Интерактивная трассировка печатных плат

Автор А.Г. Аветисов

Аннотация

В статье приведено описание процесса ручной и интерактивной трассировки цепей на печатной плате. Рассматриваются различные методы и функциональные возможности интерактивной трассировки с ориентацией на применение современных автоматизированных систем проектирования печатных плат, таких как Altium Designer, Mentor Xpedition/PADS Professional, Delta Design.

Введение

Дадим определение понятию трассировка.

Трассировка – это процесс определения пути, связывающего узлы цепи. Создание этого пути осуществляется с помощью размещения на проводящих слоях объектов, таких как трассы, дуги и переходные отверстия, чтобы они формировали непрерывное соединение между узлами.

Кроме того, важным объектом в процессе трассировки печатных плат является топология - порядок расположения линий соединения цепи. Топологию определяет применяемое правило проектирования, областью действия по умолчанию которого являются все цепи.

После передачи данных из схемы, в рабочей области редактора печатных плат размещаются компоненты с отображенными линиями соединения, показывающими связь контактных площадок одной цепи или иначе мы получаем «кучу» хаотично расположенных компонентов с линиями соединения (не проводниками). После получения «кучи», мы приступает к компоновке печатной платы, а затем к трассировке (дополнительная информация доступна по ссылке Компоновка и трассировка печатной платы

Следует различать следующие методы трассировки печатных проводников:

1. ручная трассировка (route manual);
2. интерактивная трассировка (route interactive) или полуавтоматическая;
3. автоматическая трассировка.

Ручная трассировка печатных проводников – трассировка, при которой прокладка трасс производится полностью вручную, при этом разработчик выполняет визуальный контроль за соблюдением технологических норм и ограничений, а автоматизированная система проектирования играет роль кульмана, осуществляя пассивный контроль за соблюдением технологических норм и ограничений.

Интерактивная трассировка печатных проводников – интеллектуальная трассировка, при которой система автоматизированного проектирования осуществляет непосредственный контроль за соблюдением технологических норм и ограничений, заданных в настройках правил проектирования печатной платы (DRC). При данном режиме трассировки разработчик лишь указывает направление фрагмента трассы.

Дополнительную информацию по правилам проектирования печатной платы (DRC) см. по ссылке Общие вопросы трассировки печатных плат

Автоматическая трассировка печатных проводников – интеллектуальная трассировка, при которой система автоматизированного проектирования осуществляет трассировку трасс в соответствии с заданными в настройках правилами проектирования печатной платы (DRC) и режимом стратегии трассировки, заданных разработчиком.

К специальным инструментам трассировки следует отнести:

1. трассировку стрингеров (route fanout) – для полуавтоматической генерации выравнивающих отрезков трасс группы проводников;
2. трассировку шин (route bus) – для одновременной трассировки в интерактивном режиме нескольких параллельных проводников, образующих шину или жгут;
3. мультитрассировка (route multitrace) – для одновременной автоматической трассировки в одном слое нескольких соединений, указанных пользователем;
4. Gloss (Сглаживание) – улучшение геометрии трасс за счет уменьшения числа изломов и сокращения общей длины трассы. Сглаживание сохраняет ширину существующих трасс и зазор дифференциальных пар;
5. Retrace (Повторная трассировка) – предполагает, что общая геометрия трасс является удовлетворительной, и вместо этого проверяет трассировку на соответствие правилам проектирования. В то время как сглаживание сохраняет ширину трасс и зазоры дифференциальных пар, инструмент Retrace изменяет эти значения на предпочтительные (Preferred). Повторную трассировку актуально применять в тех случаях, когда правило проектирования было изменено, и эти изменения необходимо применить к существующим объектам цепи;
6. эскизная трассировка (рассматривается ниже).

Ручная трассировка печатных проводников

Методы ручной трассировки включают в себя следующую последовательность действий:

1. перед началом трассировки необходимо разместить компоненты на печатной плате и задать электрические связи между их выводами;
2. для проведения трассы необходимо предварительно выбрать сигнальный слой, в котором будет располагаться сегмент трассы и выбрать или задать ширину сегмента;
3. нужно установить подходящий шаг координатной сетки и выбрать такой масштаб изображения, чтобы были видны узлы сетки;
4. необходимо выбрать режим раскладки проводников: 90 (проводники ортогональны), 45 (сглаживание отрезками прямых под углом 45 градусов), arc (сопряжение по дуге - проводники ортогональны), any (проводники под любым углом без сглаживания), tangentarc (сглаживание касательными дугами - проводники под любым углом);
5. для начала трассировки следует левой кнопкой мыши выбрать объект, принадлежащий выбранной цепи (контактную площадку, линию соединения, существующее переходное отверстие, конец трассы частично трассированной цепи), с которого должна начинаться (продолжаться) трасса, и затем отмечать щелчками левой кнопкой мыши все места изломов проводника трассы. Однако можно левую кнопку мыши нажать и не отпускать при перемещении курсора, что позволяет визуально контролировать положение текущего сегмента трассы. Далее необходимо отпустить левую кнопку мыши для завершения прокладки трассы.

Интерактивная трассировка печатных проводников

При данном методе трассировки прокладка трасс может осуществляться как полностью автоматически (с огибанием препятствий), так и под управлением пользователя.

Методы интекрактивной трассировки включают в себя следующую последовательность действий:

1. для проведения трассы необходимо предварительно выбрать сигнальный слой, в котором будет располагаться сегмент трассы и выбрать или задать ширину сегмента;
2. нужно установить подходящий шаг координатной сетки и выбрать такой масштаб изображения, чтобы были видны узлы сетки;
3. левой кнопкой мыши необходимо выбрать объект, принадлежащий выбранной цепи (контактную площадку, линию соединения, существующее переходное отверстие, конец трассы частично трассированной цепи). Далее, не отпуская кнопку мыши, необходимо перемещать курсор в направлении следующего объекта цепи, входящего в трассируемую цепь. За курсором потянется контурное изображение участка трассы, автоматически огибающего препятствия. Конфигурация трассируемого участка будет динамически меняться в зависимости от положения курсора и наличия препятствий. Редактор плат перейдет к ближайшему электрическому объекту этой цепи, например, центру контактной площадки или концу отрезка трассы, после чего попытается проложить путь от этой точки до текущего положения курсора;
4. для фиксации проложенного участка трассы следует отпустить левую кнопку мыши.

Интерактивная трассировка является умным процессом. После запуска команды и щелчку мыши по контактной площадке для выбора соединения, интерактивный трассировщик пытается проложить путь от этой контактной площадки до текущего положения курсора.

Размер размещаемой трассы определяется соответствующим правилом проектирования для ширины трассы и текущим режимом ширины трассы. Как интерактивный трассировщик будет взаимодействовать с существующими объектами, такими как контактные площадки других цепей, зависит от выбранного режима разрешения конфликтов. При контакте с каким-либо объектом, интерактивный трассировщик разрешает этот конфликт путем применения одного из режимов (стратегий) разрешения конфликтов трассировки:

1. Ignore Obstacles (игнорировать препятствия) – игнорировать существующие объекты (трассировка может быть размещена свободно). Нарушения будут выделены;
2. Push Obstacles (расталкивать препятствия) – расталкивать существующие трассы и переходные отверстия для освобождения пространства для новой трассы;
3. Walkaround Obstacles (обходить препятствия) – пытаться найти обходной путь вокруг существующих объектов. Допустимое расстояние до других объектов определяется применяемым правилом проектирования Clearance;
4. Stop At First Obstacle (остановить на первом препятствии) – в этом режиме, модуль трассировки прекратит работу при первом встреченном препятствии;
5. Hug And Push Obstacles (огибать и расталкивать препятствия) – в этом режиме, трасса будет проходить близко к существующим объектам и расталкивать их лишь в том случае, если будет недостаточно пространства для трассируемых сегментов;
6. AutoRoute on Current Layer (автоматически трассировать на текущем слое) – этот режим использует возможности автотрассировки при интерактивной трассировке, автоматически выбирая между расталкиванием и обходом для достижения наименьшей общей длины трассы;
7. AutoRoute on Multiple Layers (Автоматически трассировать на множестве слоев) – этот режим также использует возможности автотрассировки при интерактивной трассировке, автоматически выбирая между расталкиванием, обходом и изменением слоя для достижения наименьшей общей длины трассы.

Интерактивную трассировку можно применить:

1. к одиночной цепи – Route -> Interactive Routing
2. к двум цепям, определенным как дифференциальная пара – Route -> Interactive Differential Pair Routing
3. к набору выбранных цепей – Route -> Interactive Multi-Routing

Одним из ключевых понятий при интерактивной трассировке является концепция связности. Суть данной концепции заключается в том, что редактор плат включает в себя модуль анализа цепей, который в режиме реального времени отслеживает все объекты в рабочей области и обновляет линии соединения при изменении какого-либо объекта цепи (в том числе при перемещении этого объекта). Например, при перемещении компонента, линия соединения может изменить контактную площадку, к которой она подключена, в соответствии с топологией, заданной в правиле проектирования (DRC).

Кроме того, модуль анализа цепей отслеживает все объекты цепей. Например, после трассировки соединения, его линии между двумя контактными площадками автоматически удаляются. При частичной трассировке цепи будет отображена более короткая линия соединения между двумя ближайшими точками трассировки этой цепи.

В процессе интерактивной трассировки используются различные команды, позволяющие управлять этим умным процессом:

1. Режим разрешения конфликтов – огибание, обход, рассталкивание препятствий.
2. Переключение угла направления проводников.
3. Переключение сигнальных слоев.
4. Добавление переходных отверстий.
5. Автоматическое завершение текущей трассы.
6. Управление шириной трассы в процессе трассировки.

   Здесь возможны четыре варианта управления шириной трассы: пользовательская ширина, и ширина, заданная в правилах проектирования печатной платы – минимальное, предпочтительное, максимальное.

   Как правило, при переключении в режим пользовательского выбора, ширина трассы будет равна ширине существующей трассировки либо последней ширине пользовательского выбора, если ее значение находится в допустимом диапазоне, заданном правилом, применимым к трассируемой цепи. В противном случае, будет подобрано наиболее близкое к выбранному значение, допустимое правилом.

   Следует отметить, что общей сложностью проектирования устройств на современной элементной базе является необходимость трассировки цепи с различной шириной на разных участках платы. Например, при трассировке в направлении к компоненту в корпусе с матрицей шариковых выводов – BGA, как правило, необходимы более узкие трассы, которые на границе посадочного места этого компонента изменяют свою ширину на предпочтительную для всей платы.

7. Управление размером переходных отверстий в процессе трассировки

   Как и в случае с шириной трассы, существует четыре возможных настройки источника для размера переходного отверстия: выбранное конструктором значение размера переходного отверстия либо минимальное, предпочтительное или максимальное значение, заданное применяемым правилом проектирования.

8. Изменение слоя и добавление переходного отверстия в процессе трассировки.
9. Изменение структуры перехода в процессе трассировки.
10. Режим следования при интерактивной трассировке.

    Общей задачей при интерактивной трассировке является размещение трассы, которая повторяет форму существующего контура. Этим контуром может быть препятствие, вырез, граница платы или существующая трассировка.

    Вместо того, чтобы конструктор аккуратно и точно выполнял перемещения курсора и щелчки мышью, чтобы трассировка огибала контур, режим следования позволяет просто указать контур, а затем перемещать мышь вдоль него для указания направления трассировки. В режиме следования, интерактивный трассировщик размещает линии и дуги таким образом, что новая трасса следует форме контура, в соответствии с применяемыми правилами проектирования. В частности, эта возможность полезна при размещении искривленных трасс.

11. Динамическое отображение границ зазоров в процессе интерактивной трассировки.

    В процессе трассировки существует возможности динамически отображать зазоры вокруг существующих объектов в рабочей области. Это связано с тем, что возникают вопросы, а почему нельзя между определенными объектами на печатной плате провести печатный проводник. Для решения этих вопросов и существует динамическое отображение зазоров, что позволяет в режиме реального времени контролировать направление трассы с учетом правил проектирования и пониманием того, почему именно в определенном направлении следует прокладывать трассу (см. рисунок 1).

    

    Рисунок 1 - Динамическое отображение границ зазоров

12. Улучшение качества трассировки.

    Редактор плат включает в себя мощные инструменты для повышения качества существующих трасс. Эти инструменты, известные как Glossing (Сглаживание) и Retracing (Повторная трассировка).

    Кроме того, тенденция развития интерактивной трассировки связано с развитием функциональных возможностей данного типа трассировки применительно к быстродействующим цепям - трассировка с контролируемым импедансом, размещение дуг в изломах и согласование длины цепей:

    - возможность настраивать плотность углов, и если в вашем проекте нужны искривленные углы, их можно разместить в процессе интерактивной трассировки. Сглаживание позволяет размещать кривые трассы вокруг существующих объектов;

    - размещение искривленных изломов трасс наряду с размещением трасс под произвольным углом реализуют "змеиную трассировку", которая полезна при создании трасс за пределы посадочного места компонента в корпусе BGA;

    - возможность трассировки под произвольным углом;

    - интерактивное перетаскивание трасс;

    - подстройка длины трасс, необходимая при согласовании длин цепей, путем добавления меандров вдоль пути трассы.

Эскизная трассировка

Развитие теории и практики автоматической и интерактивной трассировки привели к разработке нового алгоритма трассировки печатных плат – эскизной.

Актуальность применения данной технологии связана с тем, что автоматизация имеет известные пределы и в ряде случаев может быть более обременительной, чем рутинная работа, которую она должна была заменить. Например, при трассировке цепей с контролируемым импедансом, быстродействующих и высокоскоростных цепей. Кроме того, по мере роста сложности проекта (проекты сильно ограничены большим количеством правил, имеют малые физические размеры, требуют обеспечения целостности сигналов и т.п.) все более сложным процессом становится и интерактивная трассировка с контролем множества правил проектирования. В связи с изложенным, эскизная трассировка печатных плат становится гибким инструментом при упрощении и ускорении трассировки высокоскоростных и быстродействующих печатных плат. Суть эскизной трассировки – возможность автоматической трассировки критических цепей, которые как правило реализуются интерактивной трассировкой, с целью уменьшения количества итераций при исправлении ошибок, возникающих при автоматической трассировке таких цепей.

Дадим определение эскизной трассировке.

Эскизная трассировка – это инструмент для автоматической трассировки цепей под контролем пользователя с качеством ручной трассировки в полном соответствии с заданными ограничениями. Эскизная трассировка представляет собой синтез автоматической и интерактивной трассировки.

Принцип работы эскизной трассировки включает следующую последовательность действий:

1. выбирается необходимая цепь или группа цепей (см. рисунок 2);
   

   Рисунок 2 - Выделение группы цепей

2. выбирается режим рисования эскиза;
3. выбираются стили переходных отверстий;
4. выбирается активный слой, на котором должна быть выполнена трассировка;
5. рисуется эскиз: конструктор рисует линию, вдоль которой должны быть проведены выделенные связи (см. рисунок 3);
   

   Рисунок 3 - Создание эскиза для последующей трассировки

6. после того как эскиз выполнен, нажимается правая клавиша мыши для автоматической трассировки по вашему эскизу (см. рисунок 4, 5).

Заключение

В данной статье рассмотрены основные функциональные возможности интерактивной трассировки печатных плат, представляющую собой интеллектуальный процесс. Интерактивная трассировка позволяет ускорить процесс трассировки печатных плат, а также повысить качество конечного изделия, за счет реализации концепции проверки правил проектирования в режиме реального времени. Тем не менее, следует отметить, что опытный конструктор должен знать, когда именно лучше применить интерактивную трассировку, а когда автоматическую или ручную или эскизную. Познание этих тонкостей – творческий этап, который нарабатывается практическим опытом.