Лабораторная работа № 7 Проектирование печатной платы

Цель работы – научиться создавать печатную плату методом сквозного проектирования, используя полученные в предыдущих лабораторных работах навыки.

Создание печатной платы осуществляется на примере принципиальной схемы, выданной преподавателем, в соответствии с приложениями 3 и 4; компонент и микросхем, описанных в приложениях 1, 2.

Порядок выполнения работы

 Работа в редакторе PCAD SCHEMATIC.

1. Создание модуля для принципиальной схемы. Используя приёмы из лабораторной работы № 5, создать модуль для выделенного участка на принципиальной схеме.

2. Создание принципиальной схемы. Перечень «горячих» клавиш приведен в приложении 6.

2.1. Создать отдельную библиотеку, в которой разместить компоненты, используемые для создания принципиальной схемы.

2.2. Если символов для принципиальной схемы нет в библиотеках, то необходимо создать компоненты, используя навыки, полученые в лабораторных работах 1–3.

2.3. Построить принципиальную схему, включив в её состав ранее созданный модуль. В конце работы выполнить командуUtils/Resolve Hierarchy.

3. Проверить схему. Выполнить команду Utils/ERC. При наличии ошибок – исправить их и снова выполнить команду Utils/ERC (до тех пор, пока не будут исправлены все серьёзные ошибки).

4. Создать список соединений. Выполнить команду Utils/Generete Netlist.

 Разработка печатной платы в PCAD PCB (рис. 7).

5. На слое Boardнанести контур печатной платы командамиPlace/LineилиPlace/Arc. Установить шаг сетки 2,5 мм (100 мил).

Рис. 7. Интерфейс редактора PCAD PCB

6. Упаковка схемы на печатную плату. Предварительно на плате можно разместить барьеры трассировкиKeepout. Фиксацию проложенных проводников, например земли и питания нужно выполнить с помощью атрибутов цепейNoAutoRoute.Предварительно на печатную плату можно разместить разъёмы, крепёжные отверстия и другие компоненты, имеющие фиксированное положение, и сохранить в отдельном файле начальную установку. Далее открыть библиотеку(ки), содержащую(ие) компоненты, используемые при создании принципиальной схемы. Затем по команде Utils/Load Netlist загрузить файл списка соединений. После нажатия OK просматриваются открытые библиотеки и внутри контура печатной платы размещаются конструктивы компонентов согласно их перечню в файле списка соединений и на экране изображаются линии электрических связей. При обнаружении конфликтов упаковка не произойдёт и, исправив ошибки, можно будет повторить упаковку.

7. Размещение компонентов на печатной плате осуществляется вручную. Для этого можно использовать кавишу <R> для поворота выбранного объекта на 90 против часовой стрелки, <Shift+R> – на угол, заданный в меню Options>Configure, <F> – для зеркального отображения объектов относительно оси Y и переноса компонентов на противоположную сторону ПП. Для фокусирования внимания на определённых цепях, например цепях «земли» или питания и т.п., их по очереди можно сделать видимыми (с помощью команды Edit>Nets можно сделать видимыми/невидимыми электрические связи одной или нескольких цепей). При необходимости корпуса компонентов можно заменить (выбрать компонент щелчком мыши, а затем вызвать контекстное меню щелчком правой кнопки мыши и в графе Type выбрать из списка другой тип корпуса компонента). После завершения размещения компонентов полезно выполнить минимизацию длин соединений на плате путём перестановки логически эквивалентных компонентов и их выводов по команде Utils>Optimize Nets.

8. Задать правила проектирования. В меню Options/Grids задать необходимый шаг сетки. Полезно наряду с регулярной сеткой использовать и нерегулярную, например: 42, 8, 8, 42 мил (если шаг выводов компонентов 100 мил и диаметр выводов 60 мил).

По команде Options/Design Rules ­на закладке Layers установить допустимые зазоры для каждого слоя трассировки. В этом же меню на других закладках устанавлиаются глобальные зазоры.

9. Создать область металлизации. Выбрать соответствующую пиктограмму или команду Place>Copper Pour и нарисовать внешний контур полигона (пересечения не допускаются).

Выбрать эту область щелчком курсора и в свойствах в разделе Connectivity меню Copper Pour Properties указать имя цепи, к которой она должна быть подключена. Здесь же можно выбрать необходимость использования площадок с тепловыми барьерами (Thermals) или непосредственное соединение (Direct Connection). В разделе Style заполнить графы.

10. Включить режим проверки допустимых зазоров в меню команды Options/Configure на строке Enable Online DRC или щелчком по пиктограмме .

11. Проверить схему. Выполнить команду Utils/DRC. При наличии ошибок – исправить их и снова выполнить команду Utils/DRC (до тех пор, пока не будут исправлены все серьёзные ошибки).

12. Сохранить схему.

 Автоматическая трассировка Quick Route.

13. По команде Route>Autorouters вызвать трассировщик QuickRoute.

14. В разделе Strategy выбрать имена следующих файлов:

Strategy File – стратегия трассировки (*.STR);

Output PCB File – выходная (оттрассированная) ПП (*.PCB);

Output Log File – протокол трассироки (*.LOG).

В строке состояний можно воспользоваться следующими кнопками:

Layers– конфигурация слоёв (до 4-х слоёв металлизации);

NetAttrs– редактирование атрибутов цепей;

Passes– выбор проходов трассировки;

Via Style– выбор типа переходных отверстий (ПО).

Для отдельных цепей тип ПО можно задать с помощью атрибута VIASTYLE.

Файл стратегии содержит параметры конфигурации Quick Route. Нажав на клавишуSave, параметры конфигурации сохраните в файле стратегии. Нажав на клавишуLoad, загрузите параметры конфигурации из отредактированного Вами файла стратегии, а нажав на клавишуSet Base– параметры конфигурации из файла, устанавливаемого по умолчанию.

15. Расположить на печатной плате барьеры трассировки. Для этого предварительно по командеOptions>Current Keepoutустановите параметры барьеров трассировки, затем расположите сегмент линии или замкнутую область на плате по командеPlace>Keepout.

16. Нажать на клавишуStart. В процессе автотрассировки доступен следующий набор команд. По командеRoute>infoвыводится текущая информация о результатах трассировки. По командеRoute>Cancelтрассировка прекращается и предлагается сделать выбор.Stop routing and save –прекратить трассировку и сохранить ее результаты в выходном файле.Stop routing and do not save –прекратить трассировку без сохранения ее результатов. На строке состояний можно проследить сообщения об этапах трассировки.

17. Сохранив результаты трассировки в отдельном файле, перейдите к изучению следующего автоматического трассировщика.

 Автоматическая трассировка в бессеточном трассировщике Shape-Based Router.

18. Использовать ранее сохранённую схему с размещёнными компонентами.

19. По команде Route>Autorouters вызвать трассировщик PCAD Shape Route (рис. 8).В разделе Strategy выбирать имена следующих файлов: PRF File – исходная ПП в формате P-CAD Route File (*.PRF); Output PCB File – выходная (оттрассированная) ПП (*.PCB); Output Log File – протокол трассировки (*.LOG).

По умолчанию все эти файлы имеют те же имена, что и файл проекта, но в начале имени добавляется префикс R.

В Shape-Based Router передаются из P-CAD PCB значения ширины трасс, присвоенные цепям с помощью атрибутов Width, и тип ПО, установленный по умолчанию. В качестве глобального зазора Primary Clearance принимается зазор Line to Line, заданный для слоя Bottom. Трассы, проложенные вручную, защищаются от изменений по команде Edit>Fix. Экран Shape-Based Router изображен на рис. 9.

20. Настроить стратегию трассировки.

По команде Options>Auto-Router открыть диалоговое окно настройки стра­тегии трассировки (рис. 10), имеющее 3 закладки.

Рис. 8.Диалоговое окно вызова Shape-Based Router

Рис. 9. Экран Shape-Based Router

На закладке Routing Passes в полях Router Passes и Manufacturing Passes выбрать тип трассировки:

Memory – трассировка типа «память»;

Fan Out User SMD Pins – генерация веерообразно расположенных стрингеров для выводов планарных компонентов;

Pattern – трассировка фрагментов ПП с использованием типовых образцов, имеющихся в программе (рекомендуется включать всегда);

Shape Router – Push And Shove – раздвигание и отталкивание ранее проложен­ных мешающих трасс;

Shape Router – Rip Up – разрыв и повторная трассировка трасс, проложенных на предыдущих проходах с нарушениями (превышение допустимых зазоров или пе­ресечение на одном слое);

Clean During Routing – уменьшение количества изгибов трасс и удаление лишних ПО в процессе трассировки;

Clean After Routing – уменьшение количества изгибов трасс и удаление лишних ПО после трассировки;

Evenly Space Traces – равномерное распределение трасс;

Add Testpoints – вставка контрольных точек.

Рис. 10. Диалоговое окно Autorouter Setup (закладка Routing Passes)

В поле Options выбирается тип изгибов трасс Routed Corners: под углом или 45°.

На закладке Parameters (рис. 11) в поле Router Direction для каждого слоя ПП выбрать предпочтительную ориентацию трасс из следующего перечня:

Auto – предоставление выбора программе;

Disable – запрет для трассировки;

Fan Out – генерация веерообразно расположенных ПО, соединенных с вывода­ми планарных компонентов короткими отрезками трасс (стрингерами);

Plane – резервирование слоя для использования в качестве слоя металлизации;

Vertical – вертикальная;

Horizontal – горизонтальная;

1 o'clock, 2 o'clock, 4 o'clock, 5 o'clock, 45/, 45\\ – выбор одной из ориентации (разрешается для многослойных ПП);

Any Direction – отказ от прокладки трасс определенной ориентации (разреша­лся для многослойных ПП).

Рис. 11. Диалоговое окно Autorouter Setup (закладка Parameters)

Нажать на панель Analyze Directions для выбора предпочтительного направления трассировки слоев, имеющих признак Auto.

Кроме того, назначить следующие параметры:

Units – система единиц величин, отображаемых на экране;

Via Type – запрет (No Vias), разрешение (Thruhole Only) использования ПО;

Via under SMD – запрет (No), разрешение (Yes) размещения ПО под КП пла-нарных компонентов;

Channel Size – размер канала трассировки, равный сумме ширины трассы Primary Trace Width и допустимого зазора Primary Clearance. Это значение можно изменить; для выполнения бессеточной трассировки назначить 1 мил и менее;

Primary Pad Size – диаметр большинства КП выводов штыревых компонентов;

Primary Via Width – диаметр ПО, выбранного в P-CAD РСВ в качестве ПО по умолчанию;

Primary Trace Width – ширина большинства трасс ПП (устанавливается про­граммой на основе анализа таблицы цепей меню команды Edit>Net; используется при расчете Channel Size и прокладке трасс, которым в P-CAD РСВ не был назна­чен атрибут Width);

Primary Clearance – минимально допустимый зазор между любыми объектами, т. е. Track to Track, Track to Pad, Track to Via, Via to Pad (устанавливается в P-CAD РСВ, но может быть изменен).

На закладке Testpoints устанавливается приоритет размещения контрольных то­чек (КТ), размещаемых на ПП, если на закладке Routing Passes отмечена опция Add Testpomts (рис. 12):

Existing Via – запрет/разрешение использовать для КТ существующие ПО (Disabled – запрет; 1, 2, ..., 5 – размещение КТ одного из 5 типов);

Component Pad (Bottom Only) – использование выводов компонентов на ниж­ней стороне ПП;

Testpoint Pad (Top Only) – разрешение размещения на верхней стороне КТ типа TestPointl (которые должны быть предварительно определены в P-CAD РСВ по команде Options>Pad Style);

Testpoint Pad (Bottom Only) – разрешение размещения на нижней стороне КТ типа TestPoint2 (которые должны быть предварительно определены в P-CAD РСВ по команде Options>Pad Style);

Testpoint Pad (Thruhole) – разрешение размещения штыревых КТ типа TestPointS (которые должны быть предварительно определены в P-CAD РСВ по команде Options>Pad Style);

Testpoint Grid – размер сетки размещения КТ;

Testpoint Reference Designator – суффикс позиционного обозначения КТ;

Lock down existing used testpoints – разрешение/запрет (Yes/No) использовать существующие КТ.

Рис. 12. Диалоговое окно Autorouter Setup (закладка Testpoints)

По команде Edit>Net Attributes открыть диалоговое окно (рис. 13) задания атрибутов всем цепям проекта:

Display – разрешение (True) или запрет (False) отображения цепи;

Routing Priority – приоритет трассировки (Default, 1, 2, ..., 20);

Length Minimize (минимизация длины трассы цепи):

None – отказ от минимизации длины,

Min Dist – изменение соединений для уменьшения их общей длины,

Daisy – последовательное соединение выводов компонентов, принадлежащих одной цепи;

Horizontal – изменение соединений, придерживаясь горизонтальной ориентации (в основном для цепей «земли» и питания);

Vertical – изменение соединений, придерживаясь вертикальной ориентации (в основном для цепей «земли» и питания);

Route Action (тип трассировки):

Default – стрингеры от выводов планарных компонентов создаются только при наличии более чем двух слоев трассировки, после чего выполняется трассировка,

Route – цепь трассируется без стрингеров,

No Route – цепь исключается из трассировки,

Locked – предварительно проложенная цепь не может разводиться повторно и изменять свое расположение,

Fan Out/Route – от выводов планарных компонентов прокладываются стринге­ры и затем выполняется их трассировка,

Fan Out/Plane – от выводов планарных компонентов прокладываются стринге­ры, но их трассировка не выполняется (используется при наличии слоев металлиза­ции «земли» и/или питания);

Рис. 13. Диалоговое окно Net Attributes

Routing Layer (слой трассировки):

All Routing Layers – все слои, предназначенные для трассировки,

Тор – верхний слой,

Bottom – нижний слой;

Width – ширина трассы.

4. Ознакомьтесь со статистическими данными о ПП по команде Reports>Pre-Route Synopsis для внесения при необходи­мости коррекции в исходную ПП или стратегию трассировки. Полезная информа­ция о плотности связей ПП может быть получена по команде View>Density.

5. Автотрассировку всей ПП начните по команде Tools>Start Autorouter.

Очень интересна команда Tools>Sketch Route, с помощью которой курсором рису­ется примерное расположение трассы выбранной цепи, прокладываемой затем ав­томатически.

6. По завершении трассировки по командам Reports>Routing Statistics, Reports>Reports просмотреть итоговые отчеты.

7. Вернитесь в P-CAD РСВ по команде File>Save and Return.

8. Попробуйте сделать трассировку ПП в одном слое, для этого в Options/Configure/Layers сделать невидимым (Disable) один из слоёв Top или Bottom

9. Сохранить результат трассировки в отдельном файле.