Схемотехника - Circuit design

Процесс проектирования схемы может охватывать системы, начиная от сложных электронных систем и заканчивая отдельными транзисторами внутри интегральной схемы . Для простых схем процесс проектирования часто может выполняться одним человеком без необходимости в запланированном или структурированном процессе проектирования, но для более сложных проектов все более распространенными становятся команды проектировщиков, которые следуют систематическому подходу с интеллектуальным компьютерным моделированием . В автоматизации проектирования интегральных схем термин «разработка схем» часто относится к этапу цикла проектирования, на котором выводятся схемы интегральной схемы. Обычно это шаг между логическим и физическим проектированием .

Процесс

Схема для Texas Instruments SN76477 звукового чипа

Формальное схемотехническое проектирование обычно включает несколько этапов. Иногда проектная спецификация пишется после взаимодействия с заказчиком. Техническое предложение может быть написано для удовлетворения требований спецификации заказчика. Следующий этап включает синтез на бумаге принципиальной схемы , абстрактной электрической или электронной схемы, которая будет соответствовать спецификациям. Следует произвести расчет значений компонентов, чтобы они соответствовали рабочим характеристикам в определенных условиях. Моделирование может быть выполнено для проверки правильности проекта.

Макет или другая версия прототипа дизайна для тестирования против спецификации может быть построена. Это может включать внесение каких-либо изменений в схему для достижения соответствия. Необходимо выбрать метод строительства, а также все детали и материалы, которые будут использоваться. Для изготовления прототипов информация о компонентах и ​​компоновке предоставляется чертежникам, инженерам-компоновщикам и инженерам-механикам. После этого проводятся испытания или типовые испытания ряда прототипов на соответствие требованиям заказчика. Обычно происходит подписание и утверждение окончательных производственных чертежей, а также могут быть услуги после проектирования ( устаревание компонентов и т. Д.).

Спецификация

Микрочипы
Основная статья: Спецификация дизайна продукта

Процесс проектирования схемы начинается со спецификации , в которой указываются функциональные возможности, которые должна обеспечивать готовая конструкция, но не указывается, как это должно быть достигнуто. Первоначальная спецификация - это, по сути, технически подробное описание того, чего хочет заказчик от готовой схемы, и может включать в себя множество электрических требований , например, какие сигналы будет получать схема, какие сигналы она должна выдавать, какие источники питания доступны и как разрешено потреблять много энергии. Спецификация может (и обычно устанавливает) также некоторые физические параметры, которым должна соответствовать конструкция, такие как размер, вес, влагостойкость , температурный диапазон, тепловая мощность, допуск на вибрацию и допуск на ускорение.

По мере продвижения процесса проектирования разработчик (-ы) часто будет возвращаться к спецификации и изменять ее, чтобы учесть прогресс проектирования. Это может включать ужесточение спецификаций, предоставленных заказчиком, и добавление тестов, которые схема должна пройти, чтобы быть принятой. Эти дополнительные спецификации часто используются при проверке дизайна. Изменения, которые вступают в противоречие с исходными спецификациями клиента или модифицируют их, почти всегда должны быть одобрены заказчиком, прежде чем они могут быть приняты.

Правильное определение потребностей клиента может избежать состояния, известного как «сползание дизайна», которое возникает при отсутствии реалистичных первоначальных ожиданий, а затем из-за невозможности полностью связаться с клиентом в процессе проектирования. Его можно определить с точки зрения его результатов; «с одной стороны, это схема с большей функциональностью, чем необходимо, а с другой - схема с неправильной функциональностью». Тем не менее, некоторых изменений можно ожидать, и рекомендуется держать параметры открытыми как можно дольше, потому что позже легче удалить запасные элементы из схемы, чем вставлять их.

Дизайн

Блок - схема 4-разрядного АЛУ

Процесс проектирования включает в себя переход от спецификации в начале к плану, который содержит всю информацию, необходимую для физического построения в конце, обычно это происходит путем прохождения нескольких этапов, хотя в очень простой схеме это может быть выполнено в один шаг. Процесс обычно начинается с преобразования спецификации в блок-схему различных функций, которые схема должна выполнять, на этом этапе не рассматривается содержимое каждого блока, только то, что каждый блок должен делать, это иногда называют « черный ящик » дизайн. Такой подход позволяет разбить, возможно, очень сложную задачу на более мелкие задачи, которые можно решать последовательно или разделить между членами команды разработчиков.

Затем каждый блок рассматривается более подробно, все еще на абстрактной стадии, но с гораздо большим вниманием к деталям электрических функций, которые должны быть предоставлены. На этом или более поздних этапах обычно требуется большой объем исследований или математического моделирования того, что можно и чего невозможно достичь. Результаты этого исследования могут быть возвращены на более ранние этапы процесса проектирования, например, если окажется, что один из блоков не может быть спроектирован в рамках установленных для него параметров, вместо этого может потребоваться изменить другие блоки. На этом этапе также принято начинать рассмотрение как того, как продемонстрировать, что проект действительно соответствует спецификациям, так и того, как он должен быть протестирован (что может включать инструменты самодиагностики ).

Отдельные компоненты схемы

Наконец, отдельные компоненты схемы выбираются для выполнения каждой функции в общем дизайне, на этом этапе также решается физическая компоновка и электрические соединения каждого компонента, эта компоновка обычно принимает форму художественного произведения для производства печатной платы или Интегральная схема. Этот этап обычно занимает очень много времени из-за огромного количества доступных вариантов. Практическим ограничением проектирования на этом этапе является стандартизация, в то время как определенное значение компонента может быть рассчитано для использования в каком-либо месте в цепи, если это значение не может быть приобретено у поставщика, то проблема все еще не решена. . Чтобы избежать этого, можно применить определенную «каталожную инженерию» для решения более приземленных задач в рамках общего проекта.

Одна из областей быстрого развития технологий - это проектирование наноэлектронных схем.

Расходы

Таблица сравнения полевых транзисторов.

Как правило, стоимость проектирования схем напрямую зависит от сложности конечных схем. Чем выше сложность (количество компонентов и новизна дизайна), тем больше часов времени квалифицированного инженера потребуется для создания функционального продукта. Этот процесс может быть утомительным, поскольку для создания мельчайших деталей или функций может потребоваться любое количество времени, материалов и рабочей силы. Подобно тому, как принимать во внимание эффекты изменения размеров транзисторов или кодеков. В мире гибкой электроники замена широко используемых полиимидных подложек материалами, такими как PEN или PET для производства гибкой электроники, может снизить затраты в 5-10 раз.

Затраты на проектирование схемы почти всегда намного превышают производственные затраты на единицу, поскольку стоимость производства и функция схемы в значительной степени зависят от конструкции схемы.

Хотя типичные методы производства печатных плат включают субтрактивное производство, существуют методы, в которых используется процесс аддитивного производства, например использование 3D-принтера для «печати» печатной платы. Считается, что этот метод стоит дешевле, чем аддитивное производство, и полностью исключает необходимость управления отходами.

График роста количества транзисторов в схемах с каждым годом, также известный как закон Мура

Проверка и тестирование

После того, как схема была спроектирована, она должна быть проверена и протестирована. Верификация - это процесс прохождения каждого этапа проектирования и обеспечения того, чтобы он выполнял то, что требует спецификация. Это часто является в высшей степени математическим процессом и может включать крупномасштабное компьютерное моделирование конструкции. В любом сложном проекте очень вероятно, что на этом этапе будут обнаружены проблемы, и для их устранения может потребоваться переделать большой объем проектных работ.

Тестирование - это реальный аналог верификации, тестирование включает физическое построение, по крайней мере, прототипа проекта, а затем (в сочетании с процедурами тестирования в спецификации или добавленных к нему) проверку того, что схема действительно выполняет то, для чего она была разработана.

Программное обеспечение для дизайна

В программном обеспечении визуального DSD логическая схема схемы дополнения реализована компилирующим программным кодом. Эти типы программного обеспечения создают более дешевые и более эффективные схемы для всех типов схем. Мы реализовали функциональное моделирование для проверки логических функций, соответствующих логическим выражениям в предлагаемых нами схемах. Предлагаемые архитектуры смоделированы на языке VHDL. Использование этого языка позволит создать более эффективные схемы, которые будут не только дешевле, но и прослужат дольше. Это только два из множества программ для проектирования, которые помогают людям спланировать производственные схемы.

Прототипирование

Прототипирование - это большая часть очень сложных вещей. Схемотехника заставляет вас постоянно перебирать вещи и исправлять свои ошибки. Проектирование схем - это очень кропотливая работа, которую нужно выполнить без ошибок. Разработчикам схем необходимо много раз тестировать, чтобы убедиться, что их конструкция работает эффективно и, самое главное, безопасна для покупателя при покупке и использовании. Прототипирование - важная часть любой электромонтажной работы, потому что она очень кропотливая и точная. Каждый, наверное, мог представить себе ошибки, которые будут сделаны, если в выполняемой работе не будет происходить прототипирование. Этим работникам платят не только за то, чтобы они производили электрические цепи, но и за то, чтобы обеспечить безопасность всех, кто покупает эти электрические схемы, дома. Опасности отсутствия прототипа и отправки неисправной электрической цепи будут включать в себя возгорание, горячие провода, которые, в свою очередь, заставят кого-то не знать и могут вызвать ожоги или, в худшем случае, серьезные травмы.

Результаты

Каждая электрическая схема начинается с симулятора печатной платы, показывающего, как все будет собираться в конце дня, а также показывает, как схема будет работать виртуально. Чертеж - это чертеж технического проекта и конечного продукта. После того, как все это будет сделано, и вы воспользуетесь чертежом для сборки схемы, вы получите результат: электрические схемы будут весьма запоминающимися, поскольку схема будет работать с чем угодно, от вакуума до большого телевизора в кинотеатре. Все это занимает много времени, и не каждый может приобрести определенный навык. Электрическая цепь - это то, что нам нужно в повседневной жизни.

Документация

Любой коммерческий проект обычно также включает элемент документации, точный характер этой документации будет варьироваться в зависимости от размера и сложности схемы, а также страны, в которой она будет использоваться. Как минимум, документация обычно включает, по крайней мере, технические условия и процедуры испытаний для конструкции, а также заявление о соответствии действующим нормам. В ЕС этот последний пункт обычно принимает форму декларации CE, в которой перечислены европейские директивы, которым они соответствуют, и указано лицо, ответственное за соблюдение.

Программного обеспечения

Основная статья: Список бесплатных симуляторов электронных схем

Смотрите также

использованная литература

Источники