Компьютерные технологии проектирования устройств вычислительной техники.

Компьютерные технологии проектирования устройств вычислительной техники.

Курс рассчитан на 8 лабораторных работ, в течение которых необходимо освоить весь путь проектирования печатной платы в системе автоматизированного проектирования Altium Designer 2014, начиная от создания библиотек компонентов и заканчивая подготовкой информации о спроектированной плате для передачи ее в производство. Каждый студент в течение всех 7 лабораторных работ проектирует в соответствии с полученным вариантом задания одно устройство, которое к последней лабораторной работе должно стать законченным проектом. Первые три работы посвящены созданию библиотек компонентов – тех кубиков, из которых на следующих этапах будет создаваться электрическая схема устройства и соответствующая этой электрической схеме топология печатной платы.

Этапы работы:

Лабораторная работа №1.Анализ Технического задания, Создание условных графических обозначений (УГО) элементов для последующего включения их в библиотеку компонентов проекта.

Лабораторная работа №2.Создание посадочных мест (Паттернов) для последующего включения их в библиотеку компонентов проекта.

Лабораторная работа №3.Создание библиотеки компонентов проекта.

Лабораторная работа №4.Создание электрической принципиальной схемы проекта в соответствии с требованиями единой системы конструкторской документации (ЕСКД).

Лабораторная работа № 5.Создание заготовки печатной платы, размещение элементов.

Лабораторная работа №6.Ручная и автоматическая трассировка связей.

Лабораторная работа №7.Защита проекта.

В конце каждой лабораторной работы происходит сдача результатов работы преподавателю, по окончанию всех работ – защита всего проекта целиком.

Исходные данные для проектирования:

1. Вариант электрической схемы и перечень элементов к ней.

2. Техническое задание на проектирование, в котором оговорены:

- требования к конструкции печатной платы,

- особенности электрической схемы,

- технологические ограничения.

3. Описания конструкции используемых электронных компонентов.

В процессе выполнения лабораторных работ требуется:

1. Создать файл библиотеки компонентов проекта,в который должна войти вся номенклатура компонентов заданной электрической схемы. Каждый компонент библиотеки должен содержать символ (УГО), выполненный в соответствии с требованиями ГОСТ2.743-91, и паттерн (посадочное место) с геометрическими размерами, соответствующими стандарту IPC-SM-782A.

2. Создать файл электрической схемы проекта,содержащий чертеж электрической схемы, выполненный в соответствии с требованиями ЕСКД.

3. Создать файл топологии проекта,удовлетворяющий требованиям технического задания.

Оглавление.

Техническое задание на разработку печатной платы. 3

Лабораторная работа №1. Создание условных графических обозначений элементов (УГО). 5

Лабораторная работа №2. Создание посадочных мест для радиоэлектронных элементов. 14

Лабораторная работа №3. Создание библиотек компонентов проекта. 17

Лабораторная работа №4. Создание электрической принципиальной схемы проекта в соответствии с требованиями единой системы конструкторской документации (ЕСКД). 19

Лабораторная работа № 5. Создание заготовки печатной платы, размещение элементов. 24

Лабораторная работа №6. Ручная и автоматическая трассировка связей. 29

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Условное графическое обозначение (УГО) символа компонента. 32

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Варианты заданий. 62

Техническое задание на разработку печатной платы.

Общие требования.

По заданной электрической схеме в соответствии с вариантом задания необходимо спроектировать двухслойную печатную плату, удовлетворяющую следующим требованиям:

1. Материал печатной платы: Двусторонний фольгированный стеклотекстолит (FR4) толщиной 1,5 мм. Толщина каждого из слоев медной фольги – 35 мкм.
2. Число проводящих слоев на плате – 2.
3. Форма печатной платы – прямоугольник, размером 60 х 80 мм. В углах платы расположить 4 монтажных отверстия для крепления платы к корпусу блока винтами М3 (Диаметр крепежного отверстия – 3,5 мм, диаметр площадки под головку винта – 7 мм). Центры этих отверстий расположить в 5 мм от края платы по обеим осям. Площадки металлизировать, освободить от защитной маски и подсоединить к цепи GND. (Рис.1)
4. Возле монтажных отверстий в квадратных зонах размером 10х10мм с нижней стороны платы элементы не располагать и никакие проводники, кроме цепи GND не прокладывать.
5. Разъем расположить на краю платы. В зависимости от количества и типа разъемов выберите один из вариантов платы, изображенных на рис 1.
6. Допускается установка элементов с обеих сторон печатной платы. Высота элементов, установленных с нижней стороны платы не должна превышать 5 мм. Рекомендуется элементы устанавливаемые в отверстия располагать с верхней стороны платы, а планарные элементы - с нижней.
7. Технологические требования:

- Минимальная ширина проводника - 0,2 мм,

- Минимальный зазор между проводниками или площадками – 0,2 мм,

- Минимальный диаметр отверстия - 0,5 мм,

- Диаметр площадки вокруг отверстия на 0,5 мм больше диаметра отверстия.

1. Предусмотреть наличие на плате паяльной (защитной) маски с двух сторон, шелкографической маркировки с одной, а при необходимости и с двух сторон.
2. Шины земли и питания в свободных местах платы делать шириной не менее 1 мм.

Схема с двумя разъемами

Рис.1 - Размеры печатной платы.

Настройка редактора.

Запустите графический редактор Altium Designer.

Выполните команду Options/Document Options, установите формат листа (Рис. 25), на котором будет размещен рисунок электрической схемы. Настройте во вкладке Sheet Options сетку (Grid), ориентацию листа (Landscape/Portrait) , установите систему измерения (mm) во вкладке Units(Рис. 26). Во вкладке Parameters установите следующие значения:

ApprovedBy — Фамилия утверждающего
Auhtor — Фамилия разрабатывающего
CheckedBy — Фамилия проверяющего
CompanyName — Название организации
DocumentNumber — Децимальный номер
NormInspection — Фамилия «нормоконтроллера»
ProcessInspection — Фамилия инженера технологического контроля
Engineer — Должность в пустой строке
EngineerName — Фамилия в пустой строке
FirstReference — Первичная применяемость
Title — Наименование устройства
Title2str — Вторая строка в наименовании устройства
Letter1Column — Литера
Mass — Масса
Scale — Масштаб.
SheetNumber — Номер листа
SheetTotal — Количество листов

Те параметры, которых не хватает, вы можете добавить сами. Полученный лист сохраним как шаблон (*.SchDoс). Получившийся шаблон видим на Рис.27.

Рис.25 – Параметры шаблона.

Рис.26 – Единицы измерения при составлении шаблона.

Рис.27 – Получившийся шаблон.

Создание схемы.

Убедитесь, что шаг сетки установлен 2,5 мм.

Подключите свою библиотеку компонентов. Управление библиотеками выполняется командой Design/ Add/Remove Library.

Командой Place/Partпоочередно расставьте на экране все символы электрической схемы в соответствии с вариантом задания. Размещение символов на листе не обязательно должно повторять вариант задания, главное правильно повторить электрические соединения. Также это можно сделать из панели инструментов (Рис. 28)

Рис.28 – Выбор кнопки рисования элементов.

Укажите элементы из своей библиотеки командой Place/Part/Choose/…(Рис. 29)

Рис.29 – Указание элементы из библиотеки.

При размещении нескольких одинаковых секций установите их подряд (не прерывая команду Place/Part). Если секции символа разные, то перед размещением каждой секции повторяя команду Place/Part,выбирайте нужную секцию.

Для всех резисторов и конденсаторов впишите их номиналы. Для этого кликните мышью по нужному элементу и в разделе Propertiesзаполните нужные поля (Рис. 30).

Рис. 30 – Указание номиналов резисторов и конденсаторов.

Выровняйте расположение символов по вертикали и горизонтали с помощью соответствующих команд или вручную.

Если в схеме присутствует шина(ы), то командой Place/Busнарисуйте шину(ы).

Командой Place/Wireпроведите все электрические соединения контактов символов (при правильном соединении цепи с контактом светлый квадрат на конце контакта исчезает) (Рис. 31).

Рис.31 – Проводка электрических соединений контактов символов.

Правильно расставьте позиционные обозначения элементов. Они должны быть расположены сверху или справа от элементов. Для коррекции положения позиционного обозначения кликните в него мышью с нажатой клавишей Space. Для удобства работы можно на этом этапе изменить шаг сетки на более мелкий.

Командой Reports/Bill of Materialsсоздайте текстовые отчеты для контроля созданной схемы.

Сохраните созданную схему на жестком диске командой File/Save As, предварительно присвоив имя схеме.

Настройка редактора.

Запустите графический редактор Altium Designer. Установите метрическую систему измерения (меню Options/Board Options).

Установите шаг сетки 1.00 мм.

Настройте правила проектирования, для этого выполните команду Design/Rules.

Рассмотрим подробнее наиболее важные пункты редактора правил (Рис.32А, Рис.32Б).

Рис.32А – Редактор правил.

Рис.32Б – Редактор правил (продолжение).

Создание заготовки платы.

В соответствии с вариантом задания нарисуйте контур вашей печатной платы. Толщина линии контура может быть любой, так как размеры платы определяются по осям линий.

Выделите нарисованный контур и нажмите в меню Design/Board Shape/Define from selected object(Рис.33)

Рис.33 – Определение контура печатной платы.

Создайте новый тип контактных площадок - крепежное отверстие (Рис.34). Для этого необходимо сначала скопировать один из существующих типов площадок, присвоив ему новое имя. Затем командой в его свойствах измените форму и размеры площадки. Площадка должна быть со сквозным отверстием (Multi-layer), металлизированная (Plated), круглая (Ellipse),и укажите его тип меню Net(GND), диаметры отверстия и площадки указаны в задании (Рис.35).

Рис.34 – Создание крепежных отверстий.

Рис.35 – Свойства крепежных отверстий.

Размещение элементов.

Разместите вручную компоненты в контуре печатной платы. Цель: разместить элементы таким образом, чтобы максимально облегчить в дальнейшем трассировку связей и обеспечить выполнение требований технического задания (например, по минимизации длин отдельных цепей). Элементы можно поворачивать клавишей R (Rotate) или переносить на другой слой F(Flip). Если в проекте встречаются и планарные компоненты и компоненты, устанавливаемые в отверстия, то чаще всего элементы со сквозными отверстиями устанавливают с верхней стороны платы, а все планарные элементы - с нижней. Место расположения разъемов указано в задании. После установки разъемы зафиксируйте.

При размещении элементов обратите особое внимание на расположение фильтрующих конденсаторов. Они должны быть максимально приближены к выводам питания микросхем, кроме того, желательно подводить электропитание сначала к конденсатору и только через него к микросхеме.

При размещении компонентов следите за "паутиной" связей между ними, она поможет оптимизировать размещение.

Совет: При размещении элементов очень удобно пользоваться горячей связью (Hot Link) между схемотехническим и топологическим редакторами. Откройте в одном окне ваш проект в топологическом редакторе и в другом окне вашу схему в схемотехническом редакторе, выделите нужный элемент, затем правой кнопкой мыши подсветите его (команда Highlight) и вы увидите этот же элемент уже подсвеченным в топологическом редакторе.

Лабораторная работа №6. Ручная и автоматическая трассировка связей.

Подготовка к трассировке.

В закладке меню Options/Board Optionsустановите систему метрическую измерения (mm).

Установите в правилах ширину линий 0.2 mm и 0.3mm(Рис.36) и переходные отверстия (Via) с диаметром площадки 0,9 мм и диаметром отверстия 0,4 мм (рис.37).

Переключение между шириной проводников производится цифрой 3при разводке проводников, установка переходных отверстий – цифрой 2.

Рис. 36 – Установка ширины линий.

Рис. 37 – Установка диаметра переходных отверстий.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Условное графическое обозначение (УГО) символа компонента

Рис.42 – Символ в системе Altium Designer 2014.

Чип – резисторы

Обозначение в спецификации:

Формат	Зона	Поз.	Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
		26		Резистор CR0603 300 Ом±5%	5	R1…R4,R9

Обозначение на электрической схеме в соответствии с ГОСТ2.728-74	ГОСТ2.728-74 допускает обозначать максимальную рассеиваемую мощность резистора
	0,05 Ватт (CR0603) 0,125 Ватт (CR0805) 0,25 Ватт (CR1206) 0,5 Ватт (CR2010) 1 Ватт (CR2512) 2 Ватт 5 Ватт

Имена выводов и номера контактов на схеме не указываются. Размер 15 мм между выводами – рекомендуемый, ГОСТ оговаривает только размеры прямоугольника 10х4 мм.

Форма посадочного места чип-резистора, рекомендуемая стандартом IPC-SM-782A.

Слой TOP	Слой Top Silk	Слой Top Assy
Тип	Размер корпуса, мм	Контактные площадки, мм	Минимальный шаг установки, мм	Сборочный чертеж, мм
L	W	C	X	Y	G1	G2	D1	D2
CR0402	1,05	0,50	1,20	0,60	0,70	2,4	1,1	2,4	1,1
CR0603	1,60	0,80	1,60	0,90	0,80	2,9	1,4	2,6	1,1
CR0805	2,00	1,20	1,80	1,40	1,10	3,4	1,9	2,7	1,2
CR1206	3,20	1,60	2,90	1,70	1,20	4,6	2,2	3,9	1,5

Атрибут {Type} – невидимый, Атрибут {Value} – невидимый.

Контактные площадки планарные (без отверстий), ключ первого вывода – отсутствует.

Чип – конденсаторы

Обозначение в спецификации:

Формат	Зона	Поз.	Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
		26		конденсатор керамический 0603
				0,047 мкФ±10%-50В-X7R	1	С21

Обозначение на электрической схеме в соответствии с ГОСТ2.728-74	Чип-конденсаторы на печатной плате

Имена выводов и номера контактов на схеме не указываются. Размер 7,5 мм между выводами – рекомендуемый, ГОСТ оговаривает только размеры 8 и 1,5 мм.

Форма посадочного места чип-конденсаторов, рекомендуемая стандартом IPC-SM-782A.

Слой TOP	Слой Top Silk	Слой Top Assy
Тип	Размер корпуса, мм	Контактные площадки, мм	Минимальный шаг установки, мм	Сборочный чертеж, мм
L	W	C	X	Y	G1	G2	D1	D2
CС0402	1,05	0,50	1,20	0,60	0,70	2,4	1,1	2,4	1,1
CС0603	1,60	0,80	1,60	0,90	0,80	2,9	1,4	2,6	1,1
CС0805	2,00	1,20	1,80	1,40	1,10	3,4	1,9	2,7	1,2
CС1206	3,20	1,60	2,90	1,70	1,20	4,6	2,2	3,9	1,5

Атрибут {Type} – невидимый, Атрибут {Value} – невидимый.

Контактные площадки планарные (без отверстий), ключ первого вывода – отсутствует.

Танталовые конденсаторы

Обозначение в спецификации:

Формат	Зона	Поз.	Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
		26		конденсатор танталовый
				100 мкФ±20%- 10В – тип C	1	С21

Обозначение на электрической схеме в соответствии с ГОСТ2.728-74	Внешний вид танталового конденсатора

Имена выводов «+» и «-» , плюс видимый, минус невидимый, номера контактов на схеме не указываются. Размер 7,5 мм между выводами – рекомендуемый.

Форма посадочного места танталовых конденсаторов, по стандарту IPC-SM-782A.

Слой TOP	Слой Top Silk	Слой Top Assy
Тип корпуса	Размер корпуса, мм	Контактные площадки, мм	Минимальный шаг установки, мм	Сборочный чертеж, мм
L	W	C	X	Y	G1	G2	D1	D2
Тип A	3,20	1,60	2,50	1,40	1,70	4,70	2,10	3,20	1,60
Тип B	3,50	2,80	2,80	2,40	1,70	5,00	3,30	3,50	2,80
Тип C	6,00	3,20	4,80	2,40	2,20	7,50	3,70	6,00	3,20
Тип D,E	7,30	4,30	6,10	2,60	2,20	8,80	4,80	7,30	4,30

Атрибут {Type} – невидимый, Атрибут {Value} – невидимый.

Контактные площадки планарные (без отверстий), ключ первого вывода – знак «плюс».

Генератор импульсов ACT9200 Фирма производитель Advanced Crystal Technology.

Обозначение в спецификации:

Формат	Зона	Поз.	Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
		16		ACT9200-80,0MHz-15ppm-5,0V	1	DD1

Символ для электрической схемы	Описание выводов Кварцевого генератора
	Количество гейтов -1 Pin Num Pin Des Pin Name Тип вывода Эквивалентность выводов OE Input Vdd Power GND Power Out Output Все имена и номера выводов – видимые, префикс позиционного обозначения DD (микросхема цифровая)
Внешний вид элемента. Форма посадочного места приведена ниже в разделе «посадочные места». Вывод №1 помечен точкой на корпусе.

.
Операционный усилитель AD623. Фирма изготовитель Analog Devices.

Обозначение в спецификации:

Формат	Зона	Поз.	Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
		29		AD623AN	2	DA7,DA9

Примечание AD623AN – выпускается в корпусе DIP-8, AD623AR - в корпусе SOIC-8.

Символ для электрической схемы	Описание выводов Операционного усилителя AD623AN, AD623AR
	Количество гейтов -1 Pin Num Pin Des Pin Name Тип вывода Эквивалентность выводов +Rg Input -Rg Input +IN Input -IN Input -Vs Power +Vs Power REF Input OUT Output Все имена и номера выводов – видимые, префикс позиционного обозначения DA (микросхема аналоговая)
Внешний вид элемента в корпусе DIP-8. Форма посадочного места приведена ниже в разделе «посадочные места». Ключ первого вывода - выемка на корпусе На топологии ключами являются: форма первой контактной площадки (квадрат) и выемка на контуре микросхемы в слое шелкографии.

Аналого-цифровой преобразователь AD7477. Фирма изготовитель Analog Devices.

Обозначение в спецификации:

Формат	Зона	Поз.	Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
		9		AD7477ART	1	DA2

Примечание AD7477ART – выпускается в корпусе SOT23-6

Символ для электрической схемы	Описание выводов АЦП AD7477ART
	Количество гейтов -1 Pin Num Pin Des Pin Name Тип вывода Эквивалентность выводов Vin Input CLK Input ~CS Input GND Power Vdd Power SDATA Output Все имена и номера выводов – видимые, префикс позиционного обозначения DA (микросхема аналоговая)
Чертеж корпуса SOT23-6 Форма посадочного места приведена ниже в разделе «посадочные места». Ключ первого вывода - точка на корпусе Все размеры в дюймах, в скобках в миллиметрах.

Цифро-аналоговый преобразователь MAX551ACPA. Фирма изготовитель Maxim.

Обозначение в спецификации:

Формат	Зона	Поз.	Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
		29		MAX551ACPA	2	DA7,DA9

MAX551ACPA – выпускается в корпусе DIP-8, MAX551ACUB - в корпусе µMax-10.

Символ для электрической схемы	Описание выводов микросхемы MAX551ACPA
	Количество гейтов -1 Pin Num Pin Des Pin Name Тип вывода Эквивалентность выводов Din Input SCLK Input REF Input ~LOAD Input Vdd Power GND Power OUT Output RFB Input Все имена и номера выводов – видимые, префикс позиционного обозначения DA (микросхема аналоговая)
Внешний вид элемента в корпусе DIP-8. Форма посадочного места приведена ниже в разделе «посадочные места». Ключ первого вывода - выемка на корпусе На топологии ключами являются: форма первой контактной площадки (квадрат) и выемка на контуре микросхемы в слое шелкографии.

Счетверенный цифровой потенциометр AD8403. Фирма изготовитель Analog Devices

Обозначение в спецификации:

Формат	Зона	Поз.	Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
		29		AD8403ARU50	2	DA7,DA9

AD8403ARU50 – выпускается в корпусе TSSOP24, есть исполнения в корпусах DIP и SOIC

Символы для электрической схемы	Описание выводов AD8403ARU50
Символ гейта 1	Количество гейтов -4 (Гейты гетерогенные – 2 разновидности) Pad Num Pin Des Pin Name Тип вывода Номер гейта AG2 Power B2 Output A2 Output W2 Output AG3 Power B3 Output A3 Output W3 Output DGND Power ~SHDN Input ~CS Input SDI Input SDO Output CLK Input ~RS Input Vdd Power AG4 Power B4 Output A4 Output W4 Output AG1 Power W1 Output A1 Output B1 Output Все имена и номера выводов – видимые, префикс позиционного обозначения DA (микросхема аналоговая)
Символ для гейтов 2, 3, 4. Имена и номера выводов показаны для гейта 2, для остальных смотри таблицу.
Внешний вид элемента в корпусе TSSOP-24. Форма посадочного места приведена ниже в разделе «посадочные места». Ключ первого вывода - выемка на корпусе На топологии ключами являются: форма первой контактной площадки (квадрат) и выемка на контуре микросхемы в слое шелкографии.

Преобразователь интерфейсов ADM3202AN. Фирма изготовитель Analog Devices

Обозначение в спецификации:

Формат	Зона	Поз.	Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
		29		ADM3202AN	2	DD7,DD9

ADM3202AN – выпускается в корпусе DIP-16, бывает также в корпусах TSSOP16 и SOIC16.

Символ для электрической схемы	Описание выводов преобразователя интерфейсов ADM3202AN
	Количество гейтов -1 Pin Num Pin Des Pin Name Тип вывода Эквивалентность выводов C1+ Input C1- Input T1in Input T2in Input R1out Output R2out Output V+ Input V- Input Vcc Power GND Power R2in Input R1in Input T2out Output T1out Output C2- Input C2+ Input Все имена и номера выводов – видимые, префикс позиционного обозначения DD (микросхема цифровая)
Внешний вид элемента в корпусе DIP-16. Форма посадочного места приведена ниже в разделе «посадочные места». Ключ первого вывода - выемка на корпусе На топологии ключами являются: форма первой контактной площадки (квадрат) и выемка на контуре микросхемы в слое шелкографии.

ПЗУ конфигурирования ПЛИС. AT17LV020. Фирма изготовитель Atmel.

Обозначение в спецификации:

Формат	Зона	Поз.	Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
		14		AT17LV020-10JC	1	DD2

AT17LV020-10JC – выпускается в корпусе PLCC-20.

Символ для электрической схемы	Описание выводов ПЗУ AT17LV020-10JC
	Количество гейтов -1 Pin Num Pin Des Pin Name Тип вывода Эквивалентность выводов CLK Input ~CE Input RES/~OE Input Vcc Power GND Power RELAY Output ~CEO/A2 Output DATA Bidirectional ~SER-EN Output Все имена и номера выводов – видимые, префикс позиционного обозначения DD (микросхема цифровая)
Внешний вид элемента в корпусе PLCC-20. Форма посадочного места приведена ниже в разделе «посадочные места». Ключ первого вывода - точка на корпусе и срезанный угол корпуса Первый вывод находится на середине стороны прилегающей к срезу против часовой стрелки. .

Сдвоенный двоичный счетчик MC14520BCP. Фирма изготовитель Motorola

Обозначение в спецификации:

Формат	Зона	Поз.	Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
		29		MC14520BCP	2	DD7,DD9

MC14520BCP – выпускается в корпусе DIP-16, бывает также в корпусе SOIC16.

Символ для электрической схемы	Описание выводов Двоичного счетчика MC14520BCP
В скобках указаны номера выводов второго гейта.	К