Чтение принципиальных схем: Основы чтения электрических схем: полезные советы для новичков

Каждый компонент имеет спецификацию , опубликованную его производителем, в которой связывает физические клеммы компонента с их функциями, как указано точками соединения на условном обозначении .

Интегральные схемы (ИС), также известные как микросхемы, содержат электронные компоненты в виде небольших однородных блоков с некоторым количеством соединительных клемм, расположенных по бокам, либо металлическими ножками, либо (с некоторыми компонентами для поверхностного монтажа) металлическими контактами внизу. На принципиальных схемах микросхемы представлены в виде прямоугольников с выходящими линиями, обозначающими ножки микросхемы. На некоторых рисунках символ прямоугольника повторяет физическую компоновку корпуса, при этом ножки пронумерованы против часовой стрелки от контакта 1, слева от выемки вверху. Но чтобы уменьшить пересечения линий и общий спагетти-фактор,

Микросхемы физически являются отдельными компонентами, но функционально некоторые микросхемы содержат несколько независимых компонентов, размещенных в одном корпусе. В таких случаях микросхема может быть изображена либо физически, либо функционально, с использованием отдельных символов для функциональных компонентов,

(Схема из Nandhopper 1-Bit Noise Synth on Instructables, by Kyle McDonald)

Обратите внимание, что на функциональном чертеже отсутствуют питание и земля соединения с чипом. Если на принципиальной схеме микросхема представлена ​​с использованием ее функциональных компонентов , вам необходимо не забыть подключить ее питание и заземление , даже если на схеме они не показаны. Здесь, опять же, таблица данных — ваш лучший друг, и, как правило, ИС требуют даже большего изучения спецификаций, чем дискретные компоненты, чтобы убедиться, что все эти одинаково выглядящие ноги подключены правильно.

Вот и все!

Схемы — это просто карты, показывающие, как соединять отдельные компоненты. Самый простой способ превратить большинство схем в рабочую схему — использовать компоненты со стандартным шагом контактов 0,1 дюйма и соединить их вместе на макетной плате без пайки с помощью перемычек. Затем вы можете проверить соединения и иным образом отладить и ознакомиться со схемой с помощью мультиметра, прежде чем рассматривать возможность ее пайки.

Обзор основных моментов:

Вы можете читать принципиальную схему и успешно строить ее, не разбираясь в схеме.

• Принципиальные схемы состоят из двух элементов: символов, обозначающих компоненты, и линий, обозначающих соединения.
• Если линия проходит между компонентами, это означает, что они соединены, точка, и больше ничего вам не говорит.
• Схемы различают несоединенные пути, которые нарисованы линиями, пересекающими друг друга, и соединения, где пересечения линий обозначают общее соединение.
• На схемах используются специальные символы для обозначения различных типов питания и заземления.
• Каждый компонент схемы представлен символом и меткой.
• Каждый символ компонента имеет определенное количество точек соединения. Они соответствуют выводам (или другим клеммам) физического компонента.
• Техническое описание компонента связывает его физические клеммы с их функциями, как указано их символом.
• На некоторых схемах ножки микросхем меняются местами и размещаются со всех сторон прямоугольника, помечая их номером контакта.
• Чип может быть изображен как физически, так и функционально, с использованием отдельных символов для функциональных компонентов, содержащихся в чипе.
• Если схема представляет микросхему с использованием ее функциональных компонентов, не забудьте подключить ее питание и заземление.

*Конечно, понимание схемы помогает, если вы хотите изменить ее или если на схеме есть ошибки, что не является чем-то необычным. Отредактированные источники, такие как MAKE, повышают ценность, создавая проекты перед их публикацией, обеспечивая правильность схем и другой документации.

Полное руководство по схематическим диаграммам

Одним из наиболее фундаментальных аспектов электронной техники с момента ее зарождения являются принципиальные схемы . Принципиальные схемы — это наиболее эффективный способ представить проект на бумаге, и его можно использовать для выполнения анализа схемы, предоставления информации симуляторам и редакторам компоновки, а также для документирования. Таким образом, создание электрических принципиальных схем и чтение схем являются фундаментальными навыками для любого инженера-электронщика, техника и любителя. Здесь, в этой статье, вы узнаете, как рисовать и читать электронные принципиальные схемы, бесплатные и коммерческие инструменты для создания схем, а также передовые методы повышения читабельности ваших проектов и оптимизации процесса проектирования.

Обзор принципиальных схем

Принципиальные диаграммы являются функциональным представлением электрических цепей. Электрические схемы, особенно для электроники, состоят из множества компонентов разных размеров, структур, цветов и корпусов. Кроме того, распределение компонентов и соединений зависит от компоновки, которая сильно различается от проекта к проекту. Поэтому очень сложно, а часто и невозможно осмыслить и понять функциональность схемы без чертежа схемы.

Электрические принципиальные схемы — это технические чертежи, на которых описываются только электрические характеристики компонентов. Например: источником напряжения может быть батарея, импульсный источник питания или термопара, но на принципиальной схеме они могут быть представлены простым символом напряжения постоянного тока, иногда с последовательным резистором для обозначения внутреннего сопротивления, как показано на рисунке. на рисунке 1. Таким образом, цель состоит в том, чтобы представить все компоненты схемы (включая все соединения, спецификации и метки) на простом и надежном чертеже.

Рис. 1. Реальные источники напряжения и соответствующие обозначения на схемах

Обозначения на принципиальных схемах дизайн. Каждый компонент схемы представлен как минимум одним символом, характеризующим электрическую функциональность. В зависимости от уровня детализации, который должна передать схема, один компонент может быть представлен несколькими символами: например, проволочный резистор может быть описан одним символом сопротивления параллельно с катушкой индуктивности для представления паразитной индуктивности. На Рисунке 2 показаны типичные обозначения электронных компонентов в соответствии со стандартом США. Как показано в разделе резисторов на рисунке 2, это два основных стандарта для схемных схем: стандарты США и Великобритании. На изображении показан только стандарт США для большинства компонентов.

Рис. 2. Схематические символы для электронных устройств

Резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы и диоды представлены простыми двухвыводными устройствами, тогда как символы усилителей и транзисторов являются более сложными. Также, в зависимости от характера электрического устройства, символ может представлять собой отличия от простых. Например: переменные пассивные компоненты (такие как переменные резисторы и конденсаторы) представляют собой диагональную стрелку, перекрывающуюся для обозначения изменчивости, светоизлучающие диоды (LED) имеют две стрелки, направленные наружу, чтобы представить свет, а полевые транзисторы на основе оксида металла и кремния (MOSFET) ) имеют другие символы, чем транзисторы с биполярным переходом.

Помимо символов компонентов, метки узлов также используются для идентификации межсоединений и источника питания. Например, метки питания характеризуются именем и/или значением: В _CC = 5 В означает, что узлы подключены к внешним источникам питания, а PIN1 означает, что узел подключен к контакту с именем PIN1. . Символы питания и метки узлов могут использоваться для облегчения чтения и указания типа узла ( POWER , PIN , GND ) в редактор макетов.

Каждому символу компонента должно быть присвоено значение и уникальное справочное имя. Например, после резистора должно следовать наименование и значение, такое как « R ₃ = 10 кОм» . Активные компоненты и интегральные схемы могут иметь ссылку на имя и код модели компонента, например « U ₂ = AD825» . Атрибуция имени и значения имеет основополагающее значение для удобочитаемости. Отраслевой стандарт для ссылочных наименований, также называемый «ссылочными обозначениями», определяет уникальные буквы для каждого типа компонента:

Инструменты проектирования для схематических диаграмм

В процессе проектирования инженеры-электронщики могут использовать простые схемы, нарисованные от руки, для создания новых схем и выполнения быстрых расчетов. Тем не менее, программные средства создания схем необходимы в профессиональных проектах для адекватной документации, моделирования и компоновки. На рис. 3 представлен краткий список некоторых инструментов проектирования электронных схем.

Некоторые инструменты ориентированы только на схемы и обычно используются для документирования. Основное преимущество заключается в том, что эти инструменты обычно бесплатны и часто доступны онлайн, без необходимости загружать программное обеспечение, чтобы начать рисовать. Кроме того, поскольку он ориентирован на схематическую документацию, эстетика символов обычно более дружелюбна. Инструменты, попадающие в эту категорию: Scheme-It, CircuitLab и EasyEDA .

Рис. 3. Фильтр Саллена-Ки, нарисованный с помощью Scheme-It и ORCAD Capture

Однако профессиональные инструменты обычно предоставляют функции в дополнение к базовым схемам. На самом деле, редактор схем обычно является лишь частью полного инструмента проектирования. Преимуществом этих программ является возможность автоматического моделирования схемы на основе схемы и использования информации о соединениях и компонентах для ввода в редактор компоновки. Некоторые из самых популярных инструментов ORCAD™ Capture , Редактор схем LTSpice™ , Редактор схем KiCAD™ , Редактор схем Altium™ и Средство моделирования TINA-TI™ .

Подсхемы и проектирование компонентов

Подсхемы являются основными инструментами для улучшения организации и удобочитаемости проекта. Сложные схемы с большим количеством компонентов и соединений часто реализуют идентичные блоки схемы, которые повторяются в проекте. В этих случаях представление схемы одним компонентом может значительно очистить схему. Инструменты, которые используются для моделирования и компоновки, обычно позволяют создавать подсхемы. Применяя эту функцию, разработчик должен знать о файловой структуре, поскольку подсхемы могут быть разработаны либо как схема внутри более крупного проекта, либо как библиотечный файл, к которому могут обращаться различные проекты. Кроме того, разработчик должен создать новый символ компонента для подсхемы с помощью инструмента проектирования, назначив каждый внешний вывод соответствующему внутреннему узлу.

Разница между схемой и компоновкой

Начинающие дизайнеры иногда могут путать схемы и компоновки. Однако они принципиально различны: схемы — это функциональные представления электронных схем, определяющие только тип компонентов, их распределение и взаимосвязи. Макет, с другой стороны, описывает физическую взаимосвязь между компонентами и определяет правила проектирования, такие как ширина пути, интервал, размер перехода, слои и пакеты. Схематическая концептуализация — это первый этап процесса проектирования, тогда как дизайн макета — последний.

Рис. 4. Схема (a) и соответствующая компоновка (b) фильтра, разработанного с помощью KiCAD список соединений для редактора компоновки, используя эту информацию, чтобы проверить, соответствует ли компоновка схеме, а также для автоматического распределения компонентов и маршрутизации путей с помощью инструментов «автоматическое размещение»  «автоматический маршрут». Таким образом, схемы и макеты идут бок о бок в процессе проектирования.

Схемы для моделирования и схемы для компоновки

Как мы обсуждали ранее, схематические представления — это первый шаг к моделированию и компоновке. Однако есть некоторые различия между схемой для моделирования и схемой для компоновки. Первое отличие заключается в наличии сигналов стимуляции. Чтобы смоделировать схему, в схему должен быть подан хотя бы один сигнал. Самая основная стимуляция – напряжение питания. В симуляторах, таких как PSPICE и LTSPICE, источник питания обычно представлен символами напряжения постоянного или переменного тока (с именем и значением). Кроме того, для большинства симуляций требуются входные сигналы, которые могут быть символами напряжения или тока с различными характеристиками, такими как форма волны, амплитуда, частота и т. д.

С другой стороны, символы входных сигналов и напряжения питания не представлены на схемах компоновки. Это связано с тем, что в реальной схеме эти сигналы передаются на плату с помощью разъемов. Поэтому вместо источников напряжения используются обозначения разъемов (штыревые разъемы, BNC и т. д.). Эти символы содержат узлы соединителей, условное наименование и модель, как показано соединителем J ₃ на рис. 5. Помимо соединителей схема компоновки также должна содержать символы упаковки вместо символов моделирования для интегрированных компонентов. Символ упаковки содержит все несоединенные, цифровые, подстроечные и теплоотводящие контакты, которые могут отсутствовать в символе моделирования. Также некоторые пакеты содержат две и более интегральных схемы, что часто отсутствует в символах моделирования.

Рис. 5. Схема источника постоянного тока, управляющего светодиодом (a) ORCAD Capture для моделирования и (b) KiCAD для компоновки

цепи, такие как шунтирующие конденсаторы и линейные фильтры, как в случае с рис. 5. Кроме того, некоторые пассивные компоненты состоят из более чем одного устройства, например параллельные конденсаторы и резисторы, для достижения некоммерческих значений. Хотя это не проблема для моделирования, проектировщик должен адаптировать схему для применения в редакторе компоновки. Схема компоновки должна содержать все компоненты и соединения, используемые в реальной схеме.

Советы и рекомендации

Сложные схемы иногда сложно читать даже хорошо обученным инженерам. Знания форм и вариаций символов часто недостаточно, чтобы правильно прочитать схему. На самом деле, основная трудность связана с идентификацией схемных блоков и пониманием того, как компоненты связаны между собой. Если проект хорошо организован, каждый блок схемы будет помечен своим именем и функцией. При чтении новой схемы начните поиск входных блоков, содержащих входы схемы, и следуйте за потоком сигналов, пока не найдете выходные блоки.

Соединение между компонентами обычно осуществляется сеткой и этикетками. Провода должны соединять компоненты близко друг к другу, но по мере увеличения количества компонентов использование проводов становится проблематичным.