Реферат: Методы размещения и трассировки печатных плат на примере модуля памяти
Содержание
ВВЕДЕНИЕ… 2
1. ВЫБОР СЕРИИ И ТИПОВМИКРОСХЕМ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПО КОРПУСАМ… 3
1.1. Выбор физических элементовдля реализации схемы и обзор параметров выбранной серии… 3
1.2. Распределение элементовфункциональной схемы по корпусам… 4
2. РАЗМЕЩЕНИЕ ЭРЭ НА МОНТАЖНОМПРОСТРАНСТВЕ… 6
3. ТРАССИРОВКА МОНТАЖНЫХСОЕДИНЕНИЙ… 10
3.1 Трассировка с помощьюалгоритма Прима… 10
3.2 Трассировка по алгоритмуКраскала… 12
3.3 Трассировка классическимволновым алгоритмом Ли… 14
ЗАКЛЮЧЕНИЕ… 15
ЛИТЕРАТУРА… 16
ВВЕДЕНИЕ
Основные принципы изготовления и применения печатных схем сталиизвестны в начале ХХ века, однако промышленный выпуск печатных схем и плат былорганизован лишь в начале 40-х годов.
С переходом на микроэлектронные элементы, резким уменьшениемразмеров и возрастанием быстродействия схем первое место занимают вопросыобеспечения постоянства характеристик печатных проводников и взаимного ихрасположения. Значительно усложнились задачи проектирования и оптимальногоконструирования печатных плат и элементов.
Печатные платы нашли широкое применение в электронике, позволяяувеличить надёжность элементов, узлов и машин в целом, технологичность (за счётавтоматизации некоторых процессов сборки и монтажа), плотность размещенияэлементов (за счёт уменьшения габаритных размеров и массы), быстродействие,помехозащищённость элементов и схем. Печатный монтаж – основа решения проблемыкомпановки микроэлектронных элементов. Особую роль печатные платы играют вцифровой микроэлектронике. В наиболее развитой форме (многослойный печатныймонтаж) он удовлетворяет требования конструирования вычеслительных машинтретьего и последующих поколений.
При разработке конструкции печатных плат проектеровщикуприходится решать схемотехнические (минимизация кол-ва слоёв, трассировка),радиотехнические (расчёт паразитных наводок), теплотехнические (температурныйрежим работы платы и элементов), конструктивные (размещения), технологические(выбор метода изготовления) задачи.
В данном курсовом проекте при разработке печатной платы мыпопытались показать методы решения лишь схемотехнических и технологическихзадач.
1. ВЫБОР СЕРИИ И ТИПОВ МИКРОСХЕМ ИРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПО КОРПУСАМ.
1.1. Выбор физических элементов дляреализации схемы и обзор параметров выбранной серии.
Выбор серии интегральных микросхем для реализации блокаоперативной памяти в первую очередь продиктован скоростью работы такого блока.В этом отношении микросхемы серии ТТЛШ (транзисторно–транзисторная логика соструктурой Шотки) наиболее предпочтительны.
Электрическая функциональная схема блока оперативной памятисодержит сорок пять элементов 2И-НЕ, три элемента 3И-НЕ.
Для реализации блока оперативной памяти выбираем следующие типымикросхемы:
две микросхемы серии КР1531ЛА3 (корпус содержит 4 элемента 2И-НЕ);
две микросхемы серии КР1531ЛА4 (корпус содержит 3 элемента 3И-НЕ);
Основные параметры микросхем ТТЛШ серии КР1531:
— напряжение питания Uип = 5В ± 10%;
— выходное напряжение низкого уровня не более U0вых= 0,5В;
— выходное напряжение высокого уровня не менее U1вых= 2,5В;
— время задержки распространения tзд.р.= 4,5нс;
— потребляемая мощность Pпот = 4мВт;
— сопротивление нагрузки Rн = 0,28кОм;
1.2. Распределение элементов функциональнойсхемы по корпусам.
Распределение четырёх элементов 2И-НЕ составляющих триггерочевидно:
/>
/>
Поскольку внутренних связей в таком элементе гораздо больше чемвнешних, то очевидно их помещение в одну микросхему КР1531ЛА3.
Для распределения девяти оставшихся элементов 2И-НЕ по трёмкорпусам микросхем КР1531ЛА3 вычерчиваем часть электрической функциональнойсхемы блока оперативной памяти, содержащую эти элементы, и строимсоответствующий ей граф G1 (рис.1.1).
/>
/> <td/> />
Рис. 1.1
а) Выбираем базовую вершину – вершину имеющую максимальноеколичество связей. Поскольку в нашем случае все вершины имеют одинаковоеколичество связей, выбираем любую из них, например вершину Х1.
б) Определяем множество вершин подключённых к базовой: {4;7}
Для каждой из вершин рассчитываем функционал по формуле:
Li=aij-pij
где aij – числосвязей вершины;
pij – число связей с базовойвершиной;
В нашем случае функционал равен:
L7=L4=2-1=1;
Для объединения с базовой вершиной необходимо выбрать вершину снаименьшим функционалом. Поскольку в нашем случае вершины Х7 и Х4 равнозначны,то объединяем их с Х1. Поскольку мощность блока (4 элемента 2И-НЕ в одноймикросхеме) ещё не достигнута, а все оставшиеся вершины идентичны по отношениюк вершине Х(1+4+7), дополним блок вершиной Х2, объединив их в одну микросхему.Получим граф:
/>
Теперь, в качестве базовой изберём вершину Х3. Рассуждая так жекак и в предыдущем шаге объединим в одну микросхему вершины Х3, Х6, Х9 и Х5. Вершину Х8 придётся поместить в отдельную микросхему.
Проанализировав полученные результаты можно увидеть, что длякомпоновки элементов Х1-Х9 необходимо 3 микросхемы КР1531ЛА3, причём впоследней из них будет задействован лишь один элемент. В нашем случаерациональней будет уменьшить мощность блока до трёх. В этом случае количествонеобходимых микросхем не изменится, а элементы распределятся следующим образом:Х(1+4+7), Х(2+5+8), Х(3+6+9). Окончательно примем к проектированию именно такойвариант компоновки.
Три элемента 3И-НЕ поместим в одну микросхему КР1531ЛА3 поскольку в этом случае мощность блока (кол-воэлементов в микросхеме) равна количеству элементов в функциональной схеме.
На основании полученных результатов строим электрическуюпринципиальную схему блока оперативной памяти (см. графическую часть).
2. РАЗМЕЩЕНИЕ ЭРЭ НА МОНТАЖНОМ ПРОСТРАНСТВЕ.
В соответствии с заданием монтажное пространство —печатная плата 95х130 мм. Для размещения микросхем DD1—DD13и разъема Х1 разобьем монтажное пространство на 14 посадочных мест, из которыхместо К14 отведем под разъем (рис.2.1).
К1 К2 К3 К4 К5 К6 К7 К8 К9 К10 К11 К12 К13 К14Рис. 2.1
Составим матрицу расстояний для приведённой платы:
К1 К2 К3 К4 К5 К6 К7 К8 К9 К10 К11 К12 К13 К14 К1 1 2 3 1 2 3 4 2 3 4 5 3 4 К2 1 1 2 3 1 2 3 3 2 3 4 4 3 К3 2 1 1 3 2 1 2 4 3 2 3 4 3 К4 3 2 1 4 3 2 1 5 4 3 2 4 3 К5 1 2 3 4 1 2 3 1 2 3 4 2 3 К6 2 1 2 3 1 1 2 2 1 2 3 3 2 К7 3 2 1 2 2 1 1 3 2 1 2 3 2 К8 4 3 2 1 3 2 1 4 3 2 1 3 2 К9 2 3 4 5 1 2 3 4 1 2 3 1 2 К10 3 2 3 4 2 1 2 3 1 1 2 2 1 К11 4 3 2 3 3 2 1 2 2 1 1 2 1 К12 5 4 3 2 4 3 2 1 3 2 1 2 1 К13 3 4 4 4 2 3 3 3 1 2 2 2 1 К14 4 3 3 3 3 2 2 2 2 1 1 1 1Приведём полный граф электрической принципиальной схемы (рис. 2.2). Элементы 1…12 – микросхемы КР1531ЛА3, элемент 13– микросхема КР1531ЛА4, а элемент 14 – разъём.
/>
рис.2.2.
Матрицасмежности этого графа имеет вид:
К1 К2 К3 К4 К5 К6 К7 К8 К9 К10 К11 К12 К13 К14 К1 1 1 1 1 1 1 2 К2 1 1 1 1 1 1 2 К3 1 1 1 1 1 1 2 К4 1 1 1 1 1 1 2 К5 1 1 1 1 1 1 2 К6 1 1 1 1 1 1 2 К7 1 1 1 1 1 1 2 К8 1 1 1 1 1 1 2 К9 1 1 1 1 1 1 2 К10 1 1 1 1 3 К11 1 1 1 1 3 К12 1 1 1 1 3 К13 3 3 3 1 3 К14 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 1Для размещения корпусов микросхем на печатной плате воспользуемсяпоследовательным алгоритмом размещения:
1) Устанавливаем в какую-либо позицию любой из элементов.
2) Выбираем элемент для установки натекущем шаге. Для этого определяем коэффициент связности всех не установленныхэлементов с ранее установленными (по матрице смежности):
/> (2.1)
где aij– число связей с ранее установленными элементами;
Vi – общее число связей элемента;
2) Выбираем элемент с максимальным коэффициентом связности Ф.
3) Пытаемся установить выбранный элемент в одну из незанятыхпозиций. Считаем для этой позиции DF по формуле:
/> (2.2)
где aij– количество связей между i-м и j-м элементами;
rij – расстояние между элементами, берётся из матрицырасстояний;
fij – элемент матрицы весовых коэффициентов;
4) Повторяем пункт 3 для всех свободныхпозиций на печатной плате. Окончательно устанавливаем выбранный элемент впозицию с минимальным DF.
5) Повторяем пункты 2 — 4 пока неустановим все элементы.
Произведём размещение элементов по вышеописанному алгоритму.
В нашем случае, поскольку все элементы равноправны, матрицавесовых коэффициентов в формуле 2.2 будет единичной, поэтому этот параметр мыуказывать не будем. В первую очередь установим разъём в позицию К14, т.к. егоположение жёстко определено конструкторскими ограничениями.
Вычислим коэффициенты связности:
Ф1=Ф2=Ф3=Ф4=Ф5=Ф6=Ф7=Ф8=Ф9=2/7;
Ф10=Ф11=Ф12=0\6=0;
Ф13=3/12;
Выбираем элемент DD1. Поскольку позицииК10, К11, К12 и К13 равноценны с точки зрения минимума длинны связи с разъёмом,то установим DD1 в позицию К13.
Снова рассчитываем коэффициенты связности:
Ф2=Ф3=Ф4=Ф7=3/7;
Ф5=Ф6=Ф8=Ф9=2/7;
Ф10=Ф11=Ф12=0\6=0;
Ф13=3/12;
Из наиболее связанных выбираем элемент DD2.Расчитываем DF дляпозиций К9, К10, К11 и К12 как наиболее подходящих для установки, поскольку DF дляостальных позиций будет заведомо больше, и его расчёт не имеет смысла.
DF9=1*1+2*2=5;
DF10=DF11=DF12=1*2+2*1=4;
Устанавливаем элемент DD2 в позицию К10.
Снова рассчитываем коэффициенты связности:
Ф3=4/7;
Ф4=Ф7=Ф5=Ф6=3/7;
Ф8=Ф9=2/7;
Ф10=Ф11=1/6;
Ф12=0\6=0;
Ф13=3/12;
Из наиболее связанных выбираем элемент DD3.Рассчитываем DF дляпозиций К9 и К11:
DF9=1*1+1*1+2*2=6;
DF11=1*2+2*1=4;
Устанавливаем элемент DD3 в позицию К11.
Снова рассчитываем коэффициенты связности:
Ф4=Ф5=Ф6=Ф7=Ф8=Ф9=3/7;
Ф12=Ф10=Ф11=1/6;
Ф13=3/12;
Из наиболее связанных выбираем элемент DD4.Рассчитываем DF дляпозиций К9 и К12:
DF9=1*1+0*1+0*2+2*2=5;
DF12=1*2+0*2+0*1+2*1=4;
Устанавливаем элемент DD4 в позицию К12.
Аналогичные расчёты проводим до тех пор, пока не расставим всеэлементы по позициям печатной платы. В результате расчётов получаем следующееразмещение микросхем на плате:
DD10 DD11 DD13 DD12 DD9 DD8 DD6 DD7 DD5 DD2 DD3 DD4 DD1 XS1Рис. 2.3
Сборочный чертёж получившейся печатной платыприводится в графической части.
3. ТРАССИРОВКА МОНТАЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ.
3.1 Трассировка с помощью алгоритма Прима
На основании полученных ранее данных и требованийзадания проведем трассировку общего провода цепи питания печатной платы блокаоперативной памяти методом Прима. Для этого приведём необходимый участокпечатной платы в сетке с шагом 5. Вывод 1 разъёма должен быть соединён свыводами 7 DD1-DD13. Пронумеруем точки соединений от 1 до 14.
Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å DD10 Å Å DD11 Å Å DD13 Å Å DD12 Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å 5 Å Å 6 Å Å 11 Å Å 12 Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å DD9 Å Å DD8 Å Å DD6 Å Å DD7 Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å 4 Å Å 7 Å Å 10 Å Å 13 Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å DD5 Å Å DD2 Å Å DD3 Å Å DD4 Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å 3 Å Å 8 Å Å 9 Å Å 14 Å Å Å Å Å Å Å Å DD1 Å Å Å Å Å Å 2 Å 1 Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Рис. 3.1Для эскиза платы (рис. 3.1) составим матрицурасстояний:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
1
10 21 31 43 36 22 12 22 34 45 61 53 312
10 13 24 35 44 33 22 31 43 55 64 52 403
21 13 13 24 33 22 11 20 31 42 51 40 294
31 20 13 13 22 11 22 31 20 31 40 29 405
13 11 24 13 11 22 31 40 31 20 29 40 516
41 22 33 22 11 13 21 20 33 24 22 13 327
50 31 22 11 22 13 13 29 42 33 14 24 418
22 13 11 22 31 21 13 11 24 13 31 22 259
24 20 20 31 40 20 29 11 13 22 39 31 3410
34 31 31 20 31 33 42 24 13 13 29 20 4511
45 24 42 31 20 24 33 13 22 13 11 11 3712
61 42 51 40 29 22 14 31 39 29 11 13 5213
53 33 40 29 40 13 24 22 31 20 11 13 1314
10 12 29 40 51 32 41 25 34 45 37 52 13Трассировка по алгоритму Примма заключается вследующей последовательности:
1) Берём любую точку в качествестартовой.
2) Задаёмся ограничением на локальнуюстепень вершины (кол-во возможных связей).
3) По матрице расстояний находимточку наиболее близкую к любой из уже задействованых точек.
4) Если у обеих вершин ограничениелокальной степени недостигнуто, проводим связь между двумя найдеными точками и ‘зачёркиваем’ вматрице расстояний столбец соотв. этой вершине, иначе возвращаемся к п. 3.
5) Повторяем пункты 3-4 пока всеточки не будут соеденены (все столбцы ‘вычеркнуты’).
Проведём трассировку методом Примма ‘корпусной’ цепи питания.
В качестве стартовой берём точку 1 и ‘вычёркиваем’ столбец 1. Локальную степень вершины принимаем равной 4.Самая короткая связь по матрице расстояний у неё с тчк. 2. Проводим связь.Рассматриваем две строки – 1-ю и 2-ю. Самая короткая связь между 1 и 8, междукоторыми и проводится следующая связь. ‘Вычёркивается’ столбец 2. Теперь рассматриваем три строки – 1-ю, 2-ю, и8-ю. Наименьшее расстояние имеется между 8 и 3, 8 и 9. Проводим эти связи ‘вычёркивая’ соотв. столбцы. И т.д.
Повторяем до тех пор, пока все точки не будут соеденены (т.е. все столбцыматрицы смежности будут ‘вычеркнуты’).
Полученый результат виден на рис. 3.1.
3.2 Трассировка по алгоритму Краскала
Алгоритм Краскала заключается в следующей последовательности:
1) Выписываемвсе возможные рёбра.
2) Упорядочиваем получившийся список рёбер по длинне.
3) Проводим связь первого ребра из списка.
4) Из списка рёбер выбираем следующее по очереди ребро.
5) Если обе вершины выбраного ребра уже есть в списке проведённыхребер, вычёркиваем это ребро из списка и возвращаемся к п. 4.
Если же одна (и только одна!) из вершин выбраного ребра уже участвует в связи(присутствует как вершина в списке проведённых рёбер), то проводим это ребро,иначе возвращаемся к п. 4.
6) Повторяем пункты 4-5 до тех пор, пока список рёбер не опустеет.
Проведём трассировку цепи питания +5В.
Выпишем список всех возможных рёбер, сразу откидывая ребро, еслив списке уже есть ребро с такими же вершинами.
1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7 1-8 1-9 1-10 1-11 1-12 1-13 1-14
2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8 2-9 2-10 2-11 2-12 2-13 2-14
3-4 3-5 3-6 3-7 3-8 3-9 3-10 3-11 3-12 3-13 3-14
4-5 4-6 4-7 4-8 4-9 4-10 4-11 4-12 4-13 4-14
5-6 5-7 5-8 5-9 5-10 5-11 5-12 5-13 5-14
6-7 6-8 6-9 6-10 6-11 6-12 6-13 6-14
7-8 7-9 7-10 7-11 7-12 7-13 7-14
8-9 8-10 8-11 8-12 8-13 8-14
9-10 9-11 9-12 9-13 9-14
10-11 10-12 10-13 10-14
11-12 11-13 11-14
12-13 12-14
13-14
Упорядочим этот список в порядке увеличения длинны рёбер.Полученый список запишем построчно:
5-6 6-11 11-12 4-7 7-10 10-13 3-8 8-9 9-14 1-2 2-3 3-4 4-5
7-8 6-7 9-10 10-11 12-13 13-14 5-11 6-12 4-7 7-13 3-9 8-14 2-4
3-5 6-8 9-11 12-14 1-8 1-9 1-14 3-7 5-7 4-6 4-8 6-10 7-11
9-7 8-10 11-13 10-12 10-14 9-13 2-8 2-7 3-6 5-8 8-11 6-9 9-12
11-14 5-10 6-13 4-9 7-14 7-12 4-11 3-10 8-13 2-9 2-14 3-13 4-14
4-12 5-13 1-4 1-7 1-10 1-13 1-5 1-6 2-13 3-11 5-9 8-12 6-14
2-5 2-6 2-11 3-12 5-14 2-12
Проводим первую связь 5-6. Следующее реброимеющее общую точку – 6-11. Проводим и его. Проводим следующее ребро11-12.
Следующее проведённое нами ребро 4-5, затем 4-7, 7-10 и 10-13.Теперь 3-4 и 3-8, 8-9 и 9-14.
Затем проводим рёбро 2-3 и наконец 1-8.
Цепь разведена, поскольку все возможные вершины уже присутствуютв списке проведённых рёбер. Рисунок проведённых дорожек приведёна на рис.3.2.
Å 5 Å Å 6 Å Å 11 Å Å 12 Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å DD10 Å Å DD11 Å Å DD13 Å Å DD12 Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å 4 Å Å 7 Å Å 10 Å Å 13 Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å DD9 Å Å DD8 Å Å DD6 Å Å DD7 Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å 3 Å Å 8 Å Å 9 Å Å 14 Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å DD5 Å Å DD2 Å Å DD3 Å Å DD4 Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å 2 Å Å Å Å Å Å DD1 Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Å Рис. 3.23.3 Трассировка классическим волновымалгоритмом Ли
Проведем печатный проводник, соединяющий DD11(вывод 6), DD13 (вывод 4) на стороне монтажа печатнойплаты. Для этого вычерчиваем часть монтажного поля, содержащую ИМС DD11 и DD13 (рис.3.1).
12 11 10 9 10 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 11 10 9 8 9 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 10 9 8 7 8 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 9 8 7 6 Å 6 7 Å 11 12 13 14 15 Å 17 18 Å 20 21 22 8 7 6 5 Å 5 6 Å 12 13 14 15 16 Å 18 19 Å 21 22 23 7 6 5 4 Å 4 5 Å 13 14 15 16 17 Å 19 20 Å 22 23 24 6 5 4 3 Å 3 4 Å 14 15 16 17 18 Å 20 21 Å 23 24 25 5 4 3 2 Å 2 3 Å 15 16 17 18 19 Å 21 22 Å 24 25 26 4 3 2 1 Å 1 2 Å 16 17 18 19 20 Å 22 23 Å 25 26 27 5 4 3 2 Å 2 3 Å 17 18 19 20 21 Å 23 24 Å 26 27 28 Рис.3.3Наименьшая ‘длинна’ волны подходящей к выводу 4DD13 составляет 18. Именно по этому пути и проложим проводник соеденяющийвыводы 6 и 4 DD11 и DD13 соотв.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Можно наметить перспективы развития конструирования и технологиипроизводства ЭВА и РЭС. Естественно ожидать совершенствование уже известных ипоявление принципиально новых методов. Их реализация будет осуществляться спомощью ЭВМ, поскольку использование ЭВМ позволяет значительно уменьшить времяна разработку конструкций любой сложности, а также повысить качество и снизитьцену. Уже сейчас существуют программы (PCAD, Accel EDA, ORCAD и др.), с помощью которых успешно решаются задачи попроектированию печатных плат.
— 16 —
ЛИТЕРАТУРА
1. Б.Н.Деньдобренко,А.С.Малика «Автоматизация конструирования РЭА. Учебник для ВУЗов». — М.: Высшаяшкола, 1980.
2. «Конструированиеи технология печатных плат. Учеб. пособие для ВУЗов». Под ред. А.Т.Жигалова. —М.: Высшая школа,1973.
3. А.А.Яншин«Теоретические основы конструирования, технологии и надежности ЭВА. Учеб.пособие для ВУЗов». — М.: Радио и связь, 1983.
4. «Системыавтоматизированного проектирования в радиоэлектронике. Справочник». Под ред.И.П.Норенкова. — М.: Радио и связь, 1986.
5. М.И.Богданович,И.Н.Грель, В.А.Прохоренко, В.В.Шалимо «Цифровые интегральные микросхемы. Справочник».— Мн.: Беларусь, 1991.
6. «Печатные платыв конструкциях РЭС. Учеб. пособие по курсу «Конструирование радиоэлектронныхустройств» для студентов специальности «Проектирование и производство РЭС» /Подред. Ж.С.Воробьевой, Н.С.Образцова. — Мн.: БГУИР, 1999.