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 планового или структурированного процесса проектирования для простых схем. Тем не менее, команды проектировщиков, следующие системному подходу с интеллектуально управляемым компьютерным моделированием, становятся все более распространенными для более сложных проектов. В автоматизации проектирования интегральных схем термин «проектирование схемы» часто относится к этапу цикла проектирования, который выводит схемы интегральной схемы. Обычно это этап между логическим проектированием и физическим проектированием . [1]
Традиционное проектирование схем обычно включает несколько этапов. Иногда спецификация проекта пишется после взаимодействия с заказчиком. Техническое предложение может быть написано для удовлетворения требований спецификации заказчика. Следующий этап включает синтез на бумаге принципиальной схемы , абстрактной электрической или электронной схемы, которая будет соответствовать спецификациям. Должен быть выполнен расчет значений компонентов для соответствия эксплуатационным спецификациям в указанных условиях. Для проверки правильности проекта может быть выполнено моделирование .
Может быть построен макет или другой прототип версии конструкции для тестирования на соответствие спецификации. Это может включать внесение любых изменений в схему для достижения соответствия. Необходимо сделать выбор метода строительства и всех деталей и материалов, которые будут использоваться. Представляется информация о компонентах и макете чертежникам, инженерам-конструкторам и инженерам-механикам для производства прототипа. За этим следует тестирование или типовое тестирование нескольких прототипов для обеспечения соответствия требованиям заказчика. Обычно происходит подписание и утверждение окончательных производственных чертежей, а также могут быть услуги после проектирования ( устаревание компонентов и т. д.).
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, чтобы достигла готовая схема, и может включать в себя различные электрические требования , такие как какие сигналы будет получать схема, какие сигналы она должна выводить, какие источники питания доступны и сколько мощности ей разрешено потреблять. Спецификация может (и обычно так и делает) также устанавливать 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 проектировщик(и) часто возвращаются к спецификации и изменяют ее, чтобы учесть ход проектирования. Это может включать ужесточение спецификаций, предоставленных заказчиком, и добавление испытаний, которые схема должна пройти, чтобы быть принятой. Эти дополнительные спецификации часто используются при проверке проекта. Изменения, которые противоречат или изменяют исходные спецификации заказчика, почти всегда должны быть одобрены заказчиком, прежде чем они могут быть реализованы.
Правильное определение потребностей клиента может помочь избежать состояния, известного как «ползучесть дизайна», которое происходит при отсутствии реалистичных первоначальных ожиданий, а затем из-за неспособности полностью общаться с клиентом в процессе проектирования. Его можно определить с точки зрения его результатов; «на одном полюсе находится схема с большей функциональностью, чем необходимо, а на другом — схема с неправильной функциональностью». [4] [ кто? ] Тем не менее, можно ожидать некоторых изменений. Хорошей практикой является сохранение вариантов открытыми как можно дольше, поскольку проще удалить запасные элементы из схемы позже, чем вставить их.
Процесс проектирования включает в себя переход от спецификации в начале к плану, который содержит всю информацию, необходимую для физического построения в конце; это обычно происходит путем прохождения нескольких этапов, хотя в простой схеме это может быть сделано за один шаг. [5] Процесс обычно начинается с преобразования спецификации в блок-схему различных функций, которые должна выполнять схема, на этом этапе содержимое каждого блока не рассматривается, а только то, что должен делать каждый блок, это иногда называют проектированием « черного ящика ». Такой подход позволяет разбить потенциально очень сложную задачу на более мелкие задачи, либо выполняя их последовательно, либо разделив между членами команды проектировщиков.
Затем каждый блок рассматривается более подробно, все еще на абстрактной стадии, но с гораздо большим вниманием к деталям электрических функций, которые должны быть предоставлены. На этой или более поздних стадиях обычно требуется большой объем исследований или математического моделирования того, что является и что не является осуществимым для достижения. [6] Результаты этого исследования могут быть возвращены на более ранние стадии процесса проектирования, например, если выясняется, что один из блоков не может быть спроектирован в пределах установленных для него параметров, может потребоваться изменить другие блоки вместо этого. На этом этапе также обычно начинают рассматривать и то, как продемонстрировать, что конструкция действительно соответствует спецификациям, и то, как ее следует тестировать (что может включать инструменты самодиагностики ). [7]
Наконец, выбираются отдельные компоненты схемы для выполнения каждой функции в общем проекте; на этом этапе также определяются физическая компоновка и электрические соединения каждого компонента, эта компоновка обычно принимает форму художественного оформления для производства печатной платы или интегральной схемы. Этот этап обычно занимает очень много времени из-за огромного количества доступных вариантов. Практическим ограничением для проектирования на этом этапе является стандартизация;. В то же время может быть рассчитано определенное значение компонента для использования в некотором месте в схеме; если это значение нельзя купить у поставщика, то проблема все еще не решена. Чтобы избежать этого, можно применить определенное количество «каталожной 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 конечных схем. Чем выше сложность (количество компонентов и новизна дизайна), тем больше часов работы квалифицированного инженера потребуется для создания функционального продукта. Процесс может быть утомительным, так как создание мелких деталей или функций может потребовать любого количества времени, материалов и рабочей силы. Например, принимая во внимание эффекты изменения размеров транзисторов или кодеков. [9] В мире гибкой электроники замена широко используемых полиимидных подложек на такие материалы, как PEN или PET для производства гибкой электроники, может снизить затраты в 5-10 раз. [10]
Затраты на проектирование схемы почти всегда намного выше, чем затраты на производство единицы продукции, поскольку стоимость производства и функционирование схемы во многом зависят от конструкции схемы. [11]
Хотя типичные методы производства печатных плат включают субтрактивное производство, существуют методы, которые используют процесс аддитивного производства, например, использование 3D-принтера для «печати» печатной платы. Считается, что этот метод обходится дешевле аддитивного производства и полностью устраняет необходимость в утилизации отходов. [12]
После того, как схема разработана, ее необходимо как проверить , так и протестировать. Проверка — это процесс прохождения каждой стадии проектирования и обеспечения того, что она будет делать то, что требует спецификация. Это часто высоко математический процесс, который может включать крупномасштабное компьютерное моделирование проекта. В любом сложном проекте весьма вероятно, что на этом этапе будут обнаружены проблемы, которые могут повлиять на большой объем проектной работы, которую придется переделать для их исправления.
Тестирование — это реальный аналог проверки; тестирование включает в себя физическое создание как минимум прототипа конструкции, а затем (в сочетании с процедурами тестирования, указанными в спецификации или добавленными к ней) проверку того, что схема выполняет то, для чего она была разработана.
В программном обеспечении визуального DSD логическая схема комплементарной схемы реализуется компилирующим программным кодом. Эти типы программ создают более дешевые и эффективные схемы для всех типов схем. [13] Мы внедрили функциональное моделирование для проверки логических функций, соответствующих логическим выражениям в наших предлагаемых схемах. Предлагаемые архитектуры моделируются на языке VHDL. Использование этого языка позволит создавать более эффективные схемы, которые будут не только дешевле, но и дольше служить. Это только два из многих программных продуктов для проектирования, которые помогают людям планировать свои схемы для производства. [14]
Прототипирование играет важную роль в сложном процессе проектирования схем. Этот итеративный процесс включает в себя постоянное совершенствование и исправление ошибок. Задача проектирования схем является сложной и требует тщательного внимания к деталям, чтобы избежать ошибок. Разработчики схем должны проводить многочисленные испытания, чтобы гарантировать эффективность и безопасность своих проектов, прежде чем они будут признаны пригодными для использования потребителями. [15]
Прототипирование является неотъемлемой частью электротехнических работ из-за его точной и скрупулезной природы. Отсутствие прототипирования может потенциально привести к ошибкам в конечном продукте. Проектировщики схем, получающие компенсацию 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 неисправной электрической цепи, значительны. Эти риски включают в себя возможность возникновения пожаров 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 показывающего, как схема будет работать виртуально. [16] Чертеж — это чертеж технического проекта и конечного продукта. В конце концов, это сделано, и вы используете чертеж, чтобы собрать схему, вы получите результаты электрических схем, которые будут весьма запоминающимися. Схема будет управлять чем угодно, от пылесоса до большого телевизора в кинотеатре. Все это занимает много времени и требует определенных навыков, которые не каждый может приобрести. Электрическая схема — это то, что нам нужно в нашей повседневной жизни.
Любой коммерческий проект обычно также включает элемент документации; точный характер этой документации будет варьироваться в зависимости от размера и сложности схемы и страны, в которой она будет использоваться. Как минимум, документация обычно включает по крайней мере спецификацию и процедуры тестирования для проекта и заявление о соответствии текущим нормам. В ЕС этот последний пункт обычно принимает форму Декларации CE, в которой перечислены европейские директивы, которым они соответствуют, и указано лицо, ответственное за соответствие. [17]
