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.

Рисунок 1.3- Виды монтажных соединений:

а — цепь; б — звезда; в — д — ортогональные соединения.

 

        Таким образом, введение метрики  монтажного пространства позволяет  дать количественную оценку качества  размещения элементов и монтажа.

        Рассмотрим математические модели  радиоэлектронных схем, используемые  в автоматизированном конструкторском  проектировании. Любую исходную схему (функционально-логическую или принципиальную электрическую)  представляют как коммутационную. Коммутационная схема — это набор элементов, связанных между собой соединениями, по которым подаются сигналы на полюсы элементов  (рис. 1.4,а).

        Элементы схемы и внешние выводы  каждого элемента нумеруются, а выводы схемы, имеющие одинаковый потенциал, группируются в комплексы соединений, также нумерованные (рис.  1.4,б).

        Перенумерованные n элементов схемы составляют множество Е={е_i, i=0, 1, 2, ..., п}. Внешние выводы элементов образуют семейство множеств {C_i= {c_ij, j= 1, 2, ..., k_i}, i=0, 1, 2,..., n}, где i —номер элемента; j—номер вывода в данном элементе; k_i — число выводов i-го элемента. Отметим, что элементы множества С₀ относятся к внешним выводам схемы, образуя специальную группу. Комплексы соединений, выделенные на рис. 1.4,б пунктирными линиями, образуют семейство множеств V={v_i, i= 1, 2,..., М}, где v_i — множество эквипотенциальных выводов схемы; М — число комплексов. Поскольку выводы, принадлежащие различным комплексам соединений, непосредственно не связаны (только через элемент), то

 

C=,          ,                              (1.2) 

 

        Приведенное формальное описание  может быть представлено в  виде графа (рис. 1.4,в), если элементы  множеств Е, С, V рассматривать как вершины, а также ввести ребра, определяющие принадлежность выводов элементам (элементные ребра F) и принадлежность выводов комплексам соединений (сигнальные ребра W). Подобная математическая модель в виде графа широко используется в задачах дискретной оптимизации.

        Граф с вершинами трех типов (Е, С, V) и ребрами двух типов (F, W) дает наиболее детальное представление схемы. Этот граф используется при задании полной информации о схеме в процессе автоматизированного проектирования. Однако в ряде задач и алгоритмов можно обойтись меньшим объемом информации о схеме, например, используя граф, полученный после втягивания вершин d в вершины Е и удаления элементных ребер F (рис. 1.4,г).

        Для отображения коммутационной  схемы в ЭВМ применяется как  матричное, так и списочное  представления рассмотренного графа.  В матричном представлении используются  матрицы инциденций «номер комплекса  — номер  вывода элемента»  или «номер элемента — номер    вывода элемента» размерности и соответственно. Содержащее ту же информацию списочное представление позволяет сократить объем исходных данных, а также повысить эффективность алгоритмов как по памяти, так и по времени (здесь следует провести аналогию с применением разреженных матриц при задании топологической информации о схеме при электрическом расчете)

Рисунок 1.4 - Представление модели коммутационной схемы в задачах автоматизированного конструкторского проектирования:

а — коммутационная схема; б — комплексы соединений на схеме; в — граф схемы; г — граф элементарных комплексов соединений; д — матричное и списочное описания комплексов соединений; е — сокращенное табличное описание графа схемы (n×k — число элементов, k=max ; i=0, 1, ..., п — максимальное число выводов элементов).

 

        Пример матричного и списочного описания полной модели (см. рис. 1.4,е) коммутационной схемы представлен на рис. 1.4 д. Наиболее компактный способ записи информации о коммутационной схеме дает описание графа с помощью одной свернутой матрицы, строки которой соответствуют элементам схемы, столбцы — номерам выводов элементов, а элементами матрицы являются номера комплексов соединений, которым принадлежат выводы (рис. 1.4,е). Как и в предыдущем примере, вместо матрицы может использоваться списковая структура. Последнее представление удобно для подготовки исходной информации, так как, являясь наиболее кратким, оно в то же время обеспечивает получение любого другого представления графа схемы путем программного преобразования.

 

3. Алгоритмы компоновки

 

        Задача компоновки элементов  устройства в блоки обычно  ставится как задача оптимального разбиения (разрезания) устройства, для которого задана функциональная, логическая или принципиальная схема. Это значит, что известен набор элементов и их соединения в проектируемой аппаратуре. Необходимо разбить заданное множество элементов А на множество R групп элементов A_i, таких, что

 

               (1.3)

N — число групп элементов (блоков, панелей или ТЭЗов в зависимости от уровня, на котором осуществляется разбиение).

        Требуется, чтобы разбиение R было в заданном смысле оптимальным -и удовлетворяло ограничениям, отражающим реализуемость, технологичность, надежность, ремонтопригодность, стоимость производства и т. д. Ограничения могут трансформироваться в критерии оптимизации и наоборот, в результате чего существует целый ряд различных формулировок задачи компоновки.

        При формулировке задач компоновки  используются следующие условия  (критерии оптимизации или ограничения):

1.  Каждый  блок содержит не более Р компонентов и не более Q выводов.

2.  Каждый  блок размещается в заданном  объеме V_i и имеет длину внешних связей сне более Е_i (это модификация первого требования).

3.  Общее  число соединений между N блоками минимально.

4.  Число  блоков - N минимально.

5.  Блоки  выбираются из числа стандартных,  составляющих библиотеку эталонных  элементов (приведение задачи  компоновки к задаче покрытия  схемы совокупностью элементов  стандартного набора).

6.  Число  типов используемых блоков минимально (это задача типизации, решение  которой направлено на ускорение  проектирования, удешевление производства, удобство обслуживания в эксплуатации).

7.  Число  выводов Q_i в каждом блоке минимально (это требование направлено на минимизацию наибольшей задержки прохождения сигнала через систему в предположении, что каждое внешнее соединение вносит существенную задержку, а внутренние соединения вносят пренебрежимо малую задержку).

8.   Выполняются заданные ограничения  на задержки распространения сигналов.

9.  Обеспечивается  удобство тестирования, доступность  элементов в блоках и низкая стоимость ремонта.

        Задача компоновки (оптимального  разбиения) принципиально не может  иметь общего алгоритма автоматизированного  проектирования из-за большого размера и разнообразия условий компоновки. Сложность состоит также в трудности формализации совокупности критериев, часть которых является немонотонными, как и сами конструктивные параметры.

        При решении задач компоновки  используются математические формулировки  задач целочисленного (дискретного)  линейного или нелинейного программирования. Комбинаторные алгоритмы, связанные с перебором всего множества элементов А, как правило, неприемлемы из-за большого размера задачи. Поэтому используются приближенные алгоритмы компоновки последовательного, последовательно-параллельного или итерационного типа.

        В конструктивных последовательных  алгоритмах оптимальное разбиение  формируется путем последовательного  удовлетворения т независимых функций Ф_i — критериев оптимальности — при включении одного элемента или группы элементов. Например, «следующий (j+1)-й» компонуемый элемент выбирается из всех оставшихся элементов, если из элементов, оптимальных по Ф_i, он оптимален также по Ф_i+1 (i= 1, 2,..., т). Формирование следующего k-го блока начинается после завершения формирования предыдущих блоков с номерами  1, 2,... ,k—1. В  конструктивных последовательно-параллельных алгоритмах формируется сразу несколько блоков.

        В итерационных алгоритмах критерий  оптимальности

 

Ф=а₁Ф₁+а₂Ф₂+…+а_mФ_m,                       (1.4)

 

где а₁, а₂, … , а_m, — весовые коэффициенты, которые выбираются эвристически с целью учета неравнозначимости используемых функций оптимизации.

        Набор функций {Ф₁ Ф₂, ... ,Ф_m} определяется количественными представлениями требований компоновки, рассмотренных выше. Если часть требований представлена в виде ограничений, то на каждом шаге алгоритма компоновки проверяются условия, диктуемые этими ограничениями, и в соответствии с результатами проверки изменяется ход процесса компоновки.

        Рассмотрим пример итерационного  алгоритма распределения элементов  по неограниченному числу допустимых  блоков, в каждом из которых суммарный «вес» Р элементов не должен превышать заданной величины Р* при условии, что минимизируется степень связи (число соединений) между блоками.

        Суммарная степень связи, используемая  в качестве критерия оптимальности,  выражается соотношением

 

Ф=                                                         (1.5)

 

где m_RS — коэффициент связи элементов T_R и T_s, принадлежащих разным блокам.

        Модель компонуемой схемы представим  в виде графа, вершинам которого соответствуют элементы устройства. Примем (начальное разбиение (нулевой шаг) на N=n блоков R= {А₁, А₂,... ,А_n}, когда в каждый блок входит одна вершина. Очевидно, что в этом случае значение функции Ф из (1.2) на нулевом шаге Ф₀=max. При объединении двух вершин T_R и T_s в блок A_k число блоков уменьшается (N=N—1) и уменьшается суммарная степень связи (ф₁=ф₀—m_RS). Очевидно, что на каждом i-м шаге максимальное снижение Ф_i получится при объединении блоков, имеющих максимальную степень связи. Однако при объединении блоков увеличивается вес k-ro блока: P_k=P(T_R) + P(T_S). Поэтому процесс объединения допустим до тех пор, пока P_k <Р*. Полученные блоки фиксируются, а включенные в них элементы на следующих шагах компоновки не используются. Результат разбиения схемы приведен на рис.  1.5, где цифры соответствуют весам элементов при P≤10.

В ряде случаев  основу итерационных алгоритмов составляет классическая задача о назначениях. После задания начального разбиения  на блоки осуществляется такое перераспределение  элементов в блоках, которое минимизирует суммарную цену назначения. Процедура компоновки организуется, например, по алгоритму парных перестановок следующим образом. Из каждого блока выносят по одному компоненту, а затем вносят каждый из них на все свободные места, определяя при этом суммарный качественный показатель. Перестановка фиксируется и закрепляется, если

Рисунок   1.5 -  Пример   применения   алгоритма   компоновки: результат разбиения схемы при P≤10

 

качественный показатель уменьшается. Использование упорядочения в переборе позволяет сократить число рассматриваемых вариантов. Пример применения подобного алгоритма показан на рис.  1.6.

Рисунок   1.6 -  Пример   применения   итерационного   алгоритма   назначения для компоновки:

а — начальное разбиение; б — окончательное разбиение.

       

В случае, когда при компоновке блоков необходимо минимизировать задержку, вносимую внешними соединениями (т. е. требуется сократить число внешних соединений), одним из способов является дублирование элементов. Это характерно для технологии микроэлектроники, когда цена внешнего соединения много выше цены внутренних, в том числе дополнительных элементов схемы. Дублирование элементов используется в сочетании с другими рассмотренными выше алгоритмами компоновки.

Рисунок  1.7 - Пример  использования нескольких алгоритмов  компоновки:

а — результат применения итерационного  алгоритма по методу парных  перстановок (I — начальное разбиение {1, 2}, {3, 4, 5}; II — улучшенное разбиение {1, 4}, {2, 3, 5}); б — оптимизация разбиения дублированием элемента 3.

 

        В качестве примера на рис.  1.7,а для простой логической схемы показано начальное разбиение. Пунктирная линия I разделяет элементы схемы на два блока, при образовании которых потребуется введение 2×7=14 дополнительных контактных площадок. Там же показано улучшенное разбиение, полученное после применения итерационного алгоритма парных перестановок: пунктирные линии || разделяют элементы схемы на два (блока, в результате чего образуются 2×4=8 новых контактных площадок (на рисунках обозначены □)). Дублирование в этой схеме элемента 3 обеспечивает возможность разбиения ее на два блока при введении лишь 2×3=6 контактных площадок (рис. 1.6,б). Иногда при решении задач компоновки применяется дублирование не только элементов, но и сигналов в схеме. В этих случаях необходима проверка или пересмотр проектируемой схемы.

        Таким образом, после выполнения  компоновки и определения реальных  задержек, а также корректировки  схемы желательно провести временное  логическое или «схемотехническое  моделирование с целью проверки функционирования проектируемого устройства.

 

4. Алгоритмы размещения

 

        После компоновки элементов РЭУ  требуется осуществить для каждого  стандартного или уникального  блока оптимальное размещение элементов в регулярном или нерегулярном монтажном пространстве. В общем случае нужно найти на множестве позиций монтажного пространства блока А_i такое размещение компонентов {Т₁, Т₂,..., Т_п}, i, принадлежащих этому блоку, при котором достигается минимум заданного критерия качества размещения L, выраженного с использованием соотношений   (1.1).