EDA-проектирование электронных устройств

EDA (Electronic Design Automation,автоматизация проектирования электрони­ки) – комплекс программных средств и библиотек стандартных элементов, обес­печивающий автоматизацию разработки электронных устройств, в первую очередь создания микросхем и печатных плат. Наиболее распространенными в России являются пакеты Pcad и Oread.

EDA-системы позволяют начать разработку с создания непосредственно принципиальной электрической схемы проектируемого устройства с использова­нием базы радиоэлектронных компонентов, промоделировать ее работу в различ­ных режимах. Затем эта схема преобразуется в заготовку проектируемой печатной платы с различной степенью автоматизации. Современные программные па­кеты позволяют выполнить автоматическую расстановку элементов и автомати­чески развести дорожки на чертеже многослойной печатной платы, соединяя тем самым выводы радиоэлектронных компонентов в соответствии с принципиаль­ной схемой.

Типичный состав EDA-комплекса:

o редактор принципиальных электрических схем;

o библиотека стандартных электронных компонент;

o редактор печатных плат;

o встроенные модули симуляции принципиальных схем и печатных плат;

o трансляторы данных;

o вспомогательные утилиты.

Лекция 12

Модуль создания принципиальных схем представляет собой специализиро­ванный графический редактор, обеспечивающий выбор электронных компонент из библиотеки, размещение их на схеме и соединение линиями-проводниками. Электрические схемы выполняются без соблюдения масштаба. Реальное распо­ложение компонентов на монтажно-коммутационном поле не учитывается при рисовании электрических схем. В первую очередь рисунок схемы должен обеспе­чить компактность и ясность при чтении ее деталей. На электрической схеме изображаются символы компонентов, электрические связи между ними, тексто­вая информация, таблицы, буквенно-цифровые обозначения и основные надписи на форматке схемы. Поставляемые вместе с системой библиотеки электронных компонент обеспечивают как их графическое изображение на схеме, так и модели­рование логики и электронных параметров.

Пример создания принципиальной схемы показан на рис. 7.5.

Редактор печатных плат используется для размещения компонентов непо­средственно на монтажно-коммутационном поле, а также и для ручной, интерак­тивной или автоматической трассировки проводников. В интерактивном режиме курсором отмечаются начало и конец сегмента проводника, который сразу же трассируется с учетом препятствий. При этом соблюдаются все ограничения на проведение трассы, установленные пользователем.

Пример создания печатной платы показан на рис. 7.6.

Рис. 7.5 Редактор принципиальных электрических схем

Рис. 7.6. Редактор печатных плат

Благодаря ассоциативному сопряжению с модулем создания принципиальных схем редактор печатных плат может автоматически составить список соединений схемы и перенести на поле печатной платы изображения корпусов компонентов с указанием линий электрических соединений между их выводами. Затем вычер­чивается контур платы, на нем размещаются компоненты и, наконец, производит­ся трассировка проводников.

Важной компонентой современных редакторов печатных плат являются моду­ли автоматической трассировки проводников. Автотрассировщики вызываются из управляющей оболочки редактора печатных плат, в котором производится на­стройка стратегии трассировки. Информацию об особенностях трассировки от­дельных цепей можно с помощью стандартных атрибутов ввести на этапах созда­ния принципиальной схемы или печатной платы.

Вспомогательные утилиты используются для перенумерации компонентов, создания отчетов в требуемом формате, автоматического создания компонент, расчета паразитных параметров печатных плат, оформления конструкторской документации, размещения на чертежах схем или печатных плат различных диа­грамм и таблиц, составления различных списков и отчетов, которые динамически обновляются, таблиц сверловки, данных о структуре платы, технологической и учетной информации, размещения на чертежах схем списков соединений, выво­дов подключения питания и другой текстовой информации.

Важнейшим элементом EDA-системы являются трансляторы данных, обеспе­чивающих обмен проектной информацией с другими электронными САПР либо с MCAD-системами для окончательной конструктивной компоновки электрон­ных блоков в составе машиностроительных конструкций. В последнем случае транслятор создает трехмерную сборку в формате MCAD, состоящую из печатной платы и элементов. Возможно и решение обратной задачи – сохранение мо­дели MCAD в формате EDA CAD. Эту возможность удобно использовать в тех случаях, когда габариты печатной платы зависят от формы и размера корпуса прибора или отсека оборудования, в котором эта печатная плата будет эксплуати­роваться.

Развитием технологии трансляторов между EDA- и MCAD-системами явля­ется мехатроника – система средств совместного проектирования и моделиро­вания узлов точной механики с электронными, электротехническими и компью­терными компонентами, обеспечивающими проектирование и производство качественно новых модулей, машин и систем с интеллектуальным управлением их функциональными движениями.

Геоинформационные системы

Геоинформационные системы (ГИС) предназначены для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных географических данных и свя­занной с ними информации. Инструменты ГИС обеспечивают систематизирован­ное хранение, поиск, анализ и редактирование цифровых карт, а также дополни­тельную информацию об объектах, например высоту здания, адрес, количество жильцов, расположение транспортных коммуникаций и т. п. ГИС включают в себя системы управления базами данных, сопряженные с редакторами растровой (например, аэрофотоснимков) и векторной (карты высот, коммуникаций, планов населенных пунктов) графики и аналитических средств. ГИС широко применяются в различных отраслях, в том числе напрямую не связанных с проек­тированием: картографии, геологии, метеорологии, землеустройстве, строитель­стве, управлении транспортом и т. п.

Отраслевая ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами. Среди них – инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, монито­ринг, управление и планирование, поддержка принятия решений. Интегриро­ванные ГИС совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интег­рированной среде.

Наибольшее распространение получили так называемые масштабно-незави­симые ГИС, основанные на множественных представлениях пространственных объектов, и обеспечивают графическое или картографическое воспроизведение данных в любом из выбранных масштабов, на основе единого набора данных с наибольшим пространственным разрешением.

В практике проектирования ГИС получили широкое распространение в строи­тельстве, проектировании дорожных сетей, магистральных трубопроводов и ли­ний электропередач. Пример использования систем ГИС показан на рис. 7.7.

Рис. 7.7. Совмещенная векторная карта дорожных коммуникаций и данных аэрофотосъемки

CAE – инженерные расчеты

CAE (англ. Computer-Aided Engineering) – это разнообразные программные про­дукты, обеспечивающие выполнение инженерных расчетов и физически подоб­ной симуляции функционирования проектируемых изделий, проверки их рабо­тоспособности, прогнозирования длительности жизненного цикла, определения рабочих характеристик на этапе проектирования до изготовления опытных образ­цов и их испытаний, оптимизации этих характеристик. Расчетная часть пакетов чаще всего основана на численных методах решения дифференциальных уравне­ний: методе конечных элементов, конечных объемов, конечных разностей и т. д. Это обусловлено тем, что расчетные системы, построенные на основе численных методов, в отличие от аналитических, практически не зависят от геометрической конфигурации анализируемого изделия.

Отдельно стоит выделить системы симуляции и моделирования сложных тех­нологических процессов, таких как литье металлов и пластмасс, штамповка, хими­ческое фрезерование и т. д. Особенностью подобных расчетов является совместное решение задач, описывающих различные физические процессы – гидродинами­ческие течения, отверждение, теплоперенос, химические реакции полимеризации и прочее.

Наряду с расчетом конструкций компьютерное моделирование и симуляция могут использоваться и для оптимизации проектов. Оптимизацию можно про­водить для задач статики, устойчивости, установившихся и неустановившихся динамических переходных процессов, собственных частот и форм колебаний, акустики и аэроупругости. Все это делается одновременно, путем вариации пара­метров формы, размеров и других свойств проектируемого изделия. Эффектив­ные алгоритмы оптимизации обрабатывают любое количество проектных пара­метров и ограничений. Вес, напряжения, перемещения, собственные частоты и многие другие характеристики могут рассматриваться либо в качестве целевых функций проекта (в этом случае их можно минимизировать или максимизиро­вать), либо в качестве ограничений. Алгоритмы анализа чувствительности позво­ляют исследовать влияние различных параметров на поведение целевой функции и управлять процессом поиска оптимального решения. Кроме того, компьютер­ное моделирование применяется для планирования экспериментов (определение мест расположения датчиков) и оценки полноты полученных эксперименталь­ных данных.

Таким образом, численное моделирование задач прочности существенно эко­номит время, ресурсы, позволяет сократить объемы натурных испытаний, а также более тщательно оптимизировать конструкции.

Метод конечных элементов

Метод конечных элементов (МКЭ, Finite Elements Method, FEM) – наиболее рас­пространенный численный метод решения задач прикладной механики, в первую очередь прочностных расчетов, механики деформируемого твердого тела, тепло­обмена. Суть метода заключается в том, что расчетная область разбивается на плоские или объемные, в зависимости от решаемой задачи, подобласти с элементарной геометрией (чаще всего методом триангуляции), для которых записаны простейшие системы дифференциальных уравнений. Каждая такая подобласть является конечным элементом, имеющим свой порядковый номер. Общие верши­ны конечных элементов называются узлами, которые также нумеруются. Кинема­тические граничные условия задаются в узлах на границе. Нагрузки на границе заменяются сосредоточенными силами в узлах, связь конечных элементов между собой осуществляется также в узлах. Процесс вычисления сводится к решению полученной системы элементарных дифференциальных уравнений.

Рис. 8.1 иллюстрирует прочностной расчет детали, выполняемый методом конечных элементов.

Рис. 8.1 Схема перехода от твердотельной модели к расчетной сетке

Лекция 13

Современные системы автоматизации инженерных расчетов, как правило, применяются совместно с CAD-системами, зачастую просто интегрированы в них. Таким образом, инженер может оперативно провести проверочные расчеты непосредственно в процессе создания конструкции и при необходимости изме­нить ее так, чтобы удовлетворить требованиям работоспособности. Например, ANSYS, одна из первых программ конечноэлементного расчета, интегрирована в программный комплекс CATIA. Использование этой программы проиллюстрировано на рис. 8.2.

Существенным достоинством расчетных систем перед проверочными натур­ными испытаниями является возможность определения элементов не только с недостаточной прочностью, но и с избыточной. Это позволяет оптимизировать геометрию деталей с целью снижения их массы, что особенно критично, напри­мер, в авиакосмической отрасли, двигателестроении.

Расчетные системы позволяют «заглянуть» внутрь детали, что практически невозможно при натурных прочностных испытаниях, получить исчерпывающую картину распределения любых параметров: деформаций, напряжений, темпера­турных полей и т. д. Что немаловажно – расчет может быть произведен не только для статического нагружения, но и в динамике, в сопряжении с кинематическим расчетом. Современные расчетные системы обеспечивают комплексный анализ характеристик конструкций, включая расчет напряженно-деформированного со­стояния, собственных частот и форм колебаний, анализ устойчивости, решение задач теплопередачи, исследование установившихся и неустановившихся про­цессов, акустических явлений, нелинейных статических процессов, нелинейных динамических переходных процессов, расчет критических частот и вибраций ро­торных машин, анализ частотных характеристик при воздействии случайных на­грузок. Предусмотрена возможность моделирования практически всех типов ма­териалов, включая композитные и эластичные.

На рис. 8.3 показано моделирование повреждений легкового автомобиля в результате удара, производимое методом конечных элементов.

Моделирование кинематики

Пространственные механизмы являются важной составляющей современной техники и производственных технологий, например шасси самолетов и автомоби­лей, механизация крыла и механизмы управления самолетов, промышленные ро­боты-манипуляторы последовательной и параллельной структуры, стрелковое оружие, бытовая техника и т. д. Так как конструирование сложных механизмов осуществляется с использованием MCAD-систем, то логичным стало использо­вание полученных геометрических моделей для моделирования и анализа их движения. Проектирование кинематики отличается высокой геометрической сложностью и в существенной степени определяет качество конечного продукта, стоимость его изготовления и эксплуатации. В 70-80-е годы, в период активного развития рабочих станций и их применения для проектирования изделий маши­ностроения, появились первые системы для динамического и кинематического анализа пространственных механизмов, такие как ADAMS, ANSYS Mechanical, COSMOS Motion и др. К настоящему времени эти системы получили признание специалистов и вошли в повседневную практику работы сотен тысяч инженеров.

Рис. 8.2 Анализ напряженно-деформированного состояния детали в системе ANSYS, интегрированной в CATIA

Рис. 8.3 Моделирование аварийного удара автомобиля

Инженерные системы моделирования кинематики обеспечивают возможность решения как прямых, так и обратных задач. Прямая задача (см. рис. 8.4) заключается в том, чтобы по известным усилиям и другим характеристикам приводов (пневмо-и гидроцилиндров, электродвигателей и т. п.) определить скорости и траектории движения всех элементов, составляющих механизм. При решении обратной (см. рис. 8.5 ,час­то употребляется термин инверсная)задачи – напротив, по известной или задан­ной траектории и скорости перемещения одного из звеньев (как правило, конеч­ного) требуется определить траектории остальных звеньев, силы, действующие на них, и, соответственно, требуемые силовые и скоростные характеристики при­водов.

Рис. 8.4 Моделирование прямой задачи кинематики в CATIA

Еще одной важной задачей, решаемой в кинематических расчетных системах, является определение работоспособности механизмов: отсутствие заклиниваний, предупреждение нежелательных касаний и столкновений элементов механизма, вписывание механизма в заданные габариты.

И наконец, моделирование кинематики обеспечивает решение задач не только анализа механизмов, но и их синтеза. По заданной траектории и циклограмме ра­боты механизма можно рассчитать форму кулачков, направляющих, требуемые размеры звеньев рычажных механизмов, параметры зубчатых колес и т. п. Пример подобного расчета показан на рис. 8.6.

Результаты таких вычислений могут быть использованы как эскизы для по­строения твердотельных моделей деталей с наперед заданной точностью.

Рис. 8.5 Решение обратной задачи кинематики в КОМПАС 3D

Рис. 8.6. Построение геометрии кулачка по заданной траектории в COSMOS Motion