Содержание.

Задание на курсовой проект

Студент Таратынкин А.В. Группа 161371с _

1 Тема Модуль сопряжения _

__________________________________________________________

2Срок представления проекта к защите «____» июня 2012 года _

3 Исходные данные для проектирования схема электрическая принципиальная, t = 20±10° С, влажность 70%. _

4 Содержание пояснительной записки курсового проекта:

4.1 Анализ задания, расчёт элементов печатной платы, моделирование функционального узла в пакете Multisim, разработка схемы электрической принципиальной с использованием САПР P-CAD _

4.2 Разработка печатной платы с использованием САПР P-CAD

_

5 Перечень графического материала: Схема электрическая принципиальная, печатная плата, сборочный чертёж печатной платы. _________________________________________________________________________________________

Содержание.

1 Анализ технического задания. 4

2 Обоснование и выбор материалов конструкции и покрытия. 5

2.1 Выбор материалов для печатной платы. 5

2.2 Выбор защитного покрытия. 8

2.3 Обоснование выбора элементов. 11

3 Конструктивные расчёты. 15

3.1 Расчёт электрических параметров. 15

3.2 Определение конструктивных параметров платы.. 17

4 Моделирование работы узла в пакете Multisim. 20

5. САПР P-CAD. 24

5.1 Создание библиотеки. 27

5.2 Создание схемы электрической принципиальной. 32

5.3 Разработка печатной платы. 37

5.4 Трассировщик TopoR. 41

Список используемой литературы. 46

1 Анализ технического задания.

Модуль сопряжения предназначен для сопряжения специализированного контроллера управления (СКУ) с программируемым логическим компьютером (ПЛК). В функции модуля сопряжения входят преобразование входного двуполярного напряжения в четырёхразрядный параллельный код, питание нестабилизированным напряжением 24 В ПЛК, а также согласование уровней напряжения ПЛК и СКУ.

Работает схема следующим образом: выпрямительный мост VD1 преобразует входное переменное напряжение 18 В в постоянное напряжение 24 В, которое сглаживается конденсатором С1. От этого напряжения и питается ПЛК. Микросхема DA1 преобразует постоянное напряжение 24 В в напряжение VDD, размер которого устанавливается резистивным делителем R6R9. При помощи активного делителя напряжения (собранного по схеме усилителя постоянного тока на элементах R17, R18, DA3, VT1, VT2, C4, C5) напряжение VDD делится в 2 раза и получается напряжение ART (искусственная земля). Входное двуполярное напряжение поступает на вход аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), построенного на микросхеме DD1 и резисторах R1-R4, R7, R8, R10-R12. Выходы АЦП буферизированы микросхемой DA2. Нагрузки микросхемы DA2- светодиоды транзисторных оптронов U1-U4. Выходные части оптронов нагружены входными цепями ПЛК. Резисторы R27, R28 подключены к выходам ПЛК и предназначены для согласования напряжения поступающего на вход СКУ с выходов ПЛК.

Схему будем реализовывать на печатной плате.

2 Обоснование и выбор материалов конструкции и покрытия.

2.1 Выбор материалов для печатной платы.

Для изготовления печатной платы нам необходимо выбрать следующие материалы: материал для диэлектрического основания печатной платы, материал для печатных проводников и материал для защитного покрытия от воздействия влаги. Необходимость применения защитного покрытия мы рассмотрим несколько ниже. Сначала мы определим материал для диэлектрического основания печатной платы.

Существует большое разнообразие фольгированных медью слоистых пластиков. Их можно разделить на две группы:

- на бумажной основе;

- на основе стеклоткани.

Эти материалы в виде жестких листов формируются из нескольких слоев бумаги или стеклоткани, скрепленных между собой связующим веществом путем горячего прессования. Связующим веществом обычно являются фенольная смола для бумаги или эпоксидная для стеклоткани. В отдельных случаях могут также применяться полиэфирные, силиконовые смолы или фторопласт. Слоистые пластики покрываются с одной или обеих сторон медной фольгой стандартной толщины.

Характеристики готовой печатной платы зависят от конкретного сочетания исходных материалов, а также от технологии, включающей и механическую обработку плат.

В зависимости от основы и пропиточного материала различают несколько типов материалов для диэлектрической основы печатной платы.

Фенольный гетинакс - это бумажная основа, пропитанная фенольной смолой. Гетинаксовые платы предназначены для использования в бытовой аппаратуре, поскольку очень дешевы.

Эпоксидный гетинакс - это материал на такой же бумажной основе, но пропитанный эпоксидной смолой.

Эпоксидный стеклотекстолит - это материал на основе стеклоткани, пропитанный эпоксидной смолой. В этом материале сочетаются высокая механическая прочность и хорошие электрические свойства.

Прочность на изгиб и ударная вязкость печатной платы должны быть достаточно высокими, чтобы плата без повреждений могла быть нагружена установленными на ней элементами с большой массой.

Как правило, слоистые пластики на фенольном, а также эпоксидном гетинаксе не используются в платах с металлизированными отверстиями. В таких платах на стенки отверстий наносится тонкий слой меди. Так как температурный коэффициент расширения меди в 6-12 раз меньше, чем у фенольного гетинакса, имеется определенный риск образования трещин в металлизированном слое на стенках отверстий при термоударе, которому подвергается печатная плата в машине для групповой пайки.

Трещина в металлизированном слое на стенках отверстий резко снижает надежность соединения. В случае применения эпоксидного стеклотекстолита отношение температурных коэффициентов расширения примерно равно трем, и риск образования трещин в отверстиях достаточно мал.

Из сопоставления характеристик оснований (таблица 1) следует, что во всех отношениях (за исключением стоимости) основания из эпоксидного стеклотекстолита превосходят основания из гетинакса.

Печатные платы из эпоксидного стеклотекстолита характеризуются меньшей деформацией, чем печатные платы из фенольного и эпоксидного гетинакса; последние имеют степень деформации в десять раз больше, чем стеклотекстолит.

Некоторые характеристики различных типов слоистых пластиков представлены в таблице 1.

Таблица1. Характеристики различных типов слоистых пластиков.

Сравнивая эти характеристики, делаем вывод, что для изготовления печатной платы следует применять только эпоксидный стеклотекстолит.

В качестве фольги, используемой для фольгирования диэлектрического основания можно использовать медную, алюминиевую или никелевую фольгу. Однако, алюминиевая фольга уступает медной из-за плохой паяемости, а никелевая - из-за высокой стоимости. Поэтому в качестве фольги выбираем медь.

Медная фольга выпускается различной толщины. Стандартные толщины фольги наиболее широкого применения - 17,5; 35; 50; 70; 105 мкм. Во время травления меди по толщине, травитель воздействует также на медную фольгу со стороны боковых кромок под фоторезистом, вызывая так называемое подтравливание. Чтобы его уменьшить обычно применяют более тонкую медную фольгу толщиной 35 и 17,5 мкм. Поэтому выбираем медную фольгу толщиной 35 мкм.

Исходя из всех вышеперечисленных сравнений, для изготовления двухсторонней печатной платы выбираем фольгированный стеклотекстолит СФ1-35Г-1,5 ГОСТ 10316-78. Он хорошо обрабатывается и имеет большую прочность сцепления фольги с диэлектриком, обладает хорошими электропроводящими и изолирующими свойствами.

2.2 Выбор защитного покрытия.

Теперь рассмотрим необходимость применения защитного покрытия от влаги. Данное устройство предназначено для эксплуатации в нормальных условиях при температуре 25±10° С и относительной влажности воздуха 60±15%. То есть казалось, что никакого защитного покрытия от влаги не требуется, однако в действительности все обстоит несколько иначе. Многое зависит от помещений, в которых будет эксплуатироваться данное устройство.

Нормальные условия при эксплуатации радиоаппаратуры выдерживаются далеко не всегда. Прежде всего, это относится к влажности воздуха. Следует отличать абсолютную влажность, характеризующую количество водяного пара в граммах, содержащегося в 1 м воздуха, от относительной влажности, представляющей собой выраженное в процентах отношение абсолютной влажности к тому количеству водяного пара, при котором воздух насыщен при каждой данной температуре (дальнейшее его насыщение невозможно − избыток влаги выпадает в виде росы). Повышение температуры приводит к уменьшению относительной влажности, а понижение, наоборот − к увеличению ее вплоть до выпадения росы.

Нередко радиоаппаратуру устанавливают возле окна. При проветривании помещения в теплое время года влажный наружный воздух обдувает ее, попадает через вентиляционные отверстия внутрь футляра, и, если температура вне помещения выше, чем внутри, относительная влажность воздуха в корпусе растет, может выпасть роса. Такая же картина наблюдается и зимой, но в этом случае внешний воздух охлаждает блоки радиоаппаратуры, и роса выпадает на них из влажного воздуха помещения. Этим объясняется требование инструкций по эксплуатации выдерживать внесенный с улицы в помещение аппарат не менее двух часов, не извлекая из упаковки (коробка защищает его от влажного воздуха).

Действие влажного воздуха на радиоаппаратуру объясняется малыми размерами молекул воды (до 3·10⁻⁸ см). Это позволяет ей проникать в мельчайшие поры и трещины диэлектриков, а так как она хорошо растворяет соли и щелочи, то происходящий при этом процесс электролитической диссоциации приводит к образованию проводящих электролитов, резко снижающих поверхностное и объемное сопротивление изоляции.

Даже при нормальной относительной влажности воздуха (65%) все тела покрыты тончайшей (0,001...0,01 мкм) пленкой влаги, которая может быть непрерывной (на гидрофильной поверхности) или прерывистой (на гидрофобной). С ростом относительной влажности толщина пленки растет и при 93...96% достигает сотни микрон, резко снижая поверхностное сопротивление изолятора.

Уменьшение поверхностного и объемного сопротивлений приводит к шунтированию элементов, появлению гальванических связей между ними, возрастанию потерь в конденсаторах и трансформаторах, падению добротности катушек и так далее. Все это вызывает ухудшение работы аппарата и в ряде случаем выход его из строя из-за электрических пробоев.

Весьма опасна, особенно для серебра и олова, электрохимическая коррозия, приводящая к нарушению паяных соединений в печатном монтаже, возрастанию переходного сопротивления контактов реле и переключателей (вплоть до полного разрыва цепи). Большую опасность высокая относительная влажность представляет для самих печатных плат: из-за небольших расстояний между проводниками появление пленки и капель влаги приводит к пробою между ними.

Следовательно, воздух с высокой (более 80%) относительной влажностью, действующей длительное время на радиоаппаратуру,- фактор, который необходимо учитывать при ее конструировании и эксплуатации. Ежедневная работа в течение четырех-пяти часов в какой-то мере предохраняет радиоаппаратуру от повреждения в этих условиях.

Способы защиты радиоэлектронной аппаратуры от действия влажного воздуха бывают пассивными и активными. Пассивная защита основана на создании барьера, либо замедляющего проникновение влаги, либо полностью изолирующего его от влажного воздуха. В первом случае это достигается пропиткой или покрытием объекта различными веществами (смолами, лаками, компаундами), во втором - помещением его в герметичный корпус (металлический корпус, стеклянный или керамический баллон). Активная защита заключается в поглощении влаги адсорбентами, снижающими относительную влажность воздуха в кожухе аппарата до безопасного уровня.

Пассивные способы в настоящее время - основные при защите радиоаппаратуры. Следует, однако, отметить, что полная герметизация бытовых аппаратов обычно не применяется из-за большой стоимости, значительной материалоемкости, увеличения массы и объема аппарата, сложности уплотнения осей ручек управления, плохой ремонтопригодности и так далее.

Самый распространенный и дешевый способ защиты гетинаксовых и стеклотекстолитовых печатных плат - покрытие их бакелитовыми, эпоксидными и другими лаками или эпоксидной смолой. Наиболее стойко к действию влаги покрытие из эпоксидной смолы, обеспечивающее самое высокое поверхностное сопротивление. Несколько хуже защитные свойства перхлорвиниловых, фенольных и эпоксидных лаков. Плохо защищает покрытие из полистирола, но в отличие от остальных, при помещении изделия в нормальные условия оно быстро восстанавливает свои свойства.

Далее приведены наиболее распространенные материалы, применяемые для защитных покрытий.

Лак СБ-lc, на основе фенолформальдегидной смолы, нанесенный на поверхность сохнет при температуре 60° С в течение 4 ч, наносят его до пяти слоев с сушкой после каждого слоя, получается плотная эластичная пленка толщиной до 140 мкм.

Лак УР-231 отличается повышенной эластичностью, влагостойкостью и температуростойкостью, поэтому может применяться для гибких оснований. Лак приготовляют перед нанесением в соответствии с инструкцией и наносят на поверхность пульверизацией, погружением или кисточкой. Наносят четыре слоя с сушкой после каждого слоя при температуре 18-23° С в течение 1,5 ч.

Для аппаратуры, работающей в тропических условиях, в качестве защитного покрытия применяют лак на основе эпоксидной смолы Э-4100. Перед покрытием в лак добавляют 3,5% отвердителя № 1, смешивают и разводят смесью, состоящей из ацетона, этилцеллозольва и ксилола до вязкости 18-20 сек по вискозиметру ВЗ-4. После смешивания жидкость фильтруют через марлю, сложенную в несколько слоев. В полученную смесь погружают чистую высушенную аппаратуру. После каждого погружения стряхивают излишки смеси и ставят сушить на 10 мин, таким образом наносят шесть слоев. Это покрытие обладает малой усадкой и плотной структурой.

Исходя из вышеперечисленных сравнений, выбираем для защитного покрытия от климатических воздействий лаком УР-231 ТУ 6-10-836-69. Этот лак вместе с изоляционными свойствами повышает механические свойства платы.

2.3 Обоснование выбора элементов.

Выбор элементной базы проводится на основе схемы электрической принципиальной с учетом изложенных в техническом задании условий и требований. Эксплуатационная надежность элементной базы в основном определяется правильным выбором типа элементов при проектировании и при использовании в режимах, которые не превышают предельно допустимые.

Для правильного выбора типа элементов необходимо на основе требований по установке в частности климатических, механических и др. влияний проанализировать условия работы каждого элемента и определить:

- эксплуатационные факторы (интервал рабочих температур, относительную влажность окружающей среды, атмосферное давление, механические нагрузки и др.);

- значения параметров и их разрешенные изменения в процессе эксплуатации (номинальное значение, допуск, сопротивление изоляции, шумы, вид функциональной характеристики и др.);

- разрешенные режимы и рабочие электрические нагрузки (мощность, напряжение, частота, параметры импульсного режима и др.);

- показатели надежности, долговечности и срока сохранения.

Критерием выбора в устройстве электрорадиоэлементов (ЭРЭ) является соответствие технологических и эксплуатационных характеристик ЭРЭ, заданных условиями работы и эксплуатации.

Основными параметрами при выборе ЭРЭ является:

технические параметры:

- номинальное значение параметров ЭРЭ согласно принципиальной электрической схемы прибора;

- допустимые отклонения величины ЭРЭ от их номинального значения;

- допустимое рабочее напряжение ЭРЭ;

- допустимая мощность рассеивания ЭРЭ;

- диапазон рабочих частот ЭРЭ;

- коэффициент электрической нагрузки ЭРЭ.

эксплуатационные параметры:

- диапазон рабочих температур;

- относительная влажность воздуха;

- атмосферное давление;

- вибрационные нагрузки;

- другие показатели.

Дополнительными критериями при выборе ЭРЭ является:

- унификация ЭРЭ;

- масса и габариты ЭРЭ;

- наименьшая стоимость.

Выбор элементной базы по вышеназванным критериям позволяет обеспечить надежную работу изделия. Применение принципов стандартизации и унификации ЭРЭ при конструировании изделия позволяет получить следующие преимущества:

- значительно уменьшить сроки и стоимость проектирования;

- сократить на предприятии номенклатуру примененных деталей и сборочных единиц;

- увеличить масштабы производства;

- исключить разработку специальной оснастки и специального оборудования для каждого нового варианта схемы, то есть упростить подготовку производства;

- создать специализированное производство стандартных и унифицированных сборочных единиц для централизованного обеспечения предприятия;

- улучшить эксплуатационную и производственную технологичность;

- снизить себестоимость выпуска проектируемого изделия.

Выберем ЭРЭ наиболее дешевых, распространенных, которые поставляются многими организациями – поставщиками электронных компонентов, при условии соблюдения принципа наименьших габаритов и размеров.

В современных устройствах необходимо стараться применять элементную базу, характеризующуюся высокими функциональными возможностями, гибкостью использования, высокой надежностью и массогабаритными показателями. По возможности следует использовать технологию поверхностного монтажа, так как она способствует уменьшению габаритов печатных плат, а также упрощает технологию производства. Для того чтобы у разрабатываемого изделия была более высокая технологичность число различных типоразмеров электрорадиоэлементов должно быть минимальным. На основании описанного, выбрана элементная база пульта дистанционного управления. Выбор всех элементов осуществлялся по следующим критериям: соответствие заданному рабочему диапазону температур; устойчивость к заданным внешним механическим воздействиям; выбранные элементы не ухудшают электрические характеристики схемы. Также при выборе элементов осуществлялся анализ экономической целесообразности использования данного элемента в устройстве.

В разрабатываемом изделии применены микросхемы для поверхностного монтажа, что позволяет уменьшить габариты печатной платы, а также упрощает технологию производства.

3 Конструктивные расчёты.

Печатные платы обладают электрическими и конструктивными параметрами.

3.1 Расчёт электрических параметров.

К электрическим параметрам относятся:

- t - ширина печатного проводника;

- S - расстояние между печатными проводниками;

- b - радиальная ширина контактной площадки;

- R - сопротивление печатного проводника;

- С - емкость печатного проводника;

- L - индуктивность печатного проводника.

К конструктивным параметрам печатных плат относятся:

- размеры печатной платы;

- диаметры и количество монтажных отверстий;

- диаметры контактных площадок;

- минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для прокладки нужного количества проводников.

Выбрав материал печатной платы (применяем СФ-1-35), определяем ширину печатного проводника по формуле (мм):

,

где: I - ток, А, протекающий по проводнику (максимально возможный ток 100 мА);

h - толщина фольги, мм (0,035мм);

j - плотность тока, А/мм².

Максимально допустимая плотность тока для печатных проводников следующая:

30 А/мм для внешних слоев печатной платы бытовой аппаратуры;

20 А/мм для внешних слоев печатной платы специальной аппаратуры;

15 А/мм для внутренних слоев многослойной печатной платы.

Минимальное расстояние между печатными проводниками определяется из соображений обеспечения электрической прочности. Значения допустимых рабочих напряжений между элементами проводящего рисунка, расположенные на наружном слое печатной платы, приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Так как максимальные напряжения могут достигать 30 Вольт, то выбираем расстояние между элементами проводящего рисунка S=0,25 мм

Зная t и S, из конструктивных соображений выбирается 3 класс точности печатной платы для которого t=0,25 мм, S=0,25 мм, b=0,10 мм

Для выбранной ширина печатного проводника максимально допустимый ток определяется по формуле:

,

Выбрав класс точности изготовления печатной платы, можно определиться со способом изготовления печатной платы. Изготавливать плату будем методом химического травления фольги.

Сопротивление печатного проводника рассчитывается по формуле:

где: ρ - удельное сопротивление меди, Ом∙мм²/м;

l - длина проводника, м (длина самого длинного проводника 0,145 м) .

Удельное сопротивление меди зависит от метода изготовления проводящего слоя. Если проводники формируются методом химического травления фольги, то удельное сопротивление меди будет равно 0,0175 Ом∙мм²/м, а при электрохимическом наращивании меди пленка более рыхлая и удельное сопротивление равно 0,025 Ом∙мм²/м, при комбинированном методе изготовления печатной платы, когда проводники получаются методом химического травления, а металлизация отверстий производится методом электрохимического наращивания, удельное сопротивление будет равно 0,020 Ом∙мм²/м.

Паразитные параметры платы С и L оказывают влияние на частотах выше 50 МГц и рассматривать их мы не будем.

3.2 Определение конструктивных параметров платы

Для выбора размеров печатной платы необходимо определить ее площадь. Площадь можно определить как

,

где: F_ЭРЭ - площадь, занимаемая электрорадиоэлементами (ЭРЭ);

F_TO - площадь, занимаемая технологическими и/или крепежными отверстиями;

F_СВ - площадь, которую не должны занимать электрорадиоэлементы по конструктивным соображениям (500 мм²);

Кз - коэффициент заполнения печатной платы, обычно берется в пределах 0,3-0,8.

Площадь, занимаемая ЭРЭ, определяется по установочным размерам электрорадиоэлементов. Для упрощенных расчетов площадь равна 2934 мм²

Площадь, занимаемая технологическими и/или крепежными отверстиями определяется по формуле:

,

где: d_TO - диаметр технологических и/или крепежных отверстий (3,5 мм);

п - количество отверстий (4 шт).

Посчитав площадь печатной платы, необходимо выбрать размеры платы согласно ГОСТ 10 317-79. Выбираем размеры платы равными А=163 мм, В=72 мм.

После выбора размеров печатной платы определяем реальный коэффициент заполнения печатной платы по формуле:

,

где А и В выбранные размеры печатной платы.

Диаметры монтажных отверстий должны быть несколько больше диаметров выводов ЭРЭ, причем d_o = d_B + ∆,

при d ≤ 0,8 мм ∆ = 0,2 мм,

при d > 0,8 мм ∆ = 0,3 мм,

при любых d ∆ = 0,4 мм, если ЭРЭ устанавливаются автоматизировано.

Рекомендуется на плате иметь количество размеров монтажных отверстий не более трех. Поэтому диаметры отверстий, близкие по значению, увеличивают в сторону большего, но так, чтобы разница между диаметром вывода и диаметром монтажного отверстия не превышала 0,4 мм. Мы будем использовать отверстия d_о = 0,7 мм и d_о = 1 мм.

Диаметры контактных площадок определяются по формуле:

d_K = d_о + 2b + ∆d + T_d + T_D,

где: b - радиальная ширина контактной площадки, мм (для 3 класса точности 0,1 мм);

∆d - предельное отклонение диаметра монтажного отверстия, мм (для 3 класса точности ±0,05 мм);

T_d — значение позиционного допуска расположения осей отверстий, мм (для размера печатной платы по большей стороне до 180мм 0,08мм);

Т_D - значение позиционного допуска расположения центров контактных площадок, мм (для размера печатной платы по большей стороне до 180мм 0,15 мм).

d_K = 0,7 + 2∙0,1 + 0,05 + 0,08 + 0,15=1,18 мм

d_K = 1,0 + 2∙0,1 + 0,05 + 0,08 + 0,15=1,48 мм

Минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для прокладки нужного количества проводников определяется так:

,

где: d_О1 и d_О2 - диаметры монтажных отверстий, между которыми прокладываются проводники, мм (0,7 мм);

п - количество прокладываемых проводников (1 шт);

∆t - предельное отклонение ширины печатного проводника, мм (для отверстия без покрытия для 3 класса точности ±0,05 мм) ;

Т_l - значение позиционного допуска расположения печатного проводника, мм (для 3 класса точности и наружного слоя 0,05 мм).

4 Моделирование работы узла в пакете Multisim.

Для моделирования работы узла в пакете Multisim, выберем узел усилителя низкой частоты (УНЧ), собранного на микросхеме TDA2030. Схема включения берётся из справочной литературы и изображена на рисунке 1.

Рисунок 1. УНЧ на микросхеме TDA2030. Схема

электрическая принципиальная.

Моделирование работы схемы начинается с создания схемы в программе Multisim11. Рабочее окно программы изображено на рисунке 2.

Рисунок 2. Рабочее окно программы Multisim11.

После создания схемы электрической принципиальной, для моделирования работы, необходимо подключить генератор сигнала и измерительную аппаратуру (осциллограф). Схема соединения изображена на рисунке 3.

Для наглядности работы схемы используем двух канальный осциллограф, канал А которого подключен на вход схемы, а канал В — на выход.

Рисунок 3. Схема соединения аппаратуры.

Перед началом моделирования работы схемы, необходимо произвести настройку аппаратуры.

Задаём параметры входного сигнала: f = 100 ГЦ; U = 10 мВ. Окно настройки генератора изображено на рисунке 4.

Рисунок 4. Настройка параметров генератора.

Запускаем работу схемы и контролируем параметры входного и выходного сигнала ( рисунок 5) на экране осциллографа .

Рисунок 5. Показания осциллографа.

По осциллограмме видно, что схема обеспечивает усиление входного сигнала (амплитуда входного сигнала 20 мВ, а выходного 200 мВ), но осциллограмма выходного напряжения имеет фазовый сдвиг относительно входного, что обусловлено особенностью работы микросхемы.

5. САПР P-CAD.

Система P-CAD предназначена для проектирования многослойных печатных плат (ПП) вычислительных и радиоэлектронных устройств. В состав P-CAD входят четыре основных модуля - P-CAD Schematic, P-CAD PCB, P-CAD Library Executive, P-CAD Autorouters и ряд других вспомогательных программ (рис. 1.1).

Рисунок 6. Структура системы проектирования P-CAD/

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.

Редактор P-CAD PCB может запускаться автономно и позволяет разместить модуль 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, наконец, производится трассировка проводников.

Применение шрифтов True Type позволяет использовать на схеме и ПП надписи на русском языке.

Автотрассировщики вызываются из управляющей оболочки P-CAD РСВ, 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. Первый трассировщик QuickRoute относится к трассировщикам лабиринтного типа и предназначен для трассировки простейших ПП. Второй 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.

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 РСВ.

TopoR (Topological Router) - это высокопроизводительный, топологический трассировщик печатных плат. Отличительными особенностями данного продукта являются: высокая скорость и великолепное качество трассировки, сравнимое, а зачастую и превосходящее квалифицированную ручную разводку, гладкие без изломов проводники и превосходный набор инструментов, дающий возможность сократить сроки разработки электронных устройств в десятки раз. Всё это достигается благодаря использованию уникальных алгоритмов и нетрадиционных подходов к решению сложных задач.

TopoR не имеет приемущественных направлений трассировки, благодаря чему снижается уровень параллельности трасс, что уменьшает уровень перекресных электромагнитных помех.

TopoR поддерживает импорт и экспорт ASCII PCB файлов в форматах PCAD, DSN и PADS; результаты проектирования могут быть выведены в форматах DXF или Gerber.

В Lite версии есть ограничения на число цепей, на число слоев .

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: Symbol Editor — для создания и редактирования символов компонентов и Pattern Editor — для создания и редактирования посадочного места и корпуса компонента. 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.

Вспомогательные утилиты, образующие интерфейс DBX (Data Base Exchange), в частности, производят перенумерацию компонентов, создают отчеты в требуемом формате, автоматически создают компоненты, выводы которых расположены на окружности или образуют массив, рассчитывают паразитные параметры ПП и т. п.

5.1 Создание библиотеки.

Интегрированные библиотеки P-CAD содержат компоненты (components), корпуса (pattern) и символы (symbol). На схеме компонент представлен символом, а на печатной плате корпусом. Кроме графики символа и корпуса в библиотеке содержится информация об упаковке в корпус (подвод питания, подключение выводов и т.д.). Единство символа, графики корпуса и упаковочной информации и составляет понятие компонента. Преимущество интегрированных библиотек заключается в том, что упаковочная информация для каждого компонента хранится в одном месте и должна вводиться всего один раз.

При создании библиотек компонентов при проектировании электронных систем необходимо реализовать следующие шаги:

■ создать схемный (символьный) образ компонента;

■ создать стеки контактных площадок для посадочных мест компонентов;

■ создать топологию посадочных мест со штыревыми и планарными выводами для дальнейшего размещения корпусов компонентов на монтажно-коммутационном поле;

■ создать взаимосвязи между символами и их посадочными местами — сформировать Таблицу выводов компонента.

Создание новой библиотеки начинается с создания каталога библиотеки. Предварительно необходимо настроить конфигурацию Symbol Editor. В меню Libraryвыбрать New. Затем необходимо подключить новую библиотеку к проекту. На панели Library Setup нажать кнопку Add.

Затем рисуем УГО элемента (на примере микросхемы ULN2003) и создаем выводы символа. Выбрать команду Place/Pin и щелкнуть левой кнопкой мыши. В появившемся диалоговом окне (рисунок 7) в поле Length (длина) установить флажок User (5 мм). Для инверсного выхода в поле Outside Edge (выходной контакт) выбрать значение Dot (кружок инверсии). При необходимости для перенумерации контактов выполняется команда Utils/Renumber.

Рисунок 7. Подключение вывода.

Затем размещаем атрибуты и точку привязки элемента (выполнить команду Place/Ref Point для задания точки привязки символа), после чего сохраняем элемент в библиотеку. Для этого: вызвать команду Symbol/Save As. В поле Library выбрать имя нужной библиотеки. Включить метку занесения информации в библиотеку как отдельного элемента - Create Component. В окне Symbol набрать имя символа DА, в окне Component - имя компонента DА и нажать кнопку ОК. В появившемся диалоговом окне Save Component As в области Component Туре установить флажок Normal и нажать ОК.

Результат изображён на рисунке 8.

Рисунок 8. УГО одного вентиля ULN2003.

Затем создаётся посадочное место компонента. Посадочное место компонента можно создать с помощью графического редактора P-CAD Pattern Editor. Указанный редактор запускается исполняемым модулем PATED.EXE или из среды любого из редакторов P-CAD командой Utils/P-CAD Pattern Editor.

Конфигурация настраивается так же, как и в Symbol Editor.

Командой Pattern/Open открываю из стандартной библиотеки посадочное место SO-G16.

Сохраняем полученное посадочное место в своей библиотеке с помощью команды Pattern/Save as. В поле Library выбрать имя нужной библиотеки. Метку на Create Componentставить не нужно.

Рисунок 9. Посадочное место SO-G16.

Для того чтобы привязать созданный символ к посадочному месту, используется менеджер библиотек Library Executive. Запускается из среды любого графического редактора P-CAD командой Utils/P-CAD Library Executive.

После запуска программы необходимо выполнить команду Component New и выбрать нужную библиотеку, в которой ранее записаны сведения о графике символов и посадочных местах компонентов.

Щелкаем по кнопке Select Pattern, вводим имя посадочного места (в данном случае — SO-G16), в окно Number of Gates вводим число вентилей компонента (7) и нажимаем Enter.

Щелкните по кнопке Select Symbol, выберите имя символа (в данном случае — DА).

В окне Refdes Prefix пишем DА (так будут на схеме именоваться в будущем позиционные обозначения компонентов).

В области Component Type включаем флажок Normal - обычный компонент.

В области Gate Numbering задаём способ нумерации секций Numeric (числовой способ).

Для создания Таблицы выводов Pins View щелкните по кнопке Pins View и заполняеме таблицу.

Рисунок 10. Таблицы выводов.

После выполнения всех указанных выше операций для создания интегрированного образа компонента необходимо выполнить команду Component/Validate для проверки согласованности всех данных компонента. Если ошибок не найдено, нужно сохранить символ командой Component/Save as.

На этом создание компонента считается законченным.

При создании компонентов введены следующие обозначения:

■ Pad Number — номер вывода (контактной площадки) корпуса, определяется технической документацией;

■ Pin Designator — позиционное обозначение вывода символа компонента, определяется технической документацией;

■ Symbol Pin Number — порядковый номер вывода в секции (вентиле) компонента, задается пользователем при кодировании контактов секции;

■ Pin Name — имя вывода в секции компонента, определяется технической документацией.

5.2 Создание схемы электрической принципиальной.

После настройки конфигурации графического редактора P-CAD Schematic и при наличии в библиотеке всех символов компонентов, содержащихся в заданной электрической схеме (текущем проекте), можно приступать к созданию последней. Последовательность действий при этом такова:

Загружаем графический редактор P-CAD Schematic.

Настраиваем конфигурацию редактора. При настройке щелкаем кнопку Edit Title Sheets, затем в заставке Titles в области Title Block щёлкаем кнопку Select, выбераем файл с готовой форматкой и щелкаем кнопку Открыть. На экране появится изображение форматки с полями.

Выполяем команду для заполнения информации о проекте File/ Design Info/Fields, затем последовательно выделяем нужные строчки, нажимаем кнопку Properties и заполняем окно Value нужным текстом в заставке Field Properties. После ввода каждой категории данных нажимаем кнопку ОК.

Выполняем команду Place/Field. В результате откроется одноименное диалоговое окно, в котором выберите имя информационного поля Title (наименование чертежа) и нажмаем ОК. Затем устанавливаем курсор в нужное поле форматки (поле должны быть достаточно промасштабировано) и щелкаем мышкой. Появится текст с именем проекта или текущего листа (вводится по команде Options/Sheets).

Повторяем команду Place/Field необходимое число раз для заполнения требуемых полей форматки.

Загружаем нужные библиотеки командой Library Setup, добавляя их имена в область Open Libraries после нажатия кнопки Add.

Размещение библиотечных элементов по команде Place/Part и в появившемся диалоговом окне (рисунок 11) выберите требуемый символ, активизировав нужную строку появившегося списка элементов открытой ранее библиотеки (или откройте нужную библиотеку, нажав кнопку Library Setup). Предварительно изображение выбранного символа можно просмотреть после нажатия на кнопку Browse. В окне Part Num по умолчанию указывается номер секции 1, однако можно изменить номер секции в окне.

Рисунок 11. Выбор и размещение компонентов.

Чтобы секции компонента вместо буквенных обозначений имели последовательную числовую нумерацию, необходимо в программе P-CAD Library Executive в меню Component Information выбрать способ числовой нумерации секций Gate Numbering: Numeric. В этом случае секции получают обозначения DD1:1, DD1:2, DD1:3 и т. д.

Если необходимо сделать невидимыми Туре элемента или имена, или номера его контактов, то необходимо выделить размещенный элемент (или его вентиль), нажать правую кнопку мыши и в меню Properties, в разделе Symbolи его области Visibility убрать флажок Туре, а в разделе Symbol Pins в областях Pin Designator или Pin Name убрать соответствующие флажки. При этом необходимо после операции с каждым контактом нажимать кнопку Apply (применить). По окончании операций по удалению с экрана монитора ненужной информации нажать ОК.

После проведения перечисленных подготовительных операций для размещения символа щелкаем в нужном месте форматки — появится изображение выбранного элемента схемы. Если требуется размножить элемент, то щелкаем в разных местах форматки. В результате появятся копии выбранного элемента с разными позиционными номерами. До тех пор, пока нажата кнопка мыши, символ компонента можно перемещать по полю экрана, поворачивать его (клавиша R), зеркально отображать (клавиша F).

Для размещения других элементов схемы повторяем команду Place/ Part столько раз, сколько разных символов содержит схема. Размещенные элементы после их выделения можно передвигать по рабочему полю в нужное место, поворачивать их или зеркально отображать. Для выделения отдельного элемента символа (вывод символа, элемент графики, позиционное обозначение и т. п.) необходимо удерживать клавишу Shift. Для одновременного выделения нескольких символов удерживайте клавишу Ctrl.

В дальнейшем выделенный элемент символа можно редактировать после нажатия на правую кнопку мыши и последующего выбора опции Properties.

Электрическое соединение контактов размещенных элементов производится после выполнения команды Place/Wire. Ширина линии связи устанавливается по команде Options/Current Wire: Thick -(широкая) шириной 0,381 мм (15 mil), Thin (узкая) шириной 0,254 мм (10 mil) и User - задается пользователем. Щелкая мышкой в соответствующих местах рабочего поля можно соединять контакты линиями связи различной конфигурации. Нажатие клавиши О до отпускания кнопки мыши изменяет угол ввода линии из числа разрешенных углов, задаваемых в меню Options/Configure, а нажатие клавиши F изменяет ориентацию линии. При окончании проведения очередной электрической цепи щелкните правую кнопку мыши или клавишу Esc. Для включения в цепь дополнительной точки излома выполняется команда Rewire/Manual.

В строке информации монитора автоматически выводится имя выделенной цепи, присвоенное системой. Изменить имя цепи можно двумя способами.

Первый способ: выделить нужную цепь (или ее фрагмент), щелкнуть правой кнопкой мыши и выбрать меню редактирования Properties. В закладке Wire активизировать окно Display (если имя цепи должно быть видимым), а в закладке Net в окне Net Name ввести имя цепи и нажать ОК. В результате у выделенного участка цепи появится заданное имя. Тип и размеры шрифта имени цепи устанавливаются после нажатия на кнопку Text Styles закладки Wire.

Второй способ: если группа цепей имеет однородные имена типа А1, А2, A3 и т. д., то для автоматической нумерации таких цепей необходимо выполнить команду Utils/Rename Nets. Щелкнуть по первой цепи и затем в появившемся диалоговом окне Utils/Rename Wire/ Port дать имя цепи с начальным номером (например, А1), активизировать флажок Increment Name-и щелкнуть ОК. Затем прощелкать нужные цепи, имена которым задаются автоматически в зависимости от очередности их указания мышкой (при указании цепь выделяется цветом). Чтобы визуализировать имена цепей, необходимо выделить нужную(ые) цепь(и), щелкнуть правой кнопкой мыши и в меню Properties в разделе Wire активизировать флажок Display.

Имя цепи можно перемещать, если при нажатой клавише Shift выделить имя цепи, отпустить клавишу Shift и переместить имя цепи в нужное место.

Электрическое соединение отрезков линий, изображающих одну и ту же цепь, на схеме обозначается точкой (по умолчанию — зеленого цвета). На Т-образных соединениях точка проставляется автоматически. Для соединения пересекающихся отрезков цепей необходимо при построении второй цепи щелкнуть курсором в точке пересечения цепей, а затем продолжить нужные построения цепи.

Имена электрических цепей, подводимых к шине, задаются командой Place/Port для подключения к цепи портов. Порт - специальный элемент схемы, который присваивает имя подключенной к нему цепи и определяет ее для всех листов проекта (глобальная цепь) или нескольким частям (фрагментам) цепи на одном листе схемы. Такая цепь представляет собой единую компоненту связности, а порт используется для объединения элементов шины в одну компоненту связности. Порту присваивается имя цепи. У порта может быть один или два контакта для подсоединения к цепи.

Рисунок 12. Создание принципиальной схемы.

После создания и проверки принципиальной схемы выполняется генерация списка соединений.

Рисунок 13. Генерация списка соединений.

Список соединений включает в себя информацию о соединении вывода компонента с определенной цепью (указывается номер или имя электрической цепи). Эта информация используется при «упаковке схемы на печатную плату», т. е. при размещении корпусов-компонентов на монтажно-коммутационном поле - ПП.

Список соединений формируется после выполнения команды Utils/ Generate Netlist. В диалоговом окне (рисунок 13) в окне Netlist Format выбирается требуемый формат записи списка соединений, выбирается формат P-CAD ASCII. Имя файла списка соединений предлагается по умолчанию, а изменить имя можно е нажатия на кнопку Netlist Filename. При включении флажка Include Library Information в файл включается информация, необходимая для формирования в проекте библиотеки символов компонентов с помощью программы Library Executive (команда Library/ Translate).

5.3 Разработка печатной платы.

Перед размещением компонентов вручную на печатную плату или перед выполнением процедуры упаковки схемы на печатную плату необходимо подключить к проекту соответствующие библиотеки. Для этой цели используется команда Library/Setup. После выбора библиотеки нажимается кнопка Add.

После настройки конфигурации и определения всех параметров проекта можно приступать непосредственно к разработке печатных плат. Задача разработки печатных плат сводится к размещению компонентов проекта по отношению друг к другу на поле печатной платы и созданию правил ручной и автоматической трассировки соединений на плате.

Перед размещением компонентов на плату определяется шаг сетки рабочего поля. Например, для компонентов с планарными выводами этот шаг устанавливается равным 1,25 мм, а для компонентов со штыревыми выводами - 2,5 мм.

Затем необходимо в слое Board нарисовать на рабочем поле монитора замкнутый контур печатной платы. Прорисовка производится с помощью команд Place/Line и Place/Arc.

Затем загружаем Netlist. Для этого необходимо по команде Utils/Load Netlist загрузить файл списка соединений (расширение .net) печатной платы.

Рисунок 14. Загрузка Netlist.

Производится так называемая упаковка схемы на печатную плату (должна быть открыта нужная библиотека).

При размещении компонентов на печатной плате зачастую требуется скорректировать свойства компонента: изменить тип посадочного места, переместить или изменить имя компонента, зафиксировать компонент и т. п. Для этих целей служит команда Edit/Properties, которая становится доступной после выделения компонента. Окно этой команды содержит пять закладок, которые в полной мере решают задачи редактирования компонента.

Первая закладка Pattern. Флажок Fixed фиксирует компонент в заданном месте платы. В этом случае к компоненту нельзя применить операции переноса, вращения, зеркального отображения, вырезания, удаления, смены посадочного места и т. д. Если же компонент не зафиксирован, то к нему можно применять все возможные в указанном меню действия.

Могут быть отредактированы атрибуты номинала (Value), тип (Туре) компонента и его позиционное обозначение (RefDes).

После нажатия на кнопку Change Pattern можно изменить посадочное место компонента.

В окнах Location отображаются координаты точки привязки компонента. Флажок Flipped служит индикатором переноса компонента на противоположную сторону платы. В строке Rotation показан угол поворота компонента относительно его базового положения, зафиксированного в библиотеке компонентов. В области Visibility, при включении соответствующих флажков, устанавливается видимость позиционного обозначения, номинала и типа компонента.

Закладка Pattern Pads для редактирования контактных площадок установочного места компонента.

В окне Pads выводится список контактных площадок выбранного компонента. В области Location отображаются координаты контактной площадки, выбранной в окне Pads. В строке Net Name указано имя цепи, подключенной к выбранному контакту. Стиль контактной площадки указан в окне Pad Style, и его можно изменить выбором нужного стиля (из доступных в проекте) в окне Pad Style или после нажатия кнопки Pad Styles. Кнопки Set All и Clear All выделяют или снимают выделение всех контактных площадок. После проведенных изменений каждой контактной площадки нажимается кнопка Apply.

В следующей закладке Component приводится справочная информация о выбранном компоненте: имя библиотеки, в которой закодирована информация о посадочном месте компонента, его тип Туре, имя посадочного места Pattern Name, число вентилей в корпусе Number of Gates, текущий номер вентиля Gate Number и т. д.

В закладке Component Pins представлена (но не может редактироваться) информация о выводах выбранного компонента. Эта информация кодируется и редактируется при создании компонента в редакторе P-CAD Library Executive.

В закладке Attributes отображены атрибуты компонента. Для того чтобы изменить существующий атрибут, необходимо нажать кнопку Properties и в окне Value проставить новое значение атрибута. Чтобы добавить новый атрибут, надо нажать кнопку Add и затем в окне Name ввести имя нового атрибута, а в окне Value — значение атрибута. Для удаления атрибута надо выделить строку с именем и значением атрибута, а затем нажать кнопку Delete.

Для поиска компонента по его схемному имени, для проверки его расположения на печатной плате, проверки цепей, подсоединенных к компоненту, используется команда Edit/Components.

В окне Components представлен весь список компонентов проекта. Можно выделить на экране цветом собственно компонент (кнопка Hightlight), а также все цепи, подходящие к нему (кнопка Hightlight Attached Nets). Можно отменить выделение цветом компонента (кнопка Unhightlight) и цепей, подходящих к компоненту (кнопка Unhightlight Attached Nets). После нажатия на кнопку Jump можно перейти на схеме к выделенному компоненту. И наконец, можно приступить к редактированию компонента после нажатия на кнопку Properties.

Команда Utils/Force Update позволяет заменить в проекте указанные пользователем компоненты на однотипные другие библиотечные компоненты.

В списке Components перечислены типы всех компонентов, используемых в проекте. Заменяемые компоненты можно выделить стандартным способом. Флажок Maintain Rotation сохраняет углы поворота компонентов.

Сохраняем файл в формате ASCII и переходим в программу TopoR.

5.4 Трассировщик TopoR.

Загружаем файл созданный в редакторе PCB в трассировщик TopoR. Перед началом трассировки необходимо определить стиль разработки.