Проектирането на електронни схеми е процес на планиране, тестване и изграждане на вериги, които изпълняват специфични задачи. Това включва дефиниране на изисквания, избор на надеждни части, създаване на схеми, симулиране на производителност и тестване на окончателния дизайн. Като следвате внимателни стъпки, веригите стават безопасни, ефективни и надеждни. Тази статия предоставя подробна информация за всеки етап от процеса на проектиране.
В1. Преглед на дизайна на електронни схеми
В2. Изисквания към техническите спецификации
В3. Системна архитектура и проектиране на блокови диаграми
В4. Основни компоненти в дизайна на електронни схеми
В5. Изследване и избор на компоненти в проектирането на електронни схеми
В6. Видове симулации на вериги в проектирането на електронни схеми
В7. Захранване и целостта на сигнала в проектирането на веригата
В8. Оформление на печатни платки в проектирането на вериги
В9. Схематично проектиране и ERC в разработването на схеми
В10. Тест и валидиране на веригата
В11. Извод
В12. Често задавани въпроси
Преглед на дизайна на електронните схеми
Проектирането на електронни схеми е процес на планиране и изграждане на вериги, които могат да изпълняват конкретна задача. Започва с малки експерименти на макетна дъска или чрез компютърни симулации, за да се провери дали идеята работи. След това дизайнът се рисува в схематична диаграма, която показва как е свързана всяка част. Дизайнът се прехвърля на печатна платка (PCB), която може да бъде произведена и сглобена в работна система.
Този процес често комбинира различни видове сигнали. Аналоговите вериги работят с плавни и непрекъснати сигнали, докато цифровите схеми работят със сигнали, които превключват между две състояния. Понякога и двете се комбинират в един и същ дизайн, за да направят системата по-завършена.
Целта на проектирането на електронни схеми е да се създаде краен продукт, който е не само функционален, но и надежден и готов за използване в реални условия. Внимателният дизайн помага да се гарантира, че веригата ще работи правилно, ще остане стабилна и отговаря на изискванията за безопасност.
Изисквания към техническите спецификации
| Категория | Примерни спецификации |
|---|---|
| Електрически | Входно напрежение: 5–12 V, Потребление на ток: <1 A, Честотна лента: 10 MHz |
| Време | Латентност < 50 ns, трептене на часовника < 2 ps |
| Околна среда | Работи от -40°C до +85°C, 90% влажност |
| Механични | Размер на печатната платка: 40 × 40 мм, Тегло < 20 г |
| Съответствие | Трябва да отговаря на CE/FCC, EMC клас B |
| Разходи/Производство | Разходи за спецификация <\$5, добив на сглобяване >95% |
Архитектура на системата и проектиране на блокови диаграми
Тази блокова схема илюстрира основната структура на електронната система, като я разделя на взаимосвързани подсистеми. Подсистемата Power доставя стабилна енергия чрез батерии, DC-DC преобразуватели и регулатори, формирайки основата за всички останали блокове. В центъра е подсистемата за управление, в която се помещава микроконтролер, FPGA или процесор, отговорен за управлението на потока от данни и вземането на решения.
Аналоговата подсистема обработва сигнали от реалния свят с помощта на сензори, усилватели и филтри, докато цифровият вход/изход позволява комуникация с външни устройства чрез стандарти като USB, SPI, UART, CAN и Ethernet. Отделен блок за синхронизиране и синхронизиране осигурява синхронизация с осцилатори, PLL и прецизно маршрутизиране за ниска производителност на трептене.
За да се поддържа надеждността, се набляга на изолационните зони, които държат шумните цифрови сигнали далеч от чувствителни аналогови вериги, намалявайки смущенията и подобрявайки стабилността на системата.
Основни компоненти в дизайна на електронни схеми
Резистори
Те се използват за ограничаване и контрол на потока на електрически ток. Чрез добавяне на съпротивление те гарантират, че чувствителните части на веригата не се повреждат от твърде голям ток.
кондензатори
Той действа като малко устройство за съхранение на енергия. Те държат електрически заряд и могат да го освободят бързо, когато е необходимо. Това ги прави полезни за стабилизиране на напрежението, филтриране на сигнали или подаване на кратки изблици на мощност.
Транзистори
Той служи като превключватели и усилватели. Те могат да включват или изключват тока като контролиран гейт или да направят слабите сигнали по-силни. Транзисторите са част от съвременната електроника, защото позволяват на веригите да обработват и контролират информация.
Диоди
Насочете посоката на тока. Те позволяват на електричеството да тече само в едната посока, блокирайки го в другата посока. Това предпазва веригите от обратни токове, които могат да причинят повреда.
Изследване и избор на компоненти в дизайна на електронни схеми
Съображения за ефективност
Когато избирате части за верига, едно от първите неща, които трябва да проверите, е производителността. Това означава да се погледне как компонентът ще се държи в дизайна. Необходимите подробности включват колко шум добавя, колко стабилен е във времето, колко енергия използва и колко добре обработва сигналите. Тези фактори решават дали веригата ще работи по начина, по който трябва.
Избор на пакет
Пакетът на компонента е начинът, по който е изграден и оразмерен. Това влияе върху това колко място заема на дъската, колко топлина може да се справи и колко лесно се поставя по време на сглобяването. По-малките опаковки спестяват място, докато по-големите могат да бъдат по-лесни за работа и да се справят по-добре с топлината. Изборът на правилния пакет помага за балансиране на пространството, топлината и лекотата на използване.
Наличност и верига за доставки
Не е достатъчно една част да работи добре; Също така трябва да е на разположение, когато е необходимо. Трябва да проверите дали частта може да бъде закупена от повече от един доставчик и дали все още ще се произвежда в бъдеще. Това намалява риска от забавяне или редизайн, ако частта изведнъж стане трудна за намиране.
Съответствие и стандарти
Електрониката трябва да спазва правилата за безопасност и опазване на околната среда. Частите често трябва да отговарят на стандарти като RoHS, REACH или UL. Тези одобрения гарантират, че компонентът е безопасен за използване, не вреди на околната среда и може да се продава в различни региони. Съответствието е основна част от избора на компоненти.
Надеждност и намаляване на номиналната стойност
Надеждността означава колко дълго и колко добре може да продължи да работи даден компонент при нормална употреба. За да издържите частите по-дълго, трябва да избягвате да ги натискате до максималните им граници. Тази практика се нарича понижаване. Като се даде на частите сигурен марж, шансовете за повреда намаляват и цялата система става по-надеждна.
Видове симулации на вериги в проектирането на електронни схеми
| Тип симулация | Предназначение в проектирането на вериги |
|---|---|
| DC отклонение | Потвърждава, че всички устройства работят при правилния обемtage и текущи точки. Предотвратява насищането или неволното прекъсване на транзисторите. |
| AC почистване | Оценява честотната характеристика, усилването и фазовия марж. Основен за усилватели, филтри и анализ на стабилността. |
| Преходен | Анализира поведението във времевата област като превключване, реакция при стартиране, времена на нарастване/спад и превишаване. |
| Анализ на шума | Прогнозира чувствителността на веригата към електрически шум и помага за оптимизиране на стратегиите за филтриране за приложения с ниско ниво на шум. |
| Монте Карло | Тества статистическите вариации в толерансите на компонентите (резистори, кондензатори, транзистори), осигурявайки здравина на дизайна при производственото разпространение. |
| Термичен | Оценява разсейването на топлината и идентифицира потенциални горещи точки, което е необходимо за силови вериги и компактни конструкции. |
Захранване и целостта на сигнала в дизайна на веригата
Практики за мрежа за доставка на захранване (PDN)
• Звездно заземяване: Използвайте звездна връзка, за да сведете до минимум заземяващите контури. Това намалява шума и осигурява постоянен референтен потенциал навсякъде.
• Къси обратни пътища: Винаги осигурявайте директен и нисък импеданс обратни пътища за ток. Дългите контури увеличават индуктивността и инжектират шум в чувствителни вериги.
• Разкачващи кондензатори: Поставете разединяващи кондензатори с малка стойност възможно най-близо до IC захранващите щифтове. Те действат като локални енергийни резервоари и потискат високочестотните преходни процеси.
• Насипни кондензатори: Добавете кондензатори за насипни товари в близост до входните точки на захранване. Те стабилизират захранването при внезапни промени в натоварването.
Съображения за целостта на сигнала (SI)
• Маршрутизиране с контролиран импеданс: Високоскоростните следи трябва да бъдат прокарани с определен импеданс (обикновено 50 Ω едностранни или 100 Ω диференциал). Това предотвратява отражения и грешки в данните.
• Управление на земята: Дръжте аналоговите и цифровите заземявания разделени, за да избегнете смущения. Свържете ги в една точка, за да поддържате чиста референтна равнина.
• Намаляване на кръстосаните смущения: Поддържайте разстояние между успоредни високоскоростни линии или използвайте следи за предпазител на земята. Това минимизира свързването и запазва качеството на сигнала.
• Натрупване на слоя: В многослойните печатни платки отделете непрекъснати равнини за захранване и заземяване. Това намалява импеданса и помага за контролиране на електромагнитните вещества.
Оформление на печатни платки в дизайна на веригата
Поставяне на компоненти
Поставете компоненти въз основа на функцията и потока на сигнала. Групирайте свързаните части заедно и минимизирайте дължините на следите, особено за високоскоростни или чувствителни аналогови вериги. Основните компоненти като осцилатори или регулатори трябва да бъдат разположени близо до интегрални схеми, които поддържат.
Маршрутизиране на сигнала
Избягвайте 90° следи завои, за да намалите прекъсванията на импеданса и потенциалните EMI. За диференциални двойки, като USB или Ethernet, поддържайте съвпадащите дължини на следите, за да поддържате целостта на времето. Разделете аналоговите и цифровите сигнали, за да предотвратите смущения.
Подреждане на слоеве
Балансираното и симетрично подреждане на слоеве подобрява технологичността, намалява изкривяването и осигурява постоянен импеданс. Специалните заземяващи и захранващи равнини намаляват шума и стабилизират подаването на напрежение.
Съображения за висока скорост
Маршрутизирайте високоскоростни сигнали с контролиран импеданс, поддържайте непрекъснати базови равнини и избягвайте мъничета или ненужни преминавания. Поддържайте обратните пътища къси, за да сведете до минимум индуктивността и да запазите целостта на сигнала.
Управление на топлината
Поставете термични отвори под захранващите устройства, за да разпределите топлината във вътрешните медни равнини или противоположната страна на печатната платка. Използвайте медни наливания и техники за разпространение на топлина за вериги с висока мощност.
Схематичен дизайн и ERC при разработването на схеми
Стъпки за схематично проектиране
• Йерархични листове: Разбийте дизайна на логически раздели като захранващи, аналогови и цифрови подсистеми. Това поддържа сложните вериги организирани и улеснява бъдещото отстраняване на грешки или актуализации.
• Смислено именуване на мрежата: Използвайте описателни имена на мрежи вместо общи етикети. Ясното именуване избягва объркване и ускорява отстраняването на неизправности.
• Характеристики на дизайна: Включете номинални стойности на напрежението, изисквания за ток и информация за толеранса директно в схемата. Това помага по време на прегледа и гарантира, че компонентите са избрани с правилните спецификации.
• Синхронизиране на отпечатъка: Свържете компонентите с правилните им отпечатъци от печатни платки в началото на процеса. Улавянето на несъответствия вече предотвратява забавяния и скъпи преработки по време на оформлението на печатни платки.
• Предварителен спецификация (BOM): Генерирайте проект на спецификация от схемата. Това помага да се оценят разходите, да се провери наличността на частите и да се насочва планирането на обществените поръчки, преди да се финализира дизайнът.
Проверка на електрическите правила (ERC) Хигиена
• Открива плаващи щифтове, които могат да причинят неопределено поведение.
• Маркира скъсени мрежи, които могат да доведат до функционална повреда.
• Гарантира, че захранващите и заземяващите връзки са последователни в целия дизайн.
Тест и валидиране на веригата
• Добавете тестови точки на важни сигнали и захранващи шини, така че измерванията да могат да се извършват лесно по време на отстраняване на грешки и производствено тестване.
• Осигурете заглавки за програмиране и отстраняване на грешки като JTAG, SWD или UART за зареждане на фърмуер, проверка на сигнали и комуникация със системата по време на разработката.
• Използвайте захранвания с ограничен ток, когато захранвате печатната платка за първи път. Това предпазва компонентите от повреда, ако има къси полети или грешки в дизайна.
• Включете и потвърдете всяка подсистема поотделно, преди да стартирате цялата система заедно. Това улеснява изолирането и отстраняването на проблеми.
• Сравнете всички измерени резултати с оригиналните спецификации на дизайна. Проверете топлинните граници, производителността на времето и енергийната ефективност, за да сте сигурни, че веригата работи по предназначение.
• Водете подробни бележки и резултати от тестовете. Тази документация помага при бъдещи ревизии, отстраняване на неизправности и предаване на производствените екипи.
Заключение
Проектирането на електронни схеми съчетава планиране, симулация и тестване за създаване на надеждни системи. От задаване на спецификации до оформление и валидиране на печатни платки, всяка стъпка гарантира, че веригите работят по предназначение при реални условия. Чрез прилагане на добър дизайн и стандарти можете да разработите безопасни, ефективни и дълготрайни електронни решения.
Често задавани въпроси
В1. Какъв софтуер се използва за проектиране на електронни схеми?
Altium Designer, KiCad, Eagle и OrCAD са често срещани за схеми и оформление на печатни платки. LTspice, Multisim и PSpice често се използват за симулации.
В2. Как заземяването влияе на веригата?
Правилното заземяване намалява шума и смущенията. Наземните равнини, звездното заземяване и разделянето на аналогови и цифрови заземления подобряват стабилността.
В3. Защо е необходимо управление на топлината във вериги?
Излишната топлина съкращава живота на компонентите и намалява производителността. Радиаторите, термичните отвори, медните изливания и въздушният поток помагат за контролиране на температурата.
Въпрос 4. Какви файлове са необходими за направата на печатна платка?
За точно производство и сглобяване на печатни платки са необходими файлове Gerber, свредла, спецификация на материалите (BOM) и монтажни чертежи.
В5. Как се тества целостта на сигнала?
Осцилоскопите, рефлектометрията във времевата област (TDR) и мрежовите анализатори проверяват импеданса, кръстосаните смълчвания и изкривяването.
Въпрос 6. Какво е проектиране за технологичност (DFM)?
DFM означава създаване на схеми, които са лесни за производство чрез използване на стандартни отпечатъци, следване на ограниченията на печатните платки и опростяване на сглобяването.
