کتاب آموزش منحصر به فرد طراحی مدارات چاپی با Protel DXP

این کتاب برای چه کسانی است؟

نویسنده در این کتاب سعی داشته است تا برای کاربر تازه کار که برای اولین بار با این نرم افزار آشنا شده مطالبی را آموزش دهد. که بتواند در نهایت برای طراحی مدارها و پروژه های علمی و عملی در زمینه الکترونیک شروع خوبی را داشته باشد. همچنین برای تسلط بیشتر و در صورت رقبت برای دانستن اطلاعات کامل تر بتواند از منابعی غیر از کتاب به آموخته های خویش بیافزاید. البته باید به این نکته اشاره کرد که پیش نیاز یادگیری این نرم افزار برای کسانی که علاقمند به طراحی مدارهای چاپی هستند، دانستن اطلاعات درباره مدارها و قطعات الکترونیکی آن است.

در این کتاب چه می آموزیم؟

به طور خلاصه در کتاب طراحی مدارات چاپی با پروتل می آموزید که چگونه در محیط DXP یک شماتیک بسازید، آن را به PCB تبدیل کنید و مدار را در حالت سه بعدی نگاه کنید و در نهایت در صورت لزوم مدار را تحلیل و شبیه سازی کنیم.

مقدمه:

امروزه کار با رایانه جزء لاینفک زندگی انسان امروزی است و بشر به سرعت، دقت و قدرت آن پی برده و اطمینان کرده است. بدون شک این وسیله کوچک توانسته جای خود را در زندگی روزمره و حتی نقش خود را در تولید و صنعت در کنار انسان به خوبی ایفا کند. تصور کنید که اگر قرار بود با دست و بدون دخالت هیچ ماشینی برای تولید یک قطعه یا دستگاه الکترونیکی شروع به کار کنیم، چقدر زمان نیاز بود تا محصول ما به دست مصرف کننده برسد! تازه با این دید که اگر کار ما بدن نقص و با دقت انجام شود!

در این میان تولید نرم افزارهایی که بر سرعت و دقت تولید محصولی خاص در کارگاه ها و کارخانجات می افزاید، روز به روز در حال گسترش است. یکی از این نرم افزارها، نرم افزار Design Explorer محصول شرکت Protel است که در صنعت بیشتر با نام Protel شناخته شده است. این نرم افزار ابزاری حرفه ای برای طراحی فیبر مدار چاپی می باشد.

صنعت طراحی PCB مخفف شده عبارت Printed Circuit Board است و به نقشه پیاده شده مدار برای طراحی نهایی گفته می شود.

طراحی برد مدار چاپی در ایران بر پایه این نرم افزار استوار است و بیش از 90 درصد شرکت ها و کارخانجات و کارگاه ها از این نرم افزار استفاده می کنند. پس می توان به صراحت گفت، یادگیری این نرم افزار و طراحی به کمک آن برای کسانی که در زمینه الکترونیک فعالیت می کنند، لازم و ضروری است. البته دیگر فرمت ها مربوط به دیگر نرم افزارها هم قابلیت تبدیل شدن را دارند.

مراحل طراحی یک مدار چاپی به کمک نرم افزار پروتل به شرح زیر می باشند:

1- ایجاد فضای کار و فایل های مورد نظر در پروتل

2- جستجو و انتخاب قطعات مدار مورد نظر از کتابخانه نرم افزار

3- چیدن قطعات مدار در داخل فضای طراحی

4- وصل کردن قطعات به یکدیگر با توجه به نقشه

5- ایجاد نت لیست از مدار مورد نظر منظور اتصالات اولیه و موقت بین قطعات می باشد.

6- انتخاب و تعیین تعداد لایه های مورد نیاز در مدار

7- مشخص نمودن محدوده و اندازه و چیدن Footprint قطعات در جاهای مناسب Board

8- وصل کردن قطعات به یکدیگر با استفاده از Track که به دو صورت دستی و اتوماتیک قابل اجرا است.

9- بازرسی نهایی مدار به منظور جلوگیری از بروز خطا و اشتباه

همانطور که در بالا اشاره شد، برای طراحی فیبرهای مدار چاپی یا PCB نرم افزارهای زیادی ارائه شده است که یکی از بهترین و در عین حال قوی ترین آن ها نرم افزار Altium Designer یا Protel DXP می باشد. آلتیوم دیزاینر که بیش از 40 سال (از سال 1968 میلادی) در زمینه تولید نرم افزارهای طراحی PCB و برنامه نویسی مدارات مجتمع فعالیت دارد، توانسته است به موفقیت چشم گیری در میان سایر نرم افزارهای طراحی PCB دست یابد.

در صورتی که از کاربران Altium باشید، حتما می دانید که این نرم افزار در اکثر مراکز تولید و ساخت مدار چاپی استفاده می شود و تقریبا 90 درصد از فعالان الکترونیک با آن آشنایی دارند.

ویژگی های ALTIUM:

* طراحی انواع مدارات چاپی به صورت 100 درصد حرفه ای

* قابلیت شبیه سازی مدارات الکترونیک آنالوگ و انجام تحلیل ها Spice برای آن ها

* قابلیت گرفتن خروجی سه بعدی Pdf, Cad, Pcb و ... از مدارات

* پشتیبانی تمامی کمپانی های سازنده فیبر مدار چاپی از خروجی نرم افزار

* قابلیت برنامه نویسی به زبان های C, Vhdl, تراشه های fpga و ...

* ایجاد شماتیک های چند صفحه ای، طراحی PCB با شکل و اندازه های مختلف

* کتابخانه های قدرتمند و کامل، قابلیت ساختن قطعه ی جدید در سه مرحله

فهرست مطالب کتاب :

فصل اول: در این فصل که دارای 8 درس درباره کار با نرم افزار آلتیوم دیزاینر DXP می باشد. بلافاصله از ابتدای کتاب وارد محیط نرم افزار شده و مراحل کار را به صورت تصویری نمایش می دهد.

• درس اول: آشنایی با محیط نرم افزار و ایجاد پروژه   -----------------------  10
  

ابتدا برنامه ی Protel DXP را باز کنید. ابتدا یک پروژه PCB خالی ایجاد می کنیم.

برای این منظور باید بر روی Creat a new Board Level Design Project کلیک کنید. در قسمت Project پروژه ی جدیدی که قرار است با آن کار خود را آغاز کنیم آماده است.

حال برای ایجاد صفحه شماتیک از مسیر FileNewSchematic اقدام می کنیم. یک صفحه شماتیک جدید با نام Sheet 1.SchDoc در پنجره ی طراحی نمایش می یابد و سند شماتیک به طور خودکار به پروژه اضافه می شود.

• درس دوم: Schematic، ترسیم شماتیک     -----------------------  13
  

نویسنده در این کتاب بر آن شده است تا مداری که برای طراحی آموزش می دهد یک مولتی ویبراتور ساده باشد. در ابتدا کاری که باید انجام دهیم، جایگذاری عناصر و باز کردن کتابخانه ها است.

پس از باز شدن پنجره کتابخانه، برای جستجوی قطعه مورد نظر روی Search کلیک می کنیم و یا می توانیم از مسیر ToolsFind Component قطعه مورد نظر را پیدا کنیم.

نکته: نماد ستاره، کاراکتری است عمومی، که با استفاده از آن پیشوندها یا پسوندهای متفاوت مورد استفاده توسط تولید کنندگان مختلف به حساب آورده می شود.

پس از وارد کردن نام قطعه مورد نظر در پنجره جستجو و یافتن آن قطعه، بر روی دکمه Select کلیک می کنیم. با این کار قطعه مورد نظر در قسمت Libraries اضافه می شود.

برای سیم کشی مدار می توان از سه روش استفاده کرد.

1- مسیر PlaceWire از طریق منوهای بالا

2- از روی نوار ابزار گزینه Wire را انتخاب نمایید.

3- با ماوس کلیک راست کرده و گزینه Wire را انتخاب می کنیم تا وارد وضعیت سیم کشی بشویم.

نکته: در صورتی که کار شما با ابزار سیم کشی به اتمام رسیده است، یا به هر دلیل به این ابزار احتیاج ندارید، دکمه ی راست ماوس را کلیک کنید با با استفاده از کلید Esc روی کیبورد از حالت سیم کشی خارج شوید. برای حذف آخرین نقطه ی تثبیت، می توانید از کلید Back Space روی کیبورد استفاده کنید.

• درس سوم: PCB، طراحی    -----------------------  25
  

در این کتاب برای ساده شدن آموزش و رساندن مطلب در طراحی از برچسب های شبکه استفاده می شود. این بدین معنی است که بجای منبع تغدیه و یا زمین از برچسب های شبکه اتصال بهره می گیریم.

برای قرار دادن برچسب شبکه اتصال بر روی شبکه های تغذیه مراحل زیر را انجام می دهیم.

ابتدا از مسیر PlaceNet Label یک کادر نقطه چین به صورت چسبیده به مکان نما ظاهر خواهد شد.

برای ویرایش یک برچسب شبکه اتصال یا Net Label بایستی پیش از جایگذاری با استفاده از کلید Tab وارد پنجره ی تنظیمات شوید.

پس از طراحی نقشه شماتیک باید صفحه PCB را ایجاد کنیم. در واقع باید نقشه شماتیک ایجاد شده را به صفحه PCB انتقال دهیم و در نهایت تنظیمات برد را بر اساس خواسته خودمان تغییر دهیم. البته باید دقت داشته باشیم که برد نهایی بر اساس نیازهای هر طرح متفاوت خواهد بود که تغییرات مربوطه باید توسط طراح اعمال شود.

• درس چهارم: کامپایل کردن   -----------------------  36
  

منظور از کامپایل کردن یک پروژه چیست؟

کامپایل در واقع ترجمه کردن صفحه شماتیک طراحی شده به صفحه PCB می باشد. یعنی باید به سیستم و نرم افزار بفهمانیم که دقیقا همان عنصر و المان هایی که در صفحه شماتیک ایجاد کردیم را با همان سیم بندی و بدون هیچ کم و کاستی به صفحه PCB منتقل کند.

برای کامپایل کردن پروژه از مسیر ProjectCompile PCB Project استفاده می کنیم.

وقتی این پروژه کامپایل شد، تمام خطا های تولید شده در پانل Message نمایش داده خواهد شد. برای بررسی خطاها روی این پانل کلیک کنید. اگر مدار را درست رسم کرده باشید، باید پانل Message خالی باشد. در صورتی که خطایی گزارش شده است، مدارتان را بررسی نمایید.

• درس پنجم: PCB، تنظیم محیط     -----------------------  41
  

پیش از قرار دادن برد طراحی شده لازم است فضای کاری PCB نظیر شبکه های راهنما، لایه ها و قواعد طراحی را تنظیم نمایید.

برای این منظور از مسیر DesignBoard option اقدام کنید. تا پنجره Board option باز شود. در پنجره باز شده کلیه تنظیمات مربوط به ابعاد و موقعیت برد در فایل کاری را می توانید انجام دهید.

برای حذف لایه های اضافی مراحل زیر را دنبال کنید:

ابتدا کلید میانبر L را فشار دهید، سپس کادر مکالمه ی Board Layer And Colors به نمایش در می آید. بر روی Used On کلیک می کنید تا تمام لایه ها به جز آن هایی که عنصری در داخل آن ها وجود دارد، غیرفعال شود.

مطمئن شوید که لایه های Mask و لایه های Drill Drawing نمایش نمی یابند. بدین منظور لازم است دکمه ی Show کنار این لایه ها تیک نخورده باشد. سپس Ok را کلیک کنید.

در ادامه، مباحثی از جمله تنظیم کردن قواعد طراحی یا Design Rules ، مسیریابی خودکار برد یا Route و همچنین سه بعدی یا Board In 3D آموزش داده می شوند.

• درس ششم: Schematic و PCB، ساخت کتابخانه های   -----------------------  52
  

ممکن است شما در برخی از موارد با توجه به نوع طراحی، به قطعه ای نیاز پیدا کنید که آن را در کتابخانه نرم افزار پروتل نیابید. در این صورت برای ساختن قطعه ای جدید و افزودن آن به کتابخانه نرم افزار به صورت زیر عمل کنید.

از مسیر FileNewSchematic Library یک کتابخانه شماتیک ایجاد کنید.

سپس  از مسیر FileSave As نام کتابخانه مورد نظر را وارد کنید. مثلا اگر قطعه شما ترانزیستور است، نام Transistor را وارد کرده و مسیر ذخیره شدن آن را تعیین کنید.

در ادامه مباحثی از جمله طراحی کتابخانه PCB، شیوه تغییر نام قطعه ی ایجاد شده، ساخت کتابخانه مجتمع و در نهایت شیوه ی استفاده از قطعات تولید شده در کتابخانه را می آموزید.

• درس هفتم: Schematic، نکاتی در طراحی شماتیک    -----------------------  68
  

یکی از روش های موثر برای کاهش ترافیک سیم ها در یک سند شماتیک استفاده از Net Label می باشد. می توانید آن را از منوی Place انتخاب کرده و نصب کنید. البته باید توجه داشت که به جز حالتی خاص، Net Label نمی تواند اتصال خارج از صفحه ایجاد کند.

یکی از روش هایی که باعث انسجام طرح شماتیک در پروژه های بزرگ می شود، استفاده از طراحی چند صفحه ای می باشد. در این روش تعدادی سند شماتیک هم سطح وجود داشته و در راس آن ها یک سند شماتیک Master یا Top وجود دارد.

ساختار و روابط برگه های شماتیک به وسیله ی عنصری به نام Sheet Symbol تنظیم می شود. تمام سندهای شماتیک که یک طرح را تشکیل می دهند در سند Top به وسیله ی عنصر Sheet Symbol نمایش داده می شوند. ویژگی File Name از این عنصر، زیر صفحه ای را مشخص می کند.

در ادامه مراحل ایجاد یک پروژه چند صفحه ای، Power Connector، BUS، Graphical Bus و همچنین Logical Bus به همراه تصویر های نرم افزاری آموزش داده می شوند.

• درس هشتم: Simulation، شبیه سازی    -----------------------  78
  

در این فصل مداراتی که قابل شبیه سازی اند بررسی می شوند. در ابتدا مانند مراحل قبل یک صفحه شماتیک آماده کرده و تنظیمات مربوط به آن را انجام می دهیم تا صفحه را برای شبیه سازی آماده کنیم.

تمامی مراحل و امکانات برای قرار دادن قطعات و طریقه وصل کردن و ... مانند مرحله شماتیک است، به جز اینکه قطعات می بایستی از کتابخانه هایی انتخاب شوند که قابل شبیه سازی یا Simulation باشند. ضمنا نقاطی که ولتاژ یا جریان و ... را می خواهیم اندازه بگیریم، بایستی با حروف، عبارت و یا عبارات خاص مشخص شوند (به یک نقطه دو اسم مجزا نمی توان اختصاص داد).

Operating Point Analysis، اگر این گزینه فعال باشد، نقاطی که در مدار برای شبیه سازی مشخص شده اند مقدار عددی آن ها نشان داده می شود. البته برای بایاس DC از این گزینه استفاده می شود که به صورت خودکار عمل می کند.

نکته: هرگاه به مقادیر خود اطمینان ندارید با کلیک کردن بر روی کلید Set Defaults در پایین صفحه، این مقادیر با توجه به مشخصات مدار به صورت پیش فرض تعیین می شوند.

Noise Analysis به کمک این گزینه آنالیز می توان نویز ناشی از قطعات مدار را محاسبه کنید.

Temperature Sweep در این  آنالیز مدار به  ازای هر یک از درجه حرارت های محدوده تعیین شده آنالیز می شود. اگر هنگام ایجاد فهرست شبکه اتصال برای شبیه سازی وجود خطا تشخیص داده شود روند شبیه سازی متوقف می شود که با ارسال پیام علت بروز خطا مشخص شده و با رفع آن آنالیز به پایان می رسد.

Monte Carlo Analysis هرگاه می خواهید به تعداد دفعات خاص و با تلورانس های متفاوت مدار را بررسی کنید این گزینه را فعال کنید. البته این  گزینه دارای مقادیر زیر منویی هم می باشد که هر کدام دارای تنظیمات متفاومت می باشد.

در ادامه به بررسی یک نمونه برای شبیه سازی مدار پرداخته می شود. سپس نمودار های نوسان سازی شده بررسی می شوند و همچنین شیوه تغییر اندازه مقیاس در شکل موج ها به طور کامل بررسی می شوند.

چند نکته که به هنگام شبیه سازی در نرم افزار پروتل حائز اهمیت است:

در روند شبیه سازی امکان بروز خطاهای متفاوتی وجود دارد، از جمله اینکه ممکن است قطعه انتخاب شده از کتابخانه شماتیک نباشد.

منابع به درستی برای مدار تعریف نشده باشد.

قطعات هم نام در مدار وجود داشته باشد.

به یک نقطه دو اسم تعلق گرفته باشد.

خطوط به درستی به قطعات مرتبط نشده باشند.

فاصله چیدن قطعات رعایت نشده باشد.

از گیت های آی سی ها به درستی استفاده نشده باشد.

مقادیر و نام های انتخاب شده برای قطعات به درستی تعریف نشده باشد.

در تعیین شبیه سازی اندازه ها درست تعیین نشده باشد.

فصل دوم: ضمیمه اول، نحوه ساخت فیبر مدار چاپی   -----------------------  101

در گذشته برای ساختن یک مدار الکترونیکی ابتدا نقشه مدار را روی فیبر مخصوص قرار می دادند، سپس جای پایه های المان های الکترونیکی را روی فیبر سوراخ می کردند و پایه ها را طبق نقشه از زیر با سیم به هم اتصال می دادند. این عمل به علت اشغال جای زیاد، وجود سیم های متعدد و عبور سیم ها از روی یکدیگر، پارازیت زیادی را در مدار به وجود می آورد. امروزه به علت پیشرفت علم الکترونیک و پیچیده تر شدن مدارات الکترونیکی این طریقه سیم کشی دیگر استفاده ای ندارد و از مدار چاپی استفاده می شود. در یک مدار چاپی عناصر روی یک طرف فیبر قرار می گیرند و خطوط ارتباطی به وسیله لایه نازک مسی که در طرف دیگر فیبر وجود دارد برقرار می شود، استفاده از مدار چاپی حجم مدار را کوچک می کند، علاوه بر این که در این روش می توان ذخامت و فواصل خطوط عبور جریان را به طور دقیق ترسیم کرد و مانع ایجاد ظرفیت خازنی پراکنده شد.

در ادامه به بررسی انواع ضخامت های لایه های مس روی فیبر

محاسبه ی ماکزیمم جریان عبوری از لایه مس

محاسبه مقاومت خطوط ارتباطی

فاصله ی خطوط ارتباطی

استاندارد طراحی مدار چاپی

طرز تهیه ی طرح مدار چاپی

نکته ی مهم در طراحی مدار چاپی

و در انتها 7 مثال از شماتیک و طرح PCB فیبر آموزش داده شده اند.

فصل سوم: ضمیمه دوم، نقشه های مدارهای الکترونیکی   -----------------------  119

امروزه در دنیا وقتی کالایی یا خدماتی عرضه می شود، مردم به غیر از آرم تبلیغاتی یا برند آن به تاریخ تولید، انقضاء، خدمات پس از فروش، نشان یا نشان های استاندارد آن توجه می کنند. علامت استاندارد نشانه مرغوبیت کالاست و اجناس و خدماتی که هیچ نشان استانداردی برخود ندارند، برای استفاده و خرید به هیچ عنوان مناسب نیستند. استاندارد Standard در لغت به معنی نظم، قاعده و قانون است. به عبارت دیگر تعیین و تدوین ویژگی های لازم در تولید یک فرآورده یا محصول یا انجام یک خدمت را استاندارد گویند. باید به این نکته توجه داشت که در طول تاریخ با پیشرفت روز افزون جوامع، معیارهای استاندارد تغییر می کند و هیچ گاه ثابت و یکسان نیست و تغییرات آن وابسته به مسائل اقتصادی، صنعتی، شرایط اقلیمی و فرهنگ و رسوم ملت ها در دنیا می باشد. به همین منظور استانداردها به انواع زیر دسته بندی می شوند.

- بین المللی یا International

- ملی یا National

- منطقه ای یا Regional

- محلی یا Local

به عنوان مثال استاندارد TUV یکی از معتبرترین استانداردهای دنیا متعلق به سازمانی در آلمان است که روی سلامتی کالاهای صنعتی ارائه شده از جانب شرکت های مختلف، نظارت دارد. استاندارد ارائه شده برای سلامت کارکرد کالاها یا محصولات کشاورزی، دودزایی وسایل نقلیه، استاندارد ساخت موتورهای سنگین و سبک و تاسیسات انرژی است تا سلامت انسان و محیط زیست را تضمین کند.

در صنعت برق و الکترونیک برای نظارت و کنترل کیفی محصولات و خدمات مهندسی، استانداردهایی بر حسب نوع فرآورده تعریف شده است.

به عنوان مثال استاندارد CECC که استاندارد کمیته قطعات الکترونیک است و یا IEC که استاندارد بین المللی برق و الکترونیک است. در کتاب کلیه این استاندارد ها به صورت لیست آورده شده اند.