Rozpoczęcie pracy z Altium Designer: projektowanie schematu PCB

Jack Olson

|  Created: September 15, 2019  |  Updated: August 10, 2020

Schemat to sposób na zarejestrowanie pomysłu. Schematy to rysunki lub wykresy stosowane do komunikowania pomysłów elektronicznych innym. Być może nigdy o tym nie myśleliście, ale każdy, kto rozumie elektronikę, może spojrzeć na nasz schemat i zrozumieć naszą koncepcję, niezależnie od języka, jakim mówi! 

Schematy to uniwersalny „język” do zapisywania i przedstawiania idei elektronicznych. 

Oto oficjalna definicja z normy IPC-T-50 (Terminy i definicje):

Oto krótkie wprowadzenie do zagadnienia schematów oraz kilka przydatnych porad, o których warto pamiętać przy sporządzaniu schematów. Zacznijmy od prostego przykładu. Każdy, kto rozumie podstawową teorię obwodów, jest w stanie objaśnić poniższy schemat:

_{Projektowanie schematu PCB zawierającego baterię, przełącznik i lampkę}

Symbole

Budulcem schematów są symbole, które reprezentują podzespół lub funkcję, a linie między nimi reprezentują połączenia elektryczne. Na schemacie pokazanym powyżej symbol obok liter BT reprezentuje baterię, symbol przy literze S reprezentuje przełącznik, a symbol przy literach DS reprezentuje wskaźnik lub lampkę. Każdy, kto umie zinterpretować schemat, może zbudować reprezentowany przez niego obwód, łącząc baterię, przełącznik i lampkę za pomocą drutu lub innego materiału przewodzącego.

Litery BT, S oraz DS na powyższym schemacie to etykiety pomagające zidentyfikować typ podzespołu. Są to tzw. „oznaczenia klasy”, jednak niewielu stosuje tę terminologię, ponieważ po ponumerowaniu podzespołów w poszczególnych klasach stają się one „oznaczeniami referencyjnymi”. Jeśli na przykład na schemacie będzie więcej niż jeden rezystor, będą one oznaczone oznaczeniami referencyjnymi R1, R2, R3 itd.

Każdy podzespół w projekcie będzie miał swoje własne oznaczenie referencyjne.

Dla różnych typów podzespołów stosuje się różne symbole, ale trzeba pamiętać, że różne rysunki symboli mogą mieć to samo oznaczenie klasy. Istnieje wiele różnych typów rysunków symboli tranzystorów, ale wszystkie tranzystory zazwyczaj będą miały przypisane oznaczenie referencyjne zaczynające się literą „Q”. Istnieje wiele różnych typów transformatorów, ale wszystkie będą miały w oznaczeniu literę „T”. „C” oznacza kondensatory, „R” rezystory, „L” wzbudniki itd.

Symbole układów scalonych, modułów (np. zasilania) i podzespołów (np. płytek podrzędnych) zazwyczaj są przedstawiane jako prostokąty ze stykami na którymś buku lub po wszystkich czterech stronach (zazwyczaj wejścia po lewej stronie, wyjścia po prawej, czasami połączenia zasilania na górze i połączenia masowe na dole). Wiele podzespołów ma tyle styków, że trzeba podzielić symbol na więcej części. Tysiące podzespołów mają ten styl symbolu, a większość układów scalonych ma oznaczenie klasy „U”. 

(Dla miłośników ciekawostek: oznaczenie referencyjne „U” pochodzi od słowa „Unrepairable”, tj. „niemożliwe do naprawienia”.)

Jeśli ktoś chce się dowiedzieć więcej, obszerną listę symboli i oznaczeń referencyjnych można znaleźć w publikacjach IPC-2612 oraz IEEE STD 315.  

Wartości i atrybuty

Przykład powyżej nie zawiera wystarczających informacji, żeby można było stwierdzić, jakiego rodzaju obwód został przedstawiony. Podzespoły są oznaczone typem symbolu, ale nie ma żadnych informacji dotyczących tego, jaki powinien być konkretny podzespół. Trzeba pamiętać, że istnieje wiele różnych typów baterii, ale nic na schemacie nie sugeruje, która bateria byłaby najlepsza. W obwodzie pokazanym w przykładzie powyżej może to być:

• akumulator samochodowy 12 V, przełącznik dźwigienkowy i reflektor; lub

• zwykła latarka z baterią AAA; lub

• laser do zniszczenia księżyca.

Ten sam podstawowy obwód może odnosić się do różnych urządzeń, zatem schemat musi zawierać więcej informacji. Symbole muszą mieć przypisane atrybuty, żeby zawęzić listę potencjalnych podzespołów, jakie można zastosować. Ten sam symbol rezystora można zastosować dla tysięcy różnych rodzajów rezystorów, więc żeby był użyteczny, musi podawać wartość rezystancji wyrażoną w omach. Symbolu Ω zazwyczaj nie stosuje się na schematach, ponieważ nie jest on dostępny we wszystkich zestawach znaków, zatem symbol rezystora z zapisaną obok liczbą 100 będzie oznaczać „rezystor o rezystancji 100 omów”. Inne typy podzespołów są oznaczane innymi jednostkami. Dla przykładu pojemność jest wyrażana w faradach (F), a jednostką induktancji jest henr (H).

Do symbolu można dodać kilka innych atrybutów, takich jak tolerancja czy moc znamionowa, żeby precyzyjniej zdefiniować typ podzespołu potrzebny dla danego układu.

Oprócz widocznych atrybutów dla poszczególnych symboli oprogramowanie Altium Designer może korzystać z atrybutów ukrytych, takich jak numer części producenta, koszt, dane do symulacji czy historia wersji. 

Poza pełnieniem funkcji zwykłej dokumentacji obwodu, schematy z utworzonymi atrybutami, które można maksymalnie wykorzystać w innych systemach oprogramowania, stają się bardzo potężnymi narzędziami.

Międzynarodowy układ jednostek miar (SI)

Atrybuty mogą mieć szeroką gamę wartości – od bardzo małych do wyjątkowo dużych. Aby zapobiec zapełnianiu schematu powtarzającymi się ciągami zer dla wartości typu 1 000 000 000 czy 0,0000000001, stosujemy układ SI do skracania wartości.

Jednostki SI, jakie można spotkać na schematach:

_{Jednostki w Międzynarodowym Układzie Jednostek SI mają prefiksy dla potęg 1000.)}

Więcej o jednostkach SI 

• Symbole zapisuje się małą literą, chyba że są większe niż 1000 (kilo). 
• Symbole zapisuje się w liczbie pojedynczej. Dla przykładu 10 uF nigdy nie należy zapisywać jako 10 uFów.
• Zgodnie z układem SI między jednostką a wartością powinna być spacja, jednak wiele systemów CAD nie przestrzega tego standardu, zatem można napotkać oba zapisy, tj. 10 uF lub 10uF.

Więcej informacji na temat międzynarodowego układu jednostek miar (SI) można uzyskać w National Institute of Standards and Technology (NIST).

Porty i gniazda zasilania

Jest jeszcze jedna kategoria symboli, o której trzeba wiedzieć: symbole bez oznaczeń referencyjnych. 

Symbole tego typu, które występują w Altium Designer^® pod nazwą „Ports and Power Ports” (porty i gniazda zasilania), nie reprezentują podzespołów, tylko połączenia elektryczne. Te typy symboli mogą wyeliminować zatłoczenie, jakie by powstało, gdyby trzeba było pokazać każde połączenie. Dodanie wszystkich połączeń zasilania i masy utrudniłoby interpretowanie rysunku. Zamiast tego używamy symboli gniazd zasilania.  Uznaje się, że wszystko, co jest połączone z tym samym symbolem gniazda zasilania, nawet na różnych arkuszach, jest połączone ze sobą. 

Obwód poniżej to odpowiednik obwodu pokazanego wcześniej, ale z większą liczbą detali i bardziej przejrzysty:

_{Projektowanie schematu PCB zawierającego baterię, przełącznik i lampkę oraz gniazda masy)} 

Kilka wytycznych projektowania schematów

Oto kilka „sprawdzonych metod”, dzięki którym schematy będą bardziej efektywne:

• Tworząc symbole, umieszczaj styki na siatce 100 milsów. To ułatwi podłączanie przewodów i magistrali na poziomie schematu. Istnieje możliwość zastosowania siatki metrycznej dla symboli i schematów, ale wtedy wszystkie symbole zaimportowane z innych źródeł (np. z baz danych producentów) będą miały styki rozmieszczone na siatce niekompatybilnej z naszą i trzeba to będzie zmodyfikować przed dodaniem do biblioteki. 
• Przepływ w obwodach powinien się odbywać z lewej do prawej i z góry na dół. Najlepiej umieszczać wejścia po lewej stronie, a wyjścia po prawej, a dodatnie napięcia zasilania u góry, a symbole masy na dole.
• Projektuj sekcje schematu jako bloki funkcjonalne. Symbole należy umieszczać na rysunku po to, żeby ułatwiały zrozumienie obwodu, a nie żeby wskazywały fizyczne usytuowanie części na płytce.
• Wszystkie teksty należy pisać w poziomie, aby zapobiec zamieszaniu. Nie dopuszczaj do nakładania się tekstu i nie rysuj linii ani przewodów tak, żeby przecinały tekst.
• Rysuj obwód schludnie i nie obawiaj się zostawiać pustych obszarów na arkuszu. Nie próbuj wypełnić całego arkusza.
• Pierwszy arkusz powinien zawierać tabliczkę rysunkową w prawym dolnym rogu. Musi ona zawierać numer rysunku i poziom wersji, ale także tytuł oraz nazwę firmy lub nazwisko projektanta, który jest autorem schematu.  
• Jeśli poświęcimy trochę czasu, żeby wdrożyć te wytyczne, nasz dokument będzie bardziej przydatny i łatwiejszy do zrozumienia dla innych osób, które na następnych etapach będą korzystać ze schematu dla różnych celów. 

Więcej informacji

Można się nauczyć o wiele więcej o sporządzaniu schematów przy użyciu oprogramowania Altium. 

Zaglądaj na blog firmy Altium, gdzie będzie można znaleźć artykuły bardziej szczegółowo omawiające to zagadnienie, a do tego czasu możesz zapoznać się z innymi źródłami:

• TUTAJ społeczność Altium udostępnia kilka filmów pokazujących cechy schematu.
• Praca ze schematami w Altium Designer (prezentacja).
• W systemie Altium Online Documentation można znaleźć samouczek krok po kroku omawiający prosty projekt od początku do końca. 

Altium Designer wyposaża projektantów w to, czego potrzebują. Możesz dowiedzieć się jeszcze więcej o używaniu zaawansowanego oprogramowania do tworzenia schematów obwodów za pomocą intuicyjnych narzędzi. Czy chcesz dowiedzieć się więcej na temat tego, jak Altium może Ci pomóc przy kolejnym projekcie PCB? Porozmawiaj z ekspertem Altium.