♉️ 🤰🏻 🐎 Diseño asistido por computadora de equipos electrónicos. 🐋 👨🏻‍✈️ 👇🏽

En una forma popular, se abordan los problemas del diseño asistido por computadora de equipos electrónicos (CEA) en diseños de PCB, las principales etapas de la formación y evolución de los sistemas de diseño asistido por computadora (CAD) de CEA, el contenido de las tareas de automatización, la organización de un ciclo de trabajo de diseño de extremo a extremo utilizando herramientas de automatización.

El propósito de la publicación es familiarizar a los trabajadores de ingeniería con una de las áreas de rápido desarrollo en la industria moderna de la tecnología de la información.

Prólogo

La automatización de las actividades de diseño y liquidación en la práctica de la ingeniería tiene una historia larga y bastante rica. Volviendo al pasado relativamente reciente, es suficiente recordar puntajes, aritmómetros mecánicos y reglas de cálculo. Un poco más tarde, las calculadoras electrónicas, que hasta el día de hoy tienen un uso generalizado, han entrado en la práctica de cálculo. Todos estos dispositivos están destinados a facilitar la implementación de una variedad de cálculos, una proporción significativa de los cuales recae en las actividades de diseño de los ingenieros.

Un paso significativo hacia la automatización de las actividades de liquidación fue la aparición de computadoras electrónicas (computadoras), cuyas capacidades hicieron posible no solo realizar cálculos, sino también controlar los flujos de cálculos y datos necesarios compilando programas en lenguajes de programación especializados: Autocode (o Assembler), Algol, Fortran y otros La programación ha cambiado fundamentalmente la aplicabilidad de los métodos matemáticos de álgebra, geometría, métodos numéricos, teoría de probabilidad, investigación operativa, matemática discreta, programación lineal y muchos otros que se han desarrollado durante siglos. El aumento en la productividad de la computadora (velocidad y tamaño de la memoria) con la expansión simultánea de la gama de dispositivos periféricos: entrada y salida de texto y datos gráficos, unidades de almacenamiento de información a largo plazo, así como el desarrollo intensivo de sistemas operativos, compiladores de lenguaje de programación tuvo un impacto significativo en el papel cambiante de las computadoras en la ingeniería práctica La solución de los problemas de cálculo individuales comenzó a ser reemplazada gradualmente por la implementación de las etapas completas del ciclo del proyecto, lo que dio lugar al concepto de diseño asistido por computadora de acuerdo con la siguiente definición.

Sistema de diseño asistido por computadora : un sistema automatizado que implementa tecnología de información para funciones de diseño, es un sistema organizativo y técnico diseñado para automatizar el proceso de diseño, que consta de personal y un conjunto de medios técnicos, de software y otros medios para automatizar sus actividades. También para la designación de tales sistemas, el acrónimo CAD es ampliamente utilizado .

El objetivo principal de CAD es aumentar la eficiencia de la ingeniería: reducir la complejidad y el tiempo de diseño, garantizar soluciones y documentación de diseño de alta calidad, minimizar el modelado y prueba a gran escala de prototipos, y reducir el costo de preparación de la producción.

En la práctica moderna de la ingeniería, los siguientes sistemas CAD son los más utilizados:

El contenido de esta publicación se limita solo a cuestiones relacionadas con el área temática de equipos electrónicos CAD en placas de circuitos impresos.
En los años 1948-1950, William Shockley creó la teoría de la unión pn y un transistor plano, y el primer transistor se fabricó el 12 de abril de 1950. En 1954, Texas Instruments lanzó el primer transistor de silicio. El proceso plano basado en silicio se ha convertido en la tecnología principal para la producción de transistores y circuitos integrados.

Por su colaboración en el desarrollo del primer transistor operacional del mundo en 1948, John Bardin, William Shockley y Walter Brattain compartieron el Premio Nobel de 1956. La formación y el desarrollo de la tecnología para la producción industrial de dispositivos semiconductores ha determinado una tendencia al alza a largo plazo y estable en el grado de integración de componentes electrónicos, la transición a una base de elementos semiconductores ha ampliado significativamente el alcance de la aplicación de dispositivos electrónicos con un aumento dramático en su grado de integración y, como resultado, la complejidad funcional.

La expansión en el rango de aplicabilidad de los dispositivos electrónicos también fue facilitada por el progreso en la tecnología para la producción de placas de circuito impreso, que tienen una alta confiabilidad de las conexiones eléctricas y la resistencia mecánica, que es un requisito prioritario para los productos electrónicos móviles y estacionarios.

Se considera que el "cumpleaños" de las placas de circuito impreso es 1902, cuando el inventor, el ingeniero alemán Albert Parker Hansen, presentó una solicitud en la oficina de patentes de su país natal.

La placa de circuito de Hansen era una imagen estampada o cortada en una lámina de bronce (o cobre). La capa conductora resultante se pegó sobre un papel dieléctrico impregnado con parafina. Incluso entonces, cuidando una mayor densidad de conductores, Hansen pegó la lámina en ambos lados, creando una placa de circuito impreso de doble cara. El inventor también usó agujeros de conexión a través de la placa de circuito impreso. Las obras de Hansen contienen descripciones de la creación de conductores utilizando tintas de galvanoplastia o conductivas, que son metal en polvo mezclado con un soporte adhesivo.

Una placa de circuito impreso (PCB) es una placa dieléctrica en la superficie o en cuyo volumen se forman los circuitos conductores de electricidad de un circuito electrónico. La placa de circuito impreso está diseñada para la conexión eléctrica y mecánica de varios componentes electrónicos. Los componentes electrónicos en la placa de circuito impreso están conectados por sus hallazgos a los elementos del patrón conductor, generalmente mediante soldadura.

Estas tendencias en el desarrollo de circuitos y el diseño de REA requirieron cambios fundamentales en los enfoques de organización de procesos para crear productos electrónicos de alta complejidad funcional y de diseño, lo que estimuló la aparición de sistemas industriales para el diseño automatizado de equipos electrónicos.

En las primeras etapas del desarrollo de CAD REA, los principales clientes eran empresas: creadores de sistemas informáticos complejos, cuyos diseñadores generales comenzaron a organizar unidades CAD especializadas en la estructura de sus oficinas de diseño.

La creación de CAD REA requirió el uso de métodos y algoritmos matemáticos efectivos para resolver problemas clave de síntesis estructural y paramétrica de dispositivos diseñados. Los investigadores de las principales universidades participaron en el desarrollo del aparato matemático correspondiente: la Universidad Estatal de Moscú, la Universidad Estatal de Leningrado, el Instituto de Física y Tecnología de Moscú, el Instituto de Física de Ingeniería de Moscú, el Instituto de Ingeniería Eléctrica de Moscú, el Instituto de Matemáticas y Tecnología de Moscú, el Instituto de Ingeniería de Aviación de Moscú, el Instituto de Economía y Tecnología de Moscú, LETI y muchos otros, así como los institutos politécnicos de las ciudades: Kaunas, Kiev, Lviv. Para integrar recursos y coordinar el desarrollo de CAD REA, el Ministerio de Industria de Radio de la URSS llevó a cabo los programas de sucursal RAPIR y PRAM, destinados a crear paquetes de software compatibles con la información para el diseño asistido por computadora.

Los siguientes científicos hicieron una contribución significativa a la teoría y práctica de CAD REA en particular:

Abraitis Ludvikas Blazhevich
Bazilevich Roman Petrovich
Vermishev Yuri Khristoforovich
Zaitseva Zhanna Nikolaevna
Markarov Yuri Karpovich
Matyukhin Nikolay Yakovlevich
Norenkov Igor Petrovich
Petrenko Anatoly Ivanovich
Ryabov Gennady Georgievich
Ryabov Leonid Pavlovich
Selyutin Victor Abramovich
Tetelbaum Alexander Yakovlevich
Shiro Gennady Eduardovich
Stein Mark Eliozarovich
y muchos otros

La estructura y las etapas principales del diseño de CEA

El equipo electrónico moderno se implementa en los niveles de la jerarquía de diseño que se muestra en la figura a continuación. Para todos los niveles de la jerarquía, se utilizan herramientas de diseño asistidas por computadora apropiadas, como CAD BIS / VLSI, placas de circuitos impresos, bloques y gabinetes.

Además, nos restringimos a los problemas del diseño asistido por computadora de elementos de reemplazo típicos (Nivel I). El ciclo completo de diseño de dispositivos electrónicos de nivel I incluye los siguientes pasos principales:

Desarrollo de un diagrama de circuito eléctrico (E3) de un dispositivo electrónico.
Simulación digital a analógica de un circuito de dispositivo.
Colocación (disposición) de componentes electrónicos y conectores externos en una placa de circuito impreso. Optimización de la disposición de los componentes para minimizar las longitudes de las conexiones eléctricas propuestas, garantizar una disipación de calor uniforme, crear un entorno electromagnético aceptable para la transmisión de señales sin distorsión.
Colocación (rastreo) de conexiones eléctricas entre los terminales equipotenciales de los componentes colocados de acuerdo con las reglas de diseño especificadas que rigen el ancho de las conexiones, los espacios mínimos permitidos con otros elementos del circuito impreso, asegurando los requisitos de rendimiento y la inmunidad al ruido.
Monitoreo de la conformidad de la estructura del circuito impreso con el circuito eléctrico original y las limitaciones tecnológicas de producción.
Emisión de documentación de diseño y producción.
Monitoreo de la integridad de los datos de diseño, seguimiento de los cambios realizados, intercambio de información de diseño con otros sistemas automatizados.

Desarrollo de un diagrama de circuito eléctrico (E3)

Circuito eléctrico: una imagen gráfica utilizada para transmitir la estructura de un dispositivo electrónico utilizando designaciones gráficas y alfanuméricas condicionales. Incluye símbolos gráficos (UGO) de componentes electrónicos y las conexiones entre sus conclusiones.

Se puede presentar un diagrama de circuito en una o más hojas de dibujo, mientras que el circuito no regula la disposición mutua (física) de los componentes electrónicos. Todos los componentes en el diagrama y las conexiones tienen asignados identificadores únicos (número de componente en el diagrama, nombre del circuito, etc.). Para aumentar la legibilidad del circuito, se utilizan objetos gráficos compactos: buses y conectores.

El desarrollo de circuitos eléctricos se lleva a cabo utilizando bibliotecas previamente preparadas y certificadas de símbolos gráficos convencionales de componentes electrónicos para cumplir con los requisitos de GOST.

Simulación lógica de dispositivos digitales.

El modelado lógico es una de las formas más comunes de probar las propiedades conductuales y funcionales de los dispositivos digitales diseñados y tiene como objetivo reducir los costos asociados con la creación y prueba de prototipos. La estructura de un dispositivo digital para modelar se describe en uno de los lenguajes comunes para describir equipos electrónicos: VHDL y (o) Verilog, y los valores de señal en las conexiones y la dinámica de sus cambios a lo largo del tiempo se muestran en forma de diagramas gráficos de tiempo.

Las herramientas de software modernas admiten los modos de modelado lógico de dispositivos digitales asíncronos y síncronos en un alfabeto de valores múltiples de posibles valores de señal. Se permite simular y analizar la operación conjunta del hardware del dispositivo digital y el software (firmware) como parte de este dispositivo, lo que garantiza la integridad y la integridad de los resultados de la simulación.

Simulación de dispositivos analógicos.

El modelado de dispositivos analógicos le permite analizar modos de funcionamiento y evaluar los parámetros del circuito sin hacer sus muestras de prueba.

Actualmente, los siguientes tipos de simulación de dispositivos analógicos están muy extendidos:

Análisis del circuito de corriente continua y alterna.
Análisis de funciones transitorias y de transferencia
Análisis de ruido y estabilidad
Análisis de temperatura cuando la temperatura de operación cambia
Análisis paramétrico al cambiar los parámetros de modelos de componentes electrónicos (transistores, diodos, condensadores, resistencias, fuentes funcionales, etc.)

Colocación de componentes electrónicos.

Colocar (organizar) componentes y conectores electrónicos en una placa de circuito impreso es una tarea compleja, cuya solución requiere compromisos en los siguientes criterios principales:

Disposición de los componentes de conformidad con las normas establecidas a la distancia mínima permitida entre sus alojamientos y conclusiones.
Minimizar la longitud total de las conexiones planificadas para la implementación, teniendo en cuenta los requisitos de velocidad e inmunidad al ruido (pares diferenciales, grupos funcionalmente conectados, circuitos de sincronización).
Asegurar una distribución uniforme de la densidad de compuestos en la placa de circuito impreso.
Contabilización de la disipación de calor y la radiación electromagnética de componentes electrónicos.

Para evaluar la calidad de la colocación de componentes electrónicos en una placa de circuito impreso, en particular, se utilizan estimaciones asociadas con el análisis de la densidad de distribución de los compuestos requeridos o el modelo de "vectores de fuerza", indicando para cada componente la dirección hacia su mejor huella en la placa.

Rastreo de conexiones eléctricas

El rastreo de conexiones es una etapa clave en el diseño de equipos electrónicos; resuelve el problema de colocar conexiones en capas de una placa de circuito impreso entre salidas equipotenciales de componentes, teniendo en cuenta las reglas y restricciones especificadas, siendo las principales restricciones en el ancho de los conductores y los espacios mínimos permitidos entre los elementos de cableado impresos. Los indicadores de rendimiento de los métodos de rastreo aplicados son la integridad del circuito eléctrico, la longitud total mínima de las conexiones construidas, el número de capas utilizadas y las transiciones entre capas.

Actualmente, en la práctica, los siguientes tres métodos (modos) de rastreo de placas de circuito impreso son ampliamente utilizados:

El diseñador realiza el trazado manual dibujando un patrón de conductores en el dibujo del tablero.
El seguimiento automático se implementa mediante programas especializados que realizan conductores en capas. Los resultados están disponibles para los diseñadores para posteriores ajustes manuales y mejoras.
El rastreo interactivo es una combinación de modos de rastreo manual y automático. En este caso, el diseñador establece las condiciones para rastrear todas o parte de las conexiones requeridas, y el software realiza operaciones de rastreo en las condiciones dadas.

Teniendo en cuenta el hecho de que los resultados del rastreo automático son muy críticos en el diseño asistido por computadora, a continuación se proporcionan descripciones (en una forma bastante general) de algoritmos comunes para resolver este problema.

Algoritmo de onda de seguimiento automático

La primera descripción del algoritmo de onda para rastrear conexiones en placas de circuito impreso se publicó a principios de los años 60 (Lee, CY, Un algoritmo para conexiones de ruta y sus aplicaciones, Transacciones IRE en computadoras electrónicas, vol. EC-10, número 2, pp. 364-365, 1961). La simplicidad de este algoritmo fue el incentivo para la implementación de muchas herramientas de software relevantes.

En cada iteración, el algoritmo busca y forma una conexión de un ancho dado entre dos puntos dados en el plano, teniendo en cuenta los obstáculos existentes. Para realizar estas funciones, se utiliza el llamado campo de trabajo discreto (DRP): una matriz numérica bidimensional, cuyas celdas muestran las secciones correspondientes de la placa de circuito impreso con dimensiones iguales al ancho del conductor, aumentadas por el tamaño del espacio permitido. Esto garantiza que dos conductores ubicados en celdas adyacentes siempre tengan el espacio libre requerido entre sus bordes. Las celdas DRP prohibidas para colocar conexiones están marcadas con etiquetas especiales.

La búsqueda de la conexión se realiza mediante la asignación secuencial de 1-2-3 ... etiquetas numéricas a las celdas DRP vecinas (no está prohibido establecer la conexión), comenzando con una de las conectadas ( "I" ) y hasta la segunda ( "P" ). En el caso en que se alcanza la segunda celda conectada, comienza la formación de la conexión encontrada en base a la selección secuencial de pares de celdas vecinas en la secuencia de código ... 3-2-1-3-2-1 ...

La conexión construida se muestra en el DRP con un nuevo conjunto de celdas prohibidas para establecer conexiones y luego el procedimiento descrito se repite para el siguiente par de puntos, etc.

Métodos de trazado geométrico

Los métodos de rastreo geométrico (basado en la forma) son la próxima generación después de la generación de ondas de algoritmos de rastreo de PCB y grandes circuitos integrados.

Estos métodos funcionan con modelos geométricos de objetos de circuitos impresos (contactos, conductores, etc.), buscando y colocando conexiones en un laberinto existente de recursos libres.

Los algoritmos de esta clase resuelven el problema de establecer cada conexión también en dos etapas: buscar una posible conexión y establecerla.

La búsqueda de la conexión se lleva a cabo mediante la distribución secuencial de muestras rectangulares ( "I" - la muestra inicial) a través de las secciones continuas de los recursos de rastreo disponibles - hasta que el objeto geométrico "P" se encuentra (o se agotan todos los recursos).Cada muestra formada es una fuente para la formación de tres muestras generadas a lo largo de sus bordes (e _N ).

El camino encontrado se define como una secuencia de pares de muestras generadas y generadas
( e ₁₈ e ₁₆ e ₁₄ e ₁₂ e ₁₀ e ₈ e ₂ I )

Métodos de rastreo topológico

, ( ) : , , , ..

, , “” , “” .
, :
( e ₁₂ e ₁₁ e ₁₀ e ₉ e ₈ e ₇ e ₆ e ₅ e ₄ e ₃ e ₂ e ₁ I ).

Las descripciones presentadas de los algoritmos de rastreo se simplifican y se aplican solo a las estructuras de capa única más simples. En la práctica, las implementaciones de software de estos algoritmos proporcionan la capacidad de rastrear placas de circuitos impresos multicapa utilizando uniones metalizadas entre capas, observando una amplia gama de restricciones en el ancho de los conductores y los espacios mínimos permitidos entre todos los elementos de la placa de circuito impreso.

El uso generalizado de dispositivos electrónicos en instrumentación, la industria informática, la industria aeroespacial y los electrodomésticos impone requisitos cada vez más estrictos sobre la calidad y las propiedades electrofísicas de las placas de circuito impreso formadas durante el enrutamiento de las conexiones en la placa.

Hoy, los siguientes requisitos adicionales para los métodos de rastreo son cada vez más críticos:

Realización de compuestos de alta densidad.
Proporciona alta velocidad y sincronización al transmitir señales.
Garantías de inmunidad al ruido de las señales en las conexiones.

Documentación para diseños de dispositivos electrónicos.

La etapa final en el diseño de dispositivos electrónicos es la publicación de la documentación del proyecto, incluida la documentación de diseño y los datos para la fabricación de placas de circuito impreso.

Documentación de diseño (CD): documentos gráficos y de texto que determinan la composición y estructura del producto, contienen los datos necesarios para su fabricación, control y operación. Incluyen la especificación, el diagrama eléctrico, el dibujo de ensamblaje de la placa, la lista de elementos, la lista de productos comprados, las especificaciones técnicas, el programa de prueba y la metodología, y otros de acuerdo con los requisitos de GOST.

Los datos sobre la fabricación de placas de circuito impreso son generados por software y contienen la información necesaria para la fabricación de fotomascaras y perforaciones.

Los formatos de presentación para estos datos están unificados (Gerber, ODB ++) y son estándares de facto cuando se transmiten los resultados al fabricante.

Ciclo de diseño CEA de extremo a extremo

Desde el punto de vista de los usuarios (es decir, desarrolladores de equipos electrónicos), CAD REA es un producto de software cuyas propiedades de consumo se evalúan de acuerdo con los siguientes criterios principales:

Soporte para el ciclo de diseño CEA de extremo a extremo mediante herramientas de automatización.
La funcionalidad de subsistemas individuales (modelado, conexiones de rastreo, etc.).
Apertura del sistema para su integración con otros medios de automatización en las mismas áreas temáticas o relacionadas.
Documentación de usuario detallada y de alta calidad.
Soporte técnico a usuarios de empresas que desarrollan productos de software.

En esta serie de requisitos, el requisito principal es, por regla general, la posibilidad de construir un ciclo de diseño de extremo a extremo, desde la emisión de especificaciones técnicas para un proyecto hasta la obtención de documentación y datos de diseño para la fabricación de un producto.

El contenido del ciclo de extremo a extremo está determinado por un conjunto de etapas del proyecto, ejecutadas secuencialmente sobre la base de un solo modelo de información del proyecto.

Este enfoque garantiza la compatibilidad de los datos de diseño y la posibilidad de un diseño iterativo del producto, es decir, la reanudación del trabajo de diseño desde la etapa inicial o una de las etapas intermedias con cambios en las especificaciones de diseño.

Un ejemplo de CAD REA de diseño ruso, que proporciona la automatización de las principales etapas del diseño de dispositivos electrónicos, es el producto de software EREMEX Delta Design:

en muchos casos, las compañías de equipos electrónicos organizan ciclos de diseño de extremo a extremo basados en la integración de CAD REA compatible con la información de diferentes fabricantes, cuyo mercado actual es suficiente diversa

Concluyendo la discusión de temas relacionados con la automatización del diseño de equipos electrónicos, cabe señalar que esta área de actividad actualmente continúa desarrollándose de manera bastante intensa. A corto plazo, debemos esperar la aparición de nuevos métodos y enfoques para resolver problemas de diseño asistido por computadora.

Diseño asistido por computadora de equipos electrónicos.