Бурков В.Д. Автоматизация проектирования печатных плат - файл n1.doc

Бурков В.Д. Автоматизация проектирования печатных плат
скачать (11899 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc11899kb.21.10.2012 11:46скачать

n1.doc





Федеральное агентство по образованию

Государственное учреждение высшего профессионального

Образования «Московский государственный университет леса»

Бурков В. Д., Сизов Ю. А.,Удалов М. Е.
Автоматизация проектирования печатных плат.


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

(Для студентов специальностей 230100, 220100 и 220200)


Москва – 2007

УДК


Б.
Разработано в соответствии с Государственным образовательным стандартом ВПО 2000 для направления подготовки по специальностям 200106 (190900), 220100 (553000) и 220200 (550200) на основе примерных программ дисциплин «Основы САПР средств измерений» и «Основы технологии и конструирования систем управления».
Рецензенты: профессор, д.т.н. Котов Ю.Т.

профессор, к.т.н. Есаков В.А.
Работа подготовлена на кафедре проектирования и технологии производства приборов и предназначена для студентов специальностей 200106 (190900), 220100 (553000) и 220200 (550200).
Бурков В.Д., Сизов Ю.А., Удалов М.Е.

Автоматизация проектирования печатных плат. /В.Д. Бурков, Ю.А. Сизов, М.Е. Удалов. – М., ГОУВПО МГУЛ, 2007. – 29 с.


В пособии содержатся сведения о требованиях, предъявляемых в процессе изготовления печатной платы, в связи с ними подробно рассматривается работа с системой автоматизированного проектирования P-CAD 200x, составляющих её подсистем, приводится пример выполнения этапа проектирования, начиная с электрической схемы и заканчивая выходными данными по разведённой печатной плате, реализующей эту схему на микросхемах заданной по варианту серии.
В.Д. Бурков, Ю.А. Сизов, М.Е. Удалов.

ГОУВПО МГУЛ, 2007.
1.Цель работы

Целью настоящей работы является практическое освоение современных методов автоматизированного проектирования трассировки печатных плат (ПП) с учетом конструкторско-технологических требований и ознакомление с системой проектирования печатных плат P-CAD 2000.

2.Приборы и материалы


Персональный компьютер:

Операционная система:

Система проектирования печатных плат P-CAD 2000:

3.Задание на лабораторную работу


1.Ознакомиться с конструкторско-технологическими требованиями, которые необходимо учитывать при разводке печатных плат радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).

2.Ознакомиться с методикой автоматизированного проектирования печатного рисунка ПП на персональном компьютере с помощью системы P-CAD 2000.

3.Для варианта задания, выданного преподавателем, для конкретной электрической принципиальной схемы функционального радиоэлектронного устройства и заданного класса плотности монтажа выполнить трассировку печатного рисунка ПП с учетом конструкторско-технологических ограничений. Для этого необходимо:



4.Порядок выполнения лабораторной работы*


1.Получить задание согласно варианту.

2.Запустить приложение P-CAD Schematic.

3.Выбрать единицы измерения (mm).

4.Подключить необходимые библиотеки.

5.Расположить элементы на рабочую область.

6.Соединить элементы согласно заданию.

7.Выполнить верификацию схемы.

8.Сгенерировать список соединений.

9.Запустить графический редактор печатных плат P-CAD PCB.

10. Подключить необходимые библиотеки.

11.Загрузить список соединений.

12.Обозначить контур платы.

13.Отметить отверстия под крепеж.

14.Разместить компоненты на плате оптимальным образом.

15.Оптимизировать электрические связи.

16.Сохранить полученную схему.

17.Выполнить автоматическую трассировку соединений.

18.Загрузить ранее сохраненную схему.

19.Выполнить ручную трассировку соединений.

Краткие теоретические сведения по


системе P-CAD 2000

1.Система P-CAD предназначена для проектирования многослойных печатных плат вычислительных и радиоэлектронных устройств. В состав P-CAD входят четыре основных модуля:

и ряд других вспомогательных программ.

2.Год разработки: 2000 г.

3.Разработке P-CAD 2000 предшествовали системы P-CAD 4.5, P-CAD 8.5/8.7.

Рис.1

4.Система P-CAD 2000 имеет возможность трансляции в форматы OrCAD и AutoCAD.

5.P-CAD Schematic и P-CAD PCB - соответственно графические редак­торы принципиальных электрических схем и ПП. Редакторы имеют системы всплывающих меню в стиле Windows, а наиболее часто при­меняемым командам назначены пиктограммы и горячие клавиши. В поставляемых вмес­те с системой библиотеках зарубежных цифровых ИМС имеются три варианта графики:

Редактор P-CAD PCB представляет собой отдельную лицензию и позволяет раз­местить модули на выбранном монтажно-коммутационном поле и проводить ручную, полуавтоматическую и автоматическую трасси­ровку проводников. Если P-CAD PCB вызывается из редактора P-CAD Schematic, то автоматически составляется список соедине­ний схемы, и на поле ПП переносятся изображения корпусов компо­нентов с указанием линий электрических соединений между их выводами. Эта операция называется упаковкой схемы на печатную плату. Затем вычерчивается контур ПП, на нем размещаются компоненты, и производится трассировка проводников. Применение шрифтов True Туре позволяет использовать на схеме и ПП надписи на русском языке.

Автотрассировщики (Autorouters) вызываются из управляющей оболочки P-CAD PCB, где и производится настройка стратегии трассировки. Инфор­мацию об особенностях трассировки отдельных цепей можно с помо­щью стандартных атрибутов ввести на этапах создания принципиаль­ной схемы или ПП. Трассировщик QuickRoute относится к трассировщикам лабиринтного типа и предназначен для трассиров­ки простейших ПП. Автоматический трассировщик PRO Route трассирует ПП с числом сигнальных слоев до 32. Трассировщик Shape-Based Autorouter - бессеточная программа автотрассировки ПП. Программа предназначена для автоматической разводки много­слойных печатных плат с высокой плотностью размещения элемен­тов. Эффективна при поверхностном монтаже корпусов элементов, выполненных в различных системах координат. Имеется возможность размещения проводников под различными углами на разных слоях платы, оптимизации их длины и числа переходных отверстий.

Ручная трассировка предназначена для размещения элементов и проведения (редактирования) трасс вручную. Она необходима в тех случаях, когда требуется расположить компоненты и проложить трассы способом, отличающимся от автотрассировки.

SPECCTRA – программа ручного, полуавтоматического и автомати­ческого размещения компонентов и трассировки проводников. Трас­сирует ПП большой сложности с числом слоев до 256. В программе используется так называемая бессеточная Shape-Based - технология трассировки. За счет этого повышается эффективность трассировки ПП с высокой плотностью размещения компонентов, а также обеспе­чивается трассировка одной и той же цепи трассами различной ши­рины. Программа SPECCTRA имеет модуль AutoPlace, предназначен­ный для автоматического размещения компонентов на ПП. Вызов программы производится автономно из среды Windows или из про­граммы P-CAD PCB.

P-CAD Library Executive - менеджер библиотек. Интегрированные библиотеки P-CAD содержат как графическую информацию о сим­волах и типовых корпусах компонентов, так и текстовую информа­цию (число секций в корпусе компонента, номера и имена выводов, коды логической эквивалентности выводов и т.д.). Программа имеет встроенные модули:

Упаковка вентилей компонента, ведение и контроль библиотек осуществляются модулем Library Executive. Модуль имеет средства просмотра библиотечных файлов, поиска компонентов, символов и корпусов компонентов по всем возможным атрибутам.
Выбор оптимального решения задачи напрямую зависит от требований заказчика, которые, как правило, сводятся к оптимизации:


Основные характеристики системы проектирования P-CAD:


Графический редактор принципиальных схем Р-САD Schematic:


5.Методические указания к выполнению работы


Рост сложности конструкции радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) неизбежно ведет к повышению плотности электрического монтажа печатных плат (ПП) и электрических связей между составляющими аппаратуру элементами.

Увеличение числа и типов элементов, количества выводов корпусов ИС усложняет электрические схемы РЭА, увеличивает количество и число межсоединений электрических проводников на ПП.

Принципиально задача размещения элементов и проводников между ними может быть решена вручную. Однако для этого потребуется много конструкторов, длительное время трассировки проводников, скрупулезная проверка и исключение ошибок. Задача еще более усложняется, если учитывать (а это, как правило, необходимо делать) специфичность отдельных проводников, например, их чувствительность к перекрестным помехам, необходимость выполнения минимальной длины и др.

Приступая к разработке ПП, конструктор должен придерживаться правил и положений, рекомендуемых стандар­тами, нормалями, руководящими техническими материалами: выбора габаритных размеров плат, числа слоев, параметров печатных проводников и элементов, техники выполнения ри­сунка печатного монтажа. Некоторые из этих правил следующие:

1. Максимальный размер стороны печатной платы, как однослойной, так и многослойной, не должен превышать 500 мм. Это ограничение определяется требованиями прочности и плот­ностью монтажа: чем больше плата, тем меньше плотность монтажа. На практике обычно печатные платы со стороной до 100 толщен материала диэлектрика изготовляют без до­полнительных деталей, повышающих жесткость. Для плат с большими размерами предусматривают специальные меры повышения жесткости (дополнительные точки крепления в устройстве, введение ребер жесткости и т. д.).

2. Соотношения размеров сторон печатной платы для упрощения компоновки блоков и унификации размеров печатных плат рекомендуются 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 3:2, 5:2 и т. д.,

3. Целесообразно с целью максимального использования, физического объема конструкции ЭВМ и упрощения ее изготовления разрабатывать печатные платы прямоугольной формы (другие формы печатных плат допускаются только при разработке ЭВМ специальной формы).

4. Выбор материала печатной платы и способа ее изготовления должен осуществляться на стадии эскизного проектирования наряду с установлением класса печатного монтажа так как оказывает существенное влияние на конструкторском" технологические, эксплуатационные и технико-экономические характеристики разрабатываемой ЭВМ (таблица 1).
Т
аблица 1.
5. При разбиении принципиальной электрической схемы по слоям следует стремиться к минимизации числа слоев. Это диктуется чисто экономическими соображениями. Одно- и дву­сторонние печатные платы значительно дешевле многослойных, однако обладают сравнительно меньшей плотностью монтажа, низкой помехоустойчивостью и т. д. Поэтому в ряде случаев целесообразней использование печатных плат с небольшим числом слоев. Каждый слой должен нести определенную функциональную нагрузку (например, слой цепей питания, слой сигнальных цепей и т. д.).

Стоимость многослойной печатной платы от увеличения числа сдоев находится не в прямой пропорциональной за­висимости. Например, стоимость пяти- и десятислойных пе­чатных плат, изготовленных методом металлизации сквозных отверстий, отличается на 30-40%.

6. Проектирование многослойных печатных плат для ЭВМ может быть проведено двумя способами. Первый, обеспечивающий наибольшую плотность компоновки, заключается в раз­работке топологии отдельно каждого слоя платы. При этом возрастает номенклатура фотошаблонов, удорожается процесс изготовления плат и ЭВМ в целом. При втором способе отдельные слои всех типов плат, применяемых в ЭВМ, вы­полняют идентичными (например, слой подводки питания, слой заземления, слой экранирования), а остальные—по от­дельным шаблонам. Этот способ удешевляет процесс изго­товления печатных плат, несколько снижая плотность меж­соединений.

Целесообразно для бортовых и специализированных ЭВМ применять многослойные печатные платы, изготовленные по первому способу, а для больших стационарных — по второму.

7. Для вычерчивания взаимного расположения печатных проводников, печатных элементов, контактных площадок, мон­тажных и контактных отверстий и т. д. надо использовать координатную сетку в прямоугольной или полярной системе координат. Шаг координатной сетки в прямоугольной системе координат должен быть равен 2,5 мм (основной) и 0,5 мм (дополнительный). Применение того и другого шага коорди­натной сетки на чертеже одной платы недопустимо. Начало координат рекомендуется устанавливать в левом нижнем углу платы или в центре левого нижнего крепежного или техно­логического отверстия. Координатную сетку наносят сплош­ными тонкими линиями.

8. По краям платы следует предусматривать технологиче­скую зону шириной 1,5—2,0 мм. Размещение установочных и других отверстий, а также печатных проводников в этой зоне не допускается. Все отверстия должны располагаться в узлах координатной сетки. В том случае, если шаг распо­ложения выводов микросхем не соответствует шагу коорди­натной сетки, одно из отверстий под вывод (желательно первый) микросхемы должно обязательно располагаться в узле координатной сетки.

9. Для правильной ориентации микросхем при их установке на печатную плату на последней должны быть предусмотрены «ключи», определяющие положение первого вывода микросхемы.

10. Конденсаторы, резисторы и другие навесные элементы следует располагать параллельно координатной сетке. Рассто­яние между их корпусами должно быть не менее 1 мм, а расстояния между ними по торцу—не менее 1,5 мм.

11. Координаты монтажных отверстий можно задавать: а) нумерацией отверстий с занесением размеров их координат по осям х и у в миллиметрах в таблицу; б) указанием раз­меров координат за пределами рисунка печатной платы; в) нумерацией линий координатной сетки.

12. Диаметры монтажных отверстий необходимо принимать

равными 0,5; 0,8; 1,0; 1,3; 1,5; 1,8; 2,0; 2,4 мм. Обычно диаметр отверстия берут больше диаметра вывода на 0,5 мм, так как при этом обеспечивается наиболее полное заполнение его припоем при пайке. Отверстия под выводы микросхем и на­весных деталей зенкуют с обеих сторон платы. Установочные, проходные и технологические отверстия не зенкуют. Отверстия под выводы микросхем и навесных деталей и отверстия, соединенные печатными проводниками, должны иметь кон­тактные площадки, диаметры которых могут не менее чем на 1 мм превышать диаметр зенковки. Установочные, проход­ные и технологические отверстия контактных площадок не имеют.

13. На печатных платах должен быть предусмотрен ориен­тирующий паз (или срезанный левый угол) или технологи­ческие базовые отверстия, необходимые для правильной ориен­тации при изготовлении двусторонней печатной платы.

14. Печатные проводники не должны иметь резких пере­гибов и острых углов. Переходы при разветвленном провод­нике или переходы проводника к контактной площадке не­обходимо изготовлять плавными с радиусом закругления не менее 2 мм.

15. Печатные проводники, ширина которых на чертеже не превышает 1 мм, надо изображать сплошной утолщенной линией. Контактные площадки, примыкающие к таким про­водникам, не штриховать.

16. Печатные проводники по возможности следует выполнять минимально короткими. При изготовлении особо длинных печатных проводников (ln>200 мм) целесообразно предусматри­вать дополнительные монтажные площадки и отверстия.

17. Ширину печатных проводников и расстояние между ними следует устанавливать после проведения соответствующих расчетов.

18. Прокладка рядом входных и выходных печатных про­водников схемы одного печатного проводника параллельно другому, аналогичному, проводнику на той или на иной стороне платы не рекомендуется во избежание возникновения паразитных наводок.

19. Проводники входных высокочастотных цепей должны прокладываться в первую очередь и быть максимально ко­роткими.

20. Печатный проводник, проходящий между двумя близ­лежащими монтажными площадками или любыми отверстиями, следует располагать так, чтобы его ось была перпендикулярна линии, соединяющей центры отверстий.

21. Проводники шириной до 2 мм можно располагать с обеих сторон печатной платы, проводники шириной от 2 до 5 мм—со стороны установки микросхем.

22. Заземляющие проводники, по которым протекают сум­марные токи всех цепей, следует изготовлять максимально широкими.

23. Для уменьшения паразитной емкостной связи между печатными проводниками иногда надо экранировать печатную схему, причем экран должен иметь максимально возможную ширину и быть не сплошным, а сетчатым [ячейки сетки должны располагаться с шагом 2—5 мм и быть круглыми диаметром 3—4 мм или продолговатыми с закругленными краями размерами (0,5 —1,5) X (3 — 5) мм]. При попадании в зону экрана отверстий, предназначенных под выводы навесных деталей или микросхем, около каждого из них на расстоянии 1 мм от его кромки в экране предусматриваются 2—4 сек­торных выреза шириной 1—1,5 мм, располагаемых по окруж­ности, или кольцевой вырез той же ширины.

24. При трассировке проводников необходимо избегать боль­ших площадей, покрытых медью. Во время операции пайки волной припоя в этих местах будет скапливаться припой. Если необходимо иметь большие поверхности меди, то надо предусмотреть ромбовидный или перекрестно-штриховой ри­сунок на медной поверхности.

25. Число отверстий различных диаметров следует сводить к минимуму. Чем меньше это число, тем меньше труда потребуется в изготовлении печатной платы.

26. С краев печатной платы следует снимать фаски. Между печатным соединительным контактом разъема и краем фаски должно быть расстояние не менее 0,8 мм.

На рис. 2 приведен фрагмент чертежа наружного слоя печатной платы с разметкой под микросхемы в корпусах с планарными выводами. Шаг координатной сетки 0.5 мм.

На плате используется печатный разъем (в правом нижнем углу), окружностями небольшого диаметра условно обозначены металлизированные отверстия с зенковкой и контактными площадками.





С учетом вышеизложенного трассировку проводников ПП в одной, двух или нескольких плоскостях (для одно-, двух- и многослойных печатных плат) представляет собой сложную математическую и инженерную задачу, решение которой на современном этапе развития техники невозможно без использования мощных вычислительных средств.


Н
а рис. 3 приводится схема автоматизированного проектирования печатных плат.
Для выполнения настоящей лабораторной работы предлагается для проектирования трассировки ПП использовать систему P-CAD 2000, установленную на персональном компьютере.

* - см. техническую справку с подробным описанием выполнения каждого пункта работы.

6.Пример выполнения
1.Получить задание согласно варианту. _

Реализовать на микросхемах серии К555 функцию F=X1X2, представленную схемой.

Размер платы: не более 33х33 мм.

Четыре крепежных отверстия по углам платы радиусом 1 мм.

Используемые библиотечные файлы: 555.lib, others.lib.




2.Запустить приложение P-CAD Schematic.

3.Выбрать единицы измерения (mm).

4.Подключить необходимые библиотеки.

Для построения использовать библиотеки 555.lib и vetal.lib

5
.Расположить элементы на рабочую область.

6.Соединить элементы согласно заданию.






7.Выполнить верификацию схемы.

8.Сгенерировать список соединений.

9.Запустить графический редактор печатных плат P-CAD PCB.

10. Подключить необходимые библиотеки.

1
1.Загрузить список соединений.
1
2,13.Обозначить контур платы согласно заданию и отметить отверстия под крепеж.
1
4.Разместить компоненты на плате оптимальным образом.





15.Оптимизировать электрические связи.
16.Сохранить полученную схему.
17.Выполнить автоматическую трассировку соединений.





18.Загрузить ранее сохраненную схему.

1
9.Выполнить ручную трассировку соединений.

7.Контрольные вопросы



1.Какие требования предъявляются к размерам печатных плат и соотношению их сторон?

2.Какие основные конструктивные размеры печатного рисунка ПП нормируются классами плотности?

3.Какими рекомендациями необходимо руководствоваться при выборе числа слоев ПП?

4.Каких правил необходимо придерживаться при размещении элементов на ПП?

5.Какие требования предъявляются к печатным проводникам и контактным площадкам?

6.Какие требования предъявляются к отверстиям ПП?

7.В какой последовательности осуществляется трассировка?

8.Из каких модулей состоит система P-CAD 2000?

9.В чем заключается оптимальное решение задачи?

10.Что содержит интегрированная библиотека?

11.Какими слоями в P-CAD Вы пользовались? Для чего они применяются?

8.Литература





Конструирование электронных вычислительных машин и систем. – М.: Высш. шк., 1986. 512 с.: ил.






Приложение 1

Техническая справка



1.Варианты заданий См. приложение 2.
2.Пуск -> Программы -> P-CAD 2000 -> Schematic.
3.Options -> Configure… -> <выбрать mm в Units> -> OK.









4.Library -> Setup… -> Add -> <выбрать файл> -> Открыть -> OK.

5.Place -> Part ->LC(рабочая область) -> Library -> <выбрать библиотеку> -> Component Name -> <выбрать компонент> -> ОК -> LC(рабочая область) -> RC(рабочая область).




6.Place -> Wire -> LC(начало соединения) -> LC(конец соединения) -> RC(рабочая область).
7.Utils -> ERC… -> OK.




8
.Utils -> Generate Netlist… -> Netlist Filename -> <ввести имя файла> -> Сохранить -> OK.

9.Пуск -> Программы -> P-CAD 2000 -> PCB.

1
0. Library -> Setup… -> Add -> <выбрать файл> -> Открыть -> OK.

1
1.Utils -> Load Netlist… -> Netlist Filename -> <выбрать имя файла> -> Открыть -> OK.




1
2.Options -> Layers… -> Current Layer -> <выбрать слой Board> -> Close -> Place -> Line -> LC(начала контура платы) -> LC(место излома контура) -> LC(место конца контура платы) -> RC(рабочая область).


13.Place -> Arc -> LC(рабочая область, край отверстия) –> LC(рабочая область, центр отверстия) -> RC(рабочая область) -> кнопка Select -> DLC(контур отверстия) -> <ввести радиус отверстия, равный 1 мм> -> OK.





1
4.LC(микросхема) -> клавиша R для поворота м/с.

LC(микросхема) -> удерживая LC(микросхема) переместить м/с.
15.Utils -> Optimize Nets… -> Gate Swap -> Pin Swap -> OK.
16. File -> Save as… -> <ввести имя файла> -> Сохранить -> OK.



17.Route -> Autorouters… -> Autorouter -> <выбрать Quick Route> -> Start.




1
8.File -> Open… -> <выбрать имя файла> -> Открыть -> OK.
19.Route -> Manual ->LC(место начала трассы) [-> клавиша L для перехода трассы из одного сигнального слоя в другой] -> LC(место излома) -> LC(место конца трассы).

Глоссарий



LC – нажатие левой клавиши мыши.

DLC – двойное нажатие левой клавиши мыши.

RC – нажатие правой клавиши мыши.

[ ] – необязательное действие.
Приложение 2

Варианты

Вариант №1


Используя разные логические элементы, реализовать на микросхемах серии К1554 функции , , , , представленные схемой.

Размер платы: не более 51х51 мм.

Четыре крепежных отверстия по углам платы радиусом 1 мм.

И
спользуемые библиотечные файлы: 1554.lib, others.lib.

Вариант №2


Реализовать на микросхемах серии К1533 функции

, ,

представленные схемой.

Размер платы: не более 51х51 мм.

Четыре крепежных отверстия по углам платы радиусом 1 мм.

И
спользуемые библиотечные файлы: 1533.lib, others.lib.

Вариант №3


Реализовать на микросхемах серии К1531 функции

, ,

представленные схемой.

Размер платы: не более 51х51 мм.

Четыре крепежных отверстия по углам платы радиусом 1 мм.

Используемые библиотечные файлы: 1531.lib, others.lib.




Вариант №4


Реализовать на микросхемах серии К1533 функцию

,

представленную схемой.

Размер платы: не более 51х51 мм.

Четыре крепежных отверстия по углам платы радиусом 1 мм.

Используемые библиотечные файлы: 1533.lib, others.lib.




В

ариант №5


Реализовать на микросхемах серии К555 функцию

представленную схемой.

Размер платы: не более 51х44 мм.

Четыре крепежных отверстия по углам платы радиусом 1 мм.

Используемые библиотечные файлы: 555.lib, others.lib.



Вариант №6


Реализовать на микросхемах серии К533, используя разные логические элементы, функции F и , представленные схемой, согласно следующей таблице:








0

0



0

1



1

0



1

1




Размер платы: не более 51х46 мм.

Четыре крепежных отверстия по углам платы радиусом 1 мм.

Используемые библиотечные файлы: 533.lib, others.lib.




Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации