Projektowania Układów Elektronicznych CAD Laboratorium ĆWICZENIE NR 5 Temat: Wprowadzenie do edycji PCB część II. Ćwiczenie prezentuje wybrane elementy projektowania płyty PCB w programie OrCAD PCB Designer i w tym względzie stanowi rozszerzenie ćw. z instrukcji nr 4. 1. Przerzutnik Schmitta projekt PCB, część II Otworzyć wstępny projekt płyty dla układu przerzutnika Schmitta zrealizowany w ramach ćw. nr 4. Wstępny projekt płyty dla układu przerzutnika Schmitta, przeprowadzony wg instrukcji do ćw. nr 4, zawiera kilka niedociągnięć. Po pierwsze rozmiar projektowanej płyty dla ww. układu ograniczony jej obrzeżem, wyznaczonym poprzez opcję Board Outline, wydaje się zbyt duży. Przeprowadzenie korekty rozmiaru płyty wymaga jednak usunięcia wszystkich, naniesionych wcześniej elementów. Usunięcie elementu następuje poprzez: wskazanie elementu (ustawienie kursora na obrysie elementu tj. na tym składniku jego graficznej reprezentacji, którego nazwa, wyświetlana po wskazaniu kursorem, to: Rectangle Package Geometry/Silkscreen_Top ), kliknięcie prawym przyciskiem myszy, wybranie menu Symbol i następnie Unplace komponent. Usunąć z projektu wszystkie naniesione wcześniej elementy. Korektę rozmiaru płyty można przeprowadzić używając tej samej opcji Board Outline (Setup -> Outlines -> Board Outline ), za pomocą której była ona tworzona w ćw. 4. Wcześniej jednak warto dokonać kilku generalnych ustawień odnośnie projektu. Do konfiguracji generalnych cech projektu służy okno dialogowe Design Parameter Editor (zilustrowane na rys. 5.1) otwierane poprzez opcję Design Parameters w menu Setup (Setup -> Design Parameters ). W zakładce Design ww. okna można np. dokonać wyboru jednostek, w których podawane będą (wyświetlane) wszystkie wielkości metryczne związane z projektem lista User Units. Z kolei, za pomocą listy Size, można dokonać wstępnego wyboru rozmiaru przestrzeni projektowej (pola projektowego) dla projektowanej płyty. W zależności od wybranego rodzaju jednostek dla wielkości metrycznych, dostępne typy rozmiarów przestrzeni to A, B, C i D (dla jednostek typu cal, w tym mils) lub A1, A2, A3 i A4 (dla jednostek typu mm i cm. Dodatkowym typem rozmiaru, dostępnym dla każdego typu wybranej jednostki, jest typ Other (typ użytkownika). Dokładne wymiary, tj. szerokość (ang. width) oraz wysokość (ang. height) wybranego w tej liście typu rozmiaru przestrzeni projektowej wyświetlane są, lub mogą być określane dla typu Other (w jednostkach zgodnych z wyborem dokonanym na liście User Units), w polach należących do bloku Extents. Pole Accuracy pozwala natomiast na określenie dokładności (ilości miejsc po przecinku) z jaką precyzowane są poszczególne dane metryczne. 1
Rys. 5.1. Proponowane ustawienia opcji Design w oknie Design Parameter Editor. Ustawić typ jednostek oraz rozmiar pola projektowego zgodnie z wartościami przedstawionymi na rys. 5.1. W zakładce Display okna Design Parameter Editor można natomiast, poprzez zaznaczenie pola wyboru Grids on, dołączyć np. wyświetlanie siatki. Dokładność jej wyświetlania (gęstość siatki) można natomiast edytować za pomocą okna dialogowego Define Grid, pokazanego na rys. 5.2. Okno Define Grid dostępne jest np. poprzez przycisk Setup Grids, umieszczony bezpośrednio z prawej strony pola Grids on. Istnieją dwie klasy siatek: a) Non-Etch dla niewytrawianych (ang. non-etching) elementów projektu np. elementów mechanicznych, b) Etch dla wszystkich, tworzonych poprzez wytrawianie (ang. etching) elementów projektu np. ścieżek, padów, itp. Dokładność wyświetlania siatki dla elementów wytrawianych (Etch) może być określana osobno dla górnej i dolnej strony płyty (poprzez pola należące odpowiednio do grup TOP i BOTTOP), albo też jednocześnie dla obu stron, poprzez pola grupy All Etch. 2
Rys. 5.2. Proponowane ustawienia gęstości siatki w oknie Define Grid. Włączyć siatkę oraz ustawić jej dokładność zgodnie z wartościami przedstawionymi na rys. 5.2. Dodatkowym elementem, pomocnym na wczesnym etapie tworzenia płyty, są oznaczenia wymiarów wprowadzane na osobnej warstwie projektu. Oznaczenia wymiarów dostępne są np. za pomocą opcji Manufacture -> Dimension/Draft -> Linear Dim. Wartości poszczególnych wymiarów oznaczanych za pomocą ww. opcji są wyświetlane w mm lub w calach zgodnie z ustawieniem przyjętym w polu Units w oknie dialogowym Drafting Parameters, otwieranym za pomocą opcji Manufacture -> Dimension/Draft -> Parameters. Wspomagając się oznaczeniami wymiarów oraz korzystając z okna dialogowego Board Outline (Setup -> Outlines -> Board Outline ) przy zaznaczonym polu Edit oraz ustawionej wartości 5 mm w polu Board Edge Clearance, narysować obrys płyty (Board/Geometry Outline) o wymiarach (+/-) 3,3 x 3,3 cm (jak na rys. 5.3). Wybór pola Edit pozwala na ręczną modyfikację wcześniej przyjętego kształtu płyty. Gdyby zaistniała potrzeba całkowitej zmiany tego kształtu (np. potrzeba zastąpienia kształtu typu prostokąt (ang. rectangle) kształtem dowolnego wielokąta (ang. polygon) to należy najpierw usunąć aktualny rysunek (opcja Delete), a następnie wybrać dowolną opcję pola Create. Pole Board Edge Clearance, jak już zostało wspomniane w instrukcji do ćw. 4, wskazuje na granice pola, w którym mogą być rozmieszczane elementy (Package Keepin/All). 3
Rys. 5.3. Proponowane ustawienia dla klas Board/Geometry Outline oraz Package Keepin/All. Kolejnym niedociągnięciem projektu realizowanego w ramach ćw. nr 4 jest brak otworów montażowych (ang. mounting holes) np. dla podstawek lub elementów dystansowych. Dodanie ww. otworów można zrealizować przy pomocy okna dialogowego Placement (Place -> Manually ), wykorzystywanego już w ćw. 4 do rozmieszczania elementów układu. Aby elementy otworów montażowych, należące do grupy elementów mechanicznych, były dostępne, należy najpierw zaznaczyć pole wyboru Library w zakładce Advanced Settings okna Placement. Zaznaczenie tego pola powoduje, że w zakładce Placement List, po wybraniu grupy Mechanical symbols wyświetlane są elementy jak na rys. 5.4. Rys. 5.4. Elementy biblioteczne grupy Mechanical symbols. 4
Za pomocą okna dialogowego Placement dodać i umieścić na płycie, zgodnie z ilustracją pokazaną na rys. 5.5, otwory montażowe typu MTG125. Rys. 5.5. Obraz płyty po dodaniu otworów montażowych typu MTG125. Otwory montażowe można dodać poprzez kolejne, czterokrotne zaznaczanie pola wyboru MTG125 w oknie Placement i przenoszenie wybranego elementu na płytę lub poprzez skopiowanie raz naniesionego otworu i wklejenie go w kolejnych miejscach. Aby skopiować cały, pod względem konstrukcyjnym, element otworu należy ustawić na nim ustawić na nim kursor, kliknąć prawym przyciskiem myszy i wybrać opcję Symbol -> Copy. Ponownie otworzyć okno dialogowe Placement, wybrać grupę Components by refdes i, tak jak w ćw. 4, nanieść kolejne elementy projektowanego układu, np. w sposób zilustrowany na rys. 5.6. Rys. 5.6. Przykładowa postać projektu obwodu drukowanego układu Przerzutnika Schmitta. 5
Elementy rozmieszczone na powierzchni projektowanej płyty wyświetlane są wraz z dotykowymi danymi dotyczącymi zarówno warstwy opisowej (ang. silkscreen) informacje tekstowe - jak i szczegółów montażu elementów (ang. assembly details) dane o charakterze graficznym. Zmiana zestawu wyświetlanych informacji następuje poprzez ustawienia okna dialogowego Color Dialog otwieranego za pomocą opcji Color/Visibility w menu Display programu OrCAD PCB Designer. Ograniczyć, zgodnie z ilustracją pokazaną na rys. 5.7, zbiór dodatkowych danych do zestawu obejmującego podstawowe atrybuty elementów, tj. Component Value oraz Reference (Ref Des) i do warstwy opisowej (silkscreen) wartości ww. atrybutów zostały definiowane w projekcie schematu (w programie OrCAD Capture) i przeniesione do programu OrCAD PCB Designer poprzez netlistę. Rys. 5.7. Proponowane ustawienie opcji w oknie Color Dialog. Za pomocą opcji okna Color Dialog można kontrolować również zakres oraz sposób (np. kolor) wyświetlania innych danych, w tym geometrii i obrysu układów, numerów ich wyprowadzeń - opcje Package Geometry, czy punktów (ew. pól) lutowniczych czyli tzw. padów (ang. padstacks) opcje Stack-Up. Wykorzystując okno Color Dialog zbadać znaczenie poszczególnych ustawień opcji Package Geometry i Stack-Up. Kolejnym krokiem, który warto zrealizować na obecnym etapie projektowania obwodu, jest sprawdzenie poprawności reguł projektowych uaktualnienie stanu DRC (ang. Design Rules Checker). Ww. uaktualnienie można przeprowadzić za pomocą okna dialogowego Status (Display -> Status ) i przycisku Update DRC. Okno Status podaje informacje o statystyce projektu, w tym o ilości nierozmieszczonych symboli, niepodłączonych węzłów i o błędach (ostrzeżeniach) w regułach projektowych wykrytych przez procedury DRC. 6
Szczegółową informację o błędach w regułach projektowych wyświetlanych w oknie Status, przed lub po uaktualnieniu DRC, można pozyskać generując raport DRC - za pomocą opcji Tools -> Quick reports -> Design Rules Check Report. Przeprowadzić uaktualnienie i (bez względu na błędy) wygenerować raport DRC. Jednym z ostatnich etapów projektowych jest przeprowadzenie połączeń (ang. routing). Ww. etap musi być jednak poprzedzony analizą prowadzącą do przyjęcia odpowiednich wielkości dla grubości ścieżek oraz odstępów pomiędzy nimi. Elementami, które należy wziąć pod uwagę w takiej analizie są: a) możliwości technologiczne parku narzędziowego będącego w dyspozycji projektanta, np. minimalne rozmiary wierteł i frezów, którymi dysponuje, b) maksymalne wartości prądów sygnałów przewodzonych w poszczególnych połączeniach - dla większości aplikacji małosygnałowych wartością wystarczającą jeśli chodzi o szerokość ścieżek na warstwach zewnętrznych jest 5 mils (0,127 mm), c) impedancja - impedancja układu staje się natomiast nieistotna w aplikacjach, w których sygnały charakteryzują się małymi częstotliwościami, np. o wartościach poniżej 20 khz, d) maksymalne wartości różnic potencjałów pomiędzy ścieżkami dla napięć rzędu 30 50V (i przy zastosowaniu soldermaski) odstępy między ścieżkami na warstwach zewnętrznych powinny być większe od 5 mils (0,127 mm). Do określania reguł w zakresie szerokości ścieżek oraz odstępów pomiędzy nimi służy okno dialogowe Constraint Manager (Setup -> Constraint -> Constraint Manager). Otworzyć okno Constraint Manager, wybrać zakładkę Physical, zaznaczyć element All Layers w grupie Physical Constraint Set, rozwinąć grupę DEFAULT a następnie, wprowadzić w kolumnach Min i Min Width dla parametrów Line Width i odpowiednio Neck wartości 0,5 mm, zgodnie z ilustracją pokazaną na rys. 5.8. Rys. 5.8. Proponowane ustawienia w oknie Constraint Manager dla zakładki Physical (wartości 0.0000 wpisane odpowiednio w kolumnach Max i Max Length oznaczają, że nie ma ograniczeń co do wartości maksymalnych). W oknie Constraint Manager wybrać zakładkę Spacing, zaznaczyć element All Layers w grupie Spacing Constraint Set, rozwinąć grupę DEFAULT a następnie, wprowadzić 7
w kolumnie Line dla parametrów Line To wartość 0,20 mm, zgodnie z ilustracją pokazaną na rys. 5.9. Rys. 5.9. Proponowane ustawienia w oknie Constraint Manager dla zakładki Spacing. Otworzyć okno Automatic Router (Route -> PCB Router -> Route Automatic ) i nie zmieniając ustawień, uruchomić proces automatycznego prowadzenia ścieżek przycisk Route. 8