Computergestütztes Design elektronischer Geräte

In einer populären Form werden die Themen des computergestützten Entwurfs elektronischer Geräte (CEA) auf Leiterplattenentwürfen, die Hauptphasen der Bildung und Entwicklung computergestützter Entwurfssysteme (CAD) von CEA, der Inhalt von Automatisierungsaufgaben und die Organisation eines durchgängigen Entwurfsarbeitszyklus unter Verwendung von Automatisierungswerkzeugen behandelt.

Ziel der Veröffentlichung ist es, Ingenieure mit einem der sich schnell entwickelnden Bereiche der modernen Informationstechnologiebranche vertraut zu machen.

Vorwort

Die Automatisierung von Entwurfs- und Abwicklungsaktivitäten in der Ingenieurpraxis hat eine lange und ziemlich reiche Geschichte. In Bezug auf die relativ junge Vergangenheit genügt es, Partituren, mechanische Arithmometer und Rechenschieber abzurufen. Wenig später sind elektronische Taschenrechner, die bis heute weit verbreitet sind, in die Berechnungspraxis eingetreten. Alle diese Geräte sollen die Implementierung einer Vielzahl von Berechnungen erleichtern, von denen ein erheblicher Teil auf die Konstruktionsaktivitäten der Ingenieure zurückzuführen ist.

Ein wichtiger Schritt zur Automatisierung der Abwicklungsaktivitäten war das Aufkommen elektronischer Computer (Computer), deren Funktionen es ermöglichten, nicht nur Berechnungen durchzuführen, sondern auch den Fluss notwendiger Berechnungen und Daten durch Kompilieren von Programmen in speziellen Programmiersprachen zu steuern: Autocode (oder Assembler), Algol, Fortran und andere. Die Programmierung hat die Anwendbarkeit mathematischer Methoden der Algebra, Geometrie, numerischen Methoden, Wahrscheinlichkeitstheorie, Operationsforschung, diskreten Mathematik, linearen Programmierung und vieler anderer Methoden, die über Jahrhunderte entwickelt wurden, grundlegend verändert. Die Steigerung der Computerproduktivität (Geschwindigkeit und Speichergröße) bei gleichzeitiger Erweiterung des Angebots an Peripheriegeräten: Eingabe und Ausgabe von Text- und Grafikdaten, Laufwerke zur Langzeitspeicherung von Informationen sowie die intensive Entwicklung von Betriebssystemen und Programmiersprachen-Compilern hatten erhebliche Auswirkungen auf die sich ändernde Rolle von Computern in der Technik üben. Die Lösung einzelner Berechnungsprobleme wurde schrittweise durch die Umsetzung der abgeschlossenen Phasen des Projektzyklus ersetzt, aus denen das Konzept des computergestützten Entwurfs gemäß der folgenden Definition hervorging.

Computergestütztes Entwurfssystem - ein automatisiertes System, das Informationstechnologie für Entwurfsfunktionen implementiert, ist ein organisatorisches und technisches System zur Automatisierung des Entwurfsprozesses, das aus Personal und einer Reihe von technischen, Software- und anderen Mitteln zur Automatisierung seiner Aktivitäten besteht. Auch für die Bezeichnung solcher Systeme wird häufig das Akronym CAD verwendet .

Der Hauptzweck von CAD besteht darin, die Effizienz des Engineerings zu steigern: Reduzierung der Komplexität und Konstruktionszeit, Sicherstellung qualitativ hochwertiger Konstruktionslösungen und -dokumentationen, Minimierung der vollständigen Modellierung und Prüfung von Prototypen und Reduzierung der Kosten für die Vorbereitung der Produktion.

In der modernen Ingenieurpraxis werden am häufigsten folgende CAD-Systeme verwendet:



Der Inhalt dieser Veröffentlichung beschränkt sich nur auf Themen im Zusammenhang mit dem Themenbereich CAD-Elektronikgeräte auf Leiterplatten.
In den Jahren 1948-1950 schuf William Shockley die Theorie des pn-Übergangs und eines planaren Transistors, und der erste derartige Transistor wurde am 12. April 1950 hergestellt. 1954 brachte Texas Instruments den ersten Siliziumtransistor auf den Markt. Der planare Prozess auf Siliziumbasis ist zur Haupttechnologie für die Herstellung von Transistoren und integrierten Schaltkreisen geworden.

John Bardin, William Shockley und Walter Brattain teilten sich für ihre Zusammenarbeit bei der Entwicklung des weltweit ersten betriebsbereiten Transistors im Jahr 1948 den Nobelpreis von 1956. Die Bildung und Entwicklung der Technologie für die industrielle Herstellung von Halbleiterbauelementen hat einen langfristigen und stabilen Aufwärtstrend beim Integrationsgrad elektronischer Komponenten festgestellt. Der Übergang zu einer Halbleiterelementbasis hat den Anwendungsbereich elektronischer Bauelemente mit einem dramatischen Anstieg ihres Integrationsgrades und infolgedessen der funktionalen Komplexität erheblich erweitert.


Die Erweiterung des Anwendungsbereichs elektronischer Geräte wurde auch durch den Fortschritt in der Technologie zur Herstellung von Leiterplatten erleichtert, die eine hohe Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindungen und eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen, was eine vorrangige Anforderung für mobile und stationäre elektronische Produkte darstellt.

Der „Geburtstag“ von Leiterplatten gilt als 1902, als der Erfinder, der deutsche Ingenieur Albert Parker Hansen, beim Patentamt seines Heimatlandes einen Antrag stellte.

Hansens Leiterplatte war ein Stempel- oder Schnittbild auf einer Bronze- (oder Kupfer-) Folie. Die resultierende leitende Schicht wurde auf ein mit Paraffin imprägniertes Dielektrikum geklebt. Schon damals klebte Hansen die Folie auf beiden Seiten und schuf eine doppelseitige Leiterplatte. Der Erfinder verwendete auch Verbindungslöcher durch die Leiterplatte. Hansens Arbeiten enthalten Beschreibungen der Herstellung von Leitern unter Verwendung von galvanischen oder leitfähigen Tinten, bei denen es sich um pulverförmiges Metall handelt, das mit einem Klebstoffträger gemischt ist.

Eine Leiterplatte (PCB) ist eine dielektrische Platte auf der Oberfläche oder in deren Volumen elektrisch leitende Schaltungen einer elektronischen Schaltung gebildet sind. Die Leiterplatte dient zum elektrischen und mechanischen Anschluss verschiedener elektronischer Komponenten. Die elektronischen Komponenten auf der Leiterplatte werden durch ihre Befunde mit den Elementen des leitenden Musters verbunden, üblicherweise durch Löten.

Diese Trends bei der Entwicklung von Schaltkreisen und beim Entwurf von REA erforderten grundlegende Änderungen bei den Ansätzen zur Organisation von Prozessen zur Herstellung elektronischer Produkte mit hoher Funktions- und Designkomplexität, was die Entstehung industrieller Systeme für den automatisierten Entwurf elektronischer Geräte stimulierte.

In den ersten Phasen der Entwicklung von CAD REA waren die Hauptkunden Unternehmen - Entwickler komplexer Computersysteme, deren allgemeine Designer damit begannen, spezialisierte CAD-Einheiten in der Struktur ihrer Konstruktionsbüros zu organisieren.







Die Erstellung von CAD REA erforderte die Verwendung effektiver mathematischer Methoden und Algorithmen zur Lösung der Schlüsselprobleme der strukturellen und parametrischen Synthese entworfener Geräte. Forscher führender Universitäten waren an der Entwicklung des entsprechenden mathematischen Apparats beteiligt: ​​Staatliche Universität Moskau, Staatliche Universität Leningrad, Moskauer Institut für Physik und Technologie, Moskauer Institut für technische Physik, Moskauer Institut für Energietechnik, Moskauer Institut für Mathematik und Technologie, Moskauer Institut für Luftfahrttechnik, Moskauer Institut für Wirtschaft und Technologie, LETI und viele andere sowie polytechnische Institute von Städten: Kaunas, Kiew, Lviv, Mviv. Um Ressourcen zu integrieren und die Entwicklung von CAD REA zu koordinieren, führte das Ministerium für Radioindustrie der UdSSR die Zweigprogramme RAPIR und PRAM durch, um informationskompatible Softwarepakete für computergestütztes Design zu erstellen.

Die folgenden Wissenschaftler haben insbesondere einen wesentlichen Beitrag zur Theorie und Praxis von CAD REA geleistet:

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 Pawlowitsch
Selyutin Victor Abramovich
Tetelbaum Alexander Jakowlewitsch
Shiro Gennady Eduardovich
Stein Mark Eliozarovich
und viele andere.

Die Struktur und Hauptphasen des Entwurfs von CEA

Moderne elektronische Geräte werden auf den in der folgenden Abbildung gezeigten Ebenen der Entwurfshierarchie implementiert. Für alle Hierarchieebenen werden geeignete computergestützte Entwurfswerkzeuge wie CAD BIS / VLSI, Leiterplatten, Blöcke und Schränke verwendet.



Darüber hinaus beschränken wir uns auf die Fragen des computergestützten Entwurfs typischer Ersatzelemente (Stufe I). Der vollständige Entwurfszyklus von elektronischen Geräten der Stufe I umfasst die folgenden Hauptschritte:

• Entwicklung eines elektrischen Schaltplans (E3) eines elektronischen Geräts.
• Digital-Analog-Simulation einer Geräteschaltung.
• Platzierung (Anordnung) von elektronischen Bauteilen und externen Anschlüssen auf einer Leiterplatte. Optimierung des Layouts von Komponenten, um die Länge der vorgeschlagenen elektrischen Verbindungen zu minimieren, eine gleichmäßige Wärmeableitung sicherzustellen und eine akzeptable elektromagnetische Umgebung für die Signalübertragung ohne Verzerrung zu schaffen.
• Verlegen (Verfolgen) von elektrischen Verbindungen zwischen den Potentialausgleichsklemmen der platzierten Komponenten gemäß den festgelegten Auslegungsregeln für die Breite der Verbindungen, den minimal zulässigen Lücken zu anderen Elementen der gedruckten Schaltung, um die Leistungsanforderungen und die Störfestigkeit sicherzustellen.
• Überwachung der Übereinstimmung der Struktur der gedruckten Schaltung mit der ursprünglichen elektrischen Schaltung und der technologischen Einschränkungen der Produktion.
• Ausgabe der Konstruktions- und Produktionsdokumentation.
• Überwachung der Integrität von Konstruktionsdaten, Verfolgung von vorgenommenen Änderungen und Austausch von Konstruktionsinformationen mit anderen automatisierten Systemen.

Entwicklung eines elektrischen Schaltplans (E3)

Stromkreis - Ein grafisches Bild, mit dem die Struktur eines elektronischen Geräts unter Verwendung von bedingten grafischen und alphanumerischen Bezeichnungen übertragen wird. Enthält grafische Symbole (UGO) elektronischer Komponenten und die Verbindungen zwischen ihren Schlussfolgerungen.



Ein Schaltplan kann auf einem oder mehreren Zeichenblättern dargestellt werden, während die Schaltung die gegenseitige (physikalische) Anordnung elektronischer Komponenten nicht regelt. Allen Komponenten im Diagramm und den Verbindungen werden eindeutige Kennungen zugewiesen (Komponentennummer im Diagramm, Schaltungsname usw.). Um die Lesbarkeit der Schaltung zu verbessern, werden kompakte Grafikobjekte verwendet - Busse und Anschlüsse.

Die Entwicklung elektrischer Schaltkreise erfolgt unter Verwendung zuvor vorbereiteter und zertifizierter Bibliotheken herkömmlicher grafischer Symbole elektronischer Komponenten zur Einhaltung der GOST-Anforderungen.

Logische Simulation digitaler Geräte

Die logische Modellierung ist eine der häufigsten Methoden zum Testen der Verhaltens- und Funktionseigenschaften entworfener digitaler Geräte und zielt darauf ab, die mit der Erstellung und dem Testen von Prototypen verbundenen Kosten zu senken. Die Struktur eines digitalen Geräts zur Modellierung wird in einer der gängigen Sprachen zur Beschreibung elektronischer Geräte beschrieben - VHDL und (oder) Verilog. Die Signalwerte in den Verbindungen und die Dynamik ihrer zeitlichen Änderungen werden in Form von grafischen Zeitdiagrammen angezeigt.


Moderne Softwaretools unterstützen die Modi der logischen Modellierung von asynchronen und synchronen digitalen Geräten in einem mehrwertigen Alphabet möglicher Signalwerte. Es ist erlaubt, den gemeinsamen Betrieb der Hardware des digitalen Geräts und der Software (Firmware) als Teil dieses Geräts zu simulieren und zu analysieren, wodurch die Integrität und Vollständigkeit der Simulationsergebnisse sichergestellt wird.

Simulation von analogen Geräten

Durch die Modellierung analoger Geräte können Sie Betriebsmodi analysieren und die Parameter der Schaltung auswerten, ohne die Breadboard-Beispiele zu erstellen.


Derzeit sind die folgenden Arten der Simulation von analogen Geräten weit verbreitet:

• Analyse der Schaltung auf Gleich- und Wechselstrom
• Transienten- und Übertragungsfunktionsanalyse
• Geräusch- und Stabilitätsanalyse
• Temperaturanalyse bei Änderung der Betriebstemperatur
• Parametrische Analyse beim Ändern der Parameter von Modellen elektronischer Komponenten (Transistoren, Dioden, Kondensatoren, Widerstände, Funktionsquellen usw.)

Platzierung elektronischer Komponenten

Das Platzieren (Anordnen) elektronischer Komponenten und Steckverbinder auf einer Leiterplatte ist eine komplexe Aufgabe, deren Lösung Kompromisse bei den folgenden Hauptkriterien erfordert:

• Anordnung der Komponenten gemäß den festgelegten Regeln im zulässigen Mindestabstand zwischen ihren Gehäusen und Schlussfolgerungen.
• Minimierung der Gesamtlänge der für die Implementierung geplanten Verbindungen unter Berücksichtigung der Anforderungen an Geschwindigkeit und Störfestigkeit (Differentialpaare, funktional verbundene Gruppen, Synchronisationsschaltungen).
• Gewährleistung einer gleichmäßigen Verteilung der Dichte der Verbindungen auf der Leiterplatte.
• Berücksichtigung der Wärmeableitung und elektromagnetischen Strahlung elektronischer Bauteile.

Zur Beurteilung der Qualität der Platzierung elektronischer Komponenten auf einer Leiterplatte werden insbesondere Schätzungen verwendet, die mit der Analyse der Verteilungsdichte der erforderlichen Verbindungen oder dem Modell der "Kraftvektoren" verbunden sind und für jede Komponente die Richtung zu ihrem besten Platzbedarf auf der Leiterplatte angeben.

Verfolgung der elektrischen Verbindung

Die Verbindungsverfolgung ist eine Schlüsselstufe bei der Entwicklung elektronischer Geräte und löst das Problem des Verlegens von Verbindungen auf Schichten einer Leiterplatte zwischen Äquipotentialausgängen von Bauteilen unter Berücksichtigung spezifizierter Regeln und Einschränkungen, wobei die Hauptbeschränkungen die Breite der Leiter und die minimal zulässigen Lücken zwischen gedruckten Verdrahtungselementen sind. Die Leistungsindikatoren der angewandten Verfolgungsmethoden sind die Vollständigkeit des Stromkreises, die minimale Gesamtlänge der aufgebauten Verbindungen, die Anzahl der verwendeten Schichten und Zwischenschichtübergänge.

Derzeit werden in der Praxis die folgenden drei Methoden (Modi) zur Verfolgung von Leiterplatten häufig verwendet:

1. Die manuelle Verfolgung wird vom Konstrukteur durchgeführt, indem ein Muster von Leitern auf die Platinenzeichnung gezeichnet wird.
2. Die automatische Verfolgung wird durch spezielle Programme implementiert, die geschichtete Leiter ausführen. Die Ergebnisse stehen den Designern für spätere manuelle Anpassungen und Verbesserungen zur Verfügung.
3. Die interaktive Verfolgung ist eine Kombination aus manuellen und automatischen Verfolgungsmodi. In diesem Fall legt der Designer die Bedingungen für die Verfolgung aller oder eines Teils der erforderlichen Verbindungen fest, und die Software führt unter den angegebenen Bedingungen Verfolgungsvorgänge durch.

Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Ergebnisse der automatischen Ablaufverfolgung beim computergestützten Entwurf sehr kritisch sind, werden im Folgenden (in einer ziemlich allgemeinen Form) allgemeine Algorithmen zur Lösung dieses Problems beschrieben.

Auto Trace Wave Algorithmus

Die erste Beschreibung des Wellenalgorithmus zum Verfolgen von Verbindungen auf Leiterplatten wurde in den frühen 60er Jahren veröffentlicht (Lee, CY, Ein Algorithmus für Pfadverbindungen und seine Anwendungen, IRE Transactions on Electronic Computers, Band EC-10, Nummer 2, S. 2). 364-365, 1961). Die Einfachheit dieses Algorithmus war der Anreiz für die Implementierung vieler relevanter Softwaretools.

Bei jeder Iteration sucht der Algorithmus nach einer bestimmten Breite zwischen zwei bestimmten Punkten in der Ebene und bildet eine Verbindung mit einer bestimmten Breite, wobei vorhandene Hindernisse berücksichtigt werden. Zur Ausführung dieser Funktionen wird das sogenannte diskrete Arbeitsfeld (DRP) verwendet - eine zweidimensionale numerische Matrix, deren Zellen die entsprechenden Abschnitte der Leiterplatte mit Abmessungen anzeigen, die der Breite des Leiters entsprechen und um die Größe des zulässigen Spaltes vergrößert sind. Dies stellt sicher, dass zwei Leiter in benachbarten Zellen immer den erforderlichen Abstand zwischen ihren Kanten haben. DRP-Zellen, die zum Verlegen von Verbindungen verboten sind, sind mit speziellen Etiketten gekennzeichnet.


Die Suche nach der Verbindung wird durchgeführt, indem benachbarten DRP-Zellen nacheinander 1-2-3 ... numerische Bezeichnungen zugewiesen werden (nicht verboten, um die Verbindung herzustellen), beginnend mit einer der verbundenen ( "I" ) und bis zur zweiten ( "P" ). Wenn die zweite verbundene Zelle erreicht ist, beginnt die Bildung der gefundenen Verbindung basierend auf der sequentiellen Auswahl von Paaren benachbarter Zellen in der Codesequenz ... 3-2-1-3-2-1 ...

Die aufgebaute Verbindung wird auf dem DRP mit einem neuen Satz von Zellen angezeigt, die zum Verlegen von Verbindungen verboten sind, und dann wird der beschriebene Vorgang für das nächste Punktepaar usw. wiederholt.

Geometrische Verfolgungsmethoden

Methoden der geometrischen (formbasierten) Verfolgung sind die nächste Generation nach der Wellenerzeugung von PCB-Verfolgungsalgorithmen und großen integrierten Schaltkreisen.

Diese Methoden arbeiten mit geometrischen Modellen von gedruckten Schaltungsobjekten (Kontakte, Leiter usw.) und suchen und verlegen Verbindungen in einem vorhandenen Labyrinth freier Ressourcen.

Algorithmen dieser Klasse lösen das Problem, jede Verbindung auch in zwei Schritten zu verlegen: Suchen nach einer möglichen Verbindung und Verlegen.

Die Suche nach der Verbindung erfolgt durch sequentielle Verteilung von rechteckigen Stichproben ( „I“ - die erste Stichprobe) über die fortlaufenden Abschnitte der verfügbaren Trace-Ressourcen, bis das geometrische Objekt „P“ erfüllt ist (oder alle Ressourcen erschöpft sind). (e _N ).


( e ₁₈ e ₁₆ e ₁₄ e ₁₂ e ₁₀ e ₈ e ₂ )





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Daten zur Herstellung von Leiterplatten werden per Software erstellt und enthalten die für die Herstellung von Fotomasken und Bohrungen erforderlichen Informationen.

Die Präsentationsformate für diese Daten sind einheitlich (Gerber, ODB ++) und entsprechen de facto den Standards bei der Übermittlung der Ergebnisse an den Hersteller.

End-to-End-CEA-Entwurfszyklus

Aus Sicht der Benutzer (d. H. Entwickler elektronischer Geräte) ist CAD REA ein Softwareprodukt, dessen Verbrauchereigenschaften anhand der folgenden Hauptkriterien bewertet werden:

• Unterstützung des durchgängigen CEA-Entwurfszyklus durch Automatisierungstools.
• Die Funktionalität einzelner Subsysteme (Modellierung, Trace-Verbindungen usw.).
• Offenheit des Systems für seine Integration mit anderen Automatisierungsmitteln in denselben oder verwandten Themenbereichen.
• Hochwertige und detaillierte Benutzerdokumentation.
• Technische Benutzerunterstützung durch Unternehmen, die Softwareprodukte entwickeln.

Bei dieser Reihe von Anforderungen ist in der Regel die Möglichkeit der Erstellung eines durchgängigen Entwurfszyklus von der Erstellung technischer Spezifikationen für ein Projekt bis zur Beschaffung von Entwurfsdokumentationen und Daten für die Herstellung eines Produkts von größter Bedeutung.


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Zum Abschluss der Erörterung von Fragen im Zusammenhang mit der Automatisierung des Entwurfs elektronischer Geräte ist anzumerken, dass sich dieser Tätigkeitsbereich derzeit recht intensiv weiterentwickelt. Kurzfristig sollten wir mit der Entstehung neuer Methoden und Ansätze zur Lösung von Problemen des computergestützten Designs rechnen.