В популярной форме освещаются вопросы автоматизированного проектирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) на конструкциях печатных плат, основные этапы становления и эволюции систем автоматизированного проектирования (САПР) РЭА, содержание задач автоматизации, организация сквозного цикла выполнения проектных работ с использованием средств автоматизации.

Целью публикации является ознакомление инженерно-технических работников с одним из бурно развивающихся направлений в современной индустрии информационных технологий.

Предисловие

Автоматизация проектной и расчетной деятельности в инженерной практике имеет длительную и достаточно насыщенную историю. Обращаясь к относительно недалекому прошлому достаточно вспомнить счеты, механические арифмометры и логарифмические линейки. Несколько позже в расчетную практику вошли электронные калькуляторы, которые и до настоящего времени имеют широкое применение. Все эти устройства нацелены на облегчение выполнения разнообразных расчетов, значительная доля которых приходится на проектную деятельность инженеров.

Существенным шагом в направлении автоматизации расчетной деятельности стало появление электронных вычислительных машин (ЭВМ), возможности которых позволили не только выполнять расчеты, но и управлять потоками необходимых вычислений и данных путем составления программ на специализированных языках программирования: Автокод (или Ассемблер), Алгол, Фортран и других. Программирование в корне изменило применимость наработанных в течение столетий математических методов алгебры, геометрии, численных методов, теории вероятностей, исследования операций, дискретной математики, линейного программирования и многих других. Повышение производительности ЭВМ (быстродействия и размеров оперативной памяти) с одновременным расширением спектра периферийных устройств: ввода-вывода текстовых и графических данных, накопителей для долговременного хранения информации, а также интенсивным развитием операционных систем, компиляторов языков программирования оказали существенное влияние на изменение роли ЭВМ в инженерной практике. Решение отдельных расчетных задач стало постепенно заменяться выполнением законченных этапов проектного цикла, что породило понятие системы автоматизированного проектирования в соответствии со следующим определением.

Система автоматизированного проектирования – автоматизированная система, реализующая информационную технологию выполнения функций проектирования, представляет собой организационно-техническую систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования, состоящую из персонала и комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятельности. Также для обозначения подобных систем широко используется аббревиатура САПР.

Основное назначение САПР заключается в повышении эффективности инженерной деятельности: сокращении трудоемкости и сроков проектирования, обеспечении высокого качества проектных решений и документации, минимизации натурного моделирования и испытаний опытных образцов, снижении затрат на подготовку производства.

В современной инженерной практике наибольшее распространение получили следующие виды САПР:



Содержание настоящей публикации ограничивается только вопросами, связанными с предметной областью САПР радиоэлектронной аппаратуры на печатных платах.
В 1948—1950 годах Уильям Шокли создал теорию p-n- перехода и плоскостного транзистора и первый такой транзистор был изготовлен 12 апреля 1950 года. В 1954 году Texas Instruments выпустила первый кремниевый транзистор. Планарный процесс на основе кремния стал основной технологией производства транзисторов и интегральных схем.

За сотрудничество в разработке первого в мире действующего транзистора в 1948 году Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн разделили Нобелевскую премию 1956 года. Становление и развитие технологии промышленного производства полупроводниковых приборов определило долгосрочную и стабильную тенденцию роста степени интеграции электронных компонентов, переход на полупроводниковую элементную базу существенно расширил области применения электронных устройств при драматическом увеличении их степени интеграции и, как следствие, функциональной сложности.


Расширению спектра применимости электронных устройств также содействовал и прогресс в технологии производства печатных плат, которые обладают высокими показателями надежности электрических соединений и механической прочностью, что является первоочередным требованием к мобильным и стационарным электронным изделиям.

«Днем рождения» печатных плат считается 1902 год, когда изобретатель, немецкий инженер Альберт Паркер Хансен подал заявку в патентное ведомство родной страны.

Печатная плата Хансена представляла собой штамповку или вырезание изображения на бронзовой (или медной) фольге. Получившийся проводящий слой наклеивался на диэлектрик – бумагу, пропитанную парафином. Уже тогда заботясь о большей плотности размещения проводников, Хансен наклеивал фольгу с двух сторон, создавая двустороннюю печатную плату. Изобретатель также использовал идущие насквозь печатной платы соединительные отверстия. В работах Хансена есть описания создания проводников при помощи гальваники или проводящих чернил, представляющих собой измельченный в порошок металл в смеси с клеящим носителем.

Печатная плата (printed circuit board, PCB) — пластина из диэлектрика, на поверхности или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.

Эти тенденции в развитии схемотехники и конструирования РЭА потребовали кардинальных изменений в подходах к организации процессов создания электронных изделий высокой функциональной и конструкторской сложности, что стимулировало появление промышленных систем автоматизированного проектирования радиоэлектронной аппаратуры.

На первых этапах становления САПР РЭА основными заказчиками стали предприятия — создатели сложных вычислительных комплексов, генеральные конструкторы которых стали организовывать специализированные подразделения САПР в структуре своих конструкторских бюро.







Создание САПР РЭА требовало привлечения эффективных математических методов и алгоритмов решения ключевых задач структурного и параметрического синтеза проектируемых устройств. К разработке соответствующего математического аппарата привлекались научные сотрудники ведущих ВУЗов: МГУ, ЛГУ, МФТИ, МИФИ, МЭИ, МВТУ, МИРЭА, МАИ, ЛЭТИ и многих других, а также политехнических институтов городов: Каунас, Киев, Львов, Минск. В целях интеграции ресурсов и координации деятельности по разработке САПР РЭА в Министерстве Радиопромышленности СССР выполнялись отраслевые программы РАПИРА и ПРАМ, нацеленные на создание информационно-совместимых пакетов программ автоматизированного проектирования.

Значительный вклад в теорию и практику САПР РЭА в частности внесли следующие ученые:

Абрайтис Людвикас Блажевич
Базилевич Роман Петрович
Вермишев Юрий Христофорович
Зайцева Жанна Николаевна
Маркаров Юрий Карпович
Матюхин Николай Яковлевич
Норенков Игорь Петрович
Петренко Анатолий Иванович
Рябов Геннадий Георгиевич
Рябов Леонид Павлович
Селютин Виктор Абрамович
Тетельбаум Александр Яковлевич
Широ Геннадий Эдуардович
Штейн Марк Елиозарович
и многие другие.

Структура и основные этапы проектирования РЭА

Современная электронная аппаратура реализуется на уровнях конструкторской иерархии, показанной на рисунке ниже. Для всех уровней иерархии используются соответствующие средства автоматизированного проектирования такие как САПР БИС/СБИС, печатных плат, блоков и шкафов.



Далее ограничимся вопросами автоматизированного проектирования типовых элементов замены (Уровень I). Полный цикл проектирования электронных устройств уровня I включает следующие основные этапы:

• Разработка схемы электрической принципиальной (Э3) электронного устройства.
• Цифроаналоговое моделирование схемы устройства.
• Размещение (расстановка) электронных компонентов и внешних соединительных разъемов на печатной плате. Оптимизация плана размещения компонентов с целью минимизации длин предполагаемых электрических соединений, обеспечения равномерного теплового рассеивания, создания приемлемой электромагнитной среды для передачи сигналов без искажений.
• Прокладка (трассировка) электрических соединений между эквипотенциальными выводами размещенных компонентов в соответствии с заданными правилами проектирования, регламентирующими ширину соединений, минимально допустимые зазоры с другими элементами печатного монтажа, обеспечения требований быстродействия и помехозащищенности.
• Контроль соответствия структуры печатного монтажа исходной электрической схеме и технологическим ограничениям производства.
• Выпуск конструкторской и производственной документации.
• Контроль целостности проектных данных, отслеживание внесенных изменений, обмен проектной информацией с другими автоматизированными системами.

Разработка схемы электрической принципиальной (Э3)

Схема электрическая — графическое изображение, используемое для передачи с помощью условных графических и буквенно-цифровых обозначений структуры электронного устройства. Включает условные графические обозначения (УГО) электронных компонентов и связей между их выводами.



Принципиальная схема может быть представлена на одном и более чертежных листов, при этом схема не регламентирует взаимное (физическое) расположения электронных компонентов. Всем компонентам на схеме и соединениям присваиваются уникальные идентификаторы (номер компонента по схеме, имя цепи и пр.). Для повышения читабельности схемы используются компактные графические объекты – шины и соединители.

Разработка электрических схем выполняется с использованием предварительно подготовленных и аттестованных на соответствие требованиям ГОСТ библиотек условных графических обозначений электронных компонентов.

Логическое моделирование цифровых устройств

Логическое моделирование – один из распространенных способов проверки поведенческих и функциональных свойств проектируемых цифровых устройств и нацелено на сокращение затрат, связанных с созданием и испытаниями опытных образцов. Структура цифрового устройства для моделирования описывается на одном из распространенных языков описания электронной аппаратуры – VHDL и (или) Verilog, а значения сигналов в соединениях и динамика их изменений во времени отображаются в виде графических временных диаграмм.


Современные программные средства поддерживают режимы логического моделирования асинхронных и синхронных цифровых устройств в многозначном алфавите возможных значений сигналов. Допускается моделирование и анализ совместной работы аппаратной части цифрового устройства и программного обеспечения (прошивки) в составе этого устройства, что обеспечивает целостность и полноту результатов моделирования.

Моделирование аналоговых устройств

Моделирования аналоговых устройств позволяет проводить анализ рабочих режимов и осуществлять оценку параметров схемы без изготовления ее макетных образцов.


В настоящее время широко распространены следующие виды моделирования аналоговых устройств:

• Анализ схемы по постоянному и переменному току
• Анализ переходных процессов и передаточной функции
• Анализ шумов и устойчивости
• Температурный анализ при изменении рабочей температуры
• Параметрический анализ при изменении параметров моделей электронных компонентов (транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы, функциональные источники и др.)

Размещение электронных компонентов

Размещение (расстановка) электронных компонентов и соединительных разъемов на печатной плате является комплексной задачей, при решении которой требуется достижение компромиссов по следующим основным критериям:

• Расстановка компонентов с соблюдением установленных правил на минимально допустимые расстояния между их корпусами и выводами.
• Минимизация суммарной длины планируемых к реализации соединений с учетом требований по быстродействию и помехозащищенности (дифференциальные пары, функционально связанные группы, цепи синхронизации).
• Обеспечение равномерного распределения плотности соединений на печатной плате.
• Учет теплового рассеивания и электромагнитного излучения электронных компонентов.

Для оценки качества размещения электронных компонентов на печатной плате используются в частности оценки, связанные с анализом плотности распределения требуемых соединений или модель “силовых векторов”, указывающих для каждого компонента направление к его наилучшему посадочному месту на плате.

Трассировка электрических соединений

Трассировка соединений является ключевым этапом конструкторского проектирования радиоэлектронной аппаратуры, решает задачу прокладки соединений на слоях печатной платы между эквипотенциальными выводами компонентов с учётом заданных правил и ограничений, основными среди которых являются ограничения на ширину проводников и минимально допустимые зазоры между элементами печатного монтажа. Показателями эффективности применяемых методов трассировки являются полнота реализации электрической схемы, минимальная суммарная длина построенных соединений, количество использованных слоев и межслойных переходов.

В настоящее время на практике достаточно широко применяются следующие три способа (режима) трассировки печатного монтажа:

1. Ручная трассировка выполняется конструктором путем нанесения рисунка проводников на чертёж платы.
2. Автоматическая трассировка реализуется специализированными программами, осуществляющими послойную разводку проводников. Полученные результаты доступны конструкторам для последующей ручной корректировки и доработок.
3. Интерактивная трассировка является комбинацией ручного и автоматического режимов трассировки. В этом случае конструктор задает условия для трассировки всех или части требуемых соединений, а программные средства осуществляют операции трассировки в заданных условиях.

Принимая во внимание факт, что результаты автоматической трассировки являются весьма критичными при автоматизированном проектировании ниже приводятся описания (в достаточно общей форме) распространенных алгоритмов решения этой задачи.

Волновой алгоритм автоматической трассировки

Впервые описание волнового алгоритма трассировки соединений на печатных платах было опубликовано в начале 60-х годов (Lee, C.Y., «An Algorithm for Path Connections and Its Applications», IRE Transactions on Electronic Computers, vol. EC-10, number 2, pp. 364—365, 1961). Простота этого алгоритма явилась стимулом для реализации множества соответствующих программных средств.

На каждой итерации алгоритм выполняет поиск и формирование соединения заданной ширины между двумя заданными точками на плоскости с учетом существующих препятствий. Для выполнения этих функций используется так называемое дискретное рабочее поле (ДРП) – двумерная числовая матрица, ячейки которой отображают соответствующие участки печатной платы с размерами равными ширине проводника, увеличенной на величину допустимого зазора. Это гарантирует, что два проводника, размещенные в соседних ячейках будут всегда иметь требуемый зазор между их краями. Ячейки ДРП, запрещенные для прокладки соединений, помечаются специальными метками.


Поиск соединения выполняется последовательным назначением числовых меток 1-2-3… соседним (не запрещенным для прокладки соединения) ячейкам ДРП, начиная с одной из соединяемых (“И”) и до встречи второй (“П”). В том случае, когда вторая соединяемая ячейка достигнута, от нее начинается формирование найденного соединения на основе последовательного выбора пар соседних ячеек в кодовой последовательности …3-2-1-3-2-1…

Построенное соединение отображается на ДРП новым множеством запрещенных для прокладки соединений ячеек и затем описанная процедура повторяется для последующей пары точек и т.д.

Методы геометрической трассировки

Методы геометрической (shape-based) трассировки составляют следующее за волновым поколение алгоритмов трассировки печатных плат и больших интегральных схем.

Эти методы оперируют геометрическими моделями объектов печатного монтажа (контактов, проводников и т.п.), осуществляя поиск и прокладку соединений в существующем лабиринте свободных ресурсов.

Алгоритмы этого класса решают задачу прокладки каждого соединения также в два этапа: поиск возможного соединения и его прокладка.

Поиск соединения выполняется последовательным распространением прямоугольных проб (“И” – исходная проба) по непрерывным участкам доступных трассировочных ресурсов — до встречи геометрического объекта “П” (или исчерпания всех ресурсов). Каждая сформированная проба является источником для формирования трех порожденных проб по ее ребрам (e_N).

Найденный путь определяется как последовательность пар порождающих и порожденных проб
(П e₁₈ e₁₆ e₁₄ e₁₂ e₁₀ e₈ e₂ И)



Методы топологической трассировки

Методы топологической трассировки оперируют с топологической моделью трассировочных ресурсов, сформированной в результате применения операций триангуляции (или подобных на основе выпуклых многоугольных геометрических фигур) к множеству характерных точек элементов печатного монтажа: контактов, проводников, зон запретов на трассировку, контура платы и т.п.

Поиск соединения выполняется последовательным анализом смежных треугольников топологической модели, начиная с тех, одной из вершин у которых является “И” и завершая первым встреченным треугольником, у которого одна из вершин есть “П”.
Найденный путь определяется последовательностью ребер смежных треугольников, расположенных между начальной и конечной вершинами:
(П e₁₂ e₁₁ e₁₀ e₉ e₈ e₇ e₆ e₅ e₄ e₃ e₂ e₁ И).



Представленные описания алгоритмов трассировки носят упрощенный характер и выполнены применительно лишь к простейшим однослойным структурам. На практике программные реализации этих алгоритмов обеспечивают возможности трассировки многослойных печатных плат с использованием межслойных металлизированных переходов, соблюдением широкого спектра ограничений на ширину проводников и минимально – допустимые зазоры между всеми элементами печатного монтажа.

Широкое применение электронных устройств в приборостроении, компьютерной индустрии, аэрокосмической отрасли, бытовой технике предъявляет все более жесткие требования к качеству и электрофизическим свойствам печатного монтажа, формируемого в процессе трассировки соединений на плате.

На сегодняшний день все более критичными становятся следующие дополнительные требования к методам трассировки:

• Реализация высокой плотности соединений.
• Обеспечение высокого быстродействия и синхронизации при передаче сигналов.
• Гарантии помехозащищенности сигналов в соединениях.

Документация на проекты электронных устройств

Завершающим этапом проектирования электронных устройств является выпуск проектной документации, включающий конструкторскую документацию и данные для изготовления печатных плат.

Конструкторская документация (КД) — графические и текстовые документы, которые, определяют состав и устройство изделия, содержат необходимые данные для его изготовления, контроля, эксплуатации. Включают спецификацию, электрическую схему, сборочный чертеж платы, перечень элементов, ведомость покупных изделий, технические условия, программу и методику испытаний и другие в соответствии с требованиями ГОСТ.


Данные на изготовление печатных плат формируются программным способом и содержат информацию, необходимую для изготовления фотошаблонов и сверления.

Форматы представления этих данных унифицированы (Gerber, ODB++) и являются стандартами de facto при передаче результатов изготовителю.

Сквозной цикл автоматизированного проектирования РЭА

С позиций пользователей (то есть разработчиков электронной аппаратуры) САПР РЭА являются программным продуктом, потребительские свойства которого оцениваются по следующим основным критериям:

• Поддержка сквозного цикла проектирования РЭА средствами автоматизации.
• Функциональные возможности отдельных подсистем (моделирования, трассировки соединений и др.).
• Открытость системы для ее интеграции с другими средствами автоматизации в той же или смежных предметных областях.
• Качественная и детальная пользовательская документация.
• Техническая поддержка пользователей со стороны компаний — разработчиков программного продукта.

В этом ряду требований первостепенным, как правило, является требование возможности построения сквозного цикла проектирования – от выдачи технического задания на проект и до получения конструкторской документации и данных для изготовления изделия.


Содержание сквозного цикла определяется набором проектных этапов, последовательно выполняемых на основе единой информационной модели проекта.

Такой подход обеспечивает совместимость проектных данных и возможности итеративного проектирования изделия, то есть возобновления проектных работ с начального или одного из промежуточных этапов при изменениях проектных спецификаций.

Примером САПР РЭА отечественной разработки, обеспечивающей автоматизацию основных этапов проектирования электронных устройств, является программный продукт Delta Design компании ЭРЕМЕКС:



Во многих случаях компании – разработчики электронной аппаратуры организуют сквозные циклы проектирования на основе интеграции информационно – совместимых САПР РЭА от разных производителей, современный рынок которых достаточно разнообразен.

Завершая рассмотрение вопросов, связанных с автоматизацией проектирования электронной аппаратуры, необходимо отметить, что эта сфера деятельности в настоящее время продолжает достаточно интенсивно развиваться. В ближайшей перспективе следует ожидать появления новых методов и подходов к решению задач автоматизированного проектирования.