5 Порядок выполнения комплексного курсового проекта

Выполнение курсового проекта ведется согласно календарному плану, что является неотъемлемой частью задачи. Приблизительный порядок этапов выполнения комплексного курсового проекта такой:

Этап 1. Анализ технического задания.

Этап 2. Обзор аналогичных устройств и систем, их сравнительный анализ.

Этап 3. Разработка и обоснования функциональной схемы.

Этап 4. Выбор элементной базы и разработка структурной схемы.

Этап 5. Разработка и расчет элементов электрической схемы.

Этап 6. Проверка трудоспособности разработанного устройства с применением пакета сквозного проектирования ORCAD 9.x. Возможный вариант проектирования печатной и коммутационной плат в PCAD 200x.

Этап 7. Оформление объяснительной записки и графической части проекта по использованием современных пакетов.

6 Применение сапр в курсовом проектировании

Для ускорения проектирования электронных устройств и систем широко используются системы автоматизированного проектирования (САПР). Применение САПР разрешает промоделировать работу электронного устройства и системы после их вычисления и разработать конструкцию электронного устройства. В процессе работы над курсовым проектом с помощью САПР проверяется трудоспособность электронного устройства. Проверяются его основные электрические параметры и характеристики, разрабатывается печатная плата.

6.1 Этапы разработки

Процесс создания любого электронного устройства содержит в себе такие этапы:

• формирование технического задания (ТЗ) на разработку, определение структуры и алгоритма функционирования системы;

• разработка схемы электрической принципиальной и перечня элементов, а также выпуск соответствующей документации;

• разработка конструкции печатной платы и выпуск комплекта конструкторской и технологической документации..

6.2 Особенности разработки конструкторской документации с применением САПР

В процессе проектирования разрабатывается конструкция электронного устройства, исчисляются его прочность при механических влияниях, оцениваются его тепловые режимы, проверяется обеспечение требований электромагнитной совместимости и др.

Разработка любого изделия завершается выпуском конструкторской документации.

Основой оформления конструкторской документации в Украине и СНГ есть единая система конструкторской документации (ЕСКД). Этот документ регламентирует правила и положение по порядку разработки, оформление и обращения технической документации в ЕСКД.

Единая система конструкторской документации устанавливает нормы и правила, которые обеспечивают:

• упрощение форм конструкторских документов и графических изображений;

• возможность создания единой информационной базы автоматизированных систем (АСУП, АСУТП, САПР и др.);

• автоматизацию обработки документации и информации, которые содержится в ней;

• применение современных средств при проектировании.

Во время выполнения черчений, схем и спецификаций необходимо четко придерживаться требований стандарта относительно форматов, шрифтов, правил условно-графических и позиционных обозначений элементов схем и черчений.

Нужно помнить, что при одновременном применении импортной и отечественной элементной базы могут возникнуть расхождения вследствие разных базовых размеров интегральных схем и других компонентов, отличий их обозначений и др.

Во избежание этого рекомендуется тщательно выбирать систему САПР, а также создавать собственные библиотеки элементов, которые отвечают стандартам Украины и СНГ.

6.3 Состав САПР

Системы автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств имеют в своем составе, как правило, несколько редакторов.

6.3.1 Редактор схем. В этом редакторе пользователь вводит схему электрическую принципиальную устройства, которое розроблюється. Процедура работы состоит из таких этапов:

• выбор формата листа для размещения схемы (А4, А3, или другой);

• размещение стандартной рамки и штампа на листы;

• подключение библиотек элементов, необходимых для введения схемы принципиальной;

• за необходимости - редактирование, или создание новых библиотек элементов;

• размещение элементов схемы на рабочем поле программы САПР;

• создание соединений между элементами схемы;

• редактирование схемы - размещение элементов в оптимальном порядке;

• введение номинальных значений элементов;

• создание списка соединений и перечня элементов, экспорт черчения схемы с помощью графических редакторов.

Схемные редактора многих пакетов большинство из вышеупомянутых процедур компиляции выполняют автоматически при экспорте схемы в другие модули САПР.

Рисунок 6.1 - Окно программы OrCAD Schematic с фрагментом схемы

6.3.2 Редактор библиотек. С помощью этого программного модуля осуществляется крайне важный этап проектирования - создание новых элементов и редактирование существующих с целью приведения их обозначений в соответствие с требованиями стандартов.

В библиотеках каждому элемента отвечают три составу:

• условно-графическое обозначение на схеме электрической принципиальной;

• условная пометка на печатной плате, с расположением выводов элемента;

• таблица соответствия между обозначениями на схеме и печатной плате.

В библиотеках некоторых САПР есть также математическая модель элемента, который используется при проведении симуляции (моделирование) работы электрической схемы устройства.

6.3.3 Редактор физического размещения элементов на печатной плате. Используя этот редактора, пользователь имеет возможность получить законченную конструкцию печатной платы разрабатываемого устройства. Модуль работает как самостоятельно так и в комплексе со схемным редактором. В последнем случае связок между редакторами (одно или двусторонний) осуществляется с помощью списка соединений, который генерируется редактором схем.

Модуль печатных плат обычно содержит дополнительные блоки, которые осуществляют функции:

• размещение элементов в ручному, или автоматическому режимах;

• задача шаблонов размещения элементов на печатной плате;

• размещение трасс (трассирование) между соединений элементов в ручном или автоматическом режимах;

• задача предыдущих условий автоматического трассирования;

• трассирование односторонних или многослойных печатных плат с автоматическим размещением переходных отверстий;

• вывод необходимой конструкторской документации: - файлов размещения элементов, файлов свердлування печатной платы и черчений для изготовления фотошаблонов;

• анализа температурных, электромагнитных и других характеристик разработанного устройства.

6.4 Практические рекомендации из выбора САПР

6.4.1 Наиболее распространенной системой автоматизированного проектирования есть пакет PCAD (Accel EDA (Electronic Design Automatic)) фирмы Accel [6]. PCAD является мощным средством разработки радиоэлектронных устройств.

Главное преимущество PCAD - хорошо отработанные алгоритмы трассирования, авторозміщення, наличие большого количества дополнительных функций, гибкое архитектура, которая разрешает осуществлять непосредственную связь между модулями программы.

Рисунок 6.2 - Окно программы P-CAD PCB с выполненным трассированием

К недостаткам можно отнести несоответствие библиотек элементов отечественным стандартам.

6.4.2 Стандартом в области сквозного проектирования электронных устройств есть система САПР ORCAD фирмы CADENCE. ORCAD содержит в себе все модули EDA- программ, а также дополнительно - программы PSPICE, SPEСCTRA и другие модули, которые делает данный продукт безоговорочным лидером на рынке сквозных САПР.

Состав системы OrCAD в зависимости от версии системы набор редакторов может различаться:

• OrCAD Capture - графический редактор схем;

• OrCAD Capture CIS (Component Information System) - графический редактор схем с возможностями доступа к базам данных через Интернет;

• OrCAD Express - программа моделирования цифровых устройств (содержит в себе встроенный редактор схем OrCAD Capture) и интерфейс с программами проектирования программированных логических схем (ПЛІС) типа PLD, CPLD и FPGA с возможностью использования VHDL-Описаний (версия 9.1);

• OrCAD Express CIS - программа Express, какая дополненная возможностями доступа к базам данных через Интернет;

• OrCAD Express Enterprise Edition - набор инструментов, которые поставляются дополнительно к OrCAD Express для доверенности у базы данных сведений о применяемых корпусах компонентов;

• OrCAD Layout - разработка печатных плат;

• OrCAD Layout Plus - программа OrCAD Layout, сетевым автотрасувальником SmartRoute;

• OrCAD Layout Engineer's Edition - программа просмотра печатных плат, которые созданы с помощью Layout или Layout Plus. Она предназначена для размещения компонентов на плате и прокладка наиболее критических соединений, которые выполняются инженером схемотехником перед предоставления задачи на проектирование печатной платы конструктору (аналог программы ACCEL Relay);

• Visual CADD - графический редактор фирмы Numera Software (упрощенный аналог AutoCAD).

Новая система ORCAD Unison Suite объединяет все вышеперечисленные модули с программой моделирования PSpice под управлением одной интегрированной оболочки. К сожалению, библиотеки элементов ORCAD содержат обозначение элементов, которые не отвечают стандартам Украины. Поэтому для использования документации, которая создается САПР, необходимо переработать значительное количество библиотек. Встроенные библиотеки ORCAD есть наиболее полными и содержат не только данные о типе элементов, но и большие библиотеки фирм-производителей с математическими моделями, который делает ORCAD практически незаменимым при моделировании электронных устройств. Библиотеки ORCAD наиболее пополняемы, так как практически все фирмы - производители электронных компонентов и изделий считают обязательным предоставлять модели математических описаний всех новых изделий.

6.4.3 EAGLE LAYOUT EDITOR фирмы Cadsoft. Несмотря на простоту EAGLE LAYOUT EDITOR владеет, тем временем, значительными преимуществами:

• малый объем необходимого дискового пространства (около 50 МВ);

• простота интерфейса пользователя;

• довольно значительный объем библиотек;

• удобство в работе;

• почти полное соответствие библиотек условно-графических обозначений схемного редактора стандартам Украины;

• удобная система графических обозначений в редакторе физического размещения, которое облегчает работу монтажника.

Рисунок - 6.3 Окно редактора плат программы EAGLE LAYOUT EDITOR

К недостаткам EAGLE можно отнести нестандартный формат исходных файлов (версии 4.0, 4.02), наличие только одного типа автоматического трасувальника, невозможность создания печатных плат с более чем двумя проводящими пластами для freeware (бесплатной) - версии программы.

На основании обзора наиболее распространенных САПР радиоэлектронной аппаратуры можно сделать такие выводы:

• выбор конкретной САПР определяется требованиями разработчика;

• для разработки нескладных устройств и при отсутствии потребности в проведении моделирования работы устройства нерационально применять сложные в освоении сквозные САПР типа ORCAD;

• если будет потребность выпуска полного комплекта конструкторской документации (черчение схем, плат, размещение элементов, файлы сверления, размещение и др.) необходимо делать выбор между простыми САПР типа EAGLE и необходимостью редактировать большое количество библиотек в сложных САПР;

• как вариант редактирования можно рассматривать возможность приведения документации к стандарту в графических редакторах, которые не входят в САПР. (Например, в пакете COREL DRAW, что есть стандартным для большинства фотоплотерів).

6.5 Разработка печатных плат

Разработку печатных плат рекомендуется проводить с использованием САПР P-CAD 2000.

Пакет P-CAD 2000 содержит в своем составе три основные программы:

• схемный графический редактор Schematic;

• технологический графический редактор P-CAD PCB;

• редактор библиотек Library Executive.

Вышеупомянутые программы работают под управлением ОС Windows и вызываются в диалоговом окне P-CAD с помощью активации (двойного нажатия клавишей мыши) иконки избранной программы. Все редактора имеют графический интерфейс Windows, что разрешает использовать стандартные системы меню команд, которые выпадают, типичные наборы кнопок быстрого вызова и все средства Windows для отладки периферийного оборудования.

Для выполнения печатной платы в P-CAD 2000 необходимо выполнить такие этапы:

• за необходимости создать файл библиотеки компонентов проектированного устройства;

• создать и отредактировать принципиальную схем;

  • создать файл соединений элементов;

• провести компонование элементов на плате в редакторе P-CAD - PCB;

• задать параметры трассирования - (ширину, расстояние между проводниками и и др.) выполнить трассирование печатной платы.

Создание файла библиотеки компонентов выполняется в программе Library Executive P-CAD 2000.

Каждый компонент в системе P-CAD 2000 состоит из трех частей:

• символьного образа элемента (создается и редактируется в Library Executive с помощью утилиты P-CAD Partten Editor командой Library Executive\Utils\ P-CAD Partten Editor...);

• технологического образа элемента (создается и редактируется в Library Executive с помощью утилиты P-CAD Partten Editor командой Library Executive\Utils\ P-CAD Simbol Editor...);

• списка связей символьного и технологического образов (создается в окне, которое выпадает, Library Executive по команде Library Executive\Component\Open... избранного в окне компонента).

Создание новой библиотеки осуществляется по команде Library Executive\ Library \New.

Создание нового компонента возможно при создании символа или технологического образа (при сохранении появится опция создать новый компонент) или по команде Library Executive\Component\New.

Создание принципиальной схемы осуществляется в программе P-CAD Schematic. Файлы с принципиальными схемами необходимые для создания списка соединений и имеют расширение *.sch. Вид рабочего окна программы приведено на рис.6.4.

Для создания схемы необходимо выполнить такие этапы:

• подключить библиотеки компонентов;

• перенести изображение элементов схемы на рабочее поле окна P-CAD Schematic;

• создать соединение между элементами;

• сохранить файл схемы командой P-CAD Schematic\File\Save...

• создать файл соединений элементов командой P-CAD Schematic\Utils\Generate NetList...

Рисунок 6.4 - Окно программ P-CAD Schematic

Компонование и создание печатной платы осуществляется в программе P-CAD PCB. Вид рабочего окна программы P-CAD PCB приведено на рис. 6.5.

Рисунок 6.5 - Рабочее окно программы P-CAD PCB

Для разработки печатной платы необходимо выполнить такие этапы:

• подключить библиотеку компонентов командой P-CAD PCB\Library\Setup...;

• выбрать опции трассирования командой P-CAD PCB\Options\Layers..;

• обозначить контуры платы;

• выполнить расположение элементов.

• выполнить трассирование;

• сохранить файл трассирования.

Рабочее окно программы P-CAD PCB с выполненным трассированием приведено на рисунке 6.2.

В результате выполненных действий программа Р-СА разрешает получить файлы размещения элементов, вид трассирования печатной платы, файл соединения элементов, файл формата GERBER для выполнения шаблонов с помощью плотерів, а также фрезирование печатной платы, файл сверления для автоматизированного изготовления печатной платы на сверлящем оборудовании, файл для автоматического размещения элементов.

Системы автоматизированного проектирования является мощным инструментом, который разрешает оптимизировать процесс создания радиоэлектронных устройств. Основой для создания действительно качественной продукции есть глубокое знание схемотехники и физических основ работы элементов, которые применяются.