Kolos Kaczmarek PDF - Dokument z zakresu Projektowania Urządzeń Elektronicznych

1. Proces projektowania urządzeń elektronicznych w systemach EDA - od schematu do generacji plików sterujących urządzeniami stosowanymi w produkcji, montażu i testowaniu obwodów drukowanych. EDA lub ECAD to kategoria narzędzi programowych przeznaczonych do projektowania systemów elektroni...

1. Proces projektowania urządzeń elektronicznych w systemach EDA - od schematu do generacji plików sterujących urządzeniami stosowanymi w produkcji, montażu i testowaniu obwodów drukowanych. EDA lub ECAD to kategoria narzędzi programowych przeznaczonych do projektowania systemów elektronicznych składających się z obwodów drukowanych oraz/i do projektowania układów scalonych. Ograniczenia brane pod uwagę w trakcie cyklu projektowego -​ Etap tworzenia założeń projektu – koszt, wymiary, obudowa, -​ Etap analizy termicznej – rozproszenie mocy, chłodzenie, -​ Etap wyboru metody połączeń – lutowanie rozpływowe, lutowanie na fali -​ Etap analizy problemów związanych z przechodzeniem sygnałów – problemy wzajemnych opóźnień czasowych, przesłuchy, EMC -​ Etap określenia testowalności układu – dostęp do punktów testowania, wybór osprzętu do testowania, -​ Etap konstrukcji mechanicznej – obudowa, materiał płyty drukowanej, -​ Etap wyboru elementów – sposób ich mocowania i łączenia, koszt, dostępność na rynku, -​ Etap wyboru płytki drukowanej – materiał, stabilność podłoża, -​ Etap wytwarzania – wydajność procesu, koszt, metoda pokrycia, -​ Etap testowania – testowanie nieobsadzonej płytki, -​ Etap montażu –ustawienie linii produkcyjnej, wydajność maszyn -​ Etap inspekcji – automatyczna inspekcja optyczna, dokumentacja Podstawowe rodzaje analiz układów elektronicznych w standardzie SPICE Analiza stałoprądowa (DC Analysis) Analiza małosygnałowa częstotliwościowa (AC Analysis) Analiza czasowa (Transient Analysis) 2. Rodzaje i formaty plików sterujących urządzeniami stosowanymi w produkcji, montażu i testowaniu obwodów drukowanych. Pliki gerber Sterowanie wiertarką numeryczną - Excellon ODB+ IPC-2581 LUB -(GBR) pliki gerber dla fotoplotera w celu naniesienia schematu PCB na laminat -(GJR) pliki dla wiertarki numeryczej do wiercenia otworów -(PCK) pliki dla maszyn układających elementy na płytce -(BTT) testowanie ścieżek 3. Logiczna sieć połączeń i jej zalety w procesie projektowania urządzeń elektronicznych (schemat, obwód drukowany) w systemach EDA. Zalety: ​ Szybkie tworzenie i modyfikacja schematów ​ Automatyczna weryfikacja połączeń ​ Generowanie netlisty i dokumentacji ​ Łatwa konwersja na fizyczny układ PCB ​ Skrócenie czasu projektowania ​ Minimalizacja błędów LUB -​ ułatwia rozmieszczanie elementów na płytce drukowanej (funkcja ratnest). Stosuje się do tego technikę z wykorzystaniem magistrali 4. Metody rysowania schematów układów mikroprocesorowych. 1. Bezpośrednie połączenia między elementami 2. Z wykorzystaniem magistral 3. Z automatyzacją procesu tworzenia połączeń LUB Rysowanie - polega na rysowaniu ścieżek wodoodpornym pisakiem -Termotransfer – polega na przeniesieniu obrazu ścieżek z drukarki laserowej do płytkę PCB za pomocą wysokiej temperatury -Fotochemiczna – zbliżona do techniki wykonywania odbitek fotograficznych, wykorzystywana powszechnie w przemyśle elektronicznym OPCJONALNIE -połączenia elementów bezpośrednio między sobą (widoczne linie) -połączenie przy użyciu magistrali -połączenia bez widocznych linii 5. Podstawowe rodzaje symulacji układów elektronicznych w systemach EDA: nieliniowa stałoprądowa, częstotliwościowa i czasowa. Przeznaczenie i parametry, które należy ustawić dla danego rodzaju symulacji. 1. DC (stałoprądowa): analiza punktu pracy -​ Seria analiz dla składowej stałej, przy zmienijącej się np. wartości jednego ze źródeł zasilania 2. AC (częstotliwościowa): charakterystyki amplitudowe i fazowe -​ Seria analiz dla składowej przemiennej, przy zmieniającej się częstotliwości 3. Transient (czasowa): analiza przebiegów w dziedzinie czasu -​ Pojedyncza analiza ze zmiennym czasem -​ Napięcia i prądy źródeł zmieniają się zgodnie z tym, co zapiszemy w pliku wejściowym 6. Sprzęganie układów zewnętrznych w systemie MCS51 na przykładzie układów wyświetlaczy, przetworników analogowo-cyfrowych i przetworników cyfrowo analogowych: ∙ mapowanie układów zewnętrznych w obszarze adresowania Sprzęganie układów zewnętrznych w systemie MCS51 polega na fizycznym oraz logicznym połączeniu układów: Połączenie fizyczne: -​ Podłączenie magistrali adresowej A15-A0 -​ Wykorzystanie multipleksowanej magistrali adresowo-danowej (A7-A0/D7-D0) -​ Połączenie linii sterujących (RD, WR, ALE) Połączenie logiczne: -​ Realizowane przez kod programu -​ Dla przetworników C/A: CS, RW, RD -​ Dla przetworników A/C: START, EOC, OE oraz magistrali D0-D7 -​ Dla wyświetlaczy: CS oraz linii sterujących charakterystycznych dla danego kontrolera Mapowanie obszaru XDATA: Sprzęganie modułu XDATA polega na: -​ wykorzystaniu dekodera adresowego do generowania sygnałów wyboru CS. -​ Przypisanie określonych obszarów adresowych dla każdego układu -​ Użycie rejestru do zatrzaskiwania adresu podczas cyklu dostępu -​ Prawidłowej obsługi multipleksowanej magistrali adresowo-danowej Dekoder adresowy: Sprzęganie dekodera adresowego polega na generowaniu odpowiednich sygnałów wyboru CS0-CS3 dla różnych obszarów pamięci. Każdy sygnał CS aktywuje inny obszar adresowania. Należy również wysterować odpowiednio sygnały RD oraz WR 7. Programowanie w języku asemblera i w języku C systemów mikroprocesorowych MCS51. Proces tworzenia kodu wynikowego. Programowanie niskopoziomowe - asembler Programowanie wysokopoziomowe -​ język C -​ język Java -​ język Ada Programowanie hybrydowe - asembler + język wysokiego poziomu 8. Symulacje układów mikroprocesorowych. Grupy sygnałów podlegające analizie. Interpretacja wyników symulacji na podstawie przebiegów czasowych. Analizowane grupy sygnałów: Analiza stanów wysokich i niskich dla przykładowo taktowania zegara lub analiza sygnałów na rejestrach czy wyświetlaczach Symulacje układów mikroprocesorowych pozwalają na analizę działania systemu na podstawie sygnałów wejściowych i wynikowych przebiegów czasowych. Analizowane grupy sygnałów obejmują: sygnały zegarowe (stabilność i synchronizacja), sterujące (poprawność sekwencji odczytu, zapisu i resetu), dane (przesyłanie informacji w magistralach), wejściowe i wyjściowe (integralność i zakłócenia), oraz sygnały peryferyjne (komunikacja z ADC, DAC, pamięciami i interfejsami). Interpretacja wyników opiera się na analizie czasów propagacji, weryfikacji sekwencji sygnałów, wykrywaniu błędów logicznych i zakłóceń. Przykładowo, symulacja w systemie MCS51 sprawdza poprawność sygnałów WR i RD przy współpracy z urządzeniami peryferyjnymi, zapewniając synchronizację i poprawność działania. Symulacje te pozwalają także na optymalizację projektu pod kątem czasowym i funkcjonalnym.  -​ Magistrala adresowa -​ Magistrala danych -​ Sygnały sterujące -​ Sygnały portów I/O -​ Sygnały przerwań -​ Stany wewnętrzne procesora 9. Ograniczanie wpływu zakłóceń na liniach zasilających układów cyfrowych. ​ Kondensatory odsprzęgające: Umieszczane w pobliżu układów scalonych, redukują lokalne wahania napięcia zasilania. ​ Filtrowanie zasilania: Elementy LC (cewki i kondensatory) służą do tłumienia zakłóceń wysokoczęstotliwościowych. ​ Płaszczyzny masy: Wspólna płaszczyzna masy redukuje zakłócenia elektromagnetyczne i poprawia integralność sygnałów. ​ Separacja zasilania: Oddzielanie torów zasilania układów cyfrowych i analogowych, co zmniejsza interferencje między nimi. 10. Metodyka rozmieszczania elementów elektronicznych na obwodach drukowanych. ​ Rozmieszczanie elementów krytycznych: Procesory, pamięci i układy zasilające są umieszczane w centralnych obszarach, aby zminimalizować długości ścieżek sygnałowych.  ​ Oddzielanie elementów analogowych i cyfrowych: Unikanie interferencji między różnymi rodzajami sygnałów. ​ Optymalizacja termiczna: Elementy generujące ciepło, takie jak tranzystory mocy, są umieszczane w miejscach o dobrej wentylacji lub w pobliżu radiatorów. ​ Unikanie pętli masy: Prawidłowe prowadzenie masy, aby uniknąć indukowania niepożądanych sygnałów. ​ Dostosowanie kierunku fali? ​ Stosowanie zalecanych odległości ○​ 0.63mm od krawędzi płytki ○​ 0.2mm między ścieżkami ○​ 0.2mm średnica otworu ​ nie używać 90 stopni kątów 11. Kryteria doboru szerokości ścieżek połączeń na obwodach drukowanych oraz minimalnych odległości pomiędzy ścieżkami i punktami lutowniczymi. Kryteria określające szerokość ścieżek połączeń -​ Wartość dopuszczalnego prądu -​ Rezystancja (impedancja) ścieżki -​ Grubość ścieżki -​ Odległość między ścieżkami -​ Rodzaj materiału podłoża -​ Maksymalny dopuszczalny wzrost temperatury -​ Możliwości technologiczne producenta Minimalne odległości między ścieżkami Pomocnicze -​ różnice potencjałów -​ wartości szczytowe napięć -​ rezystancja powierzchniowa materiału podłoża -​ warunki środowiskowe (wilgoć, temperatura, ciśnienie, zanieczyszczenia) -​ rodzaj powłok powierzchniowego -​ wzajemne oddziaływanie elektryczne -​ sposób montażu podzespołów -​ możliwości wykonawcze producenta 12. Sprawdzanie reguł projektowych dla obwodu drukowanego - Design Rules Check (DRC). DRC - automatyczna analiza, która sprawdza projekt pod kątem zgodności z zasadami projektowymi i ograniczeniami technologicznymi. Narzędzie DRC analizuje geometrię, ścieżki, odstępy, warstwy miedziowe itp. i generuje raport z wykrytymi naruszeniami. Projektant może następnie skorygować te naruszenia DRC (Design Rules Check) to proces weryfikacji projektu PCB pod kątem zgodności z określonymi regułami projektowymi. Narzędzie DRC automatycznie sprawdza: ​ Minimalne odległości między ścieżkami: Zgodność z wymaganiami napięciowymi i technologicznymi. ​ Szerokości ścieżek: Upewnienie się, że wszystkie ścieżki są odpowiednie dla przewidywanych prądów. ​ Rozmieszczenie elementów: Weryfikacja, czy elementy nie nachodzą na siebie i czy ich położenie jest zgodne z zasadami montażu. ​ Warunki termiczne: Sprawdzenie, czy rozpraszanie ciepła jest wystarczające. 13. Rodzaje i cel badań symulacyjnych obwodów drukowanych: badanie właściwości termicznych, badanie właściwości elektromagnetycznych, analiza integralności sygnałowej. Badania symulacyjne PCB mają na celu zapewnienie poprawnego działania płytki w rzeczywistych warunkach. Obejmują: ​ Badania elektryczne: Analiza integralności sygnałów, tłumienia sygnałów oraz kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). ​ Badania termiczne: Symulacje rozkładu temperatury na PCB, identyfikacja potencjalnych miejsc przegrzania oraz ocena skuteczności chłodzenia. ​ Badania mechaniczne: Analiza wytrzymałości mechanicznej płytki na wibracje, uderzenia czy naprężenia. ​ Badania czasowe: Sprawdzenie propagacji sygnałów i eliminacja opóźnień mogących wpływać na synchronizację sygnałów w układzie.