Giáo trình thiết kế mạch điện tử (nghề cơ điện tử trình độ cao đẳng)

1 UBND TỈNH NINH THUẬN TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ NINH THUẬN GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ NGHỀ: CƠ ĐIỆN TỬ TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: ngày Trường cao đẳng nghề Ninh Thuận Năm 2019 tháng năm 2019 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Để thực biên soạn giáo trình đào tạo nghề Cơ điện tử trình độ Cao Đẳng Nghề Trung Cấp Nghề, giáo trình Thiết kế mạch điện tử máy tính giáo trình mơ đun đào tạo chun ngành biên soạn theo nội dung chương trình khung Bộ Lao động Thương binh Xã hội Tổng cục Dạy Nghề phê duyệt Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức kỹ chặt chẽ với nhau, logíc Khi biên soạn, nhóm biên soạn cố gắng cập nhật kiến thức có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết thực hành biên soạn gắn với nhu cầu thực tế sản xuất đồng thời có tính thực tiển cao Nội dung giáo trình biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 60 gồm có: Bài 1: Giới thiệu phần mềm Bài 2: Phương pháp lấy linh kiện Bài 3: Vẽ mô mạch tương tự Bài 4: Vẽ mô mạch số Bài 5: Vẽ mô mạch vi điều khiển Bài Thiết kế mạch in Trong trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu khoa học cơng nghệ phát triển điều chỉnh thời gian bổ sung kiến thức cho phù hợp Trong giáo trình, chúng tơi có đề nội dung thực tập để người học cố áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ Ninh Thuận, ngày tháng năm 2019 Tham gia biên soạn Chủ biên: MỤC LỤC TRANG LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC Bài 1: Giới thiệu phần mềm Ưu nhược điểm phần mềm Hướng dẫn cài đặt Giao diện phần mềm Bài 2: Phương pháp lấy linh kiện 28 Lấy linh kiện từ thư viện Đưa linh kiện vào vùng làm việc Xử lý linh kiện vùng làm việc Bài 3: Vẽ mô mạch tương tự 47 Mạch RC Mạch nguồn Mạch dao động dùng IC 555 Bài 4: Vẽ mô mạch số 75 Mạch ghi dịch LED Mạch đếm từ đến 23 Bài 5: Vẽ mô mạch vi điều khiển 105 Mạch chớp tắt LED Mạch đếm từ đến Bài Thiết kế mạch in 111 Mạch nguồn Mạch dao động dùng IC 555 Mạch ghi dịch LED Mạch đếm từ đến dùng vi điều khiển TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………… …183 MÔ ĐUN: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ Mã mơ đun: MĐ26 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơ đun: * Vị trí mơ đun: Mơ đun bố trí dạy từ đầu khóa học, trước học mơ đun chun mơn * Tính chất mơ đun: Là mơ đun bắt buộc * Ý nghĩa mô đun: mô đun giúp cho hoc sinh nắm bắt cấu tạo, nguyên lý làm việc mạch điện, thông số phạm vi ứng dụng mạch điện kỹ thuật * Vai trò mô đun: mô đun sở kỹ thuật Mục tiêu mô đun: Sau học xong mơ đun học viên có lực *Về kiến thức: - Hiểu phương pháp thiết kế mạch - Biết lựa chọn linh kiện thư viện để vẽ mạch điện *Về kỹ năng: - Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện theo yêu cầu kỹ thuật - Thiết kế sơ đồ mạch in theo sơ đồ nguyên lý - Mô mạch điện nâng cao * Năng lực tự chủ trách nhiệm: - Rèn luyện cho học sinh thái độ nghiêm túc, tỉ mỉ, xác học tập thực công việc Nội dung mô đun: STT Tên Bài 1: Giới thiệu phần mềm Ưu nhược điểm phần mềm Hướng dẫn cài đặt Giao diện phần mềm Bài 2: Phương pháp lấy linh kiện Lấy linh kiện từ thư viện Đưa linh kiện vào vùng làm việc Xử lý linh kiện vùng làm việc Bài 3: Vẽ mô mạch tương tự Mạch RC Mạch nguồn Mạch dao động dùng IC 555 Bài 4: Vẽ mô mạch số Mạch ghi dịch LED Mạch đếm từ đến 23 Bài 5: Vẽ mô mạch vi điều khiển Mạch chớp tắt LED Mạch đếm từ đến Bài Thiết kế mạch in Mạch nguồn Mạch dao động dùng IC 555 Mạch ghi dịch LED Mạch đếm từ đến dùng vi điều khiển Cộng: Thời gian Tổng Lý Thực Kiểm số thuyết hành tra 5 10 10 10 20 17 60 12 46 BÀI GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM Mã bài: MĐ26-1 Giới thiệu: Ngày nay, việc sử dụng máy tính để thiết kế mạch điện phổ biến, giúp cho cơng việc nhanh chóng độ xác cao; chỉnh sửa đến mạch điện tối ưu trước làm mạch thức Chính vậy, Bài này, bắt đầu cài đặt phần mềm thiết kế mạch điện dùng Orcad 9.2 Mục tiêu: - Cài đặt phần mềm thiết kế mạch máy tính - Khởi động Chương trình phần mềm thiết kế mạch sau cài đặt - Rèn luyện tính tỷ mỉ, xác tác phong cơng nghiệp Nội dung chính: Khái qt chương trình Mục tiêu: Biết chức phần mềm Orcad cấu hình máy tính mà phần mềm u cầu 1.1 Giới thiệu phần mềm thiết kế mạch Phần mềm thiết kế mạch điện tử Orcad tập đoàn Cadence® chuyên viên đánh giá phần mềm thiết kế mạch mạnh Orcad có mặt hỗ trợ cho kỹ thuật viên thiết kế mạch từ sớm Từ Orcad phiên 3.2 chạy DOS phiên 4.0 có cập nhật đáng kể Tiếp phiên 7.0 chạy Window làm say mê người thiết kế mạch in chuyên nghiệp, sau có phiên 9.0, 9.2, 10.5 phiên 15.7 Orcad phần mềm chuyên dụng mạnh với giao diện thân thiện, cách sử dụng đơn giản Bạn vẽ mạch nguyên lý với Orcad Capture, chạy mô với Pspice, đặc biệt chức vẽ mạch in mạnh với Orcad layout, với thư viện linh kiện khổng lồ hầu hết nhà sản xuất linh kiện điên tử cung cấp cho Orcad Có lẽ khơng cần phải bàn tới sức mạnh mà phải quan tâm tới việc khai thác sử dụng Orcad hiệu việc thiết kế mạch Với mục đích hướng dẫn sử dụng giúp bạn thuận lợi việc thiết kế mạch, xây dựng nên tài liệu “Thiết kế mạch máy tính dùng phần mềm Orcad 9.2” Trong học, bạn thấy tiện lợi kết Chương trình Orcad 9.2 người thiết kế Giáo trình biên soạn theo cách hướng dẫn bước, dù bạn người bắt đầu hay nhà thiết kế mạch in kỳ cựu giáo trình điều giúp bạn làm quen với cơng việc vô phức tạp, lý thú thời gian thật ngắn Chúng nghĩ tài liệu kết hợp với thực hành giúp cho bạn thực hiệu nhanh chóng việc thiết kế mạch sử dụng phần mềm Orcad Các mạch điện giáo trình mang tính tham khảo minh hoạ để bạn làm quen với thao tác lấy gọi linh kiện thư viện đồ sộ Orcad mà người bắt đầu học khó lấy nhanh Các mạch in thiết kế giáo trình chưa phải tối ưu, mang tính ví dụ Ngay việc bố trí, xếp linh kiện, bạn phải tuân thủ theo nguyên lý thiết kế mạch in tối thiểu như: Các Transistor công suất nên bố trí gần biên mạch in để tiện việc lắp ráp sửa chữa sau này, tụ chống nhiễu nguồn cần bố trí cho gần nguồn cấp vào chân vi mạch v.v Orcad dù có mạnh công cụ hỗ trợ thiết kế mạch mà Muốn nhà thiết kế mạch in chuyên nghiệp bạn cần phải có kiến thức chun mơn thiết kế mạch in hoàn chỉnh đưa vào sản xuất 1.2 Yêu cầu hệ thống Để cài đặt chạy Orcad hệ thống máy bạn phải thỏa mãn yêu cầu sau: - Với 640KB nhớ - Bộ máy IBM Pentium máy tính cá nhân tương thích có đĩa chứa Chương trình cài đặt - Hệ điều hành Win9x, Winme NT,XP… - Không gian đĩa trống đủ cho trình ứng dụng mà bạn muốn cài đặt - Trước cài đặt phần mềm bạn cần biết loại Card hình mà bạn dùng, Orcad Capture tương thích với chuẩn VGA Hướng dẫn cài đặt phần mềm thiết kế mạch Mục tiêu: - Cài đặt phần mềm thiết kế mạch máy tính - Rèn luyện tính tỷ mỉ, xác tác phong cơng nghiệp 2.1 Các bước cài đặt phần mềm - Từ thư mục chứa phần mềm Orcad, nhấp đúp vào Chương trình tự động chạy Trên hình ta thấy bảng thơng báo Setup xuất (hình 1.1) để chuẩn bị cho việc cài đặt Hình 1.1 - Chương trình tự động chạy 100% cửa sổ Warning (hình 1.2) xuất hiện, nhấn nút OK để qua trang Hình 1.2 - Chương trình cài đặt yêu cầu tắt tất Chương trình diệt virus, sau ấn vào OK - Bảng Welcome (hình 1.3) xuất hiện, nhấn next để tiếp tục cài đặt 10 Hình 1.3 - Chương trình bảng License Agreement (hình 1.4) thơng báo đăng ký quyền nhấn Yes để tiếp tục trình cài đặt Hình 1.4 145 Hình 3.53 - Ở bạn điều chỉnh thông số cho phù hợp Cần ý đơn vị đo mà bạn thiết lập Để tránh tượng đường dây dính vào khoảng cách gần, ta nên chọn khoảng cách dây từ 0.5 đến 1mm - Sau nhấn chọn OK (Hình 3.54) Hình 3.54 3.2.2.2 Thiết lập độ rộng đường mạch in - Thiết lập độ rộng đường mạch in để điều chỉnh độ rộng nets mạch khác tùy theo chức chúng Ví dụ như: đường nguồn, mass phải lớn nguồn tín hiệu, hay đường ứng với mạch cơng suất bề rộng phải lớn bình thường… Muốn điều chỉnh thơng số bao gồm bước sau: - Vào Spreedsheet → Nets - Bơi đen tất sau nhấp vào Properties (Hình 3.55) 146 Hình 3.55 - Hộp thoại Edit Net (Hình 3.56), ta điền kích thước thích hợp vào, sau nhấn OK Hình 3.56 147 3.2.2.3 Vẽ đường mạch in - Layout hỗ trợ chức vẽ tự động vẽ tay Thông thường nên kết hợp chức này, vẽ tự động đơi có đường mạch phức tạp, lúc ta nên điều chỉnh lại tay Vẽ tự động: vào Auto >> Auto Route >> Board, Layout tự động vẽ mạch (Hình 3.57) Để hủy bỏ đường mạch in, ta vào Auto >> Unroute >> Board Hình 3.57  Vẽ tay: Chọn Edit Segment Mode Kích vào dây muốn vẽ, lúc dây gắn với trỏ, rê chuột để tạo đường mạch, kích trái chuột để cố định đường mạch - Để đổi hướng đường mạch: kích vào cuối đoạn dây, sau đổi theo hướng mà bạn muốn vẽ Sau vẽ xong, nhấn ESC để kết thúc Nhấp F5 để refresh mạch - Sau cho chạy tự động , bạn sau (Hình 3.58): Hình 3.58 148 - Ta thấy còn đường mạch in chưa hoàn thành, sau ta nhấn OK chuyển qua chế độ vẽ tay để tìm đường cho dây (Hình 3.59) Hình 3.59 - Nếu khơng còn đường cho dây, ta dùng Jumper để nối lại Bằng cách từ đầu dây ta vẽ đoạn ngắn sau nhấn chuột phải chọn Add Via Đầu còn lại tương tự (Hình 3.60) 149 Hình 3.60 3.3 Thay đổi kích thước đường mạch - Thơng thường đường nguồn đường cơng suất ln có kích thước lớn đường tín hiệu Do ta phải thay đổi lại kích thước đường mạch - Ta nhấp chọn chế độ vẽ mạch tay, sau nhấp chọn vào đường dây cần thay đổi sau nhấn phím W nhấp trái chuột chọn Change Width Hộp thoại Track Width xuất (Hình 3.61), nhập kích thước phù hợp vào nhấn OK 150 Hình 3.61 3.4 Vẽ đường biên đặt tên 3.4.1 Vẽ đường biên Board Outline đường bao cho tất linh kiện đường mạch mạch in Để vẽ bạn tiến hành sau: - Click chuột vào Obstacle Tool, sau click vào góc mà bạn muốn vẽ Outline, chuột chuyển thành dấu cộng nhỏ, click phải, chọn Properties hộp thoại sau (Hình 3.62) Hình 3.62 151 - Bạn chọn hình Sau chọn OK Click vào góc khung mà bạn vẽ, sau nhấn ESC (Hình 3.63) Hình 3.63 3.4.2 Đặt tên - Chọn Text Tool từ công cụ Click phải vào hình chọn New Hộp thoại Text Edit (Hình 3.64), khung Text String gõ nội dung cần chèn Lưu ý: bạn làm mạch in thủ cơng click chọn Mirrored để ủi khơng bị ngược 152 Hình 3.64 3.4.3 Phủ đồng cho mạch in Mục đích vấn đề để chống nhiễu cho mạch điện Cách làm sau: - Chọn Obstacle Tool Vẽ khung bao sau nhấp chuột vào khung mạch, chuột co thành dấu cộng nhỏ click phải, chọn Property - Màn hình xuất hộp thoại Edit Obstacle (Hình 3.65) Hình 3.65 - Trong khung Obstacle Type chọn: Copper Pour - Trong khung Obstacle Layer chọn lớp cần phủ Copper Pour: TOP hay BOTTOM 153 - Trong khung Net Attachment chọn GND POWER, tùy theo bạn muốn phủ theo GND hay POWER Nhấn OK (Hình 3.66) Hình 3.66 Như ta hồn thành việc thiết kế mạch in, muốn in làm mạch board đồng, ta tắt tất màu chừa lại màu xanh, để lại màu khác gây nên ngắn mạch CÁC BÀI TẬP MỞ RỘNG, NÂNG CAO VÀ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Mạch chỉnh lưu cầu pha - Chúng ta thiết kế mô mạch chỉnh lưu diode sau (Hình 5.1): 154 Hình 5.1 Mạch khuếch đại đơn (Hình 5.22) Hình 5.22 Mạch khuếch đại cơng suất (Hình 5.29) 155 Hình 5.29 Mạch dao động (Hình 5.39) Hình 5.39 Mạch ứng dụng IC tương tự - Thiết kế mạch diện dùng Ic LM741 để mơ dạng sóng vào theo sơ đồ mạch sau (Hình 5.53) 156 Hình 5.53 Bài tập 6: Thiết kế máy tính mạch in sau: 157 TRẢ LỜI CÁC CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Gợi ý: Thơng thường có cách để tạo mạch in máy tính phần mềm Orcad 9.2: - Cách 1: vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điện capture sau xuất layout để chỉnh sửa tạo mạch in cho mạch điện - Cách 2: vẽ trực tiếp sơ đồ mạch điện layout, sau chỉnh sửa để hoàn thiện mạch in Ở chúng ta sử dụng cách 1: Để tạo mạch in máy tính layout sau có file capture mạch điện, ta có bước sau: Đầu tiên ta phải khởi động chương trình Orcad Layout Bước 1: Tạo File thiết kế - Từ cửa sổ Orcad Layout, nhấn vào File menu chọn New cửa sổ Load Template File yêu cầu nhập File DEFAULT.TCH Chúng ta vào thư mục cài đặt Orcad để lấy - Hộp thoại Load Netlist Source, tìm file *.MNL Bước 2: Liên kết Footprint - Tìm footprint thư viện Sau tìm Footprint tất linh kiện ta hoàn thành việc tạo board thiết kế Bước 3: Chỉnh sửa chân linh kiện - Chọn Footprint linh kiện cần thay đổi board mạch vừa tạo, sau nhấn chuột phải chọn Properties Tuy nhiên, footprint có Select Footprint khơng phù hợp phải tạo footprint cho phù hợp kích thước linh kiện - Tạo chân linh kiện: ta tự tạo linh kiện cách nhấn vào vào menu File chọn Library manager Dựa vào Datasheet biết khoảng cách chân để xác định vị trí cho chân còn lại kích thước linh kiện Bước 4: Thiết lập đơn vị đo hiển thị, đo kích thước board mạch - Đây đơn vị thể độ rộng đường mạch in board mạch Mục đích vấn đề giúp cho người thiết kế quản lý kích thước nets board mạch kích thước board outline - Đo kích thước board mạch Bước 5: Thiết kế sơ đồ bố trí linh kiện - Tắt DRC - Ẩn đường dây 158 - Ẩn chữ - Sắp xếp linh kiện: nên xếp linh kiện theo sơ đồ nguyên lý để thuận tiện quan sát dây Mạch điện nên xếp theo cụm nguồn, tính hiệu, ic, khối ngõ Bước 6: Chọn lớp vẽ đường mạch in - Chọn lớp mạch in - Vẽ đường mạch in: thiết lập khoảng cách đường mạch, thiết lập độ rộng đường mạch in, vẽ đường mạch in, thay đổi kích thước đường mạch Bước 7: Vẽ đường biên, đặt tên phủ đồng cho mạch in ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN CHƯƠNG TRÌNH: * Vật liệu: - Sơ đồ mạch điện phóng to - Giáo trình, tài liệu học tập * Dụng cụ, Trang thiết bị: - Bảng, phấn bàn, ghế học tập - Các sơ đồ mạch điện mẫu, thực tế - PC, phần mềm chuyên dùng, Projector Yêu cầu đánh giá kết học tập 3: Nội dung: + Về kiến thức: - Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm - Các thông số phạm vi ứng dụng mạch điện kỹ thuật + Về kỹ năng: - Thiết kế sơ đồ nguyên lý, sơ đồ mạch in - Kiểm tra kỹ thực hành vẽ mạch, phân tích sơ đồ mạch - Đánh giá tiêu chuẩn mạch in - Độ xác - Khả mở rộng kiến thức - Thời gian thực công việc + Thái độ: Đánh giá phong cách, thái độ học tập Phương pháp: + Về kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm + Về kỹ năng: Đánh giá kỹ thực hành + Thái độ: Chăm chỉ, nghiêm túc, xác, công việc 159 TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] Mạch điện tử Nguyễn Tấn Phước - NXB Tổng hợp TP HCM, công nghiệp 2003 [2] Kĩ thuật điện tử Lê Xuân Thế, Nguyễn Kim Giao - NXB Giáo dục, Hà Nội, 2003 [3] Giáo trình kĩ thuật Đặng văn Chuyết - NXB Giáo dục, Hà Nội, 2003 mạch điện tử [4] Điện tử công suất Nguyễn Bính - NXB Khoa học Kĩ thuật, Hà Nội, 1996 [5] Kĩ thuật điện tử Đỗ Xuân Thụ - NXB Giáo dục, Hà Nội, 2005 [6] Phân tích mạch Đỗ Thanh Hải, Nguyễn Xuân Mai - NXB Thống tranzito kê, Hà Nội, 2002