Передача теплоты теплопроводностью

Процесс передачи теплоты теплопроводностью объясняется обменом кинетической энергией между молекулами вещества и диффузией электронов.

Оба эти явления имеют место в тех случаях, когда температура вещества в различных точках различна или когда контактируют два тела с различной степенью нагрева.

Для увеличения эффективности теплообмена путем теплопроводности необходимо увеличивать площадь теплопроводящей поверхности, уменьшать путь передачи теплоты (например, толщину стенки), использовать материалы с высокой теплопроводностью.

Передача теплоты конвекцией Естественное и принудительное воздушное охлаждение

Эти способы охлаждения наиболее просты и доступны, так как все элементы микро-ЭВМ находятся в объеме, заполненном воздухом или инертным газом.

Теплота от нагретых корпусов микросхем передается окружающей атмосфере за счет естественной конвекции. Эффективность естественного воздушного охлаждения тем больше, чем больше разность температур между корпусом и окружающей средой и чем больше площадь поверхности корпуса.

Большое значение также имеет плотность окружающей среды, при уменьшении которой отвод теплоты от поверхности корпуса уменьшается.

Принцип охлаждения естественной конвекцией основан на том, что слои воздуха (или другой среды), нагреваясь от выделяющего теплоту корпуса и обладая вследствие этого меньшей плотностью и большей кинетической энергией, перемещаются вверх и замещаются более холодными слоями. Чем больше объем замещаемого воздуха, тем лучше теплообмен. Эффективность теплообмена естественной конвекцией зависит от места расположения элементов в объеме машин. Так, при вертикальном расположении ячеек с микросхемами воздушному потоку ничего не препятствует и теплые слои воздуха быстро заменяются холодными. При горизонтальном расположении плат ячеек смена слоев воздуха затруднена, вследствие чего нагрев элементов происходит в большей степени. В худшем положении находятся элементы в верхней части корпуса машины, так как здесь замещения теплых слоев холодными практически не происходит и их охлаждение осуществляется только за счет теплоотдачи через холодную крышку.

Качество естественного воздушного охлаждения зависит от мощности выделяемой аппаратурой во время работы в виде теплоты, формы и габаритных размеров корпуса и площади его поверхности.

Улучшение охлаждения можно получить искусственным увеличением площади поверхности корпуса, например введением специальных ребер — радиаторов.

Существенное улучшение теплового режима достигается введением специальных вентиляционных отверстий в дне и крышке корпуса машины. В этом случае в машину извне поступают холодные слои воздуха, которые вытесняют теплые слои через отверстия в крышке. При необходимости такие отверстия следует предусматривать и в боковых стенках корпуса машины, оформляя их в виде жалюзи. Эффективность использования жалюзи и вентиляционных отверстий падает с уменьшением давления окружающего воздуха, т. е. с увеличением высоты над уровнем моря. Так, если на уровне моря уменьшение перегрева за счет применения жалюзей оценивается в 33%, то на высоте 6 км над уровнем моря оно уменьшается до 15%, на высоте 12 км—до 6%, на высоте свыше 12 км жалюзи не уменьшают перегрев.

При принудительном воздушном охлаждении теплоотвод от внутренних полостей корпуса ЭВМ осуществляется движущимися потоками воздуха, объем и скорость движения которых определяются специальными устройствами, как правило, вентиляторами. При этом охлаждаются элементы, выделяющие теплоту, и промежуточные теплоносители, например вода, используемая для охлаждения особо теплонагружергных узлов.

Чем ниже температура охлаждающего воздуха и выше скорость его движения, тем эффективнее принудительное воздушное охлаждение.

Лекция №32: «Базовые понятия автоматизированного проектирования».

I. Базовые понятия автоматизированного проектирования.

1. Терминология.

2. Классификация САПР

3. Организация САПР/АСТПП/САИТ.

САПР — система автоматизированного проектирования.

АСТПП — автоматизированная система технологической подготовки производства.

САИТ — система автоматизации инженерного труда.

CAD — computer automation design.

CAM — computer automation manufacturing.

CAE — computer automation engineering.

Проектирование — это процесс создания описания необходимого для построения в заданных условиях ещё несуществующего объекта на основе его первичного описания.

Проектирование разделяют на:

• неавтоматизированное;

• автоматизированное;

• автоматическое.

Мы будем рассматривать автоматизированное проектирование, так как оно занимается сложными объектами из большого количества составных частей и позволяет найти рациональное решение задачи проектирования.

Основные задачи САПР/АСТПП/САИТ:

• анализ;

• синтез.

Задача анализа связана с определением функций объекта или системы по заданному описанию и оценкой возможных проектных решений.

Задача синтеза связана с описанием самого объекта и разработкой проектной документации.

Синтез бывает:

• структурным (получение структурной схемы объекта, формирование сведений о составе элементов и способов их соединения между собой);

• параметрическим (определение числовых значений параметров элементов или системы).

Синтез называется оптимизацией, если определяются наилучшие в заданном смысле структуры (это структурная оптимизация) или параметры (это параметрическая оптимизация). Проведение оптимизации требует задания критерия оптимизации.

Если критерий оптимизации один, то это скалярная оптимизация, если критериев несколько, то это векторная оптимизация.

Критерии оптимизации бывают:

• частные;

• аддитивные;

• мультипликативные;

• минимаксные.

Для решения задачи анализа применяют специальные языки моделирования VHDL и Verilog. Если анализируется динамика работы объекта, то тогда это называется имитационным моделированием. А если исследуются статические свойства объекта, то используются математические модели и методы интеллектуального анализа. Также для анализа статических и динамических свойств объекта на сегодня применяют экспертные системы и системы поддержки принятия решения (СППР).

Виды обеспечения САПР:

1. математические (МО) — это совокупность математических методов, моделей и алгоритмов, представленных в заданной форме;

2. техническое (ТО) — это совокупность связанных и взаимодействующих

технических средств (плоттеры, графопостроители и т.д.);

3. программное (ПО) — это совокупность машинных программ, необходимых для обеспечения процесса проектирования, включающая в

себя как системное, так и прикладное ПО;

4. информационное (ИО) — это совокупность сведений, необходимых для процесса проектирования. Включает СУБД, непосредственно саму

Базу Данных и Базу Знаний*;

5. лингвистическое (ЛО) — это совокупность языков программирования. Включает термины, определения, правила формализации естественного языка и методы сжатия и развертывания текста;

6. методическое (МТО) — это совокупность документов, устанавливающих состав,

правила отбора и эксплуатации средств обеспечения

системы;

7. организационное (ОО) — это совокупность документов, определяющих состав проектной организации, связь между подразделениями, а также форму представления результатов проектирования и порядок рассмотрения проектных документов.

Классификация САПР:

по разновидности и сложности объектов проектирования:

• САПР низкосложных объектов (количество составных частей до 100);

• САПР среднесложных объектов (количество составных частей от 100 до 10 тысяч);

• САПР высокосложных объектов (количество составных частей от 10 тыс. и более).

по уровню автоматизации:

• неавтоматизированные (до 25% проектных процедур автоматизирования);

• среднеавтоматизированные (от 25 до 50% проектных процедур автоматизир-я);

• высокоавтоматизированные (от 50 до 75% проектных процедур автоматизир-я).

по уровню комплексности:

• одноэтапные (выполняют один этап проектирования);

• многоэтапные (выполняют несколько этапов проектирования);

• комплексные (выполняют весь цикл проектирования объектов).

по характеру и числу выпускаемых проектных документов:

• низкой производительности (от 100 до 10 тысяч проектных документов);

• средней производительности (от 10 тыс. до 100 тыс. проектных документов);

• высокой производительности (от 100 тысяч и более проектных документов).

по числу уровней технического обеспечения

• одноуровневые (строятся на основе ЭВМ среднего и/или высокого класса со штатным периферийным оборудованием);

• двухуровневые (строятся на основе ЭВМ среднего или высокого класса, которая в качестве интеллектуальных терминалов использует персональные ЭВМ);

• комплексные (строятся на основе ЭВМ среднего или высокого класса, которые объединяются в сеть, и каждый из этих ЭВМ имеет свою сеть персональных ЭВМ).

Сейчас развиваются мощные ЭВМ, которые переходят в класс средних ЭВМ, но которые их не заменяют. Они решают очень серьезные задачи и персональные ЭВМ для этого не подходят.

Организация САПР/АСТПП/САИТ

Составными структурными частями САПР являются подсистемы, обладающие всеми свойствами системы и разрабатываемые как самостоятельные системы.

Подсистема САПР - выделенная по некоторым признакам часть САПР, позволяющая

получать законченное решение.

САПР бывают:

• обслуживающие

  • система информационного поиска;

  • система документирования;

  • система графического отображения объектов проектирования.

    • проектирующие

  • подсистема функционального логического проектирования. (функциональная, логическая, принципиально -электрическая схема)

  • подсистема конструкторского проектирования;

(конструкция устройства и конструкторская документация, которая включает в себя схему расположения элементов на поверхности модуля и топологию печатных соединений между схемами и т.д.;

• подсистема технологической подготовки производства.

маршрутная карта производственного процесса и программы, управляющие станками с числовым программным управлением.

В состав как обслуживающих, так и проектирующих систем могут входить:

• экспертные системы — это системы, в основе которых лежат базы знаний, представленные либо в виде системы продукций, либо в виде фреймов, либо в виде семантических сетей.

• системы принятия — это системы, позволяющие производить выбор решений эффективных проектных решений в условиях определенности и неопределенности исходной информации на основе формальных методов и процедур.

Для оценки проектных решений могут применяться нейронные технологии; системы поддержки — это системы, в которых равно участие ЭВМ и пользователя принятия решений / лица принимающего решения (ЛПР). К ним относятся системы поиска данных.

Принципы создания САПР:

1. принцип включения — обеспечивает разработку систем на основе требований, позволяющих включать эти системы в САПР более высокого уровня.

2. принцип системного единства — при создании, функционировании и развитии САПР связь между подсистемами должна обеспечивать целостность всей системы.

3. принцип развития — САПР должна создаваться и функционировать с учетом появления, совершенствования и обновления её подсистем и компонентов.

4. принцип комплексности — обеспечивает связность процесса проектирования элементов и объекта в целом на всех уровнях проектирования, позволяя согласовывать и контролировать характеристики элементов и объекта в целом.

5. принцип информационного единства — состоит в использовании в подсистемах, компонентах и средствах обеспечения САПР единых условных обозначений, терминов, символов, проблемно-ориентированных языков и способов представления данных в соответствии с принятыми нормативными документами.

6. принцип совместимости — языки, символы, коды, информационные и технические характеристики, связи между подсистемами, средствами обеспечения САПР и компонентами должны обеспечить эффективное функционирование подсистем и сохранять открытую структуру системы в целом. Открытой называют систему, в которой интерфейсы взаимодействия с внешней средой стандартизованы.

7. принцип стандартизации — состоит в проведении унификации, оптимизации, стандартизации подсистемы компонентов инвариантных к проектируемым объектам и отраслевой специфики, а так же в установлении правил с целью упорядоченья деятельности по созданию и развитию САПР.

Стадии создания САПР:

• внешнее проектирование

  • стадия предпроектных исследований;

  • разработка ТЗ на проект;

• внутреннее проектирование

  • разработка технических предложений;

  • рабочий проект;

  • эскизный проект;

  • технический проект;

  • изготовление, отладка, испытание системы в действии.

Исследования объектов проектирования с помощью их математических моделей составляют суть системного подхода.

Выделают следующие принципы системного подхода:

1. иерархичность — каждая система или элемент может рассматриваться как отдельная система;

2. структурность — состоит в возможности описания системы через описание коммутационных связей между её элементами;

3. взаимозависимость — заключается в проявлении свойств системы, только при взаимодействии с внешней средой;

4. множественность — заключается в описании системы на основе множества описания взаимодействующих математических моделей;

5. целостность — свойства всей системы определяются на основе анализа

свойств её частей.

Суть системного подхода — это проектирование части с учетом целого.

Лекция №33: «Базовые технологии проектирования СПР/АСТПП/САИТ».

I. Базовые технологии проектирования СПР/АСТПП/САИТ

1. Технология нисходящего проектирования

2. Технология восходящего проектирования

3. Технология сквозного проектирования

4. Технология последовательного проектирования

5. Технология параллельного проектирования

6. Технология объектно-ориентированного проектирования

7. WAVE технология

Базовые технологии проектирования САПР/АСТПП/САИТ

Наиболее перспективными базовыми технологиями проектирования САПР на сегодняшний день являются:

1. технология объектного проектирования;

2. Wave технология;

3. сквозное проектирование;

4. технология параллельного проектирования;

5. технология нисходящего проектирования.

Технология нисходящего проектирования:

Технология нисходящего проектирования подразумевает унификацию маршрутов проектирования, которые разделяются на проектные процедуры. Эти процедуры также унифицируются.

Данная технология состоит в последовательности пошаговой детализации выполняемого проекта, при этом на каждом этапе/шаге необходимо рассматривать альтернативные варианты решения, и выбранное наилучшее, которое рассматривается как основа для проекта более низшего уровня.

Предполагается, что инженер начинает работать над проектом на высоком уровне абстракции с последующей детализацией проекта. Основной задачей руководителя или инженера является определение наиболее рационального концептуального решения, выбор алгоритмов проектирования и наиболее эффективных инструментальных средств проектирования. От инженера требуется определение правильной стратегии проектирования на основе достаточно общей и зачастую неопределенной информации.

Данная задача решается на основе применения предиктивных инструментальных средств, тоесть программ, обеспечивающих связь этапов функционального, логического, конструкторского проектирования и этапа технологической подготовки производства. При этом предиктивные инструментарии используются как на уровне отдельных проектных процедур и этапов, так и на уровне проекта в целом.

Предиктивные инструментальные средства позволяют работать на уровне прогностических оценок будущего проекта с целью выявления наиболее рациональных путей проектирования.

Технология нисходящего проектирования позволяет получить изделия с наиболее высокими и согласованными характеристиками отдельных узлов и блоков изделий. Однако, если использовать технологию нисходящего проектирования на ряду с применением технологии последовательного проектирования, то недостатком этого подхода будет являться необходимость итерационных циклов / возвратов назад в процессе проектирования.

Технология восходящего проектирования:

Это проектирование объекта как сложной иерархической системы, при котором выполнение проектных процедур с целью получения описания низших иерархических уровней предшествует выполнению проектных процедур с целью описания более высоких иерархических уровней.

Технология восходящего проектирования — это движение от узлов к блокам и изделиям. Для проектирования изделий вычислительно техники (ВТ) наиболее предпочтительно нисходящее проектирования, которое наилучшим образом позволяет согласовать характеристики отдельных узлов и блоков ЭВМ, которые вместе позволят достичь наилучших характеристик по производительности всего изделия. Хотя, для ряда изделий восходящее проектирование будет предпочтительно, тоесть когда мы не теряем в эффективности изделия при объединении блоков нижнего уровня, разработка которых не была подчинена единой глобальной цели.

Технология сквозного проектирования:

Смысл технологии сквозного проектирования состоит в эффективной передаче данных и результатов конкретного текущего этапа проектирования сразу на все последующие этапы. Данная технология базируется на модульном построении САПР, на использовании общих Баз Данных и Баз Знаний всего проекта, и характеризуется широкими возможностями моделирования и контроля на всех этапах проектирования.

Эффективность данной технологии обусловлена возможностью разработчика использовать те данные, которые с его точки зрения позволяют наиболее успешно справиться с поставленной задачей. Причем эти данные состоят из регламентированного другими специалистами набора, который получен с предыдущих этапов проектирования, и данных, которые разработчик выбирает из общей Базы Проекта, в которой накоплены все данные до текущего этапа проектирования.

Сквозное проектирование применяется, как правило, в сочетании с технологией нисходящего проектирования для изделий ВТ.

Технология последовательного проектирования:

Технология последовательного проектирования строится на основе выполнения каждого последующего этапа проектирования по завершении предыдущего при последовательной передаче информации между этапами.

Эта технология наиболее проста в реализации и не требует никаких дополнительных средств взаимодействия и согласования проектных процедур. Однако, эта технология ведет в большому количеству повторных итерационных циклов между различными этапами.

Технология параллельного проектирования:

При параллельном проектировании информация относительно каких-либо промежуточных или окончательных характеристиках разрабатываемого изделия формируется и представляется всеми участниками работ, начиная с самых ранних этапов проектирования. Все участники работ одновременно получают техническое задание (ТЗ) и на основе прогностических оценок дают рекомендации по выполнению более ранних по отношению к ним этапов проектирования. Прогностическая оценка параметров может быть построена на основе использования математических моделей и методов, применения нейросетевого аппарата и на основе метода искусственного интеллекта (использование систем продукций, фреймов и семантических сетей). Оценка может производиться на основе как аналитических, так и имитационных моделей (статика и динамика).

Технология параллельного проектирования базируется на интегрированных инструментальных средствах и системах проектирования, причем эта технология подразумевает использование методов выработки и оценки альтернативных стратегий проектирования. Технология параллельного проектирования послужила основой для развития сквозного проектирования.

На сегодня наиболее широко применяют эту технологию в системе Mentor Graphics. Эта технология требует обязательный компонент — распределенную информационную среду.

Эффект от применения данной технологии достигается за счет учета мнений и рекомендаций всех последующих исполнителей по отношению к текущему этапу. Эта технология позволяет избежать повторных итерационных циклов проектирования. Как правило, говорят о последовательно-параллельном проектировании, подразумевая, что последовательность реальных этапов проектирования все равно не может быть нарушена.

Технология объектно-ориентированного проектирования:

Представляет сочетание проблемно-ориентированного и инструментального проектирования.

Для решения задач проектирования предлагается технологический подход, тоесть сначала выбирается общий подход к проектированию, под которым затем разрабатывается технология проектирования, а далее под эту технологию разрабатываются инструментальные средства.

Технология объектно-ориентированного проектирования более полно учитывает особенности проектируемого изделия, но требует модификации при изменении объекта проектирования.

WAVE технология: (what if alternative value engineering)

Эта технология ориентирована на целевое управление глобальными модификациями, проводимыми в больших сборках сложных изделий, и основана на использовании единой виртуальной цифровой модели проектирования.

Благодаря WAVE технологии появилась возможность создавать полное электронное представление любого сложного изделия, оперативно модифицировать по ходу развития проекта, и, что очень важно, поддерживать его параллельное проектирование.

Использование всех перечисленных технологий и их конкретной комбинации зависит от конкретного вида изделий, причем для одних блоков сложного изделия может быть выбрана одна технология, для других какая то иная. Как правило, для таких объектов более эффективным является сочетание нисходящего, параллельного и wave технологий.

Лекция №34: «Обзор современных систем автоматизированного проектирования».

I. Обзор современных систем автоматизированного проектирования.

1. Система PRO-ENGINEER.

2. Система ADAMS.

3. Система P-CAD.

4. Dip Trace.

Система PRO-ENGINEER

Система PRO-ENGINEER является CAD/CAM/CAE системой 3-го поколения.

В системе PRO-ENGINEER наиболее успешно реализуется функция управляет данными (данные геометрического моделирования, цифровой контроль данных, анализ корректности данных, инспекция технического задания и администрирование данных в соответствии с наиболее эффективными маршрутами проектирования).

Система обеспечивает работу проектировщика с единой математической моделью объекта, а не с набором разрозненных математических моделей. Обобщенная математическая модель объекта может быть представлена в виде многоуровневой, конвейерной, сетевой, математической модели, где уровни модели отражают уровни (этапы) проектирования изделия. Конвейерность модели отражает механизмы передачи данных и их спектр между этапами, необязательно соседними, и сетевая структура модели отражает параметрические связи между отдельными характеристиками отдельного изделия. Многоуровневость модели отражает также процесс последовательной детализации объекта в ходе проектирования.

Ключевые особенности системы PRO-ENGINEER:

1. единая структура Базы Данных проекта, сквозная параметризация, модульная структура построения системы. Проектирования ведется с использованием объектно-ориентированных процедур, и система все более ориентируется на конструкторов и технологов, а не на математиков.

2. независимость от программно-аппаратной платформы. Поскольку система предназначена для комплексной автоматизации предприятия, как правило, уже имеющей спектр компьютерной техники различных производителей, эта особенность является принципиальной.

Процесс параметрического моделирования в системе можно описать следующим образом: в ходе построения геометрии объектов система накапливает спектр конструктивно-технологических параметров и отношений между ними, а также формализует протокол (историю создания геометрии), это позволяет легко регенерировать и модифицировать модель, а также автоматизировать итерационную отладку конструкции. Примером может служить задание геометрии отдельных элементов и связей между ними на входе, а в качестве целевой функции — условия размещения в заданных габаритах.

Система ADAMS:

Эта система интегрирует программные продукты в единую технологию, охватывающую весь цикл разрабатываемого изделия от эскизного проектирования до выпуска готового образца. Система автоматически выполняет широкую вариацию параметров с целью оптимизации проектного решения по заданному показателю.

Программные модули системы делятся на:

- моделирующие;

- вычислительные;

- интегрирующие;

- модуль визуализации.

Система P-CAD

Система P-CAD является интегрированным набором специализированных программных пакетов, работающих в диалоговом режиме. Средства системы позволяют проектировать принципиальные электрические схемы, печатные платы (в том числе и многослойные), а также получать всю необходимую конструкторскую документацию. Сегодняшняя версия системы позволяет проектировать плату, содержащую до 500 компонент и 2 тысячи поэлементной связи.

В структуру входят следующие пакеты:

1. пакет для проектирования принципиальных электрических схем и создания образов радиоэлектронных компонентов;

2. программа извлечения списка электрических связей из графического образа принципиальной электрической схемы. В результате создается таблица соединений;

3. программа-соединение взаимосвязанных таблиц межэлементных соединений, находящихся в различных БД, в единую БД всей принципиальной электрической схемы;

4. программа преобразования текстового файла в библиотеки, использующихся в схеме, компонентов;

5. программа упаковки вентилей на кристаллах микросхем и подсоединение конструктива, если это необходимо. Конструктив — это сам кристалл или печатная плата (основа на которой ведется разработка). Этот пакет реализует задачу компоновки конструктивного модуля, тоесть распределение принципиальной электрической схемы по корпусам интегральных микросхем;

6. программа автоматического или ручного размещения компонентов по полю конструктива. Основным критерием качества размещения является в этой программе минимум средней длины сигнальных соединений. На сегодня данный критерий в современных системах, как правило, не используют, так как при его достижении на кристалле или плате образуются области с очень высокой плотностью межэлементных соединений, внутри которых даже с помощью современных программ трассировки не удается развести сигнальные соединения. Поэтому сегодня чаще используют критерий равномерного размещения элементов с точки зрения длины сигнальных соединений (чтобы не было ни очень коротких, ни очень длинных проводников). Иногда 2 этих критерия применяются попеременно в цикле для выхода на наиболее приемлемый результат;

7. программа коррекции принципиальной электрической схемы с учетом возможных соединений в результате работы программы размещения;

8. программа автоматической трассировки печатных плат с настройкой стратегии процесса трассировки.

9. интеллектуальный графический редактор печатных плат (редактирование рисунка);

10. верификатор топологии печатной платы на соответствие конструктивно

11. технологическим требованиям (программа, которая проверяет допустимые расстояния, толщину).

Кроме этих программ в систему может включаться пакет функционально логического моделирования принципиальной схемы. В системе предусмотрена возможность получения файлов для вывода чертежей на плоттеры или на постпроцессоры для станков с числовым программным управлением.

DipTrace

DipTrace 2.0 - cистема автоматизированного проектирования (САПР) для проектирования печатных плат (PCB).

В пакет включено четыре программы:

• Schematic - разработка принципиальных схем;

• DipTrace - создание плат, ручная и автоматическая трассировка;

• ComEdit - редактор корпусов;

• SchemEdit - редактор компонентов.

DipTrace содержит минимальное количество управляющих элементов - отражающих основные функции, при этом переход в большинство режимов, таких как выбор, перемещение, создание связей, редактирование трасс - осуществляется автоматически при попытке пользователя сделать необходимую операцию.

Вся работа сопровождается подсветкой редактируемых и зависящих от них элементов, позволяющих наглядно оценивать ситуацию. Логическая структура принципиальной схемы или платы формируется сразу при построении и изменение одного элемента отражается на зависящих от него.

DipTrace поддерживает экспорт плат в Gerber, и N/C Drill. Для Gerber существует возможность разметки отверстий. При экспорте текста осуществляется векторизация с заданным шагом, таким образом что можно использовать любой шрифт, установленный в системе.

Также поддерживается векторизация и экспорт в Gerber растровых черно-белых изображений.

Имеется большое количество библиотек корпусов и компонентов. Стандартные библиотеки содержат более 10 тыс. компонентов наиболее известных фирм-производителей.

В нашем учебном заведении имеется русифицированный пакет программ DipTrace.

Лекция №35: «Алгоритм проектирования модуля в системе P-CAD».

I. Алгоритм проектирования модуля в системе P-CAD

1. Исходные данные.

2. Этапы проектирования.

3. Недостатки системы P-CAD.

4. Достоинства системы P-CAD.

Алгоритм проектирования модуля в системе P-CAD

Исходными данными для проектирования являются:

1. техническое задание на разработку модуля;

2. библиотека электронных компонентов;

3. параметры символьных отображений компонентов, находящиеся в соответствии с конструктивно-технологическими образами этих компонентов;

4. принципиальная электрическая схема модуля и перечень используемых элементов.

Этапы:

I. начальная настройка системы

• заготовка файла, содержащего имена всех используемых компонентов;

• все символьные отображения компонентов;

• все конструктивно-технологические отображения компонентов;

• задание ограничителя формата принципиальной электрической схемы;

• описывается используемый конструктив, тоесть задаются размеры используемой печатной платы, стратегия трассировки сигнальных соединений;

• все данные заносятся в предварительно созданный справочник проектируемого модуля.

II. коррекция библиотек системы.

Перед началом проектирования необходимо убедиться, что все компоненты в данном модуле описаны в эталонной библиотеке. Описание состоит из 2-х частей: символьное и конструктивно-технологическое описание компонента.

• создание символьного описания компонентов:

  • обозначение контактов;

  • введение текстовых обозначений;

  • установки рабочих параметров;

  • построение графического изображения;

  • задание ключевой точки (левый нижний / правый верхний контакт);

  • введение информации об установке вентилей в корпусе;

  • запись созданного описания.

• построение конструкторско-технологического образа компонента:

  • введение конструкторско-технологических обозначений;

  • построение графического изображения;

  • введение текстовых обозначений;

  • установки рабочих параметров;

  • задание ключевой точки (левый нижний / правый верхний контакт);

  • введение информации об установке вентилей в корпусе;

  • запись созданного описания.

III. построение принципиальной электрической схемы:

• установка рабочих параметров;

• вызов файла формата чертежа;

• размещение элементов схемы на поле чертежа;

• построение графического отображения электрических связей;

• введение конструкторских обозначений элементов;

• запись созданной схемы.

IV. выделение списка целей принципиальной электрической схемы.

В результате работы этой программы создается файл электрических соединений;

V. создание библиотеки описания элементов.

С помощью текстового редактора строится / корректируется символьный файл, содержащий перечень используемых компонентов и соответствующих им файлов символьных и конструкторско-технологических образов.

VI. подготовка конструктива (задание его размеров);

VII. упаковка вентилей.

Выполняется процедура, которая производит упаковку вентилей по корпусам на основе списка электрических связей и подсоединяется конструктив платы.

VIII. создание Базы Данных проекта, в которую входят:

• конструктив с не установленными компонентами;

• ко\мандный файл для коррекции принципиальной электрической схемы;

• файл ошибок;

• набор файлов для программы выпуска справочно-статистической документации.

Все эти данные формируются автоматически в результате выполнения предыдущих пунктов.

IX. размещение компонентов по полю конструктива:

Задача размещения сводится к расстановке корпусов элементов на поле платы с учетом показателя / критерия минимума длины сигнальных соединений. Этот критерий является косвенным критерием сложности задачи трассировки, однако, на сегодняшний день наиболее оптимальным является критерий равномерного размещения элементов с точки зрения

средней длины сигнальных соединений. Ресурсы при решении задачи размещения требуются на то, чтобы в дальнейшем обеспечить 100% трассировку соединений.

• настройка программы на конкретный проект;

• загрузка проекта;

• расстановка закрепленных элементов. Закрепленными называются элементы, которые могут устанавливаться в общем случае вне сетки размещения элементов (в любом месте платы) и место положения которых в дальнейшем менять нельзя. Примером может служить процессор;

• указание сетки размещения элементов (шаг по горизонтали и вертикали);

• указание элементов подлежащих автоматической расстановке;

• создание барьеров для размещения, с помощью которых выделяют области на плате, размещение в которых недопустимо (так как проходят много соединений и нужны отверстия для крепления станка), в том числе это расстояние от краев платы и разъемов платы;

• описание характеристики расположения регулярных элементов и элементов обвязки. Элементы обвязки располагаются по периметру платы или кристалла.

• указание свободных зон вокруг размещаемых элементов;

• начальная расстановка элементов по узлам сетки размещения;

• при необходимости проводятся улучшения качества размещения элементов на основе итерационного алгоритма попарных перестановок как самих корпусов элементов, так и взаимозаменяемых вентилей в одноименных элементах;

• ручная коррекция полученного размещения;

• запись полученного размещения.

X. прокладка шин питания и формирование зон запрета.

Производится формирование зон запрета на коммутационном поле платы для трассировки соединений. Эти зоны могут указываться как для каждого слоя платы отдельно, так и на все одновременно, и тогда они имеют одну и туже конфигурацию. Шины земля и питание, если плата двухслойная, располагаются параллельно между рядами микросхем, а если плата

многослойная, то для них выделяются отдельные слои. Шины земля и питание, как правило, шире сигнальных проводников, их ширина может быть 3-5мм.

XI. трассировка соединений.

Самый сложный этап во всем цикле разработки платы.

• настройка технологических параметров трассировки;

• настройка параметров алгоритма (используется волновой алгоритм):

  • выбор весовых коэффициентов алгоритма;

  • выбор типа алгоритма трассировки (лучевой, канальный, полный);

  • задание числа итераций (циклов прохода задач трассировки);

  • приведение в соответствие типов используемых проводников и графических образов контактных площадок. Имеется в виду, что на конце каждого проводника находится контактная площадь круглой или квадратной формы, которая должна соответствовать условиям производства;

  • выбор ширины сигнальных проводников (в настоящее время можно обеспечить ширину до 0,625мм).

• запуск процедуры трассировки и запись результатов. Существует возможность ручной корректировки результатов трассировки.

XII. формирование информации о печатной плате.

К выходной информации относят то, какую документацию передать на производство в дальнейшем.

• принципиальная электрическая микросхема;

• перечень используемых элементов (спецификации в виде текстового файла);

• рисунок топологии печатной платы;

• Техническое Задание на разработку платы, в котором должно быть указано:

  • конструктив;

  • форма лицевой напели с установленными элементами, разъемами и надписями.

  • вид обратной панели и индивидуальные особенности реализации проекта.

Недостатки системы P-CAD:

1. отсутствие автоматических средств возврата к различным этапам проектирования при обнаружении ошибок и соответствующей коррекции результатов предыдущих этапов проектирования;

2. графический редактор системы, как правило, неустойчиво работает на краях поля трассировки;

3. возможные ошибки при копировании и вращении всего проекта.

Достоинства системы P-CAD:

1. Система P-CAD одна из самых экономичных по установочным требованиям система;

2. низкая цена системы;

3. установлена на многих предприятиях, а значит между предприятиями легко проводить обмен данными.

Лекция № 37: «Процесс производства многослойных печатных плат МПП».