (6, 3) и В (5, 8) проводится луч. При переходе к следующей точке монтажного пространства определяется направление трассы, минимально отличающееся от направления луча с учетом указанного на диаграмме приоритета (нумерации направлений) и необходимости обхода препятствий, образованных занятыми позициями. Штриховой линией отмечен оптимальный путь (его длина в два раза меньше первого), проложенный при проведении луча от В к А, т. е. в обратном направлении.

        Следует отметить, что приведенные  при рассмотрении постановки задачи трассировки критерии оптимальности вводятся не для управления процессом трассировки, а лишь для оценки качества полученного решения.

        В ряде случаев делается попытка  учесть последующие шаги трассировки  и организовать параллельную  трассировку всех соединений. Примером являются алгоритмы, использующие канальное представление магистралей  межсоединений.  На  рис.   1.13  показана сеть вертикальных В₁, В₂, В₃ и горизонтальных Г₁, Г₂, Г₃ каналов, на которой проведено соединение двух элементов. Приведенная конструкция с двумя слоями горизонтальной и вертикальной коммутации и возможностью введения контактных переходов в точках сопряжения горизонтальных и вертикальных слоев типична для устройств, реализуемых на двухсторонних печатных платах, а также для больших гибридных и монолитных интегральных схем. В алгоритмах, использующих представление о каналах, трассировка осуществляется в два  этапа:  предварительная, с целью распределения трасс по каналам при равномерной их загрузке, и окончательная, в процессе которой уточняется расположение соединений на магистралях каналов.

Рисунок   1.13 -  Трассировка   соединений с использованием каналов

 

        Особый тип алгоритмов предназначен для трассировки соединений на плоскости без пересечений (см. рис. 1.10). Они используются при проектировании однослойного монтажа при наличии в устройстве разнотипных по форме и размерам элементов.

        В связи с тем, что ни один  из известных    алгоритмов   не    гарантирует полной  трассировки при автоматизированном  проектировании, считается целесообразным, чтобы в развитых системах автоматизированного конструкторского проектирования было несколько различных программ трассировки и имелась возможность их совместного использования при решении одной задачи. Оставшиеся непроложенными после трассировки соединения дорабатываются конструкторами вручную или в диалоговом режиме взаимодействия с ЭВМ.

        Следует отметить, что при использовании  САПР время проектирования топологии устройств, содержащих 20... 30 ИС, сокращается приблизительно на порядок, а для БИС практически нет другого способа достижения высокого качества проекта и его документации. Однако большим недостатком современных систем автоматизированного конструкторского проектирования является необходимость огромного объема исходной информации, которая может готовиться порядка нескольких .недель для БИС с уже разработанной логической схемой. Для преодоления этого недостатка необходимы создание САПР, соединяющих все этапы проектирования РЭА и имеющих интегрированную базу данных, содержащую инвариантную информацию, пополняемую в процессе разработки, а также стандартизация наиболее рациональных схемотехнических и конструктивных решений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Общие сведения о системе проектирования  P-CAD

 

        Система P-CAD предназначена для проектирования многослойных печатных плат (ПП) вычислительных и радиоэлектронных устройств. В состав P-CAD входят четыре основных модуля - P-CAD Schematic, P-CAD PCB, P-CAD Library Executive, P-CAD Autorouters и ряд других вспомогательных программ (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 - Структура системы проектирования P-CAD

 

        P-CAD Schematic и P-CAD PCB - соответственно графические редакторы принципиальных электрических схем и ПП. Редакторы имеют системы всплывающих меню в стиле Windows, а наиболее часто применяемым командам назначены пиктограммы, в поставляемых вместе с системой библиотеках зарубежных цифровых ИМС имеются три варианта графики: Normal - нормальный (в стандарте США), DeMorgan — обозначение логических функций, IEEE — в стандарте Института инженеров по электротехнике (наиболее близкий к российским стандартам).

        Редактор P-CAD PCB может запускаться автономно и позволяет разместить модуль на выбранном монтажно—коммутационном поле и проводить ручную, полуавтоматическую и автоматическую трассировку проводников. Если P-CAD PCB вызывается из редактора P-CAD Schematic, то автоматически составляется список соединений схемы и на поле ПП переносятся изображения корпусов компонентов с указанием линий электрических соединений между их выводами. Эта операция называется упаковкой схемы на печатную плату. Затем вычерчивается контур ПП, на нем размещаются компоненты и, наконец, производится трассировка проводников.

        Применение шрифтов True Type позволяет использовать на схеме и ПП надписи на русском языке.

        Автотрассировщики вызываются из управляющей оболочки P-CAD PCB, где и производится настройка стратегии трассировки. Информацию об особенностях трассировки отдельных цепей можно с помощью стандартных атрибутов ввести на этапах создания принципиальной схемы или ПП. Первый трассировщик Quickroute относится к трассировщикам лабиринтного типа и предназначен для трассировки простейших ПП. Второй автоматический трассировщик PRO Route трассирует ПП с числом сигнальных слоев до 32. Трассировщик Shape-Dased Autorouter - бессеточная программа автотрассировки ПП. Программа предназначена для автоматической разводки многослойных печатных плат с высокой плотностью размещения элементов. Эффективна при поверхностном монтаже корпусов элементов, выполненных в различных системах координат. Имеется возможность размещения проводников под различными углами на разных слоях платы, оптимизации их длины и числа переходных отверстий.

        Document Toolbox - дополнительная опция P-CAD Schematic и P-CAD PCB для размещения на чертежах схем или ПП различных диаграмм и таблиц, составления различных списков и отчетов, которые динамически обновляются, таблиц сверловки, данных о структуре платы, технологической и учетной информации, размещения на чертежах схем списков соединений, выводов подключения питания и другой текстовой информации. Программа предназначена для расширения возможностей выпуска технической документации без использования чертежных программ типа AutoCAD. Document Toolbox позволяет автоматизировать создание конструкторской документации, необходимой для производства проектируемых ПП.

        Specctra - программа ручного, полуавтоматического и автоматического размещения компонентов и трассировки проводников. Трассирует ПП большой сложности с числом слоев до 256. В программе используется так называемая бессеточная Shape-Based - технология трассировки. За счет этого повышается эффективность трассировки ПП с высокой плотностью размещения компонентов, а также обеспечивается трассировка одной и той же цепи трассами различной ширины. Программа Specctra имеет модуль AutoPlace, предназначенный для автоматического размещения компонентов на ПП. Вызов программы производится автономно из среды Windows или из программы P-CAD PCB.

        P-CAD Library Executive - менеджер библиотек. Интегрированные библиотеки P-CAD содержат как графическую информацию о символах и типовых корпусах компонентов, так и текстовую информацию (число секций в корпусе компонента, номера и имена выводов, коды логической эквивалентности выводов и т.д.). Программа имеет встроенные модули: Symbol Editor — для создания и редактирования символов компонентов и Pattern Editor — для создания и редактирования посадочного места и корпуса компонента. Упаковка вентилей компонента, ведение и контроль библиотек осуществляются модулем Library Executive. Модуль имеет средства просмотра библиотечных файлов, поиска компонентов, символов и корпусов компонентов по всем возможным атрибутам.

        Вспомогательные утилиты, образующие интерфейс DBX (Data Base Exchange), в частности, производят перенумерацию компонентов, создают отчеты в требуемом формате, автоматически создают компоненты, выводы которых расположены на окружности или образуют массив, рассчитывают паразитные параметры ПП и т. п.

Основные характеристики системы проектирования p-cad приведены ниже.

Общие характеристики:

• 32-разрядная база данных;
• разрешающая способность P-CAD PCB и других программ равна 0,001мм;
• до 100 открытых одновременно библиотек;
• число компонентов в одной библиотеке - неограниченно;
• до 64 000 электрических цепей в одном проекте;
• до 10 000 выводов в одном компоненте;
• до 5000 секций (вентилей) в одном компоненте;
• до 2000 символов в атрибуте компонента;
• до 2000 символов в текстовой строке;
• до 20 символов в имени вывода, имени цепи, позиционном обозначении вывода (пробелы, знаки табуляции, точки и скобки не допускаются);
• до 16 символов в имени типа компонента (пробелы и знаки табуляции не допускаются);
• до 30 символов в позиционном обозначении компонента (двоеточие, пробелы, знаки табуляции, точка и точка с запятой не допускаются);
• до 8 символов в имени файла (в том числе и при работе в среде windows);
• многошаговый «откат» вперед и назад. по умолчанию количество запоминаемых шагов установлено равным 10, но эту величину можно при необходимости изменить, редактируя файл конфигурации *.ini.
• минимальный шаг сетки 0,1 mil в английской системе и 0,001 мм в метрической системе (1 mil = 0,001 дюйма = 0,0254 мм, 1 мм = 40 mil). систему единиц можно изменять в любой фазе проекта.

 

Графический редактор принципиальных схем P-CAD Schematic:

• до 99 листов схем в одном проекте, максимальный размер листа 60х60 дюймов;
• поддержка стандартных форматов листов от A до E, A0-A4 и др. форматов;
• дискретность угла поворота компонента 90°;
• работает утилита ERC для просмотра и сортировки ошибок в принципиальных схемах;
• перекрестные связи между P-CAD Schematic и P-CAD PCB позволяют для выбранной на схеме цепи высветить на ПП соответствующий ей проводник и наоборот;
• возможна передача данных в программу моделирования Dr. Spice A/D.

 

Графический редактор печатных плат, P-CAD PCB:

• до 99 слоев в ПП, из них 11 слоев предварительно определены;
• максимальный размер ПП 60х60 дюймов;
• автоматическая коррекция принципиальных схем по изменениям в печатной плате и наоборот (коррекция «назад» и «вперед»);
• до 64 000 типов контактных площадок в проекте;
• ширина проводника на ПП до 10 мм;
• до 64 000 стилей стеков контактных площадок в проекте;
• контактные площадки различных форм: эллипс, овал, прямоугольник, скругленный прямоугольник, сквозное переходное отверстие, перекрестье для сверления (target), непосредственное соединение, тепловой барьер с 2 или 4 перемычками;
• контроль соблюдения зазоров и полноты разводки пп;
• минимальный дискрет угла поворота текста и графических объектов — 0,1 град;
• поддержка управляющих файлов фотоплоттеров Gerber и сверлильных станков с ЧПУ типа Excellon.

 

Заключение

 

 В результате курсового проекта мною была собрана принципиальная электрическая схема и разработана топология печатной платы простых первичных часов в системе автоматизированного проектирования печатных плат P-CAD. Были систематизированы, закреплены и расширены теоретические знания по дисциплине «Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭА».

При выполнении теоретической части курсового проектирования мною были рассмотрены теоретические основы конструкторского проектирования РЭА, а именно:

• постановка задачи при конструкторском проектировании РЭА;
• рассмотрены математические модели конструкций и схем;
• рассмотрены алгоритмы компоновки печатных плат;
• рассмотрены алгоритмы размещения печатных плат;
• рассмотрены алгоритмы трассировки печатных плат.