Projektowanie obwodów elektronicznych to proces planowania, testowania i budowania obwodów, które wykonują określone zadania. Obejmuje definiowanie wymagań, wybór niezawodnych części, tworzenie schematów, symulację wydajności i testowanie ostatecznego projektu. Postępując zgodnie z ostrożnymi krokami, obwody stają się bezpieczne, wydajne i niezawodne. Ten artykuł zawiera szczegółowe informacje na temat każdego etapu procesu projektowania.
Klasa C1. Przegląd projektów obwodów elektronicznych
Klasa C2. Wymagania do specyfikacji technicznych
Klasa C3. Architektura systemu i projektowanie schematów blokowych
Klasa C4. Podstawowe komponenty w projektowaniu obwodów elektronicznych
Klasa C5. Badania i dobór komponentów w projektowaniu obwodów elektronicznych
Klasa C6. Rodzaje symulacji obwodów w projektowaniu obwodów elektronicznych
Klasa C7. Dostarczanie energii i integralność sygnału w projektowaniu obwodów
Klasa C8. Układ PCB w projektowaniu obwodów
Klasa C9. Projektowanie schematów i ERC w rozwoju obwodów
Klasa C10. Testowanie i walidacja obwodów
Klasa C11. Konkluzja
Klasa C12. Często zadawane pytania
Przegląd projektu obwodów elektronicznych
Projektowanie obwodów elektronicznych to proces planowania i budowania obwodów, które mogą wykonać określone zadanie. Zaczyna się od małych eksperymentów na płytce stykowej lub poprzez symulacje komputerowe, aby sprawdzić, czy pomysł działa. Następnie projekt jest rysowany na schemacie ideowym, który pokazuje, w jaki sposób każda część jest połączona. Projekt jest przenoszony na płytkę drukowaną (PCB), którą można wyprodukować i zmontować w działający system.
Proces ten często łączy różne rodzaje sygnałów. Obwody analogowe działają z sygnałami płynnymi i ciągłymi, podczas gdy obwody cyfrowe pracują z sygnałami, które przełączają się między dwoma stanami. Czasami oba są połączone w tym samym projekcie, aby system był bardziej kompletny.
Celem projektowania układów elektronicznych jest stworzenie produktu końcowego, który jest nie tylko funkcjonalny, ale również niezawodny i gotowy do użycia w rzeczywistych warunkach. Staranna konstrukcja pomaga upewnić się, że obwód będzie działał prawidłowo, pozostanie stabilny i spełni wymagania bezpieczeństwa.
Wymagania dotyczące specyfikacji technicznych
| Kategoria | Przykładowe specyfikacje |
|---|---|
| Elektryka | Napięcie wejściowe: 5–12 V, Pobór prądu: <1 A, Szerokość pasma: 10 MHz |
| wyczucie czasu | Opóźnienie < 50 ns, jitter zegara < 2 ps |
| Środowisko | Działa od -40°C do +85°C, 90% wilgotności |
| Mechaniczny | Rozmiar PCB: 40 × 40 mm, Waga < 20 g |
| Zgodność z przepisami | Musi spełniać wymagania CE/FCC, EMC klasa B |
| Koszt/produkcja | Koszt BOM <\$5, Wydajność montażu >95% |
Architektura systemu i projektowanie schematów blokowych
Ten schemat blokowy ilustruje podstawową strukturę systemu elektronicznego, dzieląc go na połączone ze sobą podsystemy. Podsystem zasilania dostarcza stabilną energię poprzez akumulatory, przetwornice DC-DC i regulatory, tworząc podstawę dla wszystkich innych bloków. W centrum znajduje się podsystem sterowania, w którym znajduje się mikrokontroler, FPGA lub procesor odpowiedzialny za zarządzanie przepływem danych i podejmowanie decyzji.
Podsystem analogowy obsługuje sygnały ze świata rzeczywistego za pomocą czujników, wzmacniaczy i filtrów, podczas gdy cyfrowe wejścia/wyjścia umożliwiają komunikację z urządzeniami zewnętrznymi za pośrednictwem standardów takich jak USB, SPI, UART, CAN i Ethernet. Oddzielny blok taktowania i pomiaru czasu zapewnia synchronizację z oscylatorami, PLL i precyzyjny routing w celu uzyskania niskiej wydajności jittera.
Aby zachować niezawodność, położono nacisk na strefy izolacji, które utrzymują hałaśliwe sygnały cyfrowe z dala od wrażliwych obwodów analogowych, zmniejszając zakłócenia i poprawiając stabilność systemu.
Podstawowe komponenty w projektowaniu obwodów elektronicznych
Rezystory
Służą one do ograniczania i kontrolowania przepływu prądu elektrycznego. Dodając rezystancję, upewniają się, że wrażliwe części obwodu nie zostaną uszkodzone przez zbyt duży prąd.
Kondensatory
Działa jako małe urządzenie do magazynowania energii. Utrzymują ładunek elektryczny i mogą go szybko uwolnić w razie potrzeby. To sprawia, że są one przydatne do stabilizacji napięcia, filtrowania sygnałów lub dostarczania krótkich impulsów mocy.
Tranzystory
Służy jako przełączniki i wzmacniacze. Mogą włączać i wyłączać prąd jak kontrolowana bramka lub wzmacniać słabe sygnały. Tranzystory są częścią nowoczesnej elektroniki, ponieważ umożliwiają obwodom przetwarzanie i kontrolowanie informacji.
Diody
Wyznacz kierunek prądu. Pozwalają na przepływ energii elektrycznej tylko w jednym kierunku, blokując ją w drugą stronę. Chroni to obwody przed prądami wstecznymi, które mogłyby spowodować uszkodzenie.
Badania i dobór komponentów w projektowaniu obwodów elektronicznych
Zagadnienia dotyczące wydajności
Wybierając części do obwodu, jedną z pierwszych rzeczy do sprawdzenia jest wydajność. Oznacza to przyjrzenie się, jak komponent będzie się zachowywał w projekcie. Wymagane szczegóły obejmują ilość dodawanego szumu, stabilność w czasie, ilość zużywanej energii i to, jak dobrze radzi sobie z sygnałami. Te czynniki decydują o tym, czy obwód będzie działał tak, jak powinien.
Wybór pakietu
Pakiet komponentu to sposób, w jaki jest on zbudowany i zwymiarowany. Wpływa to na to, ile miejsca zajmuje na płycie, ile ciepła może wytrzymać, a także na to, jak łatwo jest go umieścić podczas montażu. Mniejsze opakowania oszczędzają miejsce, podczas gdy większe mogą być łatwiejsze w obróbce i lepiej radzić sobie z ciepłem. Wybór odpowiedniego pakietu pomaga zrównoważyć przestrzeń, ciepło i łatwość użytkowania.
Dostępność i łańcuch dostaw
Nie wystarczy, aby część działała dobrze; Musi być również dostępny w razie potrzeby. Należy sprawdzić, czy część można kupić od więcej niż jednego dostawcy i czy będzie ona nadal produkowana w przyszłości. Zmniejsza to ryzyko opóźnień lub przeprojektowań, jeśli część nagle stanie się trudna do znalezienia.
Zgodność i standardy
Elektronika musi przestrzegać zasad bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Części są często wymagane do spełnienia norm, takich jak RoHS, REACH lub UL. Aprobaty te zapewniają, że komponent jest bezpieczny w użyciu, nie szkodzi środowisku i może być sprzedawany w różnych regionach. Zgodność z przepisami jest głównym elementem wyboru komponentów.
Niezawodność i obniżanie wartości znamionowych
Niezawodność oznacza, jak długo i jak dobrze komponent może działać przy normalnym użytkowaniu. Aby części służyły dłużej, należy unikać przekraczania ich maksymalnych granic. Ta praktyka nazywa się obniżaniem wartości znamionowych. Dając częściom bezpieczny margines, zmniejsza się ryzyko awarii, a cały system staje się bardziej niezawodny.
Rodzaje symulacji obwodów w projektowaniu obwodów elektronicznych
| Typ symulacji | Cel w projektowaniu obwodów |
|---|---|
| Odchylenie DC | Potwierdza, że wszystkie urządzenia działają w prawidłowych punktach napięcia i prądu. Zapobiega niezamierzonemu nasyceniu lub odcięciu tranzystorów. |
| Przemiatanie klimatyzacji | Ocenia pasmo przenoszenia, wzmocnienie i margines fazy. Podstawowe dla wzmacniaczy, filtrów i analizy stabilności. |
| Stan przejściowy | Analizuje zachowanie w dziedzinie czasu, takie jak przełączanie, reakcja na uruchomienie, czasy narastania/opadania i przeregulowanie. |
| Analiza hałasu | Przewiduje wrażliwość obwodu na zakłócenia elektryczne i pomaga zoptymalizować strategie filtrowania dla aplikacji o niskim poziomie szumów. |
| Monte Carlo | Testuje statystyczną zmienność tolerancji komponentów (rezystorów, kondensatorów, tranzystorów), zapewniając solidność projektu w całej rozpiętości produkcji. |
| Termiczny | Szacuje rozpraszanie ciepła i identyfikuje potencjalne punkty zapalne, co jest wymagane w przypadku obwodów zasilania i kompaktowych konstrukcji. |
Dostarczanie mocy i integralność sygnału w projektowaniu obwodów
Praktyki sieci dostarczania energii (PDN)
• Uziemienie w kształcie gwiazdy: Użyj połączenia w gwiazdę, aby zminimalizować pętle uziemienia. Zmniejsza to szumy i zapewnia stały potencjał referencyjny we wszystkich obszarach.
• Krótkie ścieżki powrotne: Zawsze zapewnij bezpośrednie i niskoimpedancyjne ścieżki powrotne dla prądu. Długie pętle zwiększają indukcyjność i wprowadzają szumy do wrażliwych obwodów.
• Kondensatory odsprzęgające: Kondensatory odsprzęgające o małej wartości należy umieścić jak najbliżej pinów zasilania układu scalonego. Działają one jak lokalne rezerwuary energii i tłumią stany przejściowe o wysokiej częstotliwości.
• Kondensatory masowe: Dodaj kondensatory zbiorcze w pobliżu punktów wejścia zasilania. Stabilizują one zasilanie podczas nagłych zmian obciążenia.
Uwagi dotyczące integralności sygnału (SI)
• Routing o kontrolowanej impedancji: Ścieżki o dużej prędkości powinny być kierowane ze zdefiniowaną impedancją (zwykle 50 Ω jednostronnie lub 100 Ω różnicowo). Zapobiega to odbiciom i błędom danych.
• Zarządzanie uziemieniem: Uziemienie analogowe i cyfrowe powinno być oddzielone od siebie, aby uniknąć zakłóceń. Połącz je w jednym punkcie, aby zachować czystą płaszczyznę odniesienia.
• Redukcja przesłuchów: Zachowaj odstępy między równoległymi liniami o dużej prędkości lub użyj ścieżek osłon gruntu. Minimalizuje to sprzężenie i zachowuje jakość sygnału.
• Stos warstw: W wielowarstwowych płytkach drukowanych poświęć ciągłe płaszczyzny dla zasilania i uziemienia. Zmniejsza to impedancję i pomaga kontrolować zakłócenia elektromagnetyczne.
Układ PCB w projektowaniu obwodów
Rozmieszczenie komponentów
Umieszczaj komponenty w oparciu o funkcję i przepływ sygnału. Grupuj powiązane części razem i minimalizuj długości ścieżek, szczególnie w przypadku szybkich lub wrażliwych obwodów analogowych. Podstawowe komponenty, takie jak oscylatory lub regulatory, powinny być umieszczone blisko obsługiwanych przez nie układów scalonych.
Routing sygnału
Unikaj zagięć ścieżki pod kątem 90°, aby zmniejszyć nieciągłości impedancji i potencjalne zakłócenia elektromagnetyczne. W przypadku par różnicowych, takich jak USB lub Ethernet, należy zachować dopasowane długości ścieżek, aby zachować integralność taktowania. Oddziel sygnały analogowe i cyfrowe, aby zapobiec zakłóceniom.
Stos warstw
Zrównoważony i symetryczny stos warstw poprawia możliwości produkcyjne, zmniejsza zniekształcenia i zapewnia stałą impedancję. Dedykowane płaszczyzny uziemienia i zasilania obniżają poziom hałasu i stabilizują dostarczanie napięcia.
Uwagi dotyczące dużej prędkości
Kieruj sygnały o dużej prędkości z kontrolowaną impedancją, utrzymuj ciągłe płaszczyzny odniesienia i unikaj odcinków lub niepotrzebnych przelotek. Ścieżki powrotne powinny być krótkie, aby zminimalizować indukcyjność i zachować integralność sygnału.
Zarządzanie ciepłem
Umieść przewody termiczne pod urządzeniami zasilającymi, aby rozprowadzić ciepło do wewnętrznych płaszczyzn miedzianych lub po przeciwnej stronie płytki drukowanej. Używaj wylewów miedzi i technik rozpraszania ciepła dla obwodów dużej mocy.
Projektowanie schematów i ERC w rozwoju obwodów
Etapy projektowania schematu
• Arkusze hierarchiczne: Podziel projekt na sekcje logiczne, takie jak podsystemy zasilania, analogowe i cyfrowe. Dzięki temu złożone obwody są uporządkowane i łatwiej jest debugować lub aktualizować w przyszłości.
• Znaczące nazewnictwo sieci: Używaj opisowych nazw sieci zamiast ogólnych etykiet. Przejrzyste nazewnictwo pozwala uniknąć nieporozumień i przyspiesza rozwiązywanie problemów.
• Atrybuty projektowe: Uwzględnij napięcie znamionowe, wymagania dotyczące prądu i informacje o tolerancji bezpośrednio na schemacie. Pomaga to podczas przeglądu i zapewnia, że komponenty są wybierane zgodnie z odpowiednimi specyfikacjami.
• Synchronizacja footprintów: Połącz komponenty z ich właściwymi footprintami na płytce drukowanej na wczesnym etapie procesu. Wyłapywanie niezgodności zapobiega teraz opóźnieniom i kosztownym przeróbkom podczas układania PCB.
• Wstępna lista materiałów (BOM): Wygeneruj wersję roboczą zestawienia komponentów na podstawie schematu. Pomaga to oszacować koszty, sprawdzić dostępność części i pokierować planowaniem zaopatrzenia przed sfinalizowaniem projektu.
Higiena kontroli reguł elektrycznych (ERC)
• Wykrywa pływające kołki, które mogą powodować niezdefiniowane zachowanie.
• Flagi skracają siatki, które mogą spowodować awarię funkcjonalną.
• Zapewnia, że połączenia zasilania i uziemienia są spójne w całej konstrukcji.
Test i walidacja obwodu
• Dodawaj punkty testowe na ważnych sygnałach i szynach zasilających, aby można było łatwo dokonywać pomiarów podczas debugowania i testów produkcyjnych.
• Zapewnij nagłówki programowania i debugowania, takie jak JTAG, SWD lub UART, do ładowania oprogramowania układowego, sprawdzania sygnałów i komunikowania się z systemem podczas programowania.
• Używaj zasilaczy z ograniczeniem prądu podczas pierwszego zasilania płytki drukowanej. Chroni to komponenty przed uszkodzeniem w przypadku wystąpienia zwarć lub błędów konstrukcyjnych.
• Włącz i zweryfikuj każdy podsystem osobno przed uruchomieniem całego systemu. Ułatwia to izolowanie i rozwiązywanie problemów.
• Porównaj wszystkie wyniki pomiarów z oryginalnymi specyfikacjami projektowymi. Sprawdź limity termiczne, wydajność taktowania i wydajność energetyczną, aby upewnić się, że obwód działa zgodnie z przeznaczeniem.
• Prowadź szczegółowe notatki i wyniki testów. Ta dokumentacja pomaga w przyszłych poprawkach, rozwiązywaniu problemów i przekazywaniu do zespołów produkcyjnych.
Wnioski
Projektowanie obwodów elektronicznych łączy planowanie, symulację i testowanie w celu tworzenia niezawodnych systemów. Od ustawiania specyfikacji po układ PCB i walidację, każdy krok zapewnia, że obwody działają zgodnie z przeznaczeniem w rzeczywistych warunkach. Stosując dobre wzornictwo i standardy, można opracowywać bezpieczne, wydajne i trwałe rozwiązania elektroniczne.
Często zadawane pytania
I kwartał. Jakie oprogramowanie jest używane do projektowania obwodów elektronicznych?
Altium Designer, KiCad, Eagle i OrCAD są wspólne dla schematów i układów PCB. LTspice, Multisim i PSpice są często używane do symulacji.
Drugi kwartał. Jak uziemienie wpływa na obwód?
Prawidłowe uziemienie redukuje szumy i zakłócenia. Płaszczyzny uziemienia, uziemienie w gwiazdę oraz oddzielenie uziemień analogowych i cyfrowych poprawiają stabilność.
Trzeci kwartał. Dlaczego zarządzanie ciepłem jest potrzebne w obiegach?
Nadmiar ciepła skraca żywotność podzespołów i zmniejsza wydajność. Radiatory, przelotki termiczne, wylewki miedzi i przepływ powietrza pomagają kontrolować temperaturę.
IV kwartał. Jakie pliki są wymagane do wykonania płytki PCB?
Pliki Gerber, pliki wierteł, zestawienie materiałów (BOM) i rysunki montażowe są potrzebne do dokładnej produkcji i montażu PCB.
Piąte miejsce. W jaki sposób testowana jest integralność sygnału?
Oscyloskopy, reflektometria w dziedzinie czasu (TDR) i analizatory sieci sprawdzają impedancję, przesłuchy i zniekształcenia.
Szóste miejsce. Co to jest projektowanie pod kątem możliwości produkcyjnych (DFM)?
DFM oznacza tworzenie obwodów, które są łatwe do wyprodukowania przy użyciu standardowych footprintów, przestrzeganiu ograniczeń PCB i uproszczeniu montażu.