طراحی برد الکترونیکی

دلایل زیادی وجود دارد که ما نیاز به ساخت یک برد الکترونیکی داریم. مثلا می‌خواهیم یک لامپ را روشن کنیم. یک موتور را راه‌اندازی کنیم و 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!

می‌توان یک برد الکترونیکی را مجموعه‌ای از اجزای الکترونیکی مانند مقاومت، ترانزیستور، خازن، سلف، دیود و غیره که توسط سیم‌های رسانا به هم متصل می‌شوند. تعریف کرد. برای اینکه به عنوان یک برد الکترونیکی و نه الکتریکی شناخته شود. باید حداقل یک مؤلفه فعال (مثلا ترانزیستور یک عنصر فعال است) در آن حضور داشته باشد.

مراحل طراحی برد الکترونیکی

گام اول در برد الکترونیکی: فهمیدن مسئله

صورت مسئله نیمی از راه حل مسئله است! در گام اول طراحی یک 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 الکترونیکی برای یک ربات مسیریاب” است.

گام دوم: 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. بسته به مسئله کلی، هر زیرمسئله به تنهایی نیز می‌­تواند به زیرمسئله­‌های کوچک­تری تقسیم شود. و این روند تا زمانی که تمام جزئیات مطرح شود ادامه خواهد داشت.

گام سوم: انتخاب ورودی‌ها (سنسورها)

حال که از جزئیات مسئله و چالش‌های آن آگاهی داریم، گام بعدی پرداختن به هر زیرمسئله به صورت مجزا و حل مسائل مربوط به آن است (نهایتا پس از حل مسئله مرتبط با هر بخش، ترکیب همه‌­ی بخش‌­ها منجر به تکمیل مسئله خواهد­شد). برای درک بیشتر، مثال طراحی برد الکترونیکی برای ربات مسیریاب را درنظر بگیرید؛ می­‌خواهیم به صورت مجزا به هر زیر­مسئله بپردازیم.

اولین چالش در یک ربات مسیریاب مسئله­‌ی تشخیص خط است. به طور کلی برای فهمیدن و ادراک محیط اطراف نیاز به سنسور داریم. در یک تعریف کلی، سنسور یک دستگاه، ماژول و یا زیر­سیستم است که هدف آن تشخیص وقایع یا تغییر در محیط و ارسال اطلاعات به سایر دستگاه­‌ها، اغلب پردازنده و یا رایانه است.

سنسور­های مختلفی برای اندازه­‌گیری موارد مختلف مانند دما، رطوبت، نور و … وجود دارد. در مسئله ما برای تشخیص یک خط (معمولا ربات باید خطی سیاه در زمینی سفید یا خطی سفید در زمین سیاه را دنبال کند)، اغلب موارد از سنسور IR استفاده می‌شود. علاوه بر نوع سنسور، تعداد آن­‌ها نیز مسئله مهمی است که بسته به اندازه ربات یا شرایط محیط، متغیر است. هم­چنین انواع مختلف سنسورهایی که یک کار را انجام می‌دهند در موارد مختلفی باهم متفاوت‌اند که بسته به نوع مسئله خصوصا رنج اندازه‌گیری، باید سنسور درست را انتخاب کنیم. به طور مثال انواع مختلف سنسور­های تشخیص دما مانند RTD، ترموکوپل و غیره در رنج اندازه­‌گیری دما متفاوت اند و به طور مثال در دماهای بالا معمولا از ترموکوپل استفاده می‌­شود.

گام چهارم: انتخاب عملگرها در برد الکترونیکی

در گام بعد مسئله­‌ی انتخاب خروجی و عملگر­ها مطرح است. این مسئله نیز متناسب با هدف طراحی یک برد در مسائل مختلف، متفاوت است. به عنوان مثال، در مسئله‌ی پیش رو، ربات با چرخ حرکت خواهد کرد. بنابراین موتور به عنوان عملگر، جزئی دیگر از برد خواهد بود. نوع موتور و هم­چنین تعداد آن متناسب با نوع مسئله متغیر است؛ و به پارامترهایی از جمله وزن، سرعت، گشتاور و … وابسته است. هم­چنین در اغلب موارد نیازمند مدار و یا ماژولی برای درایو کردن موتور نیز خواهیم­ بود.

گام پنجم: کنترلر

گام بعدی در مراحل طراحی برد الکترونیکی، انتخاب یک کنترل‌کننده است. در این بخش ما نیاز به ریزپردازنده­‌ها داریم. ریزپردازنده­‌ها و یا به طور معمول میکروکنترلر­ها، یک مدار مجتمع یا چیپ الکترونیکی‌اند. که دارای واحد پردازنده مرکزی، حافظه و تعدادی ورودی و خروجی قابل برنامه ریزی است. میکروکنترلر­ها در طراحی بردهای کنترلی استفاده می‌­شوند. و در صنعت جایگاه ویژه ای دارند. و از آن‌ها به عنوان مغز متفکر مدارها یاد می‌شود. انتخاب میکروکنترلر هم به پارامترهای مختلفی از صورت مسئله بستگی دارد. به عنوان مثال تعداد ورودی (معمولا سنسور­ها، یا کلید­ها و یا …)، تعداد خروجی­‌ها یا عملگرها، تایمر، حافظه، سرعت پردازش و … در تصمیم‌گیری موثر است. خانواده میکروکنترلرهای AVR، ARM، PIC و غیره از میکروکنترلرهای رایجی هستند. که احتمالا اسم آن‌ها را شنیده. و حتی در بردهای کنترلی دیده‌اید.

در میکروکنترلرها همه کارها پشت سر هم انجام می‌شود و زمانبندی بر اساس کلاک میکرو اتفاق می‌افتد. در واقع همزمانی در میکروکنترلر معنی ندارد. و در نتیجه در مواردی که پیچیدگی‌های مسئله زیاد است و نیاز به انجام عملیات به صورت موازی و همزمان است می‌توان از FPGA استفاده کرد.

گام ششم: منبع تغذیه

گام بعد انتخاب منبع تغذیه مناسب برای تامین ولتاژ و جریان است. انتخاب منبع تغذیه بسیار حائز اهمیت است. و برای انتخاب آن، داشتن اطلاعات کافی از تمام اجزای بردی که می‌­خواهید طراحی کنید. الزامی است. چرا که قطعات الکترونیک به شدت به ولتاژ یا جریان گذرنده از آن­ها حساس بوده. و کوچکترین خطایی در محاسبات ولتاژ و جریان آن­ها علاوه بر اینکه باعث عملکرد و نتایج نادرست خواهد ­شد. می­‌تواند سبب آسیب جدی به قطعه و حتی معیوب شدن آن شود.

هم­چنین برای راه­‌اندازی و استفاده صحیح از قطعات نیز حتما لازم است. دیتاشیت مطالعه شود. و اطلاعات مهمی از قبیل جریان و ولتاژ نامی، حداکثر جریان و ولتاژ قابل تحمل، حداقل جریان و ولتاژ مورد نیاز برای فعال شدن. و هم­چنین برخی اطلاعات منحصر به یک قطعه الکترونیکی خاص، از آن استخراج شود. به عنوان مثال هنگام استفاده از میکروکنترلر­ها، اطلاعات لازم برای استفاده از پایه­‌های مختلف در دیتاشیت موجود است.

گام هفتم: طراحی اولیه

گام بعدی در مراحل طراحی یک برد الکترونیکی، طراحی اولیه مدار است؛ بدین صورت که در ابتدا قطعات را کنار هم جایگذاری کرده. و ارتباط بین آن­ها را مشخص کنیم. به طور مثال سنسورها را در کنار پایه­‌های ورودی میکرو، و موتور را در کنار پایه­‌ها خروجی قرار می‌دهیم.

سپس با توجه به اینکه اطلاعات لازم را دیتاشیت مربوط به هر قطعه استخراج نموده‌­اید. با استفاده از اصول اولیه مدار­های الکتریکی و تئوری­‌های مربوط به مدارات الکترونیکی، مدار RLC مورد نیاز (همه­‌ی قطعات نیاز به مدار­های RLC ندارند. مثلا برای روشن کردن LED، یک مقاومت نیز کافی است.) را طراحی کرده. و قطعات از جمله مقاومت و خازن را فراهم می­‌کنیم.

گام هشتم (پیشنهادی): شبیه سازی در نرم افزار

در گام بعد 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. از جمله نرم افزار‌های قدرتمند در شبیه‌سازی مدارات الکترونیکی می‌توان به proteus, fritzing و easyEDA اشاره کرد. علاوه بر این نرم افزارها، برای شبیه سازی مدارات ساده می‌توانید از سایت Circuit Lab نیز استفاده کنید.

مشکلات در شبیه‌سازی

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.  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.

گام نهم: طراحی PCB

حال که از عملکرد برد و نوع قطعاتی که می‌خواهید اطمینان حاصل کردید، گام بعدی، طراحی PCB برای آن است. PCB یا Printed Circuit Board یک مدار چاپی یک یا چندلایه است که قطعات مختلف را از طریق خطوط رسانایی که خودتان می‌کشید. به صورتی که می‌خواهید به هم وصل می‌کند.

برای طراحی PCB، لازم است ابتدا شماتیک مدار را طراحی کنید؛ نرم افزارهای زیادی مختص این کار وجود دارد. که معروف‌ترین آنها Altium است. باید بدانید که در هنگام طراحی PCB نکات مختلف و حائز اهمیت زیادی را در خصوص جایابی درست قطعات. مسیرهای اتصال آنان، نحوه­‌ی عبور خطوط تغذیه و زمین در مدار و … باید رعایت کرد. تا مدار به درستی کار کند.

گام دهم: لحیم کاری در برد الکترونیکی

پس از اتمام طراحی بردهای الکترونیکی و چاپ PCB آنها، نوبت اتصال قطعات روی PCB است. که توسط لحیم­‌کاری صورت می­‌گیرد. روش صحیح لحیم‌کاری یکی از مهارت‌های ضروری برای کسی است که وارد دنیای مدارات الکترونیک می‌شود. البته همین مهارت نسبتا ساده نیز دارای نکات مختلفی در لحیم‌­کاری قطعات SMD و DIP است.

گام یازدهم در برد الکترونیکی: تست و عیب‌یابی

بعد از اتمام کار لحیم‌کاری و اسمبلی قطعات، به نظر می‌رسد برد الکترونیکی شما آماده است. اما باید بدانید در مراحل طراحی بردهای الکترونیکی، هر قسمت شامل تست‌های استانداردی برای برد و قطعات است. برخی نمونه از این تست‌ها عبارتند از: تست مسیر خطوط رسانا در PCB، تست صحت جانمایی قطعات با پایه‌های متفاوت. مانند دیود و ترانزیستور و آی‌سی‌ها و غیره. تست صحت مقادیر قطعاتی مانند خازن، مقاومت و غیره، تست جریان‌کشی قطعات باید انجام شود. خوشبختانه اغلب عملیات عیب‌یابی در بردهای الکترونیکی را می‌توان. انجام داد. با سه وسیله اساسی مولتی‌متر، اسیلوسکوپ (یا همان اسکوپ) و منابع سیگنال (مولد RF و غیره).

اگر نکات مربوط به طراحی PCB و لحیم‌کاری به خوبی رعایت شود. و شما مرحله به مرحله هنگام لحیم‌کاری از درست بودن تمام موارد اطمینان دارید، می‌توانید این گام را انجام ندهید. و از برد الکترونیکی خود استفاده کنید و از نتیجه عملکرد درست آن لذت ببرید!

شرکت در کلاسهای پیشنام به شما این امکان را می‌دهد که بتوانید بردهای الکترونیکی خود را طراحی کرده و بسازید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

این فیلد را پر کنید
این فیلد را پر کنید
لطفاً یک نشانی ایمیل معتبر بنویسید.
برای ادامه، شما باید با قوانین موافقت کنید

فهرست

دانلود

جهت نمایش لینک دانلود فیلدهای درخواستی را پر کنید.
کارشناسان باشگاه رباتیک پیشنام آماده پاسخگویی سوالات شما می باشند.