 |
Особенности и назначения применяемых пакетов САПР
|
|
|
|
Фирмой ACCEL выпускается два варианта системы PCAD 8.5: Master Design и Associate Design. Большими возможностями обладает вариант Master Design [10].
Система поддерживает широкий набор графических дисплеев, плоттеров, манипуляторов и цифровых планшетов различных типов.
Система PCAD позволяет выполнять следующие проектные операции: создание символов элементов принципиальной электрической схемы и корпусов; графический ввод принципиальной электрической схемы и конструктивов плат проектируемого устройства; ручную и автоматическую трассировку печатных проводников произвольной ширины; автоматизированный контроль результатов проектирования ПП на соответствие принципиальной электрической схеме.
Программный комплекс PCAD включает в себя взаимосвязанные пакеты программ, образующих систему сквозного проектирования ПП электронной аппаратуры. В ее состав входят следующие программы:
· Schematic Editor – графический ввод и редактирование принципиальной электрической схемы;
· Symbol Editor – графический ввод и редактирование символов радиоэлектронных компонентов на принципиальных схемах;
· PCB Editor – графический ввод и редактирование конструктивов ПП, автоматическое или ручное размещение компонентов на плате;
· Part Editor – графический ввод и редактирование корпусов компонентов РЭА и стеков контактных площадок.
Графический редактор принципиальных схем и символов компонентов имеет два режима: Schematic Editor и Symbol Editor. После загрузки графического редактора экран дисплея форматируется и разбивается на несколько зон. Зона меню подкоманд, предназначенная для команд графического редактора, расположена справа от окна и внизу под ним. Команды выбираются щелчком левой кнопки мыши. Расположенные справа команды имеют подкоманды, список которых выводится на экран после выбора основной команды.
|
|
|
Построение чертежа выполняется с помощью манипулятора мышь, перемещаемого по горизонтальной поверхности рабочего стола, при этом на экране дисплея синхронно перемещается курсор в виде креста. Координатная сетка на экране упрощает процесс построения чертежа и повышает точность позиционирования. Шаг координатной сетки по осям X и Y показан в поле Grd. Текущие координаты указываются в поле XY.
В схемном графическом редакторе полная информация о чертеже заносится в 18 - слоев, устанавливаемых по умолчанию. На каждой фазе работы с графическим редактором необходима не вся имеющаяся информация, поэтому часть слоев делают невидимыми. Информация о слоях выводится по команде View Layer. Всего слоев поддерживается до 100. Слои могут быть окрашены в любой из 16 цветов. Каждый слой имеет одно из трех состояний: OFF – слой невидим и недоступен, ON – слой видим но недоступен, ABL – слой видим и может стать активным.
Также отличительной особенностью PCAD является использование атрибутов. Атрибуты состоят из двух частей: ключевого слоя и значения, разделенных знаком равенства “=”. Ключевое слово должно начинаться с буквы и иметь длину до 23 символов. Значение атрибута представляет собой последовательность чисел или текстовых переменных, разделенных запятыми. После вода атрибута ключевое слово и знак равенства становятся невидимыми на экране.
При использовании атрибутов можно значительно облегчить работу со схемой. В частности можно использовать автоматическое создание корпусов компонентов, автоматическое присвоение имени цепи и др.
При создании символов УГО элементов дискретного типа есть своя специфика, которую следует помнить.
Для дискретных компонентов не должны присутствовать имена и номера выводов на схеме. Имя дискретного компонента на слое DEVICE не наносится. Номера выводов по команде Enter/Packing Data наносят на слое ATTR2, который в дальнейшей работе выключают.
|
|
|
Для резисторов дополнительно следует указать атрибут RVALUE=<номинал>. Он необходим для диагностики ошибок, связанных с отсутствием резистора в цепях для микросхем с открытым коллектором.
Для дискретных компонентов целесообразно создавать два УГО: для вертикального и горизонтального расположения на схеме.
Для редактирования чертежей будет использован пакет AutoCAD.
Команды AutoCAD могут выбираться из меню с помощью кнопок панелей управления, а так же набираться с клавиатуры в текстовом окне. Независимо от способа набора команды для ее повторения необходимо нажать клавишу Enter. AutoCAD хранит чертежи в файлах с расширением “.dwg”. Кроме чертежа этот файл содержит ряд параметров. При создании нового чертежа эти параметры устанавливаются по умолчанию, либо берутся из чертежа прототипа.
В AutoCAD имеется возможность определения формата и точности представления чисел. Ввод координат с клавиатуры возможен в абсолютных и относительных координатах. Относительные координаты задают смещение относительно последней введенной точки. Для удобства работы можно определить пользовательскую систему координат, которая может быть смещена относительно мировой и повернута под любым углом.
Чертежи в AutoCAD создаются в примитивах, над которыми понимают элементы чертежа, которые обрабатывают как единое целое, а не как совокупность точек и объектов. Система позволяет ставить линейные, угловые, диаметральные, радиальные и координатные размеры. Составные элементы размера: размерная линия, выносная линия и размерный текст. Имеется возможность ввода своего значения. Все линии, стрелки, элементы текста рассматриваются как один примитив.
Как и система PCAD система AutoCAD поддерживает слойность чертежа. Слои обладают свойствами сходными со слоями PCAD, что дает возможность редактировать чертежи созданные PCAD-ом. Слои в AutoCAD могут содержать имя слоя, состоящее из символов и цифр-букв, они могут переходить из включенного состояния в выключенное и наоборот. На каждом слое можно задавать свой цвет и тип линии, что помогает при создании и редактировании чертежей.
|
|
|
Одной из особенностей AutoCAD, является то, что он поддерживает специфический язык программирования Lisp. Этот язык ориентирован на обработку списков. Применение этого языка в AutoCAD дает ему широкие возможности.
5.2 конструкторский расчет устройства сопряжения
В качестве устройства, для которого необходимо разработать печатную плату, в соответствии с заданием к дипломному проекту, предложено устройство сопряжения с ЭВМ.
В состав блоков входят элементы серий К561, КР140, КР1533, микроконтроллеры: К1107ПВ2 и КР580ВВ55А, также оптопары транзисторные АОТ123Б. Также имеются резисторы, диоды, транзисторы и конденсаторы.
Для разработки платы сопряжения выбираем способ монтажа - печатный. Основные размеры печатной платы необходимо выбрать в соответствии со стандартом МЭК 297-3. Основные размеры печатных плат, регламентируемые данным стандартом приведены в таблице 5.1.
В этой таблице значения ряда 1 рекомендуется применять для печатных плат, компонуемых в частичном корпусе. Значения ряда 2 применяются для печатных плат, вставляемых непосредственно в комплектный корпус. Однако целесообразно из условий совместимости принимать значения ряда 1 для печатных плат любых применений, а значения ряда 2 – для применения в частичном корпусе.
При разработке печатной платы шаг координатной сетки отверстий необходимо примем равным 1,25 мм.
Остальные характеристики разрабатываемой печатной платы (шаг трассировки, шаг печатных проводников, диаметры контактных площадок и переходных отверстий) определим с использованием методик, описанных в [11].
Таблица 5.1-Основные размеры печатных плат по стандарту МЭК-297-3
| Высота Н, мм | Ширина | |
| Ряд 1 | Ряд 2 | В, мм |
| 55,55 | 67,31 | 100; 160; 220; 280 |
| 100,00 | 111,76 | 100; 160; 220; 280 |
| 144,45 | 156,20 | 100; 160; 220; 280 |
| 188,90 | 200,70 | 100; 160; 220; 280 |
| 233,35 | 245,10 | 100; 160; 220; 280 |
| 277,80 | 289,55 | 100; 160; 220; 280 |
| 322,25 | 334,00 | 100; 160; 220; 280 |
| 366,70 | 378,45 | 100; 160; 220; 280 |
| 411,15 | 422,90 | 100; 160; 220; 280 |
| 455,60 | 467,35 | 100; 160; 220; 280 |
| 500,05 | 511,80 | 100; 160; 220; 280 |
Минимальное число слоев печатной платы примем равное не менее двух. Коэффициент заполнения должен быть не менее 0,5.
|
|
|
В качестве предложенного пакета САПР печатных плат необходимо использовать пакет Pcad. С его помощью надо осуществить ввод электрической принципиальной схемы, генерацию списка связей, компоновку, размещение элементов, а также трассировку печатных соединений.
Чертежи разработанной печатной платы необходимо выполнить с использованием средств пакета САПР AutoCAD.
5.3 Особенности применяемой элементной базы и материалов
В соответствии с полученным заданием в принципиальной схеме устройства, для которого необходимо разработать печатную плату, использованы микросхемы серий: К561, КР140, КР1533, микроконтроллеры: К1107ПВ2 и КР580ВВ55А, также оптопары транзисторные АОТ123Б.
Основные параметры микросхем данных серий, необходимые для выполнения поставленной задачи, взяты из справочников [12].
В качестве материала для изготовления ПП выберем стеклотекстолит фольгированный СФ-2, толщиной 1,5 мм. Толщина слоя фольги 35 мкм. Этот материал обладает следующими характеристиками:
плотность..................................................................2.4*10-4 кг/см;
модуль упругости.....................................................3.3*105 кг/см2;
коэффициент теплопроводности................................0.34 Вт/м°С.
Толщина получаемой платы hП.П=1,07мм
5.4 Расчет печатного монтажа разрабатываемой ПП
Конструкторско-технологический расчет ПП производится с учетом производственных погрешностей рисунка проводящих элементов, фотошаблонов, базирования и т.п. он наиболее оптимальный вариант по технологичности.
Зададимся граничными значениями параметров печатного монтажа:
1) min ширина проводника: t=0,25 мм,
2) min расстояние между проводниками: S=0,25 мм
3) гарантированный поясок наружного слоя: bН=0,1 мм
4) гарантированный поясок внутреннего слоя: bb=0,05 мм
5) отношение диаметра отверстия к толщине платы: j=0,33
Произведем расчет вычислительного блока аппарата:
Разрабатываемый печатный узел содержит в себе:
5 корпус с размерами 30х9 мм, (К561КР1);
3 корпус с размерами 17,25x7,5 мм, (К140УД708);
1 корпус с размерами 51,5х15 мм, (КР580VV55А);
1 корпус с размерами 77,5х17 мм, (K1107PV2);
1 корпус с размерами 19,5х7,5 мм, (КР1533ЛН1);
1 корпуса с размерами 19,5x7,5 мм, (КР1533ЛА2);
2 транзистора с размерами 3x14 мм, (КТ301);
1 транзистор с размерами 8x7 мм, (КТ315);
3 конденсатора с размерами 4,5x7 мм;
4 конденсатора с размерами 3x6,5 мм;
2 диода с размерами 3x4 мм;
6 резисторов с размерами12x5 мм;
15 резисторов с размерами16x8 мм;
8 оптопар с размерами 28х10 мм;
1 разъем с размерами 190х26 мм;
1 разъем с размерами 107х26 мм;
Общая площадь, занимаемая компонентами без учета зазоров равна 14817,75 мм2. В соответствии со стандартом МЭК 237-3 приведенным в таблице 5.1 выбираем ближайшую по площади плату с размером ПП-100х220.
|
|
|
Коэффициент заполнения определяем по формуле:
, (5.1)
где SЭ- площадь, занимаемая элементами; SТР- площадь трассировки.
Конструктивно-технологический расчёт печатных плат производится с учётом производственных погрешностей рисунка проводящих элементов, фотошаблонов, базирования, сверления, экспонирования и т.п. Граничные значения основных параметров печатного монтажа, которые могут быть обеспечены при конструировании и производстве для трех классов плотности монтажа, приведены в таблице 5.2.
Таблица 5.2 - Граничные значения основных параметров печатного монтажа.
| Наименование расчетного элемента | Обозначение | Размеры элементов для класса плотности печатного монтажа | ||
| Ширина проводников, мм | bГпр | 0,5 | 0,25 | 0,15 |
| Расстояние между элементами печатного монтажа, мм | lГ | 0,5 | 0,25 | 0,15 |
| Отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы | kД.Т. | 0,4 | 0,33 | 0,33 |
| Ширина пояска контактной площадки, мм | bГПО | 0,05 | 0,05 | 0,025 |
Выбранные в соответствии с данной таблицей размеры необходимо согласовывать с технологическими возможностями конкретного производства.
Минимальный диаметр переходного отверстия определяется из соотношения:
, (5.2)
минимальный диаметр монтажного отверстия:
, (5.3)
где hП.П – расчетная толщина печатной платы; dВ – диаметр вывода эрэ, микросхемы или соединителя; D – зазор между выводом и монтажным отверстием (наивысшая надежность паяного соединения будет при D=0,4¸0,6 мм); hГ – толщина гальванически наращенной меди (обычно hГ=0,05¸0,06 мм)
Если вычисленный по формуле (5.3) диаметр dМ.О окажется меньше произведения kМ.О hП.П , то из технологических соображений dМ.О принимается равным dП.О.
Минимальный диаметр контактной площадки dК.П металлизированных отверстий с учетом погрешностей и подтравливания фольги:
, (5.4)
где hФ – толщина фольги.
Сечение проводника цепей питания и земли можно вычислить по формуле:
. (5.5)
Для современных серий микросхем ток, выдаваемый в нагрузку не превышает 0,1А. Максимальную длину проводника для платы 100´220 мм2 можно принять равной 22000 мм
Необходимая ширина проводника цепей питания и земли:
. (5.6)
Необходимая ширина проводника сигнальной цепи:
. (5.7)
Минимальное расстояние между проводниками:
, (5.8)
, (5.9)
. (5.10)
На основании приведенной выше методики и приняв третий класс плотности печатного монтажа произведем расчет печатного монтажа для разрабатываемой двусторонней печатной платы.
Минимальный диаметр переходного отверстия
Минимальный диаметр контактной площадки dК.П.ПО переходного отверстия:
Минимальный диаметр монтажного отверстия:
а) Для DIP корпусов:
.
б) Для навесных элементов:
Минимальный диаметр контактной площадки dК.П.МО монтажного отверстия:
а) Для DIP корпусов:
б) Для навесных элементов:
Минимальный размер шины питания и земли:
Находим суммарный ток:
К561КР1 (1шт) – IПОТР=20 мА
К140УД708 (1шт) – IПОТР=15 мА
КР580VV55А (1шт) – IПОТР=80 мА
K1107PV2 (1шт) – IПОТР=35 мА
КР1533ЛН1 (1шт) – IПОТР=12 мА
КР1533ЛА2 (1шт) – IПОТР=15 мА
Iå=177мА
Требуемое сечение шины питания и земли:
Sпз=0,017*2,2*0,177/0,02*5»0,06мм2
Требуемое сечение шины питания 9В:
Sпз=0,017*2,2*0,177/0,02*9»0,05мм2
Требуемое сечение шины питания 12В:
Sпз=0,017*2,2*0,177/0,02*12»0,04мм2
Ширина дорожки питания и земли:
bп=0,06/0,035=1 мм
Ширина дорожки +9В:
bп=0,03/0,035=0,9 мм
Ширина дорожки +12В:
bп=0,025/0,035=0,8 мм
Необходимая ширина проводника сигнальной цепи:
bпр=0,017*22*0,192/(0,4*0,035)=0,25
Минимальное расстояние между проводниками:
n=(2,5-(1,3+1,3)/2-0,15-0,03)/(0,15+0,15)=3,4 мм
Используя полученные данные можно приступать к трассировке платы.
5.5 Решения задачи топологического синтеза ПП с помощью применяемого пакета САПР – PCAD-8.5
Основным инструментом при автоматической трассировке ПП в пакете PCAD является файл стратегии. Поэтому опишем некоторые его основные установки для объяснения нашего способа разводки [10].
После выбора пункта Routing Parameters в основном меню программы Autorouter на экране появится меню, в котором можно устанавливать параметры.
Приведем основные из них:
· первоначально устанавливаем метрическую систему измерения, т.к. все наши элементы рисовались в ней;
· устанавливаем основную координатную сетку шагом 2,5 мм, как задано в ТЗ, также задаем вспомогательную сетку шагом 1,25 мм, что соответствует технологическим требованиям;
· устанавливаем количество слоев для трассировки;
· устанавливаем тип трассировки – наиболее целесообразным является тип Steiner, которая позволяет выполнять Т-образные соединения и другие соединения, которые минимизируют расстояния между точками;
· устанавливаем порядок трассировки – по рекомендациям авторов ставим порядок Short-Long, т.е. сначала будут трассироваться короткие цепи, а затем – длинные. Это дает меньшее количество не разведенных цепей;
· на первоначальном этапе произведем отключение диагональной трассировки, т.к. она может дать несоблюдение допустимых зазоров, однако после первого этапа трассировки окажется, что зазоры соблюдаются, то можно установить Diagonal Routing и повторить трассировку, что, возможно, даст улучшение;
· проведем включение режима минимизации количества переходных отверстий, сделав установку Via minimization;
· установим режим сглаживания углов Perform Beveling. В этом случае будет производиться замена прямоугольных изгибов проводников, где это возможно на изгибы под углом 45°. Установим здесь параметр During+After, т.к. он наиболее эффективный;
· установим параметр Jog Elimination который осуществляет ликвидацию выступов печатных проводников. Процедура заключается в том, что: 1. Ликвидируются выступы, остающиеся после перемещения переходных отверстий; 2. Два или более сегмента проводника заменяются по возможности одним сегментом.
На этом заканчивается установка основных параметров трассировки, и переходим к установке дополнительных параметров.
Войдя в режим Detailed Routing Parameters, у нас есть возможность произвести следующие установки:
· установим тип переходных отверстий (Via Type) Through который позволит создавать сквозные переходные отверстия;
· далее необходимо установить параметр Via Sites который определяет размещение переходных отверстий. Произведем установку All Grid Points, что предоставит возможность располагать переходные отверстия во всех точках координатной сетки;
· разрешим размещение переходных отверстий на всей плате, произведя установку в пункте Via Lattice Region параметра Entire Board;
· установим размеры области поиска пути для трассы в пункте Route Search Area Size. Следуя указаниям авторов, установим в этом пункте значение 3;
· определим число основных проходов алгоритма “лабиринт” – Number of Maze Router Passes. В связи с тем, что уже на третьем проходе размер области поиска увеличен в 4 раза, то установим количество проходов равное 3;
· произведем открытие всей площади платы для трассировки, на последнем проходе установив параметр Full Board;
· согласно технологическим требованиям и, исходя из коэффициента заполнения, установим минимальное расстояние трасс от края платы равное 0,5;
· в следующем окне установим только параметр Even Distribution, который позволит равномерно распределять проводники на всех парах слоев. При отсутствии этой установки, будет поставлено значительно больше переходных отверстий, и проводники будут располагаться неравномерно.
Перейдем к установке параметров алгоритма Rip-Up. Этот параметр позволяет управлять наиболее мощным средством программы.
Произведем установку следующих пунктов:
· установим количество проходов каждого алгоритма трассировки. Пункт Normal трогать не будем, т.к. там уже находится значение установленное ранее. В пункте Rip-Up установим количество проходов равное 2, что наиболее оптимально с точки зрения загрузки памяти. В пункте Optimize установим количество попыток переразвести связи равное 3;
· включим режим уплотнения трасс Trace Hugging, что дает нам уплотнение трасс и экономию пространства на ПП;
· отключим режим Penalize Corners уменьшающий количество изгибов проводника, т.к. он вступает в противоречие с предыдущим режимом.
Остальные установки оставим без изменений.
Произведем определение контактных площадок. Этим пунктом мы зададим размет и форму контактных площадок.
В соответствии с рассчитанными ранее параметрами площадок под контакты и переходные отверстия произведем установки. При этом необходимо учитывать, что первый вывод в микросхеме должен быть отличной формы от других, поэтому установим его квадратным. Так же надо установить отключение проводимости во внутреннем слое и установить расположение контактных площадок в узлах координатной сетки.
Определим правила прокладки проводников.
В этом пункте алгоритма воспользуемся ранее рассчитанными параметрами проводников и внесли их в данный пункт.
Определим классы цепей.
Этот раздел позволяет задать определенные цепи, которые будут разводиться особым способом.
Здесь осуществляется ввод параметров цепей питания и земли. Установим для этих цепей высокий приоритет.
Произведем описание слоев.
В этом пункте можно задать количество трассируемых слоев отличных от общего количества слоев ПП, задать предпочтительное направление трассировки для каждого из трассируемых слоев.
Далее проведем заполнение таблицы слоев, в которой каждому слою укажем направление разводки.
Перейдем к конструктору контактных площадок. В данном пункте произведем только установку имен файлов входной базы данных ПП, входной файл стратегии трассировки и имя проекта. От внесения изменений можно отказаться, нажав Exit.
Таким образом, мы провели конфигурирование файла стратегии. Оттрассировав плату по данной стратегии, мы получим плату соответствующую нашим расчетным данным.
После того, как мы растрассировали плату, необходимо оформить ее как чертеж в соответствии с требованиями. Система PCAD не позволяет полностью провести оформительскую работу, и поэтому воспользуемся системой AutoCAD. Для того чтобы AutoCAD смог прочитать чертежи слоев и печатной платы преобразуем файлы с расширением “.pcb” в файлы формата “.dxf”. сделать это можно воспользовавшись функцией PCAD.
После преобразования мы загружаем файлы в AutoCAD.
|
|
|
