Этапы разработки электроники

Разработка электронных устройств – многоэтапный процесс, который подразумевает теоретические изыскания, моделирование, эксперименты, а также дальнейшее практическое воплощение. Каждая из стадий требует соответствующих навыков. Именно поэтому разработкой цифровых устройств, как правило, занимается полноценное конструкторское бюро или подразделение НИОКР

Рассмотрим базовые этапы, которые включает разработка электроники.

Проектирование электроники состоит из четырёх базовых этапов:

• 1. Определение требований и постановка задач.
• 2. Проектирование и разработка концепции.
• 3. Разработка технического задания.
• 4. Прототипирование и тестирование.
• 5. Доработка и оптимизация.
• 6. Подготовка конструкторской документации.
• 7. Разработка прототипа.
• 8. Подготовка к производству.
• 9. Производство и сборка.

При необходимости также в основные этапы включается продуктовый дизайн, моделирование, проведение экспериментов и разработка технологии производства устройства.

Первый и основной этап – это создание архитектуры электронного устройства. Он подразумевает разработку такой элементной базы и взаимосвязей между элементами, которая будет отвечать поставленному техническому заданию.

Проще говоря, перед разработчиком ставится задача – необходимо создать устройство, которое будет обладать требуемыми функциями. Источником задачи может быть как внешний заказчик, так и сам «изобретатель». Получив задачу, разработчик начинает создавать архитектуру устройства: как оно должно быть сделано, чтобы отвечать установленным требованиям.

На этом этапе рассматриваются следующие вопросы:

• Логика работы устройства;
• Тип входных данных;
• Методы их преобразования;
• Тип выходных данных;
• Методы их вывода; и так далее.

При создании архитектуры разработчик может использовать вспомогательное оснащение. Например, существуют программные комплексы, которые помогают создать логическую схему просто по введённым данным. С помощью такого софт разработка цифрового устройства на ПЛИС (программируемых логических интегральных схемах) становится быстрой и понятной.

Принципиальная схема – это документ, который описывает используемые в устройстве радиоэлектронные компоненты и взаимосвязи между ними. Он является основополагающим при создании «девайса». Разработка принципиальной схемы – это масштабный этап, который включает несколько дополнительных. Например:

• Подбор используемых радиоэлектронных компонентов, комплектующих, интегральных схем и других функциональных элементов устройства;
• Анализ взаимодействия между этими компонентами, исследование скорости, оптимизация работы;
• Моделирование работы устройства по созданной принципиальной схеме.

В принципиальных схемах описываются все элементы радиоэлектронной конструкции устройства, а также логика его работы.

После разработки принципиальной схемы производится проектирование печатных плат. В результате должен быть создан чертёж-документ, который детально описывает размещение всех радиоэлектронных элементов, интегральных схем и токоведущих дорожек.

В этом заключается различие между принципиальной схемой и топологией печатной платы. Первый документ являет собой теоретическое описание логики устройства и используемых элементов. Второй – более приближенный к реальности вариант. При этом разработчики должны учитывать также расположение элементов, расстояние между ними и даже используемые материалы – всё это напрямую влияет на скорость и стабильность работы устройства.

Как правило, разработка топологии печатной платы проходит в несколько итераций с моделированием и «экспериментами» в специализированном программном обеспечении. Это позволяет добиться сразу нескольких результатов:

• Снизить риск ошибок при работе устройства, вызванных расположением элементов;
• Снизить риск повреждений вследствие нагрева, механического износа или непреднамеренных контактов РТЭ;
• Уменьшить физические габариты устройства (его длину, ширину и высоту), вписать готовую печатную плату в дизайн или корпус прибора;
• Определить правильность расположения РТЭ и токоведущих дорожек, особенно при многослойном или поверхностном размещении.

Также на данном этапе может выбираться материал, используемый для основания печатной платы (это не всегда текстолит), и разрабатываться этапы производства электронного устройства. Таким образом, разработка топологии печатной платы – это, как правило, наиболее продолжительный по времени этап создания электронного устройства. Однако от правильности его выполнения зависит главное: работоспособность и надёжность девайса.

Электронные устройства, построенные на логических интегральных схемах, также нуждаются в программировании. Инженеры пишут код низкого уровня, используя ассемблер или подобный язык. Затем он записывается на постоянный носитель.

Данный код является алгоритмическим – в нём описываются последовательности действий, которые должны выполнить интегральные схемы для преобразования электрических сигналов. Цели зависят от функциональности устройства. Сам программный код может иметь различные объёмы и структуры – это зависит от характеристик, особенностей и предназначения финального приспособления.

При необходимости разработка электронных устройств может включать следующие дополнительные этапы:

• Проектирование продуктового дизайна. На этом этапе создаётся, по сути, корпус устройства. При этом разработчики также учитывают расположение функциональных элементов (клавиши, кнопки, переключатели, светодиодные индикаторы, дисплеи и так далее). В некоторых случаях разработанный продуктовый дизайн определяет даже топологию печатной платы – например, если необходимо вынести какой-нибудь элемент управления.
• Проведение экспериментов. Разработчики могут создать несколько прототипов электронного устройства, которые различаются характеристиками, функциональностью и дизайном. Затем использование этих прототипов позволит выявить «слабые места», которые невозможно распознать при цифровом моделировании – например, перегрев или неудобный дизайн.
• Разработка технологии производства. Если устройство планируется выпускать в промышленных количествах, то также потребуется разработать методическую и техническую карты, которые описывают процесс изготовления, а также используемые инструменты и оборудование.

Сроки разработки обычно зависят от сложности технических устройств. Если относительно простые приспособления на основе существующих конструкций можно создать менее чем за несколько недель, то сложные и комплексные потребуют до нескольких лет.

Главным результатом разработки электронных устройств является конструкторская документация – принципиальные схемы, топологические схемы, чертежи и описания работы, а также программный код.

На основе этой документации можно собрать электронное устройство или запустить производственный процесс.