🕉️ 📲 👨🏽‍⚕️ Desain peralatan elektronik berbantuan komputer 🤟🏿 🍙 🧖🏼

Dalam bentuk yang populer, masalah desain peralatan elektronik (CEA) berbantuan komputer pada desain PCB, tahapan utama pembentukan dan evolusi sistem desain berbantuan komputer (CAD) CEA, isi tugas otomasi, pengaturan siklus kerja desain ujung-ke-ujung menggunakan alat otomasi dibahas.

Tujuan publikasi ini adalah untuk membiasakan pekerja teknik dengan salah satu bidang yang berkembang pesat di industri teknologi informasi modern.

Kata Pengantar

Otomatisasi kegiatan desain dan penyelesaian dalam praktik teknik memiliki sejarah panjang dan cukup kaya. Beralih ke masa lalu yang relatif baru, cukup untuk mengingat skor, arithmometer mekanik, dan aturan geser. Beberapa saat kemudian, kalkulator elektronik, yang hingga hari ini telah digunakan secara luas, telah memasuki praktik perhitungan. Semua perangkat ini ditujukan untuk memfasilitasi implementasi berbagai perhitungan, yang sebagian besar jatuh pada kegiatan desain insinyur.

Langkah signifikan menuju otomatisasi kegiatan penyelesaian adalah munculnya komputer elektronik (komputer), yang kemampuannya memungkinkan tidak hanya untuk melakukan perhitungan, tetapi juga untuk mengontrol aliran perhitungan dan data yang diperlukan dengan menyusun program dalam bahasa pemrograman khusus: Autocode (atau Assembler), Algol, Fortran dan lainnya. Pemrograman secara fundamental telah mengubah penerapan metode matematika aljabar, geometri, metode numerik, teori probabilitas, penelitian operasi, matematika diskrit, pemrograman linier, dan banyak lainnya yang telah dikembangkan selama berabad-abad. Peningkatan produktivitas komputer (kecepatan dan ukuran memori) dengan ekspansi serentak dari berbagai perangkat periferal: input dan output data teks dan grafik, drive untuk penyimpanan informasi jangka panjang, serta pengembangan intensif sistem operasi, kompiler bahasa pemrograman memiliki dampak signifikan pada perubahan peran komputer dalam rekayasa latihan. Solusi dari masalah perhitungan individu mulai secara bertahap digantikan oleh implementasi tahap-tahap yang selesai dari siklus proyek, yang memunculkan konsep desain yang dibantu komputer sesuai dengan definisi berikut.

Sistem desain berbantuan komputer - sistem otomatis yang mengimplementasikan teknologi informasi untuk fungsi desain, adalah sistem organisasi dan teknis yang dirancang untuk mengotomatiskan proses desain, yang terdiri dari personel dan serangkaian teknis, perangkat lunak, dan cara lain untuk mengotomatiskan kegiatannya. Juga untuk penunjukan sistem seperti itu, akronim CAD banyak digunakan .

Tujuan utama CAD adalah untuk meningkatkan efisiensi teknik: mengurangi kompleksitas dan waktu desain, memastikan solusi dan dokumentasi desain berkualitas tinggi, meminimalkan pemodelan skala penuh dan pengujian prototipe, dan mengurangi biaya persiapan produksi.

Dalam praktik teknik modern, sistem CAD berikut ini paling banyak digunakan:

Isi publikasi ini terbatas hanya untuk masalah yang berhubungan dengan bidang subjek peralatan elektronik CAD pada papan sirkuit cetak.
Pada tahun 1948-1950, William Shockley menciptakan teori persimpangan pn dan transistor persimpangan, dan transistor semacam itu pertama kali diproduksi pada 12 April 1950. Pada tahun 1954, Texas Instruments meluncurkan transistor silikon pertama. Proses planar berbasis silikon telah menjadi teknologi utama untuk produksi transistor dan sirkuit terintegrasi.

Untuk kolaborasi mereka dalam mengembangkan transistor operasional pertama di dunia pada tahun 1948, John Bardin, William Shockley, dan Walter Brattain berbagi Hadiah Nobel 1956. Pembentukan dan pengembangan teknologi untuk produksi industri perangkat semikonduktor telah menentukan tren jangka panjang dan stabil dalam tingkat integrasi komponen elektronik, transisi ke basis elemen semikonduktor telah secara signifikan memperluas cakupan aplikasi perangkat elektronik dengan peningkatan dramatis dalam tingkat integrasi mereka dan, sebagai hasilnya, kompleksitas fungsional.

Perluasan dalam jangkauan penerapan perangkat elektronik juga difasilitasi oleh kemajuan teknologi untuk produksi papan sirkuit tercetak, yang memiliki keandalan koneksi listrik dan kekuatan mekanik yang tinggi, yang merupakan persyaratan prioritas untuk produk elektronik bergerak dan stasioner.

"Ulang tahun" papan sirkuit tercetak dianggap sebagai tahun 1902, ketika penemunya, insinyur Jerman Albert Parker Hansen, melamar ke kantor paten negara asalnya.

Papan sirkuit Hansen adalah gambar stempel atau pemotongan pada lembaran perunggu (atau tembaga). Lapisan konduktif yang dihasilkan dilem pada kertas dielektrik yang diimpregnasi dengan parafin. Bahkan kemudian, dengan menjaga kepadatan konduktor yang lebih tinggi, Hansen menempelkan foil di kedua sisi, membuat papan sirkuit tercetak dua sisi. Penemu juga menggunakan lubang penghubung melalui papan sirkuit tercetak. Karya-karya Hansen berisi uraian tentang penciptaan konduktor menggunakan tinta elektroplating atau konduktif, yang merupakan logam bubuk dicampur dengan pembawa perekat.

Papan sirkuit tercetak (PCB) adalah pelat dielektrik di permukaan atau dalam volume di mana sirkuit konduktif elektrik dari sirkuit elektronik terbentuk. Papan sirkuit tercetak dirancang untuk koneksi listrik dan mekanik dari berbagai komponen elektronik. Komponen elektronik pada papan sirkuit tercetak dihubungkan oleh temuan mereka ke elemen pola konduktif, biasanya dengan solder.

Tren ini dalam pengembangan sirkuit dan perancangan REA membutuhkan perubahan mendasar dalam pendekatan ke organisasi proses untuk menciptakan produk elektronik dengan kompleksitas fungsional dan desain yang tinggi, yang merangsang munculnya sistem industri untuk desain otomatis peralatan elektronik.

Pada tahap pertama pengembangan CAD REA, pelanggan utama adalah perusahaan - pencipta sistem komputasi yang kompleks, yang desainer umumnya mulai mengatur unit CAD khusus dalam struktur biro desain mereka.

Penciptaan CAD REA membutuhkan penggunaan metode matematika dan algoritma yang efektif untuk memecahkan masalah utama sintesis struktural dan parametrik perangkat yang dirancang. Para peneliti dari universitas terkemuka terlibat dalam pengembangan aparatus matematika yang sesuai: Universitas Negeri Moskow, Universitas Negeri Leningrad, Institut Fisika dan Teknologi Moskwa, Institut Fisika Teknik Moskwa, Institut Teknik Tenaga Moskow, Institut Teknik Penerbangan dan Teknologi Moskow, Institut Ekonomi dan Teknologi Moskow, LETI dan banyak lagi lainnya, serta lembaga-lembaga politeknik dari kota-kota, Kinsk, Kiev, Kinsk, Kiev. Untuk mengintegrasikan sumber daya dan mengoordinasikan pengembangan CAD REA, Kementerian Industri Radio USSR melakukan program cabang RAPIR dan PRAM, yang bertujuan untuk menciptakan paket perangkat lunak yang kompatibel dengan informasi untuk desain berbantuan komputer.

Para ilmuwan berikut memberikan kontribusi yang signifikan terhadap teori dan praktik CAD REA pada khususnya:

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
dan banyak lainnya.

Struktur dan tahapan utama desain CEA

Peralatan elektronik modern diimplementasikan pada tingkat hirarki desain yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Untuk semua tingkatan hierarki, alat bantu desain berbantuan komputer yang tepat digunakan seperti CAD BIS / VLSI, papan sirkuit cetak, balok dan kabinet.

Lebih jauh, kami membatasi diri pada masalah desain elemen pengganti yang dibantu komputer (Level I). Siklus desain penuh perangkat elektronik level I mencakup langkah-langkah utama berikut:

Pengembangan diagram sirkuit listrik (E3) dari perangkat elektronik.
Simulasi digital ke analog dari rangkaian perangkat.
Penempatan (pengaturan) komponen elektronik dan konektor eksternal pada papan sirkuit tercetak. Optimalisasi tata letak komponen untuk meminimalkan panjang koneksi listrik yang diusulkan, memastikan disipasi panas yang seragam, menciptakan lingkungan elektromagnetik yang dapat diterima untuk transmisi sinyal tanpa distorsi.
Pemasangan (tracing) koneksi listrik antara terminal ekuipotensial dari komponen yang ditempatkan sesuai dengan aturan desain yang ditentukan yang mengatur lebar koneksi, celah minimum yang diijinkan dengan elemen lain dari sirkuit cetak, memastikan persyaratan kinerja dan kekebalan kebisingan.
Memantau kesesuaian struktur sirkuit cetak dengan sirkuit listrik asli dan keterbatasan teknologi produksi.
Masalah desain dan dokumentasi produksi.
Memantau integritas data desain, melacak perubahan yang dibuat, bertukar informasi desain dengan sistem otomatis lainnya.

Pengembangan diagram sirkuit listrik (E3)

Sirkuit listrik - gambar grafis yang digunakan untuk mentransmisikan struktur perangkat elektronik menggunakan penandaan grafis dan alfanumerik bersyarat. Termasuk simbol grafis (UGO) komponen elektronik dan koneksi antara kesimpulan mereka.

Diagram sirkuit dapat disajikan pada satu atau lebih lembar gambar, sementara sirkuit tidak mengatur pengaturan timbal balik (fisik) komponen elektronik. Semua komponen dalam diagram dan koneksi diberikan pengidentifikasi unik (nomor komponen dalam diagram, nama sirkuit, dll.). Untuk meningkatkan keterbacaan sirkuit, objek grafis kompak digunakan - bus dan konektor.

Pengembangan sirkuit listrik dilakukan dengan menggunakan perpustakaan yang sebelumnya disiapkan dan disertifikasi simbol grafis konvensional dari komponen elektronik untuk memenuhi persyaratan GOST.

Simulasi logis dari perangkat digital

Pemodelan logis adalah salah satu cara yang paling umum untuk menguji sifat perilaku dan fungsional perangkat digital yang dirancang dan ditujukan untuk mengurangi biaya yang terkait dengan pembuatan dan pengujian prototipe. Struktur perangkat digital untuk pemodelan dijelaskan dalam salah satu bahasa umum untuk menggambarkan peralatan elektronik - VHDL dan (atau) Verilog, dan nilai sinyal dalam koneksi dan dinamika perubahannya dalam waktu ditampilkan dalam bentuk diagram waktu grafis.

Perangkat lunak modern mendukung mode pemodelan logis perangkat digital asinkron dan sinkron dalam alfabet multi-nilai dari nilai sinyal yang mungkin. Diizinkan untuk mensimulasikan dan menganalisis operasi bersama perangkat keras perangkat digital dan perangkat lunak (firmware) sebagai bagian dari perangkat ini, yang memastikan integritas dan kelengkapan hasil simulasi.

Simulasi perangkat analog

Memodelkan perangkat analog memungkinkan Anda untuk menganalisis mode operasi dan mengevaluasi parameter rangkaian tanpa membuat sampel papan tempat memotong roti.

Saat ini, jenis-jenis simulasi perangkat analog berikut tersebar luas:

Analisis rangkaian untuk arus searah dan bolak-balik
Analisis Fungsi Transfer dan Sementara
Analisis Kebisingan dan Stabilitas
Analisis suhu saat suhu operasi berubah
Analisis parametrik ketika mengubah parameter model komponen elektronik (transistor, dioda, kapasitor, resistor, sumber fungsional, dll.)

Penempatan komponen elektronik

Menempatkan (mengatur) komponen dan konektor elektronik pada papan sirkuit tercetak adalah tugas yang kompleks, solusinya memerlukan kompromi pada kriteria utama berikut:

Pengaturan komponen sesuai dengan aturan yang ditetapkan pada jarak minimum yang diizinkan antara rumah dan kesimpulan mereka.
Meminimalkan panjang total koneksi yang direncanakan untuk implementasi, dengan mempertimbangkan persyaratan untuk imunitas kecepatan dan kebisingan (pasangan diferensial, grup yang terhubung secara fungsional, sirkuit sinkronisasi).
Memastikan distribusi kerapatan senyawa yang seragam pada papan sirkuit tercetak.
Akuntansi untuk disipasi panas dan radiasi elektromagnetik dari komponen elektronik.

Untuk menilai kualitas penempatan komponen elektronik pada papan sirkuit tercetak, khususnya, perkiraan yang terkait dengan analisis kepadatan distribusi senyawa yang diperlukan atau model "vektor gaya" digunakan, yang menunjukkan masing-masing komponen arah ke jejak kaki terbaiknya di papan.

Pelacakan koneksi listrik

Penelusuran koneksi adalah tahap utama dalam desain peralatan elektronik, yang memecahkan masalah peletakan koneksi pada lapisan papan sirkuit tercetak di antara output komponen ekuipotensial, dengan mempertimbangkan aturan dan batasan yang ditentukan, yang utama adalah pembatasan lebar konduktor dan kesenjangan minimum yang diperbolehkan antara elemen kabel yang dicetak. Indikator kinerja dari metode penelusuran yang diterapkan adalah kelengkapan sirkuit listrik, panjang total minimum dari koneksi yang dibangun, jumlah lapisan yang digunakan dan transisi antarpemain.

Saat ini, dalam praktiknya, tiga metode (mode) pelacakan papan sirkuit cetak berikut ini banyak digunakan:

Penelusuran manual dilakukan oleh perancang dengan menggambar pola konduktor pada gambar papan.
Penelusuran otomatis diimplementasikan oleh program khusus yang menjalankan konduktor berlapis. Hasilnya tersedia untuk para desainer untuk penyesuaian dan peningkatan manual selanjutnya.
Tracing interaktif adalah kombinasi dari mode tracing manual dan otomatis. Dalam hal ini, perancang menetapkan kondisi untuk melacak semua atau sebagian dari koneksi yang diperlukan, dan perangkat lunak melakukan operasi penelusuran dalam kondisi yang diberikan.

Mempertimbangkan fakta bahwa hasil penelusuran otomatis sangat penting dalam desain yang dibantu komputer, deskripsi (dalam bentuk yang cukup umum) dari algoritma umum untuk menyelesaikan masalah ini diberikan di bawah ini.

Algoritma Gelombang Jejak Otomatis

Deskripsi pertama dari algoritma gelombang untuk melacak koneksi pada papan sirkuit tercetak diterbitkan pada awal tahun 60an (Lee, CY, Algoritma untuk Koneksi Jalur dan Aplikasi-Aplikasinya, Transaksi IRE pada Komputer Elektronik, vol. EC-10, nomor 2, hlm. 364-365, 1961). Kesederhanaan dari algoritma ini adalah insentif untuk implementasi banyak perangkat lunak yang relevan.

Pada setiap iterasi, algoritma mencari dan membentuk koneksi dengan lebar yang diberikan antara dua titik yang diberikan pada pesawat, dengan mempertimbangkan hambatan yang ada. Untuk melakukan fungsi-fungsi ini, apa yang disebut bidang kerja diskrit (DRP) digunakan - matriks numerik dua dimensi, sel-sel yang menampilkan bagian yang sesuai dari papan sirkuit cetak dengan dimensi yang sama dengan lebar konduktor, meningkat dengan ukuran celah yang diizinkan. Ini memastikan bahwa dua konduktor yang terletak di sel yang berdekatan akan selalu memiliki jarak yang diperlukan di antara tepinya. Sel DRP yang dilarang untuk meletakkan koneksi ditandai dengan label khusus.

Pencarian koneksi dilakukan dengan penetapan angka numerik 1-2-3 ... ke tetangga (tidak dilarang untuk meletakkan koneksi) sel DRP, mulai dari salah satu yang terhubung ( "I" ) dan sampai yang kedua ( "P" ). Dalam kasus ketika sel terhubung kedua tercapai, ia memulai pembentukan koneksi yang ditemukan berdasarkan pemilihan berurutan pasangan sel tetangga dalam urutan kode ... 3-2-1-3-2-1 ...

Koneksi yang dibangun ditampilkan pada DRP dengan set sel baru yang dilarang untuk meletakkan koneksi dan kemudian prosedur yang dijelaskan diulang untuk pasangan poin berikutnya, dll.

Metode penelusuran geometris

Metode penelusuran geometrik (berbasis bentuk) adalah generasi berikutnya setelah generasi gelombang algoritma penelusuran PCB dan sirkuit terpadu besar.

Metode-metode ini beroperasi dengan model geometris objek sirkuit cetak (kontak, konduktor, dll.), Mencari dan meletakkan koneksi di labirin sumber daya gratis yang ada.

Algoritma kelas ini memecahkan masalah meletakkan setiap koneksi juga dalam dua tahap: mencari koneksi yang mungkin dan meletakkannya.

Pencarian koneksi dilakukan oleh distribusi berurutan dari sampel persegi panjang ( "I" - sampel awal) melalui bagian kontinu dari sumber daya jejak yang tersedia - sampai objek geometris "P" bertemu (atau semua sumber daya habis). (e _N ).

( e ₁₈ e ₁₆ e ₁₄ e ₁₂ e ₁₀ e ₈ e ₂ )