Проектирование узла электронной аппаратуры с помощью САПР P-CAD
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра САПР
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
по дисциплине «Автоматизация конструкторского и технологического проектирования»
на тему: «Проектирование узла электронной аппаратуры с помощью САПР P-CAD»
Выполнил: Гадияк Н.А.
Проверил: Аксёнова Л. И.
Пенза 2010
Содержание
Анализ схемы
Конструктивный расчет платы ТЕЗ
Расчет шага размещения ИС
Расчет размеров зоны расположения ИС
Расчет размеров платы
Интерактивное размещение и трассировка
3.1 Создание графического начертания элементов, входящих в состав элемента
Создание графического начертания посадочного места элемента
Упаковка элементов в компонент
Создание принципиальной электрической схемы устройства и генерация файла списка цепей
3.5 Создание контура ПП и размещения на ней компонентов ПП
3.6 Трассировка ПП автоматическим трассировщиком
Подготовка конструкторской документации
Литература
1. Анализ схемы
Анализ схемы электрической принципиальной позволил выделить следующие элементы серии 155: К155ЛА3, К155ЛА1, К155ЛА4, К155ЛР1, К155ЛН1. С учетом количества элементов каждого типа выделим число корпусов типа 201.14 – 1 с 14 выводами, необходимых для размещения этих элементов.
|
Тип элемента |
Кол – во элементов в схеме |
Число элементов в корпусе |
Число корпусов |
|
ЛА3 ЛА1 ЛР1 ЛА4 ЛН1 |
10 11 2 8 5 |
4 6 4 4 4 |
3 2 1 2 2 |
ИТОГО: потребуется 11 корпусов.
В схеме можно выделить 52 цепи, которыми соединены элементы (без учета 2 цепей питания).
2. Конструктивный расчёт платы ТЕЗ
Расчет шага размещения ИС
Перед началом расчета логическая схема устройства, реализуемого на плате ТЭЗ, должна быть покрыта корпусами интегральных схем 201.14 – 1.
Исходными данными для расчета шага являются следующие параметры:
R1 – размер корпуса ИС вдоль оси X в [мм]
R2 – размер корпуса ИС вдоль оси X в [мм]
Значения R1 и R2 являются стандартными.
R1 = 20 мм
R2 = 7,5 мм
R3 – зазор между корпусами ИС вдоль оси X в [мм]
R4 – зазор между корпусами ИС вдоль оси Y в [мм]
Величина R3 и R4 зависит от таких факторов, как взаимное тепловое и электромагнитное влияние ИС друг на друга, количество печатных проводников в каналах между ИС, ширина этих проводников и зазор между ними. Рекомендуемая величина R3 и R4 – в интервале 2..10 мм.
R3 = 10 мм
R4 = 15 мм
В соответствии с этими параметрами рассчитываются первоначальные величины шага размещения ИС и корректируются с учетом параметра R7.
R7 = 2,5 мм
R5 = R1 + R3 – шаг по оси X R5 = 30 мм
R6 = R2 + R4 – шаг по оси Y R6 = 22,5 мм
2.2 Расчет размеров зоны расположения ИС
Исходными данными для расчета являются следующие параметры:
N1 – количество корпусов ИС по результатам покрытия исходной логической схемы устройства;
N2 – количество сторон платы на которые монтируется ИС
N1 = 11
N2 = 2
В соответствии с этими исходными данными вычисляются параметры:
N3 – количество столбцов ИС (вдоль оси X)
N4 – количество рядов ИС (вдоль оси Y)
R8 – размер зоны расположения ИС по оси X в [мм]
R9 – размер зоны расположения ИС по оси Y в [мм]
Соотношение параметров следующие:
R8 = R5
N3
R9 = R6N4
При вычислении N3 и N4 используется критерий:
R8 / R9 → 1, что означает максимальное приближение формы зоны расположения ИС к квадратной. Это требование обусловлено созданием наилучших условий для трассируемости платы.
R8 = 120 мм N3 = 4
R9 = 67,5 мм N4 = 3
N5 – количество различных типоразмеров дискретных элементов (конденсаторов, резисторов, диодов, транзисторов, реле и др.)
В моей схеме N5 = 0 и расчетный параметр R15 = 0.
2.3 Расчет размеров платы
Исходными данными для расчета являются параметры:
N9 – общее количество разъемов и планок на плате
N10i – признак стороны платы, на которой устанавливается i – ый разъем или планка в соответствии с рис.2
R16i – длина области расположения контактов i – го разъема (планки)
R17i – ширина области расположения контактов i – го разъема (планки)
Значения параметров R16 и R17 выбираются по справочной литературе.
R16 =
5(m/2-1)
где m
= 24 – количество контактов R16
= 55 мм
R17 = 2,5 мм
Число контактов разъема должно быть не менее числа входных и выходных цепей исходной схемы, включая цепи питания и земли.
Перечисленные параметры учитываются при определении размеров периферийной части платы, которые либо равны величине технологического зазора R18 в [мм], либо соответствующему R17i.
Рекомендуемая R18 = 5 мм. Расчетные размеры платы R19 и R20 в [мм] вдоль осей X и Y соответственно уточняются со стандартными типоразмерами печатных плат. Выбранные значения R21 и R22 должны быть ближайшими, большими и расчетными R19 и R20 соответственно.
R19 = R15
+ R8
+ 2R18
= 120 + 25
= 130 мм
R20 = R9
+ 2R15
+ R18
+ R17
= 67,5 + 5 + 2,5 = 75 мм
R21 = 130 мм – длина ПП
R22 = 80 мм – ширина ПП
2.3 Расчет размеров платы
Рассчитывается количество экранирующих слоев (N11), экранирующих слоев (N12), слоев шин питания (земли) (N13) в многослойной структуре платы (см. приложение 1).
Число сигнальных слоев в N11, необходимых для трассировки соединений зависит от максимальной плотности расположения соединений на плате. Максимальной она является в зоне расположения ИС, т. к. контакты (выводы) ИС расположены наиболее близко.
Плотность соединений учитывается косвенным образом через показатель плотности логических элементов на единицу площади зоны ИС.
Исходными данными являются параметры:
R23 – количество сигнальных входов – выходов одного корпуса ИС
R24 – коэффициент использования корпусов ИС, равный отношению числа логических элементов в исходной логической схеме устройства к числу логических элементов в N1 корпусах, которыми покрыта эта схема. Принимает значения в интервале (0,1).
R23 = 14
R24 = 37/46 = 0,8
В соответствии с этими данными вычисляется показатель плотности RASPL в [лог.эл/см^2]
R
2
4
6
8
10
1
2
3
ASPL =
(N1R23R24100)/(R8R94,0)
= (11140,8100)/
(12067,54,0)
= 0,38 ,
зная который в соответствии с графиком определяют число сигнальных слоев N11 как ближайшее большее целое.
N11 = 2
Остальные расчетные параметры связаны с N11 следующими соотношениями:
N12 = 2N11
– 2 = 22
– 2 = 2
N13 = N11 -1 = 2 – 1 = 1
N14 = (N11 + N12 + N13) – 1 = (2 + 2 + 1) – 1 = 4
Интерактивное размещение и трассировка
Проектирование ПП в интерактивном режиме начинается после выполнения следующих подготовительных операций:
создание графического начертания элементов, входящих в состав компонента, при помощи программы Symbol Editor;
создание графического начертания посадочного места компонента при помощи программы Pattern Editor;
упаковка элементов в компонент при помощи программы Library Executive;
создание принципиальной электрической схемы устройства и генерация файла списка цепей с помощью программы Schematic;
создание контура ПП и размещения на ней компонентов ПП при помощи программы PCB. Загрузка файла списка цепей для последующей трассировки;
автоматическая трассировка ПП трассировщиком Quick Route;
Начальный этап – создание или выбор библиотек компонентов. В данном случае LIBRARY.lib. Они служат хранилищами всей необходимой (обобщенной) информации для системы P – CAD.
3.1 Создание графического начертания элементов, входящих в состав элемента
В результате работы с программой Symbol Editor были созданы файлы K155LA3.sym, R155LN1.sym, K155LA1.sym, K155LA41.sym, K155LR4.sym, Connect.sym, содержащие графическое начертание элементов, входящих в микросхемы и разъем. Запись в соответствующие библиотеки.
3.2 Создание графического начертания посадочного места элемента
В результате работы с программой Pattern Editor были созданы файлы K155LA3.pat, R155LN1.pat, K155LA1.pat, K155LA4.pat, K155LR4.pat, Connect.pat содержащие графическое начертание посадочного места микросхемы и разъема на ПП. Запись в соответствующие библиотеки.
3.3 Упаковка элементов в компонент
При помощи программы Library Executive была установлена взаимосвязь элементов компонента с контактами (выводами) компонента в соответствии со справочной документацией компонентов. Были внесены изменения в соответствующие библиотеки.
3.4 Создание принципиальной электрической схемы устройства и генерация файла списка цепей
В результате работы с программой Schematic была создана принципиальная схема устройства (файл schema.sch), а также сгенерирован файл списка цепей NetList.net.
3.5 Создание контура ПП и размещения на ней компонентов ПП
С помощью программы PCB был создан контур печатной платы в слое Board. Тем самым в программу закладывается информация о границах печатной платы. Затем были расположены компоненты внутри контура ПП. Была произведена загрузка списка цепей (файла NetList.net) для последующей трассировки. Создан файл schema.pcb.
3.6 Трассировка ПП автоматическим трассировщиком
Была выполнена автоматическая трассировка ПП при помощи трассировщика Quick Route. Создан файл plata.pcb.
4. Подготовка конструкторской документации
Чертежи первого и второго слоев печатной платы, а также сборочный чертеж (размещение элементов с переходными отверстиями) выполнены средствами САПР P – CAD.
Были созданы документы о разработанной печатной плате, хранящихся в файлах:
Plata.bom содержит список компонентов одного типа, имя графического символа или конструктива.
Plata.atr содержит имя графического символа или конструктива, тип компонента и список цепей (включая цепи питания).
Сборочный чертеж
Чертеж слоев
Чертеж используемых интегральных схем
K155LR1
K155LA1
K155LA3
K155LA4
K155LN1
Листинг файла Plata.atr
P-CAD Component and Net Attributes Rquick1112.pcb
RefDes Type Value
DD1 R155LN1
DD2 CONNECT
DD3 K155LA3
DD4 K155LA1
DD6 K155LA1
DD7 R155LN1
DD8 K155LA4
DD9 R155LN1
DD10 K155LR1
DD11 K155LA3
DD12 K155LA3
DD13 K155LA1
DD14 K155LA4
DD15 R155LN1
NetName
---------------
+5V
GND
NET00011
NET00016
NET00019
NET00023
NET00025
NET00027
NET00028
NET00029
NET00034
NET00036
NET00037
NET00038
NET00041
NET00045
NET00048
NET00049
NET00050
NET00052
NET00054
NET00055
NET00057
NET00059
NET00060
NET00061
NET00062
NET00063
NET00065
NET00066
NET00067
NET00068
NET00069
NET00070
NET00071
NET00072
NET00073
NET00074
NET00075
NET00077
NET00078
NET00079
NET00080
NET00082
NET00085
NET00086
Листинг файла Plata.bom
P-CAD Bill of Materials Rquick1112.pcb
Count ComponentName RefDes PatternName Value
1 CONNECT DD2 CONNECT
3 K155LA1 DD4 K155LA1
DD6
DD13
3 K155LA3 DD3 K155LA3
DD11
DD12
2 K155LA4 DD8 K155LA4
DD14
1 K155LR1 DD10 K155LR1
4 R155LN1 DD1 K155LR1
DD7
DD9
DD15
Литература
Саврушев Э.Ц. «P – CAD для Windows версия 2001 – 2002. Система проектирования печатных плат.» М: изд. «Эком», 2002 г.
Богданович М.И, Грель И.Н., Прохоренко В.А., Шалимо В.В. «Цифровые интегральные микросхемы», Справ., Мн.: Белаусь, 1991 г.