Návrh dosky plošného spoja

Úloha

1. Skontrolujte nakreslenú schému nástrojom ERC Opravte chyby. Prípadne ak sú nesprávne programom vyhodnotené, tak ich schválte approve
2. Vygenerujte dosku nástrojom Generate/switch to board
3. Doska musí byť vyrobitelná na školskej fréze. Minimálna vyrobitelná šírka cestičky je 0,4mm a minimálna šírka izolačnej medzery je tiež 0,4mm. To dovoľuje viesť jeden spoj pomedzi plošky integrovaného obvodu. Snažte sa aby ste takýchto prípadov mali minimum - najlepšie žiadny.
   Toto sa vám nepodarí dosiahnuť ak použijete prepojenie signálov ako boli zapojené na doske v kufríku.
   Nakoľko však ste aj autormi programu, takže ho nie je problém upraviť, mali by ste preusporiadať vývody MCU, tak aby plošný spoj bol čo najednoduchší. Čo znamená že vývody vedúce k displejom môžete ľubovolne poprehadzovať. Vývody idúce k tranzistorom môžete tiež ľubovolne poprehadzovať. Tak isto môžete poprehadzaovať vývody k tlačítkam. Všetky vývody sú programovaltelné a hociktorý môže plniť hocijakú funkciu. Pre jednoduchosť zmien programu by mali byť všetky tranzistory na jednom porte a všetky tlačítka na jednom porte. LED displej už z princípu musí byť na portoch dvoch, nakoľko nemáme k dispozíciu jeden kompletný 8 bitový port
4. Ak je minimálna vyrobitelná šírka cestičky 0,4mm neznamená to že všetky cestičky na DPS budú mať takúto šírku. Túto šírku používajte na najnutnejšiu dĺžku. Normálne signálové spoje vedte šírkou aspoň 1mm. Napájacie spoje vedte šírkou 2,5mm a viac. Čím hrubšie budete mať spoje tým je väčšia šanca že DPS nezničíte pri osádzaní, a oprave dosky.
5. Súčiastky rozmiestnite tak aby spoje boli čo najkratšie, čo najmenej sa krížili a obchádzali. Typická chyba minulý rok bola pri pripájaní kryštála k MCU. Niektorí "experti" tam dokázali urobiť slučku dlhú aj 10cm. Pri 16MHz obdĺžnikovom signáli, ktorý sa tu nachádza by to už bola asi celkom dobrá rušička FM rádií.
6. Navrhnite dosku jednostranného plošného spoja. Môžete použiť maximálne 4 prepojky. Snažte sa aby ste nemuseli použiť žiadnu.

Teoretický rozbor

• Prúdová zaťažitelnosť - spoj na doske tvorí pomerne tenký medenný pásik. Bežná hrúbka medennej fólie je 35 µm Pre každý vodič existuje maximálna prúdová hustota, ktorú keď prekročíte vodič sa bude prehrievať a môže sa stať že dosiahne veľmi vysokú teplotu až takú že zhorí. Preto sa hrúbka spoja volí aj s ohľadom na pretekajúci prúd. Dnes máme k dispozícii nástroje ktoré nám dokážu vypočítať pre dané prúdové zaťaženie minimálnu šírku spoja. Niektoré lepšie návrhové systémy už tieto kalkulácie dokážu vykonávať priamo pri návrhu dosky. Žial eagle túto funkciu zatiaľ nemá a preto môžeme využiť niektorú online stránku. Napríklad digikey Tu je potrebné zadať vstupné hodnoty ako je pretekajúci prúd, teplotu prostredia, dovolené oteplenie, hrúbku fólie.
  Stránka potom na základe určitých vzťahov vypočíta minimálne šírky spojov.
  Všimnite si že teoreticky by postačovala na 1A prúdu iba 0,2mm šírka spoja pre vonkajšie vrstvy. Treba si ale uvedomiť že na vodiči by pri 10cm vznikol úbytok napätia 0,3V. Je teda dobrý dôvod použiť oveľa väčšiu šírku spoja aby sa úbytok napätia minimalizoval.
• DRC - Design Rule Check (kontrola návrhových pravidiel) Program Eagle má možnosť vykonávať pri navrhovaní kontrolu minimálnych izolačných medzier a kontrolu minimálnej šírky spojov. Túto kontrolu si treba nastaviť pomocou príkazu Tools > DRC... v záložkách Clearance a Sizes nastavte hodnot 0.4mm tak ako to vidíte na nasledovných obrázkoch
  
  
  
• Elektromagnetická kompatibilita. Dnešné zariadenia predtým než ich je možné predávať musia absolvovať test na EMI a EMC. Zjednodušene povedané zariadenie nesmie svojou činnosťou ovplyvňovať iné zariadenia. Teda nesmie rušiť rádiové vysielanie na žiadnom frekvenčnom pásme (rádio, televízia, wifi, bluetooth, letecké komunikácia a navigácia ...).

  Na tomto odkaze si môžete pozrieť ako sa meria EMI vyžarovanie Sony televízorov v testovacej EMI komore u môjho bývalého zamestnávateľa Foxconn Slovakia

  Tak isto zariadenie musí byť odolné voči elektromagnetickému rušenie iných zariadení. Ako sú mobilné telefóny, indukčné záťaže.

  Táto problematika vyžaduje hlbšie znalosti z elektrotechniky, ktoré sú obsahom výuky na vysokých školách. Pre naše podmienky túto problematiku zjednodušíme na pravidlo že spoje majú byť čo najkratšie a nesmú sa v zapojení vyskytovať slučky. Každý vodič totiž funguje ako prijímacia a vysielacia anténa. Takže môže slúžiť aj ako zdroj rušenia či ako vstup rušenia do zariadenia.
• Opraviteľnosť - pri výrobe zariadeni aby sme mali mať na pamäti že bude možno potrebné niektoré súčiastky na dooske vymeniť. Dôvodom môže byť napríklad omyl pri osádzaní, keˇomylom otočíte a zaspájkujete tranzistor opačne otočený. Alebo neurobíte dôsledne test displejov a po zaspájkovaní zistíte že je nefunkčný niektorý segment. Toto sú všetko dôvody aby ste dosku navrhli tak aby jej osadenie nebolo jednorazový počin. Najväčší problém je tu opäť šírka spojov a plošiek. Ak budú príliš malé, stačí dlhšie prehratie plošky a ploška sa z plošného spoja odtrhne. Tak isto drobná ploška nevydrží mechanické namáhanie pri páčení súčiastky pri oprave. To je opäť dôvod robiť spoje a aj plôšky súčiastok čo najväčšie.

Postup

• Od momentu kedy vygenerujete DPS musíte mať vždy pri práci s projektom otvorené obe okná. Aj okno so schémou aj okno s DPS. Ak by ste robili zmeny iba na doske, nedošlo by k tzv anotácii kedy sa zmeny na schéme automaticky zmenia aj na doske.
• Pri rozmiestňovaní súčiastok môžete využiť to že ak napíšete referenciu súčiastky (napr. R2 ) do dialógového riadku. Klávesou Enter potom z strapca súčiastok vyskočí presne tá ktorú potrebujete
• Pri rozmiestňovaní súčiastok je dobré postupovať podľa schémy. Preto by bolo dobré navštíviť dielne a schému si tam vytlačiť
• Dosku som navrhoval minulý rok. Moje doporučenie je navrhnúť umiestniť a prepojiť oba displeje. Následne k nim pridať spínacie tranzistory a k nim prislúchajúce rezistory. Potom k displeju vhodne umiestniť 8 rezistorov ktoré obmedzhujú prúd v jednotlivých segmentoch.

  K tomuto základu je teraz potrebné umiestniť procesor. Vôbec nevadí že sa tu kríži veľa spojov. Ako je spomenuté v úvode zadania. Pre optimálny návrh je treba jednotlivé signály poprehadzovať tak aby sa nekrížili.

  Na koniec sa už len čo najbliššie umiestnia súčiastky oscilátora, tlačítka, konektor na pripojenie a ako posledné sa rozmiestnia kondenzátory filtrujúce napájacie napätie.
• Pri premiestňovaní súčiastok opakovane používajte nástroj Ratsnest. Tento nástroj vždy optimalizuje vzdušné spoje tak aby boli čo najkratšie a zároveň v stavovom riadku informuje o počte nenavrhnutých spojov.
• Upravte rozmer dosky na čo najmenšiu možnú mieru. Pokiaľ chcete do rohov dosky umiestnite konštručné otvory pomocou nástroja hole pre uchytenie dosky, napríklad krutkami M3.
• Nakoniec na spodnú stranu DPS umiestnite nápis - meno, trieda, dátum, a názov výrobku.
• Hotovú dosku si treba skontrolovať pomocou DRC. Samozrejme predtým je potrebné nastaviť si správne minimálne izolačné medzery a šírky spojov podľa teoretického rozboru.
• Hotový návrh konzultujte s vyučujúcim. Návrh ktorý nebude spĺňať podmienky zadania sa nebude vyrábať. Bolo by to plytvaním času a materialu.

Hodnotenie