Разработка моделей и алгоритмов согласования задержек сигналов в линиях передачи для САПР печатного монтажа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Лысенко, Андрей Александрович

• Лысенко, Андрей Александрович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лысенко, Андрей Александрович

Содержание.

Введение.

1 Проблемы обеспечения заданных задержек сигналов в печатных платах.

1.1 Расчёт зигзагообразных линий задержек.

1.2 Создание линий задержки в современных САПР.

2 Создание проводников заданной длины.

2.1 Описание линий задержки.

2.2 Расчет параметров линии задержки.

2.2.1 Длина линии задержки в прямоугольнике.

2.2.2 Максимально возможная добавка длины линии задержки в верхнем треугольнике.

2.2.3 Расчет длины линии задержки в трапеции.

2.2.4 Расчет длины линии задержки в равнобедренной трапеции или в параллелограмме.

2.2.5 Расчет длины линии задержки в симметричном прямоугольнике

2.2.6 Расчет первой критической длины линии задержки.

2.2.7 Расчет второй критической длины линии задержки.

2.2.8 Расчет третьей критической длины линии задержки.

2.3 Расчет формы линии задержки по заданной длине.

2.3.1 Уменьшение большего треугольника до требуемого размера.

2.3.2 Уменьшение обоих треугольников до требуемого размера.

2.3.3 Уменьшение большего прямоугольника до требуемого размера

2.3.4 Уменьшение обоих прямоугольников до требуемого размера.

2.3.5 Вычисление параметров первой закритической линии задержки

2.3.6 Вычисление параметров второй закритической линии задержки

2.3.7 Вычисление параметров третьей закритической линии задержки

2.4 Формирование линий задержки и точная подгонка длины.

2.4.1 Линия задержки в трапеции (без аппроксимации).

2.4.2 Линия задержки в трапеции (с аппроксимацией).

2.4.3 Вторая и третья закритические линии задержки.

3 Методы выравнивания задержек сигналов.

3.1 Автоматическое выравнивание задержек сигналов.

3.2 Уменьшение разброса длин до этапа трассировки.

3.3 Переназначение функционально эквивалентных контактов.

3.4 Поворот компонентов.

3.5 Уменьшение разброса длин на этапе оптимизации разводки.

3.6 Выравнивание задержек сигналов после трассировки соединений.

4 Программная реализация и интеграция в САПР "TopoR".

4.1 Ручное выравнивание задержек сигналов.

4.2 Автоматическое выравнивание задержек сигналов.

4.3 Сравнение со средствами выравнивания задержек сигналов в САПР «Expedition».

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка моделей и алгоритмов согласования задержек сигналов в линиях передачи для САПР печатного монтажа»

Быстродействие вычислительной техники постоянно возрастает. При этом, современные компьютеры, как и прежде, состоят из блоков синхронной логики, управляемых централизованной системой тактовой синхронизации.

В высокоскоростной цифровой электронике требуется синхронизировать тактируемые сигналы в точках приема. Чтобы получить приемлемую расфазировку, недостаточно просто протянуть ко всем точкам сети линии передачи одинаковой длины. Необходимо, чтобы все эти трассы обеспечивали одинаковые задержки сигналов. Отметим, например, что, проводники на внешних сторонах платы (или микрополосковые линии) по сравнению с проводниками на внутренних слоях (или полосковыми линиями) обладают более высокой скоростью распространения сигнала. Кроме того, необходимо единообразно согласовать линии синхронизации и обеспечить одинаковые оконечные нагрузки. От того, насколько полно будут выполнены эти три требования, зависит точность согласования линий синхронизации.

Для решения первой из задач (обеспечения одинаковых задержек сигналов) необходимо иметь средства автоматического создания проводников заданной длины и механизмы синхронизации задержек сигналов.

Актуальность работы обусловлена невозможностью эффективного обеспечения процесса синхронизации передачи сигналов при проектировании печатных плат с использованием современных САПР.

Проблема состязаний сигналов в цифровых схемах еще совсем недавно связывалась, в основном, с задержками на элементах и с различием числа элементов на пути прохождения сигналов. В современных высокоскоростных схемах (речь идет о диапазоне сотни МГц - единицы ГГц) проводники представляют собой длинные линии (длина проводника превышает длину электромагнитной волны), поэтому уже недостаточно просто раскассировать печатную плату, необходимо также обеспечить согласование задержек сигналов в линиях передачи. На плотных платах трудоемкость согласования задержек сигналов может быть достаточно высокой, и автоматизация этого процесса является актуальной задачей.

Цель работы - нивелировать разницу задержки сигналов в линиях передачи на печатных платах.

Достижение указанной цели предполагает решение следующих основных задач:

1) анализ применяемых моделей и алгоритмов расчета и синхронизации задержек сигналов в линиях передачи на печатных платах;

2) разработка моделей и алгоритмов автоматического создания проводников заданной длины;

3) разработка моделей и алгоритмов расчета необходимых добавок линий задержек в цепях для синхронизации сигналов;

4) разработка моделей и алгоритмов автоматической синхронизации задержек сигналов в цепях;

5) реализация программных средств, обеспечивающих как интерактивную, так и автоматическую синхронизацию задержек сигналов в цепях, и интеграция их в САПР «ТороЯ».

Для решения поставленных задач использовались аппараты теории графов, векторной алгебры и аналитической геометрии, методы оптимизации на графах, исследования операций и искусственного интеллекта.

Научная новизна представляемой диссертационной работы заключается в следующем:

1) предложена концепция комплексного подхода к решению задачи синхронизации задержек сигналов, включающая различные модели и алгоритмы, используемые на разных этапах проектирования печатного монтажа;

2) предложена модель линии задержки в виде трапециевидной области, в которую вписывается проводник, форма которого динамически меняется в зависимости от заданных условий;

3) предложены формулы расчета формы проводника заданной длины в заданной области, обеспечивающие погрешность не более 50 нм;

4) предложена методика сокращения длины максимальных проводников в группе на этапе автотрассировки;

5) предложена методика сокращения разброса длин проводников в группе за счет переназначения функционально эквивалентных контактов и поворота компонентов;

6) предложен алгоритм автоматического создания областей, расчета и коррекции их размеров для обеспечения выравнивания заданных задержек сигналов при выполнении конструктивно-технологических ограничений.

На защиту выносятся следующие положения:

1) эффективное решение задачи обеспечения требуемых задержек сигналов в линиях передачи возможно в рамках комплексного подхода с применением различных моделей и алгоритмов, используемых на разных этапах проектирования печатного монтажа;

2) модель зигзагообразной линии задержки в виде области, в которую вписывается проводник, форма которого динамически меняется в зависимости от заданных условий, обеспечивает возможность параллельного согласования задержек сигналов;

3) алгоритм автоматического создания областей зигзагообразных линий задержки, расчета и коррекции их размеров с учетом выполнения конструктивно-технологических ограничений обеспечивает эффективное выравнивание заданных задержек сигналов.

Практическая ценность работы состоит в создании программных средств, позволяющих выравнивать задержки сигналов как в автоматическом, так и в интерактивном режимах. Указанные программные средства входят в состав САПР «ТороЯ» [1-15]. Применение разработанных средств обеспечивает существенное сокращение сроков проектирования высокоскоростных печатных узлов, повышение надёжности и улучшение качества функционирования радиоэлектронных средств [16].

Результаты диссертационной работы в виде конкретных положений, выводов, методов, алгоритмов, машинных программ и расчетных данных внедрены в инженерную практику и используются в составе САПР «ТороЯ» на промышленных предприятиях Москвы, Санкт-Петербурга, Нижнего Новгорода, Тулы, Рязани и Киева, а также в учебном процессе СПбГУАП, СПбГЭТУ (ЛЭТИ).

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на следующих конференциях:

- 8-й международной НПК "Современные информационные и электронные технологии", г. Одесса, 2007г.;

- 7-й Международной конференции "САХ>/САМ/РБМ-2007", г. Москва, 2007г.;

- 9-й международной НПК "Современные информационные и электронные технологии", г. Одесса, 2008г.;

- 10-й международной НПК "Современные информационные и электронные технологии", г. Одесса, 2009г.;

- 11-й международной НПК "Современные информационные и электронные технологии", г. Одесса, 2010г.;

- 10-й Международной конференции "САЭ/САМ/РОМ-2010", г. Москва, 2010г.

По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них - 2 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК России, 1 статья в рецензируемом издании, рекомендованном ВАК Украины, 2 статьи в других изданиях и 7 работ в материалах международных научно-технических конференций:

- Лысенко A.A., Полубасов О.Б. "Обеспечение заданной длины проводников в САПР TopoR" // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2009. - №4. - С. 3-21;

- Лысенко A.A., Полубасов О.Б. Проектирование высокоскоростных плат в САПР TopoR // Электроника: НТБ. -2010.-№2.-С. 102-103;

- Лысенко A.A., Лузин С.Ю., Полубасов О.Б. Выравнивание задержек в САПР TopoR // Труды Международной конференции "CAD/CAM/PDM-2010" / - М.: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН. - 2010. - С.179-184;

- Lysenko A., Luzin S., Polubasov О. Synchronizing Delays in Signal Transmission Lines in a Flexible Topological Routing System (Согласование задержек в линиях передачи сигналов в системе гибкой топологической трассировки). // Onboard Technology. -September 2011.-pp. 14-17;

- Лысенко A.A., Лячек Ю.Т., Полубасов О.Б. Автоматическое формирование линий задержки в топологии печатного монтажа // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". - 2011. - №9. - С. 61-65.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 47 наименований. Основная часть работы изложена на 132 страницах машинописного текста. Работа содержит 80 рисунков и 2 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Лысенко, Андрей Александрович

Выводы

1. Разработаны программные средства, позволяющие выравнивать задержки сигналов как в автоматическом, так и в интерактивном режимах. Указанные программные средства включены в состав САПР «TopoR». Применение разработанных средств обеспечивает существенное сокращение сроков проектирования высокоскоростных печатных узлов, повышение надёжности и улучшение качества функционирования радиоэлектронных средств.

2. Сравнение результатов работы средств выравнивания задержек сигналов в САПР «TopoR» и САПР «Expedition» демонстрирует несомненное преимущество разработанных моделей и алгоритмов по сравнению с аналогами в части быстродействия и качества получаемых решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Предложена концепция комплексного подхода к решению задачи синхронизации задержек сигналов, включающая различные модели и алгоритмы, используемые на разных этапах проектирования печатного монтажа.

2. Предложена методика сокращения длины максимальных проводников в группе на этапе автотрассировки.

3. Предложена методика сокращения разброса длин проводников в группе за счет переназначения функционально эквивалентных контактов и поворота компонентов.

4. Предложена модель линии задержки в виде трапециевидной области, в которую вписывается проводник, форма которого динамически меняется в зависимости от заданных условий.

5. Предложены формулы расчета формы проводника заданной длины в заданной области, обеспечивающие погрешность не более 50 нм.

6. Предложен алгоритм автоматического создания областей, расчета и коррекции их размеров для обеспечения выравнивания заданных задержек сигналов при выполнении конструктивно-технологических ограничений.

7. Разработаны программные средства, позволяющие выравнивать задержки сигналов как в автоматическом, так и в интерактивном режимах. Указанные программные средства входят в состав САПР «ТороК». Применение разработанных средств обеспечивает существенное сокращение сроков проектирования высокоскоростных печатных узлов, повышение надёжности и улучшение качества функционирования радиоэлектронных средств.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лысенко, Андрей Александрович, 2012 год

1. Лузин С.Ю. Автоматизация проектирования печатных плат. Система топологической трассировки TopoR: учебное пособие / С.Ю. Лузин, Ю.Т. Лячек, О.Б. Полубасов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2005. - 164 с.

2. Лузин С.Ю. Топологический трассировщик печатных плат TopoR / С.Ю. Лузин, О.Б. Полубасов // Электронные компоненты. 2005. № 11.-С. 59-62.

3. Лузин С.Ю. Модели и алгоритмы автоматизированного проектирования радиоэлектронной аппаратуры /С.Ю. Лузин, Ю.Т. Лячек, Г.С. Петросян, О.Б. Полубасов. СПб.: БХВ-Петербург, 2010.-224 с.

4. Лысенко A.A., Лузин С.Ю., Лузина Е.С., Петросян Г.С. Новые возможности САПР TOPOR // "Современные информационные и электронные технологии": труды 8-й международной НПК, Одесса, 2007 г. Одесса: б.и., 2007. - С. 25.

5. Лысенко A.A., Полубасов О.Б. Аппроксимация дугообразных участков проводников // "Современные информационные и электронные технологии": труды 8-й международной НПК, Одесса, 2007 г. Одесса: б.и., 2007. - С. 258.

6. Лысенко A.A., Лузин С.Ю., Петросян Г.С., Полубасов О.Б. Учет размера межслойных переходов в топологической модели печатного монтажа, используемой в САПР "TOPOR" //

7. Современные информационные и электронные технологии": труды 9-й международной НПК. Т.2., Одесса, 2008 г. - Одесса: б.и., 2008.-С. 26.

8. Лысенко A.A., Лузин С.Ю., Петросян Г.С., Полубасов О.Б. Регулирование длины проводников в САПР TopoR // "Современные информационные и электронные технологии": труды 10-й международной НПК. Т.2., Одесса, 2009 г. - Одесса: б.и., 2009. -С. 49.

9. Лысенко A.A., Полубасов О.Б. "Обеспечение заданной длины проводников в САПР TopoR" // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2009. - №4. - С. 3-21.

10. Лысенко A.A., Полубасов О.Б. Проектирование высокоскоростных плат в САПР TopoR // Электроника: НТБ. 2010. -№2. - С. 102-103.

11. П.Лысенко A.A., Лузин С.Ю., Петросян Г.С., Полубасов О.Б. Средства проектирования высокоскоростных плат в САПР TopoR // Труды 11-й международной НПК "Современные информационные и электронные технологии". Т.2. Одесса. - 2010. - С. 37.

12. Лысенко A.A., Лузин С.Ю., Полубасов О.Б. Выравнивание задержек в САПР TopoR // Доклад 10-й Международной конференции "CAD/CAM/PDM-2010" / М.: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН. - 2010. - С. 90.

13. Лысенко A.A., Лузин С.Ю., Полубасов О.Б. Выравнивание задержек в САПР TopoR // Труды Международной конференции "CAD/CAM/PDM-2010" / M.: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН. - 2010. - С.179-184.

14. S. Luzin, О. Polubasov Advantages of Isotropic PCB Routing // Printed Circuit Design & Fab. June 2009. - pp. 38-40.

15. O. Polubasov Routing Concepts of a Topological Router CAD System // Onboard Technology. May 2011.-pp. 11-15.

16. Мироненко И.Г. Автоматизация проектирования узлов и блоков РЭС средствами современных САПР: учебное пособие для вузов / И.Г. Мироненко, В.Ю. Сухо дольский, К.К. Холуянов. М.: Высш. школа, 2002. - 391 с.

17. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники. М.: Высш. школа, 1996. - С. 353.

18. Михайлов В.Б. Численно-аналитические методы решения сверхжестких дифференциально-алгебраических систем уравнений.- СПб.: Наука, 2005. 234 с.

19. Джонсон Г., Грэхем М. Высокоскоростная передача цифровых данных: высший курс черной магии. // М.: Изд. дом "Вильяме", 2005.-1024 с.

20. Елшин Ю.М. Справочное руководство по работе с подсистемой Specctra в P-CAD 2001/2002 / Ю.М. Елшин. М.: Издательский дом "СОЛОН-Пресс", 2003. - 320 с.

21. Pulsonix Design System Version 4.0 Update Notes. WestDev Ltd., 2006.- Режим доступа: http://www.pulsonix.com/downloads/ manuals/Pulsonix 4.0 Update Notes.pdf

22. Кнут Д. Искусство программирования, том 2. Получисленные алгоритмы, 3-е изд. / Дональд Э. Кнут; пер. с англ. М.: Издательский дом "Вильяме", 2003. - 832 с.

23. Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход. // М.: Мир.-1978.-432 с.

24. Алгоритмы: построение и анализ, 2-е изд. / Томас X. Кормен и др.; пер. с англ. М.: Издательский дом "Вильяме", 2007. - 1296 с.

25. Гэри М. Вычислительные машины и труднорешаемые задачи / М. Гэри, Д. Джонсон; пер. с англ. М.: Мир, 1982. - 416 с.

26. Джонсон Г., Грэхем М. Конструирование высоскоростных цифровых устройств: начальный курс черной магии. // М.: Изд. дом "Вильяме", 2006. 624 с.

27. Кечиев JI.H. Проектирование печатных плат для быстродействующей аппаратуры. // М.: ООО "Группа ИДТ", 2007. -616с.

28. Медведев A.M. Печатные платы. Конструкции и материалы / A.M. Медведв. М.: Техносфера, 2005. - 304 е.: ил.

29. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования / Э. Гамма и др.; пер. с англ. СПб.: Питер, 2001. -368 с.

30. Романовский И.В. Алгоритмы решения экстремальных задач / И.В. Романовский. М.: Наука, 1977. - 352 с.

31. Уилльямс Т. ЭМС для разработчиков продукции / Т. Уильяме; пер. с англ. М.: Издательский дом "Технологии", 2004. - 540 с.

32. Armstrong К. Advanced РСВ design and Layout for EMC. Part 4 -Reference Planes for 9 V and power / K. Armstrong // EMC&Compliance Journal. 2001. C. 13-43.

33. Armstrong K. Advanced PCB design and Layout for EMC. Part 6 -Transmission Lines / K. Armstrong // 3rd. EMC&Compliance Journal. 2001. C. 1-30.

34. Bahl I.J. Simple and Accurate Formulas for Microstrip with Finite Strip Thickness / I.J. Bahl, R. Garg // Proc. IEEE. Vol. 65. 1977. C. 16111612.

35. Balanis C.A. Advanced Engineering Electromagnetics / Constantine A. Balanis. John Wiley and Sons, 1989.

36. Brooks D. Microstrip Propagation Times. Slower Than We Think / D. Brooks. Ultra CAD Design, Inc., 2002. -10 c.

37. Coombs C.F. Printed Circuits Handbook, 4th ed. / Clyde F. Coombs, Jr. -McGraw-Hill, 1996.

38. Edwards T.C. Foundations of Interconnect and Microstrip Design, 3rd ed. / T.C. Edwards. John Wiley and Sons, 2000.

39. Gupta K.C. Microstrip Lines and Slotlines, 2nd ed. / K.C. Gupta, Ramesh Garg. Artech House, 1996.

40. Hasegawa H. Analysis of Interconnection Delay on Very High-Speed LSI/VLSI Chips Using an MIS Microstrip Line Model / H. Hasegawa, S. Seki // IEEE Trans. Electron. Devices, ED-31. Dec. 1984. C. 1954-1960.

41. Hogan M. Advanced Routing Techniques: The Importance of Timing / M. Hogan. Mentor Graphics Corporation, 2003.

42. Hogan M. Circuit Timing Analysis: Mastering A Lost Art Timing and Signal Integrity Technical Marketing Engineer for High-Speed Design Tools / M. Hogan. September 2001.

43. Hogan M. A Matter of Timing. / M. Hogan // Printed Circuit Design & Manufacture. 2004. № 12. C. 22-27.

44. Jonson H. High-Speed Signal Propagation / H. Jonson // H. Jonson and Signal Consulting. 2002. C. 5.1-5.3.

45. Kwon Y.R. Quasi-TEM analysis of 'Slow-Wave' Mode Propagation on Coplanar Microstructure MIS Transmission Lines / Y.R. Kwon, V.M. Hietala, and K.S. Champlin // IEEE Trans. Microwave Theory Tech., MTT-35(6). June 1987. C. 545-551.

46. Mears J. Transmission Line RAPIDESIGNER Operation and Applications Guide / J. Mears. AN-905, National Semiconducter Corporation, 1996. - 28 c.

47. Wadell B. Transmission Line Design Handbook / Brian Wadell. -Artech House, 1991.