ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα. Τεχνική Σχεδίαση

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Τεχνική Σχεδίαση Ενότητα: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 6 ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΝΕΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΘΕΟΔΩΡΟΣ ΓΚΑΝΕΤΣΟΣ Τμήμα Μηχ. Αυτοματισμού ΤΕ

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

3 1. Σκοποί ενότητας Περιεχόμενα ενότητας Προετοιμασία μετάβασης στο Orcad Layout Σχεδίαση πλακέτας στο Orcad Layout... 7

4 1. Σκοποί ενότητας Παρέχει βασικές γνώσεις εγκατάστασης και εκκίνησης του λογισμικού Orcad Layout του εργαστηρίου (τεχνική σχεδίαση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων). Παρέχει βασικές γνώσεις για την σχεδίαση ενός τυπωμένου ηλεκτρονικού κυκλώματος. 2. Περιεχόμενα ενότητας Εκκίνηση του προγράμματος Orcad Layout. Σχεδίαση τυπωμένου ηλεκτρονικού κυκλώματος (πλακέτας).

5 3. Προετοιμασία μετάβασης στο Orcad Layout Το πρόγραµµα Orcad Layout µας δίνει πάρα πολλές δυνατότητες και διευκολύνσεις για την υλοποίηση του τυπωµένου κυκλώµατος, αλλά παρόλα αυτά δεν µπορεί να προβλέψει κάποιους παράγοντες και προβλήµατα που προκύπτουν στην πραγµατοποίηση και κατασκευή του. Κατά την επιλογή των εξαρτηµάτων ενός κυκλώµατος υπάρχει µεγάλη ποικιλία στις συσκευασίες τους µε διαφοροποιήσεις στις διαστάσεις ανάλογα µε την τεχνολογία (TH ή SMT) την µέγιστη καταναλισκόµενη ισχύ κ.τ.λ. Για την υλοποίηση λοιπόν του τυπωµένου κυκλώµατος θα πρέπει να γίνει η επιλογή των συσκευασιών των εξαρτηµάτων από τον σχεδιαστή του κυκλώµατος. Ο σχεδιαστής θα γνωρίζει τις συσκευασίες και τις πραγµατικές διαστάσεις των εξαρτηµάτων τις οποίες θα πρέπει να αντιστοιχίσει στα υποστηριζόµενα «ίχνη» (Footprints). Για να δηλώσουµε σε κάθε εξάρτηµα το όνοµα του footprint που αντιστοιχεί σε αυτό, κάνουµε δεξί κλικ στο εξάρτηµα και επιλέγουµε Edit Properties. Σχήμα 1. Edit Properties window Έτσι θα εµφανιστεί το ακόλουθο παράθυρο. Στο πλαίσιο µε ονοµασία PCB Footprint θα γράψουµε το όνοµα του Footprint που αντιστοιχεί στο συγκεκριµένο εξάρτηµα. Εάν για παράδειγµα το όνοµα του ίχνους που δηµιουργήσατε για τον πυκνωτή είναι C ELE θα το πληκτρολογούσατε στο αντίστοιχο πεδίο όπως παρακάτω: Σχήμα 2. Property editor Επαναλάβετε την ίδια διαδικασία και για τα υπόλοιπα εξαρτήµατα δίνοντας τους τις αντίστοιχες ονοµασίες Footprints. Έχοντας έτοιµα και τα Footprint εφαρµόζουµε την παρακάτω διαδικασία για να περάσουµε στο πρόγραµµα σχεδίασης τυπωµένου Layout.

6 Ελαχιστοποιούµε το παράθυρο του σχηµατικού µας και µε επιλεγµένο (να είναι µπλε) το όνοµα του αρχείου που δηµιουργήσαµε (π.χ. project.dsn), επιλέγουµε Tools Annotate και στο παράθυρο που εµφανίζεται (χωρίς να πειράξουµε τις ρυθµίσεις) πατάµε ΟΚ. Στο µήνυµα This will annotate and then save your design, Do you wish to continue? πατάµε ΟΚ. Σχήμα 3. Tools Annotate screenshot Στη συνέχεια επιλέγουµε Tools Design Rules Check και χωρίς να πειράξουµε τις ρυθµίσεις στο παράθυρο που εµφανίζεται πατάµε ΟΚ. Έπειτα επιλέγουµε Tools Create Netlist στο παράθυρο που εµφανίζεται επιλέγουµε την καρτέλα µε ονοµασία Layout, σε αυτήν κλικάρουµε την επιλογή Run ECO to Layout, και την επιλογή User properties are in inches και έπειτα ελέγχοντας το φάκελο που θα αποθηκευτεί το αρχείο (πρέπει να είναι ο φάκελος που δηµιουργήσαµε και στον οποίο εργαζόµαστε) πατάµε ΟΚ. Σχήμα 4. Create netlist Η διαδικασία αυτή δηµιουργεί τα απαραίτητα αρχεία για τη µετάβασή µας στο Layout. Την λίστα κόµβων (Netlist) από το κύκλωµα µας (αρχείο µε επέκταση.mnl).

7 4. Σχεδίαση πλακέτας στο Orcad Layout Τώρα είµαστε σε θέση να ανοίξουµε το Layout το οποίο αναζητούµε στη θέση όπου ανοίγουµε και το Capture δηλαδή Έναρξη Όλα τα προγράµµατα Orcad Layout Όπου επιλέγουµε File New Σχήμα 5. Δημιουργία νέας πλακέτας Στη συνέχεια ανοίγει το ακόλουθο παράθυρο που µας ζητά να επιλέξουµε σε τι template θέλουµε να τοποθετήσουµε το κύκλωµά µας. Εµείς θέλουµε να εργαστούµε σε ένα κενό board οπότε θα επιλέξουµε το Default.tch το οποίο βρίσκετε στην διαδροµή : C: Program Files OrcadLite Layout_Plus Data Σχήμα 6. Load template file

8 Έπειτα µας ζητείτε να φορτώσουµε την λίστα κόµβων (Netlist) που δηµιουργήσαµε από το κύκλωµα µας. Το αρχείο αυτό µε επέκταση.mnl βρίσκετε στον κατάλογο που έχουµε αποθηκεύσει το κύκλωµα µας. Η επιλογή του πραγµατοποιείται όπως στο παρακάτω παράθυρο. Σχήμα 7. Load Netlist Source Επίσης επιλέγουµε που θέλουµε να αποθηκεύσουµε το PCB που θα δηµιουργήσουµε. Επιλέγουµε το φάκελο που αποθηκεύουµε τα αρχεία του κυκλώµατός µας. (Το αρχείο αυτό που περιέχει το PCB έχει επέκταση.max) Σχήμα 8. Save File As Στη συνέχεια το πρόγραµµα θα αντιστοιχίσει αυτόµατα τα εξαρτήµατα µε τα αντίστοιχα Footprints. Στην περίπτωση που δεν θα γίνει αυτόµατα η αντιστοίχιση των Footprints θα εµφανιστεί το ακόλουθο παράθυρο όπου επιλέγουµε Link existing footprint to component. Στο συγκεκριµένο παράθυρο που βλέπουµε παρακάτω θα επιλέξουµε footprint για τον πυκνωτή C1. 8

9 Σχήμα 9. Link Footprint to component window Ανοίγει ένα νέο παράθυρο από όπου επιλέγουµε την βιβλιοθήκη ή τις βιβλιοθήκες που θέλουµε να χρησιµοποιήσουµε και επιλέγουµε το footprint του εξαρτήµατος (πχ. C ELE για τον πυκνωτή C1). Αφού το επιλέξουµε βλέπουµε αν αντιστοιχεί σε αυτό που αναζητούµε από το σχέδιο που εµφανίζεται. Επαναλαµβάνεται η ίδια διαδικασία µέχρι να συνδέσουµε όλα τα εξαρτήµατα µε τα αντίστοιχα footprints. Η γείωση δεν χρειάζεται να αντιστοιχηθεί µε κάποιο footprint αφού δεν εµφανίζεται στο PCB, παρόλα αυτά είναι απαραίτητη στο σχηµατικό µας αλλιώς θα παρουσιαστεί σφάλµα. Τελειώνοντας την παραπάνω διαδικασία ανοίγει το παρακάτω παράθυρο όπου βλέπουµε τα εξαρτήµατα, τοποθετηµένα αυτόµατα στο board που θα εργαστούµε. Οι ηλεκτρικές συνδέσεις εµφανίζονται αυτόµατα σαν ένας ιστός γραµµών (ratsnest) σύµφωνα και µε την λίστα κόµβων (Netlist) που έχει ήδη δη µιουργηθεί. Η τοποθέτηση των ηλεκτρονικών εξαρτηµάτων στην φυσική τους θέση γίνεται αυτόµατα. Αυτό που πρέπει να τονισθεί στο σηµείο αυτό είναι ότι η τελική επιλογή των θέσεων των εξαρτηµάτων επηρεάζει αποφασιστικά την ποιότητα της πλακέτας που θα κατασκευασθεί. Ο σχεδιαστής θα πρέπει να πάρει τις σωστές αποφάσεις µετακινώντας τα ηλεκτρονικά εξαρτήµατα στις τελικές τους θέσεις. 9

10 Σχήμα 10. Σχεδιασμός πλακέτας Απενεργοποιήστε το DRC (DRC OFF) κλικάροντας το εικονίδιο Επιλέξτε το Component Tool κλικάροντας το εικονίδιο Η επιλογή αυτή µας δίνει τη δυνατότητα να µετακινήσουµε τα εξαρτήµατα πάνω στο board ένα-ένα ή µαζικά επιλέγοντας τα. Στο συγκεκριµένο παράδειγµα δεν τοποθετούµε περίγραµµα και δεν αποσυνδέουµε τα εξαρτήµατα. Αν επιθυµούσαµε συγκεκριµένες διαστάσεις στην πλακέτα θα µπορούσαµε να δηµιουργήσουµε το περίγραµµα µέσα στο οποίο θα τοποθετούσαµε τα εξαρτήµατα επιλέγοντας Tool Obstacle New. Μπορούµε επίσης να αποσυνδέσουµε τα εξαρτήµατα µε επιλογή µε το ποντίκι του σχετικού εικονιδίου για την εύκολη µεταφορά τους ή να τα αφήσουµε συνδεδεµένα για να βλέπουµε ποια είναι αυτά που συνδέονται µεταξύ τους έτσι ώστε να προσπαθήσουµε να τα τοποθετήσουµε πιο κοντά. Επιλέγουµε ένα εξάρτηµα κάθε φορά (επιλογή µε το ποντίκι) και το µεταφέρουµε σε νέα τοποθεσία, ενώ επίσης µπορούµε να το περιστρέψουµε µε το πλήκτρο R. 10

11 Τελικά θα προκύψει µια πλακέτα της παρακάτω µορφής Σχήμα 11. Σχεδιασμός πλακέτας Προσοχή η παραπάνω εικόνα δεν αποτελεί την βέλτιστη ή µοναδική θέση των εξαρτηµάτων στο χώρο. Κάθε φορά όπως ήδη επισηµάνθηκε ο σχεδιαστής θα πρέπει να αποφασίσει για την βέλτιστη τοποθέτηση των εξαρτηµάτων ανάλογα µε τους περιορισµούς εξοικονόµησης χώρου ή λειτουργίας. Σηµείωση: Πατώντας το πλήκτρο Μ (µε επιλεγµένο κάποιο εξάρτηµα) το πρόγραµµα βρίσκει την συντοµότερη σύνδεση µεταξύ των εξαρτηµάτων. Σε αυτό το σηµείο πρέπει να καθορίσουµε πόσα επίπεδα (layers) θα χρησιµοποιήσουµε για την πλακέτα µας. Στο συγκεκριµένο παράδειγµα θα σχεδιάσουµε πλακέτα µονής όψης οπότε επιλέγουµε : Tool Layer Select from Spreadsheet 11

12 Στον πίνακα που ακολουθεί θέλουµε να εµφανίζεται η ένδειξη Routing ΜΟΝΟ στο Layer Type από το Layer TOP. Σχήμα 12. Πίνακας με τα Layers Αλλαγή σε Unused Με διπλό κλικ στο κουτί Layer Type από το Layer BOTTOM θα εµφανιστεί το παρακάτω παράθυρο όπου θα επιλέξουµε Unused Routing και έπειτα ΟΚ. Επαναλαµβάνουµε το ίδιο και για τα Layers INNER1 και INNER2 Σχήμα 13. Edit Layer window 12

13 Για να καθορίσουµε το πάχος των δρόµων (tracks) επιλέγουµε Options System Settings και στο παράθυρο που εµφανίζεται επιλέγουµε Millimeters (mm) και στην συνέχεια OK. Έπειτα επιλέγουµε Tool Net Select from Spreadsheet, πατάµε Cancel για ονοµασία και στο παράθυρο που εµφανίζεται κάνουµε αριστερό κλικ στο κουτί που γράφει Width Min Con Max ώστε να επιλεγούν όλα τα κουτιά κάτω από αυτό και µετά δεξί κλικ και επιλογή του Properties. Σχήμα 14. Properties window Σαν αποτέλεσµα των παραπάνω ενεργειών ανοίγει το ακόλουθο παράθυρο όπου επιλέγουµε το πάχος των δρόµων, την απόσταση (spacing) µεταξύ τους κ.α. Στην περίπτωση µας έστω ότι επιθυµούµε όλοι οι δρόµοι να έχουν το ίδιο πάχος 2mm χωρίς µεταβαλλόµενο περιθώριο, οπότε θα πρέπει να δώσουµε τις παρακάτω επιλογές. Σχήμα 15. Edit Net window 13

14 Στη συνέχεια για την δηµιουργία δρόµων έχουµε δύο επιλογές, να κάνουµε την σύνδεση χειροκίνητα ή να την πραγµατοποιήσει αυτόµατα το πρόγραµµα. Για να τοποθετούσαµε τους δρόµους χειροκίνητα θα επιλέγαµε το εικονίδιο Εµείς θα προτιµήσουµε να τοποθετήσει τους δρόµους αυτόµατα το πρόγραµµα, οπότε επιλέγουµε τη διαδροµή: Auto Autoroute Board Έτσι το πρόγραµµα θα τοποθετήσει τους δρόµους αυτόµατα και θα προκύψει ένα σχέδιο όπως το παρακάτω. Σχήμα 16. Σχέδιο πλακέτας Αν δεν µας ικανοποιεί το αποτέλεσµα ή έχει δηµιουργηθεί κάποιο βραχυκύκλωµα µπορούµε να ξαναδοκιµάσουµε µε διαφορετική θέση των εξαρτηµάτων. Επιλέγουµε: Auto Unroute Board (αναδιαµορφώνουµε την θέση των εξαρτηµάτων) και επαναλαµβάνουµε Auto Autoroute Board Μπορούµε επίσης να πραγµατοποιήσουµε κάποιες αλλαγές στους υπάρχοντες δρόµους µε την επιλογή των εικονιδίων Καταλήγοντας στην τελική τοποθέτηση των δρόµων καλό θα ήταν να εκτυπώσουµε ή να αποθηκεύσουµε (µε διαφορετικό όνοµα) αυτή τη µορφή ώστε να γνωρίζουµε τη θέση των εξαρτηµάτων στην πλακέτα. 14

15 Στην συνέχεια θα επιλέξουµε να εµφανίζονται µόνο οι δρόµοι και οι οπές στο σχέδιο µας. Για να το πετύχουµε αυτό επιλέγουµε το εικονίδιο Στο παράθυρο που θα ανοίξει επιλέγουµε να γίνουν αόρατα τα υπόλοιπα χρώµατα εκτός από αυτό του Default TOP. Σχήμα 17. Layers colors Κάνοντας δεξί κλίκ πάνω σε κάποιο χρώ µα επιλέγουµε Visible<>Invisible, αν το χρώµα αυτό ήταν ορατό θα γίνει αόρατο και το αντίστροφο. Τη διαδικασία αυτή µπορούµε να την πραγµ ατοποιήσουµε και µαζικά επιλέγοντας περισσότερα από ένα χρώµατα. Τελειώνοντας µε τη διαδικασία αυτή το σχέδιο µας θα έχει την παρακάτω όψη η οποία αποτελεί το τελικό PCB (µάσκα δρόµων). 15

16 Σχήμα 18. Σχέδιο πλακέτας Αποθηκεύστε το τελικό σας σχέδιο µε διαφορετικό όνοµα (π.χ. TelikoPCB) ώστε να γνωρίζετε πιο είναι αυτό σε περίπτωση που χρειαστεί να το αναζητήσετε. (Το αρχείο που δηµιουργείται έχει επέκταση.max) Η αντίστροφη διαδικασία όπου θα επιλέγατε να εµφανίζονται όλα τα χρώµατα εκτός από αυτό του Layer Top,θα σας έδινε την παρακάτω µορφή στην οποία οι ονοµασίες και οι τιµές των εξαρτηµάτων δεν επικαλύπτονται από τους δρόµους και είναι ευανάγνωστες. Η συγκεκριµένη µορφή καλείται µάσκα εξαρτηµάτων της πλακέτας. 16

17 Σχήμα 19. Μάσκα εξαρτημάτων πλακέτας Για εκτύπωση επιλέξτε File Print/Plot Τσεκάρετε τις επιλογές Keep Drill Holes Open και Force Black & White Χρήσιµες επιλογές είναι και οι : Center on Page, Mirror, Rotation. 17