5 Порядок виконання комплексного курсового проекту
Виконання курсового проекту ведеться відповідно до календарного плану, що є невід'ємною частиною завдання. Приблизний порядок етапів виконання комплексного курсового проекту такий:
Етап 1. Аналіз технічного завдання.
Етап 2. Огляд аналогічних пристроїв і систем, їхній порівняльний аналіз.
Етап 3. Розробка і обґрунтування функціональної схеми.
Етап 4. Вибір елементної бази й розробка структурної схеми.
Етап 5. Розробка і розрахунок елементів електричної схеми.
Етап 6. Перевірка працездатності розробленого пристрою із застосуванням пакета наскрізного проектування ORCAD 9.x. Можливий варіант проектування друкованої та комутаційної плат в PCAD 200x.
Етап 7. Оформлення пояснювальної записки і графічної частини проекту з використанням сучасних пакетів.
6 Застосування сапр у курсовому проектуванні
Для прискорення проектування електронних пристроїв та систем широко використовуються системи автоматизованого проектування (САПР). Застосування САПР дозволяє промоделювати роботу електронного пристрою і системи після їх обчислення та розробити конструкцію електронного пристрою. У процесі роботи над курсовим проектом за допомогою САПР перевіряється працездатність електронного пристрою. Перевіряються його основні електричні параметри та характеристики, розробляється друкована плата.
6.1 Етапи розробки
Процес створення будь-якого електронного пристрою містить у собі такі етапи:
формування технічного завдання (ТЗ) на розробку, визначення структури й алгоритму функціонування системи;
розробка схеми електричної принципової та переліку елементів, а також випуск відповідної документації;
розробка конструкції друкованої плати та випуск комплекту конструкторської й технологічної документації..
6.2 Особливості розробки конструкторської документації із застосуванням САПР
У процесі проектування розробляється конструкція електронного пристрою, обчислюються його міцність при механічних впливах, оцінюються його теплові режими, перевіряється забезпечення вимог електромагнітної сумісності та ін.
Розробка будь-якого виробу завершується випуском конструкторської документації.
Основою оформлення конструкторської документації в Україні та СНД є єдина система конструкторської документації (ЄСКД). Цей документ регламентує правила та положення по порядку розробки, оформлення й обігу технічної документації в ЄСКД.
Єдина система конструкторської документації встановлює норми й правила, що забезпечують:
спрощення форм конструкторських документів і графічних зображень;
можливість створення єдиної інформаційної бази автоматизованих систем (АСУП, АСУТП, САПР та ін.);
автоматизацію обробки документації й інформації, що міститься в ній;
застосування сучасних засобів при проектуванні.
Під час виконання креслень, схем і специфікацій необхідно чітко дотримуватися вимог стандарту щодо форматів, шрифтів, правил умовно-графічних і позиційних позначень елементів схем і креслень.
Слід пам'ятати, що при одночасному застосуванні імпортної й вітчизняної елементної бази можуть виникнути розбіжності внаслідок різних базових розмірів інтегральних схем та інших компонентів, відмінностей їхніх позначень та ін.
Щоб уникнути цього рекомендується ретельно вибирати систему САПР, а також створювати власні бібліотеки елементів, що відповідають стандартам України та СНД.
6.3 Склад САПР
Системи автоматизованого проектування радіоелектронних пристроїв мають у своєму складі, як правило, декілька редакторів.
6.3.1 Редактор схем. У цьому редакторі користувач вводить схему електричну принципову пристрою, що розроблюється. Процедура роботи складається з таких етапів:
вибір формату аркуша для розміщення схеми (А4, А3, або інший);
розміщення стандартної рамки й штампа на аркуші;
підключення бібліотек елементів, необхідних для введення схеми принципової;
за необхідності – редагування, або створення нових бібліотек елементів;
розміщення елементів схеми на робочому полі програми САПР;
створення з'єднань між елементами схеми;
редагування схеми – розміщення елементів в оптимальному порядку;
введення номінальних значень елементів;
створення списку з'єднань й переліку елементів, експорт креслення схеми за допомогою графічних редакторів.
Схемні редактори багатьох пакетів більшість із вищезазначених процедур компіляції виконують автоматично при експорті схеми в інші модулі САПР.
Рисунок 6.1 – Вікно програми OrCAD Schematic із фрагментом схеми
6.3.2 Редактор бібліотек. За допомогою цього програмного модуля здійснюється вкрай важливий етап проектування – створення нових елементів і редагування існуючих з метою приведення їхніх позначень у відповідність із вимогами стандартів.
У бібліотеках кожному елементу відповідають три складові:
умовно-графічне позначення на схемі електричній принциповій;
умовна позначка на друкованій платі, з розташуванням виводів елемента;
таблиця відповідності між позначеннями на схемі й друкованій платі.
У бібліотеках деяких САПР є також математична модель елемента, що використовується при проведенні симуляції (моделювання) роботи електричної схеми пристрою.
6.3.3 Редактор фізичного розміщення елементів на друкованій платі. Використовуючи цей редактор, користувач має можливість отримати закінчену конструкцію друкованої плати розроблюваного пристрою. Модуль працює як самостійно так й у комплексі зі схемним редактором. В останньому випадку зв'язок між редакторами (одно або двосторонній) здійснюється за допомогою списку з'єднань, що генерується редактором схем.
Модуль друкованих плат звичайно містить додаткові блоки, що здійснюють функції:
розміщення елементів у ручному, або автоматичному режимах;
завдання шаблонів розміщення елементів на друкованій платі;
розміщення трас (трасування) між з’єднань елементів у ручному або автоматичному режимах;
завдання попередніх умов автоматичного трасування;
трасування однобічних або багатошарових друкованих плат з автоматичним розміщенням перехідних отворів;
виведення необхідної конструкторської документації: - файлів розміщення елементів, файлів свердлування друкованої плати й креслень для виготовлення фотошаблонів;
аналізу температурних, електромагнітних і інших характеристик розробленого пристрою.
6.4 Практичні рекомендації з вибору САПР
6.4.1 Найпоширенішою системою автоматизованого проектування є пакет PCAD (Accel EDA (Electronic Design Automatic)) фірми Accel [6]. PCAD є потужним засобом розробки радіоелектронних пристроїв.
Головна перевага PCAD – добре відпрацьовані алгоритми трасування, авторозміщення, наявність великої кількості додаткових функцій, гнучка архітектура, що дозволяє здійснювати безпосередній зв'язок між модулями програми.
Рисунок 6.2 – Вікно програми P-CAD PCB з виконаним трасуванням
До недоліків можна віднести невідповідність бібліотек елементів вітчизняним стандартам.
6.4.2 Стандартом в області наскрізного проектування електронних пристроїв є система САПР ORCAD фірми CADENCE. ORCAD містить у собі всі модулі EDA- програм, а також додатково – програми PSPICE, SPEСCTRA і інші модулі, що робить даний продукт беззаперечним лідером на ринку наскрізних САПР.
Склад системи OrCAD у залежності від версії системи набір редакторів може різнитися:
OrCAD Capture – графічний редактор схем;
OrCAD Capture CIS (Component Information System) – графічний редактор схем з можливостями доступу до баз даних через Інтернет;
OrCAD Express – програма моделювання цифрових пристроїв (містить у собі вбудований редактор схем OrCAD Capture) і інтерфейс із програмами проектування програмованих логічних схем (ПЛІС) типу PLD, CPLD і FPGA з можливістю використання VHDL-описів (версія 9.1);
OrCAD Express CIS – програма Express, яка доповнена можливостями доступу до баз даних через Інтернет;
OrCAD Express Enterprise Edition – набір інструментів, що поставляються додатково до OrCAD Express для доручення у бази даних відомостей про застосовувані корпуси компонентів;
OrCAD Layout – розробка друкованих плат;
OrCAD Layout Plus – програма OrCAD Layout, сітковим автотрасувальником SmartRoute;
OrCAD Layout Engineer's Edition – програма перегляду друкованих плат, що створені за допомогою Layout або Layout Plus. Вона призначена для розміщення компонентів на платі і прокладення найбільш критичних з’єднань, що виконуються інженером схемотехніком перед надання завдання на проектування друкованої плати конструкторові (аналог програми ACCEL Relay);
Visual CADD – графічний редактор фірми Numera Software (спрощений аналог AutoCAD).
Нова система ORCAD Unison Suite поєднує всі перераховані вище модулі із програмою моделювання PSpice під керуванням однієї інтегрованої оболонки. На жаль, бібліотеки елементів ORCAD містять позначення елементів, що не відповідають стандартам України. Тому для використання документації, яка створюється САПР, необхідно переробити значну кількість бібліотек. Вбудовані бібліотеки ORCAD є найбільш повними й містять не тільки дані про тип елементів, але й великі бібліотеки фірм-виробників з математичними моделями, що робить ORCAD практично незамінним при моделюванні електронних пристроїв. Бібліотеки ORCAD найбільш поповнювані, тому що практично всі фірми - виробники електронних компонентів і виробів вважають обов'язковим надавати моделі математичних описів усіх нових виробів.
6.4.3 EAGLE LAYOUT EDITOR фірми Cadsoft. Незважаючи на простоту EAGLE LAYOUT EDITOR володіє, тим часом, значними перевагами:
малий обсяг необхідного дискового простору (близько 50 МВ);
простота інтерфейсу користувача;
досить значний обсяг бібліотек;
зручність у роботі;
майже повна відповідність бібліотек умовно-графічних позначень схемного редактора стандартам України;
зручна система графічних позначень в редакторі фізичного розміщення, що полегшує роботу монтажника.
Рисунок – 6.3 Вікно редактора плат програми EAGLE LAYOUT EDITOR
До недоліків EAGLE можна віднести нестандартний формат вихідних файлів (версії 4.0, 4.02), наявність тільки одного типу автоматичного трасувальника, неможливість створення друкованих плат з більш ніж двома провідними шарами для freeware (безкоштовної) – версії програми.
На підставі огляду найпоширеніших САПР радіоелектронної апаратури можна зробити такі висновки:
вибір конкретної САПР визначається вимогами розробника;
для розробки нескладних пристроїв і при відсутності потреби у проведенні моделювання роботи пристрою нераціонально застосовувати складні в освоєнні наскрізні САПР типу ORCAD;
якщо буде потреба випуску повного комплекту конструкторської документації (креслення схем, плат, розміщення елементів, файли свердління, розміщення й ін.) необхідно робити вибір між простими САПР типу EAGLE і необхідністю редагувати велику кількість бібліотек у складних САПР;
як варіант редагування можна розглядати можливість приведення документації до стандарту в графічних редакторах, що не входять у САПР. (Наприклад, у пакеті COREL DRAW, що є стандартним для більшості фотоплотерів).
6.5 Розробка друкованих плат
Розробку друкованих плат рекомендується проводити з використанням САПР P-CAD 2000.
Пакет P-CAD 2000 містить у своєму складі три основні програми:
схемний графічний редактор Schematic;
технологічний графічний редактор P-CAD PCB;
редактор бібліотек Library Executive.
Вищезгадані програми працюють під керуванням ОС Windows і викликаються в діалоговому вікні P-CAD за допомогою активації (подвійного натискання клавішею миші) іконки обраної програми. Всі редактори мають графічний інтерфейс Windows, що дозволяє використовувати стандартні системи меню команд, які випадають, типові набори кнопок швидкого виклику й всі засоби Windows для налагодження периферійного устаткування.
Для виконання друкованої плати в P-CAD 2000 необхідно виконати такі етапи:
за необхідності створити файл бібліотеки компонентів проектованого пристрою;
створити й відредагувати принципову схем;
створити файл з'єднань елементів;
провести компонування елементів на платі в редакторі P-CAD - PCB;
задати параметри трасування – (ширину, відстань між провідниками й та ін.) виконати трасування друкованої плати.
Створення файла бібліотеки компонентів виконується в програмі Library Executive P-CAD 2000.
Кожний компонент у системі P-CAD 2000 складається із трьох частин:
символьного образу елемента (створюється й редагується в Library Executive за допомогою утиліти P-CAD Partten Editor командою Library Executive\Utils\ P-CAD Partten Editor...);
технологічного образу елемента (створюється й редагується в Library Executive за допомогою утиліти P-CAD Partten Editor командою Library Executive\Utils\ P-CAD Simbol Editor...);
списку зв'язків символьного й технологічного образів (створюється у вікні, що випадає, Library Executive по команді Library Executive\Component\Open... обраного у вікні компонента).
Створення нової бібліотеки здійснюється по команді Library Executive\ Library \New.
Створення нового компонента можливо при створенні символу або технологічного образу (при збереженні з'явиться опція створити новий компонент) або по команді Library Executive\Component\New.
Створення принципової схеми здійснюється в програмі P-CAD Schematic. Файли із принциповими схемами необхідні для створення списку з'єднань і мають розширення *.sch. Вигляд робочого вікна програми наведено на рис.6.4.
Для створення схеми необхідно виконати такі етапи:
підключити бібліотеки компонентів;
перенести зображення елементів схеми на робоче поле вікна P-CAD Schematic;
створити з'єднання між елементами;
зберегти файл схеми командою P-CAD Schematic\File\Save...
створити файл з'єднань елементів командою P-CAD Schematic\Utils\Generate NetList...
Рисунок 6.4 – Вікно програм P-CAD Schematic
Компонування й створення друкованої плати здійснюється в програмі P-CAD PCB. Вигляд робочого вікна програми P-CAD PCB наведено на рис. 6.5.
Рисунок 6.5 – Робоче вікно програми P-CAD PCB
Для розробки друкованої плати необхідно виконати такі етапи:
підключити бібліотеку компонентів командою P-CAD PCB\Library\Setup...;
вибрати опції трасування командою P-CAD PCB\Options\Layers..;
позначити контури плати;
виконати розташування елементів.
виконати трасування;
зберегти файл трасування.
Робоче вікно програми P-CAD PCB з виконаним трасуванням наведено на рисунку 6.2.
У результаті виконаних дій програма Р-САD дозволяє отримати файли розміщення елементів, вигляд трасування друкованої плати, файл з'єднання елементів, файл формату GERBER для виконання шаблонів за допомогою плотерів, а також фрезерування друкованої плати, файл свердління для автоматизованого виготовлення друкованої плати на свердлувальному устаткуванні, файл для автоматичного розміщення елементів.
Системи автоматизованого проектування є потужним інструментом, що дозволяє оптимізувати процес створення радіоелектронних пристроїв. Основою для створення дійсно якісної продукції є глибоке знання схемотехніки й фізичних основ роботи елементів, що застосовуються.