CC BY
276
Применение Altium Designer для проектирования печатных плат
Рязанова А.Е., Кузнецова В.Ю., НИУ Высшая школа экономики, МИЭМ ylianova0704@mail.ru, vyukuznetsova@edu.hse.ru
Аннотация
Комплексная система автоматизированного проектирования (САПР) Altium Designer 17.1 представляет собой современный мощный инструмент для разработки и проектирования печатных плат от этапа схемотехнического моделирования до синтезирования топологической карты и 3D-модели готового изделия. Рассмотренная САПР покрывает практически полный жизненный цикл процесса создания платы, что в свою очередь продемонстрировано в работе. Altium Designer 17.1 значительно ускоряет процесс разработки компонента за счет многообразия встроенного функционала и гибкости настройки инструментов. Возможности САПР иллюстрируются на примере создания простой учебной печатной платы радиомаяка [Снегирев, 2016], при этом для облегчения восприятия происходит поэтапное объяснение выполняемых операций, предоставляются соответствующие визуальные материалы, поясняющие происходящее. Исследование носит обзорный характер и подойдет для знакомства с методами работы и инструментами Altium Designer 17.1. Представленный в работе процесс проектирования платы, снабжен пояснениями и комментариями, описывающими основной функционал, необходимый проектировщику на каждом из этапов сквозного моделирования. Более профессиональные инструменты САПР не приведены и могут быть освоены при помощи официальной документации на сайте компании производителя.
1 Введение
В настоящее время при разработке устройств очень важно соблюдать связанность между всеми этапами проектирования. Altium Designer 17.1 предоставляет такую возможность: в программный пакет входят компоненты, обеспечивающие целостность и связанность проектирования изделия. Во время разработки проекта в Altium Designer 17.1 все различные составляющие части проекта связываются воедино основным файлом проекта.
Система предоставляет широкий спектр возможностей для проектировщиков разных уровней, начиная от студентов-любителей и заканчивая профессионалами, работающими над промышленными задачами. При сборке схемы можно пользоваться стандартной библиотекой компонентов, в которую входят основные элементы, необходимые для выполнения простейших схем, снабженные Spice-моделью, 3D-моделью или отпечатком-представлением, обозначающим место размещения компонента на плате. Есть возможность использовать готовые библиотеки, предоставляемые непосредственно производителями компонентов, либо создавать собственные [Певчев, 2015]. Также САПР позволяет сохранять проекты или отдельные файлы в наиболее распространенных форматах, поддерживаемых иными программными продуктами, обеспечивающими цикл разработки и проектирования электронных приборов. Благодаря простоте использования и функциональности, Altium Designer является одним из лидеров рынка, в связи с чем сквозное проектирование в данной САПР актуально и востребовано.
2 Функциональный обзор Altium Designer 17.1
Altium Designer базируется на интегрированной платформе DXP. Поддерживаются такие редакторы, как Schematic Viewer для схем, PCB Viewer для топологий и 3D моделей, CAM Document Viewer для CAM файлов. Инструмент Simulation VHDL позволяет проводить моделирование и анализ сигналов, поддерживает совместимость с ModelSim и Active-HDL. Модуль FPGA позволяет осуществлять программное наполнение проектируемой ПЛИС посредством ряда инструментов, поддерживаются такие языки программирования, как C, VHDL, Verilog, к тому же САПР позволяет работать с OpenBus системой. Осуществляется поддержка работы с JTAG устройствами и контроль состояния их контактов. При помощи функции IMPORT/EXPORT осуществляется интегра-
ция с наиболее крупными САПР, например, с OrCAD и Allegro.
Altium Designer имеет встроенный менеджер библиотек с интуитивно понятным интерфейсом, облегчающий процесс их подключения, поиск компонентов. Инструмент Simulation обеспечивает процесс анализа и моделирования сигналов, как аналоговых, так и цифровых, поддерживает совместимость с PSpice. Более подробно познакомиться с функционалом Altium Designer 17.1 можно, изучив документацию на сайте производителя.
3 Схемотехническое моделирование
Первым этапом проектирования любого устройства является проверка работоспособности электрической схемы. В Altium Designer 17.1 для этого предусмотрен многофункциональный редактор схемотехнического моделирования, который позволяет разрабатывать схемы, начиная от самых примитивных и заканчивая многоуровневыми проектами.
Схемотехническое моделирование производится благодаря встроенному модулю Mixed SIM, который работает на основе SPICE [Сабунин, 2009]. Для каждого элемента, который используется в схеме, требуется наличие файла Spice-модели, с использованием которого будет производиться моделирование. Отличительной особенностью данной САПР является то, что для большинства элементов присутствуют 3D-модели. Это позволяет уже на этапе схемотехнического моделирования из идентичных элементов выбирать те, 3D-модели которых будут более наглядны на этапе топологического проектирования.
Другие САПР, например, LTspice или NI Multisim позволяют производить только традиционный анализ SPICE и моделирование. Чтобы перейти на этап топологического проектирования, разработчик будет вынужден экспортировать проект из используемой САПР схемотехнического моделирования в другую САПР, позволяющую строить топологию. Altium Designer объединил в себе эти этапы проектирования, что облегчает процесс разработки.
Altium Designer 17.1 изначально имеет две встроенные стандартные библиотеки компонентов: MiscellaneousDevices.IntLib и Miscellaneous Connectors.IntLib, однако не
составит труда подключить остальные необходимые библиотеки, а также САПР предоставляет пользователю возможность самому разрабатывать библиотеки компонентов. Существует достаточно большое количество библиотек электронных компонентов, в которые входят не только базовые элементы электрических цепей или логические элементы, но и готовые микросхемы, например, чипы семейства Cyclone III компании Altera.
Схемотехническое моделирование в Altium Designer 17.1 производится в несколько этапов, аналогично другим системам моделирования. Безусловно, изначально создается лист схемы File ^ New ^ Schematic, на котором размещаются компоненты Place ^ Part ^ Choose. В зависимости от выбранной библиотеки можно найти все необходимые элементы, также можно воспользоваться поиском по всем библиотекам. Далее рисуются линии связи Place ^ Wire и двойным нажатием на элемент схемы можно вызвать окно Parameter Properties, в котором устанавливаются соответствующие параметры компонентов схемы. Далее следует составить задание на моделирование Design ^ Simulate ^ Mixed Sim, выбрать цепи, с которых требуется получить сигналы, выбрать переменные, для которых будут построены графики зависимости, выбрать вид анализа и указать параметры моделирования. Завершающим шагом является запуск моделирования схемы Run Mixed Signal Simulation, после чего появятся графики, демонстрирующие работу проектируемого устройства. В качестве примера схемотехнического моделирования приведена электрическая схема радиомаяка (см. Рис. 1).
в— в=>" s™— 1—а-*- в* V - а - , - а -• - » ч . » ii/t ítt-k- г iií=H- U7 -
Рис. 1. Электрическая схема радиомаяка
4 Редактор печатных плат
и топологическое проектирование
После того, как было проведено схемотехническое моделирование, позволившее убедиться в правильности работы схемы проек-
тируемого устройства, можно переходить на этап топологического проектирования, то есть разработки печатной платы [Сабунин, 2008]. Данный этап будет производиться в редакторе печатных плат (PCB editor) и, чтобы в него перейти, требуется создать в проекте новый файл File ^ New ^ PCB с расширением печатных плат *.PcbDoc. Откроется новый файл, на котором будет изображена плата, и следующим действием нужно добавить компоненты созданной ранее схемы на данную плату путем импорта Design ^ Import Changes From PCB_Project1.PrjPCB. После проделанной операции справа от платы появится структура, представляющая собой компактно расположенные элементы, которые ранее были изображены на схеме. Их требуется соединить между собой дорожками Route ^ Auto Route ^ All. Если проектируемая схема оказалась меньше, чем предложенная плата, то следует обрезать часть платы, которая не используется. Для этого требуется нарисовать границы печатной платы Place ^ Line, выделить область платы и обрезать плату по созданным границам Design ^ Board Shape ^ Define from selected objects. Редактор автоматически размещает элементы наиболее компактным способом, чтобы затрачивалась меньшая площадь платы (см. Рис. 2).
V еч bio вэ п: Фпг м 13 ш иг г. м ct ai i1 сь i з <
•ÜÄFIWfl
Рис. 2. Отображение схемы радиомаяка в редакторе печатных плат, компоненты расположены автоматически
Однако, пользователь может вручную передвигать элементы на печатной плате, при этом все соединения сохраняются, целостность схемы не нарушается. В нижней части окна редактора печатных плат можно увидеть различные слои, при нажатии на которые отобразятся компоненты, находящиеся только на данных слоях, а также показаны дорожки, соединяющие элементы. (см. Рис. 3). Различными цветами обозначены отдельные слои печатной платы.
Рис. 3. Слои печатной платы
В Altium Design 17.1 используются следующие группы слоев:
• сигнальные слои (Signal Layers) - создание топологии проводящего рисунка;
• экранные слои (Internal Layers) - расположение внутренних полигонов питания и земли;
• графические слои (Mechanical Layers)
- вспомогательная графическая информация;
• слои паяльной пасты и защитной маски (Mask Layers);
• системные слои (System Layers) - системные цвета, к которым относятся цвета фона, сетки, соединения и др.;
• дополнительные слои (Other Layers) -зоны запрета и отображение отверстий на плате;
• слои шелкографии (Silkscreen Layers)
- информация для маркировки на плате. Используя верхнюю панель инструментов
в окне Altium Designer 17.1 можно из двухмерного вида перейти в 3D вид (см. Рис. 4).
Рис. 4.Трехмерная модель печатной платы, компоненты расположены вручную
Это позволяет увидеть реалистичную модель спроектированной платы, на которой отображаются сквозные отверстия, объемные элементы и соединительные дорожки.
5 Развитие программных возможностей Altium Designer 17.1
Наряду с динамично развивающимися технологиями приборостроения должны развиваться и системы автоматизированного проектирования, совершенствуя возможности для разработки сложных масштабных проектов. В Altium Designer 17.1 используется интеллектуальное размещение компонентов на печатной плате, которое направлено на минимальное использование ресурсов платы без ущерба для функциональности. Для большего числа базовых и новых электронных компонентов появились 3D-модели, позволяющие в более полном виде строить трехмерные модели печатных плат, а также экспортировать их из Altium Designer 17.1 в формате PDF 3D.
Помимо этого, из данной САПР можно экспортировать 3D-модели в форматах, поддерживаемых другими системами 3D моделирования, такими как DipTrace или SolidWorks. Это позволяет экономить время разработки и сразу переходить на следующий этап более реалистичного моделирования печатной платы, а также на этапы проведения теплового и механического моделирований. Поддерживается возможность в реальном времени находить варианты замены компонентов на альтернативные, используя базу данных поставщиков или склада. Только благодаря своевременному развитию систем автоматизированного проектирования будет наблюдаться прогресс в технологии электронного приборостроения.
6 Заключение
Altium Designer на данный момент является одной из наиболее удобных в работе САПР по проектированию печатных плат, предоставляющей широкий спектр возможностей, что делает его незаменимым как в учебном, так и в промышленном проектировании. За счет того, что в Altium Designer 17.1 связаны модули схемотехнического и топологического проектирований, внесение изменений на одном из этапов проектирования автоматически отразится на другом этапе, без необходимости повторять построение схемы или топологии еще раз [Медведев, 2012]. Именно эта особенность делает Altium Designer одной из ведущих САПР для реализации задач сквозного проектирования печатных плат.
Список литературы
Медведев А. Перспективы развития технологий электрических межсоединений в электронном приборостроении // Печатный монтаж. 2012. №5. С.1-10.
Певчев В.П. Применение Altium Designer при разработке схем и печатных плат // Тольятти, Издательство ТГУ, 2015. С. 1-104.
Сабунин А. Altium Designer - схемотехническое моделирование и типы моделей // Современная электроника. 2009. №6.
Сабунин А. Altium Designer - Разработка конструктивных параметров печатной платы // Москва. 2008. С. 1-8.
Снегирев И. Простой радиомаяк на диапазон 144147 МГц // Радиоконструктор. 2016. №5.
