Chương 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1. Giới thiệu về phần mềm Eagle
2.1.2 Vẽ sơ đồ nguyên lý
Hình 19: Giao diện Schematic
Lấy linh kiện: để lấy linh kiện, ta nhấp chuột vào biểu tượng để gọi thư viện linh kiện.
Một cửa sổ xuất hiện cho phép chúng ta lựa chọn và lấy linh kiện. Tại đây, ta sẽ được cung cấp một số thông tin chi tiết liên quan đến loại linh kiện mà ta lựa chọn, bao gồm mô tả về loại linh kiện, hang sản xuất, dạng chân, hình dạng ,..
Trong trường hợp ta muốn tìm một loại linh kiện, ta có thể sử dụng chức năng Search để tìm kiếm.
Hình 21: Thanh tìm kiếm linh kiện
Có hai tiêu chuẩn ký hiệu linh kiện: Đó là tiêu chuẩn EU và US. Chúng chỉ khác nhau hình dạng tại sơ đồ ngun lý, cịn lại thì khơng có sự khác biệt nào khác. Để dễ dàng lựa chọn, người ta thường gắn kèm ký tự EU và US vào tên linh
kiện như dưới đây:
Chọn linh kiện cần rồi ấn OK, linh kiện sẽ xuất hiện ở con trỏ chuột của ta. Ta có thể xoay chiều ngay lúc này khi ấn chuột phải. Chọn vị trí thích hợp và ấn phím tắt ESC khi đã xong.
Hình 23: Hiển thị linh kiện trên Schematic
Sau khi đã ADD xong linh kiện, ta tiến hành đặt Value và Name cho linh kiện bằng cách chọn biểu tượng tương ứng.
Ta dung NET để thực hiện kết nối giữa các linh kiện sau khi đã sắp xếp.
Kiểm tra sự thông mạch (nối mạch) (Vị trí kiểm tra sẽ có màu tưới hơn).
Hình 24: Đường nối giữa các linh kiện các linh kiện
Hình 25: Kiểm tra sự nối mạch
Chúng ta có thể dung lệnh Move hoặc lệnh Show để kiểm tra, lệnh Move cịn có chức năng chỉnh sửa được mạch, dây nối, vị trí linh kiện.
Tạo điểm nối mạch
Ta có thể tạo điểm nối bằng biểu tượng này. 2.1.3 Thiết kế mạch in
Hình 27: Tạo file PCB
Ta thực hiện các thao tác sau, đầu tiên click chuột phải vào Project đã tạo chọn New chọn Broad. Sau đó chương trình mạch in mới được tạo.
Hình 28 cho ta thấy được đây là cửa sổ sau khi ta đã làm các bước trên, để bắt đầu thiết kế mạch in.
Hình 28: Giao diện mạch in
Tạo Broad từ mạch sơ đồ nguyên lý
Ta có hai lựa chọn khi thiết kế một PCB, một là có thể tạo trực tiếp trên Layout (vẽ tay lại từ đầu) hoặc hai là có thể tạo mạch in từ sơ đồ nguyên lý. Cách thứ hai giúp chúng ta đỡ mất nhiều thời gian kết nối các linh kiện hơn, vì chỉ cần các thao tác đơn giản là có thể chuyển từ Schematic sang Broad.
Chuyển từ sơ đồ nguyên lý sang sơ đồ mạch in. Bước đầu tiên, tại cửa sổ Schematic, ta vào File – chọn Swich to Broad.
Sau khi hoàn thành các bước trên, sẽ xuất hiện một cửa sổ mới nhằm xác định việc chuyển đổi. Chọn Yes.
Ngay sau đó sẽ xuất hiện một cửa sổ vẽ mạch in với các linh kiện có sẵn đã chuyển đổi
Hình 29: Chuyển từ Schematic sang PCB
Hình 30: Giao diện PCB sau khi chuyển đổi
Ta có thể điều chỉnh kích thước Broad bằng cách dung lệnh Move để di chuyển và điều chinh khung bao quanh nhằm vừa với kích thước mong muốn.
Hình 31: Thay đổi khung ao quanh mạch
Ta chuyển các linh kiện vào Broad mạch, ta sử dụng các lệnh cơ bản như Move và Rotate. Hoặc có thể chuyển tồn bộ linh kiện vào trong bằng lệnh Group, sau đó tiến hành sắp xếp linh kiên một cách hợp lý nhất để khi chạy không bị lỗi.
Khi thiết kế, ta cũng cần phải dặt linh kiện tại các vị trí thích hợp sao cho các đường mạch ít bị chồng chéo nhất. Có một điều quan trọng đó là ta cần phải sắp xếp sao cho Broad được hồn thành là đẹp và dễ nhìn nhất để hiểu.
Sau khi làm xong cơng việc sắp xếp linh kiện thì ta tiến hành xác định vị trí các lỗ khoan để bắt ốc định vị cho Broad mạch.
Hình 32: Lỗ bắt ốc cố định
Có hai cách tiến hành vẽ đường mạch cho Broad. Ta có thể sử dụng lệnh
Autorouter để chạy một cách tự động và nhanh nhất. Thế nhưng cách này vẫn có nhược điểm là đường mạch được sắp xếp không được đẹp hay hợp ý muốn.
Cách thứ hai là ta tự đi đường mạch bằng lệnh Router Airwire . Việc này tuy hơi tốn thời gian nhưng nó giúp cho Output được hợp ý với ta nhất.
Các bước thực hiện bước 1, ta chọn biểu tượng AutoRouter – Một cửa sổ sẽ hiện ra cho phép ta thiết lập các tham số chạy Auto.
Hình 33: Vẽ dây bằng AutoRouter
Tại cửa sổ này, ta có thể lựa chọn chế độ làm mạch in: Top (Mặt trên), Bottom (Mặt dưới), Cả mặt trên và mặt dưới.
Nếu chọn vẽ mặt dưới thì ta đầu tiên chọn mặt trên ở chế độ N/A và mặt dưới thì ta có thể chọn dạng chủ yếu cho đường mạch.
“ | ” Mạch sẽ chạy theo chiều dọc “ - ” Mạch sẽ chạy theo chiều ngang “ N/A ” Chọn Top
“ / ” Mạch sẽ chạy theo một góc 45 độ “ \ ” Mạch sẽ chạy theo 1 góc 135 độ “ * ” Mạch sẽ chạy một cách tuỳ ý.
Để vẽ lại bằng tay một đường mạch nào đó, ta có thể chọn lệnh Rip 000 để xố đường đó. Ta cũng có thể xố tất cả các đường dây ở mạch bằng cách chọn All Signal.
Với cách thứ hai, ta chọn lệnh Router và nhấp vào đường mạch để chỉnh đường mạch.
Hình 34: Đi dây thủ cơng
Để đổ mass (Phủ động), chúng ta sử dụng lệnh Polygon
Xác định phần mạch cần được phủ đồng sau đó chọn Rasnest
Hình 36: Rasnest cho đường dây được Polygon
Nếu khơng muốn phủ mass, ta có thể bỏ phủ đồng bằng cách nhấp chuột phải vào phần phủ đồng rồi chọn Ripup hoặc Delete.
Biểu diễn 3D.
Tại phần mềm này, ta sử dụng thêm phần mềm Fusion 360 cũng của Autodesk để hiển thị biểu diễn mô phỏng 3D cho mạch.
Hình 38: Giao diện tương tác Fusion 360
Ta lưu mạch đã được thiết kế PCB và mở phần mềm Fusion 360 để xem mô phỏng bằng các bước sau: Chọn File > Open >Chọn file muốn được biểu diễn.
Hình 39 Giao diện mạch in từ Eagle ra Fusion 360 Ta chọn “Push to 3D PCB” để biến đổi về 3D PCB:
2.2 Giới thiệu về phần mềm Altium
Altium Designer là một phần mềm thiết kế tích hợp được phát triển bởi Altium Limited – Canada. Ngày nay, Altium đang là một trong những phần mềm vẽ mạch điện tử mạnh và được ưa chuộng ở Việt Nam. Ngoài việc hỗ trợ tốt cho hoạt động vẽ mạch, Altium còn hỗ trợ tốt trong việc quản lý mạch, trích xuất file thống kê linh kiện.
Altium Designer cung cấp một ứng dụng kết hợp tất cả công nghệ và chức năng cần thiết cho việc phát triển sản phẩm điện tử hoàn chỉnh, như thiết kế hệ thống ở mức bo mạch và FPGA, phát triển phần mềm nhúng cho FPGA và các bộ xử lý rời rạc, bố trí mạch in (PCB)… Altium Designer thống nhất tồn bộ các q trình lại và cho phép bạn quản lý được mọi mặt quá trình phát triển hệ thống trong mơi trường tích hợp duy nhất. Khả năng đó kết hợp với khả năng quản lý dữ liệu thiết kế hiện đại cho phép người sử dụng Altium Designer tạo ra nhiều hơn những sản phẩm điện tử thơng minh, với chi phí sản phẩm thấp hơn và thời gian phát triển ngắn hơn.
Altium Designer bao gồm tất các những công cụ cần thiết cho một bản thiết kế điện tử hoàn thiện, ví dụ như cơng cụ thiết kế bản vẽ ngun lý, bản vẽ mạch in, mơ phỏng mạch điện, phân tích tín hiệu, mơi trường lập trình VHDL, mơi trường thiết kế và phát triển hệ thống nhúng FPGA, …
Các phiên bản trước đây của Altium Designer gồm có: DXP 2002, DXP2004, Summer 08, Winter 09, Summer 10, và mới đây nhất là Altium Designer 10. [2]
2.2.1 Đặc trưng của Altium
Altium Designer có một số đặc trưng sau:
- Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý file, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế.
- Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, đi dây tự động theo thuật toán tối ưu, phân tích lắp ráp linh kiện. Hỗ trợ việc tìm các giải pháp thiết kế hoặc chỉnh sửa mạch, linh kiện.
- Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thơng tin linh kiện, dữ liệu bản vẽ, kích thước, số lượng…
- Hệ thống các thư viện linh kiện phong phú, chi tiết và hoàn chỉnh bao gồm tất cả các linh kiện nhúng, số, tương tự…
- Đặt và sửa đối tượng trên các lớp cơ khí, định nghĩa các luật thiết kế, tùy chỉnh các lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh kiện trên PCB. - Mơ phỏng mạch PCB 3D, đem lại hình ảnh mạch điện trung thực trong không gian 3 chiều, hỗ trợ MCAD-ECAD, liên kết trực tiếp với mơ hình STEP, kiểm tra khoảng cách cách điện, cấu hình cho cả 2D và 3D.
- Hỗ trợ thiết kế PCB sang FPGA và ngược lại.
Từ đó, chúng ta thấy Altium designer có nhiều điểm mạnh so với các phần mềm khác như đặt luật thiết kế, quản lý đề tài mô phỏng dễ dàng, giao diện thân thiện, …
2.2.2 Các bước thiết kế mạch điện tử
Việc thiết kế mạch điện tử trên phần mềm altium designer có thể được tóm tắt gồm các bước như sau:
- Đặt ra các yêu cầu bài toán. - Lựa chọn linh kiện.
- Thiết kế mạch nguyên lý.
- Lựa chọn các chân linh kiện để chuyển sang mạch in Update mạch nguyên lý sang mạch in.
- Lựa chọn kích thước mạch in sắp xếp các vị trí các loại linh kiện như điện trở , tụ điện, IC...
- Đặt kích thước các loại dây nối. - Đi dây trên mạch.
- Kiểm tra tồn mạch.
2.2.3 Các tổ hợp phím tắt thường dùng trong Altium Design.
Trong Altium, người dùng có thể sử dụng các phím tắt nhằm việc thuận tiện hơn cho việc thiết kế mạch.
Trong thiết kế mạch ngun lý
Phím tắt Cơng dụng
A - L Căn chỉnh linh kiện theo hàng dọc
A - T Căn chỉnh linh kiện theo hàng ngang
A - H Căn chỉnh linh kiện cách đều theo hàng ngang A - V Căn chỉnh linh kiện cách đều theo hàng dọc
D - B Lấy linh kiện trong thư viện
D - O Thay đổi thông số bản vẽ
P - B Vẽ đường bus
P - N Đặt tên cho đường dây
P - O Lấy GND
Trong thiết kế mạch in.
Phím tắt Tác vụ
P - L Định kích thước cho mạch (Keep Out Layer)
V - B Xoay bản vẽ 180 độ
T - E Bo tròn đường dây chân linh kiện
T - U - A Xóa tất cả các đường mạch
TAB Hiện cửa sổ thay đổi thông tin khi đang thao tác Shift + Space Thay đổi các chế độ đường dây (Tự do - Theo luật -
Vuông 90 độ - Cong)
Shift + S Chỉ cho phép hiện 1 lớp đang chọn (các lớp còn lại được ẩn)
Shift + R Thay đổi các chế độ đi dây (Cắt - Không cho cắt - Đẩy
P - W Đi dây linh kiện
Space (Shift + Space) Xoay linh kiện Shift + Click và kéo Copy linh kiện
T - N Đặt tên tự động cho linh kiện
T - S Chọn linh kiện trong mạch in từ mạch nguyên lý
T - W Tạo linh kiện mới
TAB Thay đổi các thông số của mạch
dây)
A - A Đi dây tự động
V - F Hiển thị toàn bộ bản vẽ
P - R Vẽ đường mạch theo ý muốn
Q (Ctrl + Q) Thay đổi đơn vị (mm <-> mil)
P - G Phủ đồng
P - V Lấy lỗ via
Ctrl + M Đo kích thước
Ctrl + Shift + Lăn chuột Chuyển lớp
D - O Chỉnh thông số của mạch
D - R Thay đổi các luật cho bản vẽ (kích thước đường dây, lỗ via, khoảng cách các linh kiện,...)
D - S - R Định lại kích thước bo mạch Bảng 2: Bảng phím tắt PCB Chế độ 3D Mode.
Phím tắt Tác vụ
0 Xoay board mạch về hướng nhìn gốc
2 Chuyển sang chế độ 2D khi trong chế độ 3D View
3 Chuyển sang View 3D khi trong chế độ 2D
SHIFT Đồng thời nhấn Shift và Click chuột phải, di chuyển chuột để xoay board mạch theo các trục X Y Z
V + F Điều chỉnh board mạch vừa khít màn hình
V + B Lật board mạch
SHIFT + Cuộn chuột Sang trái – Sang phải CTRL + Cuộn chuột Phóng to – Thu nhỏ
CTRL + C Chụp ảnh góc nhìn hiện tại của board mạch 3D vào Clipboard, để lưu thành file ảnh bạn cần sử dụng tool như Paint chẳng hạn
T + P Mở cửa sổ Preferences
L Mở cửa sổ Configurations – Điều chỉnh các thuộc tính hiển thị
Bảng 3: Bảng phím tắt 3D. 2.2.4 Quy trình tạo file thiết kế mạch và các 2.2.4 Quy trình tạo file thiết kế mạch và các
phần chức năng trong Altium Design.
Bước 1: Nhấp vào File ⇒ New ⇒ Project
Tiếp theo đặt tên Project (bao gồm File sơ đồ nguyên lý; File sơ đồ mạch in PCB) và chọn lưu vào thư mục nào trong máy ⇒ ấn Create để bắt đầu.
Hình 42: Đặt tên file
Bước 2: Tạo File sơ đồ nguyên lý. Ấn chuột phải vào tên Project bạn vừa đặt ⇒ Add new to Project ⇒ Schematic
Bước 3: Tạo File sơ đồ mạch in. Ấn chuột phải vào tên Project bạn vừa tạo ⇒ Add File to Project ⇒ PCB
Hình 44: Tạo một File PCB
Bước 4: Lưu Project lại. Ấn chuột phải vào tên Project mới tạo ⇒ Save (lưu lần lượt File sơ đồ nguyên lý và File sơ đồ mạch in). Lưu ý: Lưu tên file rõ ràng để tránh bị nhầm lẫn với nhau.
2.3 So sánh về hai ứng dụng
Altium Designer Eagle Designer
Nhu cầu và đối tượng sử dụng cung cấp một ứng dụng kết hợp công nghệ một cách tổng thể. Altium designer được cung cấp phục vụ cho việc hoàn thiện sản phẩm điện tử, bố trí mạch in PCB, gia công phần mềm nhúng, ...
Thường được sử dụng trong vẽ điện công nghiệp.
Là một ứng dụng có lượng người sử dụng lớn trong lĩnh vực công nghiệp. Dung lượng thấp. Giao diện trực quan, thuận tiên trong việc sử dụng.
Nhược điểm
Do được tích hợp nhiều tính năng làm cho Altium designer khả năng. Trong khi đó, một số tính năng trong phần mềm cịn khơng được người dùng sử dụng.
Cịn khó khăn trong việc tìm kiếm linh kiện. Quá trình thiết kế mạch đôi lúc gặp nhiều bất lợi.
Bảng 4: So sánh Eagle Designer và Altium Designer
2.4 Thiết kế mạch in trên phần mềm mô phỏng Altium.
2.4.1 Thiết kế mạch schematic.
Đầu tiên ta cần thiết kế mạch schematic:
Sử dụng các linh kiện: Transistor 2n222; Resistor: 120k𝛺, 4.8k𝛺, 1.2k𝛺; Tụ hoá: 10𝜇𝐹,100 𝜇𝐹; Biến trở: 1M𝛺; Header 2. Thiết kế PCB
Để thiết kế PCB thích hợp thì cần chú ý theo một vài nguyên tắc bên dưới: Quy tắc thiết kế và bố trí linh kiện
- Khoảng cách đường dây với viền mạch lớn hơn 5mm. - Ưu tiên đặt linh kiện chính hay có diện tích lớn làm tâm. - Linh kiện có cơng suất lớn thì đặt tại vị trí dễ tản nhiệt. - Đầu ra và đầu vào cần đặt cách xa nhau.
- Cần đặt linh kiện có cơng suất cao tại vị trí khó chạm vào để tránh gây hại. - Linh kiện nhạy cảm với nhiệt đặt xa linh kiện phát nhiệt.
- Bố cục cân bằng, đồng đều, theo sát nhau. - Tụ lọc nên đặt gần vị trí đầu ra.
- Linh kiện có kích thước nhỏ nhưng nhiệt lượng cao cần bổ sung thiết bị tản nhiệt.
Quy tắc thiết kế dây
- Dây nên tránh góc nhọn, vng. Nên đi dây với góc 45 độ - Tín hiệu cao tần nên đi dây ngắn nhất có thể