Проектирование электронных схем — это процесс планирования, тестирования и создания схем, выполняющих определенные задачи. Он включает в себя определение требований, выбор надежных деталей, создание схем, моделирование производительности и тестирование окончательной конструкции. Следуя тщательным шагам, цепи становятся безопасными, эффективными и надежными. В этой статье представлена подробная информация о каждом этапе процесса проектирования.
С1. Обзор проектирования электронных схем
С2. Требования к техническим условиям
С3. Архитектура системы и проектирование блок-схем
С4. Основные компоненты в проектировании электронных схем
С5. Исследование и выбор компонентов при проектировании электронных схем
С6. Типы моделирования схем в проектировании электронных схем
С7. Подача питания и целостность сигнала при проектировании схем
С8. Топология печатных плат в схемотехнике
С9. Схематическое проектирование и ERC при разработке схем
С10. Испытание и валидация цепи
С11. Заключение
С12. Часто задаваемые вопросы
Обзор проектирования электронных схем
Проектирование электронных схем — это процесс планирования и создания схем, которые могут выполнять определенную задачу. Он начинается с небольших экспериментов на макетной плате или с помощью компьютерного моделирования, чтобы проверить, работает ли идея. После этого проект рисуется в виде принципиальной схемы, на которой показано, как соединена каждая деталь. Конструкция переносится на печатную плату (PCB), которую можно изготовить и собрать в рабочую систему.
Этот процесс часто сочетает в себе разные типы сигналов. Аналоговые схемы работают с плавными и непрерывными сигналами, в то время как цифровые схемы работают с сигналами, которые переключаются между двумя состояниями. Иногда и то, и другое объединяют в одном дизайне, чтобы сделать систему более полной.
Целью проектирования электронных схем является создание конечного продукта, который является не только функциональным, но и надежным и готовым к использованию в реальных условиях. Тщательное проектирование помогает убедиться, что цепь будет работать должным образом, оставаться стабильной и соответствовать требованиям безопасности.
Требования к техническим условиям
| Категория | Примеры спецификаций |
|---|---|
| Электрооборудование | Входное напряжение: 5–12 В, Потребляемый ток: <1 А, Полоса пропускания: 10 МГц |
| Хронометраж | Задержка < 50 нс, джиттер тактового сигнала < 2 пс |
| Экология | Работает от -40°C до +85°C, влажность 90% |
| Механические | Размер печатной платы: 40 × 40 мм, вес < 20 г |
| Комплаенс | Соответствие требованиям CE/FCC, EMC Class B |
| Стоимость/Производство | Стоимость спецификации <\$5, выход сборки >95% |
Архитектура системы и проектирование блок-схем
Эта блок-схема иллюстрирует основную структуру электронной системы, разбивая ее на взаимосвязанные подсистемы. Силовая подсистема стабильно подает энергию через аккумуляторы, преобразователи постоянного тока в постоянный и регуляторы, формируя основу для всех остальных блоков. В центре находится подсистема управления, в которой находится микроконтроллер, FPGA или процессор, отвечающий за управление потоком данных и принятие решений.
Аналоговая подсистема обрабатывает реальные сигналы с помощью датчиков, усилителей и фильтров, в то время как цифровой ввод/вывод обеспечивает связь с внешними устройствами через такие стандарты, как USB, SPI, UART, CAN и Ethernet. Отдельный блок синхронизации и синхронизации обеспечивает синхронизацию с генераторами, ФАПЧ и точную трассировку для низкого джиттера.
Для поддержания надежности выделены зоны изоляции, которые не допускают попадания зашумленных цифровых сигналов в чувствительные аналоговые цепи, снижая помехи и повышая стабильность системы.
Основные компоненты в проектировании электронных схем
Резисторы
Они используются для ограничения и управления потоком электрического тока. Добавляя сопротивление, они гарантируют, что чувствительные части цепи не будут повреждены слишком большим током.
Конденсаторы
Он действует как небольшое накопитель энергии. Они удерживают электрический заряд и могут быстро высвобождать его при необходимости. Это делает их полезными для стабилизации напряжения, фильтрации сигналов или подачи коротких импульсов питания.
Транзисторы
Он служит переключателями и усилителями. Они могут включать или выключать ток как управляемый затвор или усиливать слабые сигналы. Транзисторы являются частью современной электроники, поскольку они позволяют схемам обрабатывать и контролировать информацию.
Диоды
Направляйте направление течения. Они позволяют электричеству течь только в одном направлении, блокируя его в другом направлении. Это защищает цепи от обратных токов, которые могут привести к повреждению.
Исследование и выбор компонентов при проектировании электронных схем
Соображения по производительности
При выборе деталей для схемы первое, на что следует обратить внимание, — это производительность. Это означает, что нужно смотреть, как компонент будет вести себя при проектировании. Обязательные детали включают в себя, сколько шума он добавляет, насколько он стабилен с течением времени, сколько энергии он использует и насколько хорошо он обрабатывает сигналы. Эти факторы определяют, будет ли цепь работать так, как должна.
Выбор пакета
Пакет компонента — это способ его сборки и размера. Он влияет на то, сколько места она занимает на плате, сколько тепла она может выдержать и насколько легко ее разместить во время сборки. Меньшие упаковки экономят место, в то время как большие упаковки могут быть проще в работе и лучше переносят тепло. Выбор правильной упаковки помогает сбалансировать пространство, тепло и простоту использования.
Доступность и цепочка поставок
Недостаточно, чтобы деталь работала хорошо; Он также должен быть доступен при необходимости. Следует проверить, можно ли купить деталь у более чем одного поставщика и будет ли она производиться в будущем. Это снижает риск задержек или перепроектирования, если деталь внезапно становится трудно найти.
Соответствие и стандарты
Электроника должна соответствовать правилам безопасности и охраны окружающей среды. Детали часто должны соответствовать таким стандартам, как RoHS, REACH или UL. Эти разрешения гарантируют, что компонент безопасен в использовании, не наносит вреда окружающей среде и может продаваться в разных регионах. Соответствие требованиям является основной частью выбора компонентов.
Надежность и снижение рейтинга
Надежность означает, как долго и насколько хорошо компонент может работать при нормальном использовании. Чтобы детали прослужили дольше, вы не должны доводить их до максимальных пределов. Эта практика называется снижением рейтинга. Благодаря безопасному запасу запаса деталей вероятность отказа снижается, а вся система становится более надежной.
Типы моделирования схем в проектировании электронных схем
| Тип симуляции | Назначение в проектировании схем |
|---|---|
| Смещение постоянного тока | Подтверждает, что все устройства работают при правильных точках напряжения и тока. Предотвращает насыщение транзисторов или непреднамеренное отключение. |
| Развертка переменного тока | Оценка частотной характеристики, коэффициента усиления и запаса по фазе. Базовый для усилителей, фильтров и анализа стабильности. |
| Переходный | Анализирует поведение во временной области, такое как переключение, реакция при запуске, время нарастания/спада и выброс. |
| Анализ шума | Прогнозирование чувствительности схемы к электрическим помехам и оптимизация стратегий фильтрации для приложений с низким уровнем шума. |
| Монте-Карло | Тестирует статистическое изменение допусков компонентов (резисторов, конденсаторов, транзисторов), обеспечивая надежность конструкции при всем производственном распределении. |
| Термический | Оценка рассеивания тепла и выявление потенциальных горячих точек, что требуется для силовых цепей и компактных конструкций. |
Подача питания и целостность сигнала при проектировании схем
Методы работы с сетями электроснабжения (PDN)
• Звездообразное заземление: используйте звездообразное соединение, чтобы свести к минимуму петли заземления. Это снижает уровень шума и обеспечивает стабильный опорный потенциал по всем направлениям.
• Короткие обратные тракты: всегда обеспечивают прямые и низкоимпедансные обратные тракты для тока. Длинные петли увеличивают индуктивность и вносят шум в чувствительные цепи.
• Развязывающие конденсаторы: Размещайте развязывающие конденсаторы малой мощности как можно ближе к выводам питания ИС. Они действуют как локальные энергетические резервуары и подавляют высокочастотные переходные процессы.
• Объемные конденсаторы: добавьте объемные конденсаторы рядом с точками ввода питания. Они стабилизируют подачу электроэнергии при резких изменениях нагрузки.
Соображения по поводу целостности сигнала (SI)
• Трассировка с контролируемым импедансом: высокоскоростные трассы должны быть проложены с определенным импедансом (обычно 50 Ω несимметричным или 100 Ω дифференциальным). Это предотвращает отражения и ошибки данных.
• Управление наземным управлением: Держите аналоговое и цифровое заземление отдельно во избежание помех. Соедините их в одной точке, чтобы сохранить чистую плоскость отсчета.
• Подавление перекрестных помех: поддерживайте расстояние между параллельными высокоскоростными линиями или используйте дорожки защиты земли. Это сводит к минимуму связь и сохраняет качество сигнала.
• Наложение слоев: В многослойных печатных платах выделяйте непрерывные плоскости для питания и заземления. Это снижает импеданс и помогает контролировать электромагнитные помехи.
Компоновка печатной платы в схемотехнике
Размещение компонентов
Размещайте компоненты в зависимости от функций и потока сигналов. Группируйте связанные детали вместе и минимизируйте длину проводников, особенно для высокоскоростных или чувствительных аналоговых схем. Основные компоненты, такие как осцилляторы или регуляторы, должны быть расположены близко к микросхемам, которые они поддерживают.
Маршрутизация сигналов
Избегайте изгибов кривых на 90°, чтобы уменьшить разрывы импеданса и потенциальные электромагнитные помехи. Для дифференциальных пар, таких как USB или Ethernet, поддерживайте согласованность длин трасс для обеспечения целостности синхронизации. Раздельные аналоговые и цифровые сигналы для предотвращения помех.
Стек слоев
Сбалансированное и симметричное наложение слоев улучшает технологичность, снижает коробление и обеспечивает постоянный импеданс. Выделенные заземляющие и силовые экраны снижают уровень шума и стабилизируют подачу напряжения.
Соображения по поводу высокой скорости
Трассировка высокоскоростных сигналов с контролируемым импедансом, поддержание непрерывных плоскостей отсчета и исключение шлейфов или ненужных переходных отверстий. Держите пути отражения короткими, чтобы свести к минимуму индуктивность и сохранить целостность сигнала.
Управление температурным режимом
Разместите тепловые переходные отверстия под силовыми устройствами, чтобы распределить тепло во внутренние медные плоскости или на противоположную сторону печатной платы. Используйте медные заливки и методы распределения тепла для цепей высокой мощности.
Схематическое проектирование и ERC при разработке схем
Этапы проектирования схем
• Иерархические листы: разбивайте проект на логические разделы, такие как силовые, аналоговые и цифровые подсистемы. Это позволяет упорядочить сложные схемы и упрощает отладку или обновление в будущем.
• Осмысленное именование сетей: Используйте описательные имена сетей вместо общих меток. Четкое именование позволяет избежать путаницы и ускорить устранение неполадок.
• Проектные характеристики: включите номинальное напряжение, требования к току и информацию о допусках непосредственно в схему. Это помогает во время проверки и гарантирует, что компоненты выбраны с правильными спецификациями.
• Синхронизация посадочных мест: связывайте компоненты с их правильными посадочными местами на печатной плате на ранних этапах процесса. Обнаружение несоответствий теперь предотвращает задержки и дорогостоящие доработки при компоновке печатной платы.
• Предварительная спецификация (BOM): создание проекта спецификации на основе схемы. Это помогает оценить затраты, проверить наличие деталей и спланировать закупки до завершения проектирования.
Гигиена проверки электрических правил (ERC)
• Обнаруживает плавающие контакты, которые могут привести к неопределенному поведению.
• Помечает укороченные сетки, которые могут привести к функциональному сбою.
• Обеспечивает согласованность силовых и заземляющих соединений по всей конструкции.
Испытание и валидация цепи
• Добавляйте контрольные точки на важные сигналы и шины питания, чтобы можно было легко выполнять измерения во время отладки и производственных испытаний.
• Предоставление разъемов для программирования и отладки, таких как JTAG, SWD или UART, для загрузки встроенного ПО, проверки сигналов и связи с системой во время разработки.
• Используйте источники питания с ограничением тока при первом включении печатной платы. Это защищает комплектующие от повреждений при наличии коротких замыканий или ошибок проектирования.
• Включите и проверьте каждую подсистему по отдельности перед запуском всей системы вместе. Это упрощает изоляцию и устранение проблем.
• Сравните все измеренные результаты с исходными проектными спецификациями. Проверьте температурные пределы, временные характеристики и энергоэффективность, чтобы убедиться, что схема работает должным образом.
• Ведите подробные заметки и результаты тестов. Эта документация помогает в будущих редакциях, устранении неполадок и передаче ее производственным группам.
Заключение
Проектирование электронных схем сочетает в себе планирование, моделирование и тестирование для создания надежных систем. От настройки спецификаций до компоновки печатной платы и валидации, каждый шаг гарантирует, что схемы работают так, как задумано в реальных условиях. Применяя хороший дизайн и стандарты, вы можете разрабатывать безопасные, эффективные и долговечные электронные решения.
Часто задаваемые вопросы
В1. Какое программное обеспечение используется для проектирования электронных схем?
Altium Designer, KiCad, Eagle и OrCAD широко используются для схем и топологий печатных плат. LTspice, Multisim и PSpice часто используются для моделирования.
В2. Как заземление влияет на цепь?
Правильное заземление снижает уровень шума и помех. Плоскости заземления, звездообразное заземление и разделение аналоговых и цифровых заземлений повышают стабильность.
В3. Почему в контурах необходимо управление температурным режимом?
Избыточное тепло сокращает срок службы компонентов и снижает производительность. Радиаторы, переходные отверстия, медные отверстия и воздушный поток помогают контролировать температуру.
В4. Какие файлы необходимы для изготовления печатной платы?
Файлы Gerber, файлы сверлки, спецификация (BOM) и сборочные чертежи необходимы для точного изготовления и сборки печатных плат.
В5. Как проверяется целостность сигнала?
Осциллографы, рефлектометрия во временной области (TDR) и анализаторы цепей проверяют импеданс, перекрестные помехи и искажения.
В6. Что такое проектирование на технологичность (DFM)?
DFM означает создание схем, которые легко изготовить за счет использования стандартных посадочных мест, соблюдения ограничений печатной платы и упрощения сборки.