Конструктор электронных схем: Circuit Simulator — эмулятор электрических цепей в браузере

Содержание

LTspice/SwitcherCAD

SPICE-симулятор для проведения компьютерного моделирования работы аналоговых и цифровых электрических цепей.

LTspice (он же SwitcherCAD) представляет собой универсальную среду для проектирования и создания электрических схем с интегрированным симулятором смешанного моделирования. Программа позволяет быстро менять компоненты и параметры электронных схем, испытывать работоспособность новых вариантов, находить оптимальные решения. Возможна загрузка списка соединений, сгенерированного другими инструментами для рисования схем или созданного вручную (расширения *.sp, *.cir, *.net или *.but). От аналогичных программ (Microcap, OrCAD) рассматриваемое ПО отличается малым объемом необходимого дискового пространства и более высокой скоростью моделирования процессов.

LTspice содержит полную библиотеку компонентов компании Linear Technology Corporation (пассивные элементы и интегральные схемы, включая редкие модели импульсных контроллеров и регуляторов).

Поскольку программа использует стандартные SPICE-модели электронных деталей, к имеющейся базе можно добавлять библиотеки сторонних производителей, а также создавать свои собственные модели. Редактор имеет иерархическую структуру, рисование электронных цепей средней и большой сложности выполняется с помощью создания подсхем. Глубина иерархии и размер схемы ограничиваются только ресурсами компьютера.

Данный симулятор позволяет проводить:
• амплитудно-частотный анализ, при этом необходимо установить количество точек данных между линиями, тип шкалы, нижнюю и верхнюю частоты;
• анализ переходных процессов;
• спектральный анализ, который возможен лишь после исследования переходных процессов;
• анализ гармоник, включающий вычисление уровней и общего коэффициента гармонических искажений в процентах;
• спектральный анализ шумовых характеристик в выбранной точке схемы, а также шумовые характеристики, приведенные к входу.

Кроме этого в LTspice можно построить семейство амплитудно-частотных характеристик при пошаговом изменении номинала выбранного элемента. Результаты всех моделирований отображаются в графическом окне, при этом существует возможность их дальнейшего анализа.

В отличие от других программ LTspice способен записывать в wav-файл сигнал из любой точки цепи. Частота дискретизации и количество разрядов устанавливаются пользователем, а полученный файл может редактироваться в специализированной программе. Данные из файлов с расширением *.wav, помимо внутренних источников, генерируемых программой, могут являться входными сигналами рабочих схем.

Для проектирования печатных плат предусмотрено построение списка соединений с функцией упорядочивания следования имен выводов. Из недостатков LTspice необходимо отметить довольно неудобный интерфейс и ограниченное количество библиотек элементов.

Программный комплекс LTspice разработан в компании Linear Technology. Организация была основана в 1981 году и базируется в городе Милпитас (Калифорния, США). Компания проектирует, производит и продает линейные интегральные микросхемы – источники и регуляторы напряжения, компараторы, усилители, линейные регуляторы, зарядные устройства батарей, монолитные фильтры, Ethernet-контроллеры, конвертеры DC-DC и данных. Ее продукция используются в мобильных телефонах, сетевых решениях, ноутбуках и настольных компьютерах, устройствах контроля безопасности, медицинских устройствах, автомобильной электронике, системах спутниковой навигации и управления производственными процессами.

Дистрибутив программы включает в себя готовые примеры схем и руководство пользователя.

Язык интерфейса LTspice – английский, однако в интернете можно найти самодельный русификатор.

Рассматриваемое ПО регулярно обновляется и поддерживает все операционные системы семейства Microsoft Windows.

Распространение программы: бесплатная

Официальный сайт LTspice/SwitcherCAD: http://www.linear.com/designtools/software/

Форматы файлов LTspice: ASC

Скачать LTspice/SwitcherCAD

Обсуждение программы на форуме

Информатика, Технология — Продукция — nau-ra.ru

Данный набор предполагает наличие начальных представлений об электронике (например, закон Ома, делители напряжения и нелинейные сопротивления).

Назначение

Электронный набор-конструктор «Науробо для сборки электронных схем» — это настольный стенд, на котором можно собрать различные электронные схемы, описанные в методическом пособии.

Чему научится ребенок?

Ученики изучат основу электроники и цифровой техники.

В методическом пособии описывается большое число нестационарных задач, в том числе с использованием микросхем. Рассматривается работа с осциллографом, создание триггера, колебательных контуров, повторяется работа с алгеброй логики на углубленном уровне. Изучаются схемы, взаимодействующие дистанционно посредством ИК-излучения.

Состав набора:

Монтажное поле
Держатель для батареек АА
Комплект резисторов разного сопротивления
Комплект конденсаторов
Выключатель кнопочный с фиксацией
Диод
Геркон
Комплект светодиодов (в комплекте красный, синий и зеленый светодиоды)
ИК светодиод
Фототранзистор
Фоторезистор
Зуммер
Цоколь по лампу накаливания
Разъем питания постоянного тока

Микрофон
Термистор
Датчик влажности
EBI-OTP40
Сдвоенный компаратор
Таймер
Комплект логических микросхем
ДИП панель
Семисегментный индикатор
NPN транзистор
PNP транзистор
Потенциометр 1К
Потенциометр 10К
Ползунковый переключатель
Динамик
Реле
Восьмирычажный переключатель
Разветвитель
Мотор
Розетка
Держатель проводов
Методическое руководство
Программное обеспечение
Комплект дополнительного оборудования: провода – не менее 30 шт. , вентилятор, лампа накаливания, магнит.

Система хранения:

все оборудование помещается в контейнер с прозрачной крышкой. Размеры контейнера 427х312х150 мм

Рекомендуемый возраст: от 11 лет (средняя школа).

Область применения: уроки информатики в основной школе, дополнительное образование. Проектная деятельность.

Рекомендуется как 2-ая часть курса робототехники.

^* Внимание! Изображение товара может отличаться от полученного Вами товара. Производитель оставляет за собой право изменять комплектацию и технические характеристики учебных пособий без предварительного уведомления, при этом функциональные и качественные показатели наглядных пособий не ухудшаются.
Информация о товаре носит справочный характер и не является публичной офертой.

Убедительная просьба, при покупке учебного оборудования согласовывать с менеджером важные для Вас характеристики, комплектацию и цену учебного оборудования.

Lushprojects.com – www.lushprojects.com – Симулятор цепей

Этот симулятор электронных схем очень интерактивен, создавая ощущение игры с реальными компонентами. Это очень полезно для экспериментов и визуализации. Лучше всего то, что благодаря мощи HTML5 не требуются никакие плагины! Первоначальная реализация на Java принадлежит Полу Фалстаду, который любезно разрешил мне создать этот порт.

Щелкните здесь, чтобы открыть симулятор в полном окне.

Времени сейчас мало, поэтому я больше не обновляю эту страницу регулярно. Чтобы получить последнюю версию, перейдите на страницу Пола Фалстада.

Как пользоваться этим

При запуске симулятора вы увидите анимированную схему простой цепи LRC. Зеленый цвет указывает на положительное напряжение. Серый цвет указывает на землю. Красный цвет указывает на отрицательное напряжение. Движущиеся желтые точки указывают на ток.

Чтобы включить или выключить переключатель, просто нажмите на него.

Если вы наведете указатель мыши на любой компонент схемы, вы увидите краткое описание этого компонента и его текущего состояния в правом нижнем углу окна. Чтобы изменить компонент, наведите на него указатель мыши, щелкните правой кнопкой мыши (или щелкните, удерживая клавишу Control, если у вас Mac) и выберите «Редактировать». Вы также можете получить доступ к функции редактирования, дважды щелкнув компонент.

В нижней части окна есть три графика; они действуют как осциллографы, каждый из которых показывает напряжение и ток на определенном компоненте. Напряжение показано зеленым цветом, а ток – желтым. Ток может быть не виден, если график напряжения находится поверх него. Также отображается пиковое значение напряжения в окне осциллографа. Наведите указатель мыши на одно из представлений осциллографа, и компонент, отображаемый на нем, будет выделен. Чтобы изменить или удалить область, щелкните правой кнопкой мыши по ней и выберите «удалить» в меню. В этом контекстном меню есть также много других параметров области.

Чтобы просмотреть компонент в области, щелкните правой кнопкой мыши компонент и выберите «Просмотр в области».

Меню “Схемы” содержит множество образцов схем, которые вы можете попробовать.

Некоторые схемы, например, Основы->Потенциометр, содержат потенциометры или переменные источники напряжения. Их можно настроить с помощью ползунков, добавленных на правую панель инструментов, или путем размещения указателя мыши над компонентом и использования колеса прокрутки.

Вот видео, которое поможет вам начать работу.

Рисование и редактирование схем

Вы можете получить пустую схему, выбрав «Пустая схема» в меню «Схемы». Вам нужно будет добавить по крайней мере один источник напряжения, чтобы запустить симулятор.

Чтобы добавить компоненты или провод, выберите один из вариантов “Добавить…” в меню “Рисование”. Обратите внимание, что общие компоненты имеют сочетания клавиш для выбора их режима добавления. В режиме добавления курсор меняется на «+». Нажмите и перетащите мышь, чтобы добавить компонент.

Компоненты можно перемещать и изменять их размер в режиме выделения. В режиме выбора курсор меняется на стрелку. Выберите «Select/Drag Sel» в меню «Draw», или нажмите «пробел», или нажмите «escape», чтобы перейти в режим выбора. Наведение курсора на компонент выделяет его и отображает информацию об этом компоненте в информационной области. Щелчок и перетаскивание компонента приведет к его перемещению. Если вы щелкнете и перетащите квадратные ручки или удержите клавишу Ctrl, это изменит размер компонента и переместит клеммы.

Провода соединяются только на концах, а не посередине, поэтому каждый сегмент провода нужно рисовать отдельно. Если симулятор обнаружит несоединенные точки, он подумает, что вы намеревались соединиться, и выделит их красным кружком.

Многие компоненты имеют настройки, которые можно выполнить с помощью функции редактирования объяснил выше. Для резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности удобно устанавливать значение из диапазона Е12, прокручивая колесико мыши при наведении курсора на компонент

Меню «Файл» позволяет импортировать или экспортировать файлы описания схемы. См. примечания ниже о совместимости браузеров.

Кнопка сброса сбрасывает схему в нормальное состояние. Если симуляция приостановлена, двойное нажатие кнопки «Сброс» перезапустит ее. Кнопка Run/Stop позволяет приостановить симуляцию. Ползунок «Скорость симуляции» позволяет регулировать скорость симуляции. Если симуляция не зависит от времени (то есть, если нет конденсаторов, катушек индуктивности или зависящих от времени источников напряжения), то это не будет иметь никакого эффекта. Ползунок «Скорость тока» позволяет настроить скорость точек на случай, если течение настолько слабое (или сильное), что точки движутся слишком медленно (или слишком быстро).

Это видео демонстрирует некоторые из вышеперечисленных пунктов.

Вот некоторые ошибки, с которыми вы можете столкнуться:

Петля источника напряжения без сопротивления! – это означает, что один из источников напряжения в вашей цепи закорочен. Убедитесь, что на каждом источнике напряжения имеется некоторое сопротивление.
Конденсаторная петля без сопротивления! – не допускается наличие токовых петель, содержащих конденсаторы, но не имеющих сопротивления. Например, конденсаторы, соединенные параллельно, не допускаются; последовательно с ними нужно поставить резистор. Допускаются короткозамкнутые конденсаторы.
Сингулярная матрица! – это означает, что ваша схема несовместима (два разных источника напряжения, подключенных друг к другу), или что напряжение в какой-то точке не определено. Это может означать, что клеммы какого-то компонента не подключены; например, если вы создадите операционный усилитель, но еще ничего к нему не подключили, вы получите эту ошибку.
Схождение не удалось! – это означает, что симулятор не может понять, в каком состоянии должна быть схема. Просто нажмите «Сброс» и, надеюсь, это должно исправить. Ваша схема может быть слишком сложной, но это иногда случается даже с примерами.
Слишком большая задержка линии передачи! – задержка линии передачи слишком велика по сравнению с временным шагом симулятора, поэтому потребуется слишком много памяти. Сделайте задержку меньше.
Необходимо заземлить линию передачи! – в этом симуляторе два нижних провода линии передачи должны быть всегда заземлены.

Требования к браузеру и компьютеру

Этот симулятор широко использует функции HTML5 и определенно нужен современный браузер. Он также выполняет множество вычислений в JavaScript. и скорость этого сильно различается между браузерами. В настоящее время Chrome кажется, имеет лучшую производительность и поддержку функций для этого приложения. Internet Explorer также хорошо работает с JavaScript, но, к сожалению, ему не хватает совместимости со всеми параметрами меню файлов.

Симулятор значительно выигрывает от достаточно быстрого компьютера. Мой ноутбук с процессором Core i5 2012 года работает с большинством схем нормально, поэтому он не обязательно должен быть новейшим и лучшим оборудованием, но вы, вероятно, найдете производительность. разочарование на старых машинах.

Для возможности загрузки и сохранения файлов на локальный диск требуются функции HTML5, которые поддерживаются не во всех браузерах. Если приложение обнаруживает, что требуемые функции не поддерживаются, то некоторые из файлов опции будут недоступны. В настоящее время Chrome и Firefox поддерживают все необходимые функции.

Симулятор будет работать на планшетах и даже телефонах, если у них есть подходящий браузер и должен нормально работать с сенсорными интерфейсами.

Симуляция != Реальная жизнь

Физические симуляции не являются реальной жизнью, и не думайте, что симуляция и реальность идентичны! Это моделирование идеализирует многие компоненты. Провода и выводы компонентов не имеют сопротивления. Источники напряжения идеальны – они попытаются обеспечить бесконечный ток, если вы им позволите. Конденсаторы и катушки индуктивности имеют КПД 100%. Входы логических вентилей потребляют нулевой ток — неплохо в качестве приближения для КМОП-логики, но нетипично для 19Например, TTL 80-х годов. Обязательно используйте этот симулятор для визуализации схем, но всегда проверяйте в реальности.

Извините, что разочаровываю вас, ребята, но симулятор численно аппроксимирует модели компонентов, которые также являются приблизительными. Даже без учета каких-либо ошибок это всего лишь приблизительное руководство к реальности. Этот симулятор может быть полезен для визуализации, но при неправильном использовании любой симулятор может дать ложное чувство безопасности. Некоторые люди на самом деле не понимают этой важной концепции — у меня даже был один пользователь, который обвинил симулятор во «лжи», потому что он (или она) не принял во внимание идеализацию компонентов и не понял фактическую производительность симулятора. компоненты, которые они решили использовать. Ключевой принцип для всех инженеров-электронщиков заключается в том, что они всегда должны быть полностью осведомлены о реальных характеристиках компонентов (и систем) и о том, чем они отличаются от любого конкретного симулятора, который они используют. Если вам нужны более точные модели реальных компонентов, то симуляторы на основе SPICE являются гораздо более подходящими инструментами, чем этот, но даже в этом случае вы должны знать об отклонениях от реальности. Как сказал великий проектировщик аналоговых схем Боб Пиз: «Когда компьютер пытается смоделировать аналоговую схему, иногда у него получается хорошо, но когда это не так, все становится очень запутанным».

Одним из следствий использования идеальных компонентов является то, что симулятор не сходится к результату для цепей, которые не имеют определенного поведения – например, идеальный источник напряжения, закороченный идеальным проводом. Другая ситуация, которую нельзя смоделировать при этих предположениях, — это распределение тока между проводниками, если два идеальных проводника соединены параллельно. При использовании симулятора необходимо учитывать места, где реальная электроника отличается от идеала.

Сенсоры, преобразователи и взаимодействие с внешним миром

Электронные схемы не существуют изолированно — большинство схем имеют назначение, включающее взаимодействие с внешним миром. В моделировании мы добавили некоторые распространенные типы входов и выходов (например, переключатели и светодиоды), но существует много типов преобразователей, и мы не моделируем их все. Мы также не моделируем все физические эффекты, происходящие вне электронного домена, т.е. как крутящий момент нагрузки может изменяться по мере того, как двигатель перемещает механизм, что приводит к изменениям электрических характеристик двигателя.

Если вы хотите смоделировать схему с датчиком, которого нет в модели, т.е. термистор, вы можете просто использовать электрически эквивалентный компонент. Итак, для термистора просто используйте резистор и установите его на разные значения для представления разных температур. Функция ползунков может быть особенно полезна для этой цели.

Автономное использование

См. страницу Пола Фалстада для получения информации о версиях симулятора Electron и исходной версии Java, которую можно использовать в автономном режиме.

Высокочастотные цепи

Этот симулятор имитирует цепь, используя серию коротких временных шагов. На каждом этапе изменения напряжения и тока в цепи рассчитываются на основе моделей компонентов и текущего состояния цепи. Чтобы этот процесс работал, используемые временные шаги должны быть значительно короче, чем продолжительность любого интересующего события в цепи. Или, если хотите, временные шаги должны быть значительно короче, чем период самого высокочастотного интересующего сигнала.

По умолчанию симулятор использует размер шага 5 мкс. Это нормально для сигналов звуковой частоты, но не для радиочастотных сигналов или быстрых цифровых сигналов. Размер шага можно изменить в диалоговом окне «Другие параметры…» в меню параметров. Для сравнения, пример линии передачи в приложении использует размер шага 5 пс.

Размер шага не следует путать со «Скоростью моделирования», регулируемой ползунком на правой панели. Размер шага определяет, как долго (в симулированном времени) будет каждый шаг. Ползунок «Скорость симуляции» определяет, как часто (в реальном времени) компьютер вычисляет шаг.

Для разработчиков

Это приложение было разработано с разрешения на основе схемы Java. симулятор Пола Фалстада. Я всегда находил это отличным инструментом, помогающим визуализировать схемы и любил интерактивный характер по сравнению с обычным SPICE реализации. Однако мне никогда особо не нравилась Java в браузере и с недавними проблемами безопасности и последующими изменениями в безопасности политики производителей браузеров мне показалось, что будет много преимущество в наличии версии, которая не требует подключаемых модулей.

Для создания этой версии я модифицировал исходную Java для запуска в Веб-инструментарий Google (GWT). Большая часть пользовательского интерфейса была переписана, но технические части симуляции почти не тронуты. В общей сложности работа над этим проектом заняла чуть больше месяца.

Благодаря любезному разрешению Пола Фалстада исходный проект этой версии приложения теперь доступен на GitHub под лицензией GPLv2.

https://github. com/sharpie7/circuitjs1

Пригодность лицензии для цели

Симулятор предоставляется без поддержки и гарантии. Абсолютно никаких гарантий пригодности для каких-либо целей не предоставляется.

Эта программа является бесплатным программным обеспечением; вы можете распространять его и/или изменить его в соответствии с условиями Стандартной общественной лицензии GNU. как опубликовано Free Software Foundation; либо версия 2 Лицензии или (по вашему выбору) любой более поздней версии.

Эта программа распространяется в надежде, что она будет полезна, но БЕЗ КАКИХ-ЛИБО ГАРАНТИЙ; даже без подразумеваемой гарантии КОММЕРЧЕСКАЯ ПРИГОДНОСТЬ или ПРИГОДНОСТЬ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕННОЙ ЦЕЛИ. См. Стандартная общественная лицензия GNU для более подробной информации.

Подробнее о лицензировании см. http://www.gnu.org/licenses/.

10 Передовой опыт проектирования электронных схем

Внедрение схем развязки, эффективное заземление, меры безопасности цепи и создание принципиальной схемы — вот лишь некоторые из лучших приемов проектирования электронных схем. В этой статье мы обсудим лучшие методы проектирования схем, которые помогут создать хорошо спланированную плату.

Давайте углубимся в это с помощью блок-схем.

1. Определение спецификаций и построение блок-схем

Первым шагом в проектировании электронной схемы является разработка подробного технического задания, охватывающего все аспекты проектирования схемы, включая:

Входные и выходные сигналы
Требования к напряжению/току/мощности
Рабочая температура и диапазоны частот
Методы радиационной защиты
Размер платы
Расстояние между компонентами и детали монтажа

Все это нужно делать с учетом имеющегося бюджета. Следующим шагом является построение блок-схем, которые обеспечивают обзор функционирования схемы и группировки компонентов. Блок-схемы имеют решающее значение для успешного проектирования электронных схем и служат справочным материалом для будущего анализа схем.

Они также позволяют использовать стратегию «разделяй и властвуй», когда диаграмма разбита на различные функциональные секции, каждая из которых выполняет определенную задачу, которую можно реализовать и протестировать изолированно. Необходимы знания и понимание работы каждого из этих блоков. Некоторые блоки могут иметь схемы формирования сигнала, чтобы система сбора данных могла легко считывать выходные данные. Например, выходной сигнал датчика LDR (светозависимого резистора) необходимо преобразовать в диапазон напряжения, который может быть легко считан АЦП микроконтроллера. Схемы в этих блоках также могут быть воспроизведены в других конструкциях, требующих аналогичных функций, что способствует повторному использованию конструкции. Дополнительные сведения о повторном использовании проекта см. в разделе Автоматическое группирование повторяющихся блоков проекта печатной платы.

Пример функциональной блок-схемы

2. Эффективное размещение развязывающих/развязывающих/шунтирующих конденсаторов

Источники питания не всегда стабильны из-за неидеальных условий эксплуатации, а выходное напряжение может колебаться или возникать шумы, которые могут привести к неправильной работе схемы или даже неудача.

Развязывающие конденсаторы используются параллельно источнику питания для развязки входящих сигналов переменного тока от сигналов постоянного тока. Они отфильтровывают любые возникающие пики и защищают различные микросхемы в цепи. Конденсатор начинает заряжаться от источника питания, пока не достигнет напряжения питания и не удержит это значение. При падении напряжения питания значение, составляющее высокий (состояние высокий) уменьшится. В то же время эти пики приводят землю к небольшому положительному напряжению, вызывая увеличение значения того, что составляет низкий уровень (состояние низкий).

Это затрудняет различение 1 и 0, закрывая глазковую диаграмму. Это также негативно влияет на целостность питания вашей конструкции. Добавление подходящего конденсатора к источнику питания компенсирует падение напряжения. Это связано с тем, что напряжение на конденсаторе не изменяется мгновенно и обеспечивает питание микросхемы. Точно так же конденсатор заряжается от всплесков и разряжается, чтобы поддерживать постоянное напряжение на нем, гарантируя, что всплески не влияют на питание ИС. Они часто размещаются близко к точкам питания ИС и, как правило, должны располагаться как можно ближе.

Конденсатор связи используется на пути сигнала. Он пропускает нужный сигнал переменного тока и блокирует нежелательный элемент постоянного тока. Они распространены в аудио- и радиочастотных приложениях.

Шунтирующий конденсатор используется параллельно выходному сигналу для фильтрации низкочастотного шума путем его шунтирования на землю и обеспечения чистого сигнала постоянного тока.

Электролитические конденсаторы в основном хорошо подходят для низкочастотных приложений, где необходимо передать больший заряд. Керамические конденсаторы и конденсаторы MLCC хорошо подходят для высокочастотных приложений. Танталовые конденсаторы обладают высокой стабильностью при высоких значениях емкости и чаще используются в устройствах связи. Выбор конденсатора должен быть сделан на основе требований к характеристикам схемы, ESR, ESL и стоимостных ограничений.

Хорошей практикой при проектировании схем является выбор подходящих конденсаторов в зависимости от области применения и обеспечение их идеального размещения.

Эффективное размещение подходящих конденсаторов

3. Используйте подтягивающие, понижающие и нулевые резисторы

Цифровые ИС работают с определенными логическими уровнями, чтобы определить, интерпретируется ли вход как 0 или 1. Для VCC 5 В уровни напряжения от 5 В до 2,8 В считаются логической 1, а от 0 до 0,8 – логическим 0. Диапазон напряжения от 0,9 до 2,7 В будет неопределенной областью, и микросхема будет интерпретировать его либо как 0, либо как 1, что приведет к поведению ИС. неправильно. Это называется плавающим состоянием.

Чтобы предотвратить это, при разработке электронных схем, использующих цифровые ИС, микроконтроллеры и переключатели, используются подтягивающие или подтягивающие резисторы. Подтягивающие резисторы используются для фиксации напряжения вблизи точки VCC, а подтягивающие резисторы — для подтягивания напряжения к точке GND. Современные микроконтроллеры теперь оснащены внутренними подтягивающими и подтягивающими резисторами, которые можно активировать с помощью кода. Пожалуйста, проверьте техническое описание и примите соответствующее решение, нужно ли использовать эти резисторы или отказаться от них.

Использование подтягивающих и подтягивающих резисторов

Каковы преимущества использования резисторов с нулевым сопротивлением?

Резисторы с нулевым сопротивлением можно использовать для модификации схемы даже после ее создания. Эти резисторы используются в качестве моста для оптимальной разводки дорожек на плате.

Как дизайнер вы можете создавать печатные платы различных конфигураций и функций. Чаще всего эти конфигурации мешают друг другу и не могут все сосуществовать в цепи. Следовательно, в зависимости от требований, различные участки печатной платы можно легко отключать или включать, отпаивая или добавляя нулевые резисторы соответственно.

Вы можете разделить цепь на несколько частей, используя нулевые резисторы. Это полезно для изоляции неисправных сегментов, требующих устранения неполадок. Например, легко найти зашумленные блоки и дорожки, вызывающие перекрестные помехи, без необходимости разрезать цепь.

Участку цепи может потребоваться последовательное сопротивление, значение которого нуждается в регулировке и еще не зафиксировано. Пока значение не будет окончательно определено, можно временно использовать нулевые резисторы. Площадки с нулевым сопротивлением также служат в качестве точки тестирования или отладки для измерения различных параметров, таких как напряжение, ток и т. д.

Нулевые резисторы SMD облегчают непрерывное соединение и используются для замены перемычек. Это позволит создать эффективную однослойную конструкцию платы вместо двухслойной. Они намного дешевле, чем DIP-переключатели или перемычки berg. Резисторы с нулевым сопротивлением также используются в качестве автоматических выключателей при перегрузке питания, предотвращая повреждение цепи.

По причинам, упомянутым выше, использование нулевых сопротивлений во время прототипирования на начальном этапе проектирования является хорошей практикой.

В радиочастотных цепях нулевые резисторы могут быть вставлены в радиочастотный фидер последовательно с дорожкой антенны. По мере настройки антенны его можно заменить на другие значения. Он также используется в качестве согласующего элемента в некоторых радиочастотных приложениях.

Проводные сопротивления, т. е. дорожки, соединенные нулевым сопротивлением, хорошо подходят для цифровых цепей. Однако быстродействующие схемы работать не будут из-за большого значения их паразитной индуктивности. Максимально допустимый ток, тип корпуса, занимаемая площадь на печатной плате, паразитная индуктивность и емкость резистора — это разные параметры, на которые следует обратить внимание при выборе нулевого резистора.

4. Использование микроконтроллеров и схем со смешанными сигналами для повышения эффективности работы

Схемы со смешанными сигналами представляют собой гибридные схемы, сочетающие аналоговые и цифровые схемы в полупроводниковом кристалле. Это также называется системой в пакете. В зависимости от требований к конструкции вы должны использовать современные недорогие микроконтроллеры, поскольку они имеют несколько встроенных функций. Наиболее часто используемыми периферийными устройствами микроконтроллеров являются таймеры, широтно-импульсные модуляторы (ШИМ), аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и интерфейсы связи последовательный/SPI/I2C.

Их можно легко запрограммировать для работы в соответствии с требованиями. Это позволит избежать перегрузки вашей схемы слишком большим количеством дискретных компонентов для выполнения одной и той же задачи. Интеграция соответствующих цифровых ИС и секций аналоговой схемы с микроконтроллером повысит эффективность работы схемы при одновременном уменьшении ее размера и стоимости. Блок-схема микроконтроллера показана ниже.

Блок-схема микроконтроллера

5. Снижение энергопотребления с помощью ШИМ-сигналов

Важно построить схему, которая экономит энергию, особенно для тех, которые работают от батарей. ШИМ — это тип модуляции, при котором ширина импульса сигнала изменяется в зависимости от рабочего цикла.

ШИМ-сигнал с рабочим циклом 75% будет оставаться ВКЛ. для 75% и ВЫКЛ. Эти сигналы можно генерировать с помощью надежного микроконтроллера или микросхемы NE555. Его можно использовать для экономии энергии в простых схемах управления светодиодами и двигателями. Сигналы ШИМ также используются в топологии силового преобразователя (преобразователей) для разработки высокоэффективных, легких и недорогих импульсных источников питания.

ШИМ-сигнал для снижения энергопотребления
6. Обеспечьте стратегические обратные пути сигнала и заземление для предотвращения электромагнитных помех
Все опорные сигналы должны иметь отдельные проводники к общему заземлению. Как показано на схеме ниже. Заземляющие контакты разных микросхем в схеме должны быть подключены к общему узлу отдельно, а не соединять каждый из них между собой, а затем связывать его с общей землей. Это позволит избежать гудящего шума.
Отдельные дорожки к общему узлу заземления в электронной схеме
Любая сигнальная линия должна иметь соответствующий обратный путь тока в стеке вашей печатной платы. Если схемы высокой мощности и быстродействующие коммутационные цепи используют один и тот же путь заземления, это приведет к пикам, вызывающим искажение сигнала.
Одна из стратегий заключается в разделении путей заземления с высокой мощностью и высокой скоростью переключения. В печатной плате со смешанными сигналами всегда полезно разделить площадь платы; то есть изолировать цифровые и аналоговые участки схемы. Чувствительные цепи заземления подключаются к аналоговой земле, а шумящие – к цифровой земле. Затем оба заземления можно соединить, чтобы обеспечить обратный путь для сигнала, используя либо нулевое сопротивление, либо специальный компонент, называемый сеткой. Это обеспечивает наименьшие помехи, когда цифровая и аналоговая части взаимодействуют друг с другом.
Методы заземления для подключения аналоговых и цифровых цепей

Контуры заземления возникают, когда несколько точек заземления в цепи имеют разные потенциалы. Они являются основной причиной шума, гудения и помех в бытовой электронике. Этого можно избежать, обеспечив, чтобы все уязвимые сигнальные цепи были связаны с одной точкой заземления. Эти схемы работают на высоких скоростях и при низком напряжении, что делает их более восприимчивыми к шуму. Использование дифференциальной сигнализации также может обеспечить подавление помех, создаваемых землей.
Электромагнитные помехи можно уменьшить за счет оптимального разделения плоскостей заземления и максимально коротких обратных путей сигнала. Ферритовые кольца и емкостные фильтры — это компоненты, которые могут обеспечить экранирование электромагнитных помех для повышения целостности сигнала. Экранированные катушки индуктивности обеспечат ЭМС, снизив резкие скачки тока.
7. Примите меры безопасности для защиты от электростатического разряда, обратной полярности, переходных процессов и перенапряжений
Защита соединений цепи от электростатического разряда чрезвычайно важна, если продукт используется в суровых условиях. Для защиты от электростатического разряда можно использовать металлооксидные варисторы, диодные матрицы TVS (подавитель переходного напряжения), фиксирующие диоды и GDT (газоразрядные трубки). Между диодами и ИС можно разместить сопротивление в несколько десятков Ом для рассеивания скачков напряжения. Это должно быть особенно реализовано в соединениях коммуникационного интерфейса, контактах кнопок пользователя и других чувствительных входных/выходных соединениях.
Защита от обратной полярности в цепи может быть обеспечена различными типами диодов или использованием схем на полевых транзисторах. Использование диодов в основном подходит для маломощных приложений.
Для защиты от перенапряжения можно использовать ограничители напряжения в сочетании с электронными предохранителями и термисторами. Современные ИС теперь имеют встроенные схемы защиты. Примерами ограничителей напряжения являются варисторы, TVS-диоды и диодные схемы (ограничение и ограничение). Плавкие предохранители могут быть либо микросхемами схемы горячей замены, либо контроллерами питания.
Защитные диоды также следует использовать, когда реле управляется полупроводниками. Если питание катушки реле внезапно отключится, катушка вызовет всплеск напряжения, который может повредить остальную часть цепи. Обратный диод действует как демпферная цепь, обеспечивая путь разряда для катушки, чтобы защитить вашу цепь. Следует избегать использования микроконтроллеров для схемы защитного отключения, так как они могут зависнуть.
Высоковольтные конденсаторы, используемые в цепи, должны иметь надлежащие пути разряда. Если устройства в цепи получают питание от сети, очень важно хорошо разбираться в защитных конденсаторах класса X/класса Y и их правильном размещении. Эти конденсаторы используются для фильтрации сигналов переменного тока и уменьшения электромагнитных помех, как показано на рисунке ниже. Они также смягчают неблагоприятные последствия переходных процессов и скачков напряжения.
Конденсаторы класса X обычно размещают между линией и нейтралью источника переменного тока для уменьшения электромагнитных/радиопомех из-за дифференциального шума. Конденсаторы класса Y идеально размещаются между источником переменного тока и землей для минимизации синфазных помех. Существуют различные стандарты и классификации предохранительных конденсаторов, в которых указывается их пороговая емкость. Вы должны выбрать правильные конденсаторы, исходя из потребностей конструкции.
Вы должны выбрать оптимальные комбинации вышеупомянутых схем защиты, принимая во внимание вероятность ошибок, требования к надежности, а также ограниченное пространство и стоимость печатной платы.
Классификация безопасных конденсаторов
При работе с высоким напряжением необходимо обеспечить надлежащие методы заземления печатных плат, такие как гальваническая изоляция, чтобы избежать поражения электрическим током. Это предотвращает прохождение потенциально опасных токов через тело оператора или другие части цепи.
Гальваническая развязка также используется, когда два участка цепи имеют разные потенциалы земли и между ними необходимо передать сигнал. Это предотвращает протекание нежелательных токов переменного и постоянного тока между двумя частями. Изоляция разрывает эти контуры заземления, которые вызывают неточности сигналов между двумя системами, сохраняя целостность связи. Популярным вариантом является использование трансформаторов для повышения / понижения напряжения вместе с электрическими предохранителями. Обмен информацией между изолированными секциями обеспечивается с помощью оптоизоляторов, датчиков Холла, конденсаторов или реле.

Электронная книга о целостности сигнала
3 главы – 12 страниц – 20 минут чтения

8. Выберите компоненты соответствующим образом
Выбор компонентов для вашего проекта
Компоненты должны быть выбраны на основе проектных требований и достаточных запасов. На рынке доступно множество различных комплектаций — сквозное отверстие, монтаж на поверхность, монтаж на панели и монтаж на шасси, чтобы воспользоваться преимуществами различных требований.
Учтите эти советы при выборе компонентов для своей электронной схемы:
Внимательно изучите технические описания компонентов и включите их в проект на основе указанных в них эталонных схем или расчетов.
Убедитесь, что вы используете детали, которые не устареют и будут доступны в течение следующих 5-7 лет как минимум .
Снижение номинальных характеристик деталей, чтобы не допустить их эксплуатации на пределе своих возможностей, что в конечном итоге может привести к отказу.
Выбрать детали, номинальные значения которых в 1,5-2 раза превышают фактически требуемые значения. Например, номинальная мощность резистора должна быть такой, чтобы в нем рассеивалось только 50% номинальной мощности. Точно так же транзисторы, диоды, микросхемы, источники входного сигнала, разъемы и т. д. следует выбирать с учетом аналогичного завышения характеристик.
Сохраните электронную таблицу с расчетами рассеиваемой мощности для каждой детали, а также ее значениями, типами и упаковками, чтобы подготовить чистую спецификацию материалов.
Максимально используйте стандартные номиналы компонентов, чтобы снизить стоимость схемы. Также хорошо избегать частей, которые имеют большое время выполнения заказа.

9. Эффективное создание схемы и ее проверка с помощью инструментов EDA
Передовой опыт проектирования схем
Следующей важной частью процесса проектирования электронной схемы является построение принципиальной схемы с использованием инструментов EDA, таких как Altium, KiCAD и Cadence Allegro. . Эти инструменты предоставляют несколько функций, таких как создание схем, создание электронных компонентов, моделирование функций сложных схем и создание спецификаций. Они также включают в себя пакеты компоновки печатных плат, посадочные места компонентов, 3D-виды и выходные файлы производственных файлов. Выберите инструмент EDA, который удобен и обеспечивает адекватную поддержку проектирования.
Запись схем формирует основу, на которой строится остальная проектная документация. Должна быть синхронизирована информация между схемой, списком соединений и компоновкой. Чтобы узнать о лучших методах проектирования схем, см. статью о том, как рисовать и проектировать схемы.

Справочник по проектированию для производства
10 глав – 40 страниц – 45 минут чтения

10. Проведение моделирования и функциональных испытаний
Проверка и тестирование отдельных блоков схемы, имеющих решающее значение, с помощью программного обеспечения для моделирования — это следующий шаг в проектировании электронных схем. Многие EDA предоставляют эту опцию, где можно проверить правильную функциональность блока. Вы можете внести необходимые изменения, если схема не работает в соответствии с требованиями.
Программное обеспечение для моделирования имеет ограничения, и иногда хорошая схема может не давать точных результатов в системе. Поэтому рекомендуется физически собрать часть схемы на макетной плате, чтобы проверить ее функциональность. Если в каком-либо блоке схемы есть какие-либо ошибки, вы можете найти и устранить проблему на следующей итерации проекта.
Моделирование схемы с помощью NI Multisim
Еще одним очень важным приемом проектирования является документирование каждого шага процесса проектирования. Это включает в себя все детали, такие как причины выбора решения, компонента, логической таблицы и принятия специальных соображений.
Ведение заметок имеет следующие преимущества:
Эффективное решение проблем проектирования
Лучшие решения для текущей конструкции на основе предыдущих работ
Легкий обмен знаниями между командами.
После моделирования и функционального тестирования вы можете развести топологию печатной платы. Перед созданием списка соединений необходимо использовать/создать соответствующие посадочные места для частей и связать их с компонентом. Затем список соединений импортируется в редактор компоновки для маршрутизации.
Необходимо обеспечить эффективное размещение и группировку компонентов для облегчения оптимизации трассировки.