Лабораторная работа № 25 Тема: Разработка печатной платы в пакете KiCad
Цель работы: изучение методики работы в редакторе печатных плат «pcbnew»; методик ручной и автоматической трассировок ПП
Оборудование рабочего места: ПК, ПО
Краткие теоретические сведения
Редактор печатных плат «pcbnew» – это мощная программа для создания печатных плат (printed circuit board), работающая с разными семействами операционных систем: как с LINUX, так и с WINDOWS. Он используется совместно с программой разработки схем (schematic capture) «eeschema», которая на выходе, помимо рисунка электрической схемы, формирует список электрических цепей (Netlist-файл), описывающий электрические соединения для разработки печатной платы (PCB).
«pcbnew»управляет библиотеками модулей. Каждый модуль это плоский образ посадочного места (ПМ) физического компонента (footprint), включающий послойную геометрию контактных площадок, обеспечивающих соединение с компонентом. Требуемые модули автоматически загружаются во время чтения Netlist, формируемого программой CVPCB.
«pcbnew»интегрирует, автоматически и немедленно, любые
модификации цепи, удаляя ошибочные дорожки, добавляя новые компоненты или модифицируя любые значения (и при определенных условиях любые ссылки) старых или новых модулей, согласно с электрическими соединениями, появляющимися в схеме.
«pcbnew»обеспечивает отображение не реализованных соединений (rats nest display), тонкая линия соединяет контактные площадки модулей, которые соединены по схеме, но не разведены проводниками (дорожками).
Эти соединения динамически перемещаются вместе с перемещениями дорожек и модуля.
«pcbnew»имеет активную проверку правил проектирования Design Rules Check (DRC), которая автоматически обнаруживает любые ошибки разводки в реальном времени.
«pcbnew»может автоматически генерировать рисунок дорожек с (или без) термальных барьеров (thermal breaks) на площадках.
«pcbnew» имеет простую, но эффективную авто-разводку (autorouter) для помощи в проектировании плат. Экспорт и импорт в формат Specctra DSN позволяет привлекать более развитые внешние программы авто-трассировки.
«pcbnew»поддерживает специфические опции для изготовления схем СВЧ (ultra high frequency) (трапециевидные и сложной формы площадки, автоматическую прорисовку катушек).
«pcbnew» отображает элементы топологии платы (проводящие дорожки, площадки, тексты, рисунки…) в реальных размерах, в соответствии с персональными настройками:
• заполненное или контурное отображение;
• отображение зазоров дорожка/площадка.
«pcbnew» имеет внутреннее разрешение в 1/10000 дюйма и работает с 16 слоями меди (сигнальными слоями) и 12 техническими слоями (маркировочный трафарет или шелкография, маска припоя, адгезионный компонент, флюс, чертежи и комментарии) и управляет в реальном времени индикацией тонкими линиями (ratsnest) пропущенных (неразведенных) дорожек. Отображение элементов топологии платы (дорожек, площадок, текста, рисунков) может быть определено пользователем:
• полное или контурное;
• скрытое для некоторых элементов (медные слои, технические слои, зоны металлизации, модули), что полезно для высокоплотных многослойных плат.
Для сложных цепей отображение слоев, зон, компонент может быть удалено выборочным путем для улучшения восприятия на экране. Модули могут поворачиваться на любой угол с шагом в 0,1 градуса.
Площадки могут быть круглыми, прямоугольными, овальными или трапецеидальными (последние необходимы при подготовке СВЧ–цепей). Вдобавок некоторые базовые площадки могут быть сгруппированы. И размер каждой площадки, и слои, где они появляются, могут регулироваться. Сверление отверстий может быть скорректировано значением смещения (offset). «pcbnew» может автоматически формировать области (планы) металлизации с автоматической генерацией термальных барьеров (thermal breaks) вокруг близко расположенных площадок.
Редактор модулей (Module Editor) доступен с инструментальной панели редактора платы «pcbnew. Редактор позволяет создать или модифицировать модуль платы или библиотеки, а затем сохранить тот или другой. Модуль, сохраненный в проекте платы, одновременно может быть сохранен в библиотеке. Дополнительно все модули платы могут быть сохранены в библиотеке созданием footprint archive (архива образов посадочных мест корпусов).
«pcbnew» генерирует все необходимые для работы документы:
• файлы управляющих программ (УП) для фото-плоттера в формате GERBER;
• файлы УП для сверления отверстий платы в формате EXCELLON;
• файлы чертежей топологии и план сверления в POSTSCRIPT формате;
• файлы чертежей топологии в HPGL формате;
• файлы чертежей топологии в DXF формате;
• локальная распечатка на принтере.
Порядок проведения работы
Сопоставление УГО ЭРЭ ПМ в «cvpcb»
Для правильной разводки проводников на слоях печатной платы (printed circuit board, PCB) электрической принципиальной схемы каждое условное графическое обозначение (“компонент” в терминологии KiCAD) должно быть связано с типом физического корпуса (“модуль” в терминологии KiCAD).
Некоторые САПР связывают компоненты с типами корпусов непосредственно в своих библиотеках. В KiCAD связь не встроена в библиотеку. Преимуществом данного подхода является в том, что отдельный компонент схемы, например, конденсатор, может использоваться с множеством различных типов корпусов, например, с осевыми, радиальными или для поверхностного монтажа корпусами разных размеров.
Запустите
«cvpcb»
из
менеджера проектов
«kicad»,
либо
нажав на кнопку
на панели инструментов
«eeschema»
редактора электрических
схем.
Окно модуля «cvpcb» с загруженным списком цепей схемы электрической принципиальной представлено на рисунке 5.1.
Рис. 4.1. Окно программы «cvpcb»
Левая панель «cvpcb» содержит список компонентов используемых в текущей схеме, их позиционное обозначение, значение и связанное посадочное место. Правая панель содержит список доступных ПМ.
Для добавления собственной библиотеки посадочных мест (л.р. № 3) выберите пункт меню «cvpcb» «Настройки/Конфигурация» и в открывшемся окне укажите файлы библиотеки ПМ, документации и пути поиска библиотек.
Для назначения символьному элементу корпуса необходимо сначала выбрать по строку с именем символьного, а затем сделать двойной щелчок кнопкой «мыши» на соответствующем имени корпуса. Назначенное название корпуса появится после двоеточия. Изменение соответствия символьных компонентов и корпусов производится так же как и назначение.
Для просмотра выбранного
ПМ нажмите на кнопку
на панели инструментов.
Автоматическое назначение
или удаление
соответствий
производится с помощью соответствующих
кнопок окна программы.
После назначения соответствий необходимо записать изменения в
список цепей и посадочных
мест
.
Кнопка
позволяет создать
файл списка УГО/ПМ, который в дальнейшем
может использоваться редактором схем
«eeschema»
для записи имен ПМ
в атрибуты компонентов схемы.
Разработка печатной платы в редакторе печатных плат «pcbnew»
Запустите редактор печатных
плат
«pcbnew»
из
менеджера
проектов
«kicad», либо
нажав на кнопку
на панели инструментов
«eeschema»
редактора электрических
схем.
Рисунок 4.2. Окно редактора печатных плат «pcbnew»
В окне редактора (рисунок 4.2) традиционно по левому краю расположены кнопки визуального представления, например, режим слежения за правилами трассировки, отображение сетки, единицы измерения, отображение цепей и т.д.
Также сверху расположены выпадающие списки задания ширины текущей трассы, диаметра переходных отверстий, шага сетки, масштаба и активного технологического слоя.
По правому краю окна располагаются кнопки, используемые для работы с элементами платы, например, подсветка цепей выбранного корпуса или контактной площадки, добавление корпусов и трасс, добавление графических и текстовых элементов на плате, удаление элементов и т.д.
С помощью команды меню «Настройки/Библиотека» подключите библиотеки посадочных мест и пути их поиска.
Установите параметры редактора печатных плат «pcbnew»
(«Настройки/Общие») в соответствии рисунку 4.3.
Рисунок 4.3. Общие настройки редактора печатных плат «pcbnew»
Установить значения для ширины проводников, необходимые зазоры и размеры переходных отверстий для каждого класса цепей можно в редакторе правил проектирования для этого выберите меню «Настройка
правил/Правила проектирования» (рисунок 4.3)
Рисунок 4.3. Окно редактирования правил трассировки
Чтение списка цепей
Загрузите с помощью кнопки
ранее сохранённый
список цепей.
В окне диалога нажмите кнопку «Просмотр файлов списков цепей», чтобы запустить диалог выбора файла, а затем выберите файл списка цепей, который вы недавно создали для своего проекта. Вернувшись в диалог считывания цепей, нажмите на кнопку «Прочитать текущий список цепей» (рисунок 4.4).
Рисунок 4.4. Диалог чтения списка цепей
Запустите проверку ПМ «Тест посадочных мест» на возможные ошибки в расположении посадочных мест.
Наиболее распространенные ошибки:
– модуль имеет меньше количество выводов, чем связанный с ним компонент;
– обозначения выводов модуля не соответствуют обозначениям выводов компонента (например, выводы УГО компонента могут быть пронумерованы, в то время как выводы ПМ могут быть обозначены буквами).
Для устранения данных ошибок необходимо либо выбрать другое ПМ
для УГО компонента, либо изменить УГО, либо изменить ПМ, но так, чтобы они совпадали.
Определение размера платы
Проектирование ПП начинается с задания контура платы. Контур рисуется, как последовательность отрезков линий. Выберите «Контуры платы» в качестве активного слоя, расположенного в верхней правой области либо снизу на правой вкладке «Видимость/Слой». Затем кликните «Добавить
графические линии или
полигоны»
в правой инструментальной
панели.
Используйте кнопки
и
на правой панели
инструментов, если контур платы имеет
сложную форму. Нарисуйте контур платы
в рабочей области окна.
Расстановка модулей
Редактор печатных плат «pcbnew» при загрузке нового списка соединений добавляет все модули схемы в проект. Он располагает их всех кучно в одном месте, друг поверх друга. Если проект не имеет контура платы, то недавно добавленные модули находятся верхнем левом углу листа с рамкой. Если проект содержит контур платы, то в дальнейшем новые модули размещаются ниже контура.
Отдельными модулями очень легко управлять. Сначала нажмите на кнопку «Ручное и автоматическое перемещение или размещение модулей» на
верхней панели. Необходимо
чтобы кнопка была во «вжатом» положении.
Затем щелкните правой кнопкой мыши в
пустом пространстве чертежа, и выберите
пункт «Глобальное перемещение и
размещение/Переместить все модули».
Данная команда расставит все ПМ.
Переместите группу модулей в центр листа следующим образом: удерживая левую кнопку «мыши» выделите все модули. Отпустите кнопку «мыши». В появившемся окне «Блочные операции» нажмите кнопку «Ok» и переметите «мышь» в центр листа (платы).
Когда размер платы определены, редактор схем «pcbnew» сможет автоматически разместить все ПМ компонентов. В данной лабораторной работе, мы будем делать размещение вручную.
На рисунке 4.5 представлен пример размещения компонентов на плате.
Рисунок 4.5. Пример размещения модулям на плате
Автоматическая трассировка ПП
Переключитесь в режим
«Дорожек: автотрассировка»
на верхней панели
инструментов. Теперь команды автоматической
трассировки доступны в контекстном
меню, всплывающем при нажатии правой
кнопкой мыши.
Для проектирования односторонней ПП, щелкните правой кнопкой мыши в пустой области и выберите пункт «Автотрассировка/Выбор пары слоев». В диалоговом окне выберите “Back” как верхний и нижний слой, и нажмите кнопку «Ok». В появившемся окне с предупреждением о совпадении слоев нажмите кнопку «Ok».
Теперь щёлкните правой кнопкой мыши в пустой области и выберите пункт «Автотрассировка/Автотрассировать все модули». Результат работы автотрасировщика представлен на рисунке 4.6.
Рисунок 4.6. Результат работы автотрассировщика
Дополнительно вы можете указать автотрассировщику: авторазвести все модули, один модуль, цепь или контакт. Правый клик Автотрассировка над модулем произведет разводку по маршруту всех цепей, связанных с этим модулем. Правый клик Автотрассировка цепи над контактом, произведет разводку всей цепи, связанной с этим контактом. Щелкните правой кнопкой мыши Автотрассировка контакта над контактом, чтобы развести участок цепи, от этого контакта до ближайшего соседнего. Вы можете использовать это, чтобы помочь автотрассировщику выполнять лучше разводку, выбирая порядок разводки цепей.
Ручная трассировка ПП
Ручное вмешательство обычно необходимо, чтобы завершить трассировку.
Часто автотрассировщик не может найти путь, чтобы проложить трассы для некоторых цепей. Эти не проложенные цепи отображаются линиями неразведенных соединений платы. Для некоторых проложенных цепей пользователь часто мог бы предпочесть свою прокладку маршрутов, отличную от той, которую выбрал автотрассировщик.
Уменьшая риск короткого замыкания, ручное вмешательство делает возможным избегать такую трассировку, при которой дорожки проходят между парами контактов интегральной схемы.
Рисунок 4.7. Результат ручной трассировки ПП
Посмотреть на 3D – вид полученной ПП можно выбрав пункт меню «Просмотр/3D вид» (рисунок 4.8). Программа просмотра трехмерных изображений даст вам возможность поворачивать изображение, чтобы взглянуть на него под разными углами. В 3D виде можно выключить заливку зон, чтобы они не закрыли все остальное.
Рисунок 4.8. 3D вид платы
Результаты трассировки печатной платы можно сохранить в файл
(Файл/Сохранить)
для дальнейшей работы
либо создать файлы для передачи в
производство.
Содержание отчета
В отчете указать тему, цель работы
Порядок проведения работы
Записать выводы по проделанной работе
Контрольные вопросы
1. Этапы переноса данных из схемного редактора в редактор печатных плат
2. Последовательность использования средства автоматического размещения элементов на плате
3. Настройка технологических параметров печатной платы
4. Каким образом создать металлизацию неиспользуемого места на печатной плате
5. Варианты экспорта печатной платы в другие форматы
6. Каково максимальное количество слоёв металлизации в редакторе печатных плат
7. Какие файлы необходимы для производства разработанной печатной платы