Лекция 1
Современное состояние проектирования ус-в.
Существует 2 метода проектирования: традиционный, заключающийся в макетировании, и автоматизированный, заключающийся в моделировании с помощью ПК.
Второй метод широко внедряется в инженерную практику. Осуществляет цикл сквозного проектирования: 1 - синтез структуры и принципиальной схемы устройства, 2 - анализ характеристик в различных режимах работы, параметрическая оптимизация, 3 - синтез топологии: размещение элементов на плате, разводка связей между элементами, 4 – верификация топологии (проверка соответствия тех. нормам), учет паразитных связей и т.д., 5- проектирование конструкции изделий, 6- выпуск конструкторской документации.
Обзор рынка САПР:
1- Пакет PSpice – моделирует характеристики аналоговых и цифровых ус-в, проводит конструкторское проектирование на основе Spice технологий.
2- Пакет OrCAD – (CAD=САПР), имеется графический редактор принципиальных схем, программа моделирования ус-в (аналоговых и цифровых), возможность перекодировки в PSpice и P-CAD.
3- P-CAD – создает проект печатной платы, не соответствует требованиям ЕСКД.
4- AutoCAD – дорабатывает чертежи, созданные P-CAD в соответствии требованиям ЕСКД.
5- 3D Studio MAX – проектирует объемные элементы, используется для сборки и эксплуатации.
P-CAD – система автоматического проектирования печатных плат. В его состав входит несколько десятков программ.
Операции:
1. Создание символов элементов принципиальной электрической схемы и их графических образов корпусов. К155ЛА3 (рис 1). DIP-14 – пластмассовый прямоугольный корпус с 14 ножками(рис 2). Для каждого элемента необходимо создать 1)СИМВОЛ(К155ЛА3) – его символьное изображение, 2) КОМПОНЕНТ(DIP-14) – его размещение в корпусе, 3) ШАБЛОН – изображение корпуса на печатной плате
|
|
2. Графический ввод принципиальной схемы.
3. Размещение элементов на принципиальной плате.
4. Ручная или автоматическая трассировка печатных проводников и т.д.
Программы:
Symbol Editor – символьный графический редактор, позволяющий создать и редактировать символьные элементы. Можно хранить отдельным файлом с расширением (.sym), но в нашем случае можно хранить с библиотеке (.lib).
Schematic (.sch) – позволяет вводить не только элементы, но и принципиальные схемы. Схемы создаются проводами, НЕ ЛИНИЯМИ.
Pattern – позволяет проектировать посадочные места на печатной плате. Например, контактные площадки, металлизированные отверстия, гладкие крепежные отверстия, а так же паяльные защитные маски, элементы маркировки и т.д.
PCB (.pcb) – технологический редактор, позволяющий создавать проект печатной платы. Он позволяет генерировать список соединений (netlist), в его состав может входить специальные программы размещения элементов на плате (SPEKTRA). Могут входить автоматические трассировщики (AutoRouter)
Library Executive – программа, поддерживающая библиотеки, хранящие P-CAD объекты.
Лекция 2.
Конструкторско-технологичские параметры печатных плат
1.основные типы плат
2.параметры печатных плат
Существует 3 типа печатных плат:
1 – односторонние(однослойные)
2- двухсторонние(двухслойные)
3- многослойные(МПП)
Односторонние – используются исключительно для одностороннего монтажа элементов в гладкие (не металлизированные) отверстия.
|
|
Для пересекающихся трасс используются перемычки.
Достоинства: самые точные, дешевые. Монтажные и трассировочные способности плат низкие, низкая механическая прочность. Используются в бытовой технике
Двухсторонние ПП. Бывают двух видов: без металлизации и с металлизацией сквозных отверстий.
Без металлизации похож на первый тип, но трассировочная способность выше. Для перехода между слоями используются заклепки, перемычки и пайка выводов элементов с двух сторон. Используются в любительских и макетных устройствах.
С металлизацией – самый распространенный тип печатных плат.
Многослойные ПП. Существует 2 вида МПП: четырехслойные ПП и многослойные ПП.
У многослойных высокая трассировочная способность, не имеют ограничений по кол-ву элементов.
Реальные платы – 8-12 слоев. Но существует 100 и выше.
Параметры ПП.
1.Точность печатных плат.
ГОСТ предусматривает 5 классов точности.
| Условное обозначение | Номинальные значения основных параметров для кл.т. | ||||
| t,мм | 0,75 | 0,45 | 0,25 | 0,15 | 0,1 |
| S,мм | 0,75 | 0,45 | 0,25 | 0,15 | 0,1 |
| b,мм | 0,3 | 0,2 | 0,1 | 0,05 | 0,025 |
| F,мм | 0,4 | 0,4 | 0,33 | 0,25 | 0,2 |
t - ширина печатного проводника.
S - расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка.
b – гарантированный поясок.
F – отношение номинального значения диаметра наименьшего из металлизированных отверстий к толщине печатной платы.
Изготовление ПП 5 класса точности требует применения уникального высокоточного оборудования, спец. материалов, безусадочной фотопленки, создания «чистой» зоны стермостатирования.
|
|
ПП 4 класса. Оборудование высокоточное, но требования к материалу и помещению чуть ниже, чем у 5 класса.
ПП 3 класса. Наиболее распространенный, т.к. с одной стороны обеспечивает высокую плотность трассировки и монтажа, а с другой для их производства требуется рядовое, хотя и специализированное оборудование.
ПП 2 и 1 класса. Изготавливаются на рядовом оборудовании с невысокими параметрами. Предназначены для недорогих устройств с малой плотностью монтажа (единичное и малосерийное производство).
За рубежом принята другая классификация точности, где регламентируются не только конструктивные параметры(ширина проводника и зазор, шаг выводов), а так же шаг трассировки(для наружных и внутренних слоев). Классы 0-5.
2.Размеры печатных плат.
В настоящее время используется 2 стандарта:
- МЭК297(IEC297-3) – международный, на 19-дюймовые платы, которые совпадают со стандартом DIN41494.
- МЭК917(IEC917-22) – метрический, разработанный сравнительно недавно, должен со временем заменить дюймовый стандарт.
19-дюймовый стандарт, где 19 - ширина передней панели. 44, 45мм – величина модуля по высоте, 60мм – по глубине
3.Толщина печатных плат.
Определяется материалом. Используются материалы: Izola, Electronic и т.д. Толщина зависит от количества слоев, количества прокладок, толщины используемых материалов, структуры платы.
Толщина МПП при использовании однородных материалов рассчитывается по формуле(1):
Нп=0,5Nсл*Hc +(0,6/0,9)(0,5Nсл-1)Nпр*Нп
Нп- толщина Мпп, Нс-толщина материалов(фальгированного диэлектрика), Nпр- кол-во прокладок в одном промежутке, Нпр-толщина прокладочной ткани.
Сколько слоев можно вложить в плату заданной толщина – обратная задача.
4.Отверстия печатных плат.
Гладкие и металлизированные.
По назначения: монтажные и переходные.
Монтажные отверстия по формуле: d= 
+Δ+0,1
D=k*Нп,к- отношение диаметра отверстия к ширине плате, Нп-расчетная толщина печатной платы.
Лекция 3
Установленные правила ЕСКД распространяются на:
А) все виды КД(констркторский док-в)
Б) на учетно-регистрационную документацию и документацию на внесение изменений КД
В) на нормативно техническую и технологическую документацию, на научно-техническую литературу.
Например: ГОСТ 2.101-2008
2-класс стандартов ЕСКД
1-классификационная группа стандарта
01-порядковый номер стандарта в классификационной группе
2008-год утверждения стандарта.
ЕСКД включает 2 ГОСТа: 2.101-2008 – ГОСТ на все виды изделий для отраслей промышленности, при выполнении КД на детали, сборочные единицы, комплекты, комплексы; 2.102-2008 – устанавливает виды и комплектность КД на изделия всех отраслей промышленности.
Виды КД по ЕСКД:
-чертеж детали
-сборочный чертеж
-чертеж общего вида
-геометрический чертеж
-габаритный чертеж
-монтажный чертеж
-схема
-спецификация
-ведомость спецификации
-пояснительная записка
-технические условия
-патентный формуляр
Типы схем:
-структурная -1
-функциональная - 2
-принципиальная -3
-монтажная(соединений) – 4
-подключений -5
-общая -6
-расположений -7
Виды схем:
-электрическая – Э
-гидравлическая –Г
-пневматическая -П
-кинематическая –К
-оптическая –Л
-комбинированная –С
-энергетическая –Р
Пример:Э3 – электрическая принципиальная.
Печатные элементы плат.
1.Параметры проводников и зазоров.
2.Контактные площадки отверстий.
3.Слои и покрытия.
Основные параметры оговорены ГОСТ и зависят от классов точности ПП.
Рассчитываются в зависимости от токовой нагрузки. Для фольги 100-250 А/ 
. Нижний предел для внутренних проводников, верхний – для наружных. Размеры печатных проводников в зависимости от токовой нагрузки либо рассчитываются, либо выбираются по номограмме. В этом случае ее корректируют следующим образом: для проводников, расположенных на расстоянии больше своей ширины увеличивают на 15%; для плат, выполненных по полуаддитивной технологии уменьшают на 25%; на платах, выполненных по аддитивной технологии уменьшают вдвое.
Напряжение выбирается в зависимости от условий эксплуатации(пониженное атм. Давление, повышенная влажность и т.д.)
В слаботочной и низковольтной аппаратуре(все микросхемы) ширина печатных проводников и зазоры выбираются минимальными. Шаг трассировки обычно выбирают кратным шагу отверстий.
Контактные площадки отверстий. Два вида: для установки элементов на поверхность; площадки монтажных и переходных отверстий.
Рекомендации: для плат 1 и 2 класса точности 2,5 кв.мм, для 3 класса – 1,6 кв.мм. Диаметр для металлизированных отверстий по формуле: 
d-номинальный диаметр
b-размер гарантированного пояска
Tr-глубина поттравливаний диэлектрика(для МПП 0,03мм, для остальных 0)
Дbk – среднеквадратичный допуск на положения оси отверстия
D=Д*k+t
Д – шаг трассировки,
k-кол-во
t-номинальное значение по ГОСТ зависит от класса точности
Слои и покрытия.
Экранные слои
В МПП экранные слои играю несколько функций:
-в качестве земляного поля,
-два и более слоя выполняют функцию земля и питание,
-электромагнитная защита цепей,
-построение ПП с полосковыми линиями связи.
Гальванические покрытия. Цель:
-чисто технологическое покрытие, являющееся маской при травлении медной фольги
-локальное покрытие, в целях обеспечения качественной пайки или надежного контакта
Защитные покрытия
Лаком.)) Используются маски. В качестве защитных масок используются защитные диэлектрики(эпоксидная смола, сухой пленочный резистор, холодные эмали, оксидные пленки и т.д.).
Лекция 4.
Математическое обеспечение САПР
1. Мат модели
2. Методика составления мат. Моделей
Математические модели.
Требования к математическим моделям.
-универсальность
-точность
-адекватность
-экономичность
Классификация ММ
-аналитические
-алгоритмические
-имитационные
Математические модели схем. Основой для ММ является схема электрическая принципиальная. Моделью объекта проектирования является граф.
Два способа перехода от схемы в графу:
1. элементом схемы ставится в соответствие вершины графа, а связи между ними представляются ребрами. Получается модель в виде ориентированного или неориентированного мультиграфа
2. каждому элементу так ставится в соответствие вершина гиперграфа (ультраграфа, если необходимо учитывать направление сигнала), каждое ребро гиперграфа – элементарная цепь.
Модель схемы в виде неориентированного графа(рис А).
Такой способ является избыточным, но используется при решении некоторых задач(по логической трассировке).
Модель схемы в виде ориентированного мультиграфа(рис В).
Связи со стрелками только с выхода на вход элемента.
Для мультиграфа можно представить схему в виде компонент-связности(и для неориентированного и для ориентированного). Кол-во компонентов = ко-во цепей.(рис С)
Представление схемы гиперграфа(рис D).
Представление схемы в виде матриц.
Матрица схемы(рис А1). Неквадратная матрица. Кол-во строк равно кол-ву элементов. Кол-во столбцов = кол-во цепей. Если элемент входит в цепь, то ставится номер контакта, если не входит, то 0. Иногда вместо этой матрица используется матрица соединений(рис А2). Если контакт входит в цепь, то 1, если нет, то 0.
Кеннигово преставление схемы.
Рис В1
Методика составления ММ.
1. Выбор свойств системы, которые подлежат отображению в ММ. Этот выбор основан на анализе применений модели, определяет степень универсальности ММ.
2. Сбор исходной информации о выбранных свойствах (опыт и знание проектировщика, научно-техническая литература и т.д).
3. Синтез структуры ММ(в виде графа, схем и формул).
4. Расчет числовых значений параметров ММ(минимизация погрешности).