اصول طراحی پی سی بی از یک صفحه کنترل میکرو کامپیوتری تک تراشه

اساسی‌ترین فرآیند طراحی یک برد مدار را می‌توان به سه مرحله تقسیم کرد: طراحی شماتیک مدار، تولید لیست شبکه و طراحی برد مدار چاپی. مهم نیست که چیدمان دستگاه روی برد باشد یا سیم‌کشی و غیره، الزامات خاصی وجود دارد.

به عنوان مثال، باید تا حد امکان از سیم‌کشی ورودی و خروجی خودداری کرد تا از تداخل جلوگیری شود. مسیریابی موازی دو خط سیگنال باید ایزوله شده و زمین شود و دو لایه مجاور سیم‌کشی باید تا حد امکان بر یکدیگر عمود باشند. کوپلینگ پارازیتی می‌تواند به راحتی در موازی رخ دهد. سیم‌های برق و زمین باید تا حد امکان به دو لایه جدا شده و بر یکدیگر عمود باشند. از نظر عرض خط، می‌توان از یک سیم زمین پهن به عنوان یک حلقه برای PCB مدار دیجیتال برای تشکیل یک شبکه زمین (مدارهای آنالوگ را نمی‌توان به این روش استفاده کرد) و از یک ناحیه بزرگ مس استفاده کرد.

مقاله زیر اصول و برخی از جزئیاتی را که باید در طراحی PCB برد کنترل میکروکنترلر مورد توجه قرار گیرند، توضیح می‌دهد.

1. چیدمان اجزا

از نظر چیدمان اجزا، اجزای مرتبط باید تا حد امکان نزدیک به هم قرار گیرند. به عنوان مثال، ژنراتور ساعت، نوسانگر کریستالی و ورودی ساعت CPU همگی مستعد نویز هستند و باید نزدیک‌تر قرار گیرند. برای آن دسته از دستگاه‌هایی که مستعد نویز هستند، مدارهای کم جریان، مدارهای سوئیچینگ پر جریان و غیره، آنها را تا حد امکان از مدار کنترل منطقی و مدار ذخیره‌سازی (ROM، RAM) میکروکنترلر دور نگه دارید. در صورت امکان، این مدارها را می‌توان به مدارها تبدیل کرد. برد، این امر به ضد تداخل کمک می‌کند و قابلیت اطمینان کار مدار را بهبود می‌بخشد.

2. خازن دکوپلینگ

سعی کنید خازن‌های دکوپلینگ را در کنار اجزای کلیدی مانند ROM، RAM و سایر تراشه‌ها نصب کنید. در واقع، ردیابی‌های برد مدار چاپی، اتصالات پین و سیم‌کشی و غیره ممکن است حاوی اثرات القایی زیادی باشند. القای زیاد ممکن است باعث ایجاد سنبله‌های نویز سوئیچینگ شدید در ردیابی Vcc شود. تنها راه برای جلوگیری از سنبله‌های نویز سوئیچینگ در ردیابی‌های Vcc، قرار دادن یک خازن دکوپلینگ الکترونیکی 0.1uF بین VCC و زمین برق است. اگر از اجزای نصب سطحی روی برد مدار استفاده می‌شود، می‌توان از خازن‌های تراشه‌ای مستقیماً در برابر اجزا استفاده کرد و روی پین Vcc ثابت کرد. بهتر است از خازن‌های سرامیکی استفاده کنید، زیرا این نوع خازن دارای تلفات الکترواستاتیکی (ESL) کمتری و امپدانس فرکانس بالا است و پایداری دما و زمان دی‌الکتریک خازن نیز بسیار خوب است. سعی کنید از خازن‌های تانتالیوم استفاده نکنید، زیرا امپدانس آنها در فرکانس‌های بالا بیشتر است.

هنگام قرار دادن خازن‌های دکوپلینگ به نکات زیر توجه کنید:

یک خازن الکترولیتی 100uF را در سراسر انتهای ورودی برق برد مدار چاپی وصل کنید. اگر حجم اجازه می‌دهد، ظرفیت بزرگتر بهتر است.

در اصل، یک خازن سرامیکی 0.01uF باید در کنار هر تراشه مدار مجتمع قرار گیرد. اگر شکاف برد مدار خیلی کوچک است که جا نمی‌شود، می‌توانید یک خازن تانتالیوم 1-10 برای هر 10 تراشه قرار دهید.

برای اجزایی که توانایی ضد تداخل ضعیفی دارند و تغییرات جریان زیادی در هنگام خاموش شدن دارند و اجزای ذخیره‌سازی مانند RAM و ROM، یک خازن دکوپلینگ باید بین خط برق (Vcc) و خط زمین متصل شود.

سرب خازن نباید خیلی طولانی باشد، به خصوص خازن بای پس فرکانس بالا نمی‌تواند سرب بگیرد.

3. طراحی سیم زمین

در سیستم کنترل تک تراشه‌ای، انواع زیادی از سیم‌های زمین وجود دارد، مانند زمین سیستم، زمین شیلد، زمین منطقی، زمین آنالوگ و غیره. چیدمان منطقی سیم‌های زمین، توانایی ضد تداخل برد مدار را تعیین می‌کند. هنگام طراحی سیم‌های زمین و نقاط اتصال زمین، باید مسائل زیر را در نظر گرفت:

زمین منطقی و زمین آنالوگ باید جداگانه سیم‌کشی شوند و نمی‌توانند با هم استفاده شوند. سیم‌های زمین مربوطه خود را به سیم‌های زمین برق مربوطه وصل کنید. هنگام طراحی، سیم زمین آنالوگ باید تا حد امکان ضخیم باشد و ناحیه اتصال زمین ترمینال باید تا حد امکان بزرگ شود. به طور کلی، بهتر است سیگنال‌های آنالوگ ورودی و خروجی را از مدار میکروکنترلر از طریق اپتوکوپلرها جدا کنید.

هنگام طراحی برد مدار چاپی مدار منطقی، سیم زمین باید یک حلقه بسته تشکیل دهد تا توانایی ضد تداخل مدار را بهبود بخشد.

سیم زمین باید تا حد امکان ضخیم باشد. اگر سیم زمین بسیار نازک باشد، مقاومت سیم زمین زیاد خواهد بود و باعث می‌شود پتانسیل زمین با تغییر جریان تغییر کند و باعث ناپایداری سطح سیگنال می‌شود و در نتیجه توانایی ضد تداخل مدار کاهش می‌یابد. هنگامی که فضای سیم‌کشی اجازه می‌دهد، اطمینان حاصل کنید که عرض سیم زمین اصلی حداقل 2-3 میلی‌متر است و سیم زمین روی پین اجزا باید حدود 1.5 میلی‌متر باشد.

به انتخاب نقطه اتصال زمین توجه کنید. هنگامی که فرکانس سیگنال روی برد مدار کمتر از 1 مگاهرتز است، زیرا القای الکترومغناطیسی بین سیم‌کشی و اجزا تأثیر کمی دارد و گردش ایجاد شده توسط مدار اتصال زمین تأثیر بیشتری بر تداخل دارد، لازم است از یک اتصال زمین نقطه‌ای استفاده شود تا یک حلقه تشکیل نشود. هنگامی که فرکانس سیگنال روی برد مدار بالاتر از 10 مگاهرتز است، به دلیل اثر القایی آشکار طراحی سیم‌کشی PCB، امپدانس زمین بسیار زیاد می‌شود و جریان چرخشی ایجاد شده توسط مدار زمین دیگر یک مشکل اساسی نیست. بنابراین، باید از اتصال زمین چند نقطه‌ای برای به حداقل رساندن امپدانس زمین استفاده کرد.

4. موارد دیگر

· علاوه بر چیدمان خط برق، عرض ردیابی باید با توجه به اندازه جریان تا حد امکان ضخیم باشد. در طراحی چیدمان PCB، جهت مسیریابی خط برق و خط زمین باید با مسیریابی خط داده مطابقت داشته باشد. در طراحی چیدمان PCB در پایان، از سیم‌های زمین برای پوشاندن قسمت زیرین برد مدار که هیچ ردیابی در آن وجود ندارد، استفاده کنید. این روش‌ها همگی به افزایش توانایی ضد تداخل مدار کمک می‌کنند.

عرض خط داده باید تا حد امکان زیاد باشد تا امپدانس کاهش یابد. عرض خط داده حداقل نباید کمتر از 0.3 میلی‌متر (12 میل) باشد و اگر از 0.46 تا 0.5 میلی‌متر (18 میل تا 20 میل) استفاده شود، ایده‌آل‌تر است.

از آنجایی که یک سوراخ عبوری روی برد مدار حدود 10pF اثر خازنی به همراه خواهد داشت که تداخل زیادی را برای مدارهای فرکانس بالا ایجاد می‌کند، بنابراین هنگام طراحی چیدمان PCB، باید تعداد سوراخ‌های عبوری را تا حد امکان کاهش داد. علاوه بر این، سوراخ‌های عبوری زیاد نیز استحکام مکانیکی برد مدار را کاهش می‌دهد.