МПС 4 курс Практические задания Практическая работа 10 Практическая работа 10 EasyEDA - BysonHunter/Tavrich_college GitHub Wiki

🏠 Главная · Микропроцессорные системы · 4 курс · Практические задания · Практическая работа 10

Практическая работа № 10

Основы работы в EasyEDA и проектирование несложного электронного устройства

МДК.02.01: Микропроцессорные системы
Специальность: 09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы»
Курс: 4
Семестр: 7
Продолжительность: 6 академических часов

Цель работы

Освоить полный базовый маршрут проектирования электронного устройства в EasyEDA: создать проект, разработать электрическую принципиальную схему, назначить компонентам посадочные места, выполнить проверку соединений, сформировать печатную плату, разместить компоненты, проложить проводники и проверить плату средствами DRC.

Планируемые результаты

После выполнения работы студент должен уметь:

  • создавать и структурировать проект EasyEDA;
  • находить электронные компоненты в библиотеке;
  • размещать, поворачивать и настраивать компоненты;
  • выполнять электрические соединения и использовать метки цепей;
  • присваивать элементам позиционные обозначения и номиналы;
  • выбирать и проверять посадочные места компонентов;
  • находить незавершённые цепи и другие ошибки схемы;
  • преобразовывать принципиальную схему в проект печатной платы;
  • задавать контур платы, размещать компоненты и вручную трассировать цепи;
  • выполнять DRC и анализировать трёхмерный вид платы;
  • экспортировать результаты и оформлять отчёт.

Оборудование и программное обеспечение

  • персональный компьютер с доступом в интернет;
  • современный браузер;
  • EasyEDA Standard в браузере или установленная версия EasyEDA;
  • программа для просмотра PDF;
  • текстовый редактор для оформления отчёта.

Работа ориентирована на EasyEDA Standard. В EasyEDA Pro расположение отдельных команд может отличаться, но последовательность действий остаётся той же.

Краткие теоретические сведения

Проектирование начинается не с печатной платы, а с электрической принципиальной схемы. На схеме определяются компоненты, их параметры и электрические связи. Затем каждому реальному компоненту назначается посадочное место — графическое описание выводов и габаритов детали на печатной плате.

После проверки схемы создаётся PCB-документ. В нём задаются контур платы, расположение компонентов и проводящие дорожки. Проверка DRC выявляет нарушения технологических правил: слишком маленькие зазоры, пересечения, незавершённые соединения и выход объектов за допустимые границы.

Полный маршрут выполнения работы показан на рисунке 1.

Маршрут проектирования в EasyEDA

Рисунок 1 — основные этапы проектирования устройства в EasyEDA.

Правила выполнения работы

  1. Номер варианта назначает преподаватель.
  2. Проект создаётся самостоятельно и должен содержать принципиальную схему и печатную плату.
  3. Компоненты должны иметь позиционные обозначения, номиналы и подходящие посадочные места.
  4. Питание и общая цепь обозначаются явно. Не допускаются «висящие» обязательные выводы.
  5. Печатная плата выполняется преимущественно вручную. Автотрассировщик может использоваться только с разрешения преподавателя, а результат необходимо проверить и исправить.
  6. Работа считается завершённой после устранения критических ошибок проверки схемы и DRC.
  7. В отчёт включаются снимки экрана, сделанные студентом на основных этапах работы.

Организация файлов

Создайте рабочую папку с именем:

PR10_Фамилия_Группа_Вариант

Рекомендуемая структура сдаваемого комплекта:

PR10_Фамилия_Группа_Вариант/
├── project/                 исходный проект EasyEDA
├── export/                  PDF, BOM и другие экспортированные файлы
├── screenshots/             снимки схемы, PCB, DRC и 3D
└── report.pdf               отчёт студента

Пример выполнения работы

В качестве учебного примера разработаем двухканальный светодиодный генератор на таймере NE555. При высоком уровне на выходе светится первый светодиод, при низком — второй.

Шаг 1. Открытие EasyEDA и создание проекта

  1. Откройте редактор EasyEDA и войдите в учётную запись.
  2. Выберите команду File → New → Project или аналогичную команду создания проекта.
  3. Введите имя проекта PR10_NE555_Blinker.
  4. Внутри проекта создайте документ Schematic с именем Generator_NE555.
  5. Сохраните проект.

Основные области редактора показаны на рисунке 2. Слева находится дерево проекта, в центре — рабочее поле, справа — свойства выделенного объекта. Названия и расположение панелей могут незначительно изменяться при обновлении EasyEDA.

Основные области интерфейса EasyEDA

Рисунок 2 — основные области интерфейса редактора схем.

Шаг 2. Размещение компонентов

Откройте библиотеку компонентов кнопкой Libraries или сочетанием Shift+F. Последовательно найдите и разместите элементы из таблицы 1.

Таблица 1 — компоненты учебного устройства

Обозначение Компонент Номинал или тип Рекомендуемое посадочное место
U1 Таймер NE555, DIP-8 DIP-8, шаг 2,54 мм
R1 Резистор 1 кОм Axial 0.3 или подходящий THT
R2 Резистор 100 кОм Axial 0.3 или подходящий THT
R3, R4 Резистор 330 Ом Axial 0.3 или подходящий THT
C1 Электролитический конденсатор 10 мкФ, не менее 10 В Radial THT
C2 Конденсатор 10 нФ Radial или дисковый THT
C3 Блокировочный конденсатор 100 нФ Radial или дисковый THT
LED1, LED2 Светодиод 3 или 5 мм LED THT
J1 Двухконтактный разъём питания +5 В, GND Terminal Block 2P, шаг 5,08 мм

При выборе библиотечного элемента проверьте не только название символа, но и нумерацию выводов. У разных вариантов одной микросхемы могут отличаться корпус и назначение выводов.

После размещения:

  1. выделите компонент;
  2. в панели свойств задайте Designator, Value и Footprint;
  3. расположите надписи так, чтобы они не пересекали символы и проводники;
  4. используйте клавишу Space для поворота;
  5. нажмите Esc, чтобы завершить размещение.

Шаг 3. Соединение компонентов

Проводник должен начинаться и заканчиваться точно в точке вывода. Визуально близко расположенные линии могут оставаться электрически несоединёнными. Правильное и ошибочное соединения показаны на рисунке 3.

Правильное и ошибочное соединение

Рисунок 3 — поиск компонентов и контроль электрического соединения.

Выполните соединения в следующем порядке:

  1. Создайте цепи +5V и GND и подключите к ним разъём J1.
  2. Соедините вывод 8 VCC и вывод 4 RESET микросхемы U1 с +5V.
  3. Соедините вывод 1 GND с общей цепью.
  4. Подключите R1 между +5V и выводом 7 DISCHARGE.
  5. Подключите R2 между выводом 7 и общим узлом выводов 2 TRIGGER и 6 THRESHOLD.
  6. Подключите C1 между общим узлом выводов 2 и 6 и цепью GND. Соблюдайте полярность электролитического конденсатора.
  7. Подключите C2 между выводом 5 CONTROL и GND.
  8. Подключите C3 между +5V и GND рядом с выводами питания U1.
  9. Подключите цепь LED1 и R3 между выводом 3 OUT и GND.
  10. Подключите цепь R4 и LED2 между +5V и выводом 3 OUT, развернув LED2 так, чтобы он открывался при низком уровне на выходе.

Итоговая структура принципиальной схемы показана на рисунке 4. При выполнении проекта используйте стандартные условные графические обозначения библиотеки EasyEDA.

Принципиальная схема генератора на NE555

Рисунок 4 — принципиальная схема учебного двухканального генератора.

Частоту генерации можно оценить по сопротивлениям R1, R2 и ёмкости C1. После упоминания этих параметров формула расчёта имеет вид:

$$ f \approx \frac{1{,}44}{(R_1+2R_2)C_1}. $$

Для R1 = 1 кОм, R2 = 100 кОм и C1 = 10 мкФ расчётная частота составляет приблизительно 0,72 Гц. Реальная частота зависит от допусков компонентов.

Шаг 4. Проверка принципиальной схемы

  1. Сохраните документ.
  2. Откройте Design Manager и просмотрите список компонентов и цепей.
  3. Выполните электрическую проверку схемы — ERC или проверку, запускаемую при преобразовании в PCB, в зависимости от версии редактора.
  4. Исправьте дублирующиеся обозначения, отсутствующие посадочные места и незавершённые соединения.
  5. Проверьте, что каждый компонент из таблицы 1 присутствует на схеме.
  6. Переместите по одному компоненту в каждой части схемы и убедитесь, что его проводники остаются соединёнными с выводами.

Некоторые предупреждения о выводах питания могут быть допустимы, если питание подано через разъём и обозначено метками. Такое предупреждение нельзя просто игнорировать: в отчёте нужно объяснить его причину и показать, что цепь действительно подключена.

Шаг 5. Преобразование схемы в печатную плату

  1. Запустите команду Convert to PCB из редактора схемы.
  2. Если EasyEDA сообщает об отсутствии посадочного места, вернитесь к схеме и назначьте подходящий Footprint.
  3. Создайте новый PCB-документ Generator_NE555_PCB.
  4. Задайте единицы измерения в миллиметрах.
  5. На слое BoardOutline создайте замкнутый прямоугольный контур размером 60 × 40 мм.

Шаг 6. Размещение компонентов на плате

Размещайте компоненты не случайно, а с учётом назначения:

  • J1 поместите у края платы;
  • LED1 и LED2 разместите так, чтобы они были видны после монтажа;
  • U1 установите в центральной части платы;
  • C3 расположите как можно ближе к выводам питания U1;
  • R1, R2 и C1 расположите рядом с выводами 7, 2 и 6;
  • оставьте расстояние между корпусами для пайки;
  • обозначения на слое шелкографии не должны перекрывать контактные площадки.

Пример рационального размещения и трассировки показан на рисунке 5.

Пример компоновки печатной платыё

Рисунок 5 — учебный пример компоновки платы размером 35 × 25 мм.

Шаг 7. Трассировка

  1. Начните с цепей питания и GND.
  2. Для сигнальных цепей задайте ширину дорожки не менее 0,25 мм.
  3. Для питания и общей цепи используйте ширину 0,5–0,8 мм.
  4. Прокладывайте дорожки под углом 45°.
  5. Не проводите дорожки вплотную к контуру платы.
  6. При переходе между слоями используйте переходное отверстие Via.
  7. Не оставляйте линии Ratline: каждая цепь должна быть протрассирована.

Учебную плату допускается выполнить на одном слое, если это не приводит к перемычкам и чрезмерно длинным дорожкам. При двухслойной трассировке в отчёте укажите, какие цвета соответствуют слоям TopLayer и BottomLayer.

Шаг 8. Проверка DRC и просмотр 3D

  1. Откройте правила проектирования и задайте минимальный зазор не менее 0,20 мм, если преподаватель не указал другое значение.
  2. Запустите Design Rule Check.
  3. Последовательно выберите каждую ошибку и найдите соответствующее место на плате.
  4. Исправьте незавершённые цепи, нарушения зазоров и выход объектов за контур.
  5. Повторяйте DRC до отсутствия критических ошибок.
  6. Откройте 3D View и проверьте ориентацию компонентов, положение разъёма и светодиодов.

Шаг 9. Экспорт и сохранение

Сохраните проект на сервере EasyEDA и выгрузите локальную копию командой Download Project или экспортом исходного файла EasyEDA. Дополнительно подготовьте:

  • PDF принципиальной схемы;
  • изображение или PDF печатной платы;
  • BOM — перечень компонентов;
  • снимок результата DRC;
  • снимок трёхмерного вида платы.

Gerber-файлы в данной вводной работе формируются только по указанию преподавателя. Их создание не означает, что плата автоматически пригодна для изготовления: перед производством требуется отдельная инженерная проверка.

Индивидуальное задание

По назначенному варианту необходимо:

  1. создать проект EasyEDA;
  2. разработать электрическую принципиальную схему;
  3. назначить позиционные обозначения, номиналы и посадочные места;
  4. проверить схему и устранить критические ошибки;
  5. создать плату заданного размера;
  6. разместить компоненты и вручную выполнить трассировку;
  7. выполнить DRC и просмотреть плату в 3D;
  8. подготовить комплект проекта и отчёт.

Если в варианте не указано иное, используйте питание 5 В, сквозные компоненты THT и плату размером не более 70 × 50 мм. Номиналы вспомогательных резисторов и конденсаторов выбираются по справочным схемам и обосновываются в отчёте.

Варианты заданий

№ Проектируемое устройство Обязательные узлы и компоненты Требования к результату
1 Двухканальный светодиодный генератор NE555, 2 LED, 4 резистора, 3 конденсатора, J1 Частота около 1 Гц; светодиоды включаются попеременно
2 Светодиодный маяк NE555, 1 LED, регулировочный резистор, RC-цепь Частота около 2 Гц; на плате предусмотреть контрольную точку OUT
3 Регулируемый генератор импульсов NE555, потенциометр 100 кОм, LED, разъём OUT Диапазон приблизительно 0,5–5 Гц; удобный доступ к потенциометру
4 Таймер задержанного включения NE555 в одновибраторном режиме, кнопка, LED После нажатия LED включается приблизительно на 5 с
5 Формирователь одиночного импульса NE555, кнопка, LED, разъём OUT Длительность импульса около 0,1 с; предусмотреть подавление дребезга
6 Генератор звукового сигнала NE555, пассивный пьезоизлучатель, транзисторный ключ Частота около 1 кГц; излучатель размещён у края платы
7 Регулятор яркости светодиода NE555 в режиме PWM, потенциометр, LED Изменение коэффициента заполнения; контрольная точка PWM
8 Четырёхразрядный двоичный счётчик NE555, 74HC93 или аналог, 4 LED На LED отображаются младшие 4 разряда счётчика
9 Восьмиканальный бегущий огонь NE555, CD4017, 8 LED Последовательное включение 8 LED; сброс счётчика после восьмого состояния
10 Десятиканальный индикатор-счётчик NE555, CD4017, 10 LED Последовательное включение всех 10 каналов; отдельный вход RESET
11 Трёхсекционный светофор NE555, CD4017, красный, жёлтый и зелёный LED Циклическая последовательность состояний; состояния описать в таблице
12 Транзисторный двухканальный мультивибратор 2 транзистора NPN, 2 LED, RC-цепи Попеременное мигание LED без использования таймера NE555
13 Автоматический ночник LDR, транзисторный ключ, потенциометр, LED LED включается при снижении освещённости; порог регулируется
14 Датчик освещённости с компаратором LM393, LDR, потенциометр, 2 LED Раздельная индикация «светло» и «темно»
15 Сигнализатор температуры NTC, LM393, потенциометр, LED и активный зуммер Сигнал при превышении установленного порога
16 Драйвер электромагнитного реле NPN-транзистор, реле 5 В, защитный диод, LED, вход IN Гальванически корректное управление катушкой; силовые контакты выведены на разъём
17 MOSFET-драйвер светодиодной нагрузки Logic-level N-MOSFET, вход PWM, защитные резисторы, разъёмы Управление внешней нагрузкой; силовые дорожки шире сигнальных
18 Стабилизированный источник 5 В 7805, защитный диод, входные и выходные конденсаторы, LED Вход 7–12 В; выход 5 В; входной и выходной разъёмы у краёв платы
19 Регулируемый стабилизатор LM317, потенциометр, конденсаторы, защитные диоды Регулируемый выход приблизительно 5–9 В при допустимом входном напряжении
20 Индикатор полярности питания 2 разноцветных LED, диоды и ограничительные резисторы Разный цвет при прямой и обратной полярности; вход защищён
21 Индикатор целостности цепи транзистор, активный зуммер, LED, щупы-разъёмы Световая и звуковая сигнализация при малом сопротивлении проверяемой цепи
22 RS-триггер с индикацией 74HC00, 2 кнопки, 2 LED Входы SET и RESET; два взаимно противоположных выхода
23 Т-триггер на 74HC74 74HC74, кнопка, цепь подавления дребезга, 2 LED Каждое нажатие меняет состояние выходов Q и /Q
24 Дешифратор «2 в 4» логические элементы 74HC04 и 74HC08, 2 входа, 4 LED Ровно один активный выход для каждой комбинации входов
25 Четырёхбитный индикатор состояния 4 тумблера или кнопки, 4 LED, буфер 74HC244 Отображение четырёх входных уровней; общий вход разрешения буфера

Требования к отчёту

Отчёт должен содержать:

  1. титульный лист;
  2. номер и тему работы;
  3. цель работы;
  4. номер и формулировку индивидуального варианта;
  5. описание принципа работы устройства;
  6. таблицу компонентов с обозначениями, номиналами и посадочными местами;
  7. принципиальную схему после упоминания её в тексте;
  8. объяснение предупреждений проверки схемы, если они остались;
  9. изображение печатной платы после упоминания компоновки;
  10. параметры платы и ширину дорожек;
  11. результат DRC;
  12. трёхмерный вид платы;
  13. вывод по работе.

Снимки экрана должны быть читаемыми. На каждом снимке должны быть видны только необходимые области интерфейса; мелкий текст и пустые поля следует обрезать.

Критерии оценивания

Критерий Баллы
Структура проекта и корректные имена документов 5
Полнота и правильность принципиальной схемы 20
Позиционные обозначения, номиналы и маркировка цепей 10
Корректные посадочные места 10
Анализ и устранение ошибок схемы 10
Обоснованное размещение компонентов на PCB 15
Завершённая и аккуратная трассировка 15
Результат DRC и проверка 3D 10
Полнота и качество отчёта 5
Итого 100

Критическая ошибка, делающая устройство электрически неработоспособным или создающая короткое замыкание питания, должна быть устранена до защиты работы.

Контрольные вопросы

  1. Чем символ компонента отличается от его посадочного места?
  2. Почему печатную плату следует создавать после проверки принципиальной схемы?
  3. Что показывает линия Ratline в редакторе PCB?
  4. Для чего применяются метки цепей?
  5. Почему выводы питания и сигнальные выводы нельзя соединять только «визуально»?
  6. Какие ошибки выявляет DRC?
  7. Почему блокировочный конденсатор размещают рядом с выводами питания микросхемы?
  8. Почему силовые дорожки делают шире сигнальных?
  9. Какие компоненты целесообразно размещать у края платы?
  10. Какие материалы необходимо сохранить, чтобы другой разработчик мог продолжить проект?

Источники

Интерфейс EasyEDA обновляется. Перед занятием преподавателю рекомендуется проверить названия команд в используемой версии редактора. Требования к электрической схеме, посадочным местам и проверкам проекта при этом сохраняются.

← Практическая работа № 9 · Практическая работа № 11 →

Оригинал материала на GitHub