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PCB設(shè)計(jì)大講堂:自制印刷電路板第一篇-設(shè)計(jì)電路圖(上)

發(fā)布時(shí)間 :2018-03-28 11:07 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCB設(shè)計(jì)部
PCB設(shè)計(jì)大講堂:自制印刷電路板設(shè)計(jì)電路圖第一篇(上)
Modern Device線上零組件銷售平臺(tái)的開發(fā)者保羅?巴德格(Paul Badger)設(shè)計(jì)了「The Really Bare Bones Board(簡稱RBBB)」開發(fā)板和它的電路原理圖(Schematic)。這對于一個(gè)實(shí)用的Arduino類開發(fā)板來說幾乎已經(jīng)很足夠了,而且一旦你在EAGLE上畫好了電路原理圖,就可以很輕松的將它與其他設(shè)計(jì)合并。
 
要設(shè)計(jì)印刷電路板有很多工具可以選擇用,像是開放原始碼軟件「KiCAD」或是各式各樣的網(wǎng)路線上服務(wù)。在開放原始碼硬件社群中最受到喜愛的軟件是CadSoft的「EAGLE」。
 
在這篇文章里,你將會(huì)學(xué)習(xí)到如何使用EAGLE這個(gè)軟件來做基本的印刷電路板設(shè)計(jì)和制作ATmega微控制板的基本核心。
 
零件清單
? 電阻 , 10K 1/8W
? 電解電容, 47μf (2)
? 電阻 , 1K 1/8W
? 瞬時(shí)按鈕開關(guān)
? 陶瓷電阻, 16MHz
? ATmega328P微控制器IC, ATmega 328P
? IC插座,28針腳 (非必要)
? 二極體, 4005
? 低壓降線性穩(wěn)壓器(LDO), L4931
? 電源插座
? 1×6排針
? 陶瓷電容, 0.1μf (2)
 
工具清單
? 能連上網(wǎng)路的Windows、Mac或Linux電腦
? Cadsoft EAGLE單機(jī)版PCB設(shè)計(jì)軟件
? RBBB EAGLE 零件資料庫
注釋:RBBB的零件清單如上所示,但你不必真的需要有零件在手,就可以跟隨下面的設(shè)計(jì)教學(xué)。
JeeLabs的尚?克勞德?威普樂(Jean-Claude Wippler)以RBBB為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出JeeNode,JeeNode使用不同的排針并加裝了SPI無線端口以提供無線傳輸使用。 使用EAGLE
JeeLabs的尚?克勞德?威普樂(Jean-Claude Wippler)以RBBB為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出JeeNode,JeeNode使用不同的排針并加裝了SPI無線端口以提供無線傳輸使用。
 
使用EAGLE
EAGLE是一個(gè)集合多種程式的軟件套件,每一個(gè)功能都有對應(yīng)的設(shè)計(jì)過程。這次我們將會(huì)把注意力放在「電路原理圖編輯器(Schematic Editor)」和「電路板編輯器(Board Editor)」上;其他的模組還包括自動(dòng)布線器(Autorouter)、元件編輯器、CAM處理軟件(CAM Processor,用來建立機(jī)械加工用的檔案)和一個(gè)編寫用戶端程式語言(User Language Programs)的界面。
 
我們可以從元件庫中選取要用的元件,每一個(gè)元件都會(huì)有兩種圖示,分別給電路原理圖和電路板使用。由于大部分的元件都來自不同的元件資料庫(packages),而EAGLE的元件庫允許不同的封包連結(jié)相同的元件圖示,為了簡化過程,我們做好了一個(gè)包含這次設(shè)計(jì)所需元件的RBBB資料庫 ,等之后你熟悉了設(shè)計(jì)的過程,另一個(gè)SparkFun資料庫將會(huì)是一個(gè)很好的跳板來開拓你的視野。
 
EAGLE設(shè)計(jì)的工作流程
I.     設(shè)計(jì)和尋找素材:找零件、詳讀規(guī)格、下載需要的東西和描繪藍(lán)圖。
II.    電路原理圖設(shè)計(jì):用信號線連接各個(gè)元件。
III.   電路規(guī)則檢查(ErC): 使用人工智慧(AI helper)來檢驗(yàn)電路上的錯(cuò)誤。
IV.  電路板設(shè)計(jì):將設(shè)計(jì)元件置入電路板,并設(shè)計(jì)真實(shí)的電路來連接它們。
V.   設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DrC): 使用人工智慧來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤。
 
建立Gerber檔和drill檔: 使用CAM處理軟件來建立機(jī)械加工用的檔案。
1.   開始制作
首先請從Cadsoftusa.com網(wǎng)站下載EAGLE Light Edition,并在moderndevice.com/downloads下載RBBB元件資料庫 ,將封包放入EAGLE程式資料匣中的lbr資料匣里。
 
EAGLE將CAD繪圖用顏色來區(qū)分不同功能的圖層。在「電路原理圖編輯」的視窗里,元件圖示在「符號圖層(Symbols layer)」,它的標(biāo)示會(huì)在「名稱圖層(Names layer)」或「數(shù)值圖層(Values layer)」,而網(wǎng)絡(luò)連接(Net)則在「網(wǎng)路圖層(Net layer)」,你可以透過檢視(View Menu)來顯示或隱藏這些圖層。
 
小祕訣:請時(shí)常檢查你的工具列來確認(rèn)是否繪制在對的圖層上。
1.1 打開電路原理圖編輯器,并選擇「檔案(File)」→「新增檔案(New)」→「電路原理圖(Schematic)」。你會(huì)得到一個(gè)警示訊息「目前不會(huì)執(zhí)行任何自動(dòng)正反向標(biāo)注(no forward/backward annotation will be performed.)」,由于在一般的情況下你會(huì)同時(shí)開啟電路原理圖和電路板編輯器來讓它們同步化,所以這個(gè)訊息只是要告訴你還尚未打開電路板檔而已。
打開電路原理圖編輯器,并選擇「檔案(File)」→「新增檔案(New)」→「電路原理圖(Schematic)」。
 
1.2 選擇「新增(Add)」工具,把RBBB元件資料庫里的Frame元件置入構(gòu)圖紙上,這并非必要,但這步驟很簡單,并可以讓你在之后繪制電路原理圖時(shí)不用一直調(diào)整屏幕的大小。
 
2.    電源回路
這5個(gè)元件負(fù)責(zé)接受直流電源輸入并輸出一個(gè)沒有雜訊的5V電源。
 
正中央的圖示是一個(gè)電壓調(diào)整器,電壓調(diào)整器最重要的規(guī)格是輸出電壓(output voltage)、最大輸出電流(maximum output current)和最小電壓差(dropout voltage,輸入和輸出電位的最小差值)。L4931電壓調(diào)整器的最小電壓差僅僅0.4V,所以讓它從6V的輸入端(來自4顆3號電池)輸出5V是非??煽康?。它的供應(yīng)電流可高至250mA,用來應(yīng)付大部分的微控制器應(yīng)用是非常足夠的。
 
使用兩個(gè)電解電容用來過濾電壓輸入端的雜訊,并在必要時(shí)代替沒電的電池和提供脈沖電壓。L4931建議使用至少2.2μF以上規(guī)格的濾波電容。我們這次的電路板是使用高達(dá)47μF的電容,這應(yīng)該完全足以用來應(yīng)付最糟糕的電池供應(yīng)設(shè)備。
 
電源插座可能看起來很大,但這正是人機(jī)界面中一項(xiàng)重要的決定­:它可以很輕易的提供給一般的變壓器使用,我們將會(huì)把它安裝在電路板上,讓你可以在不需要時(shí)拿掉它,并提供一個(gè)雙針腳的輔助接頭來當(dāng)作選擇性的電源線。
 
幾乎所有的功率二極體都有短路的保護(hù)機(jī)制,我們使用常見的4005二極體,它的額定電流為1A,使用并聯(lián)的方式來預(yù)防意外接錯(cuò)的反向電源。有些其他的設(shè)計(jì)會(huì)使用串連的方式來連接,但這樣會(huì)讓我們需要額外再提供0.7V的電壓,假如我們想使用6V的電源,這樣會(huì)無法負(fù)荷。
 
經(jīng)驗(yàn)法則
? 小圓點(diǎn)表示相交的兩條信號線是有連接的;沒有小圓點(diǎn)則表示它們只是重迭而已。
? 使用柵格(Grid)工具,并將它的尺寸設(shè)定在0.1inch(100 mil),因?yàn)樽畛7傅腻e(cuò)誤就是兩條看起來有相交但其實(shí)并沒有連線。
? 每一條線(網(wǎng)絡(luò)連接或是信號線)都有獨(dú)立的名稱,就算在畫面上它們并沒有相鄰,所有名稱相同的信號線都會(huì)自動(dòng)連線在一起,這個(gè)功能非常方便。假如你有很多元件都需要用連接的方式來連線,那畫面肯定是一團(tuán)亂。
? 每一個(gè)元件都應(yīng)該要有一個(gè)顯而易見的名稱和量值,你會(huì)需要移動(dòng)標(biāo)簽來讓它們清晰易辨;運(yùn)用分離(Smash)工具讓標(biāo)簽從元件上分離,并可以移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)到它們適當(dāng)?shù)奈恢谩?/div>
? 繪制一張電路原理圖就像是要用電路組件跟其他人溝通一樣,想一下你是否已經(jīng)提供所有他們需要的功能。
注釋:我們的圖示可能一開始看起來跟你屏幕上的有些不一樣,記得使用分離工具來分離標(biāo)簽,然后移動(dòng)它們到可輕易辨認(rèn)的位置。
我們的圖示可能一開始看起來跟你屏幕上的有些不一樣,記得使用分離工具來分離標(biāo)簽,然后移動(dòng)它們到可輕易辨認(rèn)的位置。
 
2.1.    使用「新增(Add)」工具,選擇RBBB → Regulator,把Regulator元件放在畫面左上角的象限上,再使用新增工具來配置兩個(gè)Electrolytic_Caps元件、GND元件和+5V的信號供應(yīng)元件(RBBB → Supply),如圖所示。
使用「新增(Add)」工具,選擇RBBB → Regulator,把Regulator元件放在畫面左上角的象限上,再使用新增工具來配置兩個(gè)Electrolytic_Caps元件、GND元件和+5V的信號供應(yīng)元件(RBBB → Supply),如圖所示。
2.2.    使用「網(wǎng)絡(luò)連接(Net)」工具,分別將電壓調(diào)整器的輸出和輸入端連接到兩個(gè)電容的正極,然后將電容的負(fù)極接到電壓調(diào)整器的接地線,把接地線連接到GND元件,并將電壓調(diào)整器的輸出端接到+5V的信號供應(yīng)元件上。
 
2.3.    使用量值(Value)工具來設(shè)定兩個(gè)電容皆為47μF。
2.3.    使用量值(Value)工具來設(shè)定兩個(gè)電容皆為47μF。
 
2.4.    新增RBBB→Power_Jack,將它放在電壓調(diào)整器的輸入端旁邊。這是一個(gè)非常標(biāo)淮的中心正極(center-positive)電源插座(不考慮音樂用電子設(shè)備的話),把它的中心針腳接到電壓調(diào)整器的輸入端,并將套筒端(sleeve)接地,如果跳出「是否連接網(wǎng)絡(luò)線段(Connect Net Segments)?」的對話框,請選擇「是」。
新增RBBB→Power_Jack,將它放在電壓調(diào)整器的輸入端旁邊。
 
2.5.    新增一個(gè)二極體,它會(huì)以水平的狀態(tài)出現(xiàn)在屏幕上,請使用「旋轉(zhuǎn)(Rotate)」工具把它負(fù)極那一面朝上,并且用「網(wǎng)絡(luò)連接」工具將它連接在電壓調(diào)整器的輸入端和接地端之間。
2.5.    新增一個(gè)二極體,它會(huì)以水平的狀態(tài)出現(xiàn)在屏幕上,請使用「旋轉(zhuǎn)(Rotate)」工具把它負(fù)極那一面朝上,并且用「網(wǎng)絡(luò)連接」工具將它連接在電壓調(diào)整器的輸入端和接地端之間。
 
2.6.    最后,選擇1×2排針(RBBB→1x2_Pinhead)當(dāng)作額外的選擇性電源輸入,旋轉(zhuǎn)并放置它,將其中一個(gè)針腳連接電源、另一個(gè)接地。


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