Проектирование принципиальных схем и печатных плат в программной среде Mentor Graphics PADS 9.5.
Трассировка проводников печатной платы в редакторе PADS Router. Часть 1

Введение

Новые устройства становятся все более сложными, поэтому для решения задач их проектирования инженерам необходимы современные технологии разработки систем на уровне печатных плат, позволяющие ускорить процесс создания и повысить качество готовых изделий и отвечающие технологическим регламентам.

Сложные печатные платы с большим количеством электрических и технологических ограничений, высокой плотностью монтажа компонентов и множеством высокоскоростных сигнальных шин данных требуют нового подхода к проектированию. Использование традиционных и устаревших САПР, таких как P‑CAD, становится недопустимым, поскольку они не способны обеспечить готовность подобных проектов в кратчайшие сроки. На первый план выходят системы, которые активно развиваются и соответствуют реалиям электронной промышленности (подробнее по компонентам).

Разработка современной электроники должна быть обеспечена адекватными программными и аппаратными средствами проектирования. Пакет программ Mentor Graphics PADS — это мощный инструмент в руках профессионала, занимающегося проектированием быстродействующих устройств высокой сложности.

В системе Mentor Graphics PADS трассировка проводников реализуется как в редакторе PADS Layout [1], который является средой разработки печатных плат, выполнения определенных функций CAD-систем и подготовки результатов проектирования к производству (рис. 1а), так и в редакторе PADS Router (рис. 1б).

Рис. 1. Трассировка проводников печатной платы в редакторе:
а) PADS Layout;
б) PADS Router

В PADS Router трассировка проводников платы может быть проведена вручную в интерактивном режиме или автоматически.

Трассировка проводников печатной платы — очень ответственный этап создания электронного устройства, поскольку неграмотная разводка может негативно сказаться на его работоспособности.

Возросшая сложность проектов, высокая плотность размещения компонентов и наличие дополнительных ограничивающих условий для высокоскоростных схем затрудняют процесс ручной трассировки. Для решения этих задач требуется мощная автоматизированная технология — например, надежный и испытанный в производстве автоматический трассировщик, имеющий пакетный режим со встроенными стратегиями разводки и управлением ими.

Редактор PADS Router предназначен для трассировки как небольших, так и сверхсложных самых современных плат. При этом есть возможность бессеточной трассировки, автоматической трассировки под произвольными углами, динамического отображения процесса в графическом виде, разводки дифференциальных пар, а также коррекции уже существующих трасс.

Автоматическая трассировка предусматривает применение специальных средств, которые самостоятельно прокладывают печатные проводники, выполняя процедуры на основе правил проектирования, заданных разработчиком.

При всех достоинствах автоматической трассировки бывают ситуации, когда ее недостаточно и требуется полностью контролировать размещение проводников. В таких случаях можно выполнить разводку всей платы или ее части вручную. Для облегчения этого процесса PADS Router предлагает мощные средства интерактивной трассировки, которые обеспечивают максимальную эффективность и гибкость благодаря таким возможностям, как управление курсором при прокладке трасс, разводка соединения одним щелчком мыши, расталкивание или огибание препятствий, автоматическое следование существующим соединениям согласно правилам проектирования.

В режиме интерактивной трассировки разработчик лишь указывает направление фрагмента трассы, а система формирует ее сама с учетом принятых регламентов. Возможно автоматическое завершение начатой трассировки или автоматическая корректировка фрагментов уже проложенных трасс.

Интерактивная трассировка проводников печатной платы в редакторе PADS Router

В PADS Router открыть подготовленный к трассировке проект печатной платы можно при помощи команды основного меню File/Open (рис. 2). В результате в рабочей области PADS Router будут представлены посадочные места компонентов, соединенные электрическими связями, и оттрассированные проводники (рис. 3).

Рис. 2. Интерфейс редактора PADS Router

Рис. 3. Проект печатной платы, подготовленный к трассировке

Интерактивная трассировка проводников выполняется при помощи следующих инструментов панели Route Editing Toolbar (рис. 4):

• Select Mode— режим выбора объектов платы;
• Interactive Route— режим интерактивной трассировки (трассы формируются интерактивно по пути следования курсора);
• Quick Route— режим быстрой трассировки (маршрут трассы формируется посредством передвижения курсора и щелчков левой кнопкой мыши в местах изгибов проводника);
• Move— переместить трассу;
• Stretch— растянуть трассу;
• Add Corner— добавить угол;
• Split— разделить трассу;
• Smooth— сгладить трассу;
• Protect— фиксировать (после применения команды фиксации к трассе изменение ее положения на плате невозможно до тех пор, пока не будет выполнена команда снять фиксацию);
• Unprotect— снять фиксацию;
• Add Test Point— добавить тестовую точку;
• Unroute— отменить трассировку провод-ника;
• Reschedule— ручное определение топологии цепи.

Рис. 4. Панель инструментов Route Editing Toolbar

Открыть панель инструментов Route Editing Toolbar можно одноименной командой основного меню View/Toolbars или нажатием кнопки Route Editing на панели инструментов Standard Toolbar.

Трассировка проводников в режиме Interactive Route

Наиболее простым и быстрым способом прокладывания трасс вручную в редакторе PADS Router является использование инструмента Interactive Route. Последовательность действий при работе с данным инструментом может быть следующей:

1. Выбор инструмента Interactive Route на панели инструментов Route Editing Toolbar.
2. Выбор линии связи, которую предполагается развести, и прокладывание трассы. Также вместо цепи можно выбрать вывод компонента этой цепи. Для того чтобы выбрать линию связи, необходимо подвести курсор и щелкнуть по ней левой кнопкой мыши. Вывод компонента также выбирают щелчком левой кнопкой мыши. В результате трасса будет закреплена за курсором (рис. 5), при помощи передвижения которого можно указать оптимальный маршрут с учетом заданных правил проектирования. Необходимо отметить, что маршрут прокладывается интерактивно, разработчику остается только определить наиболее удачный вариант (рис. 6).

Рис. 5. Цепь:
а) до и б) после ее выбора в режиме Interactive Route

Рис. 6. Проводник:
а) в процессе трассировки в режиме Interactive Route;
б) по окончании трассировки

В процессе трассировки проводника при помощи щелчков левой кнопкой мыши происходит фиксация уже проложенного маршрута. В точке фиксации появляется маркер, после чего, передвигая курсор, можно выбирать вариант дальнейшего маршрута трассы (рис. 7). При этом маршрут трассы до маркера будет неизменен. Предложенные системой варианты маршрута для одного и того же проводника представлены на рис. 8.

Рис. 7. Возможные варианты маршрута трассы после точки фиксации (часть трассы до маркера закреплена)

Рис. 8. Предложенные системой варианты маршрута проводника в режиме Interactive Route

Во время трассировки система может указывать на допущенные ошибки, помечая их штриховыми маркерами. На рис. 9а представлен пример, где видно, что проложить трассу по предполагаемому маршруту нельзя, поскольку на пути ее следования уже имеются другие трассы (места возможного пересечения отмечены штриховыми маркерами). На рис. 9б показано, как из-за пересечения трассы и контура платы возникла ошибка разводки, на что указывает появившийся маркер. При этом система блокирует возможность выполнения ошибочного варианта маршрута. Правильной в данном случае может быть прокладка маршрута трассы, показанная на рис. 9в.

Рис. 9. Трассировка проводника в режиме Interactive Route:
а, б) штриховые маркеры в местах возникновения ошибок;
в) правильный вариант маршрута

По мере прокладывания трасс система подбирает для них оптимальный маршрут (рис. 10). В режиме Interactive Route уже проложенные трассы могут динамически изменять свой путь для освобождения места для новой трассы (рис. 11).

Рис. 10. Трассировка нескольких проводников в режиме Interactive Route

Рис. 11. Трассы:
а) до и б) после динамического изменения системой их маршрута с целью освобождения пути для новой трассы

3. Работа с инструментом Interactive Route завершается двойным щелчком левой кнопки мыши в рабочей области проекта или щелчком левой кнопки в конечной точке маршрута.

Для выделения отдельных объектов в рабочей области проекта можно использовать фильтры. Данный способ особенно удобен при выделении объектов там, где перекрываются цепи, компоненты, текст, области запрета или металлизации (рис. 12). Выбор необходимого фильтра производится из контекстного меню (рис. 13). Для выделения компонентов на плате предназначен фильтр Select Components, для выделения цепей — Select Nets. Фильтр Select Shapes разрешает указать область запрета, фильтр Select Documentation — текстовые надписи, а фильтр Select Traces/Pins — контактные площадки. Для выделения всех объектов рабочего проекта, за исключением контура платы, предусмотрен фильтр Select Anything.

Рис. 12. Компонент в области проекта, где перекрываются цепи, область металлизации и другие компоненты печатной платы:
а) до и б) после выделения при помощи фильтра Select Components

Рис. 13. Фильтры выбора объектов рабочей области проекта

В режиме Interactive Route система не позволяет завершить разводку трассы, на пути которой возникли нарушения. Для продолжения трассировки цепи необходимо выбрать другой маршрут, внести изменения в правила или устранить причину ошибки. В примерах, рассмотренных на рис. 9, правильным будет изменение маршрута трассы.

Трассировка проводников в режиме Quick Route

В режиме Quick Route прокладывание маршрута выполняется передвижением курсора и щелчками левой кнопкой мыши в местах изгибов проводника. В результате разработчик выбирает наиболее оптимальный путь. При использовании данного инструмента ответственность за маршрут трассы полностью лежит на разработчике.

Последовательность действий при работе с Quick может быть следующей:

1. Выбор инструмента Quick Route на панели инструментов Route Editing Toolbar.
2. Выбор цепи, которую предполагается развести, и прокладывание трассы. Также вместо цепи можно выбрать вывод ее компонента. Для того чтобы выбрать цепь, необходимо подвести курсор и щелкнуть по ней левой кнопкой мыши. Вывод компонента также выделяют щелчком левой кнопкой мыши. В результате трасса будет закреплена за курсором (рис. 14). Отменить выбор цепи или контактной площадки можно командой Cancel в контекстном меню (его открывают щелчком правой кнопкой мыши в области платы). Прокладывание трассы осуществляется передвижением курсора и щелчками левой кнопкой мыши в местах изгибов проводника — таким образом разработчик указывает оптимальный маршрут разводки. Во время трассировки в режиме Quick Route (так же как и в режиме Interactive Route) система выставляет штриховые маркеры, которые появляются в местах возникновения ошибок.

Рис. 14. Цепь:
а) до и б) после ее выбора в режиме Quick Route

На рис. 15а представлен пример, где видно, что проложить трассу по предполагаемому маршруту нельзя, поскольку системой обнаружено нарушение зазоров между контактными площадками компонента и трассой. Причем соответствующие контактные площадки помечены штриховыми маркерами, а при попытке закрепить трассу отображается предупреждение об ошибке. В нашем примере это сообщение Warning: Clearance errors detected («Обнаружено нарушение зазоров»). В данном случае система блокирует возможность выполнения ошибочного маршрута. Правильный вариант прокладки трассы показан на рис. 15б. Иногда выбранный разработчиком маршрут может быть автоматически откорректирован системой, как это сделано на рис. 15в.

Рис. 15. Трассировка проводника в режиме Quick Route:
а) штриховые маркеры в месте возникновения ошибки;
б) правильный вариант маршрута;
в) маршрут трассы после автоматической корректировки

3. Окончание работы с инструментом Quick Route выполняется двойным щелчком левой кнопкой мыши в рабочей области проекта или в конечной точке маршрута.

В процессе трассировки проводника уже проложенный маршрут закрепляется щелчком левой кнопкой мыши. После точки фиксации можно передвижением курсора выбирать дальнейший путь (рис. 16). При этом маршрут трассы до точки фиксации будет неизменен.

Рис. 16. Возможные варианты маршрута трассы после точки фиксации

Необходимо отметить, что инструментами Quick Route и Interactive Route нельзя соединять одновременно большое число выводов, то есть развести сразу всю цепь, включающую несколько проводников. На рис. 17 показан пример трассировки цепи, которая состоит из двух сегментов (цепь выделена белым цветом — рис. 17а). Трассировка выполняется в режиме Quick Route. Для выбора цепи щелкнем по ней левой кнопкой мыши и выделим только один сегмент, необходимый для разводки (рис. 17б). Для окончания данной операции щелкнем два раза левой кнопкой мыши в области платы (рис. 17в). Для окончания разводки всей цепи выделим щелчком левой кнопки мыши второй сегмент (рис. 17г), посредством передвижения курсора и щелчков левой кнопки мыши проложим маршрут трассы и закрепим его двойным щелчком левой кнопки мыши (рис. 17д).

Рис. 17. Трассировка цепи, которая состоит из двух сегментов:
а) рассматриваемая цепь выделена белым цветом;
б) выбор первого сегмента цепи;
в) разводка первого сегмента цепи;
г) выбор второго сегмента цепи;
д) разводка цепи окончена

Также при помощи инструмента Quick Route маршрут трассы может быть проложен системой автоматически. Для этого левой кнопкой мыши необходимо выделить проводник, а затем щелкнуть дважды левой кнопкой мыши.

Проверка правил проектирования

Проверка правил проектирования DRC (Design Rule Checking) при трассировке обязательна для контроля соблюдения минимальных зазоров и отсутствия других нарушений. Это мощная технология, которая позволяет поддерживать целостность проекта во время операций размещения и трассировки.

Если в проекте активизирована функция DRC, система в фоновом режиме постоянно проверяет и обеспечивает соблюдение правил проектирования.

• Поскольку редактор PADS Router позволяет в любое время вносить изменения в проект, рекомендуется всегда выполнять проверку правил проектирования перед окончательным выводом чертежей. Соответствующая функция в режиме реального времени активизируется нажатием кнопки DRC On/Off на панели инструментов DRC Filter Toolbar (причем становятся активными все кнопки панели — рис. 18). Включение этой функции в режиме ручной трассировки позволяет незамедлительно обнаружить и выделить ошибки. Отмена проверки правил проектирования выполняется повторным нажатием кнопки DRC On/Off на панели инструментов DRC Filter Toolbar. Открыть панель DRC Filter Toolbar можно кнопкой DRC Filter на панели инструментов Standard Toolbar или командой View/Toolbars/DRC Filter Toolbar в основном меню программы.
• Выбор объектов проверки производится в окне Design Rule Checking (рис. 19), которое открывается кнопкой DRC Settings панели инструментов DRC Filter Toolbar.
• Задать/отменить проверку сразу всех правил можно нажатием кнопок Enable all DRC и Select None DRC панели инструментов DRC Filter Toolbar.
• В PADS Router предусмотрено три режима проверки правил проектирования:
• Prevent (запрет нарушений) — в процессе трассировки запрещено нарушение правил проекта. Система указывает на допущенные ошибки при помощи штриховых маркеров, которые появляются в местах возникновения ошибок. При этом возможность выполнения ошибочного варианта маршрута блокируется (рис. 20а,г).
• Warn (предупреждение о нарушении) — в процессе трассировки в режиме Quick Route при выявлении системой нарушения правил проекта выдается предупреждение в виде всплывающей подсказки о причине ошибки и появления цветных маркеров в местах возникновения ошибок. В режиме Interactive Route какие-либо подсказки/маркеры отсутствуют. При этом возможность выполнения ошибочного варианта маршрута как в режиме Quick Route, так и в Interactive Route системой не блокируется (рис. 20б,д).
• Explain (устранение нарушений) — система пытается устранить причину ошибки (рис. 20в,е), а в случае неудачи блокирует трассировку. Дальнейшая работа в редакторе возможна после выполнения команды Continue with Errors («Продолжить с ошибками») контекстного меню (рис. 21). В представленном на рис. 20 примере причиной ошибки является пересечение прокладываемой трассы с уже имеющимися на плате трассами (рис. 22). В режиме Explain, по мере того как новая трасса приближается к уже имеющимся, их маршрут меняется (рис. 20в,е).

Рис. 18. Панель инструментов DRC Filter Toolbar

Рис. 19. Окно Design Rule Checking

Рис. 20. Ручная трассировка проводников в режиме DRC (режим трассировки Interactive Route):
а) Prevent;
б) Warn;
в) Explain (режим трассировки Quick Route);
г) Prevent;
д) Warn;
е) Explain

Рис. 21. Выбор команды Continue with Errors в контекстном меню

Рис. 22. Изначально проложенные на плате трассы

Для каждого отдельного правила можно задать необходимость проверки в окне Design Rule Checking (рис. 19), установив флажок в поле Enable в чекбоксе, соответствующем названию этого правила (названия правил отображены в поле Design Rules), или нажав кнопку, имеющую такое название, как и правило, на панели инструментов DRC Filter Toolbar.

Настройка режима проверки правил проектирования для каждого отдельного случая выполняется в поле Error Response окна Design Rule Checking путем выбора названия режима в меню из выпадающего списка.

Независимо от того, в каком режиме реализована трассировка про-водников, по окончании работы над проектом рекомендуется выполнить пакетную верификацию (проверку на наличие в проекте нарушений правил проектирования).

Трассировка проводников с гармошками

В PADS Router есть функция, позволяющая задать стиль маршрута трассы в виде гармошки. Гармошка — это способ трассировки, который применяется при прокладке маршрута трассы и увеличивает ее длину и волновое сопротивление печатного проводника. Основные параметры гармошки — значения ее амплитуды и зазора между фрагментами гармоник. Необходимо отметить, что одна гармошка может состоять из фрагментов с разной амплитудой.

Рассмотрим прокладывание маршрута трассы с гармошкой на конкретном примере. На панели инструментов Route Editing Toolbar редактора PADS Router выберем режим ручной трассировки (в нашем случае режим Interactive Route), в области печатной платы левой кнопкой мыши выделим цепь, которую необходимо развести (рис. 23а), проложим маршрут проводника до точки начала гармошки (рис. 23б), вызовем контекстное меню и выберем в нем пункт Add Accordion («Добавить гармошку»), в результате активизируется режим создания гармошки. Для того чтобы проложить гармошку, нужно потянуть курсор в сторону, при этом ее стиль будет зависеть от параметров, указанных по умолчанию (рис. 23в). За рабочим процессом можно наблюдать в окне навигатора Navigator Window, отображающем область формирования трассы в увеличенном виде.

В процессе создания гармошки амплитуду гармоник можно изменять. Фиксация верхней и нижней точек новой гармоники выполняется щелчками левой кнопки мыши в области платы (рис. 23г). Выход из режима Add Accordion производится двойным щелчком левой кнопки мыши, после чего можно продолжить трассировку проводника в обычном режиме (рис. 23д,е).

Рис. 23. Процесс трассировки проводника с гармошкой:
а) выбор цепи на плате;
б) маршрут трассы до точки начала гармошки;
в) создание гармошки с постоянной амплитудой гармоник;
г) создание гармошки с переменной амплитудой гармоник;
д) продолжение трассировки проводника после выхода из режима Add Accordion;
е) трассировка проводника с гармошкой окончена

Настройка параметров гармошки, которые используются при ее создании по умолчанию, происходит в окне Options на вкладке Routing/Tune (рис. 24). Открыть данное окно можно командой Tools/Options основного меню редактора PADS Router. Чтобы открыть вкладку Routing/Tune, необходимо в списке Routing в правой части окна Options выбрать пункт Tune.

Рис. 24. Настройка параметров формирования гармошки по умолчанию

На вкладке в поле Accordion можно задать следующие параметры гармошки:

• Minimum amplitude — минимальная амплитуда;
• Maximum amplitude — максимальная амплитуда;
• Minimum gap — минимальный зазор;
• Max hierarchy level — максимальный уровень иерархии;
• Miter ratio — коэффициент скругления/скоса углов гармоник;
• Use arcs in miters — скругление/скос углов гармоник задается путем установки/снятия флажка в чекбоксе.

Мониторинг длины цепей

В PADS Router имеется инструмент, предназначенный для мониторинга длины трассы в процессе ее разводки. Для доступа к этому инструменту необходимо в окне Spreadsheet открыть вкладку Net Length Monitor (монитор длины цепи), как видно на рис. 25. Открыть окно Spreadsheet можно командой View/Spreadsheet основного меню редактора PADS Router.

Рис. 25. Вкладка Net Length Monitor окна Spreadsheet

Для каждой цепи проекта (названия всех цепей проекта отображены в поле Name) на вкладке Net Length Monitor отмечена ее минимальная и максимальная длина в полях Length minimum и Length maximum соответственно. В поле Estimated length указана текущая длина цепи. При ее превышении значение длины подсвечивается красным цветом, что позволяет инженеру во время трассировки получить информацию о длине критических цепей. Изменяя цвет, монитор длины цепи сигнализирует, что длина трассы находится в заданном диапазоне.

Net Length Monitor предоставляет интуитивно понятную систему цветовых обозначений, позволяющую визуально контролировать достижение цепью требуемой длины. Мониторинг длины цепей (цепь меньше, равна или больше желаемой длины) выполняется системой в реальном времени в процессе трассировки путем изменения в поле Estimated length цвета ячейки соответствующей определенной цепи. Подстраивать длину цепей можно интерактивно, при помощи гармошек.

Ячейка в поле Estimated length изменяет цвет в зависимости от длины цепи. Желтый означает, что цепь не достигла минимальной длины, зеленый — длина в заданном диапазоне, а красный — превышение максимальной длины.

Отметим, что для мониторинга длины трасс в меню на панели инструментов, расположенной в верхней части окна Spreadsheet, должны быть выбраны значения Net Length Monitor и Net.