Введение в дисциплину. Автоматизация инженерных расчетов. Моделирование электрических схем. Конструирование устройств электронной техники.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по дисциплине: «Информационные технологии» Введение Информационные технологии прочно заняли место в современной потребительской технике. Никого уже не удивишь наличием дома персонального компьютера (ПК), периферийной техники (принтеры, сканеры, копиры), домашнего беспроводного WiFi-маршрутизатора, файл-сервера и т.д. Многим пользователям в разговорах на компьютерную тематику уже не требуется разъяснять такие понятия, как операционная система, программное обеспечение, драйвер, утилита. Гораздо меньшее количество людей знает о том, как важны компьютеры, а точнее, специализированное программное обеспечение (ПО) для профессионалов в области проектирования электроники. Среди исследователей и инженеров такое ПО называется «система автоматизированного проектирования» (сокращенно – САПР). В узком смысле под САПР понимается программный комплекс, предназначенный для уменьшения степени участия инженера-разработчика в проектировании и подготовке к производству электронного устройства. В англоязычной технической литературе такие САПР именуются Computer-Aided Design (CAD). Лекция №1. Введение в дисциплину Аннотация Рассматривается актуальность использования САПР в электронной технике. Проводится обзор наиболее популярных программных приложений для расчета, моделирования и разработки устройств электроники, таких как MathCAD, Multisim, Altium Designer и Solid Works. Систем проектирования существует достаточно много в любой сфере, связанной с созданием сложных технических объектов. Не является исключением и область электронной техники. Современные устройства невероятно сложны с точки зрения технической реализации и без использования компьютерных технологий процесс создания новых устройств занимал бы неоправданно много времени. Вот основные преимущества использования САПР: • Существенная экономия времени, сил и средств, затрачиваемых на разработку устройства. • Возможность совместной и параллельной разработки проекта. • Быстрое документирование результатов работы. В данном курсе будут рассмотрены азы работы с компьютерными приложениями, используемыми для инженерных расчетов - MathCAD, компьютерного моделирования электронных схем - Multisim, разработки печатных плат - Altium Designer и трехмерного твердотельного моделирования Solid Works. Таким образом, в курсе рассматривается процесс так называемого сквозного проектирования. Знание программного обеспечения, подобного вышеперечисленным приложениям, является необходимым минимумом для успешной работы специалистов в области создания устройств электронной техники (ЭТ). Под словом «успешной» здесь подразумевается высокая скорость, минимальное количество итераций и высокое качество конечного изделия. Здесь стоит оговориться, что не всегда, а, скорее, редко все задачи по проектированию оборудования решаются одним человеком. Поэтому основной целью курса является не углубленное знакомство со всеми тонкостями проектирования электроники с помощью САПР, а создание у слушателей общего, но в то же время четкого представления о процессе разработки устройств ЭТ, начиная с математического расчета электрических параметров проектируемого устройства и заканчивая оформлением его в корпус. Ввиду ограниченности времени не рассматриваются в полной мере такие важные вопросы, как документирование проектов в соответствии с требованиями ГОСТ, системы управления версиями и прочее. Лекция №2. Автоматизация инженерных расчетов §1. Математический пакет MathCAD Программа MathCAD является собственностью американской компании Parametric Technology Corporation (PTC)1 и представляет собой мощное средство для работы с уравнениями, числами, текстом и графиками. Профессионалы в обиходе называют эту систему «инженерный калькулятор». Вот далеко не полный список возможностей MathCAD: • решение дифференциальных уравнений; • построение двумерных и трехмерных графиков функций; • выполнение вычислений в символьном режиме; • выполнение операций с векторами и матрицами; • символьное решение систем уравнений; • аппроксимация кривых; • выполнение подпрограмм; • поиск корней многочленов и функций. • проведение статистических расчетов и работа с распределением вероятностей; • поиск собственных чисел и векторов. MathCAD поддерживает взаимодействие с такими приложениями, как Microsoft Excel, Matlab, AutoCAD, Solid Works и др. Основной отличительной особенностью MathCAD и одновременно ее преимуществом является простая форма представления математических выражений. Формулы записываются в привычном для всех виде. В качестве примера запишем простейшую формулу для нахождения корня квадратного уравнения: x=(-b+sqrt(b^2-4*a*c))/2*a В таком виде формулы записываются на одном из языков программирования и воспринимаются с трудом. При ее записи можно легко ошибиться, из-за чего результат работы программы будет недостоверен. Теперь взглянем, как выглядит та же формула в MathCAD: Такая форма записи гораздо наглядней и лаконичней. Однако наглядность записи формул – не главное преимущество MathCAD. Основная цель использования этой программы – автоматизация вычислений. Нужность такого качества можно продемонстрировать на простом примере. Пусть требуется произвести математический расчет некоторого технического объекта, например, усилителя нижних частот. Предполагается, что инженер, который будет этим заниматься, хорошо знаком с теорией и точно знает, как рассчитать подобное устройство: владеет необходимыми формулами и имеет представление о последовательности расчета. В этом случае он вводит в программу всю необходимую информацию (текст, объявление констант, формулы, графики) и считывает результат работы программы, не прикладывая никаких усилий в плане расчета. Казалось бы, этим исчерпывается польза от программы. Но в процессе разработки устройств очень часто входные и выходные параметры могут изменяться – это вполне нормальная ситуация. Вот здесь и проявляется основная польза MathCAD (впрочем, как и любой САПР): если все константы объявлены в одном месте – в начале документа, и в методике расчетов не произошло принципиальных преобразований, то инженеру требуется изменить лишь небольшое количество исходных параметров, а MathCAD пересчитает и выдаст новый результат. Этим достигается существенная экономия времени! Самая первая версия программы MathCAD 1.0 функционировала под операционной системой DOS, а с 5-ой версии продукт работал в среде Windows. Каждая новая версия программы обладала улучшенным интерфейсом, который разработчики стремились приблизить к привычному многим пользователям ПК интерфейсу текстового редактора MS Word. Кроме улучшения интерфейса, в обновленных версиях повышалась скорость выполнения операций, вводились новые математические функции и графические возможности. Последняя версия MathCAD Prime 1.0 (на момент создания данного курса) по внешнему виду очень напоминает MS Word последних версий (2007 и 2010). Основной акцент делается на максимальном удобстве работы с программой, высокой производительности и минимальных затратах времени на оформление и редактирование документов. Кроме MathCAD существуют альтернативные математические пакеты, такие как Matlab, Maple, Mathematica, MuPAD, Scilab, Maxima и др., среди которых есть как коммерческие, так и свободно распространяемые продукты для различных операционных систем. Сравнивать названные программы вряд ли стоит, т.к. они зачастую имеют разную идеологию и назначение. Вопросы: В чем заключается преимущество использования программ типа MathCAD для математических расчетов? §2. Пакет схемотехнического моделирования NI Multisim Не менее важная задача на этапе эскизного проектирования устройства – проверка работоспособности применяемых схемных решений без сборки натурных макетов. Здесь на помощь приходят пакеты схемотехнического моделирования. Современные пакеты позволяют в графическом режиме осуществлять ввод принципиальных схем так, как если бы нужно было собрать конструктор из готовых кубиков, только в качестве последних в нашем случае выступают условно-графические изображения элементов схемы: из базы данных пакета моделирования «достается» изображение нужного элемента схемы и помещается на рабочее поле. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет собрана полная схема. Затем остается их соединить в нужном порядке, задать рассчитанные ранее параметры элементов схемы, которые становятся известны на этапе расчета схемы в математической САПР, и запустить процесс моделирования. Результатом этого процесса могут быть временные и частотные диаграммы в любом узле схемы, числовые значения напряжений в узлах и токов в ветвях схемы, амплитудно-частотная характеристика схемы и т.д. Проанализировав все необходимые параметры и диаграммы, мы можем сделать вывод о том, какие действия нужно предпринять для исправления ошибок, или, если таковые отсутствуют, принять решение о переходе к следующему этапу проекта. Пример пакета схемотехнического проектирования – продукт компании National Instruments Multisim. Эта программа является развитием в прошлом популярной программы Electronics Workbench, разработанной компанией Interactive Image Technologies, которая в данный момент является подразделением National Instruments. Рисунок 1 – Рабочее поле Multisim Основным достоинством Multisim можно назвать очень дружественный интерфейс (Рисунок 1) вкупе с мощным вычислительным ядром XSPICE. Это позволяет быстро создавать проекты и получать адекватные модели реальных устройств. Процесс моделирования части принципиальной схемы или всего устройства в целом называется симуляцией. Средством симуляции является компьютер, а точнее, его вычислительные мощности. Рассмотрим очень кратко принцип работы программы Multisim для того, чтобы иметь представление о внутренних процессах, происходящих в ходе симуляции (Рисунок 2). Рисунок 2 – Структурная схема работы симулятора Схемный редактор служит для графического представления списка соединений, который является текстовым описанием схемы. Проще говоря, он нужен для рисования схемы на компьютере. В прошлом для моделирования схем использовались только текстовые описания цепей. Для моделирования нужно было сначала разметить схему на листке бумаги: ввести позиционные обозначения и номера узлов, после чего набрать описание схемы в специальном формате и запустить процесс моделирования. Схему в ее привычном представлении в симуляторе наблюдать было нельзя. Пример: ниже приведена простейшая схема, состоящая из источника напряжения 5 В и двух резисторов номиналом по 1000 Ом каждый, и ее текстовое описание. Первый элемент строки – позиционное обозначение элемента, следующие несколько цифр (в зависимости от количества выводов) – номера узлов, к которым подсоединен элемент, и единицы измерения. Далее следуют параметры элемента. В нашем случае это напряжение источника и номиналы сопротивлений резисторов. Список соединений схемы (Netlist): E1 1 2 5 V R1 1 2 1 kOm R2 1 2 1 kOm Модели компонентов и инструментов автоматически вставляются в список соединений, который генерируется и загружается в имитационное ядро. Интерфейс командной строки используется в качестве альтернативы схемного редактора. В курсе работа с командной строкой не предусмотрена. Блок Задание параметров анализа схемы, как следует из самого названия, автоматически генерирует команды для управления имитационным ядром на основании введенных пользователем параметров в соответствующих пунктах меню программы. Например, здесь задается время анализа схемы или диапазон частот при анализе схемы по переменному току. События: определенные компоненты и инструменты могут изменять состояние схемы во время симуляции, посылая команды напрямую в имитационное ядро. Сюда, пожалуй, можно отнести изменения номиналов/параметров электронных компонентов или параметры измерительных инструментов. Индикаторы отображают значения выходных величин модели. Наиболее часто используемые индикаторы – мультиметр, семисегментный индикатор и зонды. Инструменты используются для многих целей, включая генерацию сигналов и анализ данных. Графики используются для анализа выходных данных модели, например, временных и частотных характеристик. С их помощью мы имеем возможность визуально наблюдать сигналы, измерять их параметры, сопоставлять несколько характеристик на одном графике и т.д. Имитационное ядро выполняет моделирование схемы по заданным пользователем критериям и, как уже было упомянуто, основано на XSPICE. Оно состоит из шести компонент, обеспечивающих интерпретацию схемы и команд, выполнение вычислительных операций и выдачу необходимой информации. Стоит упомянуть о других схемных симуляторах, таких как OrCAD (модуль Shematics), Microcap, Proteus (модуль ISIS) и др. Почти все они основаны на SPICE и довольно хорошо имитируют работу реальных схем. Отличия могут заключаться в интерфейсе пользователя и в специфике предметной области. Поясним это на конкретных примерах. Модуль ISIS программы Proteus больше ориентирован на симуляцию цифровых схем, а точнее схем на основе микроконтроллеров: обеспечена поддержка загрузки созданного с помощью компилятора hex-кода. Кроме этого, имеется большой набор индикаторов, таких как семисегментные индикаторы и жидкокристаллические дисплеи. Если же стоит цель смоделировать сверхвысокочастотную (СВЧ) схему и оценить такие параметры, как коэффициент стоячей волны, коэффициент шума и т.д., то ни одна из вышеперечисленных САПР в полной мере не подойдет для решения данной задачи. В этом случае используются программы для анализа СВЧ цепей, например такие, как Microwave Office, CST Microwave Studio или Ansoft Serenade. Таким образом, на вопрос о том, какой же симулятора выбрать, нет четкого ответа. Нужно прежде уточнить, какую цель преследует инженер. Вопросы: 1. Какова задача приложения Multisim при проектировании устройств электронной техники? 2. На каком этапе моделирования требуется обращение к математической САПР? §3. Проектирование печатных плат с помощью Altium Designer После того, как получены удовлетворительные результаты схемного проектирования, наступает этап конструкторской проработки устройства. На основе уже существующей принципиальной схемы создается так называемая печатная плата (Рисунок 3). Она представляет собой пластину из диэлектрического материала с нанесенными на нее проводящими дорожками и смонтированными электронными компонентами, коммутационными элементами и т.д. Дорожки соединяют контактные площадки компонентов, тем самым определяя функциональность устройства. Если связи отсутствуют – устройство работать не будет. Нарушен порядок связей – не получим необходимый функционал. Рисунок 3 – Трехмерный рисунок печатной платы Несомненно, печатная плата может быть спроектирована и без участия компьютера, вручную. Но это займет много времени, а в случае ошибки, которые при проектировании случаются довольно часто, всю работу придется переделывать. Эта ситуация еще более усугубляется в сложном проекте, где применяются не только элементарные дискретные компоненты (резисторы, конденсаторы, транзисторы), но и интегральные схемы с большим количеством выводов и малым расстоянием между ними (1 мм и менее), сложные разъемы и т.д. Если для разработчика фактор времени играет первостепенную роль, то другой альтернативы, кроме как использовать САПР, не существует. Среди профессиональных электронщиков в настоящее время очень широко используется САПР Altium Designer, разработанная и поддерживаемая австралийской компанией Altium. Эта программа пришла на смену в прошлом очень популярному пакету P-CAD (по статистике [2], собранной на сайте разработчиков электроники www.electronix.ru, программа P-CAD в 2005-2006 гг. была наиболее популярной САПР: различными версиям программы пользовались более 50 % опрошенных российских пользователей). Вот главные причины, по которым система Altium Designer является востребованной среди разработчиков электроники: • единая среда разработки Design Explorer (в P-CAD для разработки схемы, символов элементов, посадочных мест, компоновки и трассировки проводников использовались отдельные приложения); • упрощенная процедура работы с библиотеками; • поддержка программируемых логических интегральных схем (ПЛИС): есть возможность создавать описание схемы непосредственно в среде Altium Designer; • контроль версий при многопользовательском доступе; • 3D визуализация платы Таким образом, Altium Designer представляет собой очень удобное средство для проектирования печатных плат, позволяющее качественно и в сжатые сроки реализовать проект практически любой сложности. Существуют альтернативные программные пакеты для разработки электроники, такие как DipTrace, TopoR, KiCAD, Sprint Layout, Proteus (модуль ARES), OrCAD (модуль Layout). Первые два продукта – отечественные, к тому же DipTrace – свободно распространяемая программа. Однако они больше подходят для радиолюбительских разработок. Все остальные перечисленные здесь программы, по отзывам пользователей в Интернете, а также по личному опыту автора, гораздо менее удобны, чем Altium Designer. Правда, его цена для рядового пользователя запредельная – около $10 000. Вопросы: 1. Дайте определение понятию «печатная плата». 2. В чем заключается принцип работы симулятора Multisim? §4. Введение в трехмерное твердотельное моделирование в Solid Works Одним из заключительных этапов в процессе проектирования электронного устройства является создание прототипа корпуса изделия. Корпус защищает устройство от внешних механических, электромагнитных и прочих воздействий и придает устройству презентабельный внешний вид. Необходимость в наличии корпуса, как правило, не вызывает сомнений. Рисунок 4 – Окно программы Solid Works Для того чтобы правильно спроектировать корпус, необходимо: • обладать неплохим пространственным мышлением, чтобы «видеть» его конечный вариант у себя в голове; • владеть начертательной геометрией; • знать особенности технологии производства корпусов. При наличии современных САПР, таких как Solid Works (Рисунок 4), работающих с 3-х мерными моделями, первые два требования могут быть слегка ослаблены. Дело в том, что эти программы позволяют очень быстро создать трехмерную модель будущего корпуса. Когда такая модель перед глазами, гораздо проще выявлять ошибки и на ходу редактировать модель. Алгоритм построения трехмерной модели заключается в следующем. Поскольку у инженера уже есть примерное представление о том, как будет выглядеть корпус, то он знает формы всех граней. Например, у куба – шесть граней, каждая из которых представляет собой квадрат. Для создания в Solid Works модели куба требуется начертить встроенными инструментами квадрат нужных размеров. Эта процедура называется созданием эскиза. После чего специальной командой как бы «вырастить», «вытянуть» из квадрата куб нужной высоты. Вся процедура занимает не больше одной минуты. Чтобы из куба получить более сложное тело, нужно отсекать все лишнее с помощью специальных инструментов. Также существуют альтернативные приемы, используемые для создания более сложных моделей, но о них пойдет речь на практических и лабораторных работах. Вопросы: 1. Какие функции выполняет корпус устройства? 2. Как в Solid Works из двухмерного эскиза получается трехмерная модель? 3. Перечислите основные преимущества приложения Altium Designer. Лекция №3. Моделирование электрических схем. Аннотация В лекции проводится краткий экскурс в основы работы симуляторов электронных аналоговых, цифровых и смешанных схем, виды анализа и представления результатов моделирования. §1. Принципы моделирования аналоговых, цифровых и смешанных электронных схем. Моделирование аналоговых схем включает три основных процесса, которые позволяют анализировать эти схемы: узловой анализ, линеаризация и численное интегрирование. Узловой анализ является самым фундаментальным в симуляторе. Он исполь­зуется для решения схем с чисто линейными, не дифференциальными элементами. Причина важности метода заключается в том, что более сложные элементы схемы всегда преобразуются в линейную, недифференциальную форму настолько точно, что с результатом преобразования можно работать как с линейной моделью. Метод узлового анализа формирует систему линейных уравнений в соответствии с первым законом Кирхгофа. Процесс решения системы линейных уравнений с помощью матричных уравнений. Он начинается с LU-разложения. Это включает в себя разложение матрицы на две треугольные матрицы (нижняя треугольная матрица L, и верхняя треугольная матрица U) и решая две матрицы с использованием прямой и обратной подстановок. Часто используются некоторые методы, позволяющие избежать трудностей с расчетами, а также для улучшения точности численных результатов и максимального увеличения эффективность решений. Как правило, метод узловых потенциалов и матричное решение стабильны и детерминированы. Его успешность ограничена только сложностями в вычислениях, возникающих в результате конечной точности вычислений с плавающей точкой. Линеаризация Нелинейные элементы представляются проблемными с точки зрения моделирования, т.к. описывающие их нелинейные уравнения не могут быть решены напрямую как часть системы уравнений. Для решения этой проблемы симулятор использует итерационный метод нелинейного анализа под названием метод Ньютона-Рафсона. Чтобы проиллюстрировать то, как используется данный метод, рассмотрим схему, состоящую из диода и резистора (Рисунок 51). Рисунок 51 Точное решение данной схемы находится на пересечении нагрузочной прямой и ВАХ диода (Рисунок 52). Рисунок 52 – Нахождение решения схемы Чтобы найти пересечение двух линий, симулятор начинает с того, что делает «предположение» о том, какое напряжение на диоде. После этого ВАХ диода линеаризуется с помощью касательной, проведенной в точке начального приближения. Линеаризация диода эффективно моделирует поведение диода как резистора, включенного параллельно источнику тока (Рисунок 53). Это позволяет симулятору использовать метод узловых потенциалов для нахождения решения. Первое решение представляет собой пересечение касательной, проведенной в точке начального приближения, и нагрузочной прямой. После этого строится новая касательная и т.д. Процесс повторяется до тех пор, пока разница между соседними итерациями не станет достаточно маленькой. Когда это происходит, цикл заканчивается и считается, что решение сходится. Рисунок 53 – Представление диода в виде модели источника тока и параллельного резистора Приведенный пример является простым, т.к. схема содержит только один нелинейный элемент. На практике встречаются гораздо более сложные схемы, с гораздо бльшим количеством нелинейных элементов, что увеличивает вероятность того, что решение не сойдется. Проблема сходимости является одним из основных препятствий при симуляции. Позже будет обсуждаться вопрос о том, как действовать, если схема не сходится, и как предупредить эту проблему. Численное интегрирование Метод численного интегрирования используется при анализе переходных процессов (рассматривается ниже). Он применяется к элементам с дифференциальным поведением, т.е. их поведение описывается функцией вида , например, как у конденсатора. Такие элементы называются реактивными. Как и нелинейные элементы, при моделировании реактивных элементов возникают проблемы при нахождении решения, потому что дифференциальные уравнения не могут быть решены напрямую как часть системы уравнений. Для решения схемы с реактивными элементами симулятор использует метод численного интегрирования. В этом методе интеграл или производная аппроксимируется с помощью конечных приращений в соответствии с определенной формулой. Например, предположим, что известно напряжение на конденсаторе в момент времени и мы хотели бы найти значение напряжение в момент времени . Мы можем использовать обратную форму Эйлера, чтобы дискретизировать интеграл в алгебраическое выражение так, как показано ниже: В соответствии с этой формулой, в момент времени конденсатор в схеме (Рисунок 54) преобразуется в эквивалентную схему (Рисунок 55). Рисунок 54 – Простейшая цепь с конденсатором Рисунок 55 – Эквивалентная схема конденсатора Так же, как диод, конденсатор становится набором линейных элементов и поэтому может быть применен метод узловых потенциалов. Следует отметить, что метод Эйлера использовался исключительно в демонстративных целях. На самом деле симулятор Multisim использует метод трапеций. Что касается модели конденсатора, то она в симуляторе также представлена иначе – в виде источника тока с включенным параллельно резистором. Поговорим о моделировании цифровых схем. Цифровой узел схемы может принимать одно из шести состояний, вытекающих из трех основных логических уровней: Высокий, Низкий, Неопределенный, каждый из которых в свою очередь может принимать еще два значения («мощность»): Мощный, Высокоимпедансный. Логические состояния относятся к булевой алгебре. Состояние «Неопределенный» означает, что логический уровень может быть равновероятно высоким или низким. Понятие «мощность» относится к электронике: это количество «силы» в определенном узле схемы. Это понятие используется, когда требуется разрешить конфликты, при которых два или более выхода соединены в один узел. В этом случае конфликт разрешается согласно следующей таблице: Таблица 5. Разрешение конфликтов сигналов. XZ 0Z 1Z XS 0S 1S 1S 1S 1S 1S XS XS 1S 0S 0S 0S 0S XS 0S XS XS XS XS XS 1Z XZ XZ 1Z 0Z XZ 0Z XZ XZ Обозначения уровней «1» - Высокий «0» - Низкий «Х» - Неопределенный «S» - Мощный «Z» - Высокоимпедансный. Вопросы: 1. Какие существуют методы анализа электронных схем в программе Multisim? 2. Поясните на пример схемы (Рисунок 54) суть численного интегрирования. §2. Режимы анализа электронных схем Наиболее часто при моделировании низкочастотных электронных схем используются три режима анализа: анализ цепи по постоянному току, анализ переходных процессов и анализ цепи по переменному току. Анализ цепи по постоянному току В этом режиме симулятор определяет рабочую точку схемы. Результатом такого анализа обычно являются промежуточные значения для дальнейшего анализа. Например, эти результаты определяют примерные линеаризованные, малосигнальные модели для любых компонентов, таких как диоды и транзисторы. Эти модели затем используются при анализе цепи по переменному току. Все изменяющиеся во времени процессы конденсаторов, катушек индуктивности и независимых источников сигнала игнорируются. Конденсаторы интерпретируются как разрывы, а катушки индуктивности – как закороченные участки цепи. Симулятор выполняет анализ по постоянному току, используя процесс линеаризации, описанный выше, который, в свою очередь, задействует метод узлового анализа. Анализ переходных процессов В режиме анализа переходных процессов Multisim вычисляет отклик цепи как функцию времени. Каждый цикл входного сигнала разбивается на интервалы и для каждой точки проводится анализ по постоянному току. Решение для формы напряжения в конкретном узле определяется значением этого напряжения в каждый момент времени в течение одного завершенного цикла. Данный вид анализа отличается от анализа цепи по постоянному току по двум пунктам: • линеаризация выполняется в каждый момент времени; • реактивные элементы больше не игнорируются, но представляются дискретными моделями, полученными методами численного интегрирования. Ниже (Рисунок 56) представлен упрощенный вариант алгоритма работы симулятора в режиме анализа переходных процессов: Рисунок 56 – Упрощенная блок схема работы симулятора в режиме анализа переходных процессов Так как в описываемом режиме в каждый момент времени выполняется нелинейный анализ схемы, существует высокая вероятность несходимости по сравнению с режимом по постоянному току. Однако, если процессы в схеме не слишком динамичны, т.е. изменяются не резко, то соседние значения различаются незначительно и решение может быть найдено довольно просто. Напротив, если процессы динамичны, что может быть связано с большим временным шагом и/или c быстропротекающими процессами, в результате которых предыдущее решение может находиться «далеко» от решения в следующий момент времени. Поэтому очередная итерация может привести к тому, что схема не сойдется. В этом случае симулятор сокращает временной шаг и пробует осуществить новый итерационный цикл. Если сходимость не может быть достигнута симулятором в течение многих попыток, а шаг при этом уменьшился ниже заданного, то симулятор выдает сообщение об ошибке «Временной шаг слишком мал». Анализ схемы по переменному току В режиме анализа схемы по переменному току симулятор рассчитывает частотный отклик линейной цепи. В этом режиме, как уже было сказано, сначала рассчитываются линейные малосигнальные модели. После этого создается матрица, состоящая из комплексных чисел. При этом считается, что источники постоянного напряжения или тока отсутствуют. Источники переменного сигнала, конденсаторы и катушки индуктивности представлены своими моделями по переменному току. Все входные источники сигнала считаются синусоидальными. Значение частоты игнорируется. Если функциональный генератор выдает прямоугольный или треугольный сигнал, то он автоматически будет переключен на синусоидальный сигнал. После этого рассчитывается отклик цепи как функция частоты. Другие виды анализа Кроме описанных выше существуют такие режимы, как спектральный анализ сигнала (анализ Фурье), шумовой анализ (тепловой, дробовой и фликер-шум), анализ нелинейных искажений в усилителях и т.д. В курсе эти виды анализа подробно рассматриваться не будут. Вопросы: 1. Перечислите известные вам режимы анализа электронных схем? 2. Объясните суть анализа переходных процессов в схеме? 3. Какие состояния может принимать узел в цифровых схемах при моделировании в программе Multisim 11? §3. Визуализация результатов анализа Важным этапом при анализе схемы является просмотр результатов расчета схемы. Для этого в Multisim предусмотрено множество инструментов. Наиболее распространенным измерительными инструментами являются мультиметр, осциллограф, логический анализатор и анализатор спектра. Также для анализа схем используются такие устройства, как функциональный генератор, генератор слов (двоичных сигналов) и логический анализатор. Рассмотрим по порядку каждый из вышеупомянутых приборов. Самый легкий для понимания измерительный прибор – это мультиметр (Рисунок 57). Он измеряет три параметра: силу тока, напряжение и сопротивление. Рисунок 57 – Изображение виртуального мультиметра a) и окно настроек и просмотра b) Чтобы добавить его в схему, требуется нажать на кнопку в правой верхней части рабочего окна на панели инструментов (Рисунок 58). Рисунок 58 – Доступ к мультиметру Из курса школьной физики известно, что для измерения силы тока (кнопка А в окне настроек) амперметр должен быть включен последовательно с элементами ветви. При измерении напряжения (кнопка U) измерительные щупы подключаются параллельно участку цепи. То же самое касается сопротивления (кнопка Ω). Когда в окне настроек нажата кнопка , это означает, что прибор настроен на измерение постоянного тока. Если при этом на прибор подается переменный сигнал, то на табло выводится среднее значение тока или напряжения (постоянную составляющую). Если нажата кнопка , то измеряется эффективное значение напряжения или тока. Кроме этого есть возможность отображения значения измеряемого напряжения в децибелах (кнопка ). Отображаемое значение вычисляется по формуле: , где - измеряемое значение, - относительное напряжение, по умолчанию заданное равным 775 мВ. Например, если мы измерили напряжение и получили результат 120 В, то в децибелах получим . Следующим прибором, который мы рассмотрим, будет осциллограф (Рисунок 59). Рисунок 59 – Расположение осциллографа на панели управления Ниже (Рисунок 60) приведено окно отображения результатов моделирования и внешний вид виртуального осциллографа. Рисунок 60 – Окно анализа результатов (слева) и изображение виртуального осциллографа (справа) Мы не будем рассматривать подробно все настройки осциллографа, а остановимся только на наиболее значимых из них. Масштаб времени выбирается в зависимости от того, сигнал какой частоты анализируется, измеряется в секундах (или кратных величинах) на деление, и показывает, какая выбрана времення сетка отображения результатов расчета, т.е. расстояние между двумя соседними вертикальными пунктирными линиями. Чем выше частота сигнала, тем меньше должен быть масштаб времени для адекватного отображения результатов измерений. Аналогично, масштаб значений сигнала зависит от того, насколько мала или велика амплитуда сигнала, измеряется в вольтах на деление, и задает шаг сетки по вертикальной оси, а именно расстояние между двумя соседними горизонтальными пунктирными линиями. В данном виде осциллографа два канала, поэтому есть возможность задавать масштаб для обоих каналов. Чем больше амплитуда сигнала, тем большее количество вольт на деление должно быть выбрано. Если бы в упомянутом примере (Рисунок 60) масштаб канала А был равен не 100, а 5 вольт на деление, то мы бы увидели следующий график: Рисунок 61 Мы наблюдаем (Рисунок 61) практически вертикальные линии, что никак не соответствует графику синусоиды. В связи с этим при использовании виртуального (как и реального) осциллографа рекомендуется внимательно относиться к настройке масштабов. Режим отображения фона определяет один из двух цветов фона: белый или черный. Очередное нажатие инвертирует цвет. Маркеры являются очень удобным инструментом для анализа графиков напряжений. Они позволяют вычислить значение напряжения в определенный момент времени (поля Channel A и Time), а также разницу в уровнях напряжения и во времени. На рис. 71 синий маркер (обозначен цифрой 2) установлен в положении, где временная отметка стоит на 187.279 мс, а напряжение равно 169.116 В. Красному маркеру (№1) соответствуют значения 201.085 мс и 67.490 В соответственно. Эти цифры могут быть считаны из окна, расположенного чуть ниже области построения графиков (они обозначены красными прямоугольниками). Так как второй канал осциллографа не используются, то и соответствующие ему значения не отображаются. Остальные приборы, которые были упомянуты выше, но еще не рассмотрены, используются для анализа цифровых схем. Поскольку наш курс построен вокруг аналоговой схемы, мы не будем заострять внимание на цифровых приборах. Вопросы: 1. Перечислите известные вам виртуальные измерительные приборы, используемые в программе Multisim? 2. Какие параметры схемы позволяет измерить мультиметр? 3. Поясните суть режима анализа цепи по постоянному току. Лекция №4. Конструирование устройств электронной техники. Аннотация Понятие печатной платы, их виды, производители. Интернет-ресурсы поиска и заказа печатных плат. Базовые правила разработки конструкции печатной платы: расстановка компонентов, трассировка, верификация. §1. Этапы конструирования печатной платы Как уже говорилось в самой первой лекции, проектирование печатной платы начинается только после того, как получена достаточная степень уверенности в работоспособности прибора. А это достигается моделированием, о котором говорилось в прошлых лекциях. Кроме того, желательно знать, для какого корпуса проектируется устройство. Таким образом, этапы конструирования печатной платы можно сформулировать следующим образом: 1. Выбор корпуса. Если корпус не предусмотрен, то необходимо четко определиться с габаритами платы, а также с порядком расположения крепежных отверстий, если таковые требуются. 2. Собственно разводка печатной платы, которая в свою очередь включает следующие этапы: a. Создание библиотеки элементов и ввод принципиальной схемы. b. Размещение в САПР посадочных мест электронных компонентов (компоновка). c. Трассировка, т.е. прокладка путей прохождения тока, которые в реальной плате представляют собой медные дорожки. d. Проверка соблюдения правил проектирования (Design Rule Check): все зазоры и отверстия должны отвечать технологическим требованиям предприятия, на котором планируется изготовление печатной платы. e. Проверка соответствия габаритов разработанной платы и корпуса под нее с помощью трехмерного моделирования. f. Генерация Gerber-файла и файла сверловки. 3. Заказ платы. 4. Монтаж платы, сборка устройства и его тестирование. 5. В зависимости от результатов тестирования доработка проекта. Перечисленные выше этапы в большей степени относятся к прототипированию устройств. Рассмотрение вопросов массового производства не является предметов данного курса. Вопросы: 1. Сформулируйте основные этапы конструирования электронного устройства? 2. Что предшествует этапу проектирования печатной платы? §2. Общая информация о платах печатного монтажа Принцип создания печатных плат можно описать следующим образом: вводится принципиальная схема устройства из заранее созданных компонентов библиотеки. После чего на основе схемы создается рисунок печатной платы с посадочными местами будущих компонентов и проводящими дорожками. Разводка печатной платы (процесс размещения элементов и трассировки дорожек) чем-то напоминает пазл, с той разницей, что вы не знаете, как будет выглядеть окончательный вариант платы. Этот процесс – итеративный, требующий усидчивости и терпения. Основная сложность здесь – оптимально разместить компоненты на печатной плате и проложить дорожки. Чем выше частоты сигналов, используемых в устройстве, тем более высокие требования предъявляются к топологии платы. Результатом разработки печатной платы в САПР являются, как уже упоминалось, файлы топологии и сверловки. Что с ним делать дальше, решает сам разработчик. Если необходимо создать печатную плату кустарным методом, или как говорят радиолюбители, «Методом лазерного принтера и утюга», то файл топологии послойно выводится на печать в зеркальном отражении. В этом случае можно получить минимальную ширину проводника не более 0.2-0.3 мм, что является неплохим результатом, однако есть существенное ограничение – нет возможности изготавливать многослойные платы (3 и более слоев), которые очень часто используются в серьезных разработках. Более простым, но в то же время более затратным методом, является заказ производства платы в специализированных компаниях. В Томске таковыми являются ООО «Мажтранс» (делают как двух-, так и многослойные платы), ОАО «НИИПП» (только двухслойные платы). Крупный производитель плат расположен в Новосибирске – компания «Электроконнект» (входит в группу предприятий «PS Electro»). Завод производит самые разнообразные платы: одно-, двухсторонние и многослойные, нестандартные, гибкие, типовой (класс А) и повышенной (класс В) сложности. Для заказа платы необходимо заполнить стандартный бланк, отправить его вместе с файлом топологии (непосредственно файл, где создавалась плата или Gerber-файл) по электронной почте, оплатить заказ, и через некоторое время плата будет доставлена. Вопросы: 1. Сформулируйте в общих чертах принцип создания печатной платы. 2. Какие вам известны компании – производители печатных плат? 3. Что означает понятие «правила проектирования» в контексте САПР для разработки печатных плат? §3. Технология проектирования печатной платы Первое, что нужно делать, приступая к работе с топологией печатной платы – задать габариты – ширину и высоту. Предполагается, что эта информация имеется, т.к. корпус к этому моменту уже должен быть выбран. Практически во всех САПР есть возможность импорта посадочных мест согласно существующей принципиальной схеме, созданной в той же программе. Подразумевается, что заранее созданы условно-графические обозначения (УГО) и посадочные места в соответствующих библиотеках. О них более подробно будет сказано на практических занятиях. После импорта на рабочем поле отображаются посадочные места и связи между контактными площадками (Рисунок 62). Рисунок 62 – Пример платы, на которой компоненты уже расставлены, но трассировка еще не проделана Фиолетовым цветом обозначен контур платы, желтые замкнутые области – очертания будущих электронных компонентов, а также позиционные обозначения элементов, т.е. буквенно-цифровой код элемента. При заказе печатной платы есть возможность дать указание производителю наносить так называемый слой шелкографии (разновидность трафаретной печати). В этом случае при монтаже платы, т.е. при пайке компонентов, будет видно, где какой компонент должен располагаться, что упрощает и ускоряет процесс монтажа сложных плат. Следует заметить, что элементы на этой плате уже упорядочены в пределах контура. На практических занятиях потребуется проделать процедуру размещения компонентов самостоятельно. Сеть прямых пересекающихся линий на рисунке – это соединения элементов, так называемые «веревки», которые при трассировке (еще этот процесс называют разводкой) преобразуются в проводники. Красные прямоугольники в правой части платы – это контактные площадки, предназначенные для соединения платы с внешним разъемом. Здесь можно дать следующие рекомендации по компоновке элементов: • Разъемы, к которым подсоединяются внешние кабели, провода, шлейфы и др., должны располагаться как можно ближе к кромке платы. • Длина дорожек должна быть минимальна. Если есть возможность расположить близко связанные друг с другом элементы, то нужно ею пользоваться. Но и тут могут возникнуть проблемы: очень часто один элемент связан с несколькими. Например, микроконтроллер может быть соединен с элементами тактирования, разъемами, дисплеем и т.д. В этом случае компонент, имеющий множество связей с другими элементами схемы, размещается ближе к геометрическому центру платы. • Цифровые и аналоговые компоненты должны группироваться по отдельности. Например, если устройство содержит как логические, так и усилительные элементы (транзисторы, операционные усилители), то желательно их располагать подальше друг от друга. Идеальный случай, когда цифровые и чувствительные к помехам аналоговые цепи расположены на разных платах. • Керамические конденсаторы, сглаживающие пульсации напряжения питания цифровых микросхем, располагаются как можно ближе к соответствующим контактным площадкам элемента. Лишние проводники на плате влекут за собой образование паразитной индуктивности, что негативно отражается на форме цифровых сигналов. После компоновки элементов наступает этап трассировки, который заключается в прокладывании путей прохождения токов. Современные САПР позволяют производить трассировку как в ручном, так и в автоматическом режиме. Ручной режим хорош тем, что вы полностью контролируете процесс, благодаря чему результат получается лучше, чем автоматическом режиме. Однако ручная трассировка – затратная по времени процедура. Используя автоматический режим, разработчик получает результат гораздо быстрее, однако зачастую этот результат оставляет желать лучшего – трассы проложены не оптимально, ширина проводников не соблюдается и проч. Этого можно избежать, если правильно настроить автотрассировщик, что требует задания большого количества настроек. Ниже (Рисунок 63) представлена уже разведенная плата. Вместо «веревок» на ней размещены проводники красного и синего цвета. Первые соответствуют верхнему слою платы, вторые – нижнему. Рисунок 63 – Плата с проложенными трассами Рассмотрим коротко общие рекомендации по трассировке проводников: • Если при трассировке возникла необходимость изменить направление проводника, то угол между прежним и новым направлениями (Рисунок 64) должен быть кратен 45 или 90 градусам (иногда допускается 30 и 60 градусов). Рисунок 64 • Ширина проводников должна учитывать силу тока, проходящего по нему: чем больше сила тока, тем шире должен быть проводник. Это связано с тем, что при увеличении ширины проводника увеличивается площадь его сечения, а омическое сопротивление уменьшается (формула ). На больших токах сопротивление проводника является существенным фактором, поскольку оно создает падение напряжения, а это нежелательно. • Рекомендуется создавать медные «земляные» и питающие полигоны, которые обеспечивают пути протекания обратных токов и подачу питающего напряжения элементам схемы. Лучше, если каждый из этих полигонов занимает целый слой. И снова стоит отметить, что на практике этими тремя пунктами рекомендации не исчерпываются. В рамках данного курса будет достаточным знание лишь общих моментов. Вопросы: 1. Что в первую очередь требуется задать перед началом разработки печатной платы? 2. Перечислите известные вам правила компоновки электронных компонентов и трассировки печатных плат. §4. Обзор САПР печатных плат. В самом начале курса обосновывалось, почему следует пользоваться специализированными программами для разработки электроники, и, в частности, печатных плат. Главные аргументы в пользу САПР – существенная экономия времени и автоматизация многих рутинных задач. Среди профессионалов в области электроники пользуются популярностью следующие САПР: • Mentor PADS PCB Design Tool и Mentor Expedition Enterprise (корпорация Mentor Graphics). • Altium Designer (компания Altium Limited). • P-CAD (Также принадлежит компании Altium. С июня 2008 года ее поддержка прекращена, но в России многие этой системой пользуются до сих пор). Дать сравнительную характеристику всех вышеупомянутых САПР, в результате чего можно было бы принять решения о том, какое из приложений лучшее, практически невозможно, поскольку существует довольно много критериев для сравнения. Предлагается иной путь. Сначала будут описаны функции, присущие большинству САПР печатных плат, а затем представлены отличительные особенности каждой программы. Все серьезные САПР имеют двухстороннюю связь между принципиальной схемой и топологией. Это означает, что изменения в схеме отражаются на печатной плате, и наоборот, изменения в топологии влекут коррекцию принципиальной схемы. Второй характерной чертой большинства приложений можно назвать возможность интерактивной и автоматической трассировки. В процессе интерактивной разводки платы в реальном времени программа учитывает заданные ранее ограничения на зазоры, позволяет или запрещает трассировку отдельных зон и связей. В автоматическом режиме трассировка осуществляется без участия разработчика. Однако в этом случае приходится дорабатывать плату, т.к. автотрассировщик может работать не оптимально. Кроме автоматической трассировки многие САПР предоставляют возможность автоматически разместить компоненты, но эта функция разработчиками используется крайне редко, поскольку существует много условий, которые не поддаются формализации. Что касается количества поддерживаемых слоев, то современные технологические возможности производителей печатных плат позволяют изготавливать платы с количеством слоев не более 12, а у такой САПР, как PCAD-2006, максимальное количество слоев – 99. Далее рассмотрим особенности конкретных приложений. Программа PADS PCB Design Tool от Mentor Graphics, по мнению разработчиков, обладает всем, что необходимо для работы, без излишеств, проста и функциональна в использовании, менее требовательна к системным ресурсам по сравнению с Altium Designer. Приложение стабильно в работе, т.к. развивается длительное время, и большая часть ошибок и недочетов устранена. Expedition Enterprise от того же производителя в большей степени ориентирована на средние и крупные компании, занимающиеся разработкой электронной техники. Ее особенность заключается в том, что команда из нескольких разработчиков может работать над одним и тем же проектом, и даже над одной и той же платой, имеется возможность распараллеливать вычисления. Это программное обеспечение поддерживает передовые технологии, позволяющие использовать встроенные пассивные компоненты (Embedded Passives) в проектах, где задействованы интегральные схемы высокой степени интеграции и имеющие большое количество выводов. При такой технологии вместо обычных SMD-компонентов, которых может быть сотни, используются встроенные во внутренние слои печатной платы резисторы и конденсаторы, что значительно сокращает размеры платы и улучшает производительность устройства. По сравнению с программой PADS PCB Design Tool Expedition Enterprise обладает большим набором функций, но сложнее в освоении. Следующая по очереди САПР – Altium Designer. Так как именно это программное обеспечение рассматривается в нашем курсе, то в этом параграфе рассмотрим ее особенности только поверхностно, а в следующих главах и на практических занятиях коснемся его более подробно. Основное преимущество программы, декларируемое разработчиком – компанией Altium Ltd., - это единая среда разработки, позволяющая выполнять сквозное проектирование: создание принципиальной схемы, ее моделирование, проверка целостности сигналов, работа с печатными платами, а также разработка приложения для FPGA. Кроме того, программа предоставляет мощные инструменты работы с трехмерной графикой и позволяет работать со STEP-моделями. Другим весомым преимущество программы является очень понятный интерфейс и наличие большого количества обучающих материалов. Основные недостатки программы – требовательность к системным ресурсам. Последним в нашем списке числится программа P-CAD. Эта аббревиатура очень хорошо знакома российским профессиональным разработчикам, однако с 2008 года ее поддержка прекращена. Несмотря на это, многие продолжают ею пользоваться, больше по привычке, нежели благодаря каким-то существенным преимуществам по сравнению с другими САПР: пакет программ P-CAD состоит из нескольких отдельных приложений, каждый из которых «отвечает» за создание и редактирование принципиальных схем (Schematic), печатных плат (PCB), библиотек символов (Symbol Editor) и посадочных мест (Pattern Editor). Кроме того, имеется менеджер библиотек (Library Executive), предназначенный для объединения символов и посадочных мест. Отсутствие технической поддержки от производителя и сложность в освоении программы – вот основные недостатки P-CAD. Так как данный курс предназначен в большей степени не для профессиональных разработчиков, а для менеджеров проектов, то основными критериями при выборе САПР были высокая скорость освоения и интуитивно понятный интерфейс. Этим критериям удовлетворяет программа Altium Designer, о котором пойдет речь ниже. Вопросы: 1. Какие вам известны САПР печатных плат? 2. В чем заключаются основные преимущества приложения Altium Designer? §5. Описание возможностей Altium Designer. Как уже было упомянуто, Altium Designer – это прежде всего удобная среда сквозного проектирования электронной аппаратуры. Удобство заключается в наличии единой среды разработки DXP, объединяющей редакторы схем, топологии печатных плат, симулятор электронных схем, среду написания приложений на VHDL, а также мощное средство трехмерной визуализации. Ниже продемонстрирован интерфейс приложения (Рисунок 65). Слева, в окне проектов, пользователь имеет доступ ко всем файлам проекта. Когда курсор мыши находится вне этого окна, оно сворачивается, чтобы не загораживать рабочее пространство. Во время работы над проектом устройства иногда приходится редактировать принципиальную схему или топологию печатной платы, работать с библиотеками. В Altium Designer работает удобная система вкладок, когда одновременно открытые документы отображаются под основным меню. Например, на рис.74 показана вкладка, на которой открыт файл с топологией. При вводе и редактировании схемы существуют наиболее часто используемые инструменты, такие как поместить проводник, шину, заземляющий порт и т.д. По этой причине справа от основного меню расположена панель быстрого доступа к таким инструментам. Еще один элемент рабочей среды, к которому часто обращается разработчик, это так называемые библиотеки. Под библиотекой понимается файл, содержащий информацию об электронных компонентах. Доступ к библиотекам осуществляется справа от основного поля. Так же, как в случае с окном инструментов, окно автоматически сворачивается, когда оно неактивно. Рисунок 65 – Интерфейс Altium Designer На практических занятиях слушатели смогут плотно познакомиться со средой разработки, поэтому дальше углубляться в рассказ об интерфейсе смысла нет. В заключение хотелось бы продемонстрировать топологию печатной платы и ее трехмерную модель. Рисунок 66 Следует отметить, что в отличие от принципиальной схемы, в редакторе печатных плат фон по умолчанию установлен черным. Из рисунка видно (Рисунок 66), что топология печатной платы по внешнему виду абсолютно не соответствует схеме устройства. Элементы на печатной плате отражают информацию о том, как компоненты выглядят физически, если смотреть на плату сверху. Вопросы: 1. Перечислите основные элементы редактора схем Altium Designer? 2. Охарактеризуйте САПР Expedition Enterprise от компании Mentor Graphics? §6 Что такое прототипирование и для чего оно нужно? В области проектирования электронной техники под прототипированием понимается создание целевой системы с базовой функциональностью. Это означает, что результатом прототипирования является система с ограниченным набором свойств и функций. Радиолюбители называются этот процесс «создание устройства на коленке», т.е. подручными средствами. Это позволяет проверить идею (особенно для инновационных проектов), не неся значительных финансовых затрат. Когда идея проверена на прототипе и доказана ее жизнеспособность, а также выявлены ошибки и недостатки, можно приступать к проектированию целевой системы. Таким образом, создание прототипа изделия – один из важнейших этапов любой инженерной разработки, которому стоит уделить достаточно внимания и времени. Далее мы будем говорить о прототипе не всей системы в целом, а о ее отдельной части - корпусе. В самом начале курса уже говорилось о том, что корпус устройства выполняет защитные и эргономические функции. Когда мы говорим о защите, то имеем в виду такие факторы, как электромагнитное поле, температура и влажность окружающего воздуха, вибрация, специальные виды воздействий (например, рентгеновское излучение) и т.д. Когда речь идет об эргономике, то имеется в виду привлекательный или, по меньшей мере, не отталкивающий дизайн устройства, удобный человеко-машинный интерфейс взаимодействия с прибором. Вопросы: Поясните понятие «прототипирование» в контексте проектирования электронных устройств? §7 Понятие «форм-фактор». Материалы корпусов для РЭА. Под форм-фактором корпуса будем понимать его типоразмер, т.е. габариты, материал, форма, типы дополнительных элементов и др. Для наглядности возьмем пример из жизни. Всем известны форм-факторы мобильных телефонов: классические, раскладывающиеся, раздвигающиеся, поворотные и т.д. (Рисунок 67). Рисунок 67 Благодаря разнообразию форм-факторов каждый человек, желающий приобрести телефон, может выбрать гаджет, максимально отвечающий его вкусу. Вернемся к корпусам для РЭА. Здесь существует классификация по материалу, типу конструктива, габаритному классу, герметичности и др. В таблице, приведенной ниже, это поясняется2. Таблица 6. Классификация корпусов для РЭА Тип конструктива Материал Габаритный класс Герметичность Сфера применения Наличие взрывозащиты 1 2 3 4 5 6 напольный алюминий «спичечный коробок» герметичные - IP 65 и выше беспроводные технологии да настенный пластмасса «мыльница» защита от разбрызгиваемой воды – IP 54 и выше вычислительная техника нет настольный сталь «книга» измерительная техника переносной «портфель» компьютерная периферия ручной «микроволновая печь» медицинская техника многофункциональный «телевизор» менеджмент зданий «холодильник» охранные системы сетевые технологии телекоммуникации технологическая автоматика электротехника Столбцы 1, 2, 3, 5 и 6 не нуждаются в пояснениях. Что касается герметичности, то здесь нужно дать комментарии. Обозначение IP расшифровывается как Ingress Protection rating, что в переводе означается «рейтинг защита от проникновений». За буквами следуют две цифры. Первая обозначает класс защиты от твердых частиц, а вторая – от воздействия жидкости (воды). Далее следует пояснения этих цифр: Таблица 7. Уровни защиты от пыли. Уровень защиты Размер объекта Описание типа защиты --- Полностью незащищенное исполнение 1 >50 мм Защищает от проникновения больших поверхностей (например, обратная сторона ладони), но нет защиты от умышленного контакта с предметом. 2 >12.5 мм Защита от пальцев или схожих объектов 3 >2.5 мм Инструменты, толстые провода 4 >1 мм Большинство проводов, винты 5 Защита от пыли Попадание пыли возможно, но в малых количествах, которые не повлияют на работу оборудования. Соприкосновение с внутренними частями исключено. 6 Непроницаемое для пыли исполнение Исключено как попадание пыли, так и соприкосновение. Таблица 8. Уровни защиты от воды. Уровень защиты От чего защищает Описание типа защиты Детали Защита отсутствует --- --- 1 Капающая вода Защита от вертикально падающих капель. Длительность теста 10 минут, эквивалентно количеству осадков 1 мм в минуту 2 Капающая вода, когда объект наклонен под углом 15 градусов Защита от вертикально падающих капель, когда корпус наклонен на 15 градусов по отношению к своей нормальной позиции. 10 минут, 3 мм в минуту. 3 Распрыскиваемая вода Защита от водяной пыли, падающей под углом не более 60 градусов к нормали. 5 минут, объем воды 0.7 л/мин., давление 80-100 кН/ . 4 Разбрызгиваемая вода Защита корпуса от брызг воды со всех сторон. 5 минут, 10 литров/мин., 80-100 кН/. 5 Водяные струи Защита от струй воды со всех направлений из форсунки диаметром 6.3 мм. 3 минуты, 12.5 литров/мин., 30 кН/ на расстоянии 3 метра. 6 Мощные струи воды Защита от мощных струй, создаваемых форсункой диаметром 12.5 мм, со всех направлений. 3 минуты, 100 литров/мин., 100 кН/ на расстоянии 3 метра. 7 Погружение в воду на глубину до 1 метра Защита от проникновения воды в губительных количествах, когда корпус находится под определенным давлением и в течение заданного времени. 30 минут, глубина погружения не более 1 метра. 8 Погружение в воду на глубину более 1 метра Герметичное исполнение. Постоянно нахождение на глубине, заданной производителем. Таким образом, класс защиты IP 65 означает исполнение, полностью защищенное от пыли, а также от воздействия водяных струй, действующих в течение 3 минут, при расходе 12.5 л./мин., когда давление на дистанции 3 метра составляет 30 кПа. Вопросы: 1. Что такое форм-фактор устройства? 2. Поясните, что такое класс защиты IP 65? 3. Почему прототипирование является важным этапом при разработке устройств электронной техники? §8 Габариты, скругления, фаски, отверстия. При моделировании в САПР прототипов корпусов всегда требуется задавать их реальные размеры, радиусы округлений, параметры фаски, диаметры и типы отверстий (монтажные или резьбовые) и т.д. Поясним все эти понятия. Габаритные размеры объекта определяют его максимальные линейные размеры в двух- или трехмерном пространстве. Возьмем в качестве примера привычный для всех объект – легковой автомобиль. С помощью размерных линий указаны его габариты (Рисунок 68). Рисунок 68 – Габариты автомобиля3 Рисунок говорит нам о том, что длина автомобиля 4815 мм, ширина 1820 мм, а высота 1480 мм. Это и есть его габариты. Следующим часто используемым элементом является скругление. На рис. 78 показана часть прямоугольника со скруглением (рис.78,б) и без него (рис. 78,а). Скругление характеризуется радиусом (обозначается RХХ, где ХХ – радиус в миллиметрах) и позволяет сгладить кромки деталей, что делает внешний вид более презентабельным (Рисунок 69). Рисунок 69 - Скругление Схожий элемент – фаска. Она характеризуется расстоянием и углом наклона (Рисунок 70). Рисунок 70 - Фаска Детали редко бывают цельными. В них проделываются отверстия, характеризуемые диаметром и глубиной. Кроме того, отверстия могут быть резьбовые с цековкой, зенковкой и др. Ниже показан пример отверстия с зенковкой и поясняется, как оно выглядит в поперечном разрезе (Рисунок 71). Рисунок 71 – Резьбовое отверстие с зенковкой и его профиль Кроме перечисленных выше инструментов существуют еще много полезных, таких как «Линейный массив элементов», «Зеркальное отражение», «Уклон», «Купол» и т.д., о которых мы поговорим в следующей лекции или познакомимся с ними на практических занятиях. Вопросы: 1. Что понимается под габаритами объекта? 2. Как на чертежах обозначается радиус скругления? §9 Общие правила простановки размеров в простых деталях. Может показаться, что вопрос простановки размеров не должен освещаться в данном курсе, т.к. он больше касается курса «Начертательная геометрия». Однако, имеется и другое мнение на сей счет. При создании моделей корпусов в программе Solid Works вопрос простановки размеров возникает каждый раз. Для нанесения размеров существует правило: размеров на чертеже должно быть столько, чтобы ни один элемент объекта не остался без размера и чтобы ни один размер не повторялся. Соблюсти простое на первый взгляд правило не так-то просто. Каждая деталь требует индивидуального подхода для решения этой задачи. Но общие рекомендации всё же существуют. При создании новой детали требуется выбирать базовую плоскость. Рекомендуется для упрощения будущей работы со STEP моделями останавливаться на фронтальной плоскости. Если деталь содержит симметричные отверстия (Рисунок 72), то задавать их положение рекомендуется относительно осей симметрии. В САПР Altium Designer имеется инструмент «Зеркальное отражение», значительно упрощающее процедуры нанесения отверстий. Рисунок 72 – Расстановка отверстийbcРРисРРлдодоадыфловао Когда отверстия несимметричны, существует несколько способов задания размеров (Рисунок 73 и Рисунок 74). Рисунок 73 Рисунок 74 Оба метода полностью определяют расположение отверстий на грани детали, решение о том, какой из них выбрать, принимает разработчик. Правила нанесения размеров регламентированы ГОСТ 2.307-68. Вопросы: 1. Сформулируйте общее правило нанесение размеров? 2. Какой ГОСТ регламентирует правила нанесения размеров на инженерных чертежах? §10 Введение в Solid Works. Базовые возможности. Данная лекция является завершающей в нашем курсе. В ней мы продолжим рассмотрение вопросов трехмерного конструирования, но уже в контексте конкретного программного продукта – приложения Solid Works. Это приложение предназначено для проектирования механических изделий и позволяет создавать двухмерные чертежи, трехмерные модели, анимацию. Кроме этого, система позволяет проводить анализ напряжения, устойчивости, частотный и термический анализ и многое другое. Программа предусматривает три основных типа документа: деталь, сборка и чертеж. Деталь – это трехмерная модель объекта, выполненного из цельного материала. Это означает, что деталь представляет собой один объект и не содержит в себе составных частей. Файл детали имеет расширения *.prt или *.sldprt. Сборка – это также трехмерная модель объекта, но объект в этом случае представляет собой набор из нескольких взаимосвязанных деталей. Файл сборки имеет расширения *.asm или *.sldasm Наконец, чертежом называется двухмерный векторный файл, предназначенный для создания документа для изготовления детали или сборки. Чертеж может включать несколько видов, а также минимальный набор размеров. Расширения для чертежей: *.drw или *.slddrw. Поясним в двух словах суть работы приложения. Тем, кто привык выполнять чертежи в программе AutoCAD, можгу показаться неудобными принципы работы Solid Works. Но это только первое впечатление. На самом деле, создавать 3-мерные модели очень просто и удобно. Как уже говорилось, сначала выбирается базовая плоскость, например, фронтальная. После этого создается эскиз основания детали. Если требуется создать цилиндрическую деталь, то в эскизе рисуется окружность, задается ее радиус. После этого мы выходим из эскиза, задаем высоту и получаем готовую деталь (Рисунок 75). Рисунок 75 – Этапы создания детали Работа со сборками также не вызывает больших трудностей: если составные детали выполнены корректно, то в редакторе сборок остается только верно задать типы сопряжений. Вопросы: 1. Для чего предназначена программа Solid Works? 2. Какие три основных типа документов поддерживает программа Solid Works? §11 Демонстрация проекта, выполненного в Solid Works. Обсудим проект, в котором требовалось смоделировать корпус KZ-30, предназначенный для использования в качестве адаптера для питания аппаратуры (Рисунок 78). Корпус состоит из верхней части, нижней части и двух штепсельных вилок. Внутри расположены ножки со сквозными отверстиями для крепления печатной платы. Рисунок 79– Сборка корпуса c печатной платой и винтами до (слева) и после (справа) сопряжения На рис. 85 изображен скриншот сборки до и после того, как к элементам применено сопряжение, т.е. соединение всех частей сборки. Видим, что трехмерная визуализация очень наглядна и понятна. Кроме того, программа предоставляет очень удобные инструменты для манипуляции элементами сборки, с которыми мы познакомимся более подробно на практических занятиях. В Solid Works имеется возможность экспорта деталей и сборок в файловый формат STEP (STandart for the Exchange of Product model data), используемый для обмена данными между различными системами проектирования. Нас интересует интеграция созданного корпуса с программой Altium Designer. Чтобы сохранить сборку в формате STEP, необходимо выполнить последовательность команд Файл -> Сохранить как -> Тип файла -> STEP AP214 (.step, .stp) (Рисунок 79). Рисунок 80 – Сохранение сборки в формате STEP AP214 После этого мы можем пользоваться этим файлом в программе Altium Designer. Для этого требуется при работе с топологией печатной платы в трехмерном режиме выполнить команды Place -> 3D Body -> Generic STEP model -> Link model (Рисунок 80). Рисунок 81 – Готовый проект трехмерной модели корпуса и печатной платы в Altium Designer На рисунке слева представлена плата, помещенная внутрь стандартного корпуса G1068. Корпус намеренно сделан почти прозрачным для того, чтобы можно было видеть печатную плату. Справа показан более четкий и крупный план той же платы. Более подробный материал о том, как работать со STEP-моделями в редакторе плат Altium Designer, будет рассмотрен на практике. На этом лекционный курс можно считать оконченным. Вопросы: 1. Для чего используется файловый формат STEP? 2. Что такое сборка и как в Solid Works создается новый файл сборки? Ссылки 1. Сабунин А.Е. Altium Designer. Новые решения в проектировании электронных устройств. – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2009 г, 432 с.: – ил. – (Серия «Системы проектирования»). 2. Vcoder's Lab. [Электронный ресурс]/ Расчет силового трансформатора. - Режим доступа: http://vcoder.flyback.org.ru/papers/trans_calc/trans_calc.html.