Применение SADT-технологии в конструировании печатных плат

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

*

обеспечения гарантированного одночастотного режима работы генератора.

На рис. 2, 3 приведены частотные характеристики такой ПАВ ЛЗ на среднюю частоту 70, 00 МГц.

Исследования одночастотного генератора с ПАВ ЛЗ по фильтровой схеме Батлера (рис. 1) в целом подтвердили возможность получения приемлемых для практического применения характеристик. Достигнута кратковременная нестабильность частоты генератора 10-9 (без учета температурной нестабильности), а диапазон плавной перестройки частоты внешними электронными фазовращателями составляет до 25% полосы пропускания ПАВ ЛЗ.

Проведенные исследования ПАВ-генераторов дают обнадеживающие результаты и подтверждают целесообразность специального топологического проектирования ПАВ-фильтров для высокостабильных акустоэлектронных генераторов.

Библиографический список

1. Манасевич, В. Синтезаторы частот: Теория и проектирование / В. Манасевич. — М. : Связь, 1979. — 382 с.

2. Никонова, Г. С. Оценка кратковременной нестабильности частоты генератора на поверхностных акустических волнах. Одночастотный режим работы / Г. С. Никонова, И. В. Никонов // Техника радиосвязи. — 2010. — Вып. 15. — С. 100 - 106.

3. Никонов, И. В. Одномодовая линия задержки с двумя расстроенными по частоте преобразователями / И. В. Никонов // Вопросы теории и практического использования поверхностно-акустических волн : межведомствен. сб. — М. : Изд-во МЭИ, 1982. - № 2. - С. 134 -137.

4. Доберштейн, С. А. Высокоизбирательные самосогласованные фильтры на ПАВ с малыми потерями на различных срезах ниобата лития / С. А. Доберштейн, В. А. Малюхов, К. А. Николаенко // Радиоэлектроника. — 1991. — № 1. — С. 87 — 91.

АРЖАНОВ Валерий Андреевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики». НИКОНОВА Галина Сергеевна, аспирантка кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 06.03.2012 г.

© В. А. Аржанов, Г. С. Никонова

УДК б21.3.049.75 М. Е. ОСИНКИНА

Омский государственный технический университет

ПРИМЕНЕНИЕ SADT-ТЕХНОЛОГИИ В КОНСТРУИРОВАНИИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

В данной статье рассмотрен современный подход к вопросу проектирования печатной платы. Проанализированы особенности конструирования печатной платы и возможности их производства, используется метод их проектирования, базирующийся на принципах SADT-методологии.

Ключевые слова: печатная плата, SADT-методология, тепловой расчет, ЭМС, топология, компоненты.

Современные многослойные печатные платы составляют две трети мирового производства печатных плат в ценовом исчислении, хотя в количественном выражении уступают одно- и двухсторонним платам. К многослойным платам предъявляют высокие требования, в том числе и для трассировки.

Существует множество программ для трассировки печатных плат, но большинство из них не выполняют полностью разводку цепей. У некоторых программ существует ограничение на использование определенного количества цепей. Также при конструировании встречаются технологические ограничения, например, выход за границы трассировки печатной платы или трассировка в зоне крепежа. Некоторые трассировщики «запрограммированы» на обеспечение 100% разводки и поэтому на платах могут быть очень длинные цепи, проложенные по всем возможным слоям печатной платы и включа-

ющие множество переходных отверстий для ветвления цепей по слоям. Из сказанного следует, что для приемлемой разводки печатной платы, удовлетворяющей технологическим и схемотехническим требованиям, следует в непростых ситуациях технологических ограничений прибегать к ручной разводке. Подчеркнем, что современные печатные платы отличаются сложностью обширной элементной базой и большим количеством цепей, поэтому разводку ведут в автоматизированном режиме программой для трассировки печатных плат, а все критические моменты прорабатывают вручную. Этими моментами являются элементы в сложном корпусе с большим количеством дифференциальных пар или микрополосковых линий передачи, которые следует просчитывать.

В современных печатных платах применяют быстродействующие полупроводниковые приборы и

Таблица І

Этапы создания печатной платы__________________________________________________

№ Название этапа Содержание этапа

Анализ На каждую печатную плату выдается свое техническое задание, связанное с ее функциональным назначением, в котором содержатся конкретные требования по определенным цепям, будь это цепи питания или сигнальные цепи с указанными ограничениями.

2 Проектирование В печатных платах содержатся разные компоненты по назначению и габаритным размерам, с различными электромагнитными свойствами и тепловыми режимами, которые необходимо учесть при установке. Для размещении компонентов и создания топология рисунка печатной платы необходимо провести расчеты, связанные с электромагнитной совместимостью, перегревом как компонентов, так и самой печатной платы.

3 Реализация Для создания «разведенной» печатной платы необходимы материалы и химикаты, которые дадут качественное изготовление печати. Также для качественного и точного монтажа компонентов необходимо использовать соответствующее оборудование.

4 Тестирование При получении готовой печати с установленными компонентами необходимо проверить и протестировать ее во всех условиях эксплуатации, в которых она будет функционировать.

5 Установка Транспортировка и установка печатной платы в сборочный узел.

6 Функционирование Стабильная работа печатной платы на основном объекте на протяжении нескольких лет.

возрастает общее число компонентов, что приводит к электромагнитным помехам и их перегреву. При размещении компонентов на печатной плате следует обеспечить наилучшие условия достижения электромагнитной совместимости. Также необходимо в плате обеспечить выполнение тепловых требований. Эти два предъявленные требования, как известно, являются противоречивыми. Конструктор должен расставить приоритеты в требованиях в зависимости от вида, назначения, условий эксплуатации печатных плат.

Потребность в них постоянно возрастает и поэтому, для более сложных быстродействующих печатных плат специального назначения необходимо разработать универсальный алгоритм для их разработки и конструирования. Для эффективного проектирования печатной платы, где будут учтены все факторы влияния и требования к печатной плате, целесообразно рассмотреть методологию SADT.

SADT (Structured Analysis and Design Technique) — одна из известных методологий анализа и проектирования систем, предложенная Россом (Ross). SADT успешно применена в военных, промышленных и коммерческих организациях для решения широкого спектра задач [1].

Основная цель использования методологии состоит в четком структурировании деятельности с помощью блоков системы, разделение функций между блоками, определение входных, выходных и управляющих данных для каждого блока.

SADT-технология является одной из современных передовых технологий, служащих описанию работы систем средней сложности. Рассмотрим применение такой технологии для эффективного проектирования и конструирования сложных печатных плат.

Процесс создания печатной платы имеет несколько этапов, основные из них приведены в табл.1.

Из табл.1 видно, что за первые два (самых объемных и основных) этапа отвечает инженер-конструктор по печатным платам. Если произойдут недочеты на этих этапах, то печатная плата может отказать на оставшихся этапах или просто отбракована. Для избежание ошибок и недочетов в разработках инже-нера-конструктора следует в его деятельности выделить несколько этапов.

1-й этап направлен на определение объекта конструкторской деятельности. В конструкторской работе объектом является печатная плата, но так как ее создают в процессе работы, то конструктор начинает свою деятельность с изучения документации, переданную ему разработчиком-схемотехником. Документация включает схему электрическую принципиальную и перечень необходимых элементов. При чтении схемы электрической принципиальной конструктор отмечает тип печатной платы, к которому она относиться. Это может быть блок питания, блок селектора или блок цифровой обработки сигналов, и только потом отмечает виды питания (1,8 В; 3,3В; 5В и т.д.), разделена ли «земля» на аналоговую и цифровую. Конструктор рассматривает сигнальные цепи и наличие дифференциальных пар или 8-ми (16-ти, 32-х) битных сигналов памяти, отмечает функциональность микросхем, детально изучает базу элементов и вид монтажа: планарный или в отверстие.

2-й этап служит формулированию цели разрабатываемой модели. На данном этапе задают вопросы, ответы на которые необходимы для разработки печатной платы.

1.Каково количество слоев в печатной плате?

2.Каков порядок расположения слоев в печатной плате?

C1 C2 C3 C4 C5

Требования ГОСТОСТ ТУ Технологические разработчика требования

O печатная плата

M Инженер-конструктор Рис. 1. Диаграмма верхнего уровня создания печатной платы

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

Список функций

Обобщение функций

Собрать всю информацию на компоненты (габаритный размер, _____________высота)_____________

Выявить все греющиеся компоненты

Выявить все компоненты влияющие на ЭМС

Изучить техническое задание на _________печатную плату__________

Рассмотреть все запретные зоны

Рассчитать примерное количество слоев печатной платы

Рассчитать тепловой режим

Изучить влияние компонентов друг на ____________друга по ЭМС_____________

Рассчитать ЭМС на печатной плате

Сделать оптимальную компоновку на печатной плате

Создать топологию печатной платы

Создать по периметру платы полигоны для фильтрации «земли»

Выполнить проверку

Оформить КД

Получить информацию на компоненты

Получить информацию на ______печатную плату____

Рассмотреть максимальную температуру компонентов Рассчитать тепловой режим

Изучить тепловое влияние компонентов друг на друга

Рассчитать ЭМС на печатной плате

Сделать оптимальную компоновку на печатной плате

Создать топологию печатной платы

Выполнить проверку

Оформить КД

Рис. 2. Обобщение списка функций

Рис. 3. Обобщение списка объектов

Рис. 4. Установление соответствия между обобщенными объектами и функциями

Получить информацию на ____печатную плату______1

Получить информацию на ______компоненты________2

Рассчитать тепловой режим ^

Рассчитать ЭМС на печатной ____________плате____________4

Сделать оптимальную компоновку ________на печатной плате_______5

Создать топологию печатной ___________платы____________6

Выполнить проверку

7

Оформить КД

8

Рис. 5. Последовательность блоков, содержащих выявленные функции системы

3.Какова необходимая толщина фольги в печатной плате с учетом вида слоя (сигнальный или «земляной»)?

4.Какова необходимая емкость между слоями печатной платы?

5.Каково волновое сопротивление печатной платы?

6.Какое покрытие печатной платы следует использовать?

7.Какое финишное влагозащитное покрытие следует применять?

8.Каковы значения емкости и индуктивности элементов на печатной плате?

9.Какова частота дифференциальных сигналов?

10.Существуют на печатной плате теплоотводы?

11.Необходимо ли экранирование печатной платы?

В процессе создания печатной платы могут возникать дополнительные вопросы необходимые для ее проработки. В целом, по ответам на вышеперечисленные вопросы, можно сформировать «каркас» печатной платы с предъявляемыми требованиями к ее конструкции.

3-й этап заключается в составлении формулировки цели модели, чему способствует составлен-

ные на втором этапе вопросы. Цель инженера конструктора заключается в создании печатной платы с учетом предъявляемых требований разработчика, а также физических требований на печатную плату по теплу, ЭМС, вибрации, но при этом обеспечить возможность ремонтопригодности печатной платы.

4-й этап направлен на выявление ограничений, накладываемых разработчиком, при создании печатной платы. Учитывая, что печатная плата не является законченным изделием, а только одной из сборочных единиц изделия, то ограничения накладываются на габаритные размеры печатной платы в соответствии с размерами изделия, высоту монтажа элементов. Иногда ограничением может служить толщина печатной платы, но возможны ограничения на саму печатную плату, где указаны зоны крепежа, стыковки радиаторов, крепежа (припайки) экранов. В таких зонах нельзя вести топологию (как во внешних, так и во внутренних слоях), что уменьшает область деятельности конструктора.

На 5-м этапе представляется возможным построение SADT-диаграммы верхнего уровня (рис. 1). Диаграмма представляет четырехугольник, к каждой стороне которого подходят дуги в виде направленных отрезков прямых. Дуги имеют обозначе-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

338

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

ОМСКИИ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

С2 СЗ С5 С4 С2 С1

ГОСТ ОСТ Технологические ТУ на ГОСТнаЭМС Требования

М Инженер-конструктор

Рис. 6. Диаграмма второго уровня создания печатной платы

ния: вход (input) обозначают начальной буквой — I, управление (control) — С, выход (output) — O, механизм (mechanism) — M. Если имеется несколько дуг, подходящих к стороне прямоугольника, то обозначения сопровождают цифрами.

Входом диаграммы для описания системы «создать печатную плату» является техническое задание (I1), документация (I3) (схема электрическая принципиальная и перечень элементов) и персональный компьютер с необходимыми программами для работы инженера-конструктора (I2). Управлением при создании печатной платы служат ГОСТы, ОСТы, ТУ, требования разработчика и технологические требования. Выходом является готовая печатная плата.

6-й этап направлен на составление подробных списков объектов, входящих в систему, и функций, которые система должна выполнять.

Составим список объектов и список функций для конструирования печатных плат.

На рис. 2 (первый столбик) и на рис. 3 (первый столбик) представлен подробный список объектов и функций необходимых для конструирования печатной платы. В связи с тем, что печатные платы бывают разные по функциональности, например, могут быть платы питания, где много моточных элементов, сильно влияющих на ЭМС, но не выделяющие тепло. Имеются платы цифровой обработки сигналов, где все элементы расположены обычно в пластиковых корпусах и не влияют на ЭМС, но достаточно сильно нагреваются сами и, к тому же, расположены рядом. Поэтому подробный список объектов и функций может меняться в связи с назначением печатной платы. Иногда плата может включать в себя часть элементов питания и часть преобразования сигнала из аналогового в цифровой. Таким образом, подробный список может быть большим, и для дальнейшей работы следует обобщить список объектов и функций. Иными словами, из составленных подробных списков объектов и функций создаем обобщенные списки объектов и функций.

На рис. 2 и рис. 3 приведены обобщенные списки объектов и функций, из которых видно, что количество объектов и функций стало меньше.

7-й этап устанавливает соответствие между обобщенными объектами и функциями. Возьмем все обобщенные объекты и сопоставим их по функциональному смыслу с обобщенными функциями (рис. 4).

8-й этап объединяет обобщенные функции в блоки, что позволяет построить диаграмму более низкого уровня (второго уровня).

Самым главным и первым из блоков в диаграмме второго уровня является «Получить полную информацию на печатную плату», так как работу следует начинать, зная основные габариты печатной платы, зоны крепежа, зоны для запрета создания топологии. Следующим блоком является «Получить полную информацию на компоненты». Нам необходи-

мо знать основные габариты компонентов, из какого материала сделать корпус и какие предъявляются требования на эти компоненты. Третьим блоком поставлен «Рассчитать тепловой режим», четвертым — «Рассчитать ЭМС на печатной плате», но эти два блока могут меняться местами, а также один из них может отсутствовать. Все зависит от функциональности печатной платы.

После того как определены габариты платы и компоненты, выявлены чувствительные из них к ЭМС и нагреву, можно делать компоновку печатной платы и, следовательно, создавать топологию. Далее следует проверка печатной платы и создание на нее КД.

На рис. 5 показана установленная последовательность блоков. Самым первым и важным блоком является получение полной информации для создания печатной платы, без которой невозможно проектировать последующие блоки. После чего устанавливают последовательность оставшихся блоков по их функциональной важности.

9-й этап служит выявлению последовательности связей, нахождению управления, механизма исполнения необходимых ресурсов для функционирования диаграммы. Разработчиком плат является инженер-конструктор, ограничением и управлением являются ОСТы, ГОСТы, ТУ. Входом в каждый блок является, как правило, выход из предыдущего блока.

На рис. 6 показана диаграмма более низкого второго уровня, выражающая последовательность действий инженера-конструктора.

Таким образом, благодаря SADT-технологии проектирование печатных плат разделяют на последовательность этапов для достижения цели. Современные печатные платы отвечают высоким классам точности и характеризуются многослойной топологией, при которой следует учесть необходимые расчеты теплового режима и ЭМС. Построенная диаграмма по созданию печатных плат на основе SADT-технологии позволяет проектировать печатные платы, учитывая все технические и технологические требования.

Библиографический список

1. Лобова, Г. Н. БЛЭТ-технология индивидуальной исследовательской деятельности : моногр. / Г. Н. Лобова. — Омск : ОмГТУ , 2009 - 102 с.

ОСИНКИНА Марина Евгеньевна, аспирантка кафедры «Средства связи и информационная безопасность».

Адрес для переписки: e-mail: marishao@inbox.ru

Статья поступила в редакцию 09.04.2012 г.

© М. Е. Осинкина

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ