Ещё каких-то 50–60 лет назад, в далёкие докомпьютерные времена печатные платы проектировались и разводились вручную на специальной чертёжной плёнке – астролоне – или прямо на листе фольгированного гетинакса или текстолита с применением спецручек, рейсфедеров, линеек и клейкой ленты. Вычислительные машины в эту эпоху были относительно примитивны и умели выполнять лишь математические операции: до применения их в автоматизированном проектировании требовалось ещё поколения развития ПК. Многие часы жизни отрисовщиков (в основном отрисовщиц; только девушкам и женщинам хватало терпения заниматься этой чрезвычайно монотонной работой) были проведены, ссутулившись над люминесцентным световым коробом, вручную вырезая, размещая, разрывая и прокладывая дорожки на будущих печатных платах. Плёнка Astrolon, рейсфедеры Koh-I-Noor, ручки Dalo будут названиями, вызывающими одновременно приятные ностальгические воспоминания и боли в глазах и запястьях.
Те времена уже давно прошли: компьютеры с системами автоматизированного проектирования (САПР или CAD) заменили «чертёжный» метод как в промышленности, так и в любительской практике. Компьютерные программы САПР предоставляют удобство и гибкость по сравнению с классическими традиционными ручными методами. То, что раньше занимало многие часы, теперь делают за секунды.
Вторая часть статьи посвящена обзору систем автоматизированного проектирования электрических схем и печатных плат, а также разбору общих принципов грамотного построения принципиальных электросхем и разводки.
Время чтения: 25 минут
Печатная плата? Это очень просто!
Компьютерное проектирование электрической схемы и трассировки печатной платы
Когда я проектировал свою первую плату, мне сказали: «Поскольку это ваша первая модель, она, скорее всего, окажется неработоспособной. Но работа над ней даст бесценный опыт». Хотя эти слова сильно удручали, они не остановили меня, и моя первая разработка оказалась удачной: она работала. Теперь я хочу на примере своего и опыта многих разработчиков упростить создание печатной платы. Даже не простой, а отличной!
Теперь, когда есть представление, каким хотите видеть итоговый проект, пора перенести его с воображения и бумаги в компьютер.
Выбор САПР
Сначала выберем систему САПР. Есть преогромное количество ПО для подобных целей, и я не уверен, что смогу даже попытаться перечислить все. Но популярные постараюсь:
- EAGLE (бесплатно с ограничениями, либо полная от 69$) — это мощный инструмент, часто используемый любителями в мире. Интуитивно понятна и с качественной документацией.
- Sprint-Layout (платно от 40€) — программа популярна в среде российских радиолюбителей и подходит для проектов от простых до средней сложности. Удобна в работе и проста в освоении.
- KiCad (бесплатная, неограниченная, с исходным кодом) — мой личный выбор. Богатая функциональность в сочетании с такими же возможностями.
- gEDA (бесплатно, без ограничений, с исходным кодом) — ещё один неплохой продукт, идущий наравне с KiCad, часто сравниваемый. Я считаю KiCad совершеннее, а также активнее поддерживаемым продуктом.
- ExpressPCB (бесплатно, ограничений нет). Неплохой программный продукт, используемый тысячами радиолюбителей на планете. ExpressPCB поддерживается одноимённым сервисом по изготовлению печатных плат.
- EasyEDA (бесплатная, без ограничений). Идеологически схожая с предыдущей САПР, тоже поддерживается сервисом по изготовлению плат JLCPCB. Есть немало мелких ошибок, неточностей перевода, проблемная документация, но в целом, неплохая САПР, позволяющая быстро «въехать» в тему проектирования тем, кто раньше с ней не сталкивался.
- DesignSpark PCB (бесплатно, без ограничений). До написания статьи я не сталкивался с этим программным продуктом. Но после знакомства он меня приятно впечатлил. Уверен, вполне подойдёт даже для профессионального применения. Удобная и мощная.
- DipTrace (бесплатно с ограничениями, либо неограниченная от 70$). DipTrace я 100% рекомендую, хотя для полноценной работы с ней потребуется покупка лицензии. Верьте, она того стоит.
- Mentor Graphics PADS (платно, стоимость лицензии неизвестна и, вероятно, высокая). Профессиональная, поэтому сложная. Большая часть нынешней пользовательской базы – это инженерный состав крупных компаний. Позволяет также моделировать многие разновидности электрических и электромагнитных процессов в готовом устройстве. Возможно, вы выберете её, если профессионально занимаетесь разработкой.
- Altium Designer (платная, стоимость лицензии неизвестна). Altium Designer — известнейший продукт, слава которого обогнала его. Случайный поиск в Интернете статьи или видеоматериала на тему разработки печатных плат с большой вероятностью станет описывать процесс в Altium Designer. САПР если не идеальна, то близка к таковой и рекомендуется как новичкам, так и профессионалам.
Кроме описанных систем автоматизированного проектирования, существует ещё несколько десятков продуктов различной степени качества. Многие бесплатны, но, как правило, недостаточно функциональны и откровенно сыры.
Сузим круг поиска, обратив взор на практичные программы. Думаю, что первые три окажутся интересны для любителей. EAGLE и Sprint-Layout — отличные продукты, но с особенностями. Я выбираю не менее совершенный и притом бесплатный продукт KiCad. Он будет лучшим выбором, особенно для начинающих разработчиков. Освоившись в программе, потом подберёте подходящее решение.
Советы по проектированию электрической схемы
Маркировка компонентов
Насколько я знаю, не существует жёстких норм и строгих правил, как выглядеть схеме. Большинство учится проектировать с помощью книг и статей, перенимает привычки наших учителей или же делают всё наобум. Думаю, что всё же пора что-то повторить или чему-то научиться.
Цель электрической принципиальной схемы проста: описать соединение компонентов для общего понимания принципа функционирования устройства. Она, как правило, не указывает на их физическое расположение, хотя хорошая покажет, если это важно и необходимо. Разница между хорошей схемой и плохой в том, насколько легко её понять. Если другой человек посмотрит на схему и сразу «прочтёт», значит, она хороша; но если посторонним приходится расшифровывать её как письмена народа Майя, она плохая. Далее я опишу рекомендации по оформлению, помогающие сделать схему читабельнее и проще.
Сначала разместите маркировочные ярлыки и информацию о моделях и номиналах для всех компонентов. Разработчик ПО не требует платить за каждый ярлык и сноски, так что смело указывайте всё необходимое. Вы всегда обязаны маркировать компоненты. KiCad делает это автоматически, но если САПР это не поддерживает, придётся сделать вручную. Всегда используйте общепринятые обозначения, не придумывая собственные:
- R, C, L – это обозначения по умолчанию для наиболее распространённых пассивных компонентов: R – резистор, C – конденсатор, L – катушка индуктивности или дроссель. Они стандартны, и не используйте какие-либо другие для этих компонентов (смотри статьи «Как выбрать конденсатор?» и «Как измерить резистор мультиметром?»).
- D – общепринятое обозначение полупроводниковых диодов, включая светодиоды. Для разновидности полупроводника – стабилитрона – используется маркировка Z (смотри статью «Что такое полупроводник»).
- M и Q являются типовыми обозначениями транзисторов. Полевые транзисторы обозначаются литерой M, а биполярные – Q. (смотри статью «Транзисторы: принцип работы, схема включения, чем отличаются биполярные и полевые»). M также обозначает электродвигатель. Если используете двигатель в своей конструкции, тогда обозначайте все транзисторы как Q.
- T –Трансформатор.
- S или SW – Switch – любой выключатель, переключатель или кнопка. Не используйте S и SW одновременно во избежание путаницы.
- X или XTAL – кварцевый или керамический резонатор. Рекомендуется XTAL, так как X также применяют для обозначения иных деталей (смотри ниже).
- U или IC – интегральная микросхема. U — наиболее распространённое обозначение, но маркировка IC (Integrated Circuit) столь же ясна и понятна.
- TP – Test Point – Тестовая или контрольная точка. Как правило, они располагаются на платах прототипов устройств, требующих измерения и корректировки параметров, а также периодической калибровки.
- JP – Jumper – перемычка.
- J или P – маркировка для гнездовых и штыревых разъёмных соединений.
- F – Fuse – Предохранитель.
- BT или BAT – Battery – батарейка, аккумулятор или разъём для подключения внешнего источника автономного питания.
- X – иные детали, не подходящие ни под одну из рассмотренных. Обязательно рядом с маркировкой оставьте справочную информацию о применённом компоненте.
Эти правила полезны, когда делитесь проектами с другими, или когда потребуется вернуться к ним в будущем. Однако одной только маркировки деталей недостаточно для отличной схемы. Также рекомендую наносить маркировку и пояснительную информацию во всех нестандартных ситуациях. Например, если встроен мощный электронный компонент, требующий отдельную шину питания или специальное экранирование, отметьте это. Для более сложных решений, к примеру, радиочастотных, также нужно указать необходимую длину дорожек и их параметры, такие как электрическая ёмкость, импеданс и так далее.
Гипотетических ситуаций, где используют комментарии, слишком много, чтобы перечислить все. Но хороший совет – спросите себя: «Если посмотрю схему через год, пойму, что она делает, и как её перенести на печатную плату?» Если ответ будет положительным, значит, вы на пути к созданию отличной схемы, платы и устройства в целом.
Ещё одна рекомендация, как сделать схемы понятными: располагать метки и комментарии так, чтобы они были доступны для прочтения. Если метка размещена поверх другой или контура компонента — это равносильно её отсутствию, ведь она нечитабельная. Потратьте несколько дополнительных секунд, чтобы переместить метки рядом с компонентом, не перекрывая другие метки или контуры компонентов.
Последнее правило правильной маркировки – не забывайте маркировать наиболее ответственные цепи. Но присваивайте имена всем цепям, но некоторые должны их иметь, показывая их назначение. Это простой способ создать понятную электросхему. Делайте имена максимально лаконичными, используйте заглавные буквы и разделяйте слова нижним подчёркиванием. Например, вместо метки «Pin going to output» сделайте что-то вроде «TO_OUTPUT» или, что ещё лучше, просто «OUT». Это гарантирует читаемые схемы с очевидными и интуитивно понятными названиями цепей.
Расположение компонентов
Не скажу, откуда взялось это соглашение, но принято, что входы идут слева, выходы – справа, плюс питания – сверху, а заземление или минус питания – снизу. Я рекомендую следовать соглашению когда это возможно и разумно. Не всегда получается это сделать, но постарайтесь визуально разнести линии питания от входных и выходных цепей. Если несколько шин электропитания, более высоковольтные, обычно, располагаются выше, хотя не нужно костьми ложиться для соблюдения этого правила. Но учитывайте это.
Расставьте точки над «i» и зачеркните «t» – фраза, пришедшая из средневековья, означающая выделение литеры i и t, при рукописном безотрывном переписывании выглядящие совершенно одинаково. Вы должны обязательно расставить точки там, где пересекаются электрически соединённые проводники. Соответственно, уберите точки там, где электрическое соединение проводников не предусмотрено. Что касается перекрёстных соединений, избегайте четырёхсторонних точек соединения. Это ещё одна рекомендация, защищающая от путаницы.
Разделение частей схемы
Последним советом при проектировании будет разделение. Разделяйте обособленную часть схемы (функционально законченный узел) в отдельной области или на листе. Если она небольшая и сможете всё разместить на одном листе, то сделайте так. Если она большая, то разумнее функционально законченные узлы разместить в отдельных областях. В каждом пакете САПР есть разные способы это сделать, но основная идея одна. Размещая связанные компоненты рядом и избегая беспорядка, будет проще взаимодействовать с проектом. Если не хотите разделять схему на несколько листов, то приложите все усилия, чтобы попытаться внести немного порядка в хаос, которым является электросхема. Я предпочитаю нарисовать рамку вокруг функционально законченного блока, а соединения с другими блоками выполнить с помощью именованных проводников.
Дополнительные советы
Помимо описанных общих рекомендаций, поделюсь ещё советами, помогающими создать основу для отличной платы:
- Блокировочные конденсаторы показывать максимально близко к защищаемой микросхеме или операционному усилителю (смотри статью «Что такое операционный усилитель»). Это компонент, физически располагающийся максимально близко; узел используется для сглаживания пульсаций в питании компонента и фильтрации высокочастотных помех и, чтобы сделать это, их размещают физически близко к компоненту. И это чётко обозначается. Так вы ясно покажете назначение конденсатора.
- Проектируйте на листе стандартного формата. Хотя сегодня большинство проектов обрабатываются в электронном виде, нередко нужна распечатка, например, для отправки обычной почтой. Всегда следите, чтобы схема не выходила за границы стандартных форматов листов, используемые в печати в вашем регионе. Для США это 8.5*11 дюймов, для России и Европы распространёнными форматами являются A4 (210*297 миллиметров) и A3 (297*420 миллиметров).
- Форматируйте, чтобы при чёрно-белой печати они не теряли важную информацию. Многие принтеры не поддерживают цветную печать. Старайтесь не использовать цветовую маркировку или кодирование, рискующее «потеряться» при монохромной печати.
- Не используйте длинных проводников. Старайтесь не применять длинные соединительные линии, тянущиеся через схему. Это очень снижает читабельность. Применяйте именованные проводники и шины.
- Подумайте о системе контроля версий. В процессе разработки появится несколько вариантов, что создаст трудности в работе с ними. Лучше позаботиться об этом и использовать системы контроля версий, такие как git.
Вооружившись советами по переносу эскиза на компьютер с помощью САПР, приступайте к работе. Отлично оформленная схема — это половина успеха в проектировании. Следующий шаг — начало физической компоновки деталей. Здесь начинается интересное, и чтобы сделать следующий шаг, нужна полностью оформленная электросхема.
Подготовка к проектированию
Теперь, когда схема перенесена на компьютер, а все компоненты и соединения проверены, переходите к физической компоновке. Это наиболее сложная часть процесса со множеством нюансов, и ни одно руководство не может разумным образом предоставить исчерпывающий список рекомендаций. Раздел предоставит общие рекомендации по разработке технологичной и электрически надёжной платы.
Выбор способа изготовления
Сегодня в распоряжении любителей есть разные способы:
- Ручная трассировка дорожек специальной ручкой на фольгированном гетинаксе или текстолите с травлением лишней меди и ручным же сверлением отверстий. Способ прост, но качество и производительность труда очень низки.
- Печать на лазерном принтере контура будущих дорожек на специальной глянцевой бумаге с последующим переносом на медный слой нагревом (ЛУТ – «лазерно-утюжная технология»). Способ технологичнее первого, но требует много ручных операций. Пригоден для единичного производства.
- Использование фоторезистивной плёнки для переноса контура дорожек на медный слой. Контур предварительно печатается на лазерном принтере на прозрачной плёнке («фотошаблон»), а затем с помощью ультрафиолетового излучения изображение с фотошаблона переносится на фоторезистивную плёнку, заранее наклеенную на медный слой. Затем травим лишнюю медь и вручную просверливаем, как и в первых двух способах. Разновидностью способа стало использование лазерного станка с ЧПУ для засветки фоторезиста вместо фотошаблона. Способ даёт неплохое качество, но опять-таки при низкой производительности труда.
- Гравировка с помощью фрезерно-гравировальных станков с ЧПУ. Способ максимально автоматизирован, но имеет сильное ограничение по ширине дорожек и расстоянию между ними: менее 20 мил/0.5 миллиметра изготовить или очень сложно, или почти невозможно. Плюс — возможность автоматизированного сверления отверстий и отрезки контура.
- Заказ изготовления плат на специализированном производстве. Это даёт промышленное качество с любым количеством слоёв, маской и шелкографией (недоступных при самостоятельном изготовлении), причём недорого.
Я уверен, что прежде чем приступать к разводке, выбирают производителя. Это кажется странным, но уверяю — есть веская причина. Каждый производитель имеет технические ограничения при производстве. И важно знать об ограничениях до того, как приступить к проектированию.
В выпуске печатных плат, да и в электронике в целом для измерения небольших величин расстояния используется такая единица измерения как мил, равная 1/1000 доли дюйма, то есть 1 мил = 0,0254 миллиметра. Хотя большинство инженерных измерений стандартизировано под гораздо более понятную метрическую систему, кое-что измеряется в британских единицах. Этим «кое-что» являются ширина дорожек и расстояния между ними.
К примеру, один производитель делает дорожки толщиной 6 мил с аналогичным зазором, другой имеет более жёсткие ограничения. Вы же не хотите сначала спроектировать плату с тонкими дорожками, а только потом узнать, что изготовить её либо невозможно, либо становится очень дорого? Заранее выберите производителя и ознакомьтесь с его технологическими ограничениями.
Как писалось выше, пакетов САПР много. А теперь сообщаю, что производителей плат примерно столько же. Представить их все не представляется возможным. Приведены популярные:
- JLCPCB. Китайский производитель плат различных видов. Также выпускает детали из металла на станках с ЧПУ, пластиковых корпусов и многого другого. Предлагает очень невысокую стоимость (от 2$ за 5 плат размером до 100*100 миллиметров). Конечной продукцией являются платы промышленного качества. Для любительских решений технологических ограничений фактически нет. Сейчас официально заказы из России не принимают.
- PCBWay. Также крупный китайский изготовитель плат и сопутствующих услуг: автоматизированного монтажа электронных компонентов и многих других. Стоимость услуг выше, чем у JLCPCB, но качество на высоте. Сейчас официально не сотрудничает с российскими заказчиками.
- AliExpress. На торговой площадке множество продавцов, предоставляющих услуги изготовления. Они выпускают продукты на мощностях крупных производителей, например, JLCPCB. Стоимость выше, чем при непосредственном заказе, но возможна работа с клиентами из России.
- Service Devices. Производитель расположен в Китае, но часть услуг, такие как автоматизированный монтаж компонентов, производят в России. Высокая скорость обработки заказов и изготовления плат, рассрочка платежа, бесплатная доставка по Москве и Московской области.
- Резонит. Российская компания с собственным производством в городе Зеленограде (Московская область). Качество высокое, сроки изготовления приемлемые, но сотрудничество заточено под юридических лиц, поэтому их услуги дорогие.
Этой мой ТОП-5 производителей, которыми пользуюсь в различных ситуациях. Удручает то, что ввиду обстоятельств прямой заказ у китайских производителей крайне затруднён. Но всё необходимое доступно на торговых площадках AliExpress или Service Devices.
Определение ограничений при проектировании платы
После выбора производителя оцените его производственные технологические ограничения. Большинство даже частным лицам предоставляют потрясающие возможности по изготовлению, практически в 100% случаях перекрывающие их потребности. Но важно учитывать ограничения, особенно при трассировке очень тонких дорожек и при изготовлении плат с особыми требованиями, например, многослойных. Технологические ограничения производителя показывают наименьшую ширину дорожек, минимум-максимум расстояния между ними, наименьшие диаметры сверления и многие другие параметры..
Когда вы изучили ограничения производителя, зайдите в ПО САПР и внесите их. Это позволит выполнять некоторые автоматические проверки на соответствия возможностям производства, и САПР просто не позволит выполнять операции, которые приведут к производственному браку.
Необходимость земляного полигона
Необходимость размещения земляного полигона на одной стороне платы всегда вставало темой для дискуссий. Его применение стало почти стандартной практикой, это не всегда требуется и иногда приводит к ухудшению работоспособности платы. Но как узнать, нужен ли земляной полигон или нет?
Земляной полигон представляет собой слой на плате, выступающий общим проводником для всех частей схемы.
Каковы преимущества земляного полигона? Распространённые — электромагнитное экранирование, снижение сопротивления для обратных токов и содействие равномерному рассеиванию тепла по плате.
Каковы недостатки земляного слоя? Возможно, самым большим выступает увеличение паразитной ёмкости, которая будет сильно влиять на схемы, работающие на частотах от радиодиапазона и выше.
Дополнительные соображения
- Если схема высокочастотная, то тщательнее изучите вопрос проектирования. Часто применяются многослойные платы с нетипичным расположением слоёв, а также выполненные из керамики, если частоты работы превышают сотни мегагерц. Высокочастотные схемы требуют соответствующего подхода.
- Если схема работает как с аналоговыми сигналами, особенно небольшой величины, так и с цифровыми, то крайне важно геометрически отделить аналоговые узлы и цепи от цифровых. Опытные инженеры-электроники говорят так: «Цифровые схемы — главный враг аналоговых». И правда, периодические сигналы цифровых цепей вносят сильные искажения в чувствительные аналоговые цепи.
- Если плата будет работать с высоким напряжением (от нескольких сотен вольт), то рекомендуется обратиться к опытному разработчику высоковольтных устройств или к специализированной литературе. Высокое напряжение опасно для жизни!
«...Древнее прошло, теперь всё новое...» — написано в Священном Писании. И старое уходит, уступая место чему-то новому. Так вот и ушли в прошлое ручная трассировка печатных плат и ручное изготовление. Сегодня в распоряжении как для любителей, так и для профессионалов немало разных САПР и сервисов по изготовлению, позволивших поднять разработку на новый идейно-художественный уровень, превратив эти монотонные процессы в искусство.
