🛄 👨🏿‍🚒 👩🏿‍💼 电子设备的计算机辅助设计 🔉 👲🏿 🌪️

以流行的形式涵盖了PCB设计上的电子设备计算机辅助设计（CEA），CEA计算机辅助设计（CAD）系统形成和发展的主要阶段，自动化任务的内容，使用自动化工具进行端到端设计工作周期的组织等问题。

该出版物的目的是使工程技术人员熟悉现代信息技术行业中快速发展的领域之一。

前言

工程实践中设计和结算活动的自动化有着悠久而相当丰富的历史。回顾相对较近的过去，足以回忆起乐谱，机械测速仪和计算尺。不久以后，至今已被广泛使用的电子计算器已经进入了计算实践。所有这些设备旨在促进各种计算的实施，其中很大一部分取决于工程师的设计活动。

自动化结算活动的重要一步是电子计算机（计算机）的出现，其功能不仅使执行计算成为可能，而且还可以通过以专用编程语言编译程序来控制必要的计算和数据流：自动代码（或汇编器），Algol，Fortran和其他。编程从根本上改变了代数，几何，数值方法，概率论，运筹学，离散数学，线性规划等数学方法的适用性，这些方法已经发展了数百年。随着外围设备范围的同时扩展，计算机生产率（速度和内存大小）的提高：文本和图形数据的输入和输出，信息的长期存储驱动器以及操作系统的密集开发，编程语言编译器对计算机在工程中的角色变化产生了重大影响练习。单个计算问题的解决方案开始逐渐被项目周期已完成阶段的实现所取代，这引起了根据以下定义的计算机辅助设计的概念。

计算机辅助设计系统-一种实现设计功能的信息技术的自动化系统，是一个旨在使设计过程实现自动化的组织和技术系统，由人员和一套技术，软件以及其他使活动自动化的方法组成。 同样对于这种系统的指定，缩写词CAD被广泛使用 。

CAD的主要目的是提高工程效率：减少复杂性和设计时间，确保高质量的设计解决方案和文档，最小化原型的全尺寸建模和测试，并降低准备生产的成本。

在现代工程实践中，最广泛使用以下CAD系统：

本出版物的内容仅限于与印刷电路板上的CAD电子设备的主题领域有关的问题。
在1948年至1950年间，威廉·肖克利（William Shockley）提出了pn结和平面晶体管的理论，第一个此类晶体管于1950年4月12日制造。 1954年，德州仪器（TI）推出了第一款硅晶体管。硅基平面工艺已成为生产晶体管和集成电路的主要技术。

约翰·巴丁（John Bardin），威廉·肖克利（William Shockley）和沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）于1948年合作开发了世界上第一只晶体管，共同获得了1956年的诺贝尔奖。半导体器件工业生产技术的形成和发展决定了电子组件集成度的长期稳定增长趋势，向半导体元件基础的过渡极大地扩展了电子器件的应用范围，其集成度以及功能复杂性都得到了显着提高。

印刷电路板生产技术的进步也促进了电子设备的适用范围的扩展，该印刷电路板具有高电连接可靠性和机械强度，这是移动和固定电子产品的优先要求。

印刷电路板的“诞生日”被认为是1902年，当时发明人德国工程师阿尔伯特·帕克·汉森（Albert Parker Hansen）向其祖国的专利局提出了申请。

汉森的电路板是在青铜（或铜）箔上的冲压或切割图像。将所得的导电层胶粘到浸渍了石蜡的电介质纸上。即使如此，Hansen仍在照顾更高密度的导体的同时，将箔贴在两面，制成了双面印刷电路板。发明人还使用了穿过印刷电路板的连接孔。汉森的作品描述了使用电镀或导电墨水创建导体的过程，这些墨水是粉末金属与粘合剂载体混合而成的。

印刷电路板（PCB）是在其表面上或在其体积中形成电子电路的导电电路的介电板。 印刷电路板设计用于各种电子组件的电气和机械连接。 通常通过焊接将印刷电路板上的电子组件通过其发现连接到导电图案的元素。

电路开发和REA设计的这些趋势要求对组织用于创建具有高功能和设计复杂性的电子产品的过程的方法进行根本性改变，从而刺激了用于电子设备自动化设计的工业系统的出现。

在CAD REA开发的第一阶段，主要客户是企业-复杂计算系统的创建者，其通用设计师开始在其设计局的结构中组织专门的CAD部门。

CAD REA的创建要求使用有效的数学方法和算法来解决设计设备的结构和参数综合的关键问题。来自领先大学的研究人员参与了相应数学工具的开发：莫斯科国立大学，列宁格勒州立大学，莫斯科物理与技术学院，莫斯科工程物理研究所，莫斯科动力工程学院，莫斯科数学与技术学院，莫斯科航空工程学院，莫斯科经济技术学院，LETI等许多城市，以及城市理工学院：考纳斯，基辅，利沃夫，为了整合资源并协调CAD REA的开发，苏联无线电工业部实施了分支程序RAPIR和PRAM，旨在创建用于计算机辅助设计的信息兼容软件包。

以下科学家尤其对CAD REA的理论和实践做出了重大贡献：

阿布拉迪斯·路德维卡斯·布拉热维奇
巴齐列维奇罗马·彼得罗维奇
韦尔米谢夫·尤里·赫里斯托福罗维奇
Zaitseva Zhanna Nikolaevna
马尔卡洛夫·尤里·卡波维奇
Matyukhin Nikolay Yakovlevich
诺伦科夫·伊戈尔·彼得罗维奇
彼得伦科·阿纳托利·伊万诺维奇
里亚博夫·根纳季（Ryabov Gennady Georgievich）
里亚博夫·列昂尼德·帕夫洛维奇
Selyutin维克多·阿布拉莫维奇
Tetelbaum Alexander Yakovlevich
西罗·根纳迪·爱德华多维奇
斯坦·马克·埃里奥萨罗维奇
还有很多其他

CEA设计的结构和主要阶段

现代电子设备在下图所示的设计层次结构级别上实现。对于层次结构的所有级别，都使用适当的计算机辅助设计工具，例如CAD BIS / VLSI，印刷电路板，模块和机柜。

此外，我们将自己局限于典型辅助元件的计算机辅助设计（I级）问题。一级电子设备的完整设计周期包括以下主要步骤：

电子设备的电路图（E3）的开发。
器件电路的数模仿真。
电子元件和外部连接器在印刷电路板上的放置（布置）。优化组件的布局，以最小化建议的电气连接的长度，确保均匀的散热，为信号传输创造一个可接受的电磁环境而不会失真。
根据控制连接宽度，与印刷电路其他元件的最小允许间隙的规定设计规则，在放置的组件的等电位端子之间放置（跟踪）电气连接，从而确保性能要求和抗扰性。
监视印刷电路结构与原始电路的一致性以及生产的技术限制。
发行设计和生产文档。
监视设计数据的完整性，跟踪所做的更改，并与其他自动化系统交换设计信息。

绘制电路图（E3）

电路-一种图形图像，用于使用条件图形和字母数字标记来传输电子设备的结构。包括电子元件的图形符号（UGO）及其结论之间的联系。

电路图可以显示在一张或多张图纸上，而该电路不能调节电子组件的相互（物理）布置。图中的所有组件和连接均分配有唯一的标识符（图中的组件编号，电路名称等）。为了提高电路的可读性，使用了紧凑的图形对象-总线和连接器。

电路的开发使用预先准备好的，经过认证的电子元器件常规图形符号库进行，以符合GOST要求。

数字设备的逻辑仿真

逻辑建模是测试设计的数字设备的行为和功能特性的最常用方法之一，旨在降低与原型创建和测试相关的成本。用一种用于描述电子设备的通用语言描述了用于建模的数字设备的结构-VHDL和（或）Verilog，并且连接中的信号值及其随时间变化的动态以图形时间图的形式显示。

现代软件工具以可能的信号值的多值字母形式支持异步和同步数字设备的逻辑建模模式。允许仿真和分析数字设备的硬件以及作为该设备一部分的软件（固件）的联合操作，从而确保仿真结果的完整性和完整性。

模拟设备的仿真

对模拟设备建模可以使您分析工作模式并评估电路的参数，而无需制作电路板样本。

当前，模拟设备的以下类型的仿真已广泛使用：

直流和交流电路分析
瞬态和传递函数分析
噪声与稳定性分析
工作温度变化时的温度分析
更改电子组件（晶体管，二极管，电容器，电阻器，功能源等）的模型参数时的参数分析

电子元件的放置

在印刷电路板上放置（布置）电子元件和连接器是一项复杂的任务，其解决方案需要在以下主要标准上做出折衷：

按照既定规则排列组件，并在其外壳与结论之间的最小允许距离内进行排列。
考虑到对速度和抗干扰性的要求（差分对，功能连接的组，同步电路），最大程度地减少计划实施的连接的总长度。
确保化合物密度在印刷电路板上的均匀分布。
考虑电子元件的散热和电磁辐射。

为了评估电子元件在印刷电路板上的放置质量，特别是使用了与所需化合物的分布密度分析或``力矢量''模型相关的估计值，从而为每个元件指示了其在电路板上的最佳覆盖范围的方向。

电气连接追踪

连接跟踪是电子设备设计中的关键阶段;它考虑到指定的规则和限制，解决了在组件的等电位输出之间在印刷电路板的层上铺设连接的问题，主要规则是对导体宽度的限制和在印刷布线元件之间的最小允许间隙。所应用的跟踪方法的性能指标包括电路的完整性，所构建连接的最小总长度，使用的层数和层间过渡。

当前，实际中，以下三种印刷电路板的追踪方法（方式）被广泛使用：

设计人员通过在电路板上绘制导体图案来进行手动跟踪。
自动跟踪是通过执行分层导体的专用程序来实现的。结果可供设计人员用于后续的手动调整和改进。
交互式跟踪是手动和自动跟踪模式的组合。在这种情况下，设计人员设置跟踪所有或部分所需连接的条件，然后软件在给定条件下执行跟踪操作。

考虑到自动跟踪的结果在计算机辅助设计中非常重要的事实，下面以解决该问题的常用算法（以相当普遍的形式）给出了描述。

自动跟踪波算法

在60年代初，Lee，CY，《路径连接的算法及其应用》，《电子计算机上的IRE交易》，第EC-10卷，第2页，第211页。 364-365，1961）。该算法的简单性是许多相关软件工具实现的动力。

在每次迭代中，算法都会考虑到现有障碍物，搜索并在平面上两个给定点之间形成给定宽度的连接。为了执行这些功能，使用了所谓的离散工作场（DRP）-二维数值矩阵，其二维单元格显示印刷电路板的相应部分，其尺寸等于导体的宽度，并增加了允许间隙的大小。这样可以确保位于相邻单元中的两条导体在其边缘之间始终具有所需的间隙。禁止铺设连接的DRP电池带有特殊标签。

通过从相邻的一个DRP单元（ “ I” ）开始直到第二个（ “ P” ）顺序地将1-2-3 ...数字标签分配给相邻的DRP单元（不禁止铺设连接）来执行对连接的搜索。在到达第二个连接的单元格的情况下，它会根据代码序列... 3-2-1-3-2-1 ...中相邻单元对的顺序选择，开始建立找到的连接。

在DRP上显示已建立的连接，并禁止放置一组新的单元，以进行连接，然后对下一对点重复上述过程，等等。

几何追踪方法

几何（基于形状）跟踪的方法是继PCB跟踪算法和大型集成电路之后的下一代。

这些方法适用于印刷电路对象（触点，导体等）的几何模型，在现有的免费资源迷宫中搜索并放置连接。

此类算法还分两个阶段解决了放置每个连接的问题：搜索可能的连接并将其放置。

通过在可用跟踪资源的连续部分中依次分布矩形样本（ “ I” -初始样本）来进行连接搜索，直到满足几何对象“ P” （或耗尽所有资源）为止。 (e _N ).

( e ₁₈ e ₁₆ e ₁₄ e ₁₂ e ₁₀ e ₈ e ₂ )

, ( ) : , , , ..

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, :
( 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）。

跟踪算法的显示描述已简化，仅适用于最简单的单层结构。在实践中，这些算法的软件实现提供了使用层间金属化结来跟踪多层印刷电路板的能力，并遵守了对导体宽度的广泛限制以及印刷电路板所有元素之间的最小允许间隙。

电子设备在仪器仪表，计算机工业，航空航天工业和家用电器中的广泛使用对在电路板上的连接布线期间形成的印刷电路板的质量和电物理特性提出了越来越严格的要求。

今天，对跟踪方法的以下附加要求变得越来越重要：