10 نکته مهم که برای طراحی شماتیک الکترونیک باید بدانید.

از بلوک دیاگرام ها و بلوک های عنوان دار در طراحی شماتیک الکترونیک استفاده کنید

بلوک دیاگرام ها در طراحی الکترونیک بهترین مرجع برای نشان دادن دید کلی و معماری شماتیک شما می‌تواند باشد و به خواننده کمک می‌کند تا به سرعت، توانایی و وظیفه مدار را با خلاصه کردن در سیستم ها و زیرسیستم های طراحی درک کند. بلوک دیاگرام منبع تغذیه AC به DC که در شکل زیر نشان داده شده است، معرفی طراحی کلی سخت‌افزار DC را نشان می‌دهد که هر کسی به مدار نگاه کند، به راحتی کارایی کل مدار را درک خواهد کرد؛ این روش موفقی است که بیشتر طراحان آن را نادیده می‌گیرند.

نکته مهم دیگر این است که نامی به شماتیک خود بدهید و نام خود را در Title Block اضافه کنید که باعث می شود شماتیک حرفه ای تر و ماهرتر به نظر برسد. شکل زیر شماتیک BCD سون سگمنت را نشان می دهد که شامل جزئیات و نکات لازم برای کسی است که این مدار را در بردبورد پیاده سازی کند یا یک PCB بسازد.

قرارگیری قطعات و سیگنال های ورودی /خروجی

نمای شماتیک شما باید به گونه‌ای طراحی شود که سیگنال‌های الکتریکی از چپ به راست شروع به جریان کنند.شکل زیر یک مدار تقویت کننده عملیاتی (آمپلی فایر) را نشان می‌دهد که ورودی‌ها در سمت چپ و خروجی‌ها در سمت راست قرار دارند. به طور کلی، خط تغذیه باید در بالا و اتصال به زمین در پایین نمای شماتیک قرار گیرد تا خوانایی آن راحت باشد.

طراحی نمای اولیه (شماتیک) به عنوان یک اثر هنری هم در نظر گرفته می‌شود، زیرا هر طراح باید در هنگام قرار دادن اجزای مدار چاپی (PCB) همان علاقه و دقت را باید داشته باشد.

با دسته بندی قطعات مشابه در یک جهت واحد، به ویژه قطعات جهت دار در یک ردیف یا ستون واحد (مانند شکل زیر)، باعث می‌شود که مسیرهای اتصال کاهش یافته و جای کافی برای مدار های مجتمع (ICs) فراهم شود.

همه ی ECAD های خوب(طراحی مدار الکترونیکی) امکان ویرایش گریدها را در ویرایشگرهای شماتیک برای فعال کردن آسان اجزا و قرار دادن پین ها را ارائه می‌دهند. به طور کلی توصیه می‌شود از گرید 100mils/2.54 mm برای طراحی های نرمال و گریدهای 50mils/1.27mm برای طراحی هایی که شماتیک متراکم تری دارند، استفاده شود.

اتصالات خود را توضیح دهید

اینکه کدام شبکه ها متصل هستند و یا کدام ها از هم عبور کرده اند، برای توضیح اتصالات مهم است.برای حل این مشکل باید از قرارداد نقطه ها برای توضیح اتصالات خود استفاده کنید. روش هایی که اغلب ترجیح داده می‌شوند در شکل زیر نشان داده شده است.

هنگام اتصال یک پین از نماد، توصیه می‌کنیم قبل از تغییر جهت، یک نقطه شبکه به سمت بیرون ایجاد کنید، این کار تضمین می کند که تمام شبکه های شماتیک شما در هنگام تولید طرح PCB در لیست شبکه ظاهر می شوند.

شما میتوانید در مواقع ضروری از گذرگاه ها برای گروه بندی سیگنال ها استفاده کنید تا شماتیک مختصر تر و خواناتری داشته باشید. همچنین می‌توانید از یک کانکتور یا نماد سراسری برای ایجاد اتصال بین سیم‌های مختلف به سیگنال‌های مشترک برای پایه‌هایی مانند زمین و پاور همانطور که در شکل زیر نشان داده شده، از طریق سلسله مراتب (مدارهای فرعی، بلوک‌های سلسله مراتبی و چند صفحه) استفاده کنید و شماتیک بدون شلوغی و مختصرتری داشته باشید.

با اشاره به زیر، سیگنال های +V و –V و VIN و VOUT کانکتورهای سراسری هستند که برای مخفی کردن خازن های بای پس از مسیر سیگنال به منظور به حداقل رساندن درهم و برهمی شماتیک استفاده می شوند.

استفاده از برچسب‌های شبکه و نام‌های مختصر مرجع

در شماتیک، شما باید تمامی شبکه ها، به‌ویژه برای سیگنال‌های مهم را برچسب‌گذاری کنید.این کار به شما در هنگام دیباگ کردن مدار یا انجام شبیه‌سازی و حتی طراحی PCB کمک خواهد کرد.حتی برچسب‌گذاری شبکه ها ضروری نیست، اما این کار در طراحی PCB زمان زیادی را صرفه‌جویی می‌کند. در شکل زیر، هر دو سیگنال Reset و LED برچسب شبکه هستند. یکی دیگر از نکته های مهم شبکه‌های برچسب‌گذاری، افزایش خوانایی با اتصال پایانه‌های دور است، حتی اگر به صورت فیزیکی از طریق سیم به یکدیگر متصل نباشند.

نکته مهم دیگری که حتما باید به آن توجه داشته باشید، Reference Designators و مقادیر مناسب است که ترکیبات اعداد / حروف برای نشان دادن و شناسایی نوع مؤلفه، مطابق جدول زیر، در طراحی شما هستند.

این رفرنس ها معمولاً بر روی PCB به عنوان برچسب چاپ می شوند که امکان یافتن آسان مکان اجزا را فراهم می کنند. در شماتیک شما، رفرنس ها باید نزدیک به اجزا مطابق با الگوی کل طرح، به صورتی که در بالا یا پایین اجزای افقی و یا در سمت چپ یا راست اجزای عمودی باشند، درج شوند.

توجه داشته باشید که وقتی میخواهید روی نمودار خود یادداشتی بنویسید، مطابق با نامگذاری و کوتاه و مختصر باشد. سعی کنید از فضای خالی بین نام ها استفاده کنید تا درهم آمیختگی نام ها با شماتیک را به حداقل برسانید،زیرا که ممکن است خوانندگان دچار سردرگمی شوند.

سیگنال های ورودی و خروجی را به وسیله خازن های کوپلینگ و دکوپلینگ فیلتر کنید

خازن های کوپلینگ و دکوپلینگ ویژگی فیلترینگ را دارند که توسط طراحان شماتیک بیشتر شناخته میشوند.

به طور کلی، منابع تغذیه پایدار نیستند و ولتاژ خروجی همراه با نوسان را ارائه می دهند که ممکن است به در بردها به میکروکنترلر مدار آسیب برساند. به همین دلیل، هنگام طراحی مدار خود برای تامین منبع DC خالص، باید یک خازن موازی و نزدیک به منبع تغذیه اضافه کنید. در این حالت به این خازن، خازن جداسازی (DECOUPLING CAPACITOR) می گویند. این خازن دکوپلینگ از منبع شروع به شارژ می کند و وقتی به سطح ولتاژ Vcc رسید، جریان از خازن عبور نمی‌کند. خازن جداکننده این شارژ را تا زمانی که سطح ولتاژ از منبع کاهش پیدا کند حفظ می‌کند.

نکته مهم دیگری که باید در هنگام برخورد با مدار تقویت کننده در ذهن خود نگه دارید، استفاده از خازن های کوپلینگ است. این خازن‌های کوپلینگ اجازه می‌دهند تا هم نویز فرکانس پایین و هم عنصر DC را در سیگنال خروجی یک مدار تقویت‌کننده صاف و مسدود کنند.

خازن بای پس برای حذف نویزهای درونی از سیستم با بای پس کردن آن به زمین ، عمدتاً در مدارهای تقویت کننده و بلندگو استفاده می شوند تا صدایی واضح به دست آید.

به طور خلاصه، به خاطر داشته باشید که خازن‌های جداکننده برای سیگنال‌های ورودی و برای جدا کردن AC از سیگنال‌های DC ، جایی که مقادیر آنها باید بین 1 µF تا 100 µF در نویز فرکانس پایین و بین 0.01 µF تا 0.1 µF در نویز فرکانس بالا باشد، مفید هستند. با این حال، خازن های کوپلینگ برای سیگنال های خروجی استفاده می شوند. خازن های بای پس هم برای حذف نویز AC از سیگنال DC برای دریافت سیگنال DC خالص و صاف تر به کار می‌روند. سه نوع مختلف خازن ذکر شده برای هدف فیلتر کردن، در شکل زیر گروه بندی شده است.

از مقاومت های pull up و pull down استفاده کنید

این قانون طلایی را باید هنگام برخورد با میکروکنترلرها و مدارهای دیجیتال IC به طور خودکار در ذهن خود نگه دارید.

همانطور که میدانید هر میکروکنترلر و آی سی دیجیتال به صورت منطقی کار می‌کنند و رابطه مستقیمی با ولتاژ ورودی دارند. برای مثال ولتاژ ورودی بین +5 ولت تا 2.8+ ولت در یک IC دیجیتال به عنوان حالت بالا یا منطق 1 و 0 تا 0.8 ولت به عنوان حالت پایین یا 0 تفسیر می شود. در صورتی که ولتاژ ورودی بین این ولتاژهای ورودی یعنی +0.9 و +2.7 ولت باشد، یک حالت نامشخص یا حالت شناور خواهد بود و در این حالت ، حالت منطقی یا کم (0) یا بالا (1) خواهد بود.

شما می‌توانید این مشکل را به راحتی با استفاده از مقاومت های pull up که عموما 4.7 تا 10 کیلواهم استفاده میشود، نزدیک ولتاژ VCC (بین 3.3 تا 5 ولت) و با استفاده از مقاومت های pulldown که عموما 10کیلو اهم استفاده میشود، نزدیک ولتاژ زمین (0 ولت) نگه دارید. با این کار ورودی های تراشه و میکرو به راحتی قابل کنترل خواهد بود و شما مطمِین خواهید بود که میکرو شما به درستی کار می‌کند.

استفاده از میکروکنترلرهای MCU

MCU های مدرن از برندهای مختلف (ATMEL، Microchip، STMicroelectronics…) ویژگی های پیشرفته ای را با قیمت های کمتر، برای دستیابی به بسیاری از کارها مانند ارتباط سریال/I2C/SPI، تبدیل A/D، تایمر و… ارائه می دهند که همگی در پک های کوچک دسته بندی شده اند. فضای کمتری را اشغال میکنند و کارایی و عملکرد طراحی شما را افزایش میدهند.

استفاده از میکروکنترلرهای MCU به میزان قابل توجهی در زمان شما صرفه جویی خواهد کرد.زیراکه برای انجام یک تبدیل آنالوگ به دیجیتال ساده مولفه های زیادی را حذف میکند و شماتیک شمارا کاهش میدهد.فقط باید میکروکنترلر خود را پروگرم کنید و حتما دیتاشیت آن را مطالعه کنید.

از سیگنال های PWM برای صرفه جویی در مصرف انرژی استفاده کنید.

طراحی مداری با مصرف انرژی کم بسیار مهم است، به ویژه اینکه محصول نهایی امکان تعویض سلول های باتری یا امکان شارژ را نداشته باشد. به همین دلیل، همیشه باید به استفاده از طرح مدولاسیون عرض پالس (PWM) با استفاده از NE555 یا یک MCU اختصاصی فکر کنید که می تواند کارایی انرژی برنامه شما را افزایش دهد.این تکنیک صرفه جویی در انرژی را می‌توان برای مدارهای ساده LED یا موتور استفاده کرد.برای روشن شدن این نکته یک مثال میزنیم.

مثلا یک سیگنال 50 هرتز با چرخه کاری 75% را در نظر می‌گیریم. با این پارامتر ها، پالس ON برای 75% ( در جایی که جریان وجود دارد) و پالس OFF برای 25% (برای جایی که جریان وجود ندارد) برای کل دوره زمانی میماند. در طول زمان خاموش، LED ها یا موتورها به آرامی به این انتقال جریان واکنش نشان می دهند و این تصور را ایجاد میکنند که هنوز روشن هستند. شکل زیر چرخه های کاری متداول را نشان می دهد که می توانید با توجه به کاربرد خود برای صرفه جویی در مصرف انرژی از آنها استفاده کنید.

استاندارد مناسب برای نماد اجزا انتخاب کنید.

قبل از شروع طراحی شماتیک خود، به این فکر کنید که می خواهید از کدام نمادها در طول طراحی خود استفاده کنید. با اینکه اکثر نمادها در سطح بین المللی به کار می روند، اما در بعضی از نقاط جهان و به طور عمده در ایالات متحده متفاوت هستند ، به عنوان مثال ، نماد مقاومت که توسط بسیاری از طراحان در ایالات متحده به کار می رود ، متفاوت از طرف اروپایی است.

موسسه مهندسین برق و الکترونیک IEEE استانداردهای زیادی را برای نمادهای اجزای متداول مورد استفاده برای طراحان ایجاد کرده است، مانند استاندارد 91 IEEE برای نمادهای گرافیکی توابع منطقی، استاندارد IEEE 315 که شامل نمادهای گرافیکی و تعیین نمودارهای برق و الکترونیک و استاندارد IEEE 991 برای نمودار های منطقی است.

نکته دیگری که باید به آن توجه داشته باشید، نمادهای خازن است، برای جلوگیری از حوادث فاجعه بار، مانند آتش سوزی، دود و انفجار که در حین اجرا در هنگام برخورد با خازن های پلاریزه ممکن است پیش آید. به همین دلیل، استفاده از نمادهای نشان داده شده در شکل زیر برای خازن های پلاریزه و غیرقطبی ترجیح داده می شود. این علامت خازن پلاریزه با علامت کوچک “+” بسیار کاربردی است ولی این علامت به دلیل مشکل کپی هم ناپدید شود، شما و خوانندگان به سرعت این جزء را تشخیص خواهید داد.

ابزار CAD مناسب را انتخاب کنید.

شما میتوانید طرح های شماتیک اولیه خودرا به راحتی ترسیم کنید. اما بهتر است برای طرح های پیچیده خود که بسیاری از قطعات و مدارهای مجتمع را شامل می شود از نرم افزار های طراحی (ECAD) که به نام اتوماسیون طراحی الکترونیکی (EDA) نیز شناخته می شود، استفاده کنید. توصیه می شود از یک CAD معروف و حرفه ای برای طراحی شماتیک و تولید PCB با نماهای سه بعدی استفاده کنید.