Algunas definiciones

La automatizaci贸n de los procesos industriales a lo largo de los a帽os ha dado lugar a un avance espectacular de la industria. Todo ello ha sido posible gracias a una serie de factores entre los que cabe destacar las nuevas tecnolog铆as, la generalizaci贸n del uso de las computadoras y, sobre todo, el control y la regulaci贸n de sistemas.

La incorporaci贸n de las computadoras en la producci贸n es, sin lugar a dudas, el elemento puente que ha permitido lograr la automatizaci贸n integral de los procesos industriales. La aparici贸n de los microprocesadores/microcontroladores ha facilitado el desarrollo de t茅cnicas de control complejas, la robotizaci贸n, la implementaci贸n de sistemas de gobierno y la planificaci贸n. Todos estos elementos llevan consigo la reducci贸n de costos, el aumento de productividad y la mejora de calidad del producto.

La primera 茅poca de la automatizaci贸n estuvo marcada por la aplicaci贸n de dispositivos capaces de controlar una secuencia de operaciones y el comienzo del estudio sobre la regulaci贸n autom谩tica. La segunda 茅poca, desde la d茅cada de los cuarenta hasta nuestros d铆as, se ha caracterizado por la aparici贸n de la microelectr贸nica y de las computadoras y, a su vez, por el gran avance de la teor铆a de control. Tambi茅n en esta 茅poca, la introducci贸n de los robots industriales en la fabricaci贸n de series peque帽as y medianas ha incrementado sustancialmente la flexibilidad y autonom铆a de la producci贸n. A finales de los 80, las tecnolog铆as de integraci贸n RISC y CISC y las nuevas generaciones de microprocesadores ponen a disposici贸n del fabricante de software m谩quinas sin limitaciones tecnol贸gicas, capaces de desarrollar aplicaciones cada vez m谩s complejas, de modo que los actuales PCs se solapan tanto en prestaciones como en precio con las workstations, t茅rmino indisolublemente ligado cada vez que se habla de CAD/CAE/CAM.

Podemos definir el CAD o Dise帽o Asistido por Computadora como la t茅cnica que, bas谩ndose en el uso de la computadora y con los programas adecuados, se encarga de facilitar el dise帽o de un producto. El CAD se utiliza en mec谩nica, arquitectura, qu铆mica, cartograf铆a y, en lo que a nosotros se refiere, en electricidad y electr贸nica.

Como consecuencia del progresivo aumento de prestaciones de las computadoras personales, as铆 como de la reducci贸n de su precio, los conjuntos de programas integrados o paquetes de CAD/CAM se han popularizado y su empleo proporciona una importante disminuci贸n del tiempo dedicado al desarrollo, del coste y, por tanto, un notable incremento de la competitividad. Poco a poco, la computadora se ha convertido en una herramienta imprescindible para cada una de las etapas del proceso productivo, convirti茅ndose en una aut茅ntica estaci贸n de trabajo.

Se introduce el concepto CAE (Ingenier铆a Asistida por Computadora) conformando el grupo de ayudas centradas en la simulaci贸n el茅ctrica y funcional de los circuitos y sistemas.

Surge as铆, para la automatizaci贸n del dise帽o electr贸nico, el entorno EDA que abarca la t茅cnica CAD/CAE/CAM: el CAD como el conjunto de herramientas inform谩ticas destinadas a capturar el esquema electr贸nico del circuito y a dise帽ar la tarjeta de circuito impreso correspondiente que se desea construir; el CAE se reserva a las herramientas inform谩ticas encargadas de comprobar el correcto funcionamiento del circuito cuyo esquema se ha obtenido con el CAD; finalmente, el CAM proporciona los recursos precisos para la construcci贸n del circuito probado.

Es en este tipo de t茅cnicas donde el entorno EDA ha puesto de relieve la importancia de automatizar inform谩ticamente el proceso, desde el dise帽o hasta la fabricaci贸n, ofreciendo las siguientes ventajas:

  • Seguridad de un correcto funcionamiento, ya que se ha simulado el prototipo sin necesidad de montarlo f铆sicamente.
  • F谩cil integraci贸n, sin problemas adicionales, en una cadena de fabricaci贸n.
  • Obtenci贸n de un producto m谩s econ贸mico, de mejor calidad y en el menor tiempo posible.

Una de los mayores aportes del CAD/CAE/CAM es la compartici贸n de recursos, librer铆as y desarrollos, por parte de varios usuarios que realizan diversas labores relacionadas con el proyecto.

CAD electr贸nico

Las estaciones de dise帽o CAD necesitan una base de datos de la que extraer la informaci贸n necesaria para las distintas fases del proceso. La forma de iniciarla es mediante la captura de esquemas en la que el dise帽ador dibuja los circuitos del proyecto, vali茅ndose de un editor gr谩fico que le permite posicionar componentes y figuras, trazar l铆neas y buses de interconexi贸n, mover, copiar, borrar objetos, etc.

Para realizar la entrada del esquem谩tico es necesario, adem谩s del editor gr谩fico, que el sistema lleve incorporada informaci贸n de los componentes incluidos en el esquema. Es pues esencial disponer de una completa biblioteca de componentes electr贸nicos (anal贸gicos, digitales, discretos, integrados, conectores, elementos complementarios, etc.) debidamente caracterizados, tanto desde el punto de vista geom茅trico como de comportamiento el茅ctrico, de forma que el usuario pueda invocarlos, posicionarlos y realizar conexiones entre ellos.

El editor gr谩fico permitir谩 la estructuraci贸n del proyecto de forma jer谩rquica, es decir, a base de bloques interconectados entre s铆 al nivel m谩s alto de la jerarqu铆a, correspondiendo al dise帽ador asignar a cada uno de los bloques su contenido, de forma que el sistema, cuando analiza ese esquema jer谩rquico, sabe encontrar el contenido de cada bloque.

Una vez dibujado el esquema el茅ctrico en la computadora, mediante el editor gr谩fico y las librer铆as de componentes, se realiza un proceso de compilaci贸n que establece la base de datos global, 煤nica para todas las tareas, de modo que las modificaciones introducidas en cualquier etapa del desarrollo se reflejen en ella inmediatamente, minimizando as铆 la posibilidad de introducir errores por falta de actualizaci贸n o por incorrecta transmisi贸n de informaci贸n de una etapa a otra. Esta compilaci贸n detecta, a su vez, los posibles errores de conexionado cometidos, con lo que el usuario tiene control sobre la calidad del producto desde las primeras etapas del proceso.

Como complemento al editor gr谩fico existe un editor de componentes destinado a la creaci贸n de nueva simbolog铆a, no incluida en las librer铆as originales del programa, o a la modificaci贸n de la ya existente.

Una etapa intermedia entre la captura de un esquema y su posterior simulaci贸n o dise帽o del circuito impreso, consiste en someterle a una serie de procesos que posibiliten la comunicaci贸n con otras herramientas inform谩ticas.

Finaliza esta fase con la preparaci贸n de la PCB, posicionado de componentes, definici贸n de zonas de relleno de cobre, trazado de pistas, verificaci贸n de las reglas del dise帽o y obtenci贸n de archivos para trazado y taladrado de la placa.

CAE electr贸nico

El CAE se encarga de efectuar una completa simulaci贸n del circuito cuyo esquema se ha capturado en la fase anterior, tanto en condiciones nominales como en otras, incluidas las situaciones l铆mite que, de ser realizadas sobre un prototipo real, podr铆an producir su destrucci贸n. En la actualidad son comunes los paquetes integrados que incluyen simulaci贸n mixta dirigida a circuitos constituidos por componentes anal贸gicos y digitales.

Se cuenta con librer铆as especiales que contienen los componentes modelizados matem谩ticamente para responder a su comportamiento f铆sico.

Se puede someter al circuito a multitud de an谩lisis: barrido DC, punto de trabajo, funci贸n de transferencia, sensibilidad, respuesta en frecuencia, ruido, transitorio, Fourier, param茅trico, de temperatura, estad铆sticos (Montecarlo y peor caso), etc.

As铆, con frecuencia no ser谩 necesario montar f铆sicamente el prototipo y, de hacerlo, se conseguir谩 que cumpla las especificaciones de funcionamiento en un corto intervalo de tiempo, logrando una puesta a punto r谩pida y definitiva.

Tambi茅n se pueden obtener copias duras de los gr谩ficos y de las se帽ales del circuito mediante impresoras a color y plotters, que documenten con todo detalle el proyecto.

CAM electr贸nico

El CAM facilita la implementaci贸n f铆sica de los esquemas electr贸nicos dise帽ados y simulados en las fases previas de CAD/CAE. Est谩 dirigido a dos 谩reas principales: 聲

  • 聲Fabricaci贸n de ICs. Existen estaciones que ofrecen la informaci贸n necesaria para la construcci贸n de circuitos integrados a medida, los cuales contienen los esquemas electr贸nicos dise帽ados.

  • Fabricaci贸n de circuitos impresos. Se importan los archivos Gerber y se preparan los datos de producci贸n para prototipos, calculando los canales de aislamiento en caso de usar m谩quinas CNC para taladrado y fresado de la PCB, cuyos par谩metros de herramientas y funciones de control habr谩 que conocer para un correcto manejo.

Los buenos sistemas CAM disponen de salidas directas a fotoplotter, m谩quinas de inserci贸n autom谩tica de componentes, taladradoras con control num茅rico, etc. Finalmente, hay estaciones de trabajo que transfieren autom谩ticamente datos sobre el dise帽o f铆sico al sistema de prueba de tarjetas acabadas, mejorando la productividad y la fiabilidad, y proporcionando un producto final listo para fabricaci贸n de series.

Detalle del proceso para obtenci贸n del prototipo

Las herramientas de las que se vale el dise帽ador, tanto en el dise帽o a nivel de placa de circuito impreso como a nivel de circuito integrado, constituyen el Software de Dise帽o Electr贸nico.

Una vez hechos los c谩lculos precisos para iniciar el proyecto de acuerdo con las especificaciones dadas, procederemos a la captura de dicho dise帽o en la computadora, para posteriormente utilizarlo en la simulaci贸n, fabricaci贸n y documentaci贸n. Es por tanto necesario disponer de:

  • 聲Un editor gr谩fico para la captura esquem谩tica. Este programa utiliza s铆mbolos de componentes y otros elementos auxiliares para representar circuitos.

  • Una base de datos jerarquizada. Aunque forma parte del editor de gr谩ficos, por su importancia, se puede tratar aparte. En ella est谩n los elementos a emplear y debe ser 煤nica.

  • El netlist. Programa destinado a generar la lista de conexionado entre los elementos de un dise帽o. Puede efectuarse manualmente mediante un editor de texto o, como es habitual, a partir del esquema. Se utiliza como entrada de datos para el simulador y para la PCB.

  • Simuladores. Programas que permiten determinar el comportamiento de un dise帽o antes de su realizaci贸n f铆sica, mediante simulaciones, an谩lisis y ensayos.

  • Programas para el dise帽o l贸gico programable. Destinados a obtener los ficheros con la informaci贸n l贸gica a implementar en un dispositivo programable, en el formato adecuado, para su posterior grabaci贸n.

  • Un editor gr谩fico para el trazado del circuito impreso. Este programa utiliza el netlist adecuado, que incluir谩 la informaci贸n de los encapsulados, para realizar el emplazamiento y conexionado de los componentes.

  • Fabricaci贸n CNC. Programas de control num茅rico para el microfresado y taladrado autom谩tico de la placa virgen.