Виды программного обеспечения для проектирования печатных плат. CAE системы

Программное обеспечение для проектирования печатных плат

Средства проектирования

Из определения цели процесса проектирования печатной платы можно видеть, что процесс начинается концепцией и заканчивается сборкой и тестированием. Средства автоматизированного проектирования используются для автоматизации или увеличения скорости и точности каждого шага этого процесса. Эти средства можно разделить на три основные группы, основываясь на том, где они применяются:

  • средства автоматизированного конструирования (CAE — computer-aided engineering);
  •  средства автоматизированного проектирования (CAD — computer-aided design);
  • средства автоматизированного производства (CAM — computer-aided manufacturing).

Очевидно из самого названия этих средств, что они используются для проектирования схем, физического конструирования печатной платы и изготовления плат без монтажа и плат с монтажом.

Средства инженерного проектирования

Средствами инженерного проектирования (CAE) обычно обозначают автоматизированные средства и системы, которые используют на стадиях проектирования до этапа физического конструирования или для анализа и оценки электрических характеристик окончательного физической трассировки. Они включают в себя следующее.

Системы ввода описания электрической схемы

Как и предполагается по названию, эти средства применяются инженером-конструктором для проектирования принципиальной электрической схемы. Простейшие системы являются графической заменой классической чертежной доски (кульмана), предоставляя инженеру возможность помещать логические и электрические символы на поверхность чертежа и соединять их выводы с помощью линий. Усовершенствованные системы выполняют основную проверку ошибок, таких как защита от многократного использования одного вывода или имени логической цепи. Неудача подключения важных выводов, таких как точки питания, может быть преодолена использованием информации, содержащейся в библиотеках компонентов по каждой детали. Кроме того, эти системы могут создавать таблицы соединений, которые применяются имитационными моделями и программами автоматической трассировки печатных плат, а также ведомости материалов для применения в монтаже печатных плат.

Синтезаторы

Синтезаторами являются специализированные средства CAE, которые позволяют конструктору определить логические функции, выполняемые в форме логических операций, таких как полный двоичный сумматор, регистр шириной в 16 бит или другие макрофункции. Синтезатор будет извлекать эквивалентные логические функции цепей из библиотеки функций и соединять их вместе согласно установленному конструктором порядку для получения полной логической схемы. Эта синтезированная схема затем может быть использована как часть более крупной схемы. Некоторые преимущества синтезаторов в том, что все функции данного типа будут внедряться одинаково и не содержат ошибок и что время, требуемое для составления схемы системы, уменьшается за счет устранения работы, требуемой для проектирования повторяющихся схем.

Имитаторы

Имитаторами являются средства программирования, с помощью которых создаются автоматизированные модели цепи и которые запускают с входными тестовыми схемами цепи для проверки того, будет ли схема выполнять предназначенную ей функцию при ее использовании в аппаратных средствах. Даже при выполнении этих программ на очень больших компьютерах имитаторы обычно работают только при малой доле скорости фактической цепи. Когда цепь вырастает и становится сложной, как в случае 32-битного микропроцессора или процессора цифровых сигналов, то время, требуемое для выполнения полной имитации, может оказаться довольной большим, иногда настолько большим, что этот метод проверки цепи становится непрактичным. Типичные скорости имитации составляют 1 или 2 с для каждого тактового цикла ЭВМ. Такт работы ЭВМ может составлять 2 нс или 500 млн/с для систем с тактовой частотой 500 МГц. Это эквивалентно уменьшению скорости в 500 млн. к одному! По мере роста сложности цепей и вместе с ней времени имитации, которое становится чрезмерным, инженеры предприняли усилия для создания физических моделей предлагаемой схемы, чтобы исполнять программу в абсолютных адресах в противоположность модели для гарантии того, что конструкция является безошибочной. Ясно, что это добавляет и время, и расходы для цикла разработки, за счет добавления как времени, необходимого для конструирования модели, так и времени, необходимого для локализации конструкторских ошибок и их устранения. Решением этой проблемы является эмуляция схем.

Эмуляторы

Эмуляторы или эмуляторы схем являются коллекцией программируемых логических элементов, таких как PLA (programmable logic arrays — программируемые логические матрицы), которые можно скомпоновать так, чтобы представлять практически любой вид логической схемы. Эти эмуляторы выпускаются серийно в качестве стандартной продукции несколькими компаниями EDA (electronic design automation — автоматизация проектирования электроники). Результирующая аппаратная эмуляция цепи может функционировать существенно быстрее, чем программная модель, иногда доходя до 1/100 от фактического конечного быстродействия. Благодаря этой увеличенной скорости проверка схемы может быть выполнена существенно быстрее. В некоторых случаях эмуляции используются как замена для фактической цепи, чтобы проверить, что созданное для работы со схемой программное обеспечение не содержит ошибок, прежде чем проводить работу с конечными аппаратными средствами. Эта методика широко используется в проектировании сложных интегральных схем, таких как микропроцессоры и заказные ASIC. Фактически, микропроцессор Intel Pentium™ и его операционная система были полностью эмулированы и успешно работали на большом аппаратном эмуляторе до изготовления образца первой производственной партии.

Применение технологии эмуляции устранило необходимость интерактивного проектирования или изменения конструкций по мере обнаружения ошибок, сохраняя очень большие средства на разработку, а также требуемое на эти операции время. В некоторых случаях это делает схемы реализуемыми. Например, большинство суперкомпьютеров и другая современная продукция конструируются с применением многослойных керамических печатных плат и многокристальных модулей на их основе. Эти технологии компоновки не позволяют вносить какие-либо изменения с помощью внешней проводки для устранения ошибок. В результате, необходимо изготавливать полностью новую сборку для устранения ошибок проектирования. То же самое справедливо и в отношении интегральных схем в системе.

Анализаторы схем

Анализаторы схем являются средствами проверки схем для подтверждения, что они будут функционировать надлежащим образом в диапазоне временных вариаций в схемах и допусках на характеристики компонентов, с которыми предполагается столкнуться в обычном процессе производства. Эти анализы выполняются с помощью разработки математических моделей каждой из схем, а затем варьированием параметров каждого из компонентов в пределах ожидаемых допустимых значений этих вариаций. Поведение схемы рассчитывается с помощью ее модели, а результат сравнивается с предварительно установленными предельными значениями. Нарушения являются тревожным знаком для инженера-проектировщика. Среди всех проверяемых условий есть Условие отсутствия чрезмерных наводок от соседних цепей, и условие, что переходной режим, подобный отражениям, выбросам на заднем и переднем фронтах импульса, а также «звон» находятся в надлежащих пределах. Этот тип анализа часто называют как допуск наихудшего и временной анализ. Его можно проводить до начала физической трассировки, а также после завершения трассировки.

Примерами анализаторов схем являются программа моделирования с ориентацией на интегральные схемы (SPICE) и ее аналог для персональных компьютеров (PSPICE). SPICE и PSPICE создают математические модели каждой из схем, а затем выполняют тысячи сложных расчетов для прогнозирования того, как схема будет откликаться на входные сигналы. Большинство поставщиков систем CAD также предлагают собственные адаптации этих аналитических инструментов.

Прогнозирование волнового сопротивления

Средства, используемые для проверки поперечных сечений, размеров трасс и свойств материалов печатной платы, предназначены для того, чтобы результирующее волновое сопротивление линии связи находилось в допустимых пределах или для итеративной настройки этих параметров для достижения требуемого конечного значения волнового сопротивления. Этот шаг является важным при конструировании печатной платы как таковой. Большинство поставщиков систем CAD, предназначенных для быстродействующих конструкций, поставляют некоторую разновидность средств оперативного анализа волнового сопротивления в составе этих систем.