Курсовая работа: Разработка печатной платы цифрового автомата

4. Описание САПР, используемой при проектировании

Автоматизированная программа P-CAD предназначена для проектирования печатных плат. Пакет программы состоит из нескольких взаимосвязанных программ, причем отдельные программы могут функционировать самостоятельно, даже если другие программы не установлены на компьютере. Основными программами в пакете являются: P-CAD Schematic; P-CAD PCB; P-CAD Symbol Editor; P-CAD Pattern Editor; P-CAD Library Manager; P-CAD Autorouters; P-CAD Inter Plase & PSC; P-CAD Relau.

Программа P-CAD Schematic является графическим редактором схем. С помощью неё выполняется принципиальная электрическая схема электронного узла, который затем размещается на печатной плате.

Программа P-CAD PCB является графическим редактором и используется для выполнения чертежа печатной платы.

Программа P-CAD Symbol Editor предназначена для создания условных графических обозначений элементов, которые могут объединяться в библиотеки. Условные графические обозначения используются при выполнении электрических принципиальных схем.

Программа P-CAD Pattern Editor используется для создания посадочных мест элементов на печатную плату. Посадочные места объединяются в библиотеки и в дальнейшем используются программой P-CAD PCB при выполнении чертежа печатной платы.

Программа P-CAD Library Manager используется для создания библиотек элементов. В системе могут использоваться библиотеки условных графических обозначений, библиотеки посадочных мест корпусов и интегрированные библиотеки компонент. Интегрированные библиотеки компонент содержат информацию о графическом изображении символа, о посадочном месте и текстовую информацию о выводах элементов. Для выполнения отдельных электрических схем или отдельных чертежей печатных плат можно использовать отдельные библиотеки символов или корпусов. Однако при сквозном проектировании удобнее пользоваться интегрированными библиотеками, так как в этом случае программа автоматически устанавливает взаимосвязь между электрической схемой и печатной платой.

Программа P-CAD Autorouters содержит две программы: Quick Route и Shape-Based Router. Эти программы используются для автоматической трассировки проводников на печатной плате. Программа Quick Route применяется для простых схем с малым числом элементов и связей. Для более сложных схем используют бессеточный автотрассировщик Shape-Based Router. Система P-CAD может работать совместно с программой SPECCTRA, которая не входит в комплект поставки системы.

Программа P-CAD Inter Plase & PSC включает два модуля. Модуль Inter Plase используется для интерактивного размещения элементов на печатной плате, а модуль PSC – позволяет задавать правила для размещения и трассировки печатной платы на ранних этапах разработки.

Программа P-CAD Relau используется при коллективной работе над проектом. Она выполняет частично функции редактора P-CAD PCB.

В данном курсовом проекте использовалась система автоматического проектирования P-CAD 2002.

Технические характеристики P-CAD 2002:

1.  Используется 32-разрядная БД;

2.  До 20000 компонентов в одной библиотеке;

3.  До 64000 цепей в одном проекте;

4.  До 999 выводов в одном компоненте;

5.  До 255 секций в одном компоненте;

6.  До 2000 символов описания элементов;

7.  До 20 символов в имени компонента;

8.  До 30 символов в позиционном обозначении;

9.  Минимальный шаг сетки – 0,1 mil (0,001дюйма);

10.  Наличие горячей связи между электрической схемой и печатной платой;

11.  До 99 листов в одном проекте;

12.  До 99 слоев на одной плате;

13.  Максимальный размер схемы 150 × 150 см;

5. Разработка интегрированной библиотеки компонент и электрической принципиальной схемы в системе P-CAD 2002.

5.1 Выбор электрического соединителя

В качестве электрического соединителя выбран разъем СНО51-10 на 10 выводов.

Технические характеристики:

5.2 Установка фильтрующих конденсаторов

На схему установлено 7 фильтрующих конденсатора (С10 - С16 на принципиальной схеме). Используются конденсаторы К50-40.

5.3 Порядок разработки библиотеки символов

Для разработки библиотеки символов использовался редактор Symbol Editor P-CAD 2001 со следующими настройками: формат А3, единицу измерения мм, варианты ортогональности 90 и 45 градусов, сетка с шагом 0,5; 1мм, линия рисования с шириной 0,2 мм, курсор не привязан к координатной сетке, шрифт "2,5", шаг сетки 1.

Для микросхем используем возможность мастера символов. Для остальных элементов создаем символ вручную.

Разработка дискретных элементов: резистор, конденсатор, диод, кварц состоит в выполнении следующих пунктов:

1. рисуется контур УГО элемента

2. изображаются выводы элемента

Установим длину вывода равную 4 мм. В поле Default Pin Name ввести имя вывода, а в поле Default Pin Des номер вывода. Нажать ОК. Установить курсор в точку, где должен быть вывод, если вывод неверно ориентирован, то не отпуская кнопку мыши нажать на клавиатуре кнопку R.

3. введение атрибутов элемента

В качестве атрибутов указать места для размещения позиционного обозначения и типа элемента. Позиционное обозначение указывается над элементом, а тип элемента - под элементом.

Выполнить команду Place Attribute. В диалоговом окне в области Attribute Category выбрать Component. В области Name выбрать Ref Des и нажать ОК, Type или Value и нажать ОК.

4. ввод точки привязки

Выполнить команду Place Ref Point. Переместить курсор в выбранную точку привязки и щелкнуть левой клавишей мыши.

5. сохранение УГО в библиотеке

Для создания УГО микросхем удобнее пользоваться мастером создания символа.

1. задать геометрические размеры контура элемента

2. указать число выводов справа и слева

3. указать длину вывода Normal и расстояние между выводами 5мм

4. подписываем выводы, задавая их имена в поле Default Pin Name и номер вывода в поле Default Pin Des в соответствии со схемой

5. Затем производим редактирование элемента, т.е. дорисовываем линии внутри контура, ставим знак инверсии у выводов, указываем позиционное обозначение и типа элемента.

5.4 Порядок разработки библиотеки посадочных мест средствами P-CAD 2002

Для разработки библиотеки посадочных мест использовался редактор Pattern Editor P-CAD 2002 со следующими настройками: формат А4, единицу измерения мм, сетка с шагом 0,5; линия рисования с шириной 0,2 мм, курсор не привязан к координатной сетке.

Создадим стек монтажных отверстий. В данной схеме используются круглые отверстия для штыревого вывода размером 0.5\1 и контактная площадка для планарного вывода размером 0.6\2.1.

Для создания монтажного отверстия под штыревой вывод надо:

1. Выбрать команду Options Pad Style. В одноименном окне нажать кнопку Copy. Появится панель Copy Pad Style, на которой необходимо задать новое имя стиля.

2. Наименование стиля указывает форму контактной площадки и размер отверстия. Появится вновь окно Options Pad Style. Нажать кнопку Modify Simple.

3. Появится окно Modify Pad Style (Simple) . В области Type (Тип) выбрать Thru (Сквозное отверстие). В области Shape выбрать Elipse для кругового отверстия. Установить Width (ширину) равной 1 мм и Height (высоту) – 1мм. В области Hole установить диаметр отверстия 0.5 мм. Нажать ОК.

Для создания монтажного отверстия под планарный вывод надо:

1. Выбрать команду Options Pad Style. В одноименном окне нажать кнопку Copy. Появится панель Copy Pad Style, на которой необходимо задать новое имя стиля.

2. Наименование стиля указывает форму контактной площадки и размер отверстия. Появится вновь окно Options Pad Style. Нажать кнопку Modify Simple.

3. Появится окно Modify Pad Style (Simple) В области Type (Тип) выбрать Top (Верхний слой). В области Shape выбрать Rectangle (прямоугольник). Установить Width (ширину) равной 2.1 мм и Height (высоту) – 0.6 мм. Появится панель Options Pad Style. Нажать Close.

Посадочное место элемента на печатной плате состоит из монтажных площадок и отверстий. Монтажные отверстия размещают в узлах координатной сетки. Для привязки курсора к узлам координатной сетки выбрать команду View Snar to Grid.

Разработка посадочных мест дискретных элементов: резистор, конденсатор, диод, кварц состоит в выполнении следующих пунктов:

1. Рисуем корпус элемента

Он изображается в виде простых геометрических фигур без указания деталей конструкции. Он изображается на слое Top Assy. Для этого в строке состояний в поле Select Layer (выбор слоя) установить слой Top Assy.

Для рисования линий вызвать команду Place Line, для рисования окружностей вызвать команду Place Arc.

2.Выбор монтажного отверстия или контактной площадки

Активизируем необходимый стиль монтажного отверстия или контактной площадки, вызвав Options Pad Style и выбрав его. Нажать кнопку Close. Щелкнуть левой клавишей мыши по пиктограмме Place Pad. Появится панель Place Pad. На панели в окнах будут установлены единицы. Оставить установки без изменений и нажать ОК. Подвести курсор на координаты установки первого отверстия и щелкнуть левой кнопкой. Переместить курсор на координаты 2-ого отверстия и вновь щелкнуть левой кнопкой. Продолжить операцию для установки всех отверстий данного стиля и в конце нажать правую кнопку мыши. Если посадочное место строится с использованием разных стилей отверстий, то необходимо изменить стиль монтажного отверстия и повторить описанные ранее операции с другим стилем отверстия.

3. Ввод атрибутов

В качестве атрибутов ввести место для размещения позиционного обозначения и типа элемента. Выполнить команду Place Attribute. В диалоговом окне в области Attribute Category выбрать Component. В области Name выбрать Ref Des и нажать ОК. Установить курсор в точку над элементом и щелкнуть левой кнопкой мыши, а затем правой кнопкой мыши. Повторить операцию для установки надписи о типе элемента под элементом.

4. Выберем точку привязки

Выполнить команду Place Ref Point. Переместить курсор в выбранную точку привязки.

5.Сохранение посадочного места в библиотеке.

флажок Create Component должен быть сброшен.

Для создания посадочных мест микросхем удобнее пользоваться мастером создания посадочного места.

1.  Указываем количество выводов и расстояние между ними

2.  Указать место расположения первого отверстия – точки привязки

3.  выбрать стиль монтажного отверстия или контактной площадки для первого вывода и остальных

4.  задать размеры корпуса микросхемы

5.  нажать ОК и сохранить

5.5 Порядок разработки библиотеки компонент средствами P-CAD 2002

Для разработки интегрированной библиотеки символов используем Library Executive P-CAD 2001.

Для создания компонента нужно:

1.  Component New. Будет предложено выбрать библиотеку, из которой надо будет создавать элемент (ту, в которую сохраняли символы и посадочные места).ОК

2.  Выбираем посадочное место Select Pattern. ОК. Указываем количество шлюзов Number of Gates 1.

3.  Выбираем символ Select Symbol. OK.

4.  Далее прописываем соответствие выводов и их эквиваленты. Pins View. В идеале программа сама произвела сопоставление вывода контакта, вывода на символе, его имени.

5.  Прописываем электрический тип: неизвестен, ввод, вывод, питание.

6.  вручную прописываем номер шлюза.

7.  заполним графы соответствия выводов. Чаще всего все выводы эквивалентны, входы эквиваленты.

8.  Для питания заполним колонки Pin Name и Gate #.

Для проверки правильности создания элемента Component Validate. Если все правильно, то программа выдаст сообщение No errors found.

6. Разработка конструкции модуля

6.1 Размещение цифрового модуля в конструкции 2-го уровня

Разрабатываемый модуль является законченным функциональным устройством и устанавливается в корпусе. Разъем будет размещен на лицевой панели. В связи с тем, что прибор будет эксплуатироваться продолжительное время без остановки, необходимо предусмотреть возможность нагрева корпуса. Корпус должен быть защищён от влаги, пыли и др. внешних воздействий, т.к. устройство работает на борту автомобиля. Температура возможного перегрева корпуса 5-10°С.

6.2 Выбор способа закрепления модуля в конструкции более высокого уровня

Для закрепления модуля в конструкции 2-го уровня предусмотреть меры по надежному закреплению модуля. Так как разрабатывается портативное устройство, которое может часто подвергаться переносам и транспортировке, необходимо применять жесткое закрепление со всех четырех сторон. Печатная плата закрепляется на корпусе с помощью 4-х винтов, посаженых на резиновые прокладки, выполняющие функции амортизации и защиты от влаги, способной проникнуть через крепежные отверстия.

6.3 Выбор конструкции модуля

В состав конструкции модуля 1-го уровня будут входить следующие элементы:

-монтажная плата,

-соединитель,

-компоненты,

-элементы закрепления модуля.

Т.к. плата не содержит теплонагруженных элементов, то дополнительное охлаждение не требуется, избыточное тепло выводится через крепежные элементы на корпус.

7. Разработка печатной платы

7.1 Выбор компоновочной структуры и типа печатной платы

Печатная плата будет выполнена в соответствии с компоновочной структурой "1С", двусторонняя (ДПП). Выбор обусловлен оптимальной разводкой контактов на ПП.

7.2 Выбор класса точности ПП

Конструктивная сложность и тактовая частота печатной платы невысоки, но в то же время условия эксплуатации довольно жёсткие. Объем выпуска ПП серийный. Выбираем 2й класс точности. Согласно 2-му классу точности:

- t = 0,45 мм

- S = 0,45 мм

- b = 0,20 мм

- d/H = 0,4

- ∆tv0 (без покрытия) = +0,10 мм

- ∆tv0 (без покрытия) = -0,10 мм

- ∆tn0 (с покрытием) = +0,15 мм

- ∆tn0 (с покрытием) = -0,10 мм

- Tt = 0,10 мм

t - наименьшая номинальная ширина проводника,

S - наименьшее номинальное расстояние между проводниками,

b - минимально допустимая ширина контактной площадки,

d\H - отношение минимального диаметра контактной площадки к толщине платы,

(мм) – верхнее предельное отклонение ширины печатного проводника или контактной площадки от номинального значения,

(мм) - нижнее предельное отклонение ширины печатного проводника или контактной площадки от номинального значения,

 - позиционный допуск на размещение проводника.

Указанные допустимые значения являются минимальными и их необходимо соблюдать в узких местах платы. На остальных участках ширина печатных проводников и расстояния между ними могут выполняться большего размера, чем указанный размер по данному классу.

7.3 Выбор метода изготовления ПП

Устройство изготавливается мелкосерийно, печатная плата двуслойная, класс точности 2, модуль первого уровня. В соответствии с этим выбираем химический тип производства, так как он прост и не дорог.

7.4 Расчет габаритов ПП и размещение компонент на ПП

Выбранный тип соединителя не требует выделения под него отдельной зоны, в силу его простоты. Модуль пассивный и не содержит элементов управления.

Маркировка производится в зоне для размещения компонент, маркируются позиционные обозначения элементов.

Краевые поля ПП имеют ширину 5 мм, что соответствует толщине платы 1,5 мм. Размеры печатной платы 120х150 мм. Площадь ПП 18000 мм2.

Размещение зон на ПП:

7.5 Размещение компонент на ПП

Задача компоновки и размещения компонент на плоскости платы является сложной комбинаторной задачей, при решении которой конструктор должен предусмотреть:

-обеспечение наиболее простой трассировки,

-обеспечение требуемой плотности размещения,

-учет тепловых режимов,

-учет механических воздействий,

-обеспечение быстродействия,

-обеспечение технологических требований.

Формализованных алгоритмов, которые бы учитывали все требования, нет. В некоторых САПР, например SPECTRA, имеются алгоритмы для автоматического размещения, которые в основном используют критерий минимум суммарной длины связей. В САПР данная задача решается конструктором. Ниже приводятся рекомендации для конструктора, решающего данную задачу.

1.Компоненты, имеющие большое число внешних связей располагать ближе к соединителю.

2.Компоненты, имеющие большое число взаимных связей, устанавливать рядом.

3.Крупногабаритные компоненты устанавливать ближе к элементам крепления модуля.

4.Микросхемы по возможности располагать рядами с одинаковой ориентацией.

5.Дискретные компоненты располагать в ортогональных направлениях.

6.Выводы компонент располагать в узлах координатной сетки. Если шаг выводов компонента не соответствует шагу координатной сетки, то в узле располагается первый вывод компонента.

7.Теплонагруженные элементы располагать равномерно по площади платы.

8. Помехочувствительные компоненты не размещать рядом с компонентами, которые могут быть источниками помех.

9.Если схема содержит цифровую и аналоговую части, то следует их на плате по возможности разместить на разных участках, так как чувствительные аналоговые элементы, например, компараторы, могут ложно срабатывать при переключении цифровых схем.

10.Если схема содержит последовательные каскады, то целесообразно их размещать в той же последовательности.

11. При наличии в схеме информационных шин, компоненты подключаемые к этой шине, стараться расположить по возможному направлению шины.

12.Компоненты, требующие особых мест размещения, например, цифровые индикаторы, органы управления, устанавливаемые на печатной плате, должны быть строго привязаны к заданным координатам.

Компоненты необходимо размещать относительно равномерно по плоскости платы.

После размещения компонент может возникнуть необходимость в уточнении габаритных размеров ПП.

7.6 Определение толщины ПП

Устройство является быть портативным, предназначенным для длительной переноски и работающим на ходу. Поэтому необходимо увеличить жесткость платы, толщину платы возьмем 1,5 мм.

7.7 Выбор материала основания ПП

Исходя из требования повышенной механической прочности, в качестве материала основы печатной платы выберем стеклотекстолит. Он представляет из себя спрессованные слои стеклоткани, пропитанные эпоксидной смолой. По сравнению с гетинаксом стеклотекстолит имеет лучшие электрические характеристики, более высокую прочность, меньшую теплопроводность, влагостойкость.

Металлизация переходных отверстий обеспечит прочное сцепление элементов с платой, так как при монтаже припой заполняет всё свободное пространство металлизированного отверстия, плотно сцепляясь с поверхностью вывода и стенками отверстия, образуя надёжное механическое и электрическое соединение.

7.8 Расчет элементов печатного рисунка

7.8.1 Расчет диаметра отверстия контактной площадки

Диаметр рассчитывается с учетом диаметра вывода компонента, точности позиционирования отверстия, и необходимого зазора для обеспечения свободной установки вывода компонента при монтаже.

где: -максимальное значение диаметра вывода компонента. Если сечение вывода имеет сложную форму, то в качестве диаметра принимается диаметр описываемой окружности.

r- зазор (разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода). Зазор выбирается конструктором для ручного монтажа из интервала (0,1-.4) мм, а для автоматизированного монтажа и установки компонент – из интервала (0,4 – 0,5) мм.

Страницы: 1, 2, 3