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 = R5N3

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]





3

2

1

10

8

6

4

2RASPL = (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.