🏳️ ✍️ ♉️ Projeto assistido por computador de equipamentos eletrônicos 🏔️ 👐🏾 🤵🏾

De uma forma popular, são abordadas as questões de design auxiliado por computador de equipamentos eletrônicos (CEA) em projetos de PCB, as principais etapas da formação e evolução dos sistemas de design auxiliado por computador (CAD) da CEA, o conteúdo das tarefas de automação, a organização de um ciclo de trabalho de design de ponta a ponta usando ferramentas de automação.

O objetivo da publicação é familiarizar os trabalhadores de engenharia com uma das áreas em rápido desenvolvimento na indústria moderna de tecnologia da informação.

Prefácio

A automação das atividades de projeto e liquidação na prática de engenharia tem uma história longa e bastante rica. Voltando ao passado relativamente recente, basta recordar pontuações, aritmômetros mecânicos e regras de slides. Um pouco mais tarde, calculadoras eletrônicas, que até hoje são amplamente utilizadas, entraram na prática de cálculo. Todos esses dispositivos visam facilitar a implementação de uma variedade de cálculos, uma proporção significativa dos quais recai sobre as atividades de projeto dos engenheiros.

Um passo significativo para a automação das atividades de liquidação foi o surgimento de computadores eletrônicos (computadores), cujas capacidades tornaram possível não apenas realizar cálculos, mas também controlar os fluxos de cálculos e dados necessários, compilando programas em linguagens de programação especializadas: Autocode (ou Assembler), Algol, Fortran e outros. A programação mudou fundamentalmente a aplicabilidade dos métodos matemáticos de álgebra, geometria, métodos numéricos, teoria das probabilidades, pesquisa operacional, matemática discreta, programação linear e muitos outros que foram desenvolvidos ao longo dos séculos. O aumento no desempenho do computador (velocidade e tamanho da memória) com a expansão simultânea da gama de dispositivos periféricos: entrada e saída de dados de texto e gráficos, unidades para armazenamento de informações a longo prazo, bem como o desenvolvimento intensivo de sistemas operacionais, compiladores de linguagem de programação, tiveram um impacto significativo na mudança do papel dos computadores na engenharia prática. A solução dos problemas individuais de cálculo começou a ser gradualmente substituída pela implementação das etapas concluídas do ciclo do projeto, que deram origem ao conceito de design auxiliado por computador, de acordo com a seguinte definição.

Sistema de design assistido por computador - um sistema automatizado que implementa tecnologia da informação para funções de design, é um sistema organizacional e técnico projetado para automatizar o processo de design, composto por pessoal e um conjunto de técnicas, softwares e outros meios de automatizar suas atividades. Também para a designação de tais sistemas, o acrônimo CAD é amplamente utilizado .

O principal objetivo do CAD é aumentar a eficiência da engenharia: reduzindo a complexidade e o tempo do projeto, garantindo soluções e documentação de alta qualidade, minimizando a modelagem em escala real e testes de protótipos e reduzindo o custo de preparação da produção.

Na prática moderna de engenharia, os seguintes sistemas CAD são mais amplamente utilizados:

O conteúdo desta publicação é limitado apenas a questões relacionadas à área de assunto de equipamentos eletrônicos CAD em placas de circuito impresso.
Nos anos 1948-1950, William Shockley criou a teoria da junção pn e um transistor de junção, e o primeiro transistor foi fabricado em 12 de abril de 1950. Em 1954, a Texas Instruments lançou o primeiro transistor de silício. O processo plano baseado em silício se tornou a principal tecnologia para a produção de transistores e circuitos integrados.

Por sua colaboração no desenvolvimento do primeiro transistor operacional do mundo em 1948, John Bardin, William Shockley e Walter Brattain compartilharam o Prêmio Nobel de 1956. A formação e o desenvolvimento da tecnologia para a produção industrial de dispositivos semicondutores determinou uma tendência ascendente de longo prazo e estável no grau de integração de componentes eletrônicos, a transição para uma base de elementos semicondutores expandiu significativamente o escopo de aplicação de dispositivos eletrônicos com um aumento dramático em seu grau de integração e, como resultado, complexidade funcional.

A expansão na faixa de aplicabilidade de dispositivos eletrônicos também foi facilitada pelo progresso da tecnologia para a produção de placas de circuito impresso, que possuem alta confiabilidade de conexões elétricas e resistência mecânica, sendo um requisito prioritário para produtos eletrônicos móveis e estacionários.

O "aniversário" das placas de circuito impresso é considerado 1902, quando o inventor, o engenheiro alemão Albert Parker Hansen, solicitou o escritório de patentes de seu país natal.

A placa de circuito de Hansen era uma imagem de carimbo ou corte em uma folha de bronze (ou cobre). A camada condutora resultante foi colada em papel dielétrico impregnado com parafina. Mesmo assim, cuidando de uma densidade mais alta de condutores, Hansen colou a folha nos dois lados, criando uma placa de circuito impresso de dupla face. O inventor também usou orifícios de conexão através da placa de circuito impresso. Os trabalhos de Hansen contêm descrições da criação de condutores usando tintas galvanizadas ou condutoras, que são de metal em pó misturado com um suporte adesivo.

Uma placa de circuito impresso (PCB) é uma placa dielétrica na superfície ou no volume em que são formados os circuitos eletricamente condutores de um circuito eletrônico. A placa de circuito impresso foi projetada para conexão elétrica e mecânica de vários componentes eletrônicos. Os componentes eletrônicos na placa de circuito impresso são conectados por suas descobertas aos elementos do padrão condutor, geralmente por solda.

Essas tendências no desenvolvimento de circuitos e no design de REA exigiram mudanças fundamentais nas abordagens para a organização de processos para a criação de produtos eletrônicos de alta complexidade funcional e de design, o que estimulou o surgimento de sistemas industriais para o design automatizado de equipamentos eletrônicos.

Nos primeiros estágios do desenvolvimento do CAD REA, os principais clientes eram empresas - criadoras de sistemas de computação complexos, cujos projetistas gerais começaram a organizar unidades CAD especializadas na estrutura de suas agências de design.

A criação do CAD REA exigiu o uso de métodos e algoritmos matemáticos eficazes para resolver problemas importantes da síntese estrutural e paramétrica de dispositivos projetados. Os cientistas das principais universidades estiveram envolvidos no desenvolvimento do aparato matemático correspondente: Universidade Estadual de Moscou, Universidade Estadual de Leningrado, Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, MEPhI, MPEI, MVTU, MIREA, MAI, LETI e muitos outros, além de institutos politécnicos nas cidades de Kaunas, Kiev, Lviv, Minsk. Para integrar recursos e coordenar o desenvolvimento do CAD REA, o Ministério da Indústria da Rádio da URSS realizou os programas RAPIR e PRAM, com o objetivo de criar pacotes de software compatíveis com informações para o design assistido por computador.

Os seguintes cientistas fizeram uma contribuição significativa à teoria e prática do CAD REA, em 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
e muitos outros.

A estrutura e as principais etapas do projeto do CEA

Equipamentos eletrônicos modernos são implementados nos níveis da hierarquia de design mostrada na figura abaixo. Para todos os níveis da hierarquia, são utilizadas ferramentas de design auxiliadas por computador, como CAD BIS / VLSI, placas de circuito impresso, blocos e gabinetes.

Além disso, nos restringimos às questões de design auxiliado por computador de elementos de substituição típicos (Nível I). O ciclo completo de design de dispositivos eletrônicos de nível I inclui as seguintes etapas principais:

Desenvolvimento de um diagrama de circuito elétrico (E3) de um dispositivo eletrônico.
Simulação digital-analógica de um circuito de dispositivo.
Colocação (disposição) de componentes eletrônicos e conectores externos em uma placa de circuito impresso. Otimização do layout dos componentes, a fim de minimizar os comprimentos das conexões elétricas propostas, garantir dissipação de calor uniforme, criar um ambiente eletromagnético aceitável para a transmissão de sinais sem distorção.
Colocação (rastreamento) de conexões elétricas entre os terminais equipotenciais dos componentes colocados, de acordo com as regras de projeto especificadas que regem a largura das conexões, as folgas mínimas permitidas com outros elementos do circuito impresso, garantindo os requisitos de desempenho e imunidade a ruídos.
Monitorar a conformidade da estrutura do circuito impresso com o circuito elétrico original e as limitações tecnológicas da produção.
Emissão de documentação de design e produção.
Monitorando a integridade dos dados do projeto, rastreando as alterações feitas, trocando informações do projeto com outros sistemas automatizados.

Desenvolvimento de um diagrama de circuitos elétricos (E3)

Circuito elétrico - uma imagem gráfica usada para transmitir a estrutura de um dispositivo eletrônico usando designações condicionais gráficas e alfanuméricas. Inclui símbolos gráficos (UGO) de componentes eletrônicos e as conexões entre suas conclusões.

Um diagrama de circuito pode ser apresentado em uma ou mais folhas de desenho, enquanto o circuito não regula o arranjo mútuo (físico) dos componentes eletrônicos. Todos os componentes no diagrama e conexões recebem identificadores exclusivos (número do componente no diagrama, nome do circuito etc.). Para aumentar a legibilidade do circuito, objetos gráficos compactos são usados - barramentos e conectores.

O desenvolvimento de circuitos elétricos é realizado usando bibliotecas previamente preparadas e certificadas de símbolos gráficos convencionais de componentes eletrônicos para conformidade com os requisitos GOST.

Simulação lógica de dispositivos digitais

A modelagem lógica é uma das maneiras mais comuns de testar as propriedades comportamentais e funcionais dos dispositivos digitais projetados e visa reduzir os custos associados à criação e teste de protótipos. A estrutura de um dispositivo digital para modelagem é descrita em uma das linguagens comuns para descrever equipamentos eletrônicos - VHDL e (ou) Verilog, e os valores de sinal nas conexões e a dinâmica de suas alterações ao longo do tempo são exibidos na forma de diagramas gráficos de tempo.

As modernas ferramentas de software suportam os modos de modelagem lógica de dispositivos digitais assíncronos e síncronos em um alfabeto com vários valores de possíveis valores de sinal. É permitido simular e analisar a operação conjunta do hardware do dispositivo digital e do software (firmware) como parte deste dispositivo, o que garante a integridade e a integridade dos resultados da simulação.

Simulação de dispositivos analógicos

A modelagem de dispositivos analógicos permite analisar os modos de operação e avaliar os parâmetros do circuito sem fazer amostras de sua placa de ensaio.

Atualmente, os seguintes tipos de simulação de dispositivos analógicos são comuns:

Análise do circuito para corrente contínua e alternada
Análise de funções transitórias e de transferência
Análise de ruído e estabilidade
Análise de temperatura quando a temperatura de operação muda
Análise paramétrica ao alterar os parâmetros de modelos de componentes eletrônicos (transistores, diodos, capacitores, resistores, fontes funcionais, etc.)

Colocação de componentes eletrônicos

A colocação (organização) de componentes eletrônicos e conectores em uma placa de circuito impresso é uma tarefa complexa, cuja solução requer comprometimentos nos seguintes critérios principais:

Arranjo dos componentes em conformidade com as regras estabelecidas na distância mínima permitida entre seus alojamentos e conclusões.
Minimizar o comprimento total das conexões planejadas para implementação, levando em consideração os requisitos de imunidade à velocidade e ruído (pares diferenciais, grupos funcionalmente conectados, circuitos de sincronização).
Garantir uma distribuição uniforme da densidade dos compostos na placa de circuito impresso.
Contabilização da dissipação de calor e radiação eletromagnética de componentes eletrônicos.

Para avaliar a qualidade do posicionamento de componentes eletrônicos em uma placa de circuito impresso, em particular, são utilizadas estimativas associadas à análise da densidade de distribuição dos compostos necessários ou ao modelo de "vetores de força", indicando para cada componente a direção de sua melhor pegada na placa.

Rastreamento de conexão elétrica

O rastreamento de conexão é um estágio fundamental no design de equipamentos eletrônicos; resolve o problema de estabelecer conexões em camadas de uma placa de circuito impresso entre saídas equipotenciais de componentes, levando em consideração regras e restrições especificadas, sendo as principais restrições na largura dos condutores e as lacunas mínimas permitidas entre os elementos de fiação impressos. Os indicadores de desempenho dos métodos de rastreamento aplicados são a integridade do circuito elétrico, o comprimento total mínimo das conexões construídas, o número de camadas utilizadas e as transições entre camadas.

Atualmente, na prática, os três métodos (modos) a seguir de rastreamento de placas de circuito impresso são amplamente utilizados:

O rastreamento manual é realizado pelo designer, desenhando um padrão de condutores no desenho da placa.
O rastreamento automático é implementado por programas especializados que executam condutores em camadas. Os resultados estão disponíveis para os designers para ajustes e melhorias manuais subsequentes.
O rastreamento interativo é uma combinação dos modos de rastreamento manual e automático. Nesse caso, o designer define as condições para rastrear todas ou parte das conexões necessárias e o software executa operações de rastreamento nas condições especificadas.

Levando em conta o fato de que os resultados do rastreamento automático são muito críticos no design auxiliado por computador, descrições (de uma forma bastante geral) de algoritmos comuns para resolver esse problema são fornecidas abaixo.

Algoritmo de onda de rastreamento automático

A primeira descrição do algoritmo de onda para rastrear conexões em placas de circuito impresso foi publicada no início dos anos 60 (Lee, CY, "Algoritmo para conexões de caminho e suas aplicações", IRE Transactions on Electronic Computers, vol. EC-10, número 2, pp. 364-365, 1961). A simplicidade desse algoritmo foi o incentivo à implementação de muitas ferramentas de software relevantes.

A cada iteração, o algoritmo procura e forma uma conexão de uma determinada largura entre dois pontos no plano, levando em consideração os obstáculos existentes. Para executar essas funções, é utilizado o chamado campo de trabalho discreto (DRP) - uma matriz numérica bidimensional, cujas células exibem as seções correspondentes da placa de circuito impresso com dimensões iguais à largura do condutor, aumentadas pelo tamanho do espaço permitido. Isso garante que dois condutores localizados em células adjacentes sempre tenham a folga necessária entre suas bordas. As células DRP proibidas para estabelecer conexões são marcadas com etiquetas especiais.

A busca pela conexão é realizada atribuindo sequencialmente etiquetas numéricas 1-2-3 ... às células DRP vizinhas (não proibidas de estabelecer a conexão), começando por uma das conectadas ( “I” ) e até a segunda ( “P” ). No caso em que a segunda célula conectada é atingida, inicia a formação da conexão encontrada com base na seleção sequencial de pares de células vizinhas na sequência de código ... 3-2-1-3-2-1 ...

A conexão construída é exibida no DRP com um novo conjunto de células proibido para estabelecer conexões e, em seguida, o procedimento descrito é repetido para o próximo par de pontos, etc.

Métodos de rastreamento geométrico

Os métodos de rastreamento geométrico (baseado em forma) são a próxima geração após a geração de ondas de algoritmos de rastreamento de PCB e grandes circuitos integrados.

Esses métodos operam com modelos geométricos de objetos de circuitos impressos (contatos, condutores, etc.), procurando e estabelecendo conexões em um labirinto existente de recursos livres.

Os algoritmos dessa classe resolvem o problema de estabelecer cada conexão também em dois estágios: procurando uma conexão possível e colocando-a.

A busca pela conexão é realizada pela distribuição seqüencial de amostras retangulares ( “I” - a amostra inicial) através das seções contínuas dos recursos de rastreamento disponíveis - até que o objeto geométrico “P” atenda (ou todos os recursos estejam esgotados). (e _N ).

( e ₁₈ e ₁₆ e ₁₄ e ₁₂ e ₁₀ e ₈ e ₂ )