Автоматизация конструкторского и технологического проектирования

 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 
И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) 
 
ФАКУЛЬТЕТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ (ФДО) 
 
 
 
 
Е. Ф. Жигалова 
 
 
 
 
 

АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНСТРУКТОРСКОГО  
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
 

 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
Томск 
2016

 

УДК
621.396.6.001.2-52 + 658.512.22.011.56  
ББК 
32.844-06я73 
 
Ж 681 
 
Рецензент: 
Т. В. Ганджа, канд. техн. наук, доцент кафедры моделирования и системного 
анализа 
Томского 
государственного 
университета 
систем 
управления  
и радиоэлектроники 
 
Жигалова Е. Ф. 
Ж 681 Автоматизация конструкторского и технологического проектирования : учебное пособие / Е. Ф. Жигалова. – Томск : ФДО, ТУСУР, 
2016. – 201 с. 
 
В учебном пособии изложены принципы современных систем автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств (РЭС). Рассмотрены 
постановки типовых задач и алгоритмы, связанные с разработкой математического обеспечения конструкторского и технологического проектирования. Приводится описание математических моделей функциональных элементов 
устройств РЭС.  
Пособие содержит общие сведения о системах автоматизированного 
проектирования РЭС, описания радиоэлектронных средств, сущность и этапы 
проектирования РЭС, состав и принципы построения САПР и описание пакетов 
программ автоматизированного проектирования, математические модели радиоэлектронных объектов проектирования и цифровых устройств, математические модели конструкций РЭС, описание типовых задач конструкторского проектирования и алгоритмы их решения. 
Для бакалавров технических университетов, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника», профиль – «Системы автоматизированного проектирования». 
 
 
 
© Жигалова Е. Ф., 2016 
© Оформление. 
ФДО, ТУСУР, 2016

Оглавление 
Введение ............................................................................................................ 5 
1 Методология автоматизированного проектирования. Общие 
сведения о проектировании электронных средств ............................... 8 
1.1 Основные понятия и определения .......................................................... 8 
1.2 Принципы проектирования ................................................................... 15 
1.2.1 Иерархические уровни описаний проектируемых объектов ...... 16 
1.2.2 Унификация проектных решений и процедур .............................. 18 
1.2.3 Нисходящее и восходящее проектирование ................................. 19 
1.3 Сущность и этапы проектирования радиоэлектронных  
устройств ................................................................................................ 21 
1.3.1 Описания радиоэлектронных средств ........................................... 21 
1.3.2 Этапы (аспекты) проектирования РЭС .......................................... 24 
2 Математическое моделирование технических объектов ................... 28 
2.1 Общие сведения о математических моделях ...................................... 28 
2.2 Требования к математическим моделям .............................................. 32 
2.3 Классификация математических моделей ........................................... 35 
2.4 Методика получения математических моделей ................................. 44 
2.5 Математические модели для задач конструирования  
электронных средств ............................................................................. 45 
2.6 Математическое моделирование цифровых устройств ..................... 51 
2.6.1 Описание языков моделирования и элементов цифровых 
устройств в моделях логического уровня ..................................... 53 
2.6.2 Синхронное моделирование цифровых устройств  
двоичными алфавитами .................................................................. 57 
2.6.3 Моделирование неисправностей в цифровых устройствах  
и синтез диагностических тестов ................................................... 66 

3 Типовые проектные процедуры .............................................................. 70 
3.1 Маршруты проектирования и принципы их построения ................... 73 
3.2 Место моделирования в проектировании РЭС ................................... 77 
3.3 Оптимальное проектирование РЭС на основе решения задачи 
линейного программирования.............................................................. 84 
4 Типовые задачи конструкторского проектирования  
электронных средств и алгоритмы их решения ............................... 108 
4.1 Алгоритмы и модели компоновки...................................................... 110 

4.2 Размещение конструктивных элементов в монтажном  
пространстве ........................................................................................ 133 
4.3 Трассировка соединений ..................................................................... 144 
4.3.1 Трассировка проводных соединений ........................................... 144 
4.3.2 Трассировка печатных соединений ............................................. 154 
5 Системы автоматизированного проектирования ЭС ...................... 160 
5.1 Общая характеристика процесса проектирования и базовые 
определения .......................................................................................... 160 
5.2 Принципы построения САПР ............................................................. 163 
5.3 Системы автоматизированного проектирования РЭС и их  
место среди других автоматизированных систем ............................ 166 
5.4 Основы построения автоматизированных систем  
технологической подготовки производства ..................................... 172 
5.4.1 Задачи автоматизации технологической подготовки 
производства .................................................................................. 176 
5.4.2 Пакеты программ автоматизации проектирования РЭС ........... 183 
Заключение ................................................................................................... 194 
Литература.................................................................................................... 196 
Список условных обозначений и сокращений ...................................... 198 
Глоссарий ...................................................................................................... 200 
 
 
 

Введение 

Автоматизация проектирования имеет огромное значение для развития 
науки, техники и производства в современном обществе. В настоящее время автоматизация проектирования – основной способ повышения производительности и эффективности труда инженерно-технических работников, занимающихся 
проектированием. Использование автоматизации проектирования позволяет создавать все более сложные технические объекты и гибко реагировать на появление новых решений в той или иной области техники. 
Процесс автоматизации проектирования радиоэлектронных средств по 
содержанию и последовательности решаемых задач весьма разнообразен в зависимости от функциональной и конструктивной сложности разрабатываемых 
радиотехнических систем, комплексов, устройств и узлов. 
Создание микроэлектронных элементов электронно-вычислительной аппаратуры (ЭВА) включает в себя проектирование технологических процессов, 
приспособлений, оснастки и инструмента при технологической подготовке 
производства (ТПП). Основной целью при этом является проектирование документации для организации ТПП, контроля качества и промышленной эксплуатации изделий. 
Разработка новых классов приборов микроэлектроники, расширение их 
номенклатуры и объёма выпуска при ограниченных сроках освоения в производстве определили новые производственные тенденции и направления. Главной их особенностью является быстрое освоение в производстве новых типов 
изделий без остановки производственного процесса выпуска прежних изделий с 
помощью быстрой перестройки технологического процесса и использования 
существующего парка технологического оборудования. 
Реализация этих тенденций возможна на основе широкой автоматизации 
производственных процессов с применением адаптивных автоматических 
устройств на основных и вспомогательных операциях, а также реализации программы использования специальных средств управления и синтеза технологических процессов. Все эти проблемы решаются с помощью гибких автоматизированных систем анализа и обработки информации, содержащейся в базах 
данных (БД) и базах знаний (БЗ) в виде файлов программной обработки деталей, технологических маршрутов и параметров, справочников, необходимых 

для систем автоматизированного проектирования (САПР) на всех стадиях производства. 
Практическая реализация методов и идей автоматизированного проектирования происходит в рамках САПР. Однако мало создать высокопроизводительные современные САПР. Надо уметь их эффективно использовать. Для 
этого нужны квалифицированные инженеры-пользователи САПР. В современном «компьютеризированном» обществе инженер любой специальности, занимающийся разработкой технических устройств, должен уметь использовать 
средства автоматизированного проектирования. Это позволяет повысить эффективность проектирования, улучшить его качество, снизить материальные 
затраты и уменьшить число разработчиков.  
В учебном пособии представлены основные аспекты математического 
моделирования и решения типовых задач оптимального конструкторского проектирования радиоэлектронных средств (РЭС). 

Соглашения, принятые в учебном пособии 
Для улучшения восприятия материала в данном учебном пособии используются пиктограммы и специальное выделение важной информации. 

 
 ·····························································  
Эта пиктограмма означает определение или новое понятие. 
 ·····························································  
 ·····························································  
Эта пиктограмма означает «Внимание!». Здесь выделена важная информация, требующая акцента на ней. Автор может поделиться с читателем опытом, чтобы помочь избежать некоторых 
ошибок. 
 ·····························································  
 ·····························································  
В блоке «На заметку» автор может указать дополнительные 
сведения или другой взгляд на изучаемый предмет, чтобы помочь 
читателю лучше понять основные идеи. 
 ·····························································  
 ·····························································  
Эта пиктограмма означает теорему.  
 ·····························································  

·····························································  
Эта пиктограмма означает лемму.  
 ·····························································  

 ························  
 Пример  ··························  

Эта пиктограмма означает пример. В данном блоке автор может привести 
практический пример для пояснения и разбора основных моментов, отраженных в теоретическом материале. 
 ·······································································  

 ·························  
 Выводы  ·························  

Эта пиктограмма означает выводы. Здесь автор подводит итоги, обобщает 
изложенный материал или проводит анализ. 
 ·······································································  
 ·····························································  
Контрольные вопросы по главе 
 ·····························································  
 
 

1 Методология автоматизированного проектирования. 
Общие сведения о проектировании электронных средств 

1.1 Основные понятия и определения 
При построении новых объектов техники по заданному описанию несуществующего объекта выполняется его материализация в работоспособную 
надежную конструкцию.  
 ·····························································  
Проектирование – это процесс создания описания, необходимого для построения в заданных условиях еще не существующего 
объекта, на основе первичного описания этого объекта. Процесс 
создания описания нового объекта может выполняться различными способами. Выделим три основных. 
 ·····························································  
 ·····························································  
Если весь процесс проектирования осуществляет человек, то 
проектирование называют неавтоматизированным. В настоящее 
время неавтоматизированное проектирование таких сложных объектов, как электронно-вычислительная аппаратура (ЭВА), практически не применяют. 
Наибольшее распространение получило проектирование, при 
котором происходит взаимодействие человека и ЭВМ. Такое проектирование называют автоматизированным. Автоматизированное 
проектирование, как правило, осуществляется в режиме диалога человека с ЭВМ на основе применения специальных языков общения 
с ЭВМ. 
Проектирование, при котором все преобразования описаний 
объекта и алгоритма его функционирования осуществляются без 
участия человека, называют автоматическим. 
 ·····························································  
Рассмотрим ряд понятий, которые используются, например, при разработке электронно-вычислительной аппаратуры.  

·····························································  
Первичное описание ЭВА, представленное в заданной форме, 
называется заданием на проектирование. В задании на проектирование электронно-вычислительной аппаратуры должны быть 
сведения о её назначении, её параметрах, способах функционирования, конструктивной реализации, изготовления и т. п. 
Проектным решением называется промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления 
или окончания проектирования. 
Результатом проектирования является проектное решение 
или их совокупность, удовлетворяющие заданным требованиям, 
необходимым для создания нового объекта. В заданные требования 
должны быть обязательно включены требования к форме представляемого проектного решения.  
Документ, выполненный по заданной форме, в котором представлено какое-либо проектное решение, полученное при проектировании, называется проектным. 
Совокупность проектных документов в соответствии с 
установленным перечнем, в котором представлен результат проектирования, называется проектом. 
Под проектной процедурой понимают формализованную совокупность действий, выполнение которых оканчивается проектным решением. Например, проектными процедурами являются оптимизация, контроль, поиск решения, корректировка, компоновка, 
проверка правильности трассировки и т. п. 
Действие или формализованная совокупность действий, составляющих часть проектной процедуры, алгоритм которых 
остается неизменным для ряда проектных процедур, называется 
проектной операцией. 
 ·····························································  
 
 

·························  
 Пример  ·························  

Примерами проектных операций являются составление таблиц с данными 
вычисления, вычерчивание топологии, ввод и вывод данных, набивка перфокарт и т. п. 
 ·······································································  
 ·····························································  
Проектная процедура, алгоритм которой остается неизменным для различных объектов проектирования или различных стадий проектирования одного и того же объекта, называется унифицированной проектной процедурой. 
 ·····························································  
Выполнение проектных работ можно распределить как во времени, так и 
по подразделениям проектной организации. 
 ·····························································  
При временном распределении работ по созданию новых объектов процесс проектирования разделяется на стадии и этапы.  
 ·····························································  
Различают восемь стадий:  
1) предпроектные исследования;  
2) техническое задание;  
3) техническое предложение;  
4) эскизный проект;  
5) технический проект;  
6) рабочий проект;  
7) изготовление;  
8) отладка, испытание и ввод в действие. 
При создании новых объектов выделяют следующие этапы: 

• этап научно-исследовательских работ (НИР). Объединяет стадии: 
предпроектные исследования, техническое задание и часть технического предложения. Здесь проводят исследования по поиску новых 
принципов функционирования, новых структур, физических процессов, новой элементной базы, технических средств и т. п.;  

• этап опытно-конструкторских работ (ОКР). Объединяет стадии: часть 
технического предложения, эскизный проект, технический проект. 

Здесь отражаются вопросы детальной конструкторской проработки 
проекта; 

• этап рабочего проектирования. Объединяет стадии: рабочий проект, 
изготовление, отладка и испытание, ввод в действие. Здесь прорабатывают схемные, конструкторские и технологические решения, проводят испытания, изготовление [1, 4]. 
Для этапа НИР в основном используют системы автоматизации научных 
исследований и экспериментов (АСНИ). 
 ·····························································  
Распределение работ между подразделениями производят с 
использованием блочно-иерархического подхода (БИП) к проектированию. Этот подход основан на структурировании описаний объекта с разделением описаний на ряд иерархических уровней по степени детальности отображения в них свойств объекта и его частей. 
Каждому иерархическому уровню присущи свои формы документации, математический аппарат для построения моделей и алгоритмов исследования. Совокупность языков, моделей, постановок задач, методов получения описаний некоторого иерархического 
уровня часто называют уровнем проектирования. 
Методология блочно-иерархического подхода базируется на 
трех концепциях:  
1) разбиение и локальная оптимизация;  
2) абстрагирование;  
3) повторяемость. 
 ·····························································  
Концепция разбиения позволяет сложную задачу проектирования объекта 
свести к решению более простых задач с учетом взаимодействий между ними. 
Локальная оптимизация подразумевает улучшение параметров внутри каждой 
простой задачи. Абстрагируемость заключается в построении формальных математических моделей, отражающих только значимые в данных условиях свойства объектов. Повторяемость заключается в использовании существующего 
опыта проектирования. 
 ·····························································  
Основное достоинство блочно-иерархического подхода – это 
упрощение процесса проектирования и получение возможности 
решать задачи проектирования доступными средствами. 
 ·····························································  

Использование блочно-иерархического подхода помогает: упростить решение проблемы хранения данных, сократить размерность выполняемых программ и время проектирования, применять системы автоматизированного проектирования (САПР) один раз для объекта (его части) независимо от числа 
идентичных объектов (его частей). 
Весь процесс проектирования можно представить как последовательность 
этапов, связывающих концептуальное описание объекта и создание этого объекта. Указанную связь реализуют в одном из двух направлений: восходящем 
или нисходящем. Восходящее проектирование, т. е. проектирование снизу вверх, 
характеризуется решением сначала задач низких иерархических уровней с последовательным переходом к решению задач более высоких уровней. Нисходящее проектирование, т. е. проектирование сверху вниз, является противоположным по отношению к восходящему проектированию. 
Отметим, например, что используемая в настоящее время концепция проектирования интегральных микросхем с большой степенью интеграции по модульному принципу – это концепция блочно-иерархического подхода. В системе блочно-иерархического подхода конструктор выполняет функциональные, 
интуитивные и интеллектуальные преобразования на верхних уровнях, а ЭВМ 
выполняет проектирование на нижних уровнях. 
 ·····························································  
Уровни проектирования можно выделять не только по степени подробности отражения свойств объекта, но и по характеру отражаемых свойств. Если в первом случае уровни называют горизонтальными, или иерархическими, то во втором – вертикальными, 
или аспектами. 
 ·····························································  
При выделении горизонтальных уровней проектирования производятся 
разделение объекта на блоки и рассмотрение вместо объекта его отдельных 
блоков. Если на некотором уровне 1i  имеем объект ,s  то на соседнем, более 

низком уровне 2i  происходят разделение s  на блоки 1
2
,
,...,
j
s s
s  и рассмотрение 

каждого блока 1
2
,
,...,
j
s s
s  на уровне 2i  с большей степенью детализации, чем на 

уровне 1.i  

В общем случае при проектировании технических объектов можно выделить несколько вертикальных уровней, основные из них – функциональный,