طراحی مدارهای الکترونیکی شامل ایده پردازی، ایجاد و بازنگری است. با طراحی PCB و فرآیند طراحی مدار آشنا شوید.
برد مدار چاپی (PCB) در هر قطعه از تجهیزات الکترونیکی مدرن وجود دارد، به همین دلیل مهم است که بدانید یک برد مدار دقیقاً از چه چیزی تشکیل شده است و طراحان چگونه می توانند آن را در بسیاری از برنامه ها پیاده سازی کنند.

طراحی مدار الکترونیکی بر روی تخته برد (پرتوبرد) آغاز می شود. تخته تخت یک پایه ساخت و ساز مستطیل شکل پلاستیکی نازک است که قطعات الکترونیکی به آن لحیم می شوند. اتصالات لحیم شده دائمی نیستند و می توان آنها را جدا کرد و بارها و بارها در حد معقول قرار داد. ساخت تخته برد متعاقباً آن را به چیزی که به عنوان PCB شناخته می شود، تبدیل می کند که اغلب در محاسبات، تقویت سیگنال و انتقال داده استفاده می شود.

اتصالات روی PCB قطعات لحیم کاری شده را به هم متصل می کند. شارژ از پایانه مثبت در سراسر حلقه های اتصال به ترمینال منفی جریان می یابد.

مبانی طراحی مدارهای الکترونیکی

مدارهای مجتمع (IC ها) ترانزیستورهای اثر میدانی فلز-اکسید-نیمه هادی (MOSFET) را بسیار بهبود بخشیده اند. سه طرح مدار متداول وجود دارد: آنالوگ، دیجیتال و سیگنال مختلط.

. طراحی مدار آنالوگ

طراحی مدارهای آنالوگ به طور کلی از دیودها، ترانزیستورها، ترانسفورماتورها، تقویت کننده های عملیاتی و سایر اجزای غیرفعال تشکیل شده است. این مدارها تجزیه و تحلیل پیچیده داده ها، فیلتر کردن و تقویت را انجام می دهند.

نمونه های رایج مدارهای آنالوگ تقویت کننده ها و فیلترها هستند. مدارهای آنالوگ همچنین می توانند برای ارائه توابع ریاضی مانند جمع، تفریق، ضرب، تقسیم و غیره طراحی شوند.

طراحی مدار الکترونیکی آنالوگ به این صورت است که ولتاژ یا جریان با زمان متفاوت است. ترانزیستورها، خازن ها، مقاومت ها، دیودها و سیم ها اجزای اصلی یک مدار آنالوگ هستند. سیگنال های الکتریکی در چنین مدارهایی پیوسته هستند و می توانند با استفاده از نمودارهای شماتیکی که در آن سیم ها به صورت خطوط نمایش داده می شوند و یک نماد منحصر به فرد هر جزء را نشان می دهند، نمایش داده شوند. هر طرح مدار آنالوگ از مدارهای موازی یا سری یا هر دو تشکیل شده است.

. طراحی مدار دیجیتال

توابع طراحی مدار دیجیتال بر روی مقادیر گسسته (صفر و یک). اینها معمولاً بخشی از کل طراحی PCB هستند.

مدارهای دیجیتال مدارهایی هستند که روی سطوح پایه صفر و یک (مقادیر گسسته) کار می کنند. بنابراین سیگنال های ورودی و خروجی یک مدار دیجیتال تقریباً همیشه دارای تعداد محدودی از سطوح ولتاژ هستند (به نام های HIGH یا LOW). نمونه‌های رایج مدارهای دیجیتال تایمر، شمارنده و ماشین‌های حالت هستند.

مدارهای دیجیتال معمولاً بخشی از طراحی کلی برد مدار پیچیده از نظر گیت های منطقی و ماشین های حالت محدود (FSM) را تشکیل می دهند. گاهی اوقات، استفاده از چند گیت و تراشه های FSM اقتصادی و ساده تر از سیستم های میکروکنترلر پیچیده است.

یک مدار الکترونیکی دیجیتال سیگنال های الکتریکی را با مقادیر گسسته اندازه گیری می کند. داده ها در مدارهای دیجیتال به صورت ارقام باینری نمایش داده می شوند. مدارهای دیجیتال عمدتاً از ترانزیستورهایی تشکیل شده اند که به یکدیگر متصل هستند تا گیت های منطقی ایجاد کنند و می توانند محاسبات را انجام دهند.

. طراحی مدار مختلط

به ندرت یک طراحی مدار کاملا آنالوگ یا کاملا دیجیتال است. در اکثر موارد، طراحی مدار، جدا از اکثر موارد اساسی، از مدارهای آنالوگ و دیجیتال تشکیل شده است. به چنین مداری مدار مختلط می گویند. در چنین طراحی، اغلب بسیار مهم است که بخش های آنالوگ و دیجیتال به طور منطقی از هم جدا باشند تا نویز کاهش یابد و عملکرد بهبود یابد.

میکروکنترلر

میکروکنترلرها مدارهای دیجیتال یکپارچه ای هستند که می توانید برای اجرای دستورات مختلف برنامه ریزی کنید.

آرایه های دروازه قابل برنامه ریزی میدانی (FPGA)

FPGAها بردهای مدار دیجیتالی هستند که می‌توانید به‌جای استفاده از مجموعه‌ای از دستورالعمل‌ها، مستقیماً در سطح سخت‌افزار پیکربندی کنید. FPGA ها برای سیستم های با کارایی بالا مانند کاربردهای هوافضا بهترین استفاده را دارند.

نمودارهای مدار شماتیک

اجزای مختلف و اتصالات متقابل در یک مدار الکترونیکی با استفاده از یک نمودار مدار شماتیک نشان داده می شوند که از نمادهای استاندارد برای هر جزء استفاده می کند. این نمودارها به طراحی، ساخت و بهینه سازی دستگاه های الکترونیکی کمک می کند.

هنگام طراحی مدارهای آنالوگ یا دیجیتال، باید به راحتی بتوان مقادیر جریان و ولتاژ را در هر گره در مدار پیش بینی کرد. مدارهای غیر خطی و خطی ساده با دست از طریق محاسبات ریاضی تجزیه و تحلیل می شوند، در حالی که استفاده از نرم افزار برای انجام تجزیه و تحلیل مدارهای پیچیده مورد نیاز است. استفاده از نرم‌افزار شبیه‌سازی، طراحی مدارها را به‌طور مؤثرتری ممکن می‌سازد و هزینه، زمان و ریسک مربوط به ساخت نمونه‌های اولیه مدار را کاهش می‌دهد.

شبیه ساز مدار

شبیه‌ساز مدار الکترونیکی نرم‌افزاری است که از مدل‌های ریاضی برای پیش‌بینی، تکرار و تجزیه و تحلیل ماهیت یک مدار الکترونیکی استفاده می‌کند و محدودیت‌های اعمال‌شده توسط ابزارهای گران‌قیمت مانند ماسک عکس برای آی‌سی‌ها را حذف می‌کند. SPICE نرم افزار شبیه سازی است که برای طراحی مدارهای آنالوگ استفاده می شود، در حالی که Verilog و VHDL بیشتر برای شبیه سازی مدارهای دیجیتال استفاده می شوند.

اینجا کلیک کنید برای رفتن به یک شبیه ساز مدار آنلاین

فرآیند طراحی مدار

فرآیند طراحی مدار گسترده است – شامل ایده‌پردازی، آزمایش، نمونه‌سازی اولیه، بازنگری و آزمایش مجدد است. طراحی مدار قبل از دستیابی به محصول نهایی چندین بار مانند فرآیند نوشتن را طی می کند. هر دو فرآیند با طرح کلی یا آماده‌سازی ایده آغاز می‌شوند.

– ترسیم کردن

طرح کلی یکی از مهمترین جنبه های طراحی مدارهای الکترونیکی است. طرح کلی جایی است که طراح معماری PCB را آماده می کند. اجزای تخصصی مانند مدارهای مجتمع در این مرحله انتخاب می شوند.

– ترسیم شماتیک

پس از تکمیل، طرح کلی به یک شماتیک ترجمه می شود که در آن اجزا برای دستیابی به عملکرد مدار متصل می شوند. این فرآیند معمولا شامل بسیاری از اجزا، ماژول ها و مدارهای فرعی است.

– چیدمان PCB

در این مرحله، ترسیم PCB اکنون یک طرح PCB است که با انتقال اجزا به شماتیک آغاز می شود. شماتیک برای خطا بررسی می شود و فرآیند بازبینی آغاز می شود. غیرمعمول نیست که اجزاء برای حل خطاهای شماتیک یا نقض قوانین طراحی مرتب شوند.

– نمونه سازی

نمونه سازی شامل ساخت PCB در حجم های کوچک برای اطمینان از عملکرد است. شما باید خطاهای طراحی را مستند کنید و برای بازنگری در دور بعدی تغییرات چیدمان برنامه ریزی کنید.

– قرار دادن کامپوننت

بسته به نمونه اولیه تولید شده، قطعات روی PCB قرار می گیرند. به عنوان مثال، قطعات آنالوگ باید فاصله مناسبی از همتایان دیجیتالی پرسرعت خود داشته باشند. قرار دادن قطعات باید خدمات و عیب یابی آینده را کاهش دهد. به نوعی، این طراحی برای دسترسی است. پس از چندين بازنگري در جايگاه قطعات، سرويس برد مدار چاپي پيچيده تر خواهد بود.

– بررسی تداخل الکترومغناطیسی (EMI).

EMI باید با سرعت فزاینده بررسی شود. این به دلیل کوچکتر، سریعتر و بی سیم شدن وسایل الکترونیکی است. بهترین راه حل برای مشکلات EMI جداسازی صحیح هواپیماهای زمینی برای قرار دادن سیگنال های پرسرعت است.

– شبکه تحویل برق

ماژول‌های قدرت، شریان حیات PCB هستند. بنابراین، یک ماژول برق بد می تواند به راحتی یک طراحی PCB کامل را غرق کند. یک شبکه تحویل برق خوب حداقل تلفات برق را تضمین می کند.

در نتیجه

طراحی مدار فرآیند ایجاد یک نمودار شماتیک یا طرح اولیه یک مدار الکترونیکی است که می تواند برای ساخت یک مدار فیزیکی استفاده شود. طراحی مدار یک فرآیند پیچیده است که نیاز به درک عمیقی از الکترونیک، ریاضیات و فیزیک دارد. این فرآیند شامل درک اجزا و اتصالات آنها و همچنین محدودیت های طراحی مختلف است که باید در نظر گرفته شوند.

1- طراحی مدار با شناسایی یک عملکرد یا رفتار الکتریکی مطلوب آغاز می شود. این می تواند هر چیزی از یک کلید روشن/خاموش ساده تا یک ریزپردازنده پیچیده باشد. هنگامی که رفتار مورد نظر شناسایی شد، فرآیند طراحی می تواند آغاز شود. طراح ابتدا باید یک نمودار شماتیک ایجاد کند که اجزاء و نحوه اتصال آنها را نشان دهد. این مهم ترین مرحله در فرآیند طراحی است، زیرا رفتار مدار را مشخص می کند.

2- مرحله بعدی انتخاب اجزا و تعیین مقادیر آنهاست. این شامل انتخاب قطعاتی است که هم برای مدار مناسب هستند و هم مقرون به صرفه هستند. پس از انتخاب اجزاء، طراح باید طرحی را ایجاد کند که قرارگیری فیزیکی اجزاء را بر روی برد مدار چاپی (PCB) نشان دهد. این مرحله برای اطمینان از تناسب مدار با محدودیت های فیزیکی مورد نظر مهم است.

3- در نهایت، مدار باید آزمایش شود تا اطمینان حاصل شود که مطابق انتظار عمل می کند. این کار از طریق فرآیندی به نام شبیه سازی انجام می شود. شبیه سازی شامل اجرای مدار از طریق یک سری آزمایش برای اطمینان از اینکه مدار مطابق انتظار عمل می کند. هنگامی که مدار تمام آزمایشات را پشت سر گذاشت، آماده ساخت است.

طراحی مدار یک فرآیند پیچیده است که نیاز به درک عمیقی از الکترونیک، ریاضیات و فیزیک دارد. قبل از تلاش برای طراحی مدار، درک خوبی از اصول اولیه مهم است. با این حال، با تجربه و تمرین، هر کسی می تواند به یک طراح مدار ماهر تبدیل شود.