Процесс проектирования схем может охватывать системы, начиная от сложных электронных систем и заканчивая отдельными транзисторами в интегральной схеме . Один человек часто может выполнить процесс проектирования без необходимости планировать или структурировать процесс проектирования простых схем. Тем не менее, команды дизайнеров, придерживающиеся систематического подхода с интеллектуально управляемым компьютерным моделированием , становятся все более распространенными для более сложных проектов. В автоматизации проектирования интегральных схем термин «проектирование схем» часто относится к этапу цикла проектирования, на котором выводятся схемы интегральной схемы. Обычно это этап между логическим проектированием и физическим проектированием . [1]
Традиционное проектирование схем обычно включает в себя несколько этапов. Иногда техническое задание на проект пишется после общения с заказчиком. Техническое предложение может быть написано в соответствии с требованиями технического задания заказчика. Следующий этап предполагает синтез на бумаге принципиальной схемы , абстрактной электрической или электронной схемы, которая будет соответствовать техническим характеристикам. Должен быть произведен расчет значений компонентов для соответствия эксплуатационным характеристикам в заданных условиях. Для проверки правильности проекта можно выполнить моделирование .
Может быть изготовлен макет или другой прототип конструкции для тестирования на соответствие спецификации . Это может включать внесение каких-либо изменений в схему для достижения соответствия. Необходимо сделать выбор в отношении метода строительства и всех используемых деталей и материалов. Происходит представление информации о компонентах и компоновке чертежникам, инженерам-компоновщикам и инженерам-механикам для производства прототипов. После этого проводятся испытания или типовые испытания нескольких прототипов для обеспечения соответствия требованиям заказчика. Обычно происходит подписание и утверждение окончательных производственных чертежей, а также могут быть постпроектные услуги ( устаревание комплектующих и т.п.).
Процесс проектирования схемы начинается со спецификации , в которой указывается функциональность, которую должна обеспечивать готовая конструкция, но не указывается, как ее достичь. [2] Первоначальная спецификация представляет собой технически подробное описание того, чего заказчик хочет достичь от готовой схемы, и может включать в себя различные электрические требования , например, какие сигналы будет принимать схема, какие сигналы она должна выводить, какие источники питания доступны. и сколько энергии разрешено потреблять. Спецификация может также устанавливать (и обычно устанавливает) некоторые физические параметры, которым должна соответствовать конструкция, такие как размер, вес, влагостойкость , температурный диапазон, тепловая мощность, устойчивость к вибрации и устойчивость к ускорению. [3]
По мере продвижения процесса проектирования дизайнер(ы) часто возвращаются к спецификации и изменяют ее, чтобы учесть ход проектирования. Это может включать в себя ужесточение спецификаций, предоставленных заказчиком, и добавление тестов, которые схема должна пройти, чтобы быть принятой. Эти дополнительные спецификации часто будут использоваться при проверке проекта. Изменения, которые противоречат первоначальным спецификациям заказчика или изменяют их, почти всегда должны быть одобрены заказчиком, прежде чем по ним можно будет принять меры.
Правильное определение потребностей клиента может избежать состояния, известного как «ползучесть проектирования», которое возникает при отсутствии реалистичных первоначальных ожиданий, а затем и при невозможности полноценного общения с клиентом в процессе проектирования. Его можно определить с точки зрения его результатов; «С одной стороны — это схема с большей функциональностью, чем необходимо, а с другой — схема с неправильной функциональностью». [4] [ кто? ] Тем не менее, можно ожидать некоторых изменений. Хорошей практикой является оставлять варианты открытыми как можно дольше, потому что позже легче удалить запасные элементы из схемы, чем вставить их.
Процесс проектирования включает переход от начальной спецификации к плану, который содержит всю информацию, необходимую для физического построения в конце; Обычно это происходит путем прохождения нескольких этапов, хотя в простой схеме это можно сделать за один этап. [5] Процесс обычно начинается с преобразования спецификации в блок-схему различных функций, которые должна выполнять схема. На этом этапе не рассматривается содержимое каждого блока, а только то, что должен делать каждый блок, иногда это называют как дизайн « черного ящика ». Этот подход позволяет разбить, возможно, очень сложную задачу на более мелкие задачи, решая их последовательно или распределяя между членами проектной группы.
Затем каждый блок рассматривается более подробно, все еще на абстрактном этапе, но с гораздо большим вниманием к деталям предоставляемых электрических функций. На этом или более поздних этапах обычно требуется большой объем исследований или математического моделирования того, что осуществимо, а чего невозможно достичь. [6] Результаты этого исследования могут быть использованы на более ранних этапах процесса проектирования, например, если окажется, что один из блоков не может быть спроектирован в пределах установленных для него параметров, вместо этого может потребоваться изменить другие блоки. На этом этапе также обычно начинают думать о том, как продемонстрировать, что конструкция соответствует спецификациям, и о том, как ее протестировать (что может включать в себя инструменты самодиагностики ). [7]
Наконец, отдельные компоненты схемы выбираются для выполнения каждой функции в общей конструкции; на этом этапе также определяются физическая компоновка и электрические соединения каждого компонента, причем эта компоновка обычно принимает форму графического изображения для производства печатной платы или интегральной схемы. Этот этап обычно занимает очень много времени из-за огромного количества доступных вариантов. Практическим ограничением проектирования на этом этапе является стандартизация. В то же время определенное значение компонента может быть рассчитано для использования в некотором месте схемы; если эту стоимость нельзя купить у поставщика, то проблема все еще не решена. Чтобы избежать этого, можно применить определенный объем «каталогической инженерии» для решения более обыденных задач в рамках общего проекта.
Одной из областей быстрого развития технологий является проектирование наноэлектронных схем. [8]
Как правило, стоимость проектирования схем напрямую связана со сложностью конечной схемы. Чем выше сложность (количество компонентов и новизна конструкции), тем больше часов времени квалифицированного инженера потребуется для создания функционального продукта. Этот процесс может быть утомительным, поскольку для создания мелких деталей или функций может потребоваться любое количество времени, материалов и рабочей силы. Например, учет последствий изменения размеров транзисторов или кодеков. [9] В мире гибкой электроники замена широко используемых полиимидных подложек такими материалами, как PEN или PET, для производства гибкой электроники может снизить затраты в 5-10 раз. [10]
Затраты на проектирование схемы почти всегда намного превышают затраты на производство единицы продукции, поскольку стоимость производства и функциональность схемы во многом зависят от конструкции схемы. [11]
Хотя типичные методы производства печатных плат включают субтрактивное производство, существуют методы, в которых используется процесс аддитивного производства, например, использование 3D-принтера для «печати» печатной платы. Считается, что этот метод стоит дешевле, чем аддитивное производство, и полностью устраняет необходимость в утилизации отходов. [12]
После того как схема спроектирована, ее необходимо проверить и протестировать. Верификация — это процесс прохождения каждого этапа проекта и обеспечения того, чтобы он соответствовал требованиям спецификации. Часто это очень математический процесс, который может включать крупномасштабное компьютерное моделирование конструкции. В любом сложном проекте весьма вероятно, что на этом этапе будут обнаружены проблемы, которые могут повлиять на большой объем проектных работ, которые необходимо переделать для их устранения.
Тестирование — это реальный аналог проверки; тестирование включает в себя физическое создание по крайней мере прототипа конструкции, а затем (в сочетании с процедурами тестирования, указанными в спецификации или добавленными к ней) проверку того, для чего схема была разработана.
В программном обеспечении визуального DSD логическая схема схемы дополнения реализуется компилирующим программным кодом. Эти типы программ создают более дешевые и эффективные схемы для всех типов схем. [13] Мы реализовали функциональное моделирование для проверки логических функций, соответствующих логическим выражениям в предлагаемых нами схемах. Предлагаемые архитектуры моделируются на языке VHDL. Использование этого языка позволит создать более эффективные схемы, которые будут не только дешевле, но и прослужат дольше. Это лишь два из многих программ для проектирования, которые помогают людям планировать схемы для производства. [14]
Прототипирование играет важную роль в сложном процессе проектирования схем. Этот итерационный процесс включает в себя постоянное уточнение и исправление ошибок. Задача проектирования схем сложна и требует пристального внимания к деталям, чтобы избежать ошибок. Разработчики схем обязаны проводить многочисленные испытания, чтобы гарантировать эффективность и безопасность своих проектов, прежде чем они будут признаны пригодными для потребительского использования. [15]
Прототипирование является неотъемлемой частью электромонтажных работ из-за его точного и тщательного характера. Отсутствие прототипирования потенциально может привести к ошибкам в конечном продукте. Разработчики схем, получающие вознаграждение за свой опыт в создании электрических схем, несут ответственность за обеспечение безопасности потребителей, которые покупают и используют эти схемы дома.
Риски, связанные с пренебрежением процессом прототипирования и выпуском дефектной электрической схемы, значительны. Эти риски включают в себя возможность возгорания и перегрева проводов, что может привести к ожогам или серьезным травмам ничего не подозревающих людей. [15]
Каждая электрическая схема начинается с симулятора печатной платы, показывающего, как все будет собрано в конце дня, и показывает, как схема будет работать виртуально. [16] Чертеж — это чертеж технического проекта и конечного продукта. Ведь сделав это и воспользовавшись чертежом для сборки схемы, вы получите весьма запоминающиеся результаты электрических схем. Схема будет работать с чем угодно — от пылесоса до большого телевизора в кинотеатре. Все это требует много времени и определенных навыков, которые может приобрести не каждый. Электрическая цепь — это то, что нам нужно в повседневной жизни.
Любой коммерческий проект обычно также включает элемент документации; Точный характер этой документации будет зависеть от размера и сложности схемы и страны, в которой она будет использоваться. Как минимум, документация обычно включает как минимум спецификации и процедуры тестирования конструкции, а также заявление о соответствии действующим нормам. В ЕС этот последний пункт обычно принимает форму декларации CE , в которой перечисляются соблюдаемые европейские директивы и указывается лицо, ответственное за их соблюдение. [17]
