Отчет по лабораторной работе №2: Проектирование печатной платы

1. Цель работы

- Овладеть навыками использования САПР Altium Designer для проектирования стека печатной платы и задания технологических ограничений. - Создать модель печатной платы, включающую все элементы электрической схемы с заданными параметрами для размещения и трассировки.

2. Задание

1. Создать заготовку печатной платы. 2. Разработать стек печатной платы, включающий проводящие и диэлектрические слои. 3. Определить технологические ограничения (ширина проводников, зазоры, размеры отверстий) на конструкцию и топологию платы.

3. Порядок выполнения работы

1. Подготовка проекта: - Открыть проект и установить метрическую систему измерений. 2. Создание стека: - Выбрать материалы, установить симметричный стек для устойчивости платы, добавив слой финишного покрытия контактных площадок ENIG. 3. Определение контура платы: - Построить контур платы, настроив шаг сетки и задание зоны запрета трассировки на краях. 4. Настройка правил проектирования: - Установить зазоры между элементами, ширину проводников и размеры отверстий согласно производственным ограничениям завода. 5. Проверка парности слоев: - Настроить парность слоев для корректного переноса элементов при смене стороны платы. 6. Создание монтажных отверстий: - Добавить монтажные отверстия и проверить их совместимость с корпусом платы.

4. Ожидаемый результат

Модель печатной платы в Altium Designer, содержащая все элементы и настройки для размещения, трассировки и выполнения производственных требований.

1. Питание (VCC_MCU)

Все компоненты схемы получают питание от шины VCC_MCU. На схеме обозначено несколько конденсаторов, которые выполняют функцию сглаживания и стабилизации напряжения для микроконтроллера и других компонентов.

2. Основные компоненты

• STM32L432KBU6 (MCU) — микроконтроллер, который управляет всей схемой. Он подключен к разным периферийным устройствам, имеет порты для отладки и программирования, а также интерфейсы связи, такие как CAN и I2C.

3. Интерфейсы связи

• CAN-шина (CAN1) — интерфейс для связи с другими устройствами по протоколу CAN. Для работы с CAN используется трансивер TCAN330DCN (обозначен как DD9), который конвертирует сигналы микроконтроллера на физический CAN-интерфейс. Линии CAN-H и CAN-L подключены к разъемам (sockets), чтобы можно было соединять устройство с CAN-сетью.

• I2C-шина (I2C1) — интерфейс для подключения других компонентов по двухпроводной линии. На схеме к I2C-шине подключен датчик температуры TMP100NA (DD7) и несколько разъемов для соединения с другими устройствами.

4. Отладочные интерфейсы

• USART — асинхронный последовательный интерфейс. На схеме присутствуют линии USART2_TX и USART2_RX, которые могут использоваться для связи с внешним устройством или отладки.

• SWD — интерфейс отладки и программирования микроконтроллера, который представлен линиями SWD_CLK и SWD_IO. Через этот интерфейс можно загружать прошивку и отлаживать работу микроконтроллера.

5. Внешняя память

• MR25H256CDF (Flash) — внешний SPI EEPROM-чип, подключенный к микроконтроллеру через интерфейс SPI. Это устройство позволяет микроконтроллеру хранить данные во внешней энергонезависимой памяти. Линии SPI (NSS1, SCK16, MOSI5, MISO1) соединяют флэш-память с микроконтроллером.

6. Конденсаторы

Конденсаторы размещены на линии питания для стабилизации напряжения и снижения помех. Они защищают микроконтроллер и другие компоненты от пульсаций напряжения.

7. Управляющие и функциональные линии

• Линии типа RESET и PEN2 (подключенные к микроконтроллеру) могут использоваться для сброса и управления различными функциями.

• CANx_SHDN и CANx_SILENT — линии для управления режимом работы CAN-трансивера.

DD9 — это CAN-трансивер TCAN330DCN. Он используется для преобразования сигналов микроконтроллера в формат, подходящий для передачи по CAN-шине. Этот компонент обеспечивает физический интерфейс для CAN-шины, соединяя линии CAN-H и CAN-L с сетью CAN, позволяя обмениваться данными с другими устройствами, поддерживающими протокол CAN.

DD7 — это датчик температуры TMP100NA. Это цифровой датчик, подключенный к микроконтроллеру через интерфейс I2C. Он позволяет микроконтроллеру считывать температуру, предоставляя информацию для мониторинга или управления в зависимости от задачи устройства.

X3 (MCU_DBG) — это разъем для отладки микроконтроллера, соединенный с линиями USART2_TX1 и USART2_RX2. Эти линии используются для последовательной передачи данных и могут применяться для отладки микроконтроллера или для связи с другим устройством через интерфейс USART.

X4 (MCU_SWD) — это разъем для подключения интерфейса SWD (Serial Wire Debug), который используется для программирования и отладки микроконтроллера. Линии SWD_CLK и SWD_IO на этом разъеме позволяют загружать прошивку и управлять работой микроконтроллера в режиме отладки.

С – обозначение конденсаторов.

• C1, C3, C26 – конденсаторы, которые могут использоваться для фильтрации, сглаживания напряжения или предотвращения помех. Их ёмкость и назначение зависят от схемы и параметров, заданных разработчиком.

R – обозначение резисторов.

• R1, R2, R32, R33 – резисторы, которые могут использоваться для ограничения тока, деления напряжения и других целей, в зависимости от схемы.

L1 – индуктивность (дроссель), которая может использоваться для фильтрации или ограничения высокочастотных помех в цепи.

DD – обозначение микросхемы или другого активного компонента.

• DD2 – возможно, это микросхема, управляющий чип или какой-либо другой активный элемент. Назначение компонента зависит от функционала устройства и схемы.

• VD – обозначение диодов.

• VD2 – диод, который может использоваться для защиты от обратного тока, выпрямления или стабилизации напряжения.

3U3 – это маркировка, которая обычно указывает на напряжение или питание.

• В данном случае 3U3 обозначает напряжение 3,3 В, используемое для питания некоторых компонентов на плате.

Желтые линии и области – обычно обозначают элементы маркировки и запретные зоны для трассировки, такие как keep-out зоны (ограничивающие область для размещения проводников или компонентов).

Красные области – могут представлять собой контактные площадки для пайки компонентов, либо слои, содержащие проводники и площадки на верхнем слое платы.

Черные линии – это трассы, которые соединяют различные компоненты, представляя собой электрические соединения между ними.

5. Теоретические положения

- САПР Altium Designer – программа для проектирования печатных плат, позволяющая создавать платы разного типа (однослойные, многослойные, гибкие и т.д.), включая сложные технологические решения с учетом возможностей производства. - Стек печатной платы – структура слоев платы, включая проводящие и диэлектрические слои, что влияет на электрические параметры и механическую прочность платы. - Симметричный стек – стек, где параметры слоев на одной стороне совпадают с противоположной. Это повышает стабильность платы в условиях нагрева и влажности. - Технологические ограничения – ограничения, касающиеся минимальной ширины проводников, диаметра отверстий, расстояний между проводниками, и толщины слоев, зависящие от возможностей завода.

6. Контрольные вопросы и ответы

1. Какие типы конструкции печатных плат вы знаете? - Однослойные, двухслойные, многослойные, гибкие, гибко-жесткие, платы на металлическом основании. 2. Какую конструкцию печатной платы вы выбрали и почему? - Двухслойная плата для упрощения конструкции и соответствия заданию. 3. Что такое стек печатной платы и какие параметры там задаются? - Стек печатной платы включает все слои платы (проводящие, диэлектрические), определяет их толщину и материал. 4. Какие параметры относятся к технологическим возможностям? - Минимальная ширина проводников, зазоры, диаметр отверстий, толщина слоев. 5. Какие стандартные слои в Altium Designer? - Top Layer, Bottom Layer, Keep-Out, Top Solder Mask, Bottom Solder Mask, Top Overlay и Bottom Overlay. 6. Какое финишное покрытие выбрано для контактных площадок? - ENIG (иммерсионное золочение) для долговечности и защиты. 7. Что такое симметричный стек и его преимущества? - Симметричный стек предотвращает коробление платы, улучшая стабильность в условиях термообработки. 8. Как создать в Altium Designer плату нужной конфигурации? - Путем задания параметров контура платы, размещения элементов и настройки технологических ограничений в редакторе слоев и правил.