Projektowanie płytek. O pracy projektanta. cz. 5

Projektowanie płytek. O pracy projektanta. cz. 5
Pobierz PDF Download icon
Rozpoczynając przygodę z projektowaniem obwodów, należy wcześniej uświadomić sobie, iż projekt taki składa się z chronologicznie następujących po sobie etapów. Od pomysłu do wygenerowania poprawnej dokumentacji projektowej. W artykule tym postaram się przybliżyć chronologię, jak i rolę poszczególnych etapów.
94 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 NotatNik koNstruktora Dodatkowe materiały na CD wywane wszelkie założenia wstępne, wy- magania, pomysły. Elementy te stanowią ważny człon dokumentacji projektowej. Opracowanie schematu elektrycznego projektu Kolejnym etapem projektowym jest opracowanie schematu elektrycznego. Prak- tycznie każdy dobrej klasy pakiet CAD dla elektroniki posiada możliwość utworze- nia schematu elektrycznego z  elementów bibliotecznych. Biblioteki elementów za- wierają symbole (reprezentacje graficzne) i  opisy najpopularniejszych komponentów elektronicznych. Oczywiście istnieje możli- wość zdefiniowania własnych symboli i do- dania ich bądź utworzenia nowej biblioteki, co najczęściej powinno znacząco poprawić czytelność schematu. Tworząc elementy bi- blioteczne nie należy ograniczać się do pro- stych bloków, warto dodatkowo dodać jakaś graficzną ilustrację sposobu działania dane- go układu, tak aby osoba trzecia bez zaglą- dania w  dokumentację danego podzespołu mogła coś powiedzieć o jego działaniu, jak i aplikacji w której pracuje. Projektowanie płytek (5) O pracy projektanta Rozpoczynając przygodę z  projektowaniem obwodów, należy wcześniej uświadomić sobie, iż projekt taki składa się z  chronologicznie następujących po sobie etapów. Od pomysłu do wygenerowania poprawnej dokumentacji projektowej. W  artykule tym postaram się przybliżyć chronologię, jak i  rolę poszczególnych etapów. Każdy projekt rozpoczyna się od pomy- słu. Niektóre projekty trafiają do realizacji, niektóre do szu?ady, jednak bez względu na losy projektu, powinien on być przy- gotowany profesjonalnie, to znaczy wraz z kompletną dokumentacją. W innym wy- padku projekt jest małowartościowy, powo- duje powstanie bałaganu w strukturze jed- nostki projektowej i produkcyjnej. Dobrym zwyczajem jest rozpoczynanie projektu od utworzenia odpowiedniej kartoteki dla do- kumentacji projektu, gdzie będą przecho- Umieszczając element biblioteczny na schemacie (rys. 31) musimy nadać mu od- powiednie parametry, takie jak: numer po- rządkowy, wartość, nazwę producenta. Do- datkowo do każdego elementu należy przy- porządkować obudowę, czyli reprezentację graficzną widoczną w edytorze PCB. Rysując schematy należy przestrzegać kilku niepisanych reguł dobrego smaku, tj. umieszczać wejścia po lewej stronie, a wyj- ścia po prawej stronie arkusza, elementy reprezentujące sieci zasilania powinny być zorientowane ku górze, zaś elementy mas w dół (rys. 32). Kompozycja taka znacząco ułatwia czytanie schematu, jak i pokazuje klasę projektanta. W  momencie, gdy wszystkie elementy zostaną już rozmieszczone na schemacie, można przystąpić do łączenia poszczegól- nych ich wyprowadzeń, tworząc właściwy schemat elektryczny. W  zależności od pa- kietu w edytorze schematów mamy możli- wość dodawania do niego innych reprezen- tacji graficznych, takich jak sieć (net, net label), doprowadzenia zasilania (power), masy, symbole portów itp. Wiele pakietów Rys. 31. Korekta rozmieszczenia doprowadzeń celu poprawienia czytelności schematu 95ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 Projektowanie płytek R E K L A M A Rys. 32. Preferowany sposób dołączenia mas w celu poprawienia czytelności schematy 96 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 Notatnik konstruktora pozwala na wielokanałowe tworzenie sche- matów. Oznacza to, że cały projekt może być rozbity na kilka bloków, tworzących jedno urządzenie. Przykładowo, jeżeli projektuje- my odbiornik telewizyjny, to schemat urzą- dzenia możemy podzielić na poszczególne bloki: zasilacz, tor audio, tor wizji, tor wiel- kiej częstotliwości, tor odchylania, itd. Na podstawie utworzonych połączeń, program automatycznie generuje sieć po- łączeń (netlist). Najczęściej jest to plik tek- stowy zawierający opis połączeń związany z obudowami przyporządkowanymi do ele- mentów. Częstym błędem popełnianym przez początkujących jest łączenie schematu tylko i  wyłącznie za pomocą linii. Jest to sposób poprawny, jednak powoduje, że schemat staje się nieczytelny. Warto korzy- stać z dobrodziejstw aplikacji, wstawiając bardziej czytelne metody konstrukcji sche- matu, tj. symbole sieci, magistrale, itd. Na- leży jednak zachować umiar w  ich stoso- waniu w obrębie projektu, ponieważ może to również znacząco pogorszyć czytelność schematu. Po dokładnym narysowaniu schematu i opisaniu wyprowadzeń możemy przystą- pić do sprawdzenia projektu, narzędzia- mi wbudowanymi w  nowoczesne pakiety CAD. Najczęściej narzędzia takie wykry- wają kolizję zadeklarowanych typów połą- czeń, np. gdy pin elementu, zadeklarowany jako zasilania, jest na schemacie podłączo- ny do sygnału występującego w obwodzie. Symulacja obwodu elektrycznego Następnym etapem projektowania jest symulacja obwodu, na podstawie schema- tu elektronicznego. Jeżeli elementy biblio- teczne posiadają dyrektywy do symulatora wbudowanego w pakiet, możemy uruchomić moduł symulacji. Najczęściej musimy naj- pierw określić warunki pracy urządzenia, czyli podłączyć do poszczególnych wypro- wadzeń źródła zasilania, źródła sygnałów zmiennych oraz odbiorniki. Po określeniu Rys. 33. Przykładowy opis złącza umieszczony w obrębie warstwy użytkownika tych parametrów uruchamiamy symulację. Możemy również dokonać pomiarów napięć i prądów w punktach schematu, jak również zaobserwować przebiegi zmienne na wbu- dowanym oscyloskopie. Przeprowadzona symulacja upewnia nas, że założenia projek- towe są prawdziwe. Niestety nie wszystkie pakiety mają wbudowane symulatory. W  tych mniej zaawansowanych można tylko narysować schemat i wykonać na jego podstawie płyt- kę. Te bardziej rozbudowane umożliwiają nie tylko symulację obwodu, ale również ? po zaprojektowaniu płytki ? termiczną, ilu- strującą nagrzewanie się elementów oraz rozpraszanie ciepła w  danych warunkach otoczenia. Projektowanie modelu obwodu drukowanego W trakcie projektowania płytki na pod- stawie wcześniej narysowanego schematu, trasujemy fizyczne połączenia elektryczne pomiędzy padami montażowymi elemen- tów elektronicznych. Rozmieszczenie i wy- miary padów są określane w odpowiednich bibliotekach. Program przenosząc poszcze- gólne elementy z edytora schematu do edy- tora PCB wybiera odpowiednie symbole podstawek z bibliotek, przyporządkowane danym komponentom. Zwykle korzysta się z własnych bibliotek elementów, odpowia- dających stanowi magazynowemu jednost- ki produkcyjnej (rys. 33). Tworząc mozaikę połączeń musimy brać pod uwagę wiele aspektów i  wymagań dotyczących tego zagadnienia. Zasady te wstępnie zostały przedstawione w  poprzednich odcinkach kursu. Weryfikacja gotowego modelu obwodu drukowanego Gotowy projekt obwodu przed wyge- nerowaniem dokumentacji oraz plików produkcyjnych, należy poddać weryfikacji. Zazwyczaj proces weryfikacji modelu ob- wodu można podzielić na dwa etapy. Etap pierwszy, w którym sprawdzamy zgodność projektu: ? ze schematem elektrycznym, ? z założeniami projektu, ? z  wymaganiami mechanicznymi pro- jektu (obudowa, rozmieszczenie kom- ponentów). Etap drugi, w  którym sprawdzamy zgodność naszego modelu z  wymagania- mi stawianymi przez producenta obwodu. W etapie tym sprawdza się parametry takie jak: ? minimalna szerokość ścieżek, ? minimalny odstęp pomiędzy połącze- niami elektrycznymi, ? minimalne, maksymalne średnice otworów, ? parametry przelotek, ? wymiary obwodu. Generowanie plików produkcyjnych Z  gotowego i  sprawdzonego modelu obwodu drukowanego generujemy pliki produkcyjne. Często przygotowując pli- ki produkcyjne musimy dodatkowo dany projekt obwodu złożyć w tak zwany format składki. Format ten polega na powieleniu pojedynczego obwodu i  ustawieniu go w dokumencie kilka razy w niewielkiej od- ległości od siebie. Poszczególne płytki po- winny być ustawione symetrycznie wzglę- dem siebie. Składanie w formatkę składki ma znaczenie dla szybkości produkcji, ułatwia wykonanie obwodu producentowi oraz późniejszy montaż. Następnie generu- jemy gotowe pliki produkcyjne. Te z kolei przyjmowane są przez zakłady produkują- ce obwody i bezpośrednio odpowiadają za sterowanie automatów wiertniczych i  in- nych procesów technologicznych. Najczę- ściej zakłady produkujące obwody druko- wane przyjmują dwa formaty plików: ? Gerber RS-274X - plik tekstowy zawie- rający spis apertur, kody sterujące oraz współrzędne elementów. Każda war- stwa projektu zawarta jest w  oddziel- nym pliku; ? Excellon ASCII - pliki tekstowe za- wierające dane sterujące automatami wiertniczymi. Jeżeli projekt będzie montowany auto- matycznie, to należy również wygenero- wać pliki sterujące wszelkimi procesami zachodzącymi podczas takiego montażu, czyli najczęściej: ? pliki do wykonania szablonów do sito- drukarek, ? pliki zawierające pozycję i  dane ele- mentów na płytce bądź formatce płytek dla automatu układającego elementy na obwodzie, ? pliki zawierające pozycję i  dane ele- mentów dla automatów inspekcji koń- cowej. 97ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 Projektowanie płytek Podczas generowania wszelkich plików istotne jest zwrócenie uwagi na tak zwany punkt ?orygin?. Nasz projekt obwodu, musi znajdować się w  jego pobliżu, ponieważ tylko takie ustawienie gwarantuje, iż wyge- nerowane pliki współrzędnych zmieszczą się w dopuszczalnych granicach tolerowa- nych przez niektóre urządzenia produkcyj- ne. Najlepiej aby po wygenerowaniu pli- ków produkcyjnych dokonać ich dodatko- wego sprawdzenia w specjalnych przeglą- darkach plików tego typu. Generowanie dokumentacji projektu Proces projektowania kończy się przygo- towaniem kompletnej dokumentacji projek- tu. Dokumentacja taka powinna zawierać: ? dokumentację zebraną w  pierwszym etapie, ? kompletne schematy projektu, ? opis projektu, ? spis elementów użytych w projekcie, ? wydruk poszczególnych warstw mode- lu obwodu drukowanego, ? wszystkie pliki projektu, wraz z plika- mi wyjściowymi. Organizacja pracy Przejście przez poszczególne etapy tworzenia profesjonalnego projektu, nie gwarantuje jeszcze sukcesu. Dodatkowo należy uwzględnić tak zwaną organizację pracy, wraz z  obiegiem informacji. Ozna- cza to pewne dodatkowe wymagania sta- wiane projektantom. Dbałość o  odpowiednią organizację bibliotek. Optymalną sytuacją jest gdy biblioteki dostępne projektantowi odpo- wiadają elementom z  magazynu danej jednostki produkcyjnej. W  takiej sytuacji zapewniona jest 100% możliwość szybkie- go bezbłędnego montażu. Należy unikać zbędnego niepotrzebnego podnoszenia stanu magazynowego, ponieważ podnosi to koszty magazynowania, jak i powoduje niepotrzebnie prawdopodobieństwo pomy- łek. W momencie gdy dodajemy nowy ele- ment do biblioteki, powinien on również zostać dodany do magazynu. Niektóre pa- kiety EDA pozwalają na tworzenie tak zwa- nych bibliotek zintegrowanych, jeżeli nasz pakiet posiada taką funkcjonalność należy z niej skorzystać. Dbałość o  odpowiednie prowadzenie dokumentacji. Rozpoczynając pracę, wie- lu początkujących projektantów zapomina o  prawidłowej dokumentacji powodując tym samym często niemałą dezorganizację pracy. Najczęstszym problemem powsta- wania bałaganu w  jest powstawanie ko- lejnych wersji obwodu drukowanego tego samego projektu. Rozwiązań tego proble- mu jest wiele, jednak z doświadczenia pro- ponuję, aby każdy schemat kolejnej wersji projektu opisywać nazwą, datą i tak zwaną rewizją. Następnie tę samą nazwę projek- tu, datę i numer rewizji należy umieścić na obwodzie. Takie oznaczenie to absolutne minimum. Dodatkowo dobrze jest na kolej- nych schematach, bądź w innych plikach, umieszczać opis wprowadzonych zmian w stosunku do wersji poprzedniej. W pli- kach z  modelem obwodu można umiesz- czać tabelki z informacjami zawierającymi opis sygnałów na złączach, opis położenia zworek, bądź inne informacje w zależności od potrzeby. Dobrej klasy projektant dba również o odpowiednie szkice zapewniające czytel- ność co do sposobu montażu w obudowie, wiązek kablowych itd. Kolejny często spotykany problem dotyczy tak zwanych wariantów monta- żowych. Problem ten pojawia się w  przy- padku obwodów mogących pracować w  zależności od potrzeb w  zadanej konfi- guracji. Konfiguracja taka może polegać na odpowiednim obsadzeniu, bądź nieobsa- dzeniu odpowiednich elementów, bądź też o zmianie wartości danych elementów. Na barkach projektanta często spoczywa od- powiedzialność za dziesiątki tysięcy pro- dukowanych serii urządzeń. Jedna pomył- ka może mieć więc katastrofalne skutki. Materiały Na zakończenie pragnę w  wspomnieć istotnym czynniku przy dobrze materiału, jakim jest jego źródło pochodzenia. Oka- zuje się, iż normy nie określają dokładnie wszystkich materiałów dopuszczonych do produkcji danego laminatu ani procesów technologicznych. Dopuszczalne tempera- tury przejścia mogą zawierać się w  usta- lonych przedziałach. A  przecież od tych czynników zależy bezpośrednio jakość uzy- skanej płytki. Dodatkowo, należy zwrócić uwagę czy w  przypadku pożaru laminatu nie będą wydobywały się trujące bądź żrą- ce substancje niebezpieczne dla zdrowia potencjalnych użytkowników. Odpowied- nio dobrany surowiec do produkcji płytki obwodu drukowanego stanowi warunek konieczny (aczkolwiek niewystarczający), aby uzyskać profesjonalny produkt. Dlate- go często nie warto oszczędzać na tanich laminatach o wypełniaczach papierowych. A  dla obwodów o  specjalnych wymaga- niach (częstotliwość pracy, stratność) war- to stosować laminaty profesjonalne, produ- kowane np. przez firmę ROGERS. Zakończenie Tym artykułem kończymy niniejszy krótki cykl o  projektowaniu obwodów drukowanych. Cykl ten miał na celu za- poznanie Czytelnika z ewentualnymi pro- blemami, jakie może napotkać projektant obwodów. Należy go traktować jako sze- reg wskazówek, które należałoby zgłębić we własnym zakresie. Niestety, zgłębie- nie wszelkich tajników tej trudnej sztuki wymaga dużego nakładu pracy, a  całości potrzebnej wiedzy nie da się przekazać w kilku krótkich artykułach. W przypadku dodatkowych pytań, proszę o  wiadomość e-mail. W  miarę swoich możliwości będę starał się pomóc rozwiązać dany problem. Na zakończenie nie pozostaje mi nic inne- go jak życzyć wielu owocnych projektów. inż. Tomasz Świontek tomekfx@o2.pl R E K L A M A
Artykuł ukazał się w
Październik 2009
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik styczeń 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio luty 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje styczeń 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna styczeń 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich styczeń 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów