طراحی برد الکترونیکی و ساخت برد مدار چاپی

 دلایل زیادی وجود دارد که ما نیاز به طراحی برد یا ساخت مدار الکترونیکی الکترونیکی داریم. از تولید یک لامپ ساده گرفته تا راه اندازی موتور سنگین یا حتی کنترلر یک نیروگاه یا غیره. همه این قطعات مثل لامپ، موتور، حتی یک LED چیزهایی که ما آن‌ها را” بار (load)” می‌نامیم، برای کار کردن به جریان یا ولتاژ خاصی نیاز دارند. این ولتاژ ممکن است یک ولتاژ ثابت DC یا ولتاژ AC باشد. اما ساخت برد الکترونیکی فقط با یک منبع و یک بار امکان پذیر نیست! ما به المان های دیگری هم نیاز داریم!

برد الکترونیکی چیست؟

می‌توان یک برد الکترونیکی را مجموعه‌ای از اجزای الکترونیکی مانند مقاومت، ترانزیستور، خازن، سلف، دیود و ... که توسط سیم‌های رسانا روی یک برد مدار چاپی یا یک برد برد به هم متصل می‌شوند، تعریف کرد. برای بتوان بین یک برد الکترونیکی و یک برد الکتریکی تفاوت قایل شد میتوان چنین بیان کرد که برد الکترونیکی دارای حداقل یک مولفه فعال مانند ترانزیستور یا عناصر برنامه پذیر مانند میکروکنترلر است. در این مقاله قصد داریم تا مراحل طراحی مدار الکترونیک و انواع طراحی برد الکترونیکی را به صورت کلی شرح دهیم.

مراحل طراحی برد الکترونیکی

سه مرحله کلی طراحی یک برد الکرونیکی به صورت زیر است:

•  طراحی مدار الکترونیکی
•  طراحی برد مدار چاپی (pcb)
• مونتاژ و تست برد

که در ادامه هر کدام از این مراحل را توضیح خواهیم داد.

1. طراحی مدار الکترونیکی

گام اول در طراحی برد الکترونیکی طراحی مدار الکترونیکی آن است. باید با شناخت از علم الکترونیک، قطعات، و نیاز مسئله مدار خود را به صورت هرچه بهینه‌تر و صحیح تر طراحی کنیم. مراحل طراحی مدار الکترونیک در ادامه بیان و توضیح داده شده است.

• فهمیدن مسئله

صورت مسئله نیمی از راه حل مسئله است! در گام اول طراحی و ساخت  برد الکترونیکی، ابتدا لازم است صورت مسئله را واضح و کامل درک کنید و دقیقا بدانید به چه هدفی می­‌خواهید یک برد را طراحی کنید و نهایتا انتظار شما از این برد طراحی ­شده چیست. درک درست مسئله در انتخاب درست صورت مسئله و درک چالش‌های پیش رو موثر است. به عنوان یک مثال ساده فرض کنید می­‌خواهید برای یک ربات مسیریاب، برد الکترونیکی طراحی کنید. بنابراین صورت مسئله “طراحی برد های الکترونیکی برای یک ربات مسیریاب” است.

•  شکستن مسئله به زیرمسئله­‌های کوچکتر

معمولا صورت مسئله به صورت یک عبارت کلی است و برای حل یک مسئله باید وارد جزئیات در هر بخش شویم بنابراین گام بعدی در مراحل طراحی برد الکترونیکی، شکستن مسئله به زیرمسئله­‌های کوچکتر است به طوری که تمام ابعاد مسئله را در برگیرد و جزئیات طرح به خوبی مطرح شود. به مثال طراحی برد الکترونیکی برای یک ربات مسیریاب برگردیم، در این مسئله طراحی، زیرمسئله­‌ها می­‌توانند به صورت زیر باشند:

سپس به طراحی هر بخش به صورت جداگانه پرداخته و در انتها ارتباط بین آن‌ها را پیاده سازی می‌کنیم. 

اجزای برد الکترونیکی

اجزای  برد الکترونیکی به صورت کلی از چهار بخش تشکیل شده است.

• تغذیه: که وظیفه ایجاد جریان در بخش‌های مختلف برد را برعهده دارد.

• ورودی و سنسورها: این بخش قسمت ورودی به مدار است که شامل جریان و خوانش از سنسورهای مختلف یا ورودی‌های ارتباطی است.

• عملگر و خروجی: این بخش از برد وظیفه انتقال سیگنال و جریان به خارج از برد برای هدایت یا راه اندازی یک عملگر را انجام می‌دهد.

• کنترلر و پردازش: بخش اصلی و مرکزی طراحی است که در این بخش سیگنال‌های مختلف برای پردازش جمع شده و یا فرمان به عملگردها صادر میشود. ارتباط با سایر بخش‌ها یا بردها نیز برعهده این بخش است.

شبیه‌سازی مدار الکترونیکی

پس از طراحی برد الکترونیکی روی کاغذ این مدار را در نرم افزارهایی مانند پروتئوس، اورکد یا اسپایس شبیه سازی می‌کنیم. این بخش برای بررسی صحت عملکردی مدار استفاده می‌شود. در این قسمت نیاز است تا قطعات مورد نیاز را به صورت مناسب انتخاب کنیم.

پیشنهاد می‌­شود برد الکترونیکی طراحی شده را ابتدا در یک نرم افزار شبیه­‌سازی کنید تا هم عیب­‌های احتمالی را قبل از خریدن قطعات بررسی کنید و هم از صحت قطعاتی که انتخاب کرده‌­اید اطمینان حاصل کنید. هم­چنین در صورتی که قطعات شما از قبل مشخص­ شده باشد، با شبیه­‌سازی از معیوب­ شدن قطعات در صورت کارکرد نادرست مدار جلوگیری خواهید­ کرد.

هم­چنین استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌­ساز این امکان را به شما می­‌دهد که علاوه بر اطمینان از صحت عملکرد مدار، کمیت­‌های مدار را اندازه‌گیری و هم­چنین برد طراحی­‌شده را نیز تجزیه و تحلیل کنید.

البته نکته­‌ی مهمی که باید به آن اشاره کرد این است که هیچ تضمینی وجود ندارد که بردی که در شبیه­‌سازی درست کار می­‌کند، بعد از پیاده سازی حتما به درستی عمل خواهد کرد. چرا که در شبیه­‌سازی موارد بسیاری از شرایط دنیای واقعی مانند مسئله پراهمیت نویز محیط، و سایر شرایطی که می­‌تواند در هر محیط وجود داشته باشد، در نظر گرفته نمی‌­شود.

به عنوان مثال مقاومت سیم‌ها همواره در شبیه سازی ها صفر در نظر گرفته می‌شود اما در واقعیت چنین نیست؛ علاوه بر این، حرارتی که از اتلاف انرژی در این سیم‌ها به وجود می‌آید نیز بر مقدار خازن، مقاومت و یا قطعات دیگر در برد و در نتیجه بر عملکرد کلی تاثیر می‌گذارد و حتی در موارد حساس ممکن است مدار اصلا کار نکند. با این حال می‌­توان گفت که اگر برد الکترونیکی در شبیه‌­سازی به درستی کار نکرد در واقعیت نیز به درستی کار نخواهدکرد!

بسته به نوع بردی که طراحی می‌کنید و نوع قطعاتی که در برد استفاده می‌شود ممکن است به این نتیجه برسید که نویز یا شرایط محیطی تاثیر چندانی بر عملکرد آن ندارد اما اگر فکر می‌کنید شرایط محیطی می‌تواند بسیار در نتیجه عملکرد برد الکترونیکی طراحی شده شما موثر باشد، یا می­‌خواهید از بین چند قطعه الکترونیکی که کاری مشابه انجام می‌­دهند یکی را که در شرایط محیطی شما عملکرد بهتر و یا مقاوم‌­تری دارد، انتخاب کنید پیشنهاد می‌­شود ابتدا برد را بر روی بردبورد، پیاده سازی کنید. تا در صورت لزوم مشکلات آن برطرف شود، می توان با ساخت مدارالکترونیکی پیش از تولید برد الکترونیکی بر روی برد برد یا فیبر هزار سوراخ از عملکرد صحیح مدار خود مطمئن شویم.

2. طراحی برد مدار چاپی (طراحی pcb)

آن چه در تمام وسایل الکترونیکی مشاهده می‌کنید که روی آن قطعات الکترونیکی تعبیه شده است برد مدرا چاپی یا pcb است. برد مدار چاپی PCB  یک فیبر از جنس فایبرگلاس است که شامل مدار الکترونیکی طرای شدهروی آن پیاده سازی می‌گردد و المان‌های الکترونیکی مانند سلف و خازن و مقاومت و ... به وسیله مسیر‌های فلزی از جنس مس که به آن‌ها trace گفته می‌شود به یکدیگر متصل می‌شوند. قطعات الکترونیکی می‌توانند در هر دو طرف ببرد الکترونیکی قرار بگیرند.

این قطعات به وسیله لحیم‌کاری به پایه‌ها متصل می‌شوند. لایه‌های برد مدار چاپی با استفاده از یک ماده با رسانایی ضعیف و استحکام بالا به صورت استاندارد طراحی می شوند. شرایط چاپ pcb از جمله ضخامت فیبر ضخامت مس نوع برش و ... هنگام سفارش توسط کارفرما قابل تعیین است. همچنین روی مس نهایی را می‌توان با یک لایه محافظ که به چاپ سبز معروف است برای حافظت از برد پوشاند.

برد مدار چاپی را می‌توان از چند منظر مورد توجه قرار داد:

• تعداد لایه : یک برد مدار چاپی می‌تواند در تعداد لایه‌های مختلف مانند یک لایه دو لایه و حتی تا ۱۴ لایه طراحی شود. تعداد لایه‌ها به پیچیدگی طراحی برد الکترونیکی بستگی دارد.
• فرکانس کاری: مسئله مهم دیگر در طراحی pbc فرکانس کاری برد الکترونیکی است. این فرکانس در شکل ترک‌ها و فاصله آن‌ها از هم و سایر موراد تاثیرگذار است.
• جریان و توان مصرفی: عامل دیگری که در طراحی pcb باید به آن توجه کرد جریان مصرفی است. این که برد الکترونیکی ما به اصطلاح چه جریانی می‌کشد برای طراحی و مخصوصا سایز ترک‌ها بسیار مهم است.
• و سایر نکات مانند نوع قطعات dip و smd و ... که در طراحی برد مدار چاپی pcb باید مورد توجه قرار بگیرند.

طراحی  PCBهم به صورت دستی هم به صورت رایانه ای قابل اجراست. در طراحی و چاپ دستی با طراحی مدار دلخواه و قطعات انتخاب شده و چاپ آن روی یک کاغذ با استفاده از یک قطعه فیبر مسی، اتو، اسید و سوراخ کاری برای بردهای یک لایه ساده قابل اجراست. اما برای بردهای الکترونیکی پیچیده‌تر طراحی به وسیله نرم افزار صورت می‌گیرد. نرم افزارهای مختلفی برای طراحی PCB وجود دارد که از بین آن‌ها ۷ مورد زیر شناخته شده ترین نرم‌افزارهای طراحی PCB هستند:

نرم افزار طراحی برد(PCB)

•  نرم افزار طراحی برد مدار چاپی آلتیوم دیزاینر

یک نرم افزار پر قدرت برای طراحی مدار چاپی می باشد از این نرم افزار علاوه بر طراحی مدار چاپی برای برنامه نویسی تراشه های FPGA استفاده می شود. در واقع چگونگی عملکرد و شبیه سازی انواع طرح های الکترونیکی با این نرم افزار انجام می شود که اغلب به تولید برد مدار چاپی یا PCB و FPG منجر می گردد.

از نرم‌افزار آلتیوم دیزاینر برای پیاده‌سازی شماتیك‌، طراحی PCB و آنالیز مدارهای آنالوگ و برخی مدار‌های دیجیتالی استفاده می شود. یكی از مزایای این نرم‌افزار دسته بندی مناسب كتابخانه‌ها به نحوی است كه با صرف زمان كوتاهی می توان  قطعه مورد نظر را پیدا کنید. 

این نرم‌افزار توانایی طراحی چند لایه‌ای PCB در محیط دو بعدی و همچنین سه بعدی را دارد، که محیط سه بعدی دید بهتری از طراحی و موقعیت قطعات به شما میدهد و شما در محیط سه بعدی قابلیت چرخش برد را نیز دارید که میتوانید نمای 360 درجه‌ای خودتان را ببینید.

طراحی 3 بعدی با آلتیوم
شما می‌توانید شماتیک را طراحی کنید و به راحتی آن را به PCB تبدیل کنید. در طراحی PCB قطعات الکترونیکی می‌توانند در قسمت زیر و روی برد مدار چاپی قرار بگیرند. نرم افزار آلتیوم این قابلیت را دارد تا پایه‌های این قطعات را به صورت اتوماتیک یا دستی در هر لایه‌ای از PCB به یکدیگر متصل کنه که به اصطلاح به این کار Routing گفته می‌شود.

شما می‌توانید با استفاده از PCB Rules قوانینی را برای جلوگیری از خطا در طراحی تعریف کنید. در نرم‌افزار آلتیوم دیزاینر می‌توانید تمام ابعاد و جوانب یک دستگاه را لحاظ کنید. هم‌چنین به راحتی می‌توانید لیست قطعات مورد استفاده و یا مشکلات و اشتباهات مدار را از نرم‌افزار استخراج کنید.

 نرم افزار پروتئوس طراحی برد مدار چاپی

پروتئوس (Proteus) با نام کامل Proteus Design Suite  نرم افزار طراحی برد مدار چاپی است که از آن برای ایجاد شماتیک مدار، شبیه‌سازی آن و طراحی بردهای مدار چاپی (PCB) استفاده می‌کنند. به طور ساده، می‌توان گفت که برنامه پروتئوس نرم‌افزاری برای پیاده‌سازی مدارهای الکترونیکی، شبیه‌سازی آن‌ها و همچنین طراحی نقشه‌های PCB است.

بیشتر بخوانید: مهندسی معکوس برد الکترونیکی چیست و چه کاربردی دارد؟ 

پروتئوس دو قسمت اصلی دارد که یکی برای طراحی و ترسیم مدارهای مختلف استفاده می‌شود و دیگری برای طراحی شماتیک PCB است. اولی ISIS است که با آن می‌توان مدارها را طراحی و شبیه‌سازی کرد و دومی ARES است که برای طراحی یک برد مدار چاپی استفاده می‌شود. پروتئوس، همچنین قابلیت‌های مربوط به نمای سه‌بعدی طراحی در PCB را فراهم می‌کند.
 

نرم افزار مولتی سیم طراحی برد مدار چاپی

نرم افزارمولتی سیم یکی از قوی ترین نرم افزارهای شبیه سازی مدارهای الکترونیکی می باشد، این نرم افزار یک ابزار ایده آل برای ایجاد و شبیه سازی مدارهای کنترلی است، نرم افزار مولتی سیم به شما اجازه می دهد تا توسط المان های بین المللی و استانداردهای جهانی، مدارات خود را مجتمع سازی و شبیه سازی نمایید.

یکی از ویژگی هایی که باعث اهمیت این نرم افزار در رشته الکترونیک می شود ، شبیه سازی مدارات دیجتال و گیت های منطقی می باشد. کتابخانه ای که برای قطعات دیجیتال در این نرم افزار وجود دارد بسیار کامل تر از دیگر نرم افزار های هم سطح می باشد.

از جمله دیگر موارد قابل ذکر در مورد این نرم افزار می توان به قابلیت آنالیز و گرافیک مناسب طرح ها اشاره کرد. همچنین شایان ذکر است که این نرم افزار از طرح های مرحله ای و همچنین هدایت باس پشتیبانی کامل را به عمل آورده است.

کاربرد برنامه طراحی برد الکترونیکی مولتی سیم

•  تحلیل رفتار مدار:

ابزارهای شبیه سازی شده و تجزیه و تحلیل پیشرفته در مولتی سیم درک کاملی از رفتار مدار، که باعث تقویت نظریه کتاب های درسی نیز می شود را فراهم می آورند.

• آموزش الکترونیک:

به عنوان یک ابزار یادگیری ، از طریق طراحی بصری ، شبیه سازی تعاملی و ادغام یکپارچه ، تئوری انتزاعی را به سیگنال های واقعی متصل می کند.

• تقویت نظریه با مقایسه سیگنال های واقعی و شبیه سازی شده:

مولتی سیم رویکرد عملی سازی آموزش های مهندسی را به واقعیت تبدیل کرده است.

•   امکان آموزش منطق دیجیتال و به کار گیری آن روی سخت افزار:

این برنامه فراتر از شبیه سازی استاندارد SPICE  است و شامل یک کتابخانه گسترده ای برای مؤلفه های دیجیتالی است که می توان در هر وسیله Digilent FPGA شبیه سازی و مستقر کرد.
 

نرم افزار easy EDA طراحی برد مدار چاپی

EasyEDA برای طراحی مدارهای الکترونیکی با پیچیدگی کم و متوسط طراحی‌شده است. این نرم‌افزار بهترین گزینه برای دانشجویان و افراد مبتدی باشد.این نرم افزار مناسب برای سخت افزار با عملکرد پایین می باشد برای طراحی برد های الکترونیک پیچیده مناسب نمی باشد.

نرم افزار eagle طراحی برد مدار چاپی

‌

نرم‌افزار EAGLE مخفف Easily Applicable Graphical Layout Editor، یک ‌نرم‌افزار کاملا کاربردی در زمینه طراحی برد مدار چاپی در  زمینه طراحی پروژه‌های الکترونیک استفاده می شود. Eagle دارای کتابخانه‌ای از قطعات مختلف الکترونیکی استاندارد با توضیحات مختصر، ویرایشگرهای مناسب دیتابیس المان‌ها و ماژول‌های منطقی است که ارتباط و محل قطعه‌های موجود در برد را تأیید می‌کند.

 بیشتر بخوانید:استاندارد IPC و کلاسهای آن

از جمله مزیت‌های Eagle نسبت به نرم‌افزارهای مشابه، امکان لغو مراحل از قبلی، عدم وجود مشکلات هنگام کار بر روی رایانه‌های قدیمی، یک زبان اسکریپت قدرتمند و وجود درایورهایی است که به کاربران امکان چاپ طرح‌های خود را می‌دهد. با استفاده از Eagle می‌توانید نتیجه کار خود را به رندر POV-Ray ارسال کنید و در نتیجه مدل‌های سه‌بعدی بردهای مدار را ایجاد کنید.
 

1.طراحی شماتیک

در طراحی شماتیک باید نقشه مدار را به وسیله قطعات مناسب موجود طراحی کنیم.

2. طراحی PCB

پس از طراحی شماتیک مدار و انتقال آن به صفحه PCB با طراحی مناسب و کاربردی مدار چاپی آن را طراحی می‌کنیم.

بسته به نوع کاربرد الکترونیکی برد طراحی دارای ملاحظلات خاص خود خواهد بود. برای مثال فرکانس کاری و جریان لازم در طراحی موثر خواهند بود. برای این که بدانیم چگونه یک برد الکترونیکی طراحی کنیم نیاز است تا ابتدا دانش فنی خود از علم الکترونیک را بالا ببریم.

پس از طراحی pcb و اطمینان از صحت طراحی آن اقدام به ساخت برد مدار چاپی می کنیم.

۳. مونتاژ و تست 

پس از طراحی مدار الکترونیکی و چاپ برد مدار چاپی، گام سوم در طراحی برد الکترونیکی مونتاژ و تست برد الکترونیکی است. مونتاژ قطعات بر بروی برد الکترونیکی نیازمند ابزار مخصوص، مهارت و ظرافت‌های خاصی است که با تمرین و تجربه به‌دست می‌آيد. ابزاری مانند دستگاه هویه و هوای داغ، سیم رو روغن لحیم‌کاری، گیره و ابزار موناژ لازمه مونتاژ یک برد الکترونیکی است.

مونتاژ قطعات ریز smd باید به طور دقیق صورت بگیرد. برای اطمینان از صحت مونتاژ در برد‌های با قطعات زیاد می‌توان از شرکت‌های فعال در این حوزه بهره برد که شرکت راشامکاترونیک پارت یکی از با‌تجربه‌اترین شرکت‌ها در حوزه مونتاژ و تست برد‌های الکترونیک است.

برخی از نمونه کار های ما در زمینه طراحی الکترونیکی

             

برنامه نویسی بردهای الکترونیکی

گام بعدی پس از چاپ و مونتاژ قطعات در بردهایی که دارای میکروکنترلر یا سایر پردازنده‌های دیجیتالی هستند برنامه نویسی برد الکترونیکی است. چنانکه پیشتر بیان شد یکی از مراحل مهم برنامه نویسی برد الکترونیکی، طراحی مدار الکترونیکی و انتخاب قطعات مناسب است.

در این بخش اگر برد ما نیاز به پردازنده‌ داشته باشد با توجه به نیاز خود اعم از فرکانس، ارتباط، ورودی و خروجی، تایمر و ... یک پردازنده مناسب انتخاب می‌کنیم. خانواده‌های مختلفی از پردازنده‌ها هستند که طیف وسیعی از نیازها را در طراحی و برنامه نویسی الکترونیک پاسخگو هستند. از این خانواده‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• خانواده پردازنده‌های مبتنی بر معماری ARM مانند خانواده STM یا LPC
• خانواده پردازنده های PIC
• خانواده پردازنده ‌INTEL مانند ATMEL
• خانواده پردازنده های FPGA
• و ...

که عموما زبان برنامه‌نویسی بردهای الکترونیکی به زبان c بوده و هر شرکت نرم افزار مخصوص خود برای برنامه نویسی میکروکنترلر در بازار ارائه کرده است. این برنامه‌ها پس از نوشتن به صورت  کد برنامه هگز  HEX در اختیار کاربر قرار می‌گیرد و به صورت ۰ و ۱ برای میکروکنترلر تعریف شده است.

پس از نوشتن برنامه و انتقال آن به میکروکنترلر به بررسی صحت عملکرد برد الکترونیکی می‌پردازیم. برد الکترونیکی طراحی شده را با عملکرد مطلوب خویش می‌سنجیم و در صورت نیاز به اصلاح مراحل را دو مرتبه طی می‌کنیم. در صورتی که تست برد الکترونیکی با موفقیت اجرا شود می‌توان گفت که شما به خوبی یک برد الکترونیکی را طراحی کرده‌اید.

در این مقاله با طراحی برد الکترونیکی همچنین نحوه ساخت برد الکترونیکی آشنا شدیم. شما میتوانید در صورت داشتن سفارش طراحی برد الکترونیکی به شرکت راشا مکاترونیک که یک شرکت طراحی برد الکترونیکی است مراجعه کرده و با اطمینان خاطر طراحی و ساخت برد الکترونیکی خود را به ما بسپرید.

شرکت راشا مکاترونیک پارت فعال در زمینه طراحی برد الکترونیکی می‌باشد. برای مشاهده نمونه کار های مربوط به طراحی برد الکترونیکی به گالری اینجا کلیک کنید.