Некоторые особенности проектирования и реализации
монтажных схем
Л. Н. Сизова,
научный сотрудник,
ИПУ РАН, Москва
В основе автоматизированных
методов проектирования радиоэлектронной аппаратуры лежит построение математических
моделей, отражающих основные свойства объектов проектирования, их взаимосвязь и
преобразование этих моделей.
На начальном этапе
технического проектирования вся имеющаяся информация о некотором узле устройства
содержится в его принципиальной схеме – это, можно сказать, модель, отображающая
структуру узла устройства. Другой моделью проектируемого узла устройства
является его монтажная схема. Эта модель определяет положение компонентов
(элементов) в монтажном пространстве и конкретный способ реализации соединений.
На основе принципиальной электрической схемы можно построить большое число
монтажных схем, одни из которых могут соответствовать некоторой реализации
устройства, другие реализовать нельзя. В последних нарушаются некоторые ограничения,
обусловленные типом конструкции и применяемым технологическим процессом.
Например, пересечение трасс (проекция проводников на плоскость) различных
соединений. Основной задачей этапа технического проектирования какого-либо узла
устройства является построение для него реализуемой монтажной схемы. Необходимым
условием реализации схемы является ее удовлетворение ряду ограничений, которые
можно разделить на два вида:
1. Метрические:
-
фиксированный
размер компонент;
-
ширина
проводников;
-
минимальное
допустимое расстояние между различными элементами конструкции;
-
размер контактной
площадки;
-
расстояние между
проводниками.
2. Топологические:
-
запрещение
расположения трасс в заданных областях монтажного пространства;
-
запрещение пересечений
различных соединений;
-
требование
электрического объединения определенных контактов;
-
фиксированный
порядок контактов;
-
неделимость
компонента на отдельные секции;
-
вид контактной
площадки;
-
ограничение на
способ монтажа.
Построение и обоснование
математических моделей объекта проектирования и методы их исследования основаны
на теории графов. Схема, для которой
существует вариант размещения компонентов и соединений, удовлетворяющий
топологическим ограничениям, называется планарной. Необходимым и достаточным
условием планарности схемы является планарность модели, соответствующей ей. Представление
контактов компонентов – вершинами графа,
а трассы между компонентами - ребрами графа, однозначно связывают реализацию
схемы на плоскости с плоским графом. Таким образом, существование некоторого
планарного графа (ребра графа не пересекаются) схемы является условием планарности самой схемы. Но
проблема анализа планарности схемы не эквивалентна проблеме определения
планарности графа. Схема принципиально отличается от графа:
-
неоднозначность
представления электрических соединений;
-
наличие областей
монтажного пространства, в которых запрещено размещение соединений или компонентов;
-
фиксированная
ориентация некоторых компонентов;
-
наличие
контактов, принадлежащих границе монтажного пространства (разъемы, внешние
контактные площадки).
Это есть топологические
ограничения схемы. Электронные схемы не принадлежат к классу объектов адекватно
интерпретируемых с помощью графа. При
анализе планарности схем необходимо использовать модель, в которой возможен
учет всех основных особенностей схем.
Конструктивные узлы
электронной аппаратуры выполняют сложные функции и содержат большое число
компонентов и электрических соединений. Обычно схема, реализуемая в пределах
конструктивного узла, оказывается непланарной. Реализация непланарных схем
осуществляется за счет металлизированных перемычек, диффузионных каналов, на
основе создания многослойных печатных плат (расположение трасс в нескольких
слоях).
Возможность реализации
непланарных схем на основе однослойных конструкций определяется применением металлизированных
перемычек и диффузионных каналов. В данном случае возникает задача построения
топологического представления модели схемы с минимальным количеством пересечений
ребер.
Многослойные конструкции
можно разделить на два класса:
1. Класс
многослойных конструкций, который позволяет реализовать переход соединения с
одного слоя на другой, не используя контакт компонента. Межслойные переходы
осуществляются посредством металлизированных отверстий, расположение которых
может быть либо фиксировано, либо определено в процессе проектирования. Для этого класса многослойных конструкций
существенными являются метрические ограничения, но для плат с фиксированными
переходами необходимо учитывать и топологические ограничения. К этому классу
относятся, например, двусторонние печатные платы. Примером конструкции,
содержащей фиксированные межслойные переходы, являются коммутационные платы с
регулярным размещением (в узлах прямоугольной решетки) металлизированных отверстий.
2. Этот класс характеризуется либо отсутствием
межслойных переходов, либо переходы осуществляются через контакты компонентов.
Примером данного класса являются многослойные печатные платы, изготавливаемые
методами «открытых контактных площадок», «выступающих выводов» и « металлизации
сквозных отверстий». Межслойные переходы в этих платах отсутствуют, поэтому
каждое соединение должно лежать в одном слое. Подключение компонентов к контактным площадкам внутренних слоев
осуществляется через перфорированные окна вышележащих слоев. Существенной
особенностью таких плат является зависимость условий проведения трасс от номера
слоя. В соответствии с технологией данного вида плат на первом слое перфорируются
отверстия под все выводы компонента, которые не подсоединяются на данном слое.
На последующих слоях отверстия под выводами, которые подключены к проводникам
первого слоя, не перфорируются. В связи с этим по мере увеличения номера слоя
улучшаются условия проведения трасс. Следовательно, при разбиении схемы по
слоям наиболее сложные трассы целесообразно размещать на последних слоях. В платах с выступающими выводами окна в слоях
перфорируются для всего компонента, причем перфорация выполняется во всех
слоях. Особенность плат со сквозными металлизированными отверстиями заключается
в одинаковом представлении компонентов в модели, соответствующей каждому слою,
одновременно имеется возможность осуществления переходов соединений с одного
слоя на другой по контактам компонентов.
Рассмотренные виды многослойных конструкций представляют различные возможности
реализации непланарных схем. На каждом отдельном слое схема должна быть
планарной. С увеличением количества слоев резко возрастает стоимость конструкции,
поэтому в процессе проектирования схем необходимо минимизировать этот параметр.
Если количество слоев заранее известно, допустимо применение параллельных процедур
распределения по слоям, когда формируются модели каждого слоя.
Из выше изложенного можно
сделать вывод, что при разработке алгоритмов проектирования монтажных схем
необходимо учитывать не только метрические и топологические ограничения, но и
специфику технологического процесса производства печатных плат. Данные особенности были учтены при разработке
инструментального комплекса «Графика - ТР», который, в частности, предназначен
для автоматизации процесса проектирования принципиальных электрических схем,
монтажных схем и создания печатных плат. Автоматическая трассировка соединений
контактов компонентов реализует алгоритм определения кратчайшего пути на графе
с пересечениями соединений и без, при этом учитываются метрические ограничения
и особенности топологии. Пользователю
предоставляется возможность варьировать параметрами трассировки для получения
наилучших конечных результатов. В настоящее время ведется работа по расширению
функциональных возможностей системы.
1. Артамонов Е.И., Ромакин В.А.,
Сизова Л.Н., Тенякшев А.М. Автоматизированное проектирование и выпуск схемной документации на аппаратуру средств
связи: Метод. пособие. - М.: МТУСИ, 2006.
2. Артамонов Е.И., Разумовский А.И., Сизова Л.Н.,
Ромакин В.А. Учебная система проектирования схемной документации / Тез. V-й
междунар. конф. и выст-ки «CAD/CAM/PDM-2005». - М.: ИПУ РАН, 2005.
3. Петренко А. И., Тетельбаум А. Я., Шрамченко
Б. Л. Автоматизация конструирования электронной аппаратуры, «Вища школа», 1980.
4. Сизова Л.Н. Автоматизация
проектно–конструкторских работ в системе
«Графика – ТР» //Проблемы геометрического моделирования в
автоматизированном проектировании и производстве. Сборник материалов 1-ой международной научной конференции. Под
ред. В. И. Якунина – М.: МГИУ, 2008.