🤴🏾 💭 👩🏻‍🚀 Conception assistée par ordinateur d'équipements électroniques 🐚 🥙 🙀

Sous une forme populaire, les questions de la conception assistée par ordinateur des équipements électroniques (CEA) sur les conceptions PCB, les principales étapes de la formation et de l'évolution des systèmes de conception assistée par ordinateur (CAO) du CEA, le contenu des tâches d'automatisation, l'organisation d'un cycle de travail de conception de bout en bout à l'aide d'outils d'automatisation sont couverts.

Le but de cette publication est de familiariser les ingénieurs avec l'un des domaines en développement rapide de l'industrie moderne des technologies de l'information.

Préface

L'automatisation des activités de conception et de règlement dans la pratique de l'ingénierie a une histoire longue et assez riche. S'agissant du passé relativement récent, il suffit de rappeler les scores, les arithmomètres mécaniques et les règles de glissement. Un peu plus tard, les calculatrices électroniques, qui sont encore largement utilisées à ce jour, sont entrées dans la pratique du calcul. Tous ces dispositifs visent à faciliter la mise en œuvre d'une variété de calculs, dont une proportion importante relève des activités de conception des ingénieurs.

Une étape importante vers l'automatisation des activités de colonisation a été l'émergence d'ordinateurs électroniques (ordinateurs), dont les capacités ont permis non seulement d'effectuer des calculs, mais aussi de contrôler les flux de calculs et de données nécessaires en compilant des programmes dans des langages de programmation spécialisés: Autocode (ou Assembler), Algol, Fortran et d'autres. La programmation a fondamentalement changé l'applicabilité des méthodes mathématiques d'algèbre, de géométrie, de méthodes numériques, de théorie des probabilités, de recherche opérationnelle, de mathématiques discrètes, de programmation linéaire et de nombreuses autres qui ont été développées au cours des siècles. L'augmentation de la productivité informatique (vitesse et taille de la mémoire) avec l'expansion simultanée de la gamme de périphériques: entrée et sortie de données textuelles et graphiques, lecteurs pour le stockage à long terme des informations, ainsi que le développement intensif des systèmes d'exploitation, les compilateurs de langage de programmation ont eu un impact significatif sur l'évolution du rôle des ordinateurs dans l'ingénierie la pratique. La solution des problèmes de calcul individuels a commencé à être progressivement remplacée par la mise en œuvre des étapes achevées du cycle de projet, qui a donné naissance au concept de conception assistée par ordinateur selon la définition suivante.

Le système de conception assistée par ordinateur - un système automatisé qui met en œuvre la technologie de l'information pour les fonctions de conception, est un système organisationnel et technique conçu pour automatiser le processus de conception, composé de personnel et d'un ensemble de moyens techniques, logiciels et autres pour automatiser ses activités. De plus, l'abréviation CAD est largement utilisée pour désigner de tels systèmes .

Le but principal de la CAO est d'augmenter l'efficacité de l'ingénierie: réduire la complexité et le temps de conception, garantir des solutions de conception et une documentation de haute qualité, minimiser la modélisation et les tests à grande échelle des prototypes et réduire le coût de préparation de la production.

Dans la pratique d'ingénierie moderne, les systèmes de CAO suivants sont les plus largement utilisés:

Le contenu de cette publication est limité uniquement aux problèmes liés au domaine de l'équipement électronique de CAO sur les cartes de circuits imprimés.
Dans les années 1948-1950, William Shockley a créé la théorie de la jonction pn et d'un transistor plan, et le premier transistor de ce type a été fabriqué le 12 avril 1950. En 1954, Texas Instruments a lancé le premier transistor au silicium. Le procédé plan à base de silicium est devenu la principale technologie de production de transistors et de circuits intégrés.

Pour leur collaboration dans le développement du premier transistor opérationnel au monde en 1948, John Bardin, William Shockley et Walter Brattain ont partagé le prix Nobel 1956. La formation et le développement de la technologie pour la production industrielle de dispositifs semi-conducteurs ont déterminé une tendance à la hausse stable et à long terme du degré d'intégration des composants électroniques, la transition vers une base d'éléments semi-conducteurs a considérablement élargi le champ d'application des dispositifs électroniques avec une augmentation spectaculaire de leur degré d'intégration et, par conséquent, une complexité fonctionnelle.

L'élargissement de la gamme d'applicabilité des appareils électroniques a également été facilité par les progrès de la technologie pour la production de cartes de circuits imprimés, qui ont une grande fiabilité des connexions électriques et une résistance mécanique, qui est une exigence prioritaire pour les produits électroniques mobiles et stationnaires.

L '«anniversaire» des cartes de circuits imprimés est considéré comme 1902, lorsque l'inventeur, l'ingénieur allemand Albert Parker Hansen, a déposé une demande auprès de l'office des brevets de son pays d'origine.

Le circuit imprimé de Hansen était une image d'estampage ou de découpe sur une feuille de bronze (ou de cuivre). La couche conductrice résultante a été collée sur un papier diélectrique imprégné de paraffine. Même alors, en prenant soin d'une densité de conducteurs plus élevée, Hansen a collé la feuille des deux côtés, créant une carte de circuit imprimé double face. L'inventeur a également utilisé des trous de connexion à travers la carte de circuit imprimé. Les œuvres de Hansen contiennent des descriptions de la création de conducteurs utilisant des encres de galvanoplastie ou conductrices, qui sont du métal en poudre mélangé avec un support adhésif.

Une carte de circuit imprimé (PCB) est une plaque diélectrique sur la surface ou dans la majeure partie de laquelle des circuits électriquement conducteurs d'un circuit électronique sont formés. La carte de circuit imprimé est conçue pour la connexion électrique et mécanique de divers composants électroniques. Les composants électroniques sur la carte de circuit imprimé sont connectés par leurs découvertes aux éléments du motif conducteur, généralement par soudure.

Ces tendances dans le développement de circuits et la conception de REA ont nécessité des changements fondamentaux dans les approches d'organisation des processus de création de produits électroniques de haute complexité fonctionnelle et de conception, ce qui a stimulé l'émergence de systèmes industriels pour la conception automatisée d'équipements électroniques.

Aux premiers stades du développement de CAD REA, les principaux clients étaient des entreprises - créatrices de systèmes informatiques complexes, dont les concepteurs généraux ont commencé à organiser des unités de CAO spécialisées dans la structure de leurs bureaux d'études.

La création de CAD REA a nécessité l'utilisation de méthodes et d'algorithmes mathématiques efficaces pour résoudre les problèmes clés de la synthèse structurelle et paramétrique des dispositifs conçus. Les scientifiques des principales universités ont participé au développement de l'appareil mathématique correspondant: Université d'État de Moscou, Université d'État de Leningrad, Institut de physique et de technologie de Moscou, MEPhI, MPEI, MVTU, MIREA, MAI, LETI et bien d'autres, ainsi que des instituts polytechniques dans les villes de Kaunas, Kiev, Lviv, Minsk. Afin d'intégrer les ressources et de coordonner le développement de CAD REA, le ministère de l'industrie radio de l'URSS a exécuté les programmes de branche RAPIR et PRAM, visant à créer des progiciels compatibles avec l'information pour la conception assistée par ordinateur.

Les scientifiques suivants ont apporté une contribution significative à la théorie et à la pratique de CAD REA en particulier:

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
et bien d'autres.

La structure et les principales étapes de la conception du CEA

L'équipement électronique moderne est implémenté aux niveaux de la hiérarchie de conception illustrée dans la figure ci-dessous. Pour tous les niveaux de la hiérarchie, des outils de conception assistée par ordinateur appropriés sont utilisés tels que CAD BIS / VLSI, des cartes de circuits imprimés, des blocs et des armoires.

De plus, nous nous limitons aux problèmes de conception assistée par ordinateur d'éléments de remplacement typiques (niveau I). Le cycle de conception complet des appareils électroniques de niveau I comprend les principales étapes suivantes:

Développement d'un schéma électrique (E3) d'un appareil électronique.
Simulation numérique-analogique d'un circuit d'appareil.
Placement (disposition) de composants électroniques et de connecteurs externes sur une carte de circuit imprimé. Optimisation de la disposition des composants afin de minimiser les longueurs des connexions électriques proposées, d'assurer une dissipation thermique uniforme, de créer un environnement électromagnétique acceptable pour la transmission du signal sans distorsion.
Pose (traçage) des connexions électriques entre les bornes équipotentielles des composants placés conformément aux règles de conception spécifiées régissant la largeur des connexions, les écarts minimaux admissibles avec les autres éléments du circuit imprimé, garantissant les exigences de performance et l'immunité au bruit.
Contrôle de la conformité de la structure du circuit imprimé au circuit électrique d'origine et aux limites technologiques de production.
Problème de documentation de conception et de production.
Surveillance de l'intégrité des données de conception, suivi des modifications apportées, échange d'informations sur la conception avec d'autres systèmes automatisés.

Développement d'un schéma électrique (E3)

Circuit électrique - une image graphique utilisée pour transmettre la structure d'un appareil électronique à l'aide de désignations graphiques et alphanumériques conditionnelles. Comprend les symboles graphiques (UGO) des composants électroniques et les connexions entre leurs conclusions.

Un schéma de circuit peut être présenté sur une ou plusieurs feuilles de dessin, tandis que le circuit ne régule pas l'agencement mutuel (physique) des composants électroniques. Tous les composants du schéma et les connexions se voient attribuer des identifiants uniques (numéro de composant dans le schéma, nom du circuit, etc.). Pour augmenter la lisibilité du circuit, des objets graphiques compacts sont utilisés - bus et connecteurs.

Le développement des circuits électriques est réalisé à l'aide de bibliothèques préalablement préparées et certifiées de symboles graphiques conventionnels de composants électroniques pour la conformité aux exigences GOST.

Simulation logique d'appareils numériques

La modélisation logique est l'un des moyens courants de tester les propriétés comportementales et fonctionnelles des appareils numériques conçus et vise à réduire les coûts associés à la création et au test de prototypes. La structure d'un appareil numérique pour la modélisation est décrite dans l'un des langages courants de description des équipements électroniques - VHDL et (ou) Verilog, et les valeurs des signaux dans les connexions et la dynamique de leurs changements dans le temps sont affichées sous forme de diagrammes temporels graphiques.

Les outils logiciels modernes prennent en charge les modes de modélisation logique des appareils numériques asynchrones et synchrones dans un alphabet à plusieurs valeurs de valeurs de signaux possibles. Il est permis de simuler et d'analyser le fonctionnement conjoint du matériel d'un appareil numérique et du logiciel (firmware) dans le cadre de cet appareil, ce qui garantit l'intégrité et l'exhaustivité des résultats de la simulation.

Simulation d'appareils analogiques

La modélisation d'appareils analogiques vous permet d'analyser les modes de fonctionnement et d'évaluer les paramètres du circuit sans faire ses échantillons de maquette.

Actuellement, les types de simulation d'appareils analogiques suivants sont répandus:

Analyse du circuit pour courant continu et alternatif
Analyse des fonctions transitoires et de transfert
Analyse du bruit et de la stabilité
Analyse de la température lorsque la température de fonctionnement change
Analyse paramétrique lors de la modification des paramètres des modèles de composants électroniques (transistors, diodes, condensateurs, résistances, sources fonctionnelles, etc.)

Placement des composants électroniques

Placer (disposer) des composants électroniques et des connecteurs sur une carte de circuit imprimé est une tâche complexe, dont la solution nécessite des compromis sur les principaux critères suivants:

Disposition des composants conformément aux règles établies à la distance minimale autorisée entre leurs boîtiers et conclusions.
Minimisation de la longueur totale des connexions prévues pour la mise en œuvre, en tenant compte des exigences d'immunité à la vitesse et au bruit (paires différentielles, groupes connectés fonctionnellement, circuits de synchronisation).
Assurer une distribution uniforme de la densité des composés sur la carte de circuit imprimé.
Prise en compte de la dissipation thermique et du rayonnement électromagnétique des composants électroniques.

Pour évaluer la qualité du placement des composants électroniques sur une carte de circuit imprimé, en particulier, des estimations associées à l'analyse de la densité de distribution des composés requis ou du modèle de «vecteurs de force» sont utilisées, indiquant pour chaque composant la direction de son empreinte optimale sur la carte.

Traçage des connexions électriques

Le traçage des connexions est une étape clé dans la conception des équipements électroniques; il résout le problème de la pose de connexions sur les couches PCB entre les sorties équipotentielles des composants, en tenant compte des règles et restrictions spécifiées, les principales étant les restrictions sur la largeur des conducteurs et les écarts minimaux admissibles entre les éléments de câblage imprimés. Les indicateurs de performance des méthodes de traçage appliquées sont l'intégralité du circuit électrique, la longueur totale minimale des connexions construites, le nombre de couches utilisées et les transitions intercouches.

Actuellement, dans la pratique, les trois méthodes (modes) de traçage des cartes de circuits imprimés suivantes sont largement utilisées:

Le traçage manuel est effectué par le concepteur en dessinant un motif de conducteurs sur le dessin de la carte.
Le traçage automatique est mis en œuvre par des programmes spécialisés qui réalisent des conducteurs en couches. Les résultats sont disponibles pour les concepteurs pour les ajustements et améliorations manuels ultérieurs.
Le traçage interactif est une combinaison de modes de traçage manuel et automatique. Dans ce cas, le concepteur définit les conditions de traçage de tout ou partie des connexions requises et le logiciel effectue des opérations de traçage dans les conditions données.

Compte tenu du fait que les résultats du traçage automatique sont très critiques dans la conception assistée par ordinateur, des descriptions (sous une forme assez générale) d'algorithmes courants pour résoudre ce problème sont données ci-dessous.

Algorithme d'onde de trace automatique

La première description de l'algorithme d'onde pour le traçage des connexions sur les cartes de circuits imprimés a été publiée au début des années 60 (Lee, CY, «An Algorithm for Path Connections and Its Applications», IRE Transactions on Electronic Computers, vol. EC-10, numéro 2, pp. 364-365, 1961). La simplicité de cet algorithme a incité à la mise en œuvre de nombreux outils logiciels pertinents.

À chaque itération, l'algorithme recherche et établit une connexion d'une largeur donnée entre deux points donnés du plan, en tenant compte des obstacles existants. Pour remplir ces fonctions, le soi-disant champ de travail discret (DRP) est utilisé - une matrice numérique bidimensionnelle, dont les cellules affichent les sections correspondantes de la carte de circuit imprimé avec des dimensions égales à la largeur du conducteur, augmentées de la taille de l'intervalle admissible. Cela garantit que deux conducteurs situés dans des cellules adjacentes auront toujours le jeu requis entre leurs bords. Les cellules DRP interdites pour la pose des connexions sont marquées d'étiquettes spéciales.

La recherche de la connexion est effectuée en affectant séquentiellement des étiquettes numériques 1-2-3 ... aux cellules DRP voisines (non interdites pour l'établissement de la connexion), en commençant par l'une des connectées ( "I" ) et jusqu'à la seconde ( "P" ). Dans le cas où la deuxième cellule connectée est atteinte, elle commence la formation de la connexion trouvée sur la base de la sélection séquentielle de paires de cellules voisines dans la séquence de codes ... 3-2-1-3-2-1 ...

La connexion construite est affichée sur le DRP avec un nouvel ensemble de cellules interdit pour l'établissement de connexions, puis la procédure décrite est répétée pour la paire de points suivante, etc.

Méthodes de traçage géométrique

Les méthodes de traçage géométrique (basé sur la forme) sont la prochaine génération après la génération d'onde d'algorithmes de traçage PCB et de grands circuits intégrés.

Ces méthodes fonctionnent sur des modèles géométriques d'objets de câblage imprimés (contacts, conducteurs, etc.), recherchant et établissant des connexions dans un labyrinthe existant de ressources libres.

Les algorithmes de cette classe résolvent le problème de la pose de chaque connexion également en deux étapes: la recherche d'une connexion possible et la pose.

La recherche de la connexion est effectuée par la distribution séquentielle d'échantillons rectangulaires ( «I» - l'échantillon initial) à travers les sections continues des ressources de trace disponibles - jusqu'à ce que l'objet géométrique «P» se rencontre (ou que toutes les ressources soient épuisées).Chaque échantillon formé est une source pour la formation de trois échantillons générés le long de ses bords (e _N ).

Le chemin trouvé est défini comme une séquence de paires d'échantillons générés et générés
( e ₁₈ e ₁₆ e ₁₄ e ₁₂ e ₁₀ e ₈ e ₂ I )

Méthodes de traçage topologique

Les méthodes de traçage topologique fonctionnent avec un modèle topologique de ressources de traçage résultant de l'application d'opérations de triangulation (ou similaires basées sur des formes géométriques polygonales convexes) à l'ensemble des points caractéristiques des éléments de circuits imprimés: contacts, conducteurs, zones d'interdiction de traçage, circuits imprimés, etc.

La recherche de la connexion est effectuée par une analyse séquentielle des triangles adjacents du modèle topologique, en commençant par ceux des sommets qui ont un «I» et se terminant par le premier triangle rencontré, lequel des sommets a un «P» .
Le chemin trouvé est déterminé par la séquence d'arêtes de triangles adjacents situés entre les sommets initial et final:
( Pe ₁₂ e ₁₁ e ₁₀ e ₉ e ₈ e ₇ e ₆ e ₅ e ₄ e ₃ e ₂ e ₁ I ).

Les descriptions présentées des algorithmes de traçage sont simplifiées et ne sont appliquées qu'aux structures monocouches les plus simples. En pratique, les implémentations logicielles de ces algorithmes permettent de tracer des cartes de circuits imprimés multicouches à l'aide de jonctions métallisées intercouches, en observant un large éventail de restrictions sur la largeur des conducteurs et les écarts minimaux admissibles entre tous les éléments de la carte de circuits imprimés.

L'utilisation généralisée des appareils électroniques dans l'instrumentation, l'industrie informatique, l'industrie aérospatiale et les appareils ménagers impose des exigences de plus en plus strictes sur la qualité et les propriétés électrophysiques des cartes de circuits imprimés formées lors du routage des connexions sur la carte.

Aujourd'hui, les exigences supplémentaires suivantes pour les méthodes de suivi deviennent plus critiques:

Réalisation de composés haute densité.
Fournit une vitesse élevée et une synchronisation lors de la transmission de signaux.
Garantit l'immunité au bruit des signaux dans les connexions.

Documentation pour les conceptions d'appareils électroniques

La dernière étape de la conception des appareils électroniques est la publication de la documentation du projet, y compris la documentation de conception et les données pour la fabrication de cartes de circuits imprimés.

Documentation de conception (CD) - documents graphiques et textuels qui déterminent la composition et la structure du produit, contiennent les données nécessaires à sa fabrication, son contrôle, son fonctionnement. Ils comprennent les spécifications, le schéma électrique, le dessin d'assemblage de la carte, la liste des éléments, la liste des produits achetés, les spécifications techniques, le programme et la méthodologie de test, etc., conformément aux exigences de GOST.

Les données sur la fabrication des cartes de circuits imprimés sont générées par un logiciel et contiennent les informations nécessaires à la fabrication des photomasques et du perçage.

Les formats de présentation de ces données sont unifiés (Gerber, ODB ++) et sont de facto des standards lors de la transmission des résultats au constructeur.

Cycle de conception CEA de bout en bout

Du point de vue des utilisateurs (c'est-à-dire des développeurs d'équipements électroniques), CAD REA est un produit logiciel dont les propriétés de consommation sont évaluées selon les principaux critères suivants:

Prise en charge du cycle de conception CEA de bout en bout par des outils d'automatisation.
La fonctionnalité des sous-systèmes individuels (modélisation, connexions de trace, etc.).
Ouverture du système pour son intégration avec d'autres moyens d'automatisation dans le même domaine ou dans des domaines connexes.
Documentation utilisateur détaillée et de haute qualité.
Assistance technique aux utilisateurs des sociétés développant des produits logiciels.

Dans cette série d'exigences, le plus important, en règle générale, est l'exigence de la possibilité de construire un cycle de conception de bout en bout - de la publication des spécifications techniques d'un projet à l'obtention de la documentation de conception et des données pour la fabrication d'un produit.

Le contenu du cycle de bout en bout est déterminé par un ensemble d'étapes de projet, exécutées séquentiellement sur la base d'un modèle d'information de projet unique.

Cette approche garantit la compatibilité des données de conception et la possibilité d'une conception itérative du produit, c'est-à-dire la reprise des travaux de conception à partir de l'étape initiale ou de l'une des étapes intermédiaires avec des changements dans les spécifications de conception.

Un exemple de CAD REA de conception russe, qui permet d'automatiser les principales étapes de la conception d'appareils électroniques, est le produit logiciel EREMEX Delta Design:

dans de nombreux cas, les sociétés d'équipement électronique organisent des cycles de conception de bout en bout basés sur l'intégration de CAD REA compatibles avec les informations de différents fabricants, dont le marché actuel est suffisant divers.

En conclusion du débat sur les questions liées à l'automatisation de la conception des équipements électroniques, il convient de noter que ce domaine d'activité continue actuellement à se développer de manière assez intensive. À court terme, nous devons nous attendre à l'émergence de nouvelles méthodes et approches pour résoudre les problèmes de conception assistée par ordinateur.

Conception assistée par ordinateur d'équipements électroniques