ΣΥΝΤΟΜΟΣ Ο∆ΗΓΟΣ ΧΡΗΣΗΣ ΤΟΥ ΣΧΕ∆ΙΑΣΤΙΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ

ORCAD

ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ

Τεχνολογία Εξαρτηµάτων & Σχεδίαση PCB Ακαδ. Έτος 2010-2011

1

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

1. Μάθηµα 1ο 1α.Το Θεωρητικό κύκλωµα …………………………………..………….….3 1β.Εγκατάσταση και εκκίνηση του προγράµµατος …………………..……..4

2. Μάθηµα 2ο 2.Σχεδίαση σχηµατικού διαγράµµατος κυκλώµατος στο Orcad Capture....….7 Ανάθεση 1ης άσκησης

3. Μάθηµα 3ο 3.∆ηµιουργία ίχνους Αντίστασης 0,25W…………………..………...………12

4. Μάθηµα 4ο 4.∆ηµιουργία ίχνους Πυκνωτή και Pinpad…………………………...………21

5. Μάθηµα 5ο 5.∆ηµιουργία ίχνους Τρανζίστορ 2Ν2219Α ..….……………………………23 Ανάθεση 2ης άσκησης

6. Μάθηµα 6ο 6.∆ηµιουργία ίχνους ποτενσιόµετρου και πηγής……………………….……24

Εξέταση προόδου

7. Μάθηµα 7ο 7.Προετοιµασία µετάβασης στο Orcad Layout………………………………27

8. Μάθηµα 8ο 8.Σχεδίαση πλακέτας στο Orcad Layout……………………………………..29 Ανάθεση 3ης άσκησης

9. Μάθηµα 9ο 9.Σχεδίαση πλακέτας κυκλώµατος διαιρέτη τάσης …………………...……..38

10. Μάθηµα 10ο 10.Επαλήθευση συνδέσεων - ∆ηµιουργία αρχείων Gerber………………….39 Ανάθεση τελικής εργασίας

Τελική Εξέταση

11. Μάθηµα 11ο Παραλαβή πλακετών και τοποθέτηση εξαρτηµάτων

2

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Το παρόν φυλλάδιο αποτελεί έναν σύντοµο οδηγό χρήσης του σχεδιαστικού προγράµµατος CAD (Computer Aided Design) Orcad. Σύµφωνα µε το περιεχόµενό του θα εκτελεσθεί εργαστηριακή άσκηση µε στόχο την κατασκευή πλακέτας τυπωµένου κυκλώµατος (Printed Circuit Board PCB) κυκλώµατος ενισχυτή κοινής βάσης. Το κύκλωµα αυτό βασίσθηκε στην εργαστηριακή άσκηση 5 του µαθήµατος Ηλεκτρονικά Ι. Τα προγράµµατα τα οποία θα χρησιµοποιήσουµε (Orcad Capture, Orcad Layout) αποτελούν τµήµατα ενός ολοκληρωµένου περιβάλλοντος µε το οποίο έχουµε την δυνατότητα της σχεδίασης του σχηµατικού διαγράµµατος ενός κυκλώµατος, της προσοµοίωσης (simulation) λειτουργίας του και της σχεδίασης της τελικής πλακέτας τυπωµένου κυκλώµατος (PCB). Οι δυνατότητες που µας προσφέρουν για τη δηµιουργία µιας πλακέτας τυπωµένου κυκλώµατος είναι πολλές, έτσι θα ήταν λίγο δύσκολο να µπορούσαµε να αναφερθούµε και να τις αναλύσουµε όλες. Στο παρόν φυλλάδιο αναλύονται οι βασικότερες από αυτές ώστε ακόµη και µε µηδενικές γνώσεις πάνω στο συγκεκριµένο πρόγραµµα να είµαστε σε θέση να σχεδιάσουµε την τυπωµένη πλακέτα ενός απλού κυκλώµατος, ενώ κάποιες άλλες δυνατότητες των προγραµµάτων απλά αναφέρονται χωρίς περαιτέρω ανάλυση. Η συγγραφή του φυλλαδίου αυτού πραγµατοποιήθηκε µε την κύρια συµβολή του Εργαστηριακού Συνεργάτη Ματζιάρη Γ. και µε την καθοδήγηση του διδάσκοντος το Μάθηµα Καθηγητή Παπαγέωργα Π. και του Υπευθύνου του Εργαστηρίου Καθηγητή Εφαρµογών Μαντά Φ.

3

1α. ΤΟ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ

Για το σχεδιασµό και την υλοποίηση µίας πλακέτας τυπωµένου κυκλώµατος (PCB), είναι, προφανώς, αναγκαίο να διαθέτουµε το θεωρητικό κύκλωµα του οποίου επιθυµούµε να σχεδιάσουµε την πλακέτα. Στο συγκεκριµένο παράδειγµα επιλέχθηκε το κύκλωµα του ενισχυτή κοινής βάσης διότι αποτελεί κύκλωµα µελέτης σε άλλο εργαστήριο της σχολής (Ηλεκτρονικά Ι) και η µικρή πολυπλοκότητα του το καθιστά κατάλληλο προς σχεδιασµό από αρχάριους χρήστες του προγράµµατος ORCAD. Η λειτουργία του κυκλώµατος και η διαδικασία υπολογισµού και επιλογής των εξαρτηµάτων του δεν θα µας απασχολήσει (τουλάχιστον στο συγκεκριµένο εργαστήριο). Το κύκλωµα του ενισχυτή κοινής βάσης είναι το εξής:

BT1

BATTERY

PAD3

PINPAD

C1

47uF

R11K

Q1 2N2219A

R31.8K

R4

100K

PAD4

PINPAD

R222K

PAD2

PINPAD

C3

33uF

PAD1

PINPAD

C222uF

Σχ.1 Το σχηµατικό διάγραµµα του ενισχυτή κοινής βάσης

Τα Pad 1 & Pad 2 αποτελούν την είσοδο του κυκλώµατος, τα Pad 3 & Pad 4 την έξοδο του και η πηγή ΒΤ1 την τροφοδοσία του. Τα υπόλοιπα εξαρτήµατα του κυκλώµατος δεν είναι επαρκώς καθορισµένα αφού σε ορισµένα δεν αναγράφεται η µέγιστη καταναλισκόµενη ισχύς τους και περισσότερες πληροφορίες (τύπος πυκνωτών τάση λειτουργίας). Για το λόγο αυτό καθορίζονται οι σχετικές λεπτοµέρειες µε τον παρακάτω πίνακα εξαρτηµάτων:

Q1 2N2219A, ΤΟ-39 metal package R1 1K, 1/4W, ± 5% R2 22K, 1/4W, ± 5% R3 1.8K, 1/4W, ± 5% R4 100K, Trimpot PT10LV C1 47µF, 63V, ηλεκτρολυτικός C2 22µF, 63V, ηλεκτρολυτικός C3 33µF, 63V, ηλεκτρολυτικός

4

1β. ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΚΑΙ ΕΚΚΙΝΗΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ

Εγκατάσταση προγράµµατος 1. Ανοίγουµε τον φάκελο «orcad_92_edu» 2. Κάνουµε διπλό κλικ στο εικονίδιο µε µορφή υπολογιστή και µε όνοµα setup 3. Ανοίγει το παράθυρο της εγκατάστασης και ακολουθούµε τις οδηγίες που µας

δίνονται για να εγκαταστήσουµε το πρόγραµµα. (Όταν µας ζητηθεί να επιλέξουµε τα προϊόντα που θέλουµε να εγκαταστήσουµε ανάµεσα από Capture, Capture CIS, PSpice και Layout τα επιλέγουµε όλα εκτός από το Capture) Εκκίνηση του προγράµµατος Orcad Capture Για να εκκινήσουµε την εφαρµογή του προγράµµατος Orcad Capture ακολουθούµε την παρακάτω διαδροµή: Έναρξη – Όλα τα προγράµµατα – Orcad – Capture (και αργότερα όταν θα χρειαστεί να ανοίξουµε το Orcad Layout ακολουθούµε την ίδια διαδροµή)

5

Το Orcad Capture µας επιτρέπει την σχεδίαση του σχηµατικού διαγράµµατος ενός κυκλώµατος. Η υλοποίηση ενός κυκλώµατος σε PCB συνήθως προϋποθέτει την σχεδίαση του σχηµατικού του διαγράµµατος (schematic diagram) µε το οποίο καθορίζονται οι ηλεκτρικές συνδέσεις µεταξύ των χρησιµοποιούµενων διατάξεων (devices). Με το σχηµατικό διάγραµµα εντοπίζονται εύκολα βασικά λάθη για την υλοποίηση του τυπωµένου κυκλώµατος. Κάθε νέο ηλεκτρονικό σύστηµα µπορεί να αποτελείται από πολλά επιµέρους υποσυστήµατα τα οποία θα υλοποιηθούν µε ένα αριθµό πλακετών και θα αναφέρεται στο πρόγραµµα σαν έργο (Project) µε χαρακτηριστική ονοµασία που θα επιλέγει ο χρήστης. Στην απλή εκδοχή που θα παρουσιάσουµε, το σύστηµά µας αποτελείται από µία µόνο πλακέτα. Έχοντας ανοίξει το Orcad Capture επιλέγουµε: File – New – Project Ανοίγει το ακόλουθο παράθυρο όπου επιλέγουµε πού θα το αποθηκεύσουµε και πως θα το ονοµάσουµε. Τέλος επιλέγουµε PC Board Wizard αφού θέλουµε να κατασκευάσουµε και την πλακέτα του κυκλώµατος που θα σχεδιάσουµε και πατάµε OK.

(Επειδή το πρόγραµµα θα συνεργαστεί µε αυτά τα αρχεία, συµβουλεύουµε τόσο τα ονόµατα των αρχείων όσο και ο φάκελος και οι υποφάκελοι αποθήκευσής τους να είναι γραµµένα µε αγγλικούς χαρακτήρες ακολουθώντας τις συνήθεις συµβάσεις του λειτουργικού συστήµατος MS-Windows)

6

Στην συνέχεια ανοίγει αυτόµατα το ακόλουθο παράθυρο όπου επιλέγουµε εάν θέλουµε να κάνουµε προσοµοίωση στο κύκλωµα µας (σε αυτό το σηµείο δεν το επιλέγουµε διότι δεν θα προχωρήσουµε σε αυτή τη λειτουργία του προγράµµατος) Πατάµε Επόµενο>

Σε αυτό το παράθυρο µεταφέρουµε όλες τις βιβλιοθήκες στο δεξί µέρος για να είναι διαθέσιµες (προαιρετικό), είτε µε την επιλογή Add>> είτε µε διπλό κλικ στα ονόµατα βιβλιοθηκών που βρίσκονται στο αριστερό µέρος. Πατάµε Τέλος.

Με την τελευταία επιλογή ανοίγει ένα κενό παράθυρο όπου θα σχεδιάσουµε το κύκλωµα µας.

7

2. ΣΧΕ∆ΙΑΣΗ ΣΧΗΜΑΤΙΚΟΥ ∆ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΣΤΟ ORCAD CAPTURE Το κύκλωµα που θα σχεδιάσουµε όπως προαναφέρθηκε είναι ο ενισχυτής κοινής βάσης που παρουσιάσθηκε στο Σχ. 1. Θα πρέπει να επιλέξουµε και να τοποθετήσουµε τα εξαρτήµατα που χρειάζονται για την κατασκευή του κυκλώµατος. Για το συγκεκριµένο κύκλωµα θα χρειαστούµε αντιστάσεις, ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, το τρανζίστορ, το ποτενσιόµετρο, την πηγή συνεχούς τάσης, την γείωση και για είσοδο και έξοδο του κυκλώµατος θα χρησιµοποιήσουµε ακροδέκτες (Pinpads). Τα εξαρτήµατα που θα χρησιµοποιήσουµε τα επιλέγουµε από τις βιβλιοθήκες του προγράµµατος και για να τα αναζητήσουµε επιλέγουµε: Place – Part ή χρησιµοποιούµε τη συντόµευση Shift+P ή από την κολώνα (‘µπάρα’) µε τις επιλογές που βλέπουµε στα δεξιά της παρακάτω εικόνας. Η ‘µπάρα’ αυτή βρίσκεται στο δεξί µέρος του παραθύρου και για να τοποθετήσουµε κάποιο εξάρτηµα επιλέγουµε το δεύτερο ‘κουµπί’ ακριβώς κάτω από το βελάκι.

Στην συνέχεια ανοίγει το ακόλουθο παράθυρο όπου µας δίνει τη δυνατότητα να διαλέξουµε το εξάρτηµα που επιθυµούµε από µία λίστα (Part List). Πριν περάσουµε σε αυτό το σηµείο θα πρέπει να έχουµε τοποθετήσει όλες τις διαθέσιµες βιβλιοθήκες που µας δίνει το πρόγραµµα προσθέτοντας τες στο κουτάκι κάτω αριστερά µε το όνοµα Libraries. Για να γίνει αυτό πατάµε Add Library, επιλέγουµε όλες τις βιβλιοθήκες και πατάµε Άνοιγµα. Η διαδροµή που βρίσκονται οι βιβλιοθήκες είναι η εξής: C: – Program Files – OrcadLite – Capture – Library Σηµείωση: Προσθέστε και τις βιβλιοθήκες του φακέλου PSpice που βρίσκεται στον φάκελο Library. Έτσι έχουν προστεθεί οι βιβλιοθήκες στο κουτάκι κάτω αριστερά µε το όνοµα Libraries. Προσοχή για να µπορούµε να τις χρησιµοποιήσουµε πρέπει να είναι όλες επιλεγµένες (να είναι όλες µπλε).

8

Τώρα µπορούµε να αναζητήσουµε το εξάρτηµα που χρειαζόµαστε είτε από τη λίστα εξαρτηµάτων (Part List), είτε να γράψουµε στο κουτί µε όνοµα Part τον τύπο του εξαρτήµατος, ολόκληρο (π.χ. 2n2219a) ή µέχρι εκεί που προκύπτει σωστή αντιστοιχία µε τη λίστα (π.χ. 2n221 ). Κάτω δεξιά βλέπουµε την απεικόνιση του εξαρτήµατος για να σιγουρευτούµε ότι είναι αυτό που ψάχνουµε. Τότε επιλέγουµε OK. Σαν αποτέλεσµα της τελευταίας επιλογής κλείνει το παραπάνω παράθυρο και µπορούµε να τοποθετήσουµε το εξάρτηµα µας µε αριστερό κλικ πάνω στο σχέδιο. Τοποθετούµε όσα εξαρτήµατα του ιδίου τύπου χρειαζόµαστε και µετά πατάµε δεξί κλικ και επιλέγουµε End Mode. Η ίδια εργασία επαναλαµβάνεται για τις αντιστάσεις και τους πυκνωτές. Έτσι έχουµε τοποθετήσει τα παρακάτω.

Με τον ίδιο τρόπο βρίσκουµε και τοποθετούµε τα Pinpads (Place – Part), το ποτενσιόµετρο ως Pot (Place – Part), την πηγή συνεχούς τάσης ως BATTERY (Place – Part), και την γείωση ως GND (Place – Ground)

9

(Προσοχή: Πρέπει να κάνουµε συχνά αποθήκευση (File – Save ή Ctrl+S) του αρχείου εργασίας του σχηµατικού διαγράµµατος) Τα αρχεία που δηµιουργούνται είναι µε επεκτάσεις .opj .dsn και µπορούµε να τα αναζητήσουµε στο φάκελο όπου τα αποθηκεύσαµε, από το Capture: File – Open – Project για το αρχείο µε επέκταση .opj File – Open – Design για το αρχείο µε επέκταση .dsn Στην συνέχεια θα τοποθετήσουµε τα εξαρτήµατα στην τελική θέση τους σύµφωνα µε το θεωρητικό µας κύκλωµα. Κάνοντας αριστερό κλικ µε το ποντίκι πάνω στο εξάρτηµα εµφανίζεται γύρω του ένα περίγραµµα που µας δείχνει τι έχουµε επιλέξει και άρα µπορούµε να το µετακινήσουµε. Προσοχή αν γίνει «επιλογή µε το ποντίκι» στο όνοµα του εξαρτήµατος µπορούµε να µετακινήσουµε µόνο αυτό και όχι όλο το εξάρτηµα. Για να αναστρέψουµε ή να περιστρέψουµε το εξάρτηµα κάνουµε δεξί κλίκ πάνω του και εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο. Με την πρώτη επιλογή Mirror Horizontally µπορούµε να αναστρέψουµε οριζόντια το εξάρτηµα. Με την δεύτερη επιλογή Mirror Vertically µπορούµε να αναστρέψουµε κάθετα το εξάρτηµα. Και µε την τρίτη επιλογή Rotate µπορούµε να περιστρέψουµε το εξάρτηµα. Αυτό το παράθυρο µας δίνει την δυνατότητα να

διαγράψουµε ένα εξάρτηµα (Delete) ή να πραγµατοποιήσουµε αντιγραφή – επικόλληση (Copy και µετά σε κάποιο ελεύθερο σηµείο του χώρου να κάνουµε Paste).

Οι παραπάνω λειτουργίες µπορούν να πραγµατοποιηθούν και από το µενού Edit ή µε συντοµεύσεις (µε επιλεγµένο το εξάρτηµα). Για µετακίνηση των εξαρτηµάτων µπορούµε να κάνουµε και µαζική επιλογή είτε δηµιουργώντας ένα πλαίσιο (µε αριστερό κλίκ σε κενό σηµείο) που θα τα περιλαµβάνει, είτε κρατώντας πατηµένο το control (Ctrl). Γνωρίζοντας τα παραπάνω µπορούµε να τοποθετήσουµε στο χώρο τα εξαρτήµατα ώστε να µπορούµε να κάνουµε τις συνδέσεις µεταξύ τους. (Σηµείωση : Αν το κύκλωµά µας ήταν πολυπλοκότερο εκτός του ότι µπορεί να χρειαζόταν να ορίσουµε µεγαλύτερες διαστάσεις στο φύλλο που εργαζόµαστε θα έπρεπε να κάνουµε και σταδιακά τα βήµατα που ακολουθούµε τώρα για διευκόλυνση µας.)

10

Έχοντας τοποθετήσει τα εξαρτήµατα όπως στο παρακάτω σχήµα, θα προχωρήσουµε πραγµατοποιώντας τις ηλεκτρικές συνδέσεις µεταξύ των εξαρτηµάτων.

Στην συνέχεια κάνουµε αποθήκευση (File – Save ή Ctrl+S) Με Place – Wire ή Shift+W ή από τη µπάρα συντοµεύσεων στα δεξιά επιλέγουµε τη λειτουργία τοποθέτησης καλωδίου, την ηλεκτρική δηλαδή σύνδεση µεταξύ των εξαρτηµάτων. Ο δείκτης του ποντικιού έχει την µορφή σταυρού και πατώντας στον ακροδέκτη κάποιου εξαρτήµατος µπορούµε να τοποθετήσουµε το καλώδιο µέχρι κάποιο άλλο εξάρτηµα ή κάποιο καλώδιο. Κάνουµε αριστερό κλικ στον ακροδέκτη που θέλουµε να συνδέσουµε και µετά µετακινούµε τον δείκτη του ποντικού µέχρι το σηµείο της σύνδεσης, ενώ όταν θα είµαστε σε σωστή θέση θα εµφανιστεί ένας κόκκινος κύκλος οπότε εφαρµόζουµε «διπλή επιλογή µε το ποντίκι». Ιδιαίτερη προσοχή θα πρέπει να δοθεί στην δηµιουργία λάθος βραχυκυκλωµάτων ακολουθώντας τα παραπάνω βήµατα. Η ύπαρξη σύνδεσης αφού αυτή πραγµατοποιηθεί, συµβολίζεται µε µια µικρή ροζ κουκίδα πάνω στο καλώδιο, ενώ στους ακροδέκτες των εξαρτηµάτων δεν πρέπει να εµφανίζεται κάτι αντίστοιχο. Η διαδικασία που περιγράφηκε απαιτεί προσεκτικό χειρισµό και όχι βιαστικές κινήσεις. Έχοντας κάνει όλες τις συνδέσεις κάνουµε δεξί κλίκ και επιλέγουµε End Wire, έτσι ώστε ο δείκτης του ποντικού να επανέλθει στην αρχική του µορφή. Εάν έχουµε κάνει κάποιο λάθος µπορούµε να διαγράψουµε ένα ή περισσότερα καλώδια και συνδέσεις και στην συνέχεια να επιλέξουµε ξανά το καλώδιο για τοποθέτηση νέου.

11

Αφού τελειώσουµε µε τις συνδέσεις θα πρέπει να έχει προκύψει το ακόλουθο σχέδιο.

Πραγµατοποιούµε την αποθήκευση (File – Save ή Ctrl+S) του σχηµατικού µας διαγράµµατος. Μπορούµε να αλλάξουµε την ονοµασία των εξαρτηµάτων καθώς επίσης και να τους δώσουµε τιµές, να µην εµφανίζονται καθόλου στοιχεία τους πάνω στο σχέδιο µας, να τα περιστρέψουµε κ.α.. Κάνοντας διπλό κλίκ στο όνοµα εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο, που µας δίνει τις παραπάνω δυνατότητες.

Συµπληρώστε τις τιµές των εξαρτηµάτων όπως φαίνονται στο Σχήµα 1 της σελίδας 3. Σε αυτό το σηµείο έχουµε τελειώσει µε την σχεδίαση του σχηµατικού διαγράµµατος του θεωρητικού κυκλώµατός µας. Θα µπορούσαµε να κάνουµε και προσοµοίωση της λειτουργίας του κυκλώµατος µε το PSpice αλλά αυτό δεν θα µας απασχολήσει ακόµη.

12

3. ∆ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΙΧΝΟΥΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ 0,25W

Τα βήµατα τα οποία περιγράφονται αφορούν την δηµιουργία του ίχνους (footprint) (δηλ. των αποστάσεων των ακροδεκτών και του σχηµατικού συµβολισµού) ενός εξαρτήµατος το οποίο δεν περιλαµβάνεται στις άµεσα διαθέσιµες βιβλιοθήκες του προγράµµατος. Για την δηµιουργία ενός νέου Footprint επιλέγουµε: Έναρξη – Όλα τα προγράµµατα – Orcad – Layout Ανοίγοντας το Layout επιλέγουµε : Tools – Library Manager – Create New Footprint Εµφανίζεται η ακόλουθη οθόνη:

Στην συγκεκριµένη εργασία θα δηµιουργήσουµε το footprint για µια αντίσταση µέγιστης ισχύος 1/4W. Συνεπώς στο παραπάνω παράθυρο δηλώνουµε το όνοµα του footprint που θέλουµε να δηµιουργήσουµε (π.χ. R 1/4W) το οποίο πρέπει να είναι µε αγγλικούς χαρακτήρες και µε µοναδική ονοµασία (ώστε το πρόγραµµα να µπορέσει να κάνει την αντιστοίχιση αυτόµατα) και χαρακτηριστικό (για εύκολη αποµνηµόνευση και αναζήτηση). Σε αυτό το παράθυρο δηλώνουµε επίσης την µονάδα µέτρησης που θα εργαστούµε, Αγγλικό-English (inches) ή Μετρικό-Metric (mm). Στην περίπτωσή µας θα επιλέξουµε Units – English. Σκοπός αυτού είναι να µάθουµε τον τρόπο εναλλαγής µεταξύ των µονάδων µέσα από το πρόγραµµα που θα δούµε παρακάτω. Έχοντας συµπληρώσει τα παραπάνω πεδία επιλέγουµε OK για την ολοκλήρωση της διαδικασίας, οπότε εµφανίζεται το παράθυρο στο οποίο θα σχεδιάσουµε το Footprint.

13

Στο παράθυρο εργασίας µας βλέπουµε τοποθετηµένα: 1. Μια οπή (pin, γαλάζιος κύκλος) 2. Την ονοµασία του Footprint που έχουµε δηλώσει (R 1/4W) 3. Την εµφάνιση των &Comp, &Value, &Pack (κάθε ένα από αυτά τα στοιχεία

θα αντιστοιχίσουν και θα εµφανίσουν τις ανάλογες τιµές στις οποίες αναφέρονται από το θεωρητικό (Capture) στο PCB (Layout))

Σηµείωση: Μπορούµε κατά την προσωπική µας γνώµη να ‘διαγράψουµε’ ή να διατηρήσουµε (ανάλογα µε τις πληροφορίες που χρειαζόµαστε) κάποια από τα παραπάνω. Αυτό γίνεται διότι κατά την αντιστοίχιση των Footprint στο Layout κάθε ένα θα συνοδεύεται από τις πληροφορίες αυτές και µπορεί να προκύψει ένα τυπωµένο δυσανάγνωστο, που διάφορες ονοµασίες θα αλληλεπικαλύπτονται. Προτείνουµε να διατηρήσετε την ονοµασία του Footprint (R 1/4W) που δίνει την πληροφορία για το είδος του εξαρτήµατος και το &Comp το οποίο µας δίνει την ονοµασία του εξαρτήµατος στο θεωρητικό κύκλωµα (π.χ. αν χρησιµοποιήσουµε περισσότερες από µια αντιστάσεις 1/4W να γνωρίζουµε ποια είναι η κάθε µια R1, R2…Rn). Προσοχή µην χρησιµοποιείτε λιγότερα από αυτά που σας είναι απαραίτητα για την ‘αναγνώριση’ του κάθε εξαρτήµατος. Για να επιλέξουµε κάποιο ‘κείµενο’ (για διαγραφή, µετακίνηση κ.α.) επιλέγουµε: Tool – Text – Select Tool ή Για να διαµορφώσουµε την εµφάνιση της γραµµατοσειράς µε ∆εξί ‘κλίκ’ στο κείµενο επιλέγουµε Properties… µεταβάλλοντας τα Line Width και Text Height. Για να γράψουµε κάποιο ‘κείµενο’ (π.χ. σηµείωση) επιλέγουµε: Tool – Text – New Για να τερµατίσουµε την διαδικασία ∆εξί ‘κλίκ’ End Command

Μπορούµε να περιπλανηθούµε στο χώρο εργασίας και µετακινώντας το παράθυρο προς κάποια κατεύθυνση Σε αυτό το σηµείο ‘διαγράψτε’ τα: &Value, &Pack και µετακινήστε την ονοµασία R 1/4W, όπως φαίνεται παρακάτω:

14

Έπειτα επιλέγουµε Options – System Settings και στο παράθυρο που εµφανίζεται, δηλώνουµε τη µονάδα µέτρησης (mm). Μειώνουµε τις τιµές όπως φαίνεται παρακάτω για µεγαλύτερη ακρίβεια στις µετακινήσεις των οπών και την µέτρηση των αποστάσεων. (Οι τιµές είναι ενδεικτικές και µπορείτε να πειραµατιστείτε στο σπίτι µε τις µεταβολές τους, επίσης το Routing grid (πλέγµα δροµολόγησης) δεν θα µας απασχολήσει σε αυτή την άσκηση και µπορεί να µείνει αµετάβλητο)

Επιλέγοντας OK αποθηκεύονται οι ρυθµίσεις. Σε αυτό το σηµείο για να προχωρήσουµε στην σχεδίαση του Footprint πρέπει να γνωρίζουµε τις φυσικές διαστάσεις του εξαρτήµατος όπως επίσης και τους ‘κανόνες’ τοποθέτησής του. Για τις διαστάσεις µπορούµε να ανατρέξουµε στο φυλλάδιο δεδοµένων (Datasheet) του εξαρτήµατος το οποίο συνήθως είναι διαθέσιµο στην διαδικτυακή τοποθεσία της κατασκευάστριας εταιρίας. Τα datasheet είναι έγγραφα (συνήθως σε µορφή Acrobat µε κατάληξη .pdf) που περιέχουν πληροφορίες για το κάθε εξάρτηµα. Πληροφορίες και γραφήµατα για τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους δεν θα µας απασχολήσουν στο συγκεκριµένο µάθηµα, παρά µόνο πληροφορίες για τον τύπο συσκευασίας (Through hole ή SMD) και τις διαστάσεις τους.

15

Παράδειγµα πληροφοριών από Datasheet εξαρτήµατος

Αρχικά επιλέγουµε να δηµιουργήσουµε το περίγραµµα του εξαρτήµατος χρησιµοποιώντας τις διαστάσεις L και D του παραπάνω πίνακα. Στην επιφάνεια που εργαζόµαστε υπάρχει ένα σηµείο µε συντεταγµένες [0.00, 0.00] και συµβολίζεται µε τον σταυρό που στο κέντρο του έχει έναν κύκλο και µέσα σε αυτόν ένα αστέρι-πολύγωνο (βλέπε επόµενο σχήµα). Η αποστάσεις του κέρσορα (σταυρός) από αυτό το σηµείο εµφανίζονται στο πλαίσιο κάτω αριστερά στην εικόνα. Στην συγκεκριµένη εικόνα ο κέρσορας απέχει 1.40mm δεξιά και 0.40mm επάνω.

Από αυτό το σηµείο θα ξεκινήσουµε να σχεδιάσουµε το περίγραµµα του εξαρτήµατος, επιλέγοντας Tool – Obstacle – Select Tool ή Για την διαµόρφωση του περιγράµµατος (Layer και πάχος) επιλέγετε δεξί ‘κλίκ’ και Properties… (ίσως πρώτα να χρειαστεί να επιλέξετε New)

16

Τοποθετήστε τον κέρσορα στις συντεταγµένες [0.00, 0.00], πατήστε µια φορά το αριστερό πλήκτρο του ποντικιού και µετακινήστε τον κέρσορα δεξιά στις συντεταγµένες [6.39, 0.00] για την πλευρά της αντίστασης µε µήκος L και πατήστε ξανά το αριστερό πλήκτρο.

Κινηθείτε προς τα επάνω στις συντεταγµένες [6.39, 2.40] για την πλευρά µήκους D.

Συνεχίστε τον σχεδιασµό µέχρι να ολοκληρωθεί το περίγραµµα (συµπεριλάβατε και την θέση των ακροδεκτών της αντίστασης). ∆ιαµορφώστε το µέγεθος της γραµµατοσειράς µεταβάλλοντας τα Line Width και Text Height (πχ. 0.15, 1.0) και τοποθετήστε τα κείµενα στο πλαίσιο (εφόσον είναι δυνατόν).

Προσοχή: Τίποτε από τα παραπάνω (περίγραµµα και κείµενα) δεν πρέπει να είναι Layer TOP γιατί µπορεί να προκύψουν βραχυκυκλώµατα. Προτείνεται να χρησιµοποιήσετε το Layer ASYTOP το οποίο δεν εµφανίζεται το τελικό PCB Για δηµιουργία κύκλου µε αριστερό ‘κλικ’ αρχικά και έπειτα δεξί ‘κλικ’ επιλέγοντας Arc ή µε αριστερό ‘κλικ’ και πατώντας το πλήκτρο Α

17

Σε αυτό το σηµείο ολοκληρώθηκε η σχεδίαση του περιγράµµατος και η τοποθέτηση των απαραίτητων σηµειώσεων-κειµένων. Για την ολοκλήρωση του ίχνους απαιτείται ακόµη η σωστή τοποθέτηση των Pins. Μπορείτε να αποθηκεύσετε την µέχρι τώρα εργασία σας επιλέγοντας Save As. Στην περίπτωση µας θα δηµιουργήσουµε µια νέα βιβλιοθήκη επιλέγοντας Create New Library…, δίνοντας το όνοµα pcberg.llb (η ονοµασία πρέπει να ακολουθεί τις συνήθεις συµβάσεις των Windows µε επέκταση .llb) και ελέγχοντας την τοποθεσία του φακέλου δηµιουργίας της βιβλιοθήκης: C: – Program Files – OrcadLite – Layout_Plus – Library Μπορούµε να αποθηκεύσουµε σε κάποια ήδη υπάρχουσα βιβλιοθήκη που την επιλέγουµε από το Browse… (η οποία θα πρέπει να είναι σε Units, English σύµφωνα µε αυτά που αναφέρονται στην αρχή). Τοποθέτηση-τροποποίηση των PIN Για να επιλέξουµε, διαγράψουµε, τροποποιήσουµε ή να δηµιουργήσουµε ένα ακροδέκτη (pin) και τις διαστάσεις της αντίστοιχης οπής (hole). Επιλέγουµε Tool – Pin – Select Tool ή Με αριστερό ‘κλικ’ στην υπάρχουσα οπή την επιλέγουµε και µε δεξί ‘κλικ’ έπειτα επάνω της, µπορούµε να την τροποποιήσουµε επιλέγοντας Properties… Εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο, όπου µπορούµε να κάνουµε τις τροποποιήσεις που επιθυµούµε όπως επιλογή µορφής-διαστάσεων, όνοµα κ.α.

18

Στο πεδίο Padstack Name µπορούµε να επιλέξουµε ένα από τα έτοιµα pin εάν µας εξυπηρετεί κάποιο από αυτά. Για παράδειγµα ένα κυκλικό pin µε διάµετρο περίπου 2,3 mm έχει την ονοµασία 90R70 Η ονοµασία 90R70 δηλώνει το µέγεθος και το σχήµα του ακροδέκτη: έχει εξωτερική διάµετρο (χαλκού) 90 mils, είναι κυκλικό (R) και εσωτερική διάµετρο (οπής) 70 mils. Σηµείωση: 100 mils αντιστοιχούν σε 2,54mm

Στην συγκεκριµένη άσκηση επιλέξτε το Padstack µε ονοµασία Τ1 (προεπιλογή). Για να δείτε τις διαστάσεις του προεπιλεγµένου Padstack επιλέξτε: View – Database Spreadsheets… – Padstacks

Τα X Offset, Y Offset που δεν περιλαµβάνονται στον πίνακα δεν θα µας απασχολήσουν και τα αφήνουµε αµετάβλητα. Για πλακέτα µονής όψης µας ενδιαφέρει το Layer Top, Drill και το Drldwg.

19

Το Padstack T1 είναι κυκλικό (Βλέπε σειρά TOP, στήλη Pad Shape), έχει διάµετρο χαλκού 1.57mm (Βλέπε σειρά TOP, στήλες Pad Width και Height) και διάµετρο οπής 0.97mm (Βλέπε σειρές Drill και Drldwg, στήλες Pad Width και Height). Στην αντίσταση 1/4W ο ακροδέκτης έχει πάχος 0,6mm συνεπώς αυτή πρέπει να είναι και η διάµετρος της οπής. Εάν αφήσουµε το περιθώριο του χαλκού στα 1.57mm, σηµαίνει πως ο χαλκός γύρω από την οπή θα έχει πάχος (1.57-0.6)/2 = 0.485mm. Ο αριθµός αυτός θα εξυπηρετούσε µόνο εφόσον είχαµε περιορισµό στο µέγεθος της πλακέτας, συνεπώς και στο µέγεθος των pin. Στο συγκεκριµένο παράδειγµα θα επιλέξουµε το πάχος του χαλκού περιµετρικά της οπής να είναι 0.8mm άρα η διάµετρος του χαλκού 0.8*2+0.6 = 2.2mm. Έχοντας µεγαλύτερο πάχος χαλκού η κόλληση των εξαρτηµάτων από άτοµα µε ελάχιστη ή µηδενική εµπειρία είναι πιο εύκολη και πιο επιτυχής. Με βάση τα παραπάνω µεταβάλλουµε ανάλογα τον παρακάτω πίνακα:

Για να δηµιουργήσουµε µια νέα οπή (Pin Tool ενεργοποιηµένο), µε δεξί ‘κλικ’ σε οποιοδήποτε σηµείο της οθόνης επιλέγουµε New. Στη νέα αυτή οπή επαναλαµβάνουµε την παραπάνω διαδικασία για να επιλέξουµε το ίδιο µέγεθος. Σηµείωση: Μπορούµε να επιλέξουµε και Copy – Paste της οπής µε δεξί ‘κλικ’. Στο Datasheet του συγκεκριµένου εξαρτήµατος δεν καθορίζεται αυστηρά η απόσταση µεταξύ των pin. Τοποθετήστε τα pin στις άκρες του εξαρτήµατος έχοντας αφήσει τον απαραίτητο χώρο για να λυγίσουν οι ακροδέκτες του και να τοποθετηθούν στο κέντρο των pin.

20

Dimension Tool Για να µετρήσουµε τις διαµέτρους των οπών, την απόσταση που θα τις τοποθετήσουµε µεταξύ τους και όποια άλλη διάσταση µας ενδιαφέρει, επιλέγουµε Tool – Dimension – Select Tool Για να διαµορφώσουµε την εµφάνιση της γραµµατοσειράς του ‘χάρακα’ µε ∆εξί ‘κλίκ’ επιλέγουµε Properties… µεταβάλλοντας τα Line Width και Text Height. Για να διαγράψουµε κάποια µέτρηση (έχοντας επιλεγµένο το εργαλείο Dimension) µε δεξί ‘κλικ’ σε κάποιο σηµείο της επιλέγουµε Delete. Επαληθέψατε τις διαστάσεις του ίχνους µετρώντας τις αποστάσεις µε το παραπάνω εργαλείο. Στο παρακάτω σχήµα έχουν διαµορφωθεί και οι γραµµατοσειρές των κειµένων και του ‘χάρακα’ µε Line Width = 0.1 και Text Height = 1.0

Αφού γίνει η επαλήθευση σβήνουµε όλα τα στοιχεία του χάρακα και επανερχόµαστε την προηγούµενη µορφή του ίχνους η οποία είναι και η τελική του µορφή. Έχοντας ολοκληρώσει τον σχεδιασµό, επιλέγουµε Save για να αποθηκεύσουµε την τελική µορφή του footprint. Έπειτα µε εκτύπωση µέσω του προγράµµατος θα δούµε τις πραγµατικές διαστάσεις του footprint και θα ελέγξουµε την ορθότητα τους. Για εκτύπωση επιλέξτε File – Print/Plot Επιλέξτε τα Keep Drill Holes Open και Force Black & White.

21

4. ∆ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΙΧΝΟΥΣ ΠΥΚΝΩΤΗ ΚΑΙ PINPAD Χρησιµοποιώντας τις πληροφορίες που σας δίνονται στα παρακάτω αποσπάσµατα datasheet, σχεδιάστε το ίχνος που θα χρησιµοποιηθεί για τους πυκνωτές C1 (47µF, 63V), C2 (22µF, 63V) και C3 (33µF, 63V).

22

Έχοντας ολοκληρώσει τη σχεδίαση του ίχνους των πυκνωτών, σχεδιάστε ίχνος για Pinpad στο οποίο πρόκειται να τοποθετηθεί µονόκλωνο καλώδιο συνδεσµολογίας πάχους 0,8mm. Στις εικόνες που ακολουθούν βλέπετε πιθανές τελικές απεικονίσεις των ζητούµενων ιχνών:

Footprint πυκνωτή Footprint Pinpad

23

5. ∆ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΙΧΝΟΥΣ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ 2Ν2219Α

Χρησιµοποιώντας τις πληροφορίες που σας δίνονται στα παρακάτω αποσπάσµατα datasheet, σχεδιάστε το ίχνος που θα χρησιµοποιηθεί για το τρανζίστορ 2N2219A.

24

6. ∆ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΙΧΝΟΥΣ ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΟΥ ΚΑΙ ΠΗΓΗΣ

Χρησιµοποιώντας τις πληροφορίες που σας δίνονται στα παρακάτω αποσπάσµατα datasheet, σχεδιάστε το ίχνος που θα χρησιµοποιηθεί για το ποτενσιόµετρο PT10LV10-104A2020 trimpot.

25

26

Έχοντας ολοκληρώσει τη σχεδίαση του ίχνους του PT10LV10-104A2020, σχεδιάστε ίχνος για την πηγή στο οποίο πρόκειται να τοποθετηθεί µονόκλωνο καλώδιο συνδεσµολογίας πάχους 1mm.

27

7. ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΜΕΤΑΒΑΣΗΣ ΣΤΟ ORCAD LAYOUT Το πρόγραµµα Orcad Layout µας δίνει πάρα πολλές δυνατότητες και διευκολύνσεις για την υλοποίηση του τυπωµένου κυκλώµατος, αλλά παρόλα αυτά δεν µπορεί να προβλέψει κάποιους παράγοντες και προβλήµατα που προκύπτουν στην πραγµατοποίηση και κατασκευή του. Κατά την επιλογή των εξαρτηµάτων ενός κυκλώµατος υπάρχει µεγάλη ποικιλία στις συσκευασίες τους µε διαφοροποιήσεις στις διαστάσεις ανάλογα µε την τεχνολογία (TH ή SMT) την µέγιστη καταναλισκόµενη ισχύ κ.τ.λ. Για την υλοποίηση λοιπόν του τυπωµένου κυκλώµατος θα πρέπει να γίνει η επιλογή των συσκευασιών των εξαρτηµάτων από τον σχεδιαστή του κυκλώµατος. Ο σχεδιαστής θα γνωρίζει τις συσκευασίες και τις πραγµατικές διαστάσεις των εξαρτηµάτων τις οποίες θα πρέπει να αντιστοιχίσει στα υποστηριζόµενα «ίχνη» (Footprints). Για να δηλώσουµε σε κάθε εξάρτηµα το όνοµα του footprint που αντιστοιχεί σε αυτό, κάνουµε δεξί κλικ στο εξάρτηµα και επιλέγουµε Edit Properties.

Έτσι θα εµφανιστεί το ακόλουθο παράθυρο. Στο πλαίσιο µε ονοµασία PCB Footprint θα γράψουµε το όνοµα του Footprint που αντιστοιχεί στο συγκεκριµένο εξάρτηµα. Εάν για παράδειγµα το όνοµα του ίχνους που δηµιουργήσατε για τον πυκνωτή είναι C ELE θα το πληκτρολογούσατε στο αντίστοιχο πεδίο όπως παρακάτω: Επαναλάβετε την ίδια διαδικασία και για τα υπόλοιπα εξαρτήµατα δίνοντας τους τις αντίστοιχες ονοµασίες Footprints. Έχοντας έτοιµα και τα Footprint εφαρµόζουµε την παρακάτω διαδικασία για να περάσουµε στο πρόγραµµα σχεδίασης τυπωµένου Layout.

28

Ελαχιστοποιούµε το παράθυρο του σχηµατικού µας και µε επιλεγµένο (να είναι µπλε) το όνοµα του αρχείου που δηµιουργήσαµε (π.χ. project.dsn), επιλέγουµε Tools – Annotate και στο παράθυρο που εµφανίζεται (χωρίς να πειράξουµε τις ρυθµίσεις) πατάµε ΟΚ. Στο µήνυµα “This will annotate and then save your design, Do you wish to continue?” πατάµε ΟΚ.

Στη συνέχεια επιλέγουµε Tools – Design Rules Check και χωρίς να πειράξουµε τις ρυθµίσεις στο παράθυρο που εµφανίζεται πατάµε ΟΚ. Έπειτα επιλέγουµε Tools – Create Netlist στο παράθυρο που εµφανίζεται επιλέγουµε την ‘καρτέλα’ µε ονοµασία Layout, σε αυτήν ‘κλικάρουµε’ την επιλογή Run ECO to Layout, και την επιλογή User properties are in inches και έπειτα ελέγχοντας το φάκελο που θα αποθηκευτεί το αρχείο (πρέπει να είναι ο φάκελος που δηµιουργήσαµε και στον οποίο εργαζόµαστε) πατάµε ΟΚ.

Η διαδικασία αυτή δηµιουργεί τα απαραίτητα αρχεία για τη µετάβασή µας στο Layout. Την λίστα κόµβων (Netlist) από το κύκλωµα µας (αρχείο µε επέκταση .MNL).

29

8. ΣΧΕ∆ΙΑΣΗ ΠΛΑΚΕΤΑΣ ΣΤΟ ORCAD LAYOUT Τώρα είµαστε σε θέση να ανοίξουµε το Layout το οποίο αναζητούµε στη θέση όπου ανοίγουµε και το Capture δηλαδή Έναρξη – Όλα τα προγράµµατα – Orcad – Layout Όπου επιλέγουµε File – New

Στη συνέχεια ανοίγει το ακόλουθο παράθυρο που µας ζητά να επιλέξουµε σε τι template θέλουµε να τοποθετήσουµε το κύκλωµά µας. Εµείς θέλουµε να εργαστούµε σε ένα κενό board οπότε θα επιλέξουµε το Default.tch το οποίο βρίσκετε στην διαδροµή : C: – Program Files – OrcadLite – Layout_Plus – Data

30

Έπειτα µας ζητείτε να φορτώσουµε την λίστα κόµβων (Netlist) που δηµιουργήσαµε από το κύκλωµα µας. Το αρχείο αυτό µε επέκταση .MNL βρίσκετε στον κατάλογο που έχουµε αποθηκεύσει το κύκλωµα µας. Η επιλογή του πραγµατοποιείται όπως στο παρακάτω παράθυρο.

Επίσης επιλέγουµε που θέλουµε να αποθηκεύσουµε το PCB που θα δηµιουργήσουµε. Επιλέγουµε το φάκελο που αποθηκεύουµε τα αρχεία του κυκλώµατός µας. (Το αρχείο αυτό που περιέχει το PCB έχει επέκταση .max)

Στη συνέχεια το πρόγραµµα θα αντιστοιχίσει αυτόµατα τα εξαρτήµατα µε τα αντίστοιχα Footprints. Στην περίπτωση που δεν θα γίνει αυτόµατα η αντιστοίχιση των Footprints θα εµφανιστεί το ακόλουθο παράθυρο όπου επιλέγουµε Link existing footprint to component. Στο συγκεκριµένο παράθυρο που βλέπουµε παρακάτω θα επιλέξουµε footprint για τον πυκνωτή C1.

31

Ανοίγει ένα νέο παράθυρο από όπου επιλέγουµε την βιβλιοθήκη ή τις βιβλιοθήκες που θέλουµε να χρησιµοποιήσουµε και επιλέγουµε το footprint του εξαρτήµατος (πχ. C ELE για τον πυκνωτή C1). Αφού το επιλέξουµε βλέπουµε αν αντιστοιχεί σε αυτό που αναζητούµε από το σχέδιο που εµφανίζεται. Επαναλαµβάνεται η ίδια διαδικασία µέχρι να συνδέσουµε όλα τα εξαρτήµατα µε τα αντίστοιχα footprints. Η γείωση δεν χρειάζεται να αντιστοιχηθεί µε κάποιο footprint αφού δεν εµφανίζεται στο PCB, παρόλα αυτά είναι απαραίτητη στο σχηµατικό µας αλλιώς θα παρουσιαστεί σφάλµα. Τελειώνοντας την παραπάνω διαδικασία ανοίγει το παρακάτω παράθυρο όπου βλέπουµε τα εξαρτήµατα, τοποθετηµένα αυτόµατα στο board που θα εργαστούµε. Οι ηλεκτρικές συνδέσεις εµφανίζονται αυτόµατα σαν ένας ιστός γραµµών (ratsnest) σύµφωνα και µε την λίστα κόµβων (Netlist) που έχει ήδη δηµιουργηθεί. Η τοποθέτηση των ηλεκτρονικών εξαρτηµάτων στην φυσική τους θέση γίνεται αυτόµατα. Αυτό που πρέπει να τονισθεί στο σηµείο αυτό είναι ότι η τελική επιλογή των θέσεων των εξαρτηµάτων επηρεάζει αποφασιστικά την ποιότητα της πλακέτας που θα κατασκευασθεί. Ο σχεδιαστής θα πρέπει να πάρει τις σωστές αποφάσεις µετακινώντας τα ηλεκτρονικά εξαρτήµατα στις τελικές τους θέσεις.

32

Απενεργοποιήστε το DRC (DRC OFF) κλικάροντας το εικονίδιο Επιλέξτε το Component Tool κλικάροντας το εικονίδιο Η επιλογή αυτή µας δίνει τη δυνατότητα να µετακινήσουµε τα εξαρτήµατα πάνω στο board ένα-ένα ή µαζικά επιλέγοντας τα. Στο συγκεκριµένο παράδειγµα δεν τοποθετούµε περίγραµµα και δεν αποσυνδέουµε τα εξαρτήµατα. Αν επιθυµούσαµε συγκεκριµένες διαστάσεις στην πλακέτα θα µπορούσαµε να δηµιουργήσουµε το περίγραµµα µέσα στο οποίο θα τοποθετούσαµε τα εξαρτήµατα επιλέγοντας Tool – Obstacle – New. Μπορούµε επίσης να αποσυνδέσουµε τα εξαρτήµατα µε επιλογή µε το ποντίκι του σχετικού εικονιδίου για την εύκολη µεταφορά τους ή να τα αφήσουµε συνδεδεµένα για να βλέπουµε ποια είναι αυτά που συνδέονται µεταξύ τους έτσι ώστε να προσπαθήσουµε να τα τοποθετήσουµε πιο κοντά. Επιλέγουµε ένα εξάρτηµα κάθε φορά (επιλογή µε το ποντίκι) και το µεταφέρουµε σε νέα τοποθεσία, ενώ επίσης µπορούµε να το περιστρέψουµε µε το πλήκτρο R. Τελικά θα προκύψει µια πλακέτα της παρακάτω µορφής

Προσοχή η παραπάνω εικόνα δεν αποτελεί την βέλτιστη ή µοναδική θέση των εξαρτηµάτων στο χώρο. Κάθε φορά όπως ήδη επισηµάνθηκε ο σχεδιαστής θα πρέπει να αποφασίσει για την βέλτιστη τοποθέτηση των εξαρτηµάτων ανάλογα µε τους περιορισµούς εξοικονόµησης χώρου ή λειτουργίας. Σηµείωση: Πατώντας το πλήκτρο Μ (µε επιλεγµένο κάποιο εξάρτηµα) το πρόγραµµα βρίσκει την συντοµότερη σύνδεση µεταξύ των εξαρτηµάτων.

33

Σε αυτό το σηµείο πρέπει να καθορίσουµε πόσα επίπεδα (layers) θα χρησιµοποιήσουµε για την πλακέτα µας. Στο συγκεκριµένο παράδειγµα θα σχεδιάσουµε πλακέτα µονής όψης οπότε επιλέγουµε : Tool – Layer – Select from Spreadsheet Στον πίνακα που ακολουθεί θέλουµε να εµφανίζεται η ένδειξη Routing ΜΟΝΟ στο Layer Type από το Layer TOP. Αλλαγή σε Unused Με διπλό κλικ στο κουτί Layer Type από το Layer BOTTOM θα εµφανιστεί το παρακάτω παράθυρο όπου θα επιλέξουµε Unused Routing και έπειτα ΟΚ. Επαναλαµβάνουµε το ίδιο και για τα Layers INNER1 και INNER2

34

Για να καθορίσουµε το πάχος των δρόµων (tracks) επιλέγουµε Options – System Settings και στο παράθυρο που εµφανίζεται επιλέγουµε Millimeters (mm) και στην συνέχεια OK. Έπειτα επιλέγουµε Tool – Net – Select from Spreadsheet, πατάµε Cancel για ονοµασία και στο παράθυρο που εµφανίζεται κάνουµε αριστερό κλικ στο κουτί που γράφει Width Min Con Max ώστε να επιλεγούν όλα τα κουτιά κάτω από αυτό και µετά δεξί κλικ και επιλογή του Properties.

Σαν αποτέλεσµα των παραπάνω ενεργειών ανοίγει το ακόλουθο παράθυρο όπου επιλέγουµε το πάχος των δρόµων, την απόσταση (spacing) µεταξύ τους κ.α. Στην περίπτωση µας έστω ότι επιθυµούµε όλοι οι δρόµοι να έχουν το ίδιο πάχος 2mm χωρίς µεταβαλλόµενο περιθώριο, οπότε θα πρέπει να δώσουµε τις παρακάτω επιλογές.

35

Στη συνέχεια για την δηµιουργία δρόµων έχουµε δύο επιλογές, να κάνουµε την σύνδεση χειροκίνητα ή να την πραγµατοποιήσει αυτόµατα το πρόγραµµα. Για να τοποθετούσαµε τους δρόµους χειροκίνητα θα επιλέγαµε το εικονίδιο

Εµείς θα προτιµήσουµε να τοποθετήσει τους δρόµους αυτόµατα το πρόγραµµα, οπότε επιλέγουµε τη διαδροµή: Auto – Autoroute – Board Έτσι το πρόγραµµα θα τοποθετήσει τους δρόµους αυτόµατα και θα προκύψει ένα σχέδιο όπως το παρακάτω.

Αν δεν µας ικανοποιεί το αποτέλεσµα ή έχει δηµιουργηθεί κάποιο βραχυκύκλωµα µπορούµε να ξαναδοκιµάσουµε µε διαφορετική θέση των εξαρτηµάτων. Επιλέγουµε: Auto – Unroute – Board (αναδιαµορφώνουµε την θέση των εξαρτηµάτων) και επαναλαµβάνουµε Auto – Autoroute – Board Μπορούµε επίσης να πραγµατοποιήσουµε κάποιες αλλαγές στους υπάρχοντες δρόµους µε την επιλογή των εικονιδίων Καταλήγοντας στην τελική τοποθέτηση των δρόµων καλό θα ήταν να εκτυπώσουµε ή να αποθηκεύσουµε (µε διαφορετικό όνοµα) αυτή τη µορφή ώστε να γνωρίζουµε τη θέση των εξαρτηµάτων στην πλακέτα.

36

Στην συνέχεια θα επιλέξουµε να εµφανίζονται µόνο οι δρόµοι και οι οπές στο σχέδιο µας. Για να το πετύχουµε αυτό επιλέγουµε το εικονίδιο Στο παράθυρο που θα ανοίξει επιλέγουµε να γίνουν αόρατα τα υπόλοιπα χρώµατα εκτός από αυτό του Default TOP.

Κάνοντας δεξί κλίκ πάνω σε κάποιο χρώµα επιλέγουµε Visible<>Invisible, αν το χρώµα αυτό ήταν ορατό θα γίνει αόρατο και το αντίστροφο. Τη διαδικασία αυτή µπορούµε να την πραγµατοποιήσουµε και µαζικά επιλέγοντας περισσότερα από ένα χρώµατα. Τελειώνοντας µε τη διαδικασία αυτή το σχέδιο µας θα έχει την παρακάτω όψη η οποία αποτελεί το τελικό PCB (µάσκα δρόµων).

Αποθηκεύστε το τελικό σας σχέδιο µε διαφορετικό όνοµα (π.χ. TelikoPCB) ώστε να γνωρίζετε πιο είναι αυτό σε περίπτωση που χρειαστεί να το αναζητήσετε. (Το αρχείο που δηµιουργείται έχει επέκταση .max)

37

Η αντίστροφη διαδικασία όπου θα επιλέγατε να εµφανίζονται όλα τα χρώµατα εκτός από αυτό του Layer Top,θα σας έδινε την παρακάτω µορφή στην οποία οι ονοµασίες και οι τιµές των εξαρτηµάτων δεν επικαλύπτονται από τους δρόµους και είναι ευανάγνωστες. Η συγκεκριµένη µορφή καλείται µάσκα εξαρτηµάτων της πλακέτας.

Για εκτύπωση επιλέξτε File – Print/Plot Τσεκάρετε τις επιλογές Keep Drill Holes Open και Force Black & White Χρήσιµες επιλογές είναι και οι : Center on Page, Mirror, Rotation

38

9. ΣΧΕ∆ΙΑΣΗ ΠΛΑΚΕΤΑΣ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ∆ΙΑΙΡΕΤΗ ΤΑΣΗΣ

Σχεδιάστε το παρακάτω κύκλωµα του διαιρέτη τάσης στο Orcad Capture.

Με δεδοµένο πως οι αντιστάσεις είναι 1ΚΩ, 1W και στα Pinpad θα τοποθετηθεί µονόκλωνο καλώδιο συνδεσµολογίας πάχους 1mm. Σχεδιάστε τα απαιτούµενα footprint (χρησιµοποιώντας τις πληροφορίες του datasheet της σελίδας 15) και στη συνέχεια σχεδιάστε την πλακέτα του κυκλώµατος στο Orcad Layout. Στα παρακάτω σχήµατα βλέπετε πιθανή µορφή της πλακέτας του κυκλώµατος για αντιστάσεις 1/4W και πάχος δρόµων 1mm. Εσείς καλείστε να την σχεδιάσετε µε τα παραπάνω δεδοµένα και επιπρόσθετα επιλέξτε απόσταση µεταξύ των δρόµων (net spacing) 1mm και πάχος δρόµων 2mm.

39

10. ΕΠΑΛΗΘΕΥΣΗ ΣΥΝ∆ΕΣΕΩΝ - ∆ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΑΡΧΕΙΩΝ GERBER Σε αυτό το σηµείο αξίζει να αναφερθούµε πως σε πραγµατικές συνθήκες ο σχεδιαστής θα πραγµατοποιούσε περισσότερα βήµατα για την κατασκευή ενός τυπωµένου κυκλώµατος. Αρχικά, πριν την χρήση των προγραµµάτων CAD και τον σχεδιασµό της πλακέτας, ενδείκνυται ο πρόχειρος σχεδιασµός του θεωρητικού κυκλώµατος σε χαρτί και η δοκιµή του κυκλώµατος σε µία δοκιµαστική πλακέτα (Breadboard). Μετά την ολοκλήρωση της πλακέτας στο Layout, απαιτείται η οπτική επαλήθευση του αποτελέσµατος για τυχόν βραχυκυκλώµατα και εάν οι συνδέσεις που πραγµατοποιήθηκαν µε δρόµους χαλκού είναι σωστές. Το τελικό PCB µπορεί να τυπωθεί χε χαρτί στις φυσικές του διαστάσεις (µέσω του Layout) για τον έλεγχο των ιχνών µε βάση τα εξαρτήµατα που έχει ο σχεδιαστής στην κατοχή του. Έπειτα από το σύνολο αυτών των ενεργειών η ύπαρξη κάποιου σφάλµατος έχει σχεδόν εξαλειφτεί. Να αναφερθεί επίσης το γεγονός πως θα µπορούσαν να γίνουν επιπλέον µετατροπές στην πλακέτα όπως τοποθέτηση περιγράµµατος (Board Outline), οπών για στήριξη της πλακέτας, κείµενο στο Layer SST ‘Silk Screen Top’ κ.α. Η παραγωγή της πρωτότυπης πλακέτας µπορεί είτε να δηµιουργηθεί από τον σχεδιαστή (χρησιµοποιώντας πλακέτα µε φωτοευαίσθητο υλικό ή σιδερότυπο), είτε να δοθεί για παραγωγή σε κάποιο µηχάνηµα παραγωγής PCB (CNC, ‘Computer Numerically Controlled’) όπως το LPKF 30 που διαθέτει η σχολή µας (www.lpkf.de). Για την παραγωγή από µηχάνηµα CNC το οποίο θα πραγµατοποιήσει την απόξεση του χαλκού, τις οπές και το κόψιµο της πλακέτας είναι απαραίτητα τα αρχεία Gerber. Τα αρχεία αυτά περιέχουν τις πληροφορίες από το Layout που είναι απαραίτητες για δηµιουργία της πλακέτας από το µηχάνηµα. Για κάθε Layer δηµιουργείται και ένα αρχείο Gerber. Για παράδειγµα σε πλακέτα µονής όψης στο Layer TOP αρκεί το αρχείο µε κατάληξη .TOP και το αρχείο µε όνοµα Thruhole.tap (τα υπόλοιπα αρχεία που θα δηµιουργηθούν µπορούν να αγνοηθούν στο συγκεκριµένο παράδειγµα). Για τη δηµιουργία των αρχείων Gerber έχοντας σχεδιάσει το τελικό PCB στο Layout επιλέγετε: Options – Post Process Settings…

Στο παράθυρο που εµφανίζεται (εάν οι προεπιλογές ικανοποιούν τις προδιαγραφές και δεν χρειάζονται αλλαγές), κάνοντας δεξί ‘κλικ’ επιλέγετε Run Batch. Τα αρχεία που προαναφέρονται (‘όνοµα αρχείου’.TOP και Thruhole.tap) αναζητήστε τα στον φάκελο όπου είναι αποθηκευµένο το αρχείο του Layout.

40

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Άσκηση 1 Σκοπός αυτής της άσκησης είναι να εργαστείτε και να εξοικειωθείτε µε το σχεδιαστικό πρόγραµµα Orcad Capture για την δηµιουργία του σχηµατικού διαγράµµατος ενός κυκλώµατος και τελικά της αντίστοιχης πλακέτας τυπωµένου κυκλώµατος (Printed Circuit Board-PCB). Το σχηµατικό διάγραµµα του κυκλώµατος που ακολουθεί θέλουµε να δηµιουργηθεί µε το συγκεκριµένο πρόγραµµα CAD (Computer Aided Design) Orcad Capture:

C7

R2R

R3R

PAD1

PINPAD

R9R

R4R

R5R

C6

C8

PAD3

PINPAD

R8R C4

C

Q1

R6R

V1

R1R

PAD2

PINPADQ2

R7R

C3C

Σχ.1 Σχηµατικό διάγραµµα κυκλώµατος ενισχυτή

Εργασία: Στο επόµενο µάθηµα καλείστε να παραδώσετε ατοµικά σε σελίδες Α4 γραµµένες σε Η/Υ την παρακάτω εργασία. Στο εξώφυλλο θα αναγράφονται: Τίτλος µαθήµατος, αριθµός άσκησης, ηµεροµηνία παράδοσης, ονοµατεπώνυµο, ηµέρα και ώρα παρακολούθησης. Έπειτα σχεδιάστε το θεωρητικό κύκλωµα Σχ.1 στο πρόγραµµα Orcad Capture έχοντας αλλάξει τις θέσεις κάποιων ή όλων των εξαρτηµάτων σύµφωνα µε την προσωπική σας κρίση, διατηρώντας τη συνδεσµολογία του κυκλώµατος σωστή. Να µην παρατηρηθούν πανοµοιότυπα κυκλώµατα η εργασία είναι ατοµική. ∆ίνονται οι ονοµασίες των παρακάτω στοιχείων-εξαρτηµάτων VAC/SOURCE , C/ANALOG , GND SIGNAL/DISCRETE Χωρίστε το θεωρητικό κύκλωµα Σχ.1 σε 2 τµήµατα, ώστε το κάθε ένα να περιλαµβάνει λιγότερα από 15 εξαρτήµατα, µε σκοπό να πραγµατοποιηθεί σε 2 πλακέτες που θα συνδέονται µεταξύ τους. Τέλος προτείνετε τρόπο σύνδεσης µεταξύ τους και σχεδιάστε τα 2 µέρη ξεχωριστά, τα οποία και θα παραδώσετε.

V11Vac

C1

1n

41

Στο παρακάτω σχήµα (Σχ.2) υπάρχει ένα παράδειγµα όπου ορισµένα εξαρτήµατα έχουν µετακινηθεί χωρίς να έχει αλλάξει η συνδεσµολογία-λειτουργία του κυκλώµατος. Προσοχή: Το κύκλωµα που θα παραδώσετε να µην είναι πανοµοιότυπο µε κανένα από τα σχήµατα της άσκησης (Σχ.1, Σχ.2)

Σχ.2 Παράδειγµα µετακίνησης εξαρτηµάτων στο σχηµατικό διάγραµµα του κυκλώµατος Σηµείωση 1: Tα ονόµατα των αρχείων όσο και ο φάκελος και οι υποφάκελοι αποθήκευσής τους να είναι γραµµένα µε αγγλικούς χαρακτήρες ακολουθώντας τις συνήθεις συµβάσεις του λειτουργικού συστήµατος MS-Windows. Συµβουλεύουµε ο φάκελος να δηµιουργηθεί απευθείας στον σκληρό δίσκο C:\project. Για παράδειγµα να µην χρησιµοποιηθούν οι υποφάκελοι: C:\Documents and Settings\geo\Επιφάνεια εργασίας\project ή C:\Documents and Settings\geo\Τα έγγραφά µου\project ∆ιότι σε αυτές τις διευθύνσεις υπάρχουν και ελληνικοί χαρακτήρες. Σηµείωση 2: Προσθέστε και τις βιβλιοθήκες του φακέλου PSpice που βρίσκεται στον φάκελο Library. Σηµείωση 3: Για τη µεταφορά του κυκλώµατος σε έγγραφο του Word, επιλέγετε ολόκληρο το κύκλωµα τοποθετώντας το σε ένα πλαίσιο (τα εξαρτήµατα θα έχουν γίνει όλα ροζ) και µε δεξί κλίκ πάνω στο κύκλωµα επιλέγετε Copy και έπειτα κάνετε Επικόλληση (Paste) στη σελίδα του εγγράφου σας.

42

Άσκηση 2 Στα εξαρτήµατα µε πολικότητα (στην συγκεκριµένη περίπτωση LED) είναι απαραίτητο να γνωρίζουµε τον αριθµό του κάθε ακροδέκτη, ώστε να µπορέσουµε να κάνουµε σωστή αντιστοίχηση στο ίχνος του. Στο Orcad Capture βλέπουµε τα Properties του κάθε ακροδέκτη.

Από τα παραπάνω συµπεραίνουµε πως το ίχνος του, θα πρέπει να έχει δύο ακροδέκτες (pins) µε ονόµατα (Pad names) 1 και 2. Στον ακροδέκτη µε Pad name = 1 θα αντιστοιχηθεί η άνοδος και στο δεύτερο µε Pad name = 2 η κάθοδος. Γνωρίζοντας τις διαστάσεις του εξαρτήµατος (Round LED 8mm):

Σχεδιάστε το footprint του εξαρτήµατος και παραδώστε το τυπωµένο µε τις διαστάσεις σηµειωµένες πάνω σε αυτό (dimension tool).

43

R4R

R2R

PAD2

PINPAD

C2

1n

R1R

PAD1

PINPAD

PAD3

PINPAD

C1

1n

R3R

V11Vac

Q12N2219A

C4C

R8R

Q22N2219A

PAD4

PINPADR5R

PAD6

PINPAD

R7R

C3

PAD7

PINPAD

PAD8

PINPAD

PAD9

PINPAD

PAD5

PINPAD

R6R C5

C

R9R

Άσκηση 3 Σκοπός αυτής της άσκησης είναι η εξαγωγή της πλακέτας τυπωµένου κυκλώµατος PCB από το σχηµατικό του διάγραµµα µε την µετάβαση από το Orcad Capture στο Orcad Layout και την εξοικείωσή σας µε το τελευταίο. Για να µπορέσετε να περάσετε στη χρήση του Layout, πρέπει να έχετε κάνει την αντιστοίχιση των εξαρτηµάτων στα επιθυµητά Footprints όπως σας υποδεικνύει το φυλλάδιο. Στην άσκηση 1 είχε ζητηθεί να χωρίσετε σε 2 τµήµατα το σχηµατικό διάγραµµα κυκλώµατος ενισχυτή, ώστε το κάθε ένα να περιλαµβάνει λιγότερα από 15 εξαρτήµατα. Για την αποφυγή λαθών που οφείλονται στα σχηµατικά διαγράµµατα σχεδιάστε τα δύο τµήµατα σε ξεχωριστά αρχεία όπως φαίνονται παρακάτω:

Κύκλωµα 1 Κύκλωµα 2 Στο συγκεκριµένο κύκλωµα, για δική σας διευκόλυνση θεωρήστε ως προς τις διαστάσεις:

Τις αντιστάσεις ίδιες, 1/2W (datasheet σελ.15) Τους πυκνωτές ίδιους, 8,2Χ11 (datasheet σελ.21-22) Τα τρανζίστορ ίδια, 2N2219A (datasheet σελ.23) Ενώ στα Pinpad και την πηγή εναλλασσόµενης τάσης θα τοποθετηθεί µονόκλωνο καλώδιο συνδεσµολογίας πάχους 0,8mm..

Προσοχή: Για την πηγή µόνο, στο πλαίσιο µε ονοµασία PSpiceOnly πρέπει να γράψετε FALSE αλλιώς δεν θα εµφανιστεί στο Layout.

44

Ακολουθώντας τη διαδικασία του φυλλαδίου καταλήγετε σε παρόµοιο αποτέλεσµα στο πρόγραµµα Layout (έχοντας χρησιµοποιήσει τα δικά σας footprint):

Για το Κύκλωµα 1 Για το Κύκλωµα 2

Και έπειτα το τελικό Εργασία: Στο επόµενο µάθηµα καλείστε να παραδώσετε ατοµικά την παρακάτω εργασία µε τη δοµή της προηγούµενης άσκησης. Θα παραδώσετε δύο µορφές για την κάθε πλακέτα, µε τα εξαρτήµατα και χωρίς αυτά, όπως φαίνεται παραπάνω (συνολικά 4) και τα 2 σχηµατικά διαγράµµατα της προηγούµενης σελίδας. Να µην παρατηρηθούν πανοµοιότυπα κυκλώµατα, η εργασία είναι ατοµική. ΠΡΟΣΟΧΗ: Για να είναι δυνατή η διόρθωση και η αξιολόγηση των πλακετών θα πρέπει η εκτύπωση τους να έχει γίνει µέσω του προγράµµατος Layout σε πραγµατικές διαστάσεις.

45

ΤΕΛΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Σκοπός της τελικής εργασίας είναι η εξοικείωση µε την αναζήτηση ηλεκτρονικών κυκλωµάτων και έγγραφων datasheet από διάφορες πηγές και τέλος ο σχεδιασµός PCB ενός κυκλώµατος στο Orcad Layout. Καλείστε να αναζητήσετε και να επιλέξετε ένα ηλεκτρονικό κύκλωµα που θα περιλαµβάνει από τέσσερα έως δέκα εξαρτήµατα. Τουλάχιστον τρία από τα εξαρτήµατα να είναι διαφορετικά µεταξύ τους (να έχουν διαφορετικό footprint). Τα εξαρτήµατα θα πρέπει να καθορίζονται από το σχεδιαστή του κυκλώµατος (π.χ. R= 1ΚΩ, 0.25W, ακριβείας ή C= 10mF, 16V, ηλεκτρολυτικός κ.τ.λ.). Εναλλακτικά µπορείτε να µελετήσετε και να σχεδιάσετε κάποιο δικό σας κύκλωµα. Εργασία: 1) Σχεδιάστε το θεωρητικό κύκλωµα στο Orcad Capture. 2) Περιγράψτε τη λειτουργία του κυκλώµατος, γιατί το επιλέξατε και δώστε µια πιθανή εφαρµογή του. 3) Σχεδιάστε και συµπληρώστε ένα πίνακα µε τα εξαρτήµατα που περιλαµβάνει το κύκλωµα. (Αναφέρατε όλα τα απαραίτητα χαρακτηριστικά τους) 4) Αναζητήστε τις διαστάσεις και τα χαρακτηριστικά των εξαρτηµάτων από τα datasheet τους. (Σε περίπτωση που δεν µπορείτε να βρείτε κάποιο datasheet µπορείτε να προµηθευτείτε το εξάρτηµα και να µετρήσετε τις διαστάσεις του) 5) Σχεδιάστε το footprint του κάθε εξαρτήµατος. Κάθε footprint θα περιλαµβάνεται στην εργασία µια φορά σε µεγέθυνση µε τις διαστάσεις του σηµειωµένες και µια φορά στις φυσικές του διαστάσεις. 6) Σχεδιάστε το PCB του κυκλώµατος (χρησιµοποιώντας τα footprint που σχεδιάσατε). Το PCB θα περιλαµβάνεται στην εργασία στις φυσικές του διαστάσεις σε δύο µορφές. Η µια µορφή θα περιλαµβάνει τα footprint τους δρόµους και τα pin και η άλλη θα απεικονίζει µόνο τους δρόµους και τα pin.