Методы размещения и трассировки печатных плат на примере модуля памяти

Содержание ВВЕДЕНИЕ 1. ВЫБОР СЕРИИ И ТИПОВ МИКРОСХЕМ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПО КОРПУСАМ. 1. Выбор физических элементов для реализации схемы и обзор параметров выбранной серии. 2. Распределение элементов функциональной схемы по корпусам. 2. РАЗМЕЩЕНИЕ ЭРЭ НА МОНТАЖНОМ ПРОСТРАНСТВЕ. 6 3.

ТРАССИРОВКА МОНТАЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ. 3.1 Трассировка с помощью алгоритма Прима 3.2 Трассировка по алгоритму Краскала 3.3 Трассировка классическим волновым алгоритмом Ли 14 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 15 ЛИТЕРАТУРА 16 ВВЕДЕНИЕ Основные принципы изготовления и применения печатных схем стали известны в начале ХХ века, однако промышленный выпуск печатных схем и плат был организован лишь в начале 40-х

годов. С переходом на микроэлектронные элементы, резким уменьшением размеров и возрастанием быстродействия схем первое место занимают вопросы обеспечения постоянства характеристик печатных проводников и взаимного их расположения. Значительно усложнились задачи проектирования и оптимального конструирования печатных плат и элементов. Печатные платы нашли широкое применение в электронике, позволяя увеличить надёжность элементов, узлов и машин в целом, технологичность за счёт автоматизации некоторых процессов сборки и

монтажа , плотность размещения элементов за счёт уменьшения габаритных размеров и массы , быстродействие, помехозащищённость элементов и схем. Печатный монтаж - основа решения проблемы компановки микроэлектронных элементов. Особую роль печатные платы играют в цифровой микроэлектронике. В наиболее развитой форме многослойный печатный монтаж он удовлетворяет требования конструирования вычеслительных машин третьего и последующих поколений.

При разработке конструкции печатных плат проектеровщику приходится решать схемотехнические минимизация кол-ва слоёв, трассировка , радиотехнические расчёт паразитных наводок , теплотехнические температурный режим работы платы и элементов , конструктивные размещения , технологические выбор метода изготовления задачи. В данном курсовом проекте при разработке печатной платы мы попытались показать методы решения лишь схемотехнических и технологических задач. 1. ВЫБОР

СЕРИИ И ТИПОВ МИКРОСХЕМ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПО КОРПУСАМ. 1. Выбор физических элементов для реализации схемы и обзор параметров выбранной серии. Выбор серии интегральных микросхем для реализации блока оперативной памяти в первую очередь продиктован скоростью работы такого блока. В этом отношении микросхемы серии ТТЛШ транзисторно-транзисторная логика со структурой

Шотки наиболее предпочтительны. Электрическая функциональная схема блока оперативной памяти содержит сорок пять элементов 2И-НЕ, три элемента 3И-НЕ. Для реализации блока оперативной памяти выбираем следующие типы микросхемы 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 2. Распределение элементов функциональной схемы по корпусам.

Распределение четырёх элементов 2И-НЕ составляющих триггер очевидно Поскольку внутренних связей в таком элементе гораздо больше чем внешних, то очевидно их помещение в одну микросхему КР1531ЛА3. Для распределения девяти оставшихся элементов 2И-НЕ по трём корпусам микросхем КР1531ЛА3 вычерчиваем часть электрической функциональной схемы блока оперативной памяти, содержащую эти элементы, и строим соответствующий ей граф

G1 рис.1.1 . Рис. 1.1 а Выбираем базовую вершину - вершину имеющую максимальное количество связей. Поскольку в нашем случае все вершины имеют одинаковое количество 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 - число связей вершины pij - число связей с базовой вершиной

В нашем случае функционал равен L7 L4 2-1 1 Для объединения с базовой вершиной необходимо выбрать вершину с наименьшим функционалом. Поскольку в нашем случае вершины Х7 и Х4 равнозначны, то объединяем их с Х1. Поскольку мощность блока 4 элемента 2И-НЕ в одной микросхеме ещё не достигнута, а все оставшиеся вершины идентичны по отношению к 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 же как 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 для компоновки элементов Х1-Х9 необходимо 3 микросхемы КР1531ЛА3, причём в последней из них будет задействован лишь один элемент.

В нашем случае рациональней будет уменьшить мощность блока до трёх. В этом случае количество необходимых 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 такой вариант компоновки. Три элемента 3И-НЕ поместим в одну микросхему КР1531ЛА3 поскольку в этом случае мощность блока кол-во элементов в микросхеме равна количеству элементов в функциональной схеме.

На основании полученных результатов строим электрическую принципиальную 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-DD13 и разъема Х1 разобьем монтажное пространство на 14 посадочных мест, из которых место К14 отведем под разъем рис.2.1 .

К1 К2 К3 К4 К5 К6 К7 К8 К9 К10 К11 К12 К13 К14 Рис. 2.1 Составим матрицу расстояний для приведённой платы К1 К2 К3 К4 К5 К6 К7 К8 К9 К10 К11 К12 К13 К14 К1 0 1 2 3 1 2 3 4 2 3 4 5 3 4 К2 1 0 1 2 3 1 2 3 3 2 3 4 4 3 К3 2 1 0 1 3 2 1 2 4 3 2 3 4 3 К4 3 2 1 0 4 3 2 1 5 4 3 2 4 3 К5 1 2 3 4 0 1 2 3 1 2 3 4 2 3

К6 2 1 2 3 1 0 1 2 2 1 2 3 3 2 К7 3 2 1 2 2 1 0 1 3 2 1 2 3 2 К8 4 3 2 1 3 2 1 0 4 3 2 1 3 2 К9 2 3 4 5 1 2 3 4 0 1 2 3 1 2 К10 3 2 3 4 2 1 2 3 1 0 1 2 2 1 К11 4 3 2 3 3 2 1 2 2 1 0 1 2 1 К12 5 4 3 2 4 3 2 1 3 2 1 0 2 1 К13 3 4 4 4 2 3 3 3 1 2 2 2 0 1 К14 4 3 3 3 3 2 2 2 2 1 1 1 1 0 Приведём полный граф электрической принципиальной схемы рис.

2.2 . Элементы 1 12 - микросхемы КР1531ЛА3, элемент 13 - микросхема КР1531ЛА4, а элемент 14 - разъём. рис. 2.2. Матрица смежности этого графа имеет вид К1 К2 К3 К4 К5 К6 К7 К8 К9 К10 К11 К12 К13 К14 К1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 2 К2 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 2 К3 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 2 К4 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 2 К5 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 2

К6 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 2 К7 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 2 К8 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 2 К9 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 2 К10 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 3 0 К11 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 3 0 К12 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 3 0 К13 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 3 3 1 3 К14 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 0 0 3 1 Для размещения корпусов микросхем на печатной плате воспользуемся последовательным

алгоритмом размещения 1 Устанавливаем в какую-либо позицию любой из элементов. 2 Выбираем элемент для установки на текущем шаге. Для этого определяем коэффициент связности всех не установленных элементов 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 незанятых позиций. Считаем для этой позиции F по формуле 2.2 где aij - количество связей между i-м и j-м элементами rij - расстояние между элементами, берётся из матрицы расстояний fij - элемент матрицы весовых коэффициентов 4 Повторяем пункт 3 для всех свободных позиций на печатной плате. Окончательно устанавливаем выбранный элемент в позицию с минимальным

F. 5 Повторяем пункты 2 - 4 пока не установим все элементы. Произведём размещение элементов по вышеописанному алгоритму. В нашем случае, поскольку все элементы равноправны, матрица весовых коэффициентов в формуле 2.2 будет единичной, поэтому этот параметр мы указывать не будем. В первую очередь установим разъём в позицию К14, т.к. его положение 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 позиции К10,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 F для позиций К9, К10, К11 и К12 как наиболее подходящих для установки, поскольку F для остальных позиций будет заведомо больше, и его расчёт не имеет смысла. F9 1 1 2 2 5 F10 F11 F12 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 F для позиций К9 и К11 F9 1 1 1 1 2 2 6 F11 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 F для позиций К9 и К12 F9 1 1 0 1 0 2 2 2 5 F12 1 2 0 2 0 1 2 1 4 Устанавливаем элемент DD4 в позицию К12. Аналогичные расчёты проводим до тех пор, пока не расставим все элементы по позициям печатной платы.

В результате расчётов получаем следующее размещение микросхем на плате DD10 DD11 DD13 DD12 DD9 DD8 DD6 DD7 DD5 DD2 DD3 DD4 DD1 XS1 Рис. 2.3 Сборочный чертёж получившейся печатной платы приводится в графической части. 3. ТРАССИРОВКА МОНТАЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ. 3.1 Трассировка с помощью алгоритма Прима На основании полученных ранее данных и требований задания проведем трассировку общего провода

цепи питания печатной платы блока оперативной памяти методом Прима. Для этого приведём необходимый участок печатной платы в сетке с шагом 5. Вывод 1 разъёма должен быть соединён с выводами 7 DD1-DD13. Пронумеруем точки соединений от 1 до 14. DD10 DD11 DD13 DD12 5 6 11 12 DD9 DD8 DD6 DD7 4 7 10 13 DD5 DD2

DD3 DD4 3 8 9 14 DD1 2 1 Рис. 3.1 Для эскиза платы рис. 3.1 составим матрицу расстояний 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1 0 10 21 31 43 36 22 12 22 34 45 61 53 31 2 10 0 13 24 35 44 33 22 31 43 55 64 52 40 3 21 13 0 13 24 33 22 11 20 31 42 51 40 29 4 31 20 13 0 13 22 11 22 31 20 31 40 29 40 5 13 11 24 13 0 11 22 31 40 31 20 29 40 51 6 41 22 33 22 11 0 13 21 20 33 24 22 13 32 7 50 31 22 11 22 13 0 13 29 42 33 14 24 41 8 22 13 11 22 31 21 13 0 11 24 13 31 22 25 9 24 20 20 31 40 20 29 11 0 13 22 39 31 34 10 34 31 31 20 31 33 42 24 13 0 13 29 20 45 11 45 24 42 31 20 24 33 13 22 13 0 11 11 37 12 61 42 51 40 29 22 14 31 39 29 11 0 13 52 13 53 33 40 29 40 13 24 22 31 20 11 13 0 13 14 10 12 29 40 51 32 41 25 34 45 37 52 13 0 Трассировка по алгоритму Примма заключается в следующей последовательности 1 Берём любую точку в качестве стартовой. 2 Задаёмся ограничением на локальную степень вершины кол-во возможных связей . 3 По матрице расстояний находим точку наиболее близкую к любой из уже задействованых

точек. 4 Если у обеих вершин ограничение локальной степени недостигнуто, проводим связь между двумя найдеными точками и зачёркиваем в матрице расстояний столбец соотв. этой вершине, иначе возвращаемся к п. 3. 5 Повторяем пункты 3-4 пока все точки 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, между которыми и проводится следующая связь. Вычёркивается столбец 2. Теперь рассматриваем три строки - 1-ю, 2-ю, и 8-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 столбцы матрицы смежности будут вычеркнуты . Полученый результат виден на рис. 3.1. 3.2 Трассировка по алгоритму Краскала Алгоритм Краскала заключается в следующей последовательности 1 Выписываем все 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 проведённых ребер, 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, если в 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 ребро имеющее общую точку -

6-11. Проводим и его. Проводим следующее ребро 11-12. 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 присутствуют в списке проведённых рёбер. Рисунок проведённых дорожек приведёна на рис.3.2. 5 6 11 12

DD10 DD11 DD13 DD12 4 7 10 13 DD9 DD8 DD6 DD7 3 8 9 14 DD5 DD2 DD3 DD4 2 DD1 Рис. 3.2 3.3 Трассировка классическим волновым алгоритмом Ли Проведем печатный проводник, соединяющий DD11 вывод 6 , DD13 вывод 4 на стороне монтажа печатной платы. 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 6 7 11 12 13 14 15 17 18 20 21 22 8 7 6 5 5 6 12 13 14 15 16 18 19 21 22 23 7 6 5 4 4 5 13 14 15 16 17 19 20 22 23 24 6 5 4 3 3 4 14 15 16 17 18 20 21 23 24 25 5 4 3 2 2 3 15 16 17 18 19 21 22 24 25 26 4 3 2 1 1 2 16 17 18 19 20 22 23 25 26 27 5 4 3 2 2 3 17 18 19 20 21 23 24 26 27 28

Рис.3.3 Наименьшая длинна волны подходящей к выводу 4 DD13 составляет 18. Именно по этому пути и проложим проводник соеденяющий выводы 6 и 4 DD11 и DD13 соотв. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Можно наметить перспективы развития конструирования и технологии производства ЭВА и РЭС. Естественно ожидать совершенствование уже известных и появление принципиально новых методов. Их реализация будет осуществляться с помощью ЭВМ, поскольку использование

ЭВМ позволяет значительно уменьшить время на разработку конструкций любой сложности, а также повысить качество и снизить цену. Уже сейчас существуют программы PCAD, Accel EDA, ORCAD и др с помощью которых успешно решаются задачи по проектированию печатных плат 16 - ЛИТЕРАТУРА 1. Б.Н.Деньдобренко, А.С.Малика Автоматизация конструирования РЭА. Учебник для ВУЗов М. Высшая школа, 1980. 2. Конструирование и 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. Системы автоматизированного 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 платы в конструкциях РЭС. Учеб. пособие по курсу Конструирование радиоэлектронных устройств для студентов специальности Проектирование и производство РЭС Под ред. Ж.С.Воробьевой,

Н.С.Образцова Мн. БГУИР, 1999.