Методы создания печатных плат

					6.051003.3331.01.КР
Зм	Лист	№ Докум.	Подпись	Дата
					Разработка печатной платы в  системе P-CAD. « Сторожевое устройство на базе датчика движения »	Лит	Лист	Листов
Студент		Анисимов С.Д					1
						НУК
Препод.		Прищепов Е.О.

 

					6.051003.3331.01.КР	Лист
Зм	Лист	№ Докум.	Подпись	Дата

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение	9
1 Обзор существующих САПР	10
1. 1 САПР для машиностроения	12
1. 2 САПР для электроники	16
2 Создание символов компонентов	23
3 Создание корпусов компонентов	28
4 Создание библиотеки компонентов	32
5 Создание схемы электрической принципиальной	37
6 Разработка печатной платы	43
Заключение	46
Список используемой литературы	47
Приложение А. Перечень элементов	48
Приложение Б. Чертежи	50

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Задачей данного  курсового проекта является рассмотрение методов создания печатных плат, с использованием САПР. Создание печатных плат будет проходить в программе P-CAD. В процессе создания такой печатной платы будет разработаны и создана функциональная схема и корпусы компонентов, библиотеки компонентов и корпуса компонентов. На данном этапе возможности ЭВМ и универсальность САПР, разработка сводится к минимуму.

P-CAD - это система автоматизированного проектирования печатных плат. В систему входят редакторы принципиальных схем и многослойных печатных плат, программы автоматического размещения компонент на печатной плате и трассировки соединений, выдачи чертежей на принтер, плоттер, выдачи данных на станки с ЧПУ (числовое программное управление), а так же вспомогательные сервисные программы.

Два основных понятия системы:

Символ – это файл, содержащий условное графическое обозначение (УГО) одной секции компонента вместе с информацией относящейся к ее функционированию, а также информацию о структуре компонента в его физическом корпусе называемую упакованной информацией (количество секций, выводов, их типов и т.д.). По умолчанию файл имеет расширение *.sym.

Корпус– это файл, в котором содержится информация о физических размерах корпуса компонента, местах расположения выводов, типе компонентов (штыревой, планарный) и т.д. По умолчанию файл имеет расширение *.prt.

Система P-CAD включает в себя взаимосвязанные пакеты программ, образующие систему сквозного проектирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

					6.051003.3331.01.КР
Зм	Лист	№ Докум.	Подпись	Дата
					Обзор существующих САПР	Літ	Лист	Листов
Студент		Анисимов С.Д
						НУК
Препод.		Прищепов Е.О.

 

 

1. Обзор существующих  САПР

За последние два десятка  лет произошло качественный скачек в развитии САПР. Это обусловлено  глобальным прогрессом и переходом  на более усовершенствованные технологии проектирования. Такое стремительное  развитие САПР привило к стимулированию многих сфер технического проектирования, которое смогло усовершенствовать  процесс проектирования различных  машин, устройств, и технологии их создания. Автоматизация сферы, как производство современной продукции требует от предприятий внедрения систем автоматизированного проектирования (САПР).

Необходимость создания на предприятиях систем автоматизированного проектирования в настоящее время ни у кого не вызывает сомнений. Особенно остро  эта проблема стоит перед предприятиями  авиационно-космической, машиностроительной и других наукоемких отраслей промышленности.

Бурное развитие технологий привело  к тому, что разработка и выпуск конкурентоспособной наукоемкой продукции  невозможен без использования современных  средств автоматизации проектирования на всех этапах жизненного цикла изделия - от дизайнерской задумки до производства и утилизации.

Современные интегрированные САПР позволяют решить весь спектр конструкторско-технологических  проблем, стоящих перед современным  предприятием, выпускающим или проектирующим  наукоемкую продукцию.

Интегрированные САПР позволяют

• резко повысить качество выпускаемой продукции;
• сократить сроки разработки новых изделий и расширить ассортимент выпускаемой продукции;
• сократить производственный цикл;
• выйти на мировой уровень производства и сертифицировать его на соответствие международным стандартам качества серии ISO 9000. Это является необходимым условием для ведения международного бизнеса.

Внедрение современных интегрированных  САПР коренным образом изменяет концепцию  проектирования и производства. В  основе нового подхода лежит создание электронной модели (ЭМ) изделия  (или математической модели ММ) и принципы совместной работы коллектива разработчиков в единой интегрированной среде.

Разработка электронной модели изделия в современных САПР высшего  и/или среднего уровня позволяет:

• спроектировать на основе математической модели технологическую оснастку, необходимую для производства;
• провести все необходимые инженерные анализы и расчеты;
• подготовить комплект конструкторско-технологической документации на изделие;
• получить программы для станков с ЧПУ и изготовить оснастку и изделия.
• создать ассоциативную связь между всеми компонентами получившейся системы, обеспечивающую постоянное соответствие и автоматическую передачу изменений между формообразующими поверхностями деталей, сборок, техоснастки, программами для ЧПУ и конструкторско-технологической документацией;
• организовать электронный документооборот, обеспечивающий мгновенный доступ к необходимой и достоверной информации об изделии для всех разработчиков.

 

1.1 САПР для машиностроения

Традиционно продукты САПР для машиностроения разделены на три класса: тяжелый, средний и легкий. Такая классификация  сложилась исторически, и хотя уже  давно идут разговоры о том, что  грани между классами вот-вот  сотрутся, они остаются, так как  системы по-прежнему различаются  и по цене, и по функциональным возможностям.

Под термином “САПР для машиностроения”  обычно подразумеваются пакеты, выполняющие  функции CAD/CAM/CAE/PDM, т. е. автоматизированного  проектирования, подготовки производства и конструирования, а также управления инженерными данными.

Первые CAD-системы появились еще  на заре вычислительной техники —  в 60-х годах. Именно тогда в компании GeneralMotors была разработана интерактивная графическая система подготовки производства, а в 1971-м ее создатель — доктор Патрик Хэнретти (его называют отцом САПР) — основал компанию ManufacturingandConsultingServices (MCS), оказавшую огромное влияние на развитие этой отрасли. По мнению аналитиков, идеи MCS составили основу почти 70% современных САПР.

В начале 80-х, когда вычислительная мощность компьютеров значительно  выросла, на сцену вышли первые CAM-пакеты, позволяющие частично автоматизировать процесс производства с помощью  программ для станков с ЧПУ, и CAE-продукты, предназначенные для  анализа сложных конструкций.

Таким образом, к середине 80-х системы  САПР для машиностроения обрели форму, которая существует и сейчас. Но наиболее бурное развитие происходило  в течение 90-х годов — к тому времени на поле вышли новые игроки “средней весовой категории”.

Усиление конкуренции стимулировало  совершенствование продуктов: благодаря  удобному графическому интерфейсу значительно  упростилось их использование, появились  новые механизмы твердотельного моделирования ACIS и Parasolid, которые сейчас используются во многих ведущих САПР, значительно расширились функциональные возможности.

Можно сказать, что переход в  новый век стал для рынка САПР переломным моментом. В такой ситуации на первый план вышли две основные тенденции — слияния/поглощения компаний и поиск новых направлений  для роста. Яркий пример первой тенденции  — покупка компанией EDS в 2001 г. двух известных разработчиков тяжелых САПР — Unigraphics и SDRC, а второй — активное продвижение концепции PLM (ProductLifecycleManagement), подразумевающей управление информацией об изделии на протяжении всего его жизненного цикла.

 

 

 

 

 

 

Таблица 1 – Классы САПР для машиностроения

Класс САПР	Продукт	Компания
Тяжелый	Unigraphics NX  CATIA  Pro/Engineer	UGS PLM Solutions (EDS)  DassaultSystemes/IBM  PTC
Средний	Зарубежные системы  SolidEdge  SolidWorks  Inventor и MechanicalDesktop  Cimatron  think3  CadKey  PowerSolutions  Отечественные продукты  КОМПАС(CAD/CAM/CAE/PDM)  T-Flex (CAD/CAM/CAE/PDM)  КРЕДО (CAE)	UGS PLM Solutions (EDS  SolidWorks  Autodesk    Cimatron  Think3 S.p.A.  CadKey  Delcam      "Аскон"    "ТопСистемы"    НИЦАСК
Легкий	AutoCAD  SurfCAM 2D  DataCAD  IntelliCAD  TurboCAD	Autodesk  Surfware  DataCAD  CADopia  IMSI
Специализированные	САПР
Промышленное проектирование	AutoPlant	Rebis (принадлежит фирме Bentley)
Строительное проектирование (железобетон)	RobotMillennium	RoboBAT
Архитектурное проектирование	ArchitecturalDesktop	Autodesk

 

Главная особенность “тяжеловесов” состоит в том, что их обширные функциональные возможности, высокая производительность и стабильность достигнуты в результате длительного развития. Все они далеко не молоды: CATIA появилась в 1981 г., Pro/Engineer — в 1988-м, а Unigraphics NX, хотя и вышла лишь несколько месяцев назад, является результатом слияния двух весьма почтенных систем — Unigraphics и I-Deas, приобретенных вместе с компаниями Unigraphics и SDRC.

Средний класс САПР появился относительно недавно — в середине 90-х. До этого существовало только два полюса — на одном мощные системы, работающие на Unix (впрочем, тогда их было гораздо больше, чем сейчас), а на другом — простые программы двумерного черчения для ПК. Но к 1995 г. вычислительная мощность ПК выросла, а Windows стала более стабильной и начала поддерживать многозадачность. Это позволило разработчикам создать системы автоматизированного проектирования, которые заняли промежуточное положение между тяжелым и легким классами. От первых они унаследовали возможности трехмерного твердотельного моделирования, а от вторых — невысокую цену и ориентацию на платформу Windows. Они произвели настоящий переворот в мире САПР, позволив многим конструкторским и проектным организациям перейти с двумерного на трехмерное моделирование.

Лидерами этого сегмента являются системы SolidEdge (разработанная фирмой Intergraph, а теперь принадлежащая UGS PLM Solutions (EDS)), SolidWorks одноименной компании (в настоящее время — подразделение DassaultSystemes), а также Inventor и MechanicalDesktop корпорации Autodesk. Это далеко не полный перечень средних САПР. В данном сегменте работает множество компаний, в том числе и российских, предлагающих относительно недорогие системы  стоимостью порядка 5—8 тыс. долл. на одно рабочее место. Их популярность среди  пользователей постоянно растет, и благодаря этому данная область  очень динамично развивается.

В результате по функциональным возможностям средний класс постепенно догоняет своих более дорогостоящих конкурентов. Однако далеко не всем пользователям  требуется такое разнообразие функций. Тем, кто в основном работает с  двумерными чертежами, прекрасно подойдет система легкого класса, которая  стоит в несколько раз дешевле.

Программы легкой категории служат для простого двумерного черчения, поэтому их обычно называют электронной чертежной доской. И хотя к настоящему времени “легковесы” обрели и некоторые трехмерные возможности, у них нет средств параметрического моделирования, имеющихся в более мощных системах.

Первые системы двумерного моделирования  появились еще в 70-х годах, когда  были разработаны средства для изображения  линий, окружностей и кривых на экране монитора с помощью макрокоманд  и интерфейсов прикладного программирования.

Ярким представителем этого класс  является AutoCAD. Это один из самых мощных легких САПР на сегодняшнее время. Много функциональный, и относительно простои в освоении и работе AutoCADбыстро завоевал лидерские позиции в САПР для легкого машиностроения.  

Сейчас рынок САПР развивается эволюционно: с каждой новой версией функциональные возможности продуктов всех классов расширяются, производительность увеличивается, а использование упрощается, растет внимание к системам, позволяющим ускорить проектно-конструкторские работы и реализовать популярную концепцию PLM за счет внедрения технического документооборота и управления проектами.

 

1.2 САПР для электроники

PCAD - это одна из первых сквозных систем автоматизированного проектирования, появившаяся на рынке CAD-систем. Слово "сквозная" означает, что такая система позволяет автоматизировать все этапы проектирования аппаратуры, начиная от создания и проверки правильности разработанной схемы и заканчивая разводкой печатной платы и созданием управляющей информации для исполнительного оборудования. Новые версии PCADпредлагают достаточно широкие возможности для создания  печатных плат. А относительно несложный интерфейс помогает быстро освоить эту программу. Пакет программ PCAD состоит из ряда подпрограммкаждая из которых выполняет определенную функцию.PCAD состоит из таких основных программ как:

- SymbolEditor (создание символов компонентов);

- Schematic (создание схемы принципиальной);

- LibraryExecutive (создание библиотеки компонентов);

- PCB (создание печатной платы);

- PatternEditor (создание корпусов компонентов);

В 1988 году права на PCAD получила фирма CADAM Company, которая выпустила версию PCAD 4.5, получившую тогда еще в Советском  Союзе большую популярность. Она  была русифицирована, для нее были созданы обширные библиотеки графических  описаний отечественных компонентов, а, главное, именно для нее были решены проблемы выхода на отечественное технологическое  оборудование - фото плоттеры и сверлильные  автоматы.

Благодаря этим достижениям PCAD 4.5 до сих  пор находит применение на предприятиях электронной промышленности.

В 1992 году PCAD опять сменил своего хозяина, теперь его владельцем стала фирма ALTIUM, которая решилась на серьезные  новшества. Она выпустила версию PCAD 6.0, в которой перешла к арифметике с плавающей запятой. Благодаря  этому на два порядка повысилась разрешающая способность графических  редакторов, и были устранены многие проблемы, связанные с разводкой  печатных плат.

Фирма ALTIUM приняла тяжелое решение. Она решилась на изменение форматов графических библиотек и перешла  от 16- к 32-разрядным форматам описания данных. Чтобы не потерять все библиотеки графических описаний, созданные  для более ранних версий, фирма  разработала специальную программу, конвертирующую старые библиотеки в  новый формат.

Однако ни эта, ни последующие DOS-версии PCAD (PCAD 7.0, PCAD 8.0, PCAD 8.5) не завоевали особой любви у отечественного разработчика аппаратуры. Старая любовь к PCAD 4.5 оказалась  сильнее новых возможностей.

Надо сказать еще об одной  особенности более поздних версий PCAD. Из них была удалена подсистема моделирования, и пакет перестал быть сквозной САПР.

В последние годы (а точнее с 1995 года) владельцем пакета PCAD является фирма ACCEL Technologies, которая прекратила изрядно  надоевшую линию DOS-версий данного  продукта и перешла на платформу Windows-приложений.

Последнее ее детище ACCEL EDA 14.0 даже в  самом названии не отражает связь  с бывшим PCAD. Тем не менее, и в  новом продукте сохранена идеология  более ранних версий PCAD, так что  разработчикам аппаратуры не придется заново переучиваться.

Фирма ACCEL Technologies предприняла еще  одну попытку вернуть себе так  нелепо утраченные позиции лидера в  области CAD-систем для персональных компьютеров. Во всяком случае, создав горячую связь с системой моделирования Dr.Spice 2000 A/D 8.2 фирмы DeutschResearch, она восстановила прежний статус пакета ACCEL EDA 14.0 как  сквозной системы проектирования.

Надо сказать, что фирма ACCEL Technologies использование "чужих" программ сделала  стратегической линией своего поведения. Аналогичным образом она подключила к своей системе программу  авторазмещения и автотрассировки SPECCTRA 7.1 фирмы Cadence. Это одна из самых  мощных и эффективных программ, использующая новейшие бессеточные алгоритмы  трассировки печатных плат.

PSpice в отличие от PCAD эта САПР оставалась верной своему хозяину. Все началось с разработки в конце 1970-х годов в Калифорнийском университете (г. Беркли) программы схемотехнического моделирования SPICE 2. Ее входной язык описания схемы оказался настолько удачным, что на многие годы вперед определил неофициальный стандарт описания электронной аппаратуры.

Принятые в ней форматы и  модели применяются сейчас во многих программах аналогичного назначения, а списки соединений схемы в формате SPICE используются во многих современных  пакетах, например в Micro-Cap, Dr. Spice, OrCAD, ACCEL EDA, Viewlogic и многих других.

Аббревиатура PSpice расшифровывается так: моделирующая программа с акцентом на интегральные схемы (SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis).

Первая версия программы PSpice на РС-платформе  была создана в 1984 году корпорацией MicroSim. Эта и последующие версии используют те же алгоритмы, что и SPICE, тот же формат представления входных  и выходных данных. Заметим, что первая версия программы Pspice моделировала только аналоговые схемы.

В 1989 году появилась версия PSpice 4.0, позволяющая моделировать смешанные  аналого-цифровые схемы. Уже в следующем  году появилась пятая версия этой программы. Она, в отличие от всех предыдущих версий, позволяла вводить  схему не только в текстовом, но и  в графическом виде. Кроме того, фирма MicroSim выпустила версию, работающую в среде Windows.

Начиная с 1994 года, на базе разработанных  программ моделирования фирма MicroSim стала выпускать САПР DesignCenter (версии 6.0, 6.1, 6.2, 6.3), в которую были включены дополнительно программы технического проектирования, в частности, уже  известный нам автотрассировщик SPECCTRA.

В 1996 году произошла еще одна смена  названия системы. Новая версия 7.1 получила название DesignLab. В 1997 году появилась  последняя версия под этим названием DesignLab 8. "Последняя", потому что после ее выхода корпорация MicroSim объединилась с другим монстром в области разработки CAD-продуктов - фирмой OrCAD. Объединенная фирма получила название OrCAD, но торговая марка MicroSim сохранилась. Созданная фирма уже сообщила о разработке новой САПР - OrCAD 9.0.

VHDL -это язык описания аппаратуры, который поддерживается в настоящее время многими системами моделирования, такими как GMVHDL, Active VHDL, AccoladePeak VHDL, OrCAD и др. История появления и развития этого языка во многих отношениях показательна.

Язык VHDL появился не на пустом месте. Можно привести довольно длинный  список языков описания и моделирования  цифровых устройств, например ФОРОС, ОСС-2, DDL, HSL и т.п., которые вроде бы предназначались  для тех же целей. Однако все они  страдали одним недостатком - моделируя  функцию объекта, они не имели  развитых средств для описания и  контроля временных соотношений  в цифровой аппаратуре (ЦА).

Особенно остро это ощущалось при разработке сверхскоростных интегральных схем (VHSIC - VeryHighSpeedIntegratedCircuits). Схема правильно работает на умеренных частотах. Но на высоких частотах синхронизации появляются сбои, и работоспособность ЦУ нарушается. Моделированием на существующих до сих пор языках обнаружить эти предельные для аппаратуры частоты не удавалось.

Военное ведомство США, которое  финансировало программу VHSIC по разработке сверхскоростных ИМС, решилось выступить  в 1983 году в роли спонсора при разработке такого языка. Он получил название VHDL (VhsicHardwareDescriptionLanguage) - язык описания аппаратуры на базе сверхскоростных интегральных схем.

Разработку языка VHDL поддержал  институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE), и в конце 1987 года этот язык был принят в качестве стандарта (стандарт IEEE 1076).

В окончательную редакцию языка VHDL (1993 год) вошли предложения и рекомендации многих известных специалистов в  области вычислительной техники  и ведущих фирм, занятых разработкой  САПР электронной аппаратуры. Поэтому  можно говорить, что язык VHDL отражает общее мнение о том, какими характеристиками должен обладать эффективный стандартный  язык описания аппаратуры.

Язык VHDL имеет развитую обще алгоритмическую  базу, заимствованную от языка программирования PASCAL. Он содержит тщательно проработанные  конструкции для поведенческого (функционального) и структурного представления, а также средства для документирования проектов.

Высокоуровневые описания могут комбинироваться  с низкоуровневыми принципиальными  схемами. Другими словами, это многоуровневый язык, поддерживающий иерархическое  проектирование.

Язык имеет средства для описания протекающих во времени процессов, для задания временных задержек на элементах. С его помощью можно  описать временные диаграммы  на входах моделируемой схемы и взаимодействия между отдельными устройствами через  системную шину.

Министерство обороны США обязало  своих поставщиков ИМС представлять в составе документации на новые  изделия VHDL-модели и тестирующие  их VHDL-векторы.

Интерес к языку VHDL огромен. В США  создана VHDL UsersGroup, в Европе - VHDL FORUM группы, которые занимаются внедрением этого  языка. В бывшем СССР также существовала подобная ассоциация.

С внедрением языка VHDL разработчики аппаратуры могут "экспериментально" прорабатывать  на своих компьютерах идеи по проектированию цифровой аппаратуры на архитектурном  уровне и немедленно видеть результаты своих экспериментов. Им больше не придется ждать детализации своих проектов вплоть до уровня логических вентилей, чтобы получить возможность практической оценки своих идей. Им больше не придется ждать момента, когда будет уже слишком поздно возвращаться назад, чтобы внести фундаментальные изменения в общую архитектуру проекта без громадных потерь времени и средств. Теперь внесение даже серьезных изменений в проект в малой степени повлияют на его стоимость и сроки подготовки производства.

В отличие от других языков описания и моделирования аппаратуры, язык VHDL не навязывает разработчику конкретный метод проектирования. Он волен выбрать  любой способ проектирования с использованием как поведенческих, так и структурных  представлений компонентов, можно  применить как восходящее так  и нисходящее проектирование или  комбинировать их.

Язык VHDL позволяет сначала создать  абстрактное описание функций, а  затем (по мере проработки проекта) осуществлять их детализацию, вплоть до того момента, когда для них станут ясными структурные  решения. Другие языки не могут похвастаться столь широкими возможностями.

Системы моделирования, поддерживающие язык VHDL, обычно включают в себя компилятор языка VHDL, отладчик исходного кода и  интерактивную подсистему цифрового  моделирования. Некоторые дополнительно включают схемный редактор или интегрируются с другими САПР, имеющими такой редактор. Например, можно создать принципиальную схему в пакете OrCAD и специальная программа конвертирует графическое описание в VHDL-код.

Одна из самых современных систем моделирования на языке VHDL, разработанная  корпорацией ALDEC, носит название Active VHDL 3.3.

 

 

 

 

 

 

 

 

Выводы:

Средства автоматизации проектирования можно разделить на две группы:

1. САSЕ (ComputerAidedSystemEngineering) - средства проектирования систем с помощью компьютера. Наиболее развитые области применения в АСУ, АСУТП, бухгалтерских системах и т.д.

2.САD (ComputerAidedDesign) - конструирование, ориентированное на использование компьютера.

Из таких систем наиболее известны Р-САD, АutoCAD и ОrCAD. Также можно упомянуть системы моделирования SPICE (SimulatedProgramwithIntegratedCircuit) и МicroСАР.

В целом эти продукты называют ЕDА (ElectronicDesignAutomation).

В настоящее время SPICE существует в виде продукции фирмы МicroSimCorp. - SPICE. Первые версии SPICE разработаны в начале 70-х годов в университете Калифорнии (Беркли) и были ориентированы на компьютеры IВМ-380 с алфавитно-цифровым дисплеем.

Выбранные модели хорошо согласуются  с практикой, что обеспечило пакету долгую и успешную жизнь.

В январе 1994 г. выпустилась версия 6.0, работающая подWindows. Можно приобретать не весь пакет целиком, а отдельные программные модули. Весьма популярен и достаточно прост в освоении пакет МiсrоСАР, имеющий хороший графический интерфейс.

Из систем разработки электронных  схем одним из самых распространённых является пакет Р-САD. В сентябре 1994 г. появилась версия 8.0, работающая под Windows, а с 1998 г. появилась версия 8.50.

В настоящее время все большую  популярность набирает пакет ОrСАD. Так фирма Intel сопровождает свои изделия документацией в формате ОrСАDа. В 1998 г. в ходу была версия ОrСАDа для Windows 95 иWindowsNT, включающая в себя как минимум те же возможности, что и для DOS версии. Так идеология работы в ОrСАDDesignDesktopWindows -версии практически такая же как и в DOS -версии.

На данный момент наиболее популярен  ОrСАD на базе SPICE.

					6.051003.3331.01.КР
Зм	Лист	№ Докум.	Подпись	Дата
					Создание символов компонентов	Літ	Лист	Листов
Студент		.Анисимов
						НУК
Препод.		Прищепов Е.О.