Как сделать компоновку

Обновлено: 06.07.2024

Несмотря на критически важную роль в высокоскоростных схемах, компоновка печатной платы часто является одним из последних этапов проектирования. Эта тема имеет множество аспектов, по ней было написано много литературы. В данной статье компоновка рассматривается с практической точки зрения. Основная цель в том, чтобы заострить внимание новичков на многих различных тонкостях, которые им необходимо учитывать при компоновке печатных плат для высокоскоростных схем. Но статья также предназначена для освежения знаний тех, кто какое-то время не занимался компоновкой плат. Не все темы могут быть детально рассмотрены в рамках такой небольшой статьи, но мы обратимся к ключевым областям, способным принести наибольшую пользу в улучшении характеристик схемы, сокращении времени проектирования и минимизации трудоемких доработок.

Принципиальная схема

Хотя нет никакой гарантии, но хорошая компоновка начинается с хорошо нарисованной схемы. Будьте внимательны при рисовании схемы, сопровождайте ее большим количеством пометок и учитывайте направление прохождения сигнала. Схема, имеющая естественное и общепринятое направление прохождения сигнала слева направо, как правило, будет иметь хорошее прохождение сигнала и на плате. Поместите на схему как можно больше полезной информации. Проектировщики, техники и инженеры, которые будут работать с вашей схемой, будут вам очень признательны, включая и нас; время от времени клиенты просят нас помочь со схемой, потому что ее проектировщика больше нет.

Какая информация содержится на схеме, помимо привычных позиционных обозначений, рассеиваемых мощностей и допусков? Вот несколько советов, которые могут превратить обычную схему в суперсхему. Добавьте временные диаграммы сигналов; информацию механического характера о корпусе или экране, длине дорожек, областях без трассировки; обозначьте, какие компоненты должны находиться на верхней стороне платы; включите туда информацию о настройке, диапазоны значений компонентов, информацию о тепловых характеристиках, о согласованных линиях передачи, примечания, краткое описание работы схемы… (список можно продолжать).

Никому не доверять

Если вы не занимаетесь компоновкой платы собственноручно, обязательно уделите достаточно времени обсуждению предстоящей работы с человеком, ответственным за компоновку. На этом этапе унция профилактики стоит больше, чем фунт лечения! Не надейтесь, что компоновщик способен читать ваши мысли. Ваше техническое задание и рекомендации наиболее важны в начале процесса компоновки. Чем больше информации вы можете предоставить, и чем сильнее вы вовлечены в этот процесс, тем лучше выйдет плата. Обозначьте проектировщику платы точки промежуточных этапов, на которых вы хотите ознакомиться с ходом компоновки. Такая организация рабочего процесса предотвращает слишком большое отклонение компоновки от намеченной и сводит к минимуму переделки платы.

Ваши указания разработчику платы должны включать в себя:

На вас никогда не пожалуются за то, что вы предоставили кому-то слишком много информации; а вот если слишком мало – то да.

Личный опыт: около 10 лет назад, я проектировал многослойную плату поверхностного монтажа с компонентами на обеих сторонах. Плата крепилась в позолоченный алюминиевый корпус множеством винтов (чтобы обеспечить требуемую стойкость к вибрации). Сквозь плату проходили контакты, соединявшиеся с ней проводами. Сборка была трудоемкой. Некоторые компоненты должны были подбираться при тестировании, но я не уточнил, где следовало их расположить. Как вы думаете, где были расположены некоторые из них? Правильно, снизу! Инженеры-технологи и техники были не очень довольны, когда им пришлось все это разбирать, устанавливать компоненты с нужными номиналами и затем собрать обратно. Больше я таких ошибок не совершал.

Расположение, расположение и еще раз расположение

Как и в сфере недвижимости, главное здесь - расположение. Где на плате расположена та или иная цепь, где располагаются ее отдельные компоненты и какие другие цепи расположены поблизости - все это имеет решающее значение.

Как правило, места ввода-вывода сигналов и подключения питания определены, но пространство между ними целиком в вашем распоряжении. Именно здесь внимание к деталям компоновки принесет ощутимый результат. Начните с размещения компонентов, важнейших как с точки зрения отдельных цепей, так и платы в целом. Указание с самого начала положения этих компонентов и путей трассировки сигнальных дорожек почти гарантирует, что устройство будет работать так, как задумано. Правильное выполнение с первого раза сокращает расходы и стресс, а также время проектирования.

Развязка по питанию

Шунтирование выводов питания усилителя для минимизации помех является важнейшим аспектом разработки платы - как для быстродействующих ОУ, так и для остальных высокоскоростных схем. Для высокоскоростных ОУ обычно используются два метода шунтирования.

От шин питания к земле: в этом методе, который в большинстве случаев работает лучше всего, используются несколько параллельно соединенных конденсаторов, включенных прямо между выводами питания ОУ и землей. Обычно достаточно двух параллельных конденсаторов, но некоторые схемы лучше работают с дополнительными параллельными конденсаторами.

Параллельное включение конденсаторов различной емкости позволяет гарантировать, что импеданс между выводами питания усилителя будет оставаться низким в широком диапазоне частот. Это особенно важно на тех частотах, где подавление помех по питанию (power-supply rejection, PSR) операционного усилителя становится низким. Конденсаторы позволяют компенсировать это снижение PSR. Поддержание низкого импеданса шунтирующей цепи в пределах многих декад изменения частоты помогает избежать проникновения нежелательных помех по цепям питания ОУ На Рисунке 1 показано преимущество параллельного соединения нескольких конденсаторов. На более низких частотах низкоимпедансный путь к земле обеспечивают конденсаторы с большей емкостью. Когда частота достигает частоты собственного резонанса конденсатора, его импеданс меняется с емкостного на индуктивный. Вот почему так важно использовать несколько конденсаторов: когда импеданс одного из них начинает расти, импеданс другого все еще остается низким, что обеспечивает малый общий импеданс в широком диапазоне частот.

Рисунок 1.

Частотная зависимость импеданса конденсатора.

Начинаем непосредственно с выводов питания ОУ; самый миниатюрный конденсатор наименьшей емкости следует расположить на той же стороне платы, что и ОУ, как можно ближе к нему. Другой вывод конденсатора должен подключаться к земляному слою проводником минимальной длины. Чтобы свести к минимуму помехи между шинами питания и землей, это подключение делается как можно ближе к нагрузке ОУ. Этот метод показан на Рисунке 2.

Рисунок 2.

Шунтирование шин питания на землю параллельно
соединенными конденсаторами.

Эту процедуру следует повторить для следующего конденсатора большей емкости. Хорошей отправной точкой для выбора конденсаторов будет 0.01 мкФ для наименьшего значения и электролитический low ESR конденсатор 2.2 мкФ (или больше) для следующего. Конденсаторы 0.01 мкФ типоразмера 0508 имеют низкую последовательную индуктивность и отличные частотные характеристики.

Между шинами питания: в альтернативной конфигурации используется один или несколько конденсаторов, включенных между положительной и отрицательной шинами питания ОУ. Этот метод обычно используется в том случае, когда трудно подключить к цепи все четыре конденсатора, как в предыдущем методе. Недостаток метода состоит в том, что может потребоваться конденсатор с бóльшим размером корпуса, поскольку теперь он работает при напряжении, удвоенном по сравнению с предыдущим методом. Однако такой способ может улучшить PSR и снизить искажения.

Поскольку все схемы и их компоновки различны, конфигурация, количество и номиналы конденсаторов определяются фактическими требованиями к схеме.

Паразитные параметры

Паразитные параметры - это те маленькие мерзкие гремлины, которые проникают в вашу печатную плату (в буквальном смысле) и сеют хаос в вашей схеме. Это неявные паразитные емкости и индуктивности, проникающие в высокоскоростные цепи. К ним относятся индуктивности выводов компонентов и излишне длинных дорожек. емкости между основанием микросхемы и земляным слоем, слоем питания или дорожками. взаимодействия с переходными отверстиями и еще много другого. На Рисунке 3а показана типичная схема неинвертирующего ОУ. Однако, если бы были учтены паразитные параметры, та же схема выглядела бы, как на Рисунке 3б.

Рисунок 3.

Типичная схема на ОУ (а) и она же с паразитными параметрами (б).

Чтобы нарушить работу высокоскоростных схем, не требуется значительных величин паразитных параметров. Иногда достаточно всего нескольких десятых пикофарады. Показательный пример: если цепь, идущая к инвертирующему входу ОУ, имеет паразитную емкость всего 1 пФ, это может вызвать подъем коэффициента усиления на высоких частотах почти на 2 дБ (Рисунок 4). При достаточной емкости это может привести к потере устойчивости и возбуждению.

Рисунок 4.

Выброс на АЧХ, обусловленный паразитной емкостью.

Несколько основных формул для нахождения величин паразитных параметров помогут при поиске причин неудовлетворительной работы схемы. Формула 1 выражает емкость конденсатора с параллельными плоскими обкладками. (См. Рисунок 5).

Рисунок 5.

Емкость между двумя плоскими пластинами.

(1)

C - емкость,
A - площадь пластины в см 2 ,
k - относительная диэлектрическая проницаемость материала платы,
d - расстояние между пластинами в сантиметрах.

Следует учитывать еще один паразитный параметр - индуктивность дорожек, обусловленную их чрезмерной длиной и отсутствием слоя земли. Формула 2 выражает индуктивность дорожки LT через ее геометрические размеры. (См. Рисунок 6).

Рисунок 6.

Индуктивность участка печатной дорожки.

(2)

W - ширина дорожки,
L - ее длина,
H - толщина.

Все величины выражены в миллиметрах.

Колебания на Рисунке 7 иллюстрируют влияние дорожки длиной 2.54 см, идущей к неинвертирующему входу высокоскоростного ОУ. Эквивалентная паразитная индуктивность этой дорожки составляет 29 нГн, чего достаточно, чтобы вызвать устойчивые колебания малой амплитуды, сохраняющиеся в течение всего переходного процесса. На Рисунке 7 также показано, как ослабляет влияние паразитной индуктивности использование земляного слоя.

Рисунок 7.

Переходная характеристика при наличии и отсутствии
земляного слоя.

Переходные отверстия являются еще одним источником паразитных параметров; они могут добавлять как индуктивность, так и емкость. Формула 3 позволяет найти величину паразитной индуктивности (см. Рисунок 8).

Рисунок 8.

Размеры переходного отверстия.

(3)

T - толщина платы в сантиметрах,
d - диаметр отверстия в сантиметрах.

Формула 4 позволяет найти паразитную емкость отверстия (см. Рисунок 8).

ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость материала платы,
T - толщина платы,
D₁ - диаметр контактной площадки вокруг отверстия,
D₂ - диаметр выреза в земляном слое

Все величины выражены в сантиметрах.

Одиночное переходное отверстие в плате толщиной 0.157 см может внести 1.2 нГн и 0.5 пФ; вот почему при компоновке плат необходимо постоянно быть внимательным, чтобы свести к минимуму паразитные параметры.

Analog Devices

Часть 1 - Развязка по питанию и паразитные параметры

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.

Почти всегда достаточно построить макет СКД вручную, но в некоторых случаях требуется это сделать программно. В качестве примера могу привести реальную задачу, когда требовалось организовать отбор на форме сразу для нескольких справочников. Результат выглядел как-то так:

Для справочников формирование макета схемы выглядела так:

Для независимого регистра сведений поинтереснее:

КНКД - конструктор настроек компоновки данных, выведенный на форму.

Вышеприведенный код предназначен для заполнения настроек КНКД при переключении закладок соответствующих справочников, или регистра сведений.

Отбор объектов посредством СКД

Посредством СКД очень просто организовать отбор для элементов с целью их использования, например в коллекции значений(таблице значений или дереве).

Например, мне необходимо выбрать документы для печати, удовлетворяющие определенным критериям.

Первым шагом создаю макет СКД во внешней обработке, формирую в нём набор данных запросом и задаю настройки вывода.

Далее, на форме создаю реквизит с типом "КомпоновщикНастроекКомпановкиДанных", добавляю табличное поле, в котором в качестве данных выбираю

Под термином компоновки чертежа мы подразумеваем размер чертежа и наличие на нем необходимых таблиц и ведомостей, а также их взаимное расположение друг относительно друга.

Для того чтобы понять, как работать с компоновками, надо рассмотреть, как они работают, и где хранятся, а также какие функции выполняют компоновки.

Каждая таблица представляет собой отдельный файл *.TPL. Создаются они в редакторе TplEditor, поставляемом вместе с Tekla Structures.

Пример файла *.TPL. Для редактирования шаблона достаточно нажать на нужную таблицу дважды.

Далее откроется TplEditor с таблицей для редактирования.

Компоновки хранится в файлах *.LAY. В них указано, какие таблицы необходимо разместить, и в каком взаимном положении (какие таблицы магнитятся к каким).

Например, посмотрите, как выглядит векторный текст Nesting Module до и после того, как он был скомпонован в области модели:

В зависимости от выбранных опций компоновки, в модели могут быть созданы следующие объекты:

Листы, созданные в процессе компоновки, содержат скомпонованный векторный эскиз, который не может быть вписан в границы области модели, или вектор, выбранный для представления доступного материала. Однако размеры листа всегда равны области модели.

Если у вас установлен модуль Редактирование векторов, то добавляется новый векторный слой в набор слоев в дереве проекта. Он называется Слой отходов компоновки и содержит вектор, представляющий форму остающегося материала.

Если у вас установлен модуль Редактирование векторов, то добавляется новый векторный слой в набор слоев в дереве проекта. Он называется Гильотинные резы и содержит векторы, представляющие гильотинные резы.

Чтобы скомпоновать векторы:

Откройте панель Компоновка одним из следующих способов:
- На панели инструментов Создание векторов нажмите на кнопку Компоновать выбранные векторы ; или
- В Меню выберите Векторы > Компоновать векторы.
Если модель ArtCAM не представляет лист или блок материала, в котором вы хотите выполнить компоновку:
1. На панели Компоновка снимите выделение с опции Использовать модель как границу.
2. В окне 2D Вид или 3D Вид проведите и затем выберите вектор, представляющий форму доступного материала. Вектор не обязательно должен быть прямоугольником.
3. Удерживайте нажатой клавишу Shift и выберите каждый из векторов, который вы хотите скомпоновать в пределах уже выбранного вектора.
По умолчанию векторы компонуются в пределах первого выбранного вектора.

Если область модели ArtCAM представляет точные размеры вашего материала:
- На панели Компоновка выберите опцию Использовать модель как границу.
- В окне 2D Вид или 3D Вид выберите векторный эскиз, который вы хотите скомпоновать в пределах области модели.
Например, показанный ниже прямоугольник показывает лист материала. Весь выбранный векторный эскиз должен быть сгруппирован в пределах этой области:

Сумма заданного Диаметра и Зазора равна минимальному расстоянию, заданному между скомпонованными векторами. Чтобы оставить материал между скомпонованными векторами во время процесса обработки, убедитесь, что Зазор больше, чем Диаметр. Это особенно важно, когда траектория, использующаяся для обработки скомпонованного векторного эскиза, включает перемычки для закрепления элементов на месте, или когда вам нужно предотвратить трату материала из-за того, что он перемещается по столу.

Обычно он больше или равен Диаметру и добавляется к Зазору, чтобы задать минимальное расстояние между скомпонованными векторами и границей области компоновки.

Во время процесса компоновки выбранный вами векторный эскиз помещается максимально близко к границе области компоновки; также применяется любой заданный Зазор. В определенных ситуациях вам может понадобиться оставить отступ материала вдоль границы. Например, если вы используете зажимы, чтобы закрепить материал на месте, вам придется обеспечить достаточно места для зажимов, чтобы предотвратить столкновение инструмента с ними.

Без отступа по краю.

С отступом по краю.
1. Выберите опцию Вращение объектов.
2. В поле Угол поворота задайте приращение, на которое ArtCAM Express должен их поворачивать.
Например, если Угол поворота задан как 45 градусов, ArtCAM Express продолжает компоновку векторов, поворачивая их на 0, 45, 90 и 135 градусов по очереди, пока не будет достигнуто наиболее эффективное использование доступного пространства.

Чем меньше Угол поворота, тем больше свободы дается при организации выбранных векторов. Это дает максимально эффективное использование области компоновки, но увеличивает время вычисления.

Когда опция Вращение объектов не выбрана, выбранные векторы сохраняют исходную ориентацию в процессе компоновки. Это важно учитывать, когда векторный эскиз должен быть обработан с учетом ориентации зерен материала.

Без Вращения объектов.

С Вращением объектов на 20 градусов.

Это и остальные опции панели Компоновка предоставляют ArtCAM Express гибкость при вписывании выбранных векторов в доступное пространство.

В случае, когда ни одна из ориентаций вектора не вписывается в доступное пространство, вектор отражается, чтобы он вписался. Также как и для вращения объектов, эта опция полезна, когда нужно выполнять обработку с учетом ориентации зерен материала.

Например, буква а помещена в центральную полость буквы О:

Гильотинный рез выполняется от одного конца материала к другому. Поэтому при использовании этого метода все выбранные вами векторы должны быть прямоугольными. Однако заданная вами область компоновки не обязательно должна быть прямоугольной.

Когда выбрана опция Гильотинные резы, новые вертикальные и горизонтальные линейные векторы отображаются в области модели, чтобы обозначить положение каждого гильотинного реза. По умолчанию эти линии показаны зеленым.
- Если у вас установлен еще и модуль Редактирование векторов, то создается новый векторный эскиз на новом векторном слое Гильотинные резы.
Например, компоновка векторного текста из Нижнего левого угла вдоль Х выглядит следующим образом:

Например, компоновка векторного текста из Нижнего правого угла вдоль Х выглядит следующим образом:

Например, компоновка векторного текста из Верхнего левого угла вдоль Х выглядит следующим образом:

Например, компоновка векторного текста из Верхнего правого угла вдоль Х выглядит следующим образом:

Выбор этой опции приводит к тому, что скомпонованные векторы будут расположены горизонтально в пределах заданной границы, вдоль оси Х модели от угла, выбранного в списке Начать с. Например, компоновка векторного текста из Нижнего левого угла вдоль Х выглядит следующим образом:

Выбор этой опции приводит к тому, что скомпонованные векторы будут расположены вертикально в пределах заданной границы, вдоль оси Y модели от угла, выбранного в списке Начать с. Например, компоновка векторного текста из Нижнего левого угла вдоль Y выглядит следующим образом:
- Кнопка Сгруппировать неактивна, если выбрана опция Группировать внутри и снаружи объектов при компоновке.
1. Выберите опцию Остающийся материал.
2. Выберите опцию Сохранить в библиотеку, чтобы добавить его в Библиотеку векторов для дальнейшего использования.
В Строке состояния отображается линейка выполнения, показывающая ход вычисления окончательного положения скомпонованных векторов:

Время вычисления зависит от выбранных опции компоновки. Обычно, чем меньше опций выбрано, тем быстрее процесс компоновки. Вы можете нажать , чтобы остановить процесс компоновки.

Когда в процессе компоновки создаются листы, каждый лист скомпонованных векторов:
Например, Лист по умолчанию и четыре листа сгруппированных векторов организованы следующим образом:
Например, Лист по умолчанию и четыре листа сгруппированных векторов расположены, как показано ниже, и Лист 1 выбран и активен:

По умолчанию активен последний созданный лист. Вы можете отредактировать сгруппированный векторный эскиз на любом листе, но только когда лист активен. Все идентичные листы скомпонованных векторов объединяются в один лист. Например, если обнаруживается, что два листа сгруппированных векторов идентичны первому, то все три листа будут объединены в один лист с именем Лист 1 (3 копии):

В процессе изготовления нужно будет создать только траектории, используя один этот лист, а затем обработать их три раза, чтобы создать необходимое число деталей.

Чтобы перейти уже непосредственно к созданию красивых интерфейсов и их компонентов, сначала необходимо познакомиться с компоновкой. Компоновка (layout) представляет собой процесс размещения элементов внутри контейнера. Возможно, вы обращали внимание, что одни программы и веб-сайты на разных экранах с разным разрешением выглядят по-разному: где-то лучше, где-то хуже. В большинстве своем такие программы используют жестко закодированные в коде размеры элементов управления. WPF уходит от такого подхода в пользу так называемого "резинового дизайна", где весь процесс позиционирования элементов осуществляется с помощью компоновки.

Благодаря компоновке мы можем удобным нам образом настроить элементы интерфейса, позиционировать их определенным образом. Например, элементы компоновки в WPF позволяют при ресайзе - сжатии или растяжении масштабировать элементы, что очень удобно, а визуально не создает всяких шероховатостей типа незаполненных пустот на форме.

В WPF компоновка осуществляется при помощи специальных контейнеров. Фреймворк предоставляет нам следующие контейнеры: Grid , UniformGrid , StackPanel , WrapPanel , DockPanel и Canvas .

Различные контейнеры могут содержать внутри себя другие контейнеры. Кроме данных контейнеров существует еще ряд элементов, такие как TabPanel, которые могут включать другие элементы и даже контейнеры компоновки, однако на саму компоновку не столь влияют в отличие от выше перечисленных. Кроме того, если нам не хватает стандартных контейнеров, мы можем определить свои с нужной нам функциональностью.

Контейнеры компоновки позволяют эффективно распределить доступное пространство между элементами, найти для него наиболее предпочтительные размеры.

Все выше перечисленные контейнеры компоновки наследуются от абстрактного класса Panel , а само дерево наследования можно представить следующим образом:

Наглядным примером применения компоновки может служить сделанное в первой главе приложение калькулятора, где мы не указываем явным образом размеры кнопок, а полагаемся на контейнер Grid, который и осуществляет всю расстановку и масштабирование дочерних элементов.

В WPF при компоновке и расположении элементов внутри окна нам надо придерживаться следующих принципов:

Нежелательно указывать явные размеры элементов (за исключеним минимальных и максимальных размеров). Размеры должны определяться контейнерами.

Нежелательно указывать явные позицию и координаты элементов внутри окна. Позиционирование элементов всецело должно быть прерогативой контейнеров. И контейнер сам должен определять, как элемент будет располагаться. Если нам надо создать сложную систему компоновки, то мы можем вкладывать один контейнер в другой, чтобы добиться максимально удобного расположения элементов управления.

Процесс компоновки

Процесс компоновки проходит два этапа: измерение (measure) и расстановка (arrange). На этапе измерения контейнер производит измерение предпочтительного для дочерних элементов места. Однако не всегда контейнер имеет достаточно места, чтобы расставить все элементы по их предпочтительным размером, поэтому их размеры приходится усекать. Затем происходит этап непосредственной расстановки дочерних элементов внутри контейнера.

Читайте также: