отправка...Трехмерное отображение в электронике – варианты использования и возможные направления развития
В предлагаемой статье описывается очень популярное в настоящее время трехмерное отображение применительно к нуждам и задачам современной электроники.
Предисловие
В настоящее время все большее применение находит трехмерное отображение различных объектов. Действительно, от пресловутой трехмерной графики компьютерных игр до объемного дизайнерского проекта — везде применяется 3D-графика. В то же время в современной электронике это прогрессивное направление используется недостаточно в плане разработки, проектирования и моделирования. Можно выделить лишь микроэлектронику и разработку дизайна корпусов в общей электронике. Однако возможности, предоставляемые трехмерным отображением, намного шире. Попробуем рассмотреть некоторые из них.
Создание трехмерного отображения узла электронного устройства
Для начала рассмотрим один из возможных путей получения трехмерного отображения узла электронного устройства. Для наглядности используем пример получения объемного изображения несложной платы. Наш путь начнем с создания принципиальной электрической схемы под оболочкой Schematic пакета P-CAD 200X. Изображение интерфейсного окна программы приведено на рис. 1, а сама схема — на рис. 2.
Интерфейсное окно программы Schematic пакета P-CAD 200X (Рис. 1)
Схема принципиальная электрическая выпрямителя (Рис. 2)
Далее по стандартной технологии разводки печатных плат получаем чертеж печатной платы под оболочкой PCB пакета P-CAD 200X. Чертеж, оттранслированный в AutoCAD 200X, приведен на рис. 3.
Чертеж печатной платы (Рис. 3)
Следующий этап также достаточно часто используется. Путем несложных манипуляций мы получаем объемное изображение платы (рис. 4).
Габаритный чертеж печатной платы (Рис. 4)
Вот теперь наступает самый трудоемкий процесс. На основании данных о габаритных размерах используемых в схеме элементов мы создаем под оболочкой AutoCAD 200X библиотеку трехмерных моделей этих элементов. Изображения двух элементов приведены на рис. 5.
Трехмерные модели резистора и конденсатора (Рис. 5)
Сборочный чертеж платы приведен на рис. 6.
Трехмерный сборочный чертеж выпрямителя (Рис. 6)
Полученное трехмерное отображение не только несет реальную пространственно-объемную информацию, но и позволяет производить в среде графического редактора всевозможные манипуляции, которые определяются производственной необходимостью и возможностями используемого графического редактора.
Существует более простой способ получения данных об объемном расположении элементов, но об этом позже.
Использование трехмерного отображения при компоновке электронных устройств
Само понятие трехмерного отображения подразумевает возможность использования полученного продукта при компоновке электронных устройств. Действительно, раз мы получили объемное изображение используемых в сборке электронного устройства плат, то грех не воспользоваться полученной информацией. Процесс использования полученных данных основывается на пространственном анализе. То есть используемые при сборке платы виртуально компонуются в узел, после чего анализируется взаиморасположение элементов схемы. Локализация критических мест может быть автоматизирована путем внедрения подпрограммы, обрабатывающей функцию определения пересечения или критического сближения помеченных поверхностей. При необходимости производится корректировка, и процесс продолжается до получения удовлетворительных результатов (рис. 7).
Скелетный трехмерный чертеж формирователя (Рис. 7)
Трудоемкость подготовительных операций компенсируется значительным выигрышем, обусловленным отсутствием ошибок при изготовлении образцов. Упомянутый выше более простой способ используется именно при компоновке электронных устройств. Он основывается на «выдавливании» планарного изображения элемента на плате до габаритной высоты. Полученный трехмерный макет может быть достаточно эффективно использован в описываемом процессе (рис. 8).
Скелетный трехмерный чертеж формирователя, полученный методом выдавливания (Рис. 8)
Однако первый способ является предпочтительным, так как предоставляет полную информацию о геометрических размерах и форме элементов, а также позволяет неоднократно использовать созданную библиотеку трехмерных моделей. Кроме того, использование точных значений геометрических размеров всех составляющих рассматриваемого электронного устройства расширяет ряд используемых функций эксплуатации метода трехмерного отображения.
Оптимизация электромагнитной совместимости на основе трехмерного отображения
Для начала рассмотрим расчет паразитных параметров элементарных составляющих электрических схем с помощью трехмерного отображения на основе математического аппарата цепей с распределенными параметрами (рис. 9). Предлагаемый математический аппарат лежит в основе радиолокационных методов, но на современном этапе развития кибернетики и информатики при существующих требованиях развития электроники возможно эффективное использование предлагаемого метода.
Трехмерный чертеж основных соединительных линий в электронике (Рис. 9)
Уединенный круглый провод радиусом a
В этих формулах R0пост = 1/σπa2 — погонное сопротивление провода при постоянном токе; L0пост = µа/8π — погонная индуктивность, определяющая внутреннее магнитное поле при постоянном токе; Δ = 1/α ≈ √2/ωµаσ, причем в проводниковой среде (в металле) Δ = λ/2π.
Линия из двух круглых параллельных проводов
При а/D ≤ 0,1 погонное сопротивление
Погонную индуктивность такой линии при высокой частоте можно определить по формуле
где a — радиус провода, а D — расстояние между проводами.
Уединенный ленточный провод
При «тонкой» ленте и переменном токе низкой частоты сопротивление ленточного провода практически не отличается от сопротивления при постоянном токе. При «толстой» ленте и переменном токе высокой частоты
здесь 2a — толщина ленты, b — ширина.
Представленный теоретический материал позволяет создать несложную подпрограмму расчета значений паразитных параметров и дополнить ею используемую программу трехмерного моделирования.
Далее рассмотрим методику моделирования и эскизного расчета на основе трехмерного отображения и теории цепей с распределенными параметрами. Предлагаемую методику рассмотрим на конкретном примере. Допустим, нам необходимо создать блок на основе принципиальной электрической схемы, приведенной на рис. 10.
Схема электрическая принципиальная формирователя (Рис. 10)
На основании этой схемы с помощью пакета программ Accel P-CAD 2002 разрабатывается печатная плата (рис. 11).
Чертеж печатной платы формирователя (Рис. 11)
Далее информация транслируется в AutoDesk Mechanical Desktop 2004, где одновременно создаются трехмерные модели используемых элементов (рис. 12).
Скелетная трехмерная модель трансформатора (Рис. 12)
В результате получаем 3D-изображение макетного образца в реальном масштабе (рис. 13), причем можно получить информацию о режимах работы схемы из программы схемотехнического моделирования (например, OrCAD 9.2).
Скелетный трехмерный сборочный чертеж формирователя (Рис. 13)
Далее методика строится следующим образом: на основании пространственных данных, данных о режимах работы элементов, используя нижеприведенные формулы, можно рассчитать параметры поля излучения определенных элементов в интересующих точках.
Так, для поля элементарного электрического излучателя
где Eд и Hд — действующие значения напряженности электрического и магнитного поля, П0 — среднее значение вектора Пойнтинга за период, I — действующие значения переменного тока, l — длина проводника, λ — длина волны, r — расстояние между излучателем и рассматриваемой точкой, θ — угол между осью излучателя и направлением на рассматриваемую точку.
Для поля элементарного магнитного излучателя
где S0 — площадь, ограниченная витком.
Дополнив стандартную программу 3D-моделирования (в нашем случае AutoDesk Mechanical Desktop 2004) подпрограммой, основанной на представленных расчетах, можно достаточно эффективно формализовать и автоматизировать процесс трехмерного расчета и моделирования, что, в свою очередь, позволит производить высококачественный анализ на электромагнитную совместимость любых электронных устройств.
Еще одно полезное свойство объемного представления рассматриваемого электронного устройства связано с наличием пространственной направленности в электромагнитном излучении. То есть зачастую достаточно изменить взаимную ориентацию плоскости излучения и приема паразитного электромагнитного сигнала для эффективного снижения паразитной электромагнитной связи. Кроме этого, такое представление позволяет пространственно отобразить направление распространения силовых электрических и магнитных линий, а это, в свою очередь, помогает эффективно использовать экранирование. Конечно, рассчитанные значения не будут иметь точности, принятой в радиолокации, но для оценки электромагнитной совместимости разрабатываемого электронного устройства они вполне достаточны.
Возможные направления развития трехмерного отображения в электронике
Расширение списка прикладных методов применения трехмерного отображения в электронике послужит ей только на пользу — даже два приведенных выше метода позволяют значительно обогатить профессиональные возможности разработчика электронных устройств. Что же касается других методов и направлений развития трехмерного отображения в электронике, то попробуем представить некоторые размышления по этому поводу.
Как уже отмечалось, наиболее широкое применение метод трехмерного отображения нашел в микроэлектронике. Сами геометрические размеры продукта заставляют разработчика искать пути увеличения его виртуального изображения. Наиболее эффективно метод трехмерного отображения используется в пакетах программ рабочих станций Hewlett-Packard и др. Однако рыночная цена этих продуктов составляет сотни тысяч, а порой и более миллиона долларов. Поэтому финансовые возможности встают преградой перед этими продуктами. В то же время, развитие языков программирования высокого уровня предоставляет возможность квалифицированному специалисту создать программу коммуникации и трансляции комплекса широко распространенных и, соответственно, значительно более дешевых пакетов программ. Причем именно его квалификация, то есть доскональное знание конкретного предмета, может позволить наделить создаваемый продукт свойствами, недоступными даже для более дорогих пакетов программ. В качестве иллюстрации данного высказывания на рис. 14 представлена блок-схема основного узла коммуникационной программы.
Блок-схема основного узла коммуникационной программы (Рис. 14)
Рассматриваемая блок-схема кажется примитивно простой, но ее использование позволяет значительно поднять производительность труда конструктора за счет дополнительной формализации, объединения баз данных, используемых в системе программ, и автоматизации создания конструкторско-технологической документации. Представленная программа лишь в незначительной своей части эксплуатирует идею трехмерного отображения. Потенциал ее очень высок и позволяет реализовать на ее базе многие возможности, в частности принцип самообучения, основанный на идее автоматического дополнения базы данных системы принятыми в текущей разработке решениями, и, соответственно, использовать их в дальнейших разработках.
Что же касается общей электроники, то здесь продвижение в описываемом направлении весьма заметно. Разрабатываются коммуникационные программы, позволяющие экономить до 50% рабочего времени разработчикам печатных плат, причем в самой рутинной стадии работы конструктора — оформлении конструкторской документации. Эти программы активно используют принцип трехмерного отображения.
Заключение
Итак, на основе вышесказанного сделаем ряд выводов.
- Принцип трехмерного отображения может оказаться весьма полезным при компоновке электронных устройств.
- Предложенная методика моделирования на основе трехмерного отображения и теории цепей с распределенными параметрами позволяет смоделировать и рассчитать паразитные электромагнитные излучения.
- Представляемый принцип может быть эффективно использован в разрабатываемых программах коммуникации и трансляции.
Таким образом, принцип трехмерного отображения позволяет замкнуть процесс проектирования, то есть на основе предложенной методики можно построить последний этап системы сквозного проектирования различных электронных устройств. Кроме этого, рассматриваемый принцип, несущий чрезвычайно полезную и многогранную информацию об объемных параметрах электронных устройств, может найти самое широкое применение в современных пакетах программного обеспечения, в частности в автоматизированных рабочих местах разработчика. В свете вышесказанного вырисовываются многие направления активного использования принципа трехмерного отображения. Реализация их позволит поднять разработки электронных устройств на новый уровень, а рассматриваемому принципу занять соответствующее его уровню место в электронике.
Литература
- Силкин В. А. Оптимизация электромагнитной совместимости на основе 3D-отображения и классической теории цепей с распределенными параметрами. // Компоненты и технологии. 2005. № 2.
- Кугушев А. М. и Голубева Н. С. Основы радиоэлектроники. М.: Энергия. 1969.