Введение
Процесс проектирования
Процесс проектирования цепей может охватывать системы, начиная от сложных электронных систем и заканчивая отдельными транзисторами внутри интегральной схемы. Один человек часто может выполнить процесс проектирования простых схем без необходимости в заранее спланированном или структурированном подходе. Однако, для более сложных проектов все чаще используются команды разработчиков, применяющие систематический подход с использованием интеллектуально управляемого компьютерного моделирования. В автоматизированном проектировании интегральных схем термин "проектирование схем" обычно относится к этапу цикла проектирования, результатом которого является принципиальная схема интегральной схемы. Как правило, этот этап находится между логическим и физическим проектированием.
Процесс
Традиционный процесс разработки схемы обычно включает несколько этапов. Иногда техническое задание составляется после согласования с заказчиком. Может быть подготовлено техническое предложение для соответствия требованиям технического задания заказчика. Следующий этап заключается в создании на бумаге принципиальной схемы, абстрактной электрической или электронной схемы, отвечающей заданным требованиям. Необходимо рассчитать номиналы компонентов для обеспечения соответствия рабочим характеристикам в заданных условиях. Для проверки корректности разработки могут выполняться имитационные расчеты. Для проверки соответствия спецификации может быть собран макет или прототип. Это может потребовать внесения изменений в схему для достижения соответствия требованиям. Необходимо выбрать метод изготовления и все необходимые детали и материалы. Информация о компонентах и компоновке передается конструкторам и инженерам-механикам для изготовления прототипа. Далее проводятся испытания нескольких прототипов, включая приемочные, для обеспечения соответствия требованиям заказчика. Обычно происходит подписание и утверждение окончательных производственных чертежей, а также могут предоставляться услуги постпроектной поддержки (например, замена устаревших компонентов).
Спецификация
Процесс проектирования схемы начинается со спецификации, которая определяет функциональность, которую должна обеспечивать готовая конструкция, но не указывает, как её следует реализовать. Первоначальная спецификация представляет собой подробное техническое описание желаемого результата для заказчика и может включать в себя различные электрические требования, такие как входные сигналы, выходные сигналы, доступные источники питания и допустимое энергопотребление. Спецификация может (и обычно так и бывает) также устанавливать определенные физические параметры, которым должна соответствовать конструкция, например, размер, вес, влагостойкость, температурный диапазон, тепловыделение, устойчивость к вибрации и перегрузкам. По мере продвижения процесса проектирования разработчик(и) часто возвращаются к спецификации и вносят в неё изменения, учитывая прогресс разработки. Это может включать в себя ужесточение требований, предоставленных заказчиком, и добавление тестов, которые схема должна пройти для приемки. Эти дополнительные требования часто используются при верификации проекта. Изменения, противоречащие или модифицирующие первоначальные спецификации заказчика, почти всегда должны быть одобрены заказчиком перед их реализацией. Точное определение потребностей заказчика позволяет избежать явления, известного как «расползание требований», которое возникает из-за нереалистичных первоначальных ожиданий и недостаточной коммуникации с заказчиком в процессе проектирования. Это можно определить по результатам: «на одном полюсе – схема с избыточной функциональностью, а на другом – схема с некорректной функциональностью». Тем не менее, некоторые изменения неизбежны. Хорошей практикой является сохранение гибкости как можно дольше, поскольку удалить из схемы лишние элементы позже проще, чем добавлять их.
Дизайн
Процесс проектирования включает переход от спецификации в начале к плану, содержащему всю информацию, необходимую для физического изготовления в конце; это обычно происходит путем прохождения нескольких этапов, хотя в простых схемах это может быть выполнено за один шаг. Процесс обычно начинается с преобразования спецификации в блок-схему, отображающую различные функции, которые должна выполнять схема. На этом этапе содержимое каждого блока не рассматривается, а учитывается только то, что каждый блок должен делать – это иногда называют проектированием "черного ящика". Такой подход позволяет разбить потенциально сложную задачу на более мелкие, которые можно решать последовательно или распределить между членами проектной команды. Затем каждый блок рассматривается более детально, все еще на абстрактном уровне, но с большим вниманием к деталям электрических функций, которые необходимо реализовать. На этом или более поздних этапах часто требуется проведение обширных исследований или математического моделирования для определения того, что достижимо, а что нет. Результаты этих исследований могут быть возвращены на более ранние этапы процесса проектирования; например, если окажется, что один из блоков невозможно спроектировать в заданных параметрах, может потребоваться изменить другие блоки. На этом этапе также обычно начинают продумывать способы демонстрации соответствия проекта спецификациям и методы его тестирования (включая инструменты самодиагностики). Наконец, выбираются отдельные компоненты схемы для реализации каждой функции в общем проекте; на этом этапе также определяется физическая компоновка и электрические соединения каждого компонента, которые обычно оформляются в виде чертежей для производства печатных плат или интегральных схем. Этот этап, как правило, очень трудоемок из-за огромного количества доступных вариантов. Практическим ограничением на этом этапе является стандартизация. В то же время, номинал компонента может быть рассчитан для использования в определенной точке схемы; если этот номинал невозможно приобрести у поставщика, проблема остается нерешенной. Чтобы избежать этого, для решения более рутинных задач в рамках общего проекта можно использовать так называемую "каталожную инженерию". Одной из областей стремительного развития технологий является проектирование наноэлектронных схем.
Расходы
Как правило, стоимость проектирования схем напрямую связана со сложностью конечных схем. Чем выше сложность (количество компонентов и новизна разработки), тем больше времени квалифицированного инженера потребуется для создания функционального продукта. Процесс может быть кропотливым, поскольку даже незначительные детали или особенности могут потребовать значительных затрат времени, материалов и трудовых ресурсов, например, при учете влияния 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 значительно превышают стоимость производства единицы, поскольку себестоимость производства и функциональность схемы в значительной степени зависят от ее конструкции. Хотя типичные методы производства печатных плат включают в себя вычитающее производство, существуют методы, использующие аддитивное производство, например, использование 3D-принтера для "печати" печатной платы. Считается, что этот метод обходится дешевле, чем вычитающее производство, и полностью устраняет необходимость в управлении отходами.
Проверка и испытания
После того, как схема спроектирована, её необходимо и проверить, и испытать. Проверка – это процесс последовательного анализа каждого этапа проектирования для подтверждения соответствия его требованиям спецификации. Этот процесс часто носит высокоматематический характер и может включать масштабное компьютерное моделирование схемы. В любом сложном проекте весьма вероятно обнаружение проблем на этом этапе, что может потребовать значительной переработки проектной документации для их устранения. Испытание является практическим аналогом проверки: оно включает в себя физическое создание как минимум прототипа схемы и последующую проверку её функционирования в соответствии с проектными требованиями, используя процедуры испытаний, указанные в спецификации или дополняющие её.
Программное обеспечение для проектирования
В программном обеспечении визуального DSD логическая схема дополнительной схемы реализуется с помощью компилируемого программного кода. Такие программы позволяют создавать более дешевые и эффективные схемы для различных типов цепей. Мы провели функциональное моделирование для проверки логических функций, соответствующих логическим выражениям в наших предлагаемых схемах. Предлагаемые архитектуры моделируются на языке VHDL. Использование этого языка позволяет создавать более эффективные схемы, которые будут не только дешевле, но и надежнее. Это лишь два из множества программных средств, помогающих разработчикам проектировать схемы для производства.
Прототипирование
Прототипирование играет значительную роль в сложном процессе разработки схем. Этот итеративный процесс предполагает непрерывное улучшение и исправление ошибок. Разработка схем – задача сложная, требующая скрупулезного внимания к деталям, чтобы избежать неточностей. Разработчики схем обязаны проводить множество тестов, чтобы гарантировать эффективность и безопасность своих разработок, прежде чем они будут признаны подходящими для использования потребителями. Прототипирование является неотъемлемой частью электротехнических работ благодаря своей точности и скрупулезности. Отсутствие прототипирования может привести к ошибкам в конечном продукте. Разработчики схем, получающие вознаграждение за свой опыт в создании электрических цепей, несут ответственность за обеспечение безопасности потребителей, приобретающих и использующих эти схемы в быту. Риски, связанные с пренебрежением процессом прототипирования и выпуском дефектной электрической схемы, весьма велики. Эти риски включают в себя возможность возникновения пожаров и перегрева проводов, что может привести к ожогам или серьезным травмам у невнимательных пользователей. Чертеж – это технический рисунок проекта и готового изделия. После его создания и использования для сборки схемы, можно получить впечатляющие результаты работы электрических цепей. Схема может питать все – от пылесоса до большого телевизора в кинотеатре. Все это требует значительного времени и определенных навыков, которые доступны не каждому. Электрические цепи – основа большинства вещей, необходимых нам в повседневной жизни.
Документация
Любой коммерческий проект обычно также включает в себя элемент документации; точная форма этой документации будет варьироваться в зависимости от размера и сложности схемы, а также от страны, в которой он будет использоваться. В минимальном объеме документация обычно включает в себя как минимум спецификацию и процедуры тестирования проекта, а также декларацию о соответствии действующим нормативным требованиям. В ЕС эта декларация обычно оформляется в виде декларации CE, в которой перечисляются соблюденные европейские директивы и указывается лицо, ответственное за соответствие.