Часто на целостность сигнала влияют плохо спроектированное взаимное расположение сигнального и возвратного проводников(его ещё называют землёй). Предполагается, что функция "земли" заключается в стоке токов в систему заземления в произвольном месте, что является не верным взглядом на функцию возвратного проводника. Высокочастотный возвратный ток «зеркально отражает» путь сигнального тока. И суммарное поле есть разность полей прямого и обратного провода. Что приводит к определённым выводам, относительно взаимного расположения этих проводников.

На этом скрине можно наблюдать распределение тока на частоте 1 МГц в круглом проводнике над металлической поверхностью и вихревых токов в нёй (тёмные участки соответсвуют большей плотности тока):



При распространении сигнала по линии передачи, электромагнитное поле распологается между сигнальным и возвратным проводниками и таким образом в линии передачи оба проводника и их взаимное расположение играют важную роль. Сигнал можно рассмотреть как разность потенциалов между соседними «зеркальными» точками на возвратном и сигнальном проводнике. Скорость распространения сигнала в линии передачи зависит от скорости формирования изменяющихся электромагнитных полей между сигнальным и возвратным проводниками. Поэтому также скорость распространения сигнала зависит от материала окружающих проводники(относительная диэлектрическая проницаемость материала). Для задачи трассировки актуальны другие влияющие параметры, как ширина проводника и толщина диэлектрика между сигнальным и возвратным проводниками, а то есть их взаимное расположение. (и ведь задачу надо расширить, рассматривать взаимодействие не только прямых и обратных токов!!!) Трассировка, ЭМС

Где-то год назад наткнулся вот на такой российский САПР под названием «DipTrace»
В его составе решается задача размещения и трассировки, используются
библиотеки OpenGL для графического вывода информации о процессе.

Я задал разработчикам следующие вопросы про автотрассировщик: "Какие критерии электромагнитной совместимости учитываются при трассировки? Какие другие критерии учитываются? Задача сразу решается как многокритериальная трассировка с учётом всех возможных критериев или же имеются в этом плане какие-то ограничения в учёте критериев ?"

И был получен ответ: "Т.к. на плате имеется информация только о расположении компонентов и их выводов, критерии электромагнитной совместимости не учитываются. Основной критерий — развести максимально возможное количество сетей с наименьшей суммой длин всех трасс."

Размышления:
Таким образом, они скорее всего не знают, как при данных изначальных топологических сведений для задачи трассировки учесть критерии ЭМС… Выбрали всё те же классические два критерия(минимум суммарной длинны и минимум не разведённых трасс).
А пытаются ли они расширить исходные данные для задачи трассировки?…
Что ж, это всего лишь мысли в слух… Трассировка, DipTrace, ЭМС

Задача трассировки является заключительной и наиболее сложной процедурой этапа конструкторского проектирования печатных плат и представляет собой поиск оптимальных конфигураций трасс на печатной плате, с учетом установленных критериев качества и ограничений.

Одним из недостатков решения задачи трассировки с использованием существующих САПР, это возможность решения задачи с учетом не более двух-трёх критериев качества (минимум суммарной длины соединений и минимум числа не разведенных трасс), и также обычно присутствует некоторое количество ограничений задачи.

Тенденция развития высокоскоростной цифровой вычислительной техники такова, что всё более остро встаёт проблема электромагнитной совместимости(ЭМС). (возрастание частот, увеличение степени интеграции, уменьшение времени фронтов сигналов и т.д.). Также имеет место быть конкретная борьба за потребителя конечного продукта, что вынуждает проектировать устройства в более короткие сроки.

Устаревшая стратегия проектирования, использующая физический прототип, была основана на экспериментальном определении искажений цифрового сигнала и поиске путей их устранения, что приводило к длительным циклам создания прототипов, их исследования и переделок. Введение виртуального прототипа позволяет не только облегчить процесс отладки, но и в будущем заменить физический прототип виртуальным. Первый шаг в этом направлении это учёт критериев ЭМС в каждом этапе проектирования устройства: Компоновка, размещение, трассировка.

Эволюция проектирования электронных средств(скрин из доступных литературных источников):


Задачи верификация при проектировании печатных плат(скрин из доступных литературных источников):


Подробней про каждый пункт верификации:

Целостность сигнала:
• управление волновым сопротивлением линий передач;
• анализ перекрестных помех;
• анализ влияния нагрузки линии передачи;
• влияние «отрыва» заземления при работе цифровых микросхем;
• определение рациональной структуры многослойных печатных плат;
• анализ линий передач в виде дифференциальных пар.
Тайминг:
• задержка распространения сигнала в линиях передачи;
• системная задержка из-за влияния емкости и индуктивности печатных проводников;
• системная задержка, вызванная помехами отражения в линиях передач;
• расфазировка сигналов и джиттер их фронтов.
Электромагнитная совместимость:
• уровень помехоэмиссии от печатного узла;
• кондуктивные помехи по шинам питания;
• восприимчивость к излучаемым помехам от внешних источников.

Для реализации программного модуля автоматизированной трассировки печатных плат с учётом критериев ЭМС, выделяю следующие пункты, требующие для своей разработки наибольшие усилия:

1) Разработка критериев ЭМС для трассировки
2) Выбор более оптимального метода для многокритериальной и многослойной трассировки печатных плат. (актуальность разработки такого алгоритма приводить не буду) [В результате исследований выбраны эволюционные методы оптимизации]
3) Разработка структуры и кодирования хромосом для эволюционного алгоритма трассировки, с учётом существующих требований производства к проектированию печатных плат (геометрические параметры плат, элементов и т.д.)
4) Разработка поддержки программным модулем существующих форматов файлов для хранения данных до и после трассировки.
5) Разработка интерфейса пользователя. Трассировка, ЭМС