Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине ''САПР устройств промышленной электроники'' для специальности 20.04 ''Автоматизированное проектирование электронных устройств''

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра промышленной электроники и информационно-измерительной техники

А.В.Хлуденёв

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к курсовому проектированию по дисциплине "САПР устройств промышленной электроники" для специальности 20.04 "Автоматизированное проектирование электронных устройств"

Оренбург 1999

ББК 30.2-5-05+32.859 я 7 Х 60 УДК 621.38 : 681.5 (075.8)

1 Цели и задачи курсового проекта Цель выполнения проекта - подготовка к самостоятельной проектно-конструкторской профессиональной деятельности в сфере промышленной электроники, основанной на системном использовании информационных технологий. В результате выполнения курсового проекта студент должен: - иметь представление о состоянии и перспективных направлениях развития в области автоматизации проектирования электронных устройств; - знать основы организации проектно-конструкторской деятельности и ее автоматизации; - уметь использовать инженерные методы и методы вычислительной математики для расчета и проектирования электронных устройств; - иметь опыт проектирования электронных устройств с использованием средств учебной и промышленных САПР РЭА.

2

2 Организация выполнения курсового проекта Над курсовым проектом студенты работают под руководством преподавателя в часы, отводимые расписанием для курсового проектирования, и самостоятельно в свободное от занятий время. Основная роль отводится самостоятельной работе студентов. Решение проектных задач, требующих использования средств автоматизации проектирования, выполняется в классе проектирования и конструирования по предварительной записи. Возникающие в процессе работы над проектом вопросы студенты могут решать в часы консультаций с руководителем проекта. Планируемое время выполнения проекта составляет 20 часов. Для контроля хода курсового проектирования назначаются три контрольных срока, следующих с интервалом в четыре недели. В течение каждого интервала необходимо выполнить объем работ, относящихся к одному этапу проектирования. Т.к. большая часть курсового проекта выполняется на ЭВМ, следует учитывать фактор загрузки класса проектирования при планировании своей самостоятельной работы. Готовый проект студент сдает на проверку руководителю не менее чем за 3 дня до защиты. Без предварительной проверки проекты к защите не допускаются. Руководитель в течение 1-2 дней проверяет проект и возвращает его студенту с замечаниями, которые студент должен устранить, или подписанным, если проект допущен к защите. При защите курсового проекта студент должен сделать короткий (3-5 минут) доклад по существу проекта, осветив наиболее важные и принципиальные его стороны, и ответить на вопросы. При оценке курсового проекта принимается во внимание: - знания, умения и навыки студента в области технологии автоматизированного проектирования; - качество полученных проектных решений; - обоснование принятия неформальных решений, касающихся выбора различных вариантов реализации объекта и реализации маршрута проектирования; - степень самостоятельности и освоения средств автоматизации проектирования. В случае получения неудовлетворительной оценки повторная защита разрешается после исправления проекта, срок повторной защиты назначается руководителем с учетом необходимости дополнительной подготовки студента.

3

3 Задание на курсовой проект Техническое задание (ТЗ) на курсовое проектирование содержит словесное описание функционального назначения объекта проектирования, перечень технических требований к его основным параметрам и перечень проектно-конструкторской документации, подлежащей разработке. В состав курсового проекта обычно входят: - пояснительная записка к проекту; - комплект электрических схем (структурная, функциональная, принципиальная); - комплект конструкторских чертежей (сборочный, печатной платы). Студент должен, применяя блочно-иерархический подход и другие принципы проектирования сложных технических объектов, сформировать и выполнить сквозной маршрут проектирования заданного объекта, включающий создание всех предусмотренных ТЗ и необходимых промежуточных описаний объекта. Формальные проектные операции и процедуры должны быть выполнены с использованием средств учебной САПР РЭА в автоматическом или интерактивном режиме. Корректность полученных проектных решений и выполнение всех требований ТЗ должны быть подтверждены результатами анализа определяющих характеристик. Темы курсовых проектов выбираются студентами из числа предлагаемых руководителем, они связаны с разработкой разнообразных электронных устройств и должны удовлетворять следующим условиям: - функциональная сложность устройства должна требовать выполнения проектирования на функциональном и схемотехническом уровнях; - должны выполняться ограничения, связанные с возможностью использования программно-информационного обеспечения учебной САПР РЭА для проектирования устройств данного класса; - необходимо, чтобы устройство конструктивно могло быть реализовано в виде узла с печатным монтажем на серийно выпускаемых интегральных схемах (ИС) и дискретных электрорадиоэлементах. Пример - методику выполнения курсового проекта будем рассматривать для следующего ТЗ: Наименование изделия: преселектор. Область применения: работа в составе цифровой системы сбора и обработки аналоговых сигналов. Основные технические характеристики: частотный диапазон сигнала, Гц 0...3000 частота дискретизации, Гц 10000 максимальный уровень входного сигнала, В 1 максимальный уровень выходного сигнала, В 1 неравномерность АЧХ в рабочем диапазоне частот, дБ 1 4

отношение сигнал/помеха, дБ 40 входное сопротивление, кОм не менее 10 сопротивление нагрузки, кОм не менее 10 Элементная база: серийные ИС и дискретные электрорадиоэлементы, за исключением индуктивных элементов. Конструктивное исполнение: узел с печатным монтажем.

5

4 Содержание курсового проекта При проектировании сложных устройств используется блочно-иерархический подход /1/, в соответствии с которым представления об объекте проектирования разделяются на аспекты и иерархические уровни. В курсовом проекте подлежат проработке: - функциональный аспект, отражающий физические или информационные процессы, протекающие в объекте при его функционировании; - конструкторский, характеризующий структуру, расположение в пространстве и форму составных частей объекта. Представления об объекте проектирования внутри функционального аспекта необходимо разделить на иерархические уровни: функциональный и схемотехнический. При этом проектируемое устройство рассматривается как система, которую можно разделить на подсистемы более низкого порядка: проектируемое устройство ⇒ функциональные подсхемы (звенья, узлы) ⇒ электрорадиоэлементы (транзисторы, резисторы и т.д.). При проектировании аналоговых устройств на функциональном иерархическом уровне разрабатываются структурные или функциональные схемы, элементами которых являются типовые аналоговые звенья и узлы. В процессе схемотехнического проектирования аналоговых устройств выполняют разработку функциональных подсхем звеньев и узлов, а также функциональные и принципиальные электрические схемы для аналогового устройства в целом, элементами которых являются серийные интегральные схемы и электрорадиоэлементы. Таким образом, курсовой проект предусматривает выполнение этапов функционального, схемотехнического, конструкторского проектирования и оформления проектно-конструкторской документации.

6

5 Методические указания 5.1. Анализ технического задания В большинстве случаев в ТЗ задают минимально необходимое число технических характеристик, которых оказывается недостаточно для выполнения проектирования. Другие необходимые характеристики определяются расчетом по заданным. В ходе анализа ТЗ необходимо определить достаточность исходных данных для выполнения проектирования и определить необходимые технические требования к характеристикам и параметрам объекта проектирования /2/. Оценка правильности функционирования электронного устройства производится по выполнению условий работоспособности, которые должны быть представлены в виде требуемых соотношений между значениями выходных параметров Yi и граничными значениями TTi (техническими требованиями) Yi <= TTi , Yi >= TTi

(1)

или TTi min <= Yi <= TTi max. Например, для проектирования фильтров необходимо знать технические требования к амплитудно-частотной характеристике (АЧХ), которые задаются графиком допусков. Такие графики приведены на рисунке1 для фильтра нижних частот (ФНЧ), для фильтра верхних частот (ФВЧ) и для полосового фильтра (ПФ). Частоты, отделяющие полосу пропускания от переходной области : - fп - граничная частота полосы пропускания (для ФНЧ и ФВЧ), - fпн, fпв- граничные частоты полосы пропускания (для ПФ). Частоты, отделяющие переходную область от полосы задерживания: - fз - граничная частота полосы задерживания (для ФНЧ и ФВЧ), - fзн, fзв - граничные частоты полосы задерживания (для ПФ). В пределах полосы пропускания модуль коэффициента передачи H(f) должен быть равен заданному значению Hо с требуемой точностью. При этом, как правило, регламентируется не абсолютное отклонение H(f) - Hо, а ∆H - неравномерность АЧХ в полосе пропускания, и требуется выполнение условий Hmax - ∆H <= Hо <= Hmax, (2) Hmax - ∆Η <= H(f) <= Hmax. В полосе задерживания модуль коэффициента передачи H(f) не должен превышать некоторого допустимого значения Hз 7

H(f) <= Hз. ∆H

H Hо

H Но

∆H ФВЧ

Hз

Hз fп

fз

f

0

∆H

H Но

ФНЧ

0

(3)

ПФ Hз

fз

fп

f

0

fзн fпн fпв fзв f

Рисунок 1 Пример - Объектом проектирования является частотно-избирательный фильтр, предназначенный для подавления помех в обрабатываемом сигнале. Данный фильтр должен подавлять спектральные составляющие с частотами выше верхней частоты рабочего диапазона сигнала для устранения наложения спектров при дискретизации. По данным ТЗ определим технические требования к АЧХ ФНЧ: - для обеспечения передачи полезного сигнала с заданным соотношением амплитуд на входе и выходе: fп = 3000 Гц, Hо = 1 или 0 дБ, ∆Η = 1 дБ; - для устранения наложения спектров в соответствии с теоремой Котельникова необходимо подавлять помехи с частотами выше fз = 10000/2 = 5000 (Гц) не менее, чем на 40 дБ, т.е. Hз = - 40 дБ. Также необходимо доопределить технические требования к выходному сопротивлению фильтра для обеспечения найденного коэффициента передачи по напряжению при работе на нагрузку до 10 кОм: Rвых << 10 кОм, принимаем Rвых не более 10 Ом. Ниже приводится перечень найденных условий работоспособности фильтра, при выполнение которых будут выполняться и все требования ТЗ: 0 дБ <= Hmax <= 1 дБ; Hmax - 1 дБ <= H(f) <= Hmax, если 0 Гц <= f <= 3000 Гц; H(f) <= - 40 дБ, если f >= 5000 Гц; Rвх >= 10 кОм; Rвых <= 10 Ом.

5.2 Функциональное проектирование

8

(4)

Методика функционального проектирования аналоговых устройств во многом определяется их принадлежностью к определенному классу устройств. Одним из распространенных методов синтеза активных RC-фильтров является каскадная реализация /3/, которая предусматривает: разложение передаточной функции фильтра на сомножители второго и первого порядка и реализацию полученного разложения каскадным соединением звеньев второго и первого порядка, взаимодействие между которыми пренебрежимо мало. Сначала необходимо решить задачу аппроксимации заданной АЧХ фильтра. В ходе решения этой задачи определяют передаточную функцию фильтра в области комплексной частоты p в виде произведения сомножителей 2

wi H(p) = П Hoi ——————— , n/2

i=1

2

(5)

2

p + (wi/Qi)p + wi 2

w1 (n+1)/2 wi H(p) = Ho1 ——— П Hoi ——————— 2 2 p + w1 i=2 p + (wi/Qi)p + wi

(6)

для фильтра нижних частот четного и нечетного порядка; 2

p H(p) = П Hoi ——————— , n/2

i=1

2

(7)

2

p + (wi/Qi)p + wi 2

p (n+1)/2 p H(p) = Ho1 ——— П Hoi ———————— 2 2 p + w1 i=2 p + (wi/Qi)p + wi

(8)

для фильтра верхних частот четного и нечетного порядка; (wi /Qi)p H(p) = П Hoi ———————— n/2

i=1

2

(9)

2

p + (wi/Qi)p + wi для симметричного полосового фильтра четного порядка, где n - порядок фильтра; wi - частота пары комплексно-сопряженных полюсов; 9

w1 - частота вещественного полюса; Qi - добротность пары комплексно-сопряженных полюсов. Исходные данные для решения задачи аппроксимации представляются в виде графика допусков (рисунок 1), но поля допусков неравномерности АЧХ в полосе пропускания и задерживания следует задавать меньше чем в ТЗ для обеспечения запасов работоспособности. Запасы работоспособности необходимы для обеспечения работоспособности фильтра при отклонениях параметров элементов от их номинальных значений из-за технологического разброса, изменения условий эксплуатации и старения. Следующими проектными процедурами являются процедуры структурного и параметрического синтеза, в ходе выполнения которых формируют структурную схему фильтра и определяют численные значения параметров ее элементов. В качестве элементов структурной схемы целесообразно использовать биквад с передаточной функцией вида 2

a 2 p + a 1p + a 0 H(p) = H0 ——————— , 2

(10)

b2p+b1p+b0 т.к. его можно использовать для реализации передаточных функций звеньев ФНЧ, ФВЧ и ПФ второго и первого порядка путем задания соответствующих значений коэффициентов полиномов a 0 - a 2, b 0 - b 2 по результатам решения задачи аппроксимации. В результате передаточная функция n-го порядка представляется в виде k

H(p) = П Нi(p),

(11)

i=1

где Hi(p) - функция вида (10), k = n/2 для четных значений n, k = (n-1)/2 +1 для нечетных n. При выполнении этих проектных процедур имеется две степени свободы: - порядок следования звеньев (m звеньев можно каскадно соединить m! различными способами); - распределение усиления между звеньями при выполнении условия n/2

П H0i = H' = const,

(12)

i=1

причем для ФНЧ и ФВЧ H' = Ho, для ПФ - H' > Ho. Этими степенями свободы можно воспользоваться для оптимизации характеристик фильтра по такому 10

критерию, как максимум динамического диапазона для исключения перегрузки звеньев фильтра при линейном режиме работы последнего звена. При этом максимумы каждой k-й промежуточной АЧХ (т.е. модуля передаточной функции первых k звеньев) должны быть как можно ближе равны максимуму АЧХ всего фильтра. Для установления соответствия характеристик проектируемого устройства требованиям технического задания необходимо выполнить анализ АЧХ всего фильтра в соответствующих диапазонах частот. Для оценки оптимальности сформированной схемы по критерию максимума динамического диапазона необходимо выполнить анализ промежуточных АЧХ в полосе пропускания. Оптимальное решение можно найти путем частичного или полного перебора различных вариантов. В случае, если требования задания не выполняются, необходимо принять решение относительно дальнейшего хода проектирования: - проверить расчет параметров звеньев схемы; - проверить правильность формирования структурной схемы; - заново решить задачу аппроксимации. Для решения задачи аппроксимации АЧХ фильтров можно использовать программу APPR. Программа запрашивает у пользователя исходные данные (требования к АЧХ, вид аппроксимации), определяет порядок фильтра и рассчитывает параметры передаточной функции (5) - (9) с точностью до постоянного множителя. Т.е., коэффициенты H0i программа не рассчитывает, их необходимо определить самостоятельно из условия (12). Формирование структурной схемы необходимо выполнить в среде схемного графического редактора DRAFT. Биквад с передаточной функцией (10) входит в библиотеку Analog.lib под именем F2. Параметры каждого биквада должны быть представлены в виде двоичных файлов данных, которые формируются и редактируются программой схемотехнического моделирования PANOP. Имена этих файлов должны быть указаны в поле Part Value каждого элемента. Пример - При решении задачи аппроксимации были выбраны значения неравномерности АЧХ в полосе пропускания ∆Η = 0.5 дБ и подавления в полосе задерживания 42 дБ. Этим обеспечиваются запасы работоспособности: - в полосе пропускания (1 - 0.5)/2 = + - 0.25 (дБ); - в полосе задерживания -(40 - 42) = 2 (дБ). Программа APPR при использовании чебышевской аппроксимации рассчитала следующие параметры передаточной функции (3): n = 6; w1 = 7.469E3 , Q1 = 6.836E-1; w2 = 1.448E4 , Q2 = 1.810; w3 = 1.906E4 , Q3 = 6.513. Структурная схема фильтра шестого порядка представлена на рисунке 2. Она содержит три биквада ZF1 - ZF3, значения параметров их передаточных функций приведены в таблице 1 и записаны в файлах с именами F1 - F3.

11

Рисунок 2

Таблица 1 Звено:

ZF1

Параметры H a0 a1 a2 b0 b1 b2

ZF2

ZF3

Значения 1 5.578E6 0 0 5.578E6 1.093E3 1

1 2.096E7 0 0 2.096E7 7.998E3 1

1 3.635E7 0 0 3.635E7 2.927E3 1

Результаты расчета pезультирующей и двух промежуточных АЧХ фильтра шестого порядка, выполненные с помощью программы PANOP, приведены на рисунке 3. Из полученных характеристик следует, что результирующая АЧХ имеет неравномерность в полосе пропускания (0 - 3000 Гц) 0.5 дБ, в полосе задерживания ( свыше 5000 Гц) коэффициент передачи не превышает -41.6 дБ. Максимальные значения модуля коэффициента передачи промежуточных АЧХ в полосе пропускания для представленного варианта схемы практически совпадают с максимумом результирующей АЧХ. Это свидетельствует об оптимальности полученного варианта структурной схемы. Т.к. требования ТЗ выполняются, запасы работоспособности обеспечиваются, данный вариант структурной схемы можно рассматривать как результат этапа функционального проектирования и использовать его как часть исходных данных при схемотехническом проектировании.

12

Рисунок 3 13

5.3. Схемотехническое проектирование Исходными данными для этапа схемотехнического проектирования являются требования ТЗ к реализуемым функциям и основным параметрам проектруемого устройства, а также результаты функционального проектирования, преставленные в виде структурной или функциональной схемы и требований к функцям и параметрам их элементов (звеньев и узлов). Однако последние из них являются неполными и требуют доопределения. Поэтому схемотехническое проектирование аналоговых устройств начинают с уточнения исходных данных, а затем выполняют проектную процедуру синтеза варианта структуры (схемного решения). На современном этапе развития автоматизации проектирования формализация этой задачи в большинстве случаев сталкивается со значительными трудностями, поэтому ее решение в значительной степени возлагается на человека. В учебной САПР реализуется комплексная модель процесса диалогового поиска схемного решения /4/. В соответствии с этой моделью инженер - схемотехник, опираясь на свои знания и интуицию, проводит синтез схемы в режиме диалога с ЭВМ путем перебора исходных данных для типовых схем, которые хранятся в банке схемных решений (БСР). В состав БСР учебной САПР входят схемные решения для функциональных подсхем, соответствующих типовым аналоговым звеньям и узлам - элементам структурной схемы. Поэтому можно выполнить композицию функциональной электрической схемы аналогового устройства из найденных в БСР функциональных подсхем, соединяя их входы и выходы в соответствии со структурной схемой. При этом необходимо следить за выполнением условий согласования каскадов по допустимой нагрузке, уровням сигналов, входным и выходным сопротивлениям и т.д. В некоторых случаях выполнение этих требований удается обеспечить путем соответствующего расчета параметров элементов подсхем, в других случаях приходится вводить в схему дополнительные элементы или звенья, например, буферные каскады. Как правило, численные значения параметров элементов схем, найденных в БСР, не обеспечивают необходимые характеристики проектируемого устройства. Поэтому требуется решать задачи параметрического синтеза. Проектная процедура параметрического синтеза в общем случае предусматривает решение задач определения значений параметров, их допусков и типов элементов схем. Первая из этих задач может быть решена, используя аналитический или численный подход. В первом случае используются инженерные методики, основанные на простых аналитических моделях, во втором случае используются методы параметрической оптимизации. Рекомендуется сначала использовать инженерные методики, а затем, при необходимости, методы параметрической оптимизации, используя в качестве начального приближения результаты инженерного расчета. 14

При промышленном проектировании расчетные значения параметров элементов необходимо заменить ближайшими номинальными значениями, соответствующими стандартным рядам (для постоянных резисторов и для постоянных конденсаторов ГОСТ 28884-90). Реальные значения параметров элементов распределяются случайным образом около номинальных значений в пределах технологических допусков и приводят к производственному разбросу выходных параметров электронных устройств. Поэтому требуется решать задачу расчета оптимальных допусков на параметры элементов. Область в пространстве параметров элементов, в которой все условия работоспособности выполняются, называется областью работоспособности. Задача оптимизации допусков может быть геометрически интерпретирована, как задача вписывания в область работоспособности допусковой области, задаваемой неравенствами Xjo - ∆Xj < Xj < Xjo+∆Xj ,

(13)

где Xjo - номинальное значение параметра элемента, ∆Xj - абсолютное значение его допуска. Для снижения стоимости проектируемого устройства следует стремиться к решению задачи с максимально возможными значениями относительных допусков δXj = ∆Xj /Xjo /1, 2/. Оценку основных свойств полученных решений и проверку их работоспособности выполняют в ходе проектной процедуры анализа. На этапе схемотехнического проектирования обычно выполняют анализ статического режима, переходных процессов и частотных характеристик. В случаях, когда результаты анализа не соответствуют требованиям ТЗ, необходимо установить причины и устранить их путем корректировки результатов параметрического синтеза или модификации структуры схемы. Для анализа определяющих характеристик аналоговых устройств используются методы схемотехнического моделирования. Рекомендации по постановке и методике выполнения рассмотренных задач схемотехнического проектирования, а также рекомендации по работе с программно-информационным обеспечением учебной САПР изложены в /5/. Пример - Для рассматриваемого преселектора в БСР были найдены схемы звеньев ФНЧ второго порядка низкой (Q<2) добротности lp2lq1.sch, средней (2
ZF3 структурной схемы в первом варианте использовалась схема lp2mq1.sch, во втором варианте - схема bq1.sch. Результаты выполнения процедур параметрического синтеза и анализа для первого варианта показали, что условия работоспособности (4) выполняются только при использовании резисторов с допусками 0.02% и конденсаторов с допусками 0.05%. В доступной справочной литературе /6, 7/ нет сведений об элементах с такими допусками. Поэтому первый вариант схемы был отвергнут. Ниже приводится описание схемотехнического проектирования только для второго варианта. Параметры элементов звеньев были рассчитаны по инженерным методикам с использованием шаблонов расчета из файлов lp2lq1.txt и bq1.txt соответственно: Методика расчета схемы LP2LQ1.SCH: //Исходные данные K=1 W=7469 Q=0.6836 //Задаться значениями C1 и C2 < C1/(4*Q^2) C1=0.00000001 C2=0.0000000047 //Вычислить значения A=C1/(2*Q^2*C2)-1 P=A+sqrt(A^2-1) R=1/(W*sqrt(P*C1*C2)) R3=P*R; if (K.eq.1) then R1=R // - а R2 - исключается из схемы; endif if (K.lt.1) then R1=R/K; R2=R/(1-K) endif end. Методика расчета схемы BQ1.SCH: //Исходные данные K=1 Q=6.513 W=19065 //Задаться значениями C и R; C=0.00000001 16

R=10000 //Вычислить значения C1=C; C2=C; R6=1/(W*C); R7=R6 R1=R/K; R3=R; R4=R; R2=R; R5=R*(3*Q-1); end. Результаты расчета звеньев по данным методикам приведены в таблице 2. Для звеньев ZF1 и ZF2 из схемы lp2lq1.sch исключается резистор R2. Были выбраны номинальные значения параметров элементов C1, C2, R4 для схемы lp2mq1.sch и C,R для схемы bq1.sch из ряда Е6, при этом преследовалась цель получить значения параметров остальных элементов, обеспечивающие: - допустимое значение входного сопротивления звеньев; - допустимую нагрузку на выходы операционных усилителей (ОУ); - допустимую аддитивную погрешность от входных токов ОУ. Таблица 2 Звено

ZF1

Подсхема

lp2lq1.sch

Элементы C1, Ф C2, Ф R1, Ом R2, Ом R3, Ом R4, Ом R5, Ом R6, Ом R7, Ом

ZF2 lp2lq1.sch

ZF3 bq1.sch

Значения параметров 1.0E-8 4.7E-9 1.357E4 2.810E4 -

1.0E-8 7.5E-10 2.210E4 2.877E4 -

1.0E-8 1.0E-8 1.0E4 1.0E4 1.0E4 1.0E4 5.245Е3 185.4E3 5.245Е3

17

Сформированная функциональная схема фильтра приведена на рисунке 4, элементы схемы имеют сквозную нумерацию позиционных обозначений. В схеме использованы интегральные ОУ общего применения типа К140УД7 с внутренней коррекцией. Использованные методики расчета параметров элементов звеньев дают точные результаты при условии идеальных свойств ОУ. Частотные характеристики звеньев с реальными ОУ могут существенно отличаться. Снижение этих отклонений до приемлемого уровня можно обеспечить путем использования специ альных схемотехнических приемов /3, 8/ или путем оптимизации параметров в базовых звеньях. На рисунке 5 приведен график АЧХ фильтра, расчитанный при использовании параметров ОУ типа К140УД7. Он показывает, что на границе полосы пропускания имеются существенные отклонения от АЧХ структурной схемы, которые приводят к нарушению условий работоспособности (4) даже без учета производственного разброса АЧХ. В этой ситуации было принято решение о выполнении задачи параметрической оптимизации для третьего звена. Оптимизация выполнялась по крите-

Рисунок 4 рию средне-квадратического отклонения АЧХ схемы от желаемых значений при варьировании параметров элементов R3, R4, R9, R10 и R11. График оптимизированной АЧХ приведен на рисунке 6, найденные значения параметров элементов приведены в таблице 3. 18

При решении задачи расчета допусков использовался метод равных влияний, реализованный в программе PANOP. Условия работоспособности для АЧХ задавались для дискретных значений частоты в виде Hmin i <= H(fi) <= Hmax i.

(14)

Рисунок 5

Рисунок 6 Были выбраны семь значений частот экстремумов АЧХ в полосе пропускания и граничная частота полосы задерживания. Учитывая симметричный характер разброса параметров элементов, были выбраны значения Hmin i = - 0.25дБ и Hmax i = 0.75дБ, i = 1..7, обеспечивающие равные запасы работоспособности для положительных отклонений максимумов АЧХ и отрицательных отклонений минимумов АЧХ. Для i = 8 были заданы Hmin i = - 60 дБ и H max i = - 40 дБ. Выбранные значения соответствуют условиям (4). Расчет выполнялся для вероятности выполнения условий работоспособности - 100%. Результаты расчета приведены в таблице 3. По этим результатам были определены номинальные значения параметров элементов из ряда Е192, обеспечивающие выполнение условий работоспосовности для АЧХ фильтра. Оценка их выполнения производилась путем анализа разброса АЧХ для найденных допусков. Результаты анализа приведены на рисунке 7, а номинальные 19

значения параметров - в таблице 3. По результатам решения задач параметрического синтеза были выбраны типы резисторов и конденсаторов, приведенные в таблице 3. Оценивая полученное проектное решение в виде функциональной схемы и найденных значений параметров и типов ее элементов, необходимо отметить, что оно удовлетворяет всем требованиям ТЗ, содержит относительно небольшое Таблица 3 Элементы

Значения параметров

Допуски

Тип

0.5% 0.5% 0.5% 0.66% 0.25% 0.25% 0.1% 0.1% 0.1% 0.1% 0.1% 0.1% 0.05% 0.05% 0.05% 0.1% 0.05%

К31-10 --"---"---"---"---"-С2-29В --"---"---"---"---"---"---"---"---"---"--

расчетные оптимизир. номинальн. C1 C2 C3 C4 C5 C6 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11

10нФ 4.7нФ 10нФ 750пФ 10нФ 10нФ 13.57кОм 28.1кОм 22.1кОм 28.77кОм 10кОм 10кОм 10кОм 10кОм 5.245кОм 185.4кОм 5.245кОм

10нФ 4.7нФ 10нФ 750пФ 10нФ 10нФ 13.5кОм 28.0кОм 22.06кОм 22.1кОм 28.66кОм 28.7кОм 10кОм 10кОм 10кОм 10кОм 5.227кОм 5.23кОм 167.4кОм 167кОм 5.238кОм 5.23кОм

Рисунок 7 20

число элементов. Однако для реализации схемы требуется большое число дорогостоящих прецизионных элементов. Для данного примера было бы целесообразно рассмотреть другие варианты построения схемы, используя иные методы. Например, методы, основанные на имитации LC-фильтров. Основы этих методов и примеры применения изложены в /3, 8, 9/.

5.4. Конструкторское проектирование По заданию проектируемое устройство должно быть конструктивно реализовано в виде узла с печатным монтажем. Исходной информацией для конструкторского проектирования является функциональная электрическая схема. В ходе решения задачи компоновки выполняется распределение элементов схемы по типовым конструктивам. В курсовом проекте таковыми являются печатный узел и компоненты (элементы-конструктивы): электрорадиоэлементы и корпуса ИС. Поэтому компоновка сводится к распределению функциональных элементов схемы по корпусам ИС и сборок элементов, если их решено использовать. Результат комновки должен быть отражен на электрической схеме с помощью соответствующих позиционных обозначений элементов и нумерации их выводов. Кроме этого, в схему включаются вспомогательные элементы и цепи (частотной коррекции, питания, соединители). Таким образом схема дорабатывается до уровня принципиальной. Для дальнейшего выполнения конструкторского проектирования необходимо получить новое описание объекта, в котором должна отражаться следующая информация: - электрическая связность компонентов (результат компоновки); - геометрические размеры и форма компонентов и монтажного пространства (библиотеки и базы данных конструктивов). Далее проектировщик последовательно решает задачи размещения компонентов в монтажном пространстве печатной платы и трассировки печатного монтажа. Для каждой из этих задач проектировщик определяет режим проектирования (интерактивный или автоматический), задает параметры для настройки автоматических алгоритмов, оценивает полученные решения по основным критериям качества и принимает решение относительно дальнейшего хода проектирования: перейти к решению следующей задачи или заново решить задачу (модифицировать решение) размещения (трассировки). После решения задач синтеза конструкции необходимо выполнить верификацию полученного проектного решения на соответствие принципиальной электрической схеме и соблюдение заданных конструкторско-технологических норм. В ходе решения задач верификации выявляют и устраняют несоответствия между схемой и печатной платой и нарушения технологических требований.

21

Рекомендации по постановке и методике выполнения рассмотренных задач конструкторского проектирования, а также рекомендации по работе с программно-информационным обеспечением учебной САПР изложены в /10/. Пример - Конструктивы выбранных для полученной схемы типов элементов содержат по одному функциональному элементу. Поэтому задача компоновки в данном случае фактически решена. Необходимо было лишь внести необходимую информацию в схему. Сделать это можно в интерактивном режиме в среде схемного редактора или воспользоваться программой компоновки PACK. Во втором случае было необходимо сформировать текстовый файл с информацией о назначении типов элементам схемы. В результате работы программы информация о типах элементов заносится в поле Part Value, заменяются условные графические обозначения для ИС определенных типов и проставляется нумерация их выводов. В ходе доработки схемы до уровня принципиальной в нее были включены потенциометр R10 типа С5-16 для регулировки смещения нуля выходного напряжения, конденсаторы C7, С8 типа К50-16 и С9, C10 типа КМ6 для фильтрации помех по цепям питания, разъемный соединитель X1 типа МРН-12, а также электрические цепи, связывающие их с остальными элементами схемы. Для формирования описания конструктива, необходимого для решения последующих задач с помощью утилиты NETLIST было получено описание топологии схемы на входном языке системы проектирования печатных плат (ПП) PCAD в виде текстового файла proj.alt. Было подготовлено исходное описание конструктива ПП в виде файла proj.brd, найдены в библиотеке и скопированы в рабочий каталог файлы с описанием всех используемых компонентов (prtфайлы). Трансляция всех этих подготовленных описаний с помощью утилиты PC-NLT привела к формированию требуемого описания в виде файла proj.pkg. При решении задачи размещения в среде программы PC-PLACE первоначально были размещены соединитель X1, в непосредственной близости от него конденсаторы C7, C8 и в местах, где предполагалось провести цепи питания и "земли", конденсаторы C9, C10. Т.к. конструктив содержит в основном дискретные разногабаритные компоненты и только три корпуса ИС, то было решено выполнить размещение в интерактивном режиме. Качество размещения оценивалось по критерию достаточности каналов для трассировки с помощью гистограммы плотности связей. Результат размещения был сохранен в файле proj.plc. Трассировку печатного монтажа было решено выполнять в двух слоях с шагом 2.5 мм по результатам оценки плотности связей. Т.к. конструктив содержит в основном дискретные компоненты, был выбран третий класс точности и заданы соответствующие допустимые значения для ширины трасс печатных проводников и зазоров. Используя данные о диаметре выводов компонентов, были определены необходимые размеры контактных площадок. Эта информация была введена при редактировании стратегии трассировки, котороя была записана в файле proj.ctl. Трассировка цепей питания и "земли" была выполнена в интерактивном режиме в среде редактора PC-CARDS. Программа PC-ROUTE 22

выполнила автотрассировку остальных цепей. Редактирование участков отдельных трасс и подключение масок контактных площадок было выполнено в среде редактора PC-CARDS. Результат трассировки был сохранен в файле proj.pcb. В ходе контроля конструкторско-технологических норм утилита PC-DRC не обнаружила ошибок. Было принято решение о корректности полученного проектного решения и переходе к этапу оформления проектно-конструкторской документации.

5.5 Оформление проектно-конструкторской документации Завершает курсовое проектирование выпуск проектно-конструкторской документации на бумажных носителях. В соответствии с заданием подлежат разработке: - пояснительная записка к проекту; - комплект электрических схем (структурная, функциональная, принципиальная); - перечень элементов; - комплект конструкторских чертежей (сборочный, печатной платы). Допускается вместо сборочного чертежа разработать схему расположения основных электрических элементов. Пояснительная записка должна включать техническое задание; краткое описание выполнения основных этапов проектирования, включая обоснования принятых решений по постановке и порядку выполнения проектных задач, оценке результатов и реализации маршрута проектирования; список использованных источников. Сформированные при выполнении проекта промежуточные описания объекта проектирования, представленные в виде текстов, и результаты выполненных расчетов параметров и характеристик приводятся в приложении. Пояснительная записка к курсовому проекту должна быть оформлена в соответствии с требованиями ГОСТ 2.105-95 “Общие требования к текстовым документам". Сформированные графические описания объекта проектирования должны быть доработаны для выполнения всех требований ЕСКД, после этого изготавливаются графические документы средствами вывода графической информации (принтер или графопостроитель). Общие требования к выполнению схем вручную и автоматизированным способом регламентируются ГОСТ 2.301-68 и ГОСТ 2.004-79. ГОСТ 2.702-75 определяет правила выполнения электрических схем изделий всех отраслей промышленности и энергетических сооружений. ГОСТ 2.759-82 определяет условные графические обозначения элементов аналоговой техники /11 - 13/. Доработка схем сводится к нанесению необходимых надписей, например для указания подключения выводов питания ИС, или таблиц с данными режимов в контрольных точках. На всех схемах и чертежах должны быть нанесены 23

рамки и основные надписи по ГОСТ 2.104-68. Т.к. графический редактор DRAFT не поддерживает ввод символов русского алфавита, то полную доработку схем необходимо выполнить вручную после вывода схемы на принтер или графопостроитель по команде HARDCOPY или утилитой PLOTALL. Полную доработку схем в соответствии с требованиями ЕСКД можно выполнить в среде системы AutoCAD. Для ввода в систему AutoCAD описание схемы необходимо сформировать в виде файла в формате DXF утилитой PLOTALL, используя соответствующий драйвер. Конструкторские чертежи (сборочный, послойные чертежи ПП) формируют из необходимых слоев описания, представленного в виде файла с расширением .pcb. Информация о каждом чертеже представляется в виде файла с расширением .plt. Затем эти файлы используются для изготовления документов с помощью программ PC-PRINT или PC-PLOT. Доработку чертежей и их изготовление на бумажных носителях также можно выполнить в среде системы AutoCAD. Описания чертежей формируют в два этапа: сначала утилитой PDIFOUT в формате PDIF, затем утилитой SLYCADP в формате DXF. При работе с утилитой SLYCADP выбирают необходимые для формирования чертежа слои. Пример - Сформированные для рассмотренного выше устройства графические документы приведены в приложениях А, Б, В.

5.6. Контрольные вопросы для защиты проекта 5.6.1. Перечислите основные принципы проектирования сложных технических объектов, использованные в курсовом проекте. 5.6.2. Перечислите выполненные этапы проектирования. 5.6.3. Перечислите выполненные на каждом этапе проектные процедуры. Поясните их содержание. 5.6.4. Перечислите использованные подходы к решению основных проектных задач на каждом этапе проектирования. 5.6.5. Перечислите использованные средства автоматизации проектирования. 5.6.6. Приведите примеры использованных при выполнении проекта математических моделей и численных методов.

24

Список использованных источников 1. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР. М.: Высш. шк., 1990. - 335 с. 2. Воробьев Н.И. Проектирование электронных устройств: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1989. - 223 с. 3. Капустян В.И. Активные RC-фильтры высокого порядка.- М.: Радио и связь, 1985. - 248 с. 4. Сборник задач по микросхемотехнике: Автоматизированное проектирование: Учеб. пособие для вузов / Под ред. В.И. Анисимова.-Л.: Энергоатомиздат, 1991.- 224 с. 5. Хлуденев А.В. Схемотехническое проектирование аналоговых устройств: Методические указания; Оренб. гос. тех. ун-т. - Оренбург, 1995. - 33 с. 6. Резисторы: Справочник / Под ред. Четверткова И.И. М.: Энергоатомиздат, 1981. - 352 с. 7. Конденсаторы: Справочник / Под ред. Четверткова И.И. и Дьяконова М.Н. М.: Энергоатомиздат, 1993. 8. Хьюлсман Л.П., Аллен П. Введение в теорию и расчет активных фильтров : Пер. с англ./ Под ред. А.Е. Знаменского. - М.: Радио и связь, 1984. 9. Зааль Р. Справочник по расчету фильтров: Пер. с нем./ Под ред. Н.Н. Слепова. - М.: Радио и связь, 1983. - 751 с. 10. Хлуденев А.В. Конструкторское проектирование: Методические указания; Оренб.гос.тех. ун-т. - Оренбург, 1995. - 43 с. 11. Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Под ред. Э.Т. Романычевой. - М.: Радио и связь, 1989. - 448 с. 12. Инженерная и компьютерная графика: Учеб. для вузов/ Под ред. Э.Т. Романычевой. - М.: Высш. Шк., 1996. - 367 с. 13. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. - М.: Издательство стандартов, 1992. - 316 с.

25

Приложение А Пример оформления схемы электрической принципиальной

26

Приложение Б Пример оформления схемы расположения элементов

27

Приложение В Пример оформления чертежа печатной платы

28

29

Лицензия N ЛР020716 от 02.02.93 Подписано в печать ......... Формат ........... Бумага ........... Усл. печ. л. 2,0 Тираж .... Заказ ..... Отпечатано в Оренбургском государственном университете 460352, г. Оренбург, ГСП, пр. Победы, 13, Издательство ОГУ

30