CC BY
134
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
УДК 621.3.049.75
Г. Н. ЛОБОВА М. Е. ОСИНКИНА
Омский государственный технический университет
Омский научно-исследовательский институт приборостроения
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ SADT-МЕTOДОЛОГИИ ДЛЯ ПРОВЕРКИ ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ
В данной статье рассмотрен современный подход к вопросу проверки печатных плат. Проанализированы особенности конструирования печатных плат и возможности их производства, используются методы их проверки, базирующиеся на принципах SADT-методологии.
Ключевые слова: печатная плата, SADT-методология, тепловой расчет, ЭМС, топология, компаненты.
Микроэлектронные системы постоянно развиваются в направлении микроминиатюризации. Этот процесс состоит в увеличении плотности размещения активных элементов в микросхеме, и это вызывает увеличение плотности выводов на корпусе микросхем.
Развитие технологии высокоскоростных печатных плат идет в направлениях повышения класса точности и сложности создания топологического рисунка, создания трехмерной модели для проверки компоновки печатного узла; уменьшения размеров элементов межсоединений в многослойных структурах; выполнения требований электромагнитной совместимости; введения в плату теплооттоков; обеспечение требуемой скорости передачи сигналов для увеличения производительности цифровых систем, реализации СВЧ-структур.
На данный момент нет ни одной методики для проверки печатной платы, как топологии, так и уже с монтируемыми элементами.
Проверка топологии печатной платы является необходимой для изготовления работающего блока и в последующем конкурентоспособной продукции.
Целью контроля топологии печатного узла является не только обнаружение дефектов (короткое замыкание, разрывы проводников), но и нарушение различных технологических допусков. В контроль печатного узла входит дополнительная проверка правильности прокладки ширины печатной дорожки в микрополосковых линиях передачи, расчет ширины зазоров между дифференциальной парой. Расчет дифференциальных пар производят как на внешних слоях печатной платы, так и на внутренних. При конструировании печатной платы много времени уделяют проработке отвода тепла от греющихся компонентов, и если они организованы в топологическом рисунке, то такие части платы тоже необходимо проверять не только на сплошную металлизацию, но и на предохранение данного места от какого-либо покрытия, которое может мешать отводу тепла.
Для повышения эффективности проверки печатного узла, учитывающей все особенности и технологические требования к узлу, целесообразно рассмотреть методологию SADT.
SADT (Structured Analysis and Design Technique) — одна из известных методологий анализа и
проектирования систем, введенная в 1973 г. Россом (Ross). SADT-методологию успешно используют в военных, промышленных и коммерческих организациях для решения широкого спектра задач [1].
Основная цель использования этой методологии состоит в четком структурировании деятельности, которую представляют в виде системы. С помощью блоков системы, разделения функций между блоками, определения входных, выходных и управляющих данных для каждого блока.
Рассмотрим применение SADT-технологии для эффективной проверки сложных печатных узлов.
Процесс проверки печатного узла имеет несколько этапов. Основные из них приведены в табл. 1.
Из табл. 1 видно, содержание проверки каждого этапа. При выявлении ошибки на каком-либо этапе проверки экономятся время и финансовые затраты. Для качественной проверки топологии печатного узла следует выделить несколько этапов.
1-й этап. Проверяем печатную плату на соответствие схеме электрической принципиальной, для чего необходимы утвержденная схема и перечень элементов. Так как печатная плата создавалась в соответствии со схемой, она должна полностью соответствовать ей. Должно совпадать количество элементов, их типы и номиналы. Необходимо, чтобы все электрические связи соответствовали друг другу и в схеме, и в плате.
2-й этап служит формулированию цели разрабатываемой модели. На данном этапе задают вопросы, ответы на которые необходимы для проверки печатного узла.
1. Каково количество слоев в печатной плате?
2. Каков порядок расположения слоев в печатной плате?
3. Какова толщина фольги на каждом слое в печатной плате с учетом вида слоя (сигнальный или «земляной»)?
4. Какова емкость между слоями печатной платы?
5. Каково волновое сопротивление печатной платы?
6. Имеются ли греющиеся компоненты?
7. Имеются ли компоненты с электромагнитными характеристиками?
8. Каковы значения емкости и индуктивности элементов на печатной плате?
9. Какова частота дифференциальных сигналов?
Этапы проверки печатного узла
№ Название этапа Содержание этапа
1 Анализ топологии Получить информацию и характеристики о печатном узле. Узнать волновое сопротивление платы для последующего контроля линий передачи. Знать конструкцию печатной платы (количество слоев, последующую сборку послойно, толщину фольги и препрега).
2 Анализ компонентов Получить электромагнитные характеристики и тепловые данные компонентов. Выделить из них компоненты, влияющие на топологию платы своими электромагнитными свойствами и тепловыми характеристиками.
3 Проверка компоновки печатного узла Проверка компоновки печатного узла состоит из двух этапов: 1 этап: проверяем компоновку по электромагнитной совместимости. Компоненты должны быть расставлены так, чтобы не влияли друг на друга. Следует предусмотреть экраны для определенных аналоговых зон в конструкции печатного узла. 2 этап: проверяем компоновку по тепловым факторам. Выделяем греющиеся компоненты и, по возможности, устанавливаем их на максимально возможном расстоянии от других компонентов. При необходимости предусматриваем радиатор для снятия тепла от греющихся компонентов.
4 Проверка топологического рисунка печатного узла Проверяем топологию печатного узла по конструкторским требованиям, т.е. зазор между печатными дорожками на замыкание, наличие реперных знаков, если идет автоматический монтаж компонентов. Существует два критерия для проверки топологического рисунка. Первый критерий — проверка по электромагнитной совместимости. В плате проверяют правильность прокладки микрополосковых, копланарных и дифференциальных пар, их расчет в зависимости от заложенных материалов на печатную плату. Второй критерий — проверка по теплу. Проверяют наличие тепловых стеков, отдельных медных полигонов, открытых от защитного покрытия для более лучшей отдачи тепла.
5 Общая проверка Собранный печатный узел проверяют комплексно, т.е. все компоненты и топологию. Учитываем, чтобы компоненты не влияли на топологию или наоборот. Рассматривают установку радиаторов и экранов на плате и проверяют на замыкание.
6 Результат проверки При необходимости даются рекомендации или предложения для конструктора в более удачной компоновке элементов и топологии печатной платы.
М Инженер-конструктор
Рис. 1. Диаграмма верхнего уровня проверки печатной платы
10. Как организованы на печатной плате теплоотводы?
11. Существуют ли необходимость экранирования печатной платы?
В процессе проверки печатной платы могут возникать дополнительные вопросы, необходимые для дальнейшего рассмотрения. В целом, по ответам на вышеперечисленные вопросы, можно сформировать «каркас» печатной платы с неотъемлемыми требованиями, предъявляемыми к ее конструкции.
3-й этап заключается в составлении формулировки цели модели, чему способствуют составленные на втором этапе вопросы. Цель инженера конструктора заключается в проверке печатного узла на этапе конструирования, т.е. выявление недочетов при проверке по технологическим требованиям, требованиям по теплу и электромагнитной совместимости на плате.
4-й этап направлен на выявление ограничений, накладываемых разработчиком и технологом. В первую очередь проверяются габаритные размеры печатного узла, высота монтажа компонентов. Далее проверяют зоны крепежа и установки дополнитель-
ных деталей (экранов, радиаторов и т.д.) на отсутствие в них сигнальных дорожек. Так же проверяют технологические ограничения, соотношение толщины платы к диаметру минимального отверстия, количество слоев в плате, минимальную ширину дорожки и зазора и т.д.
Так как платы бывают разного типа и функциональности, то и ограничения будут разными. В платах предварительной селекции наиболее важным ограничением является экранировка отдельных зон, а в платах цифровой обработки сигнала отвод тепла.
На 5-м этапе следует построить SADT-диаграмму верхнего уровня (рис. 1). Диаграмма представляет четырехугольник, к каждой стороне которого подходят дуги в виде направленных отрезков прямых. Дуги имеют обозначения: вход (input) обозначают начальной буквой — I, управление (control) — С, выход (output) — O, механизм (mechanism) — M. Если имеется несколько дуг, подходящих к стороне прямоугольника, то обозначения сопровождают цифрами.
Входом диаграммы для описания системы «проверить печатную плату» является готовая топология
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
%
Список функций
Проверить печатную плату на ______замыкание дорожек_______
Проверить варианты установки компонентов и наличие реперов
Проверить в топологии маркировку первых ножек на микросхемах и ___________соединителях____________
Проверить соотношение толщины печатной платы с количеством слоев и минимальным диаметром отверстия
Проверить толщину фольги и диэлектрического материала
Сравнить на соответствие название всех цепей в печатной плате и схеме
Сравнить на соответствие нумерацию всех компонентов в печатной плате и схеме
Получить информацию на греющиеся компонеты
Получить информацию о толщине фольги на внешних слоях печатной _____________платы______________
Получить информацию о защитных покрытиях и зонах предохраняющихся ____________от покрытия___________
Проверить расчет конструкции радиатора для эффективного отвода тепла
Получить информацию о компонентах _________влияющих на ЭМС_____________
Проверить экранировку зон печатной платы в которой установлены элементы влияющие на другие
Проверить зазоры и ширину дорожки для микрополосковых, копланарных и дифференциальны пар
Проверить отсутствие компонентов и дорожек на запретных зонах
Проверить габаритные размеры печатной платы
Обобщение функций
Проверить печатную плату на соблюдение конструкторских __________требований____________
Проверить печатную плату на соблюдение технологических __________требований___________
Проверить печатную плату на соответствие схемы
Проверить печатную плату по тепловым режимам______________
Проверить печатную плату по ЭМС
Проверить правильность трассировки дифференциальных пар и микрополосков
Проверить печатную плату по ________внешнему виду_________
Рис. 2. Обобщение списка функций
печатной платы (11) и персональный компьютер с необходимыми программами для работы инжене-ра-конструктора (12). Управлением при создании печатной платы служат С1 (схема электрическая принципиальная), С2 (технологические требования), С3 (программное обеспечение), С4 (требования разработчика). Выходом диаграммы является проверенная печатная плата.
6-й этап направлен на составление подробных списков объектов, входящих в систему, и функций, которые система должна выполнять.
Для проверки печатных плат составим список объектов и список функций.
На рис. 2 (первый столбик) и на рис. 3 (первый столбик) показан подробный список объектов и функций, необходимых для конструирования печатной платы.
Объекты и функции выбираются из множества факторов. Прежде всего анализируется функциональность печатной платы. Если данная плата является селектором, то, скорее всего, на ней находятся высокочастотные элементы, которые необходимо
экранировать, и тогда в первую очередь выходит проверка на электромагнитную совместимость (ЭМС).
Блоки питания необходимо выделить особо, так как там присутствуют как моточные высокочастотные компоненты, так и микросхемы (стабилизаторы питания), которые при работе сильно греются и требуют дополнительного теплоотвода, иначе они выйдут из строя. В этом случае необходима проверка и по теплу, и по ЭМС.
Печатные платы для цифровой быстродействующей аппаратуры отличаются наличием дифференциальных пар и контролируемого волнового сопротивления. В таких платах используют планарные микросхемы в пластмассовом корпусе, у которого рабочая температура не больше 80 0С. Стоит уделить внимание на проверку импеданса и расчета дифференциальных пар. Иногда плата может включать в себя часть элементов питания и часть преобразования сигнала из аналогового в цифровой.
Следует обратить внимание и на конструкцию самой печатной платы. Узлы питания могут быть сконструированы на двухслойной, а цифровые на
Список объектов
Обобщение объектов
Печатная плата
Моточные компоненты
Печатная плата
Миниатюризированные компоненты
Топологический рисунок
Количество слоев в печатной плате
Компоновка печатной платы
Технология создания печатной платы
Влагозащитные покрытия
Технология
Материалы печатной платы
Характеристика теплового распространения
Параметры распространения тепла
Тепловой расчет
Греющиеся компаненты
Дифференциальная пара
Копланарная дорожка
Импеданс
Микрополосковая дорожка
Характеристики ЭМ распространения
Параметры ЭМС компонентов
Высокочастотные компоненты
Зона крепежа печатной платы
Конструкция
Габаритные размеры печатной платы
Рис. 3. Обобщение списка объектов
многослойной печатной платах. Толщина печатной платы, фольги и препрега могут влиять :
1) на ЭМС — используя отдельные слои металлизации и препрега для экранирования;
2) на теплоотдачу — используя внутренние слои для распределения тепла по всей плате и внешние для отдачи тепла в воздух;
3) на импеданс — при расчете параметров микро-полосковых линий передач или дифференциальных пар учитывают толщину препрега и наличие опорного слоя.
Таким образом, следует вывод, что состав списка объектов и функций может меняться в связи с назначением печатной платы и быть достаточно емким. Для дальнейшей работы необходимо обобщить список объектов и функций. Иными словами, из составленных подробных списков объектов и функций создаем обобщенные списки объектов и функций.
На рис. 2 и рис. 3 приведены обобщенные списки объектов и функций, из которых видно, что количество объектов и функций стало меньше.
7-й этап устанавливает соответствие между обобщенными объектами и функциями. Возьмем все обобщенные объекты и сопоставим их по функциональному смыслу с обобщенными функциями (рис. 4).
8-й этап объединяет обобщенные функции в блоки, что позволяет построить диаграмму более низкого уровня (второго уровня). На рис. 5 показана установленная последовательность блоков.
Первым блоком является «проверка печатной платы на соответствие схемы». Это один из самых важных этапов проверки, так как если выявится несоответствие схемы с платой в цепях или компонентах (их обозначении или наименовании), то остальная проверка, возможно, не имеет смысла. Вторым
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
%
Рис. 4. Установление соответствия между обобщенными объектами и функциями
Проверить печатную плату на соответствие схемы
□
Проверить печатную плату на соблюдение технологических _________требований___________|~2
Проверить печатную плату на соблюдение конструктивных _________требований___________|~3
Проверить правильность трассировки дифференциальных _____пар или микрополосков [~4
Проверить печатную плату по тепловым режимам
Проверить печатную плату по ЭМС
Проверить печатную плату по
_______Внешнему ВИДУ________|-у
Рис. 5. Последовательность блоков, содержащих выявленные функции системы
важным блоком стоит «проверка печатной платы на соблюдение технологических требований». На этом этапе проверяют минимальный зазор между дорожками, минимальную толщину дорожки, минимальное переходное отверстие, наличие глухих и слепых отверстий, структуру платы (количество слоев и толщину материала) и устанавливают класс точности, при каком будут изготавливать эту плату. А от класса точности зависит технологическая сложность и стоимость изготовления. Третий блок включает «проверку печатной платы на соблюдение конструкторских требований», т.е. проверяют топологию печатной платы, чтобы не было замыканий между дорожками, чтобы присутствовал слоя маски и не было «залипания» площадок друг с другом, маркировку первых ножек у сложных компонентов и т.д.
Четвертым блоком идет «проверка правильности трассировки дифференциальных пар и микрополо-сков». Пятый блок включает «проверку печатной платы по теплу» и шестой блок содержит «проверку печатной платы по ЭМС». В зависимости от функционала печатной платы и присутствия дифференциальных пар греющихся компонентов и влияющих на ЭМС, блоки четвертый пятый и шестой можно менять местами. Седьмым блоком и последним идет «проверка конструктива и внешнего вида печатной платы».
9-й этап служит выявлению последовательности связей, нахождению управления, механизма исполнения необходимых ресурсов для функционирования диаграммы. Инженер-конструктор является проверяющим печатную плату, ограничением и
инженер-конструктор
Рис. 6. Диаграмма второго уровня проверки печатного узла
го
00
чэ
ЯЕвао и \/)1инхзюи\Лл1
еюг (еги) е яинюэа И1яньлун иияоио
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
*
управлением являются С1 — схема электрическая принципиальная, С2 — технологические требования, С3 — требования разработчика. Входом в каждый блок является, как правило, выход из предыдущего блока (рис. 6).
На рис. 6 показана диаграмма более низкого второго уровня, выражающая последовательность действий инженера-конструктора.
Таким образом, благодаря SADT-методологии проверка печатного узла становится «прозрачной» и «ступенчатой». Она позволяет проверить каждый аспект, будь это радиотехнический, как проверка на соответствие схемы электрической принципиальной, технологический на заранее предусмотренное производство и уровень класса точности, так и конструкторский на выявление определенного вида недочетов. Такая проверка позволяет предусмотреть и проверить зоны нагрева печатной платы и отвода тепла, установку экранов и их экранирующие свойства.
Библиографический список
1. Лобова, Г. Н. SADT-технология индивидуальной исследовательской деятельности : моногр. / Г. Н. Лобова. — Омск : ОмГТУ, 2009. - 102 с.
ЛОБОВА Галина Николаевна, кандидат физикоматематических наук, доцент кафедры «Средства связи и информационная безопасность» Омского государственного технического университета. ОСИНКИНА Марина Евгеньевна, ведущий инженер-конструктор Омского научно-исследовательского института приборостроения.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 10.06.2013 г.
© Г. Н. Лобова, М. Е. Осинкина
УДК 621391 256 И. А. БАТЫРЕВ
Г. В. СВИСТУНОВ
Омский научно-исследовательский институт приборостроения
ДЕКОДЕР LDPC В СИСТЕМЕ КАНАЛЬНОГО ДЕКОДИРОВАНИЯ ПРИЕМНИКА ЦИФРОВОГО МЕДИАВЕЩАНИЯ СТАНДАРТА РАВИС
Работа посвящена рассмотрению основных методов декодирования кодов LDPC, применимых в системе канального декодирования приемника цифрового медиасигнала стандарта РАВИС. Приведены результаты моделирования для отдельных параметров кода, предусмотренных стандартом.
Ключевые слова: РАВИС, LDPC, методы декодирования.
1. Введение. В последние два десятилетия на исследование низкоплотностных (low-density parity check — LDPC) кодов было направлено множество усилий. Одной из основополагающих работ в этой области была статья [1]. С тех пор было опубликовано немало трудов, наглядно показавших, что повышенное внимание инженеров и исследователей к кодам LDPC вполне обосновано.
Большой интерес представляет совершенствование механизмов декодирования для обеспечения лучшего быстродействия и энергоемкости, но, тем не менее, на данный момент проектирование декодеров LDPC кодов представляет довольно сложную задачу.
Анализу эффективности схем декодирования и вопросам построения низкоплотностных кодов посвящены, в частности, работы А. Г. Солтанова, А. А. Овчинникова. Аппаратная реализация декодера LDPC в подсистеме канального декодирования стандарта DVB-S2 рассматривается в работах таких
авторов, как Г. В. Овечкин, А. В. Чикин, F. Kienle, T. Brack, N. Wehn.
Целью данной работы является рассмотрение возможных алгоритмов декодирования низкоплотностных кодов для реализации декодера LDPC в приемнике цифрового медиасигнала стандарта РАВИС.
Ниже (рис. 1) показаны основные подходы к реализации декодера LDPC [2 — 5]. Рассмотрим основные этапы работы представленных алгоритмов подробнее.
2. Алгоритм с инверсией бита (BF). BF-
алгоритм — простейшая схема декодирования низкоплотностных кодов. Декодер вычисляет все проверки и инвертирует бит на любой из позицей, которая фигурировала в большем некоторого заданного порога числе не удовлетворенных проверочных уравнений. Затем снова вычисляются проверочные уравнения и процесс продолжается, пока все проверки не будут выполнены. Проверкой называется
