Выбор САПР для автоматизированного проектирования

Содержание

Введение. 4

1 Выбор САПР для автоматизированного проектирования. 7

2 Анализ исходных данных для проектирования. 12

3 Алгоритм разработки библиотеки условно-графического обозначения 15

4 Алгоритм разработки конструкторской библиотеки. 16

5 Упаковка базы данных для печатной платы.. 17

6 Разработка схемы электрической принципиальной изделия. 19

7 Размещение элементов на плате. 20

8 Трассировка печатной платы.. 21

Литература. 23

Приложение А

Приложение Б                                                                                               

Приложение В                                                                                               

Приложение Г

 

Введение

 

Печатная плата - пластинка из электроизоляционного материала (гетинакса, текстолита, стеклотекстолита, и др.), на поверхности которой каким либо образом (например, фотохимическим) нанесены тонкие электропроводящие полоски (печатные проводники) с контактными площадками для подсоединения навесных электро- и радиоэлементов (в том числе модулей и интегральных схем). Эта формулировка дословно взята из политехнического словаря (1). Гораздо более универсальна формулировка, предложенная в монографии (2). Под печатной платой понимается конструкция электрических межсоединений на изоляционном основании. Основные конструктивные элементы печатной платы - основание (подложка) и проводники. Эти элементы необходимы и достаточны для того, чтобы печатная плата была печатной платой. Круг второстепенных элементов несколько шире: контактные площадки, переходные металлизируемые и монтажные отверстия, ламели для контактирования с разъемами, участки для осуществления теплоотвода и др.

Переход к печатным платам ознаменовал качественный скачок в области конструирования радиоэлектронной аппаратуры. Печатная плата совмещает функции носителя радиоэлементов и электрического соединения этих элементов. Последняя функция будет невыполнимой, если между проводниками и иными проводящими элементами печатной платы не будет обеспечен достаточный уровень сопротивления изоляции. Следовательно, подложка печатной платы должна выполнять еще и функцию изолятора.

Говорят, что первенство в разработке печатных плат принадлежит немецкому инженеру Альберту Паркеру Хансону (3). Хансон предложил формировать рисунок печатной платы на медной фольге вырезанием или штамповкой. Далее элементы проводящего рисунка приклеивались к диэлектрику, например к пропарафиненной бумаге. Первая заявка в патентное ведомство Германии была подана Хансоном в 1902 году. С тех пор прошло больше ста лет. Все эти годы конструкции и технологии изготовления печатных плат постоянно совершенствовались. В процессе этого совершенствования принимали участие великое множество изобретателей, в том числе всемирно известный изобретатель Томас Эдисон и гораздо менее известный изобретатель - автор настоящего исследования. Томас Эдисон предложил формировать токопроводящий рисунок посредством адгезивного материала, содержащего графитовый или бронзовый порошки. В другом варианте токопроводящий рисунок наносился раствором азотнокислого серебра, которое затем восстанавливалось до металла.

В двадцатых - тридцатых годах прошлого века было выдано множество патентов на конструкции печатных плат и способы их изготовления. Первые методы изготовления печатных плат были преимущественно аддитивными (развитие идей Томаса Эдисона). Но в современном виде печатная плата появилась благодаря использованию технологий, заимствованных из полиграфической промышленности. Печатная плата - прямой перевод с английского полиграфического термина printing plate (печатная форма или матрица). Поэтому подлинным "отцом печатных плат" считается австрийский инженер Пауль Эйслер. Он первым пришел к выводу, что полиграфические (субтрактивные) технологии могут быть использованы для массового производства печатных плат. В субтрактивных технологиях изображение формируется путем удаления ненужных фрагментов. Пауль Эйслер отработал технологию гальванического осаждения медной фольги и ее травления хлорным железом. Технологии массового производства печатных плат оказались востребованными уже во время второй мировой войны. А с середины 50-х годов началось становление печатных плат, как конструктивной основы радиоаппаратуры не только военного, но и бытового назначения.

Революционные преобразования в конструктивном исполнении печатных плат не ограничиваются объемными (статическими) преобразованиями. Хотя, придание динамичности внутреннему содержанию этого объема - один из вариантов ответа на вопрос, что же будет дальше. Перейдем к другой, более простой динамике. Для большинства людей печатная плата - это просто всего лишь жесткая пластинка. Иногда, для такой пластинки находят и другие применения, например используют в качестве подставки для чашечки кофе. Настоящее надругательство над продуктом современной электроники!

Жесткие печатные платы - самый массовый продукт, используемый в радиоэлектронике, о котором знают практически все. А о том, что существуют еще и гибкие печатные платы, знают преимущественно специалисты. Пример - так называемые гибкие печатные кабели. Такие печатные платы выполняют ограниченный объем функций (исключается функция подложки для радиоэлементов). Они служат для объединения обычных печатных плат, заменяя жгуты. Гибкие печатные платы приобретают эластичность благодаря тому, что их полимерная "подложка" находится в высокоэластическом состоянии. Гибкие печатные платы имеют 2 степени свободы. Их можно свернуть даже в ленту Мебиуса.

Одну или даже 2 степени свободы, но очень ограниченной свободы, можно придать и обычным жестким печатным платам, в которых полимерная матрица подложки находится в жестком - стеклообразном состоянии. Этого можно достичь, уменьшая толщину подложки. Так одним из преимуществ рельефных печатных плат, изготавливаемых из тонких диэлектриков, называют возможность придания им "округлости". Тем самым появляется возможность согласовать их форму и форму объектов (ракет, космических объектов и др.), в которые их можно поместить. Результат - существенная экономия внутреннего объема изделий.

Промежуточное положение между жесткими и гибкими печатными платами занимали "древние" печатные платы, состоящие их жестких элементов, складываемых подобно гармошке. Сложенное состояние таких "гармошек" вероятно и навело на мысль о создании многослойных печатных плат. Современные гибко-жесткие печатные платы реализованы иным способом. Речь идет преимущественно о многослойных печатных платах. В них можно совместить жесткие и гибкие слои. Если гибкие слои вывести за пределы жестких, можно получить печатную плату, состоящую из жесткого и гибкого фрагментов. Другой вариант - соединение двух жестких фрагментов гибким.

Классификация конструкций печатных плат, основанная на слойности их проводящего рисунка, охватывает большую часть конструкций печатных плат, но не всех. Например, для изготовления тканых монтажных плат или шлейфов оказалось пригодным не печатное полиграфическое, а ткацкое оборудование. Такие "печатные платы" уже имеют 3 степени свободы. Так же, как и обычная ткань, они могут принимать самые причудливые очертания и формы.

В курсовой работе будет разрабатываться печатная плата с двухсторонним расположением печатных проводников.

 

Выбор САПР для автоматизированного проектирования

 

 

Разработка печатной платы источника питания будет использоваться программа P-CAD 2001. В новой версии P-CAD введены функции, недоступные ни в одной существующей системе проектирования печатных плат.

Программа включает в себя восемь основных модулей. Основным достоинством данной программы является бессеточный автотрассировщик Shape-Based Router, который сильно потеснил привычную всем программу SPECCTRA. В программе так же изменены принципы построения библиотеки компонентов P-CAD. Если раньше она была излишне запутанной, то теперь она проста и наглядна. Производитель - назначение - тип компонента, что значительно упрощает поиск в библиотеках нужного компонента. Сами библиотеки теперь разрабатываются и регулярно обновляются специальным подразделением компании поставщика программы, и свободно скачать самую последнюю их версию можно на сайте компании. В настоящее время пользователям доступно 334 библиотеки, содержащие свыше 27 тысяч компонентов, каждый из которых соответствует требованиям стандарта ISO 9001.

Последним крупным дополнением явился выход продукта CAMtastic! 2000, который также поставляется бесплатно и позволяет решить большинство проблем, связанных с подготовкой проекта платы к производству.

Все перечисленные выше дополнения присутствуют в системе P-CAD 2001 (ACCEL EDA 16). Так же в системе имеется модуль Signal Integrity, позволяющий производить анализ целостности сигналов и перекрестных искажений в цепях платы. Сейчас он поставляется бесплатно в составе полной и ограниченной (6 слоёв, 400 компонентов) конфигураций. Основу модуля составляет программа контроля целостности сигналов Fast Reflection and Crosstalk Simulator, разработанная компанией INCASES Engineering (www.incases.com), позволяющая проанализировать компоновку печатной платы и с большой достоверностью сделать вывод о её последующей работоспособности. В качестве исходных данных программа контроля целостности сигналов использует импедансы проводников, вычисленные специальной программой анализа линий передач, и макромодели компонентов.

В версии P-CAD 2001 смешанное аналогово-цифровое моделирование выполняется с помощью модуля Sim 99 из пакета Protel 99 SE, представляющего собой классическую программу моделирования SPICE3/XSPICE, разработанную в Беркли. То есть пользователю поставляется и P-CAD 2001, и облегченная версия Protel 99 SE. Принципиальная схема устройства разрабатывается в редакторе P-CAD Schematic с использованием специальных библиотек компонентов, выполненных по стандарту SPICE3, и запускает схему на расчет. После этого автоматически запускается Protel, куда схема передается в формате внутреннего списка соединений. Настройка типа производимого анализа, просмотр и обработка результатов расчета производятся уже в рамках системы Protel.

Большинство остальных достоинств относится к редактору печатных плат. Главным из них можно назвать возможность автоматического выбора топологического посадочного места, в зависимости от ориентации компонента на плате. Сейчас этой функции нет ни в одной другой системе проектирования печатных плат (в системе Protel 99 SE каждому компоненту может быть назначено до четырёх посадочных мест, но выбор их всё равно осуществляется вручную). Для поддержки функции параметрического выбора посадочного места были внесены изменения в редактор Pattern Editor и модуль Library Executive, позволяющие создавать и назначать одному компоненту восемь различных топологических посадочных мест, в зависимости от угла поворота и стороны (верхней или нижней) платы.

Другим важным дополнением программы является поддержка контрольных точек на уровне системы аналогично тому, как это реализовано в системе Protel 99 SE. Ранее управление контрольными точками осуществлялось внешней DBX-утилитой, которая работала только с редактором печатных плат. Теперь контрольные точки могут быть добавлены не только на плату, но и непосредственно к топологическому посадочному месту в редакторе Pattern Editor.

Информация о контрольных точках может передаваться в программу трассировки печатных плат SPECCTRA и обратно. При преобразовании PCB ASCII файла в проект SPECCTRA все контрольные точки, не связанные с контактными площадками и переходными отверстиями с присвоенными цепями, будут проигнорированы и потеряны.

Для контроля размещения контрольных точек введены семь новых правил проектирования: TestPointAccuracy, TestPointCenter, TestPointGrid, TestPointPermitted, TestPointRequired, TestPointSide, TestPointSpacing. Отчёт о проверке этих правил записывается в специальный файл с расширением tst, где отображается имя цепи, сторона платы, статус блокировки и координаты X и Y.

Другим важным дополнением является введение в технологические файлы Design Technology Parameters File трёх новых секций: Apertures, Design Rules и Layer Stacks. Увеличена также максимально допустимая длина имён пунктов секций Global Rules, Net Class Definition, Net Class Rules и Net Rules с 20 до 30 символов (только для редактора PCB). Аналогичное изменение коснулось длин имён объектов редакторов принципиальных схем и печатных плат: компонентов, цепей, классов цепей, листов и слоёв. Увеличено максимально допустимое число листов схемы и слоёв платы с 99 до 999. Введение новых слоёв в старые проекты осуществляется легко и никак не затрагивает уже имеющиеся слои.

В редактор печатных плат введён ряд пользовательских функций, доступных в системе Protel 99 SE. В состав меню Edit введена команда Select Highlighted, с помощью которой можно выделить все 'подсвеченные' объекты на чертеже печатной платы. Маска 'подсвечивания' объектов задается командой Selection Mask, заменившей команду Options ' Block Selection, благодаря чему стало возможно маскирование объектов не только при выборе окном (вкладка Block Selection), но и при выборе отдельных объектов, как задано на вкладке Single Selection. Здесь в поле Single Select Mode присутствуют две опции, задающие один из двух режимов выделения наложенных друг на друга объектов: Cycle-Picking - последовательный перебор объектов нажатием левой кнопки мыши или клавиши SPACEBAR; и Popup Dialog - выбор нужного объекта из всплывающего окна. При использовании режима выделения Popup Dialog во всплывающем окне все объекты расположены в порядке следования слоев от самого верхнего до самого нижнего. В списке отображаются: тип объекта (Type), слой (Layer), цепь (Net) и другая полезная информация (Information). Аналогичным образом эти режимы работают при добавлении (или удалении) объектов к набору при блочном выделении объектов в окне. При этом вызов всплывающего меню осуществляется нажатием комбинации CTRL + левая кнопка мыши.

По аналогии с функцией глобального редактирования системы Protel 99 SE изменена команда Move by RefDes. Теперь с помощью этой команды можно выбирать и размещать на плате не только один компонент по позиционному обозначению, а набор компонентов и списка всех компонентов по маске. Добавлена новая функция редактирования сегментов проводников, позволяющая к уже существующим линиям добавлять новые изломы, то есть разбивать сегмент проводника на две части. Новая команда Add Vertex добавлена в контекстном меню, вызываемом нажатием правой кнопки мыши на любой отдельной (не входящей в состав группового объекта) линии. Точка излома добавляется в середине линии. Если редактировался проводник (линия на сигнальном слое), то при перемещении вершины прилегающие сегменты будут растягиваться. При редактировании линий, расположенных на механических слоях, этого происходить не будет. Аналогичные изменения сделаны и в редакторе принципиальных схем.

К существующим на плате цепям стало возможным добавлять и удалять новые узлы. Операция добавления узла производится с помощью команды Add to Net, расположенной в контекстном меню, вызываемом нажатием правой кнопки мыши на любой неприсоединенной контактной площадке или переходном отверстии. Данная операция является обратимой, то есть возможна её отмена с помощью команды Undo. Удаление узла производится нажатием новой кнопки Remove Nodes в окне Edit Nets, вызываемом стандартным методом. Данная операция является необратимой. Кроме того, теперь можно связывать несколько точек в проекте с помощью Copper Ties без изменения внутреннего списка соединений.

В редакторе печатных плат для правил проектирования, связанных с цепями (Net, Net Class и Class-to-Class), стало возможным дифференцирование их по слоям. Соответствующие атрибуты устанавливаются в диалоговом окне Option Design Rules и позволяют задавать, например, различную ширину проводников одной цепи, расположенных на разных слоях. Данные правила проектирования будут проверяться как во время пакетной проверки (DRC), так и во время ручной трассировки. Кроме того, в программу проверки правил проектирования добавлена функция проверки правил Clearance, которая во время пакетной и интерактивной проверки следит, чтобы элементы трассировки (проводники, дуги и переходные отверстия) не пересекали границы 'запрещённых' областей Keepout (полная аналогия с системой Protel 99 SE).

Добавлена возможность блокировки перемещения различных наборов объектов на плате, особенно во время размещения компонентов и трассировки проводников по слоям (по аналогии с атрибутом Lock, имеющимся у всех графических примитивов в системе Protel 99 SE). В наборы блокируемых объектов могут входить: дуги (Arcs), проводники (Lines), отдельные контактные площадки и переходные отверстия (Free Pads и Free Vias), контрольные точки (Test Points), металлизированные полигоны (Copper Pours) и компоненты (Components). Заблокированные объекты не могут быть перемещены, повернуты, отображены зеркально, удалены в буфер, удалены вообще и отредактированы. Для блокированных компонентов будут игнорироваться следующие команды: Change Pattern, Move, Move by RefDes, Rotate, Flip, Delete, Cut, Component Type Replacement, Explode Component, Align Component и Force Update.

Функция простановки размеров претерпела ряд значительных изменений. Теперь стало возможным изменение положения обозначения размера с помощью специального маркера-манипулятора. C его помощью у размеров типов Point-to-Point, Datum, Baseline и Angular численное значение размера можно перемещать вдоль главной линии, а у размеров типов Leader, Radius и Diameter стрелки можно вращать относительно центра объекта. Расширены возможности редактирования атрибутов размеров, например, Unit, Layer, Precision и Tolerance. При простановке размеров типов Baseline и Datum стала возможна отмена последнего действия с помощью нажатия клавиш BACKSPACE или CTRL+BACKSPACE. В размере типа Leader добавлен новый символ в виде треугольника. Кроме того, только в редакторе PCB стало возможно отображение допусков для размеров типов Radius и Diameter, подавление незначащих нулей и класс точности (количество чисел после десятичной точки).

В редакторе печатных плат на вкладку General диалогового окна Options Configure добавлены две опции, задающие последовательность заливки полигонов. Ранее эта последовательность выбиралась случайным образом, и в некоторых случаях, например, когда маленький полигон находился внутри большого, он мог остаться не залитым. Теперь порядок заливки может быть следующим: сначала маленькие, затем большие (Smallest to Largest); пользовательским (Selected Order), когда области выбираются нажатием клавиш CTRL + левая кнопка мыши.  

Важным дополнением к редактору печатных плат стала внешняя DBX утилита AutoRFQ, представляющая собой стандартное приложение Request For Quotation и предназначенная для связи с одним их крупнейших сайтов для заказа электронных компонентов WebQuote www.webquote.com.

Кроме того, добавлен двунаправленный транслятор IDF-формата (Intermediate Data Format), который значительно расширит возможности обмена данными с механическими САПР. Ранее такой обмен был возможен только через DXF-формат.

Во все модули программы добавлена новая функция печати. В диалоговое окно File Print в поле Print Job Overrides добавлена новая опция Current Display, с помощью которой на печать можно выводить только текущее содержимое окна редактора. При изменении масштаба просмотра чертежа содержимое распечатки также будет изменяться. Кроме того, сюда добавлен параметр Minimum Line Width, задающий минимальную ширину линий при выводе на печать. Также везде добавлена функция отображения краткой информации об объекте, находящемся в данный момент времени под указателем мыши

Таким образом система P-CAD 2001 стала менее громоздкой и при этом обогатилась новыми дополнительными функциями и возможностями, которые призваны упростить работу инженера и расширить его возможности. Даная программа не сложна в изучении и позволит добиться поставленных результатов в направлении разработки печатной платы для проектируемого устройства.