Academia.eduAcademia.edu
Viện Điện Tử – Viễn Thông Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội HƯỚNG DẪN BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ I GVHD: TS. NGUYỄN VŨ THẮNG Hà Nội, 2018 NỘI DUNG CHÍNH 1 Mục đích Kết quả cần đạt được 2 5 6 3 Quy trình thiết kế 4 Tiêu chí đánh giá Thiết kế mạch mẫu Các vấn đề gặp phải khi thực thi MỤC ĐÍCH ❑ Giúp sinh viên làm quen với quy trình thiết kế mạch điện tử ❑ Biết cách sử dụng một số phần mềm mô phỏng mạch, thiết kế mạch. ❑ Biết quy trình hàn mạch, kiểm tra, đo đạc thông số của mạch. KẾT QUẢ CẦN ĐẠT ĐƯỢC ❑ Tạo ra được 1 sản phẩm mạch điện tử tương tự ứng dụng được trong đời sống. QUY TRÌNH THIẾT KẾ 1 Phân tích yêu cầu 5 Test trên bo mạch 2 Thiết kế sơ đồ khối 6 Thiết kế mạch in 3 Thiết kế chi tiết các khối 7 Hàn và test mạch 4 Tiến hành mô phỏng 8 Tối ưu và đưa ra thiết kế cuối cùng Phân tích yêu cầu ❖ Yêu cầu hệ thống: - Là tổng hợp tính năng chính của hệ thống. ❖ Yêu cầu chức năng: - Yêu cầu chức năng mô tả hệ thống sẽ làm gì. Nó mô tả các chức năng hoặc các dịch vụ của hệ thống một cách chi tiết. ❖ Yêu cầu phi chức năng: - Yêu cầu phi chức năng không đề cập trực tiếp tới các chức năng cụ thể của hệ thống. Yêu cầu phi chức năng thường định nghĩa các thuộc tính như: độ tin cậy, thời gian đáp ứng, các yêu cầu về lưu trữ …và các ràng buộc của hệ thống như: khả năng của thiết bị vào/ra, giao diện … Thiết kế sơ đồ khối ❑ Dựa vào yêu cầu đã phân tích, thiết kế sơ đồ khối. ❑ Chú ý vẽ cả phần chiều mũi tên hướng dữ liệu. Sơ đồ khối 1 mạch phát sóng FM Thiết kế chi tiết các khối ❑ Phân tích chi tiết từng khối. Tham khảo một số mạch đã có sẵn. ❑ Lưu ý đọc kỹ Datasheet của mạch để có thể tránh được những sai sót trong quá trình thiết kế. ❑ Cần nắm rõ chức năng của từng khối hoặc từng linh kiện trong mạch. Khối khuếch đại âm tần và khối tạo dao động Tiến hành mô phỏng Proteus Tina Spice TopSpice Multisim Xem thêm: http://www.electronics-lab.com/downloads/circutedesignsimulation/?page=1 Test trên bo mạch ❑ Test mạch trên bo cắm ❑ Test xong thì tiến hành hàn trên Board đồng đục lỗ Thiết kế mạch in ❑ Thiết kế trên một số phần mềm thiết chuyên nghiệp: Altium Designer, Kicad, Orcad, Allegro, Eagle… Thiết kế mạch in ❑ Nắm được những nguyên tắc lựa chọn, sắp xếp linh kiện, vị trí của chúng trên mạch để đảm bảo toàn mạch hoạt động ổn định. ❑ Tuân thủ những tiêu chuẩn về khoảng cách, kích thước độ dài của những đường dây để đảm bảo thiết kế chính xác. Hàn và test mạch ❑ ❑ ❑ ❑ Biết cách lựa chọn tay hàn phù hợp, điều chỉnh nhiệt độ phù hợp. Nắm được các kỹ thuật hàn: Linh kiện cắm, linh kiện dán, hàn IC… Những thứ cần test trước khi bắt tay vào hàn mạch. Các bước hàn mạch, cách test mạch sau khi hàn. Tối ưu và đưa ra thiết kế cuối cùng ❑ Tiến hành đo đạc thông số, đo đạc, tính toán lại để tối ưu trước khi đưa ra thiết kế cuối cùng TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ ❑ Sinh viên trình bày chi tiết trình tự bước thực hiện: - Quá trình lựa chọn, phân tích, thực hiện đề tài, kết quả các bước thực hiện. - Đánh giá qua sản phẩm cuối cùng của sinh viên. THIẾT KẾ MẠCH MẪU ❑ Đề tài ví dụ: Thiết kế mạch hiển thị nhiệt độ, độ ẩm hiển thị lên màn hình LCD1602. Có thiết kế mở rộng. Phân tích yêu cầu ❑ - Yêu cầu hệ thống Mạch có chức năng đọc nhiệt độ, độ ẩm. Hiển thị lên LCD. Tích hợp thêm khối điều khiển thiết bị và trao đổi dữ liệu tới điện thoại. Phân tích yêu cầu ❑ Yêu cầu chức năng: - Mạch đọc nhiệt độ, độ ẩm qua bộ xử lý trung tâm và hiển thị lên LCD1602. - Thông số nhiệt độ, độ ẩm được gửi tới điện thoại qua Bluetooth. - Có thể điều khiển thiết bị bằng điện thoại qua Bluetooth. Phân tích yêu cầu ❑ Yêu cầu phi chức năng: - Kích thước mạch nhỏ gọn, tiện dụng (Nhỏ hơn 10(cm)x10(cm)) - Hoạt động liên tục, ổn định trong thời gian dài. Thiết kế sơ đồ khối Thiết kế chi tiết các khối ❑ Khối nguồn • Sử dụng nguồn 9-12V DC cấp từ Adapter, điện áp cấp vào trên VIN của Arduino Nano, trên Arduino có IC nguồn tạo ra điện áp 5V và 3.3V. • Có sử dụng nút bật tắt nguồn. Thiết kế chi tiết các khối ❑ Khối xử lý trung tâm: • Sử dụng Arduino Nano, điều khiển mọi hoạt động của mạch. Thiết kế chi tiết các khối ❑ Khối cảm biến: • Sử dụng cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 để đọc tham số của môi trường. Thiết kế chi tiết các khối ❑ Khối cảm biến: • Sử dụng module Bluetooth HC05 để trao đổi dữ liệu với điện thoại. • Sử dụng LED thu hồng ngoại cho phép điều khiển thiết bị qua Remote hồng ngoại. Thiết kế chi tiết các khối ❑ Khối hiển thị • Sử dụng LCD1602 để hiển thị nhiệt độ, độ ẩm và thông số của mạch. • Biến trở để chỉnh độ tương phản của LCD. Thiết kế chi tiết các khối ❑ • • • Khối ngoại vi Sử dụng các LED để thông báo Nút nhấn để thiết lập Còi chip để cảnh báo Thiết kế chi tiết các khối ❑ Khối điều khiển • Sử dụng Relay để điều khiển thiết bị 1 chiều hoặc xoay chiều, có sử dụng cách ly quang. Sơ đồ nguyên lý cả mạch Mô phỏng trên Proteus Download software: https://drive.google.com/open?id=1sfEHUj_8Mjimtz93QNgI0c0qa9qpQuR0 Test trên bo mạch ❑ Write your text... Hướng dẫn thiết kế trên Altium Designer Download Altium 16 và bộ thư viện: https://drive.google.com/open?id=1R1Uo7HqbxKlSgj5jwAa5MqDsBYeA4lbV Nếu yêu cầu nhập tài khoản: Username: evaluser@altium.com, Password: 1#tSzNmG Hướng dẫn thiết kế trên Altium Designer ❑ Crack Altium: Trong giao diện Home, chọn tab Admin, nhấp vào Add Standalone license file, chọn đường dẫn tới thư mục Patch. Chọn 1 trong 5 file đuôi .alf để crack Altium. ❑ Có nhiều thư viện Altium, có thể tham khảo 2 bộ thư viện sau: - Thư viện DoHuongLib: http://bit.ly/2xT4eS1 - Thư viện ThinhNguyenLib: http://bit.ly/2xMYWY7 ❑ Cách Add thư viện trong Altium: Click vào Tab Libraries/Libraries/Installed/Install/Install from file lựa chọn các file thư viện(Chọn định dạng hiển thị All Files) (Tab Libraries nằm góc phải giao diện làm việc Altium, nếu không thấy có thể vào tab View/Workspaces Panels/Systems/Libraries để hiển thị hoặc vào Tab System/Libraries nằm góc phía dưới giao diện làm việc) Thiết kế sơ đồ nguyên lý ❑ Tạo PCB Project: • File/New/Project/PCB Project. • Click chuột phải chọn Add New to Project lựa chọn Schematic và PCB. Tiến hành lưu lại Thiết kế sơ đồ nguyên lý ❑ Thiết lập trang làm việc • Vào Design /Document Options (Phím tắt D+O). Thiết kế sơ đồ nguyên lý ❑ Một số thao tác cơ bản trên sơ đồ nguyên lý: ▪ Zoom In/Out: Giữ Ctrl+ lăn chuột. ▪ Xem bản vẽ: Lăn chuột để xem phía trên/dưới, giữ Shift+ lăn chuột để xem trái phải. ▪ Xoay linh kiện 90 độ: Chọn linh kiện+ Space. ▪ Xoay linh kiện theo trục X/Y: Chọn linh kiện+ X/Y ▪ Tạo chuỗi Text: Place/Text (P+T) ▪ Tạo Net Label: Place/Net Label (P+N) ▪ Vẽ đường bao: Place/Drawing Tools/Line (P+D+N) ▪ Đặt tên tự động: Tools/Annotations/Force Annotate All Schematic (T+A+N) ▪ Kiểm tra Footprint: Tools/Footprint Manager (T+G) Thiết kế sơ đồ nguyên lý Lưu ý khi trong bước thiết kế sơ đồ nguyên lý trong Altium: Sơ đồ nguyên lý thể hiện đầy đủ các kết nối, thông số linh kiện. Sơ đồ nguyên lý cần được thiết kế rõ ràng, các khối tách riêng biệt. Lựa chọn Footprint phù hợp khi thiết kế sơ đồ nguyên lý, trước khi Update linh kiện sang PCB để Layout cần kiểm tra lại Footprint các linh kiện đã chính xác và phù hợp chưa(Dùng phím tắt T+G). ▪ Mọi mạch đều cần thiết kế khối mạch nguồn, nên thiết kế thêm nút nhấn bật tắt nguồn, khối bảo vệ mạch. ❑ ▪ ▪ ▪ Thiết kế sơ đồ nguyên lý Cách lựa chọn Footprint cho linh kiện ❑ Khi thiết kế nên lựa chọn những linh kiện có sẵn trên thị trường trước khi thiết kế thông qua một số Website như: banlinhkien.vn, mualinhkien.vn, linhkienchatluong.vn… ❑ Khi thiết kế nên kiểm tra kỹ thông số trong datasheet, cùng 1 linh kiện nếu kiểu chân khác nhau thì công suất có thể khác nhau. ❑ Nên sử dụng linh kiện có kiểu chân dán để giảm kích thước mạch nhưng phải đảm phần công suất. ❑ Kiểu chân 0805, 0603 là những kiểu chân phổ biến cho LED, điện trở, tụ điện khi thiết kế mạch. Cách lựa chọn Footprint cho linh kiện Footprint Manager Thiết kế PCB với Altium Designer ❑ Update linh kiện từ mạch nguyên lý sang PCB: Trong Schematic, chọn Design/Update PCB documents… Chọn Validate Changes để kiểm tra kết nối, nếu không có lỗi thì nhấn Execute Changes để update linh kiện. (Phải đảm bảo các file để mở dạng Project chứ không phải Free Documents). ❑ Sau khi Update, nhấn phím L tắt chế độ check lỗi DRC (DRC Error Maker) (Check lỗi Logic và Vật lý). ❑ Khi sắp xếp linh kiện nên thiết lập Altium ở chế độ Window Vertical(W+V). Khi sắp xếp, chọn linh kiện bên sơ đồ nguyên lý, nhấn T+S(Tools/Select PCB Components) để tìm linh kiện bên PCB. Thiết kế PCB với Altium Designer ❑ Một số kinh nghiệm sắp xếp linh kiện: • Sắp xếp linh kiện theo khối nếu mạch có sử dụng nhiều khối khác nhau, các linh kiện trong cùng 1 khối thì đặt cạnh nhau. Một số linh kiện bắt buộc đặt cạnh nhau thì mới có thể hoạt động được, cần xem kỹ các thông số trong Datasheet. • Header, terminal nên đặt cạnh rìa mạch, cần ghi rõ các chân chức năng tránh trường hợp cắm nhầm. • Nút nhấn, công tắc, các linh kiện cần thao tác trên mạch cần sắp xếp ở vị trí dễ nhấn… Thiết kế PCB với Altium Designer ❑ Một số kinh nghiệm sắp xếp linh kiện: • Module có sử dụng Anten thì đặt cạnh rìa mạch, hướng Anten ra bên ngoài. • IC có nhiều chân cần Layout thì nên dành thêm không gian trống để dễ Layout. • Sắp xếp linh kiện hợp lý và tiết kiệm diện tích. • Đặt thêm lỗ khoan 4 góc để bắt vít cố định mạch… • Sau khi sắp xếp linh kiện xong thì chỉnh sửa kích cỡ tên linh kiện, các thông số của mạch Thiết kế PCB với Altium Designer Sắp xếp linh kiện Thiết kế PCB với Altium Designer Hình ảnh 3D Đặt luật đi dây ❑ Mục đích: Cho Altium biết được giới hạn về khoảng cách tối thiểu, độ rộng đường dây, giúp tăng tốc độ vẽ mạch ❑ Phím tắt đặt luật D+R (Design/Rules). ❑ Có thể thiết lập cho toàn bộ mạch trong 1 lần layout hoặc thiết lập cho 1 số đường dây nhất định (GND, VCC…). ❑ Có ít nhất 3 tham số cần đặt luật: 1. Khoảng cách tối thiểu giữa 2 đường dây cạnh nhau. 2. Độ rộng cho phép của đường dây khi Layout 3. Kích thước lỗ via (Tùy theo nhà sản xuất mạch in để đặt luật với kích thước tối thiểu) Đặt luật đi dây 1. Khoảng cách tối thiểu giữa 2 đường dây cạnh nhau: Electrical/Clearance, (một số chỗ cho phép làm 5mil, một số thì 8mil), thông thường nên đặt kích thước nhỏ nhất khoảng 10-12mil, nếu như làm thủ công, nên để khoảng 15-20mil. 2. Độ rộng cho phép của đường dây khi Layout: (kích thước tối thiểu như phần phía trên) Routing/Width, lớn nhất thì tùy ý. 3. Kích thước lỗ via: Routing/Routing Via Style kích thước đường kính lỗ 20mil, đường kính via là 38 mil. Layout mạch ❑ • • ❑ • • • Một số phím tắt khi Layout Layout mạch Place/Track (P+T) Thay đổi độ rộng đường dây Layout, nhấn phím 3 hoặc phím Tab Xóa đường dây đã layout: Xóa toàn bộ đường dây: Với bản 16: U+A, Với bản 17: U+ U+A Xóa 1 đường kết nối: Với bản 16: U+C, Với bản 17: U+U+C Xóa 1 đường dây: Với bản 16: U+N, Với bản 17: U+U+N Layout mạch ❑ Khi Layout khi cần chuyển hướng bẻ những góc 135 độ thay thế góc vuông. ❑ Tăng độ rộng(width) các đường dây VCC, GND, đường sử dụng dòng lớn. ❑ Sử dụng Via cho những đường khó Layout. Layout mạch ❑ Trước khi đổ đồng, đặt lại luật (D+R) ở mục Clearance lên 30mil. ❑ Đổ đồng(Đổ GND): Place/Polygon Pour (P+G). ❑ Chọn lớp để đổ đồng(Bottom/Top Layer). ❑ Chọn đường dây cần đổ: Thường chọn GND. ❑ Những khu vực có đường dây điều khiển 220V AC thì không đổ đồng. Layout mạch Mạch sau khi đổ đồng Cắt mạch in ❑ Các bước tiến hành cắt mạch in: ❑ Chọn lớp Keep Out Layer ở phần chọn lớp. ❑ Nhấn P+L để vẽ đường bao. ❑ Click vào đường bao, nhấn Tab. ❑ Nhấn tiếp D+S+D để cắt mạch. Xuất file báo cáo PDF ❑ File/SmartPDF, lựa chọn File cần xuất báo cáo (.schdoc, .pcbdoc). ❑ Tích chọn Export a Bill of Materials(Nếu muốn xuất kèm file linh kiện BOM) ❑ Nhấn Finish Xuất file Bottom of Materials ❑ BOM: là thông số của toàn bộ linh kiện được sử dụng trong mạch. ❑ Reports/Bill of Materials. ❑ Lựa chọn định dạng file: PDF, Exel... ❑ Chọn Template. ❑ Nhấn Export để xuất file. Cách đặt mạch in, địa chỉ đặt mạch ❑ Đặt mạch in bằng cách gửi file .pcbdoc cho nhà sản xuất. ❑ Nếu cần tính bảo mật thì xuất file Gerber và file khoan (Tham khảo tại: http://machinpcb.com/huong-dan-xuat-file-gerber-tu-altium-designer/ ) ❑ Nếu đặt mạch số lượng ít, thời gian nhanh(Từ 2-5 ngày) thì đặt gia công ở Việt Nam, tuy nhiên chất lượng không cao. Khi đặt mạch, gửi file pcb đã layout(Hoặc xuất file Gerber và file drill), khi đặt mạch ghi rõ số lượng đặt, màu sắc(mặc định màu xanh lá), nếu cần in lớp tên linh kiện thì phải ghi rõ. Giá thành tính trên 1 sản phẩm sẽ cao nếu đặt số lượng nhiều, phù hợp với đặt số lượng ít. Một địa chỉ khá uy tín làm mạch nhanh, chất lượng ổn là mit.pcbsale@gmail.com. Cách đặt mạch in, địa chỉ đặt mạch ❑ Hiện nay có nhiều cơ sở nhận đặt mạch in gia công nước ngoài. Chất lượng mạch in rất tốt, phù hợp với đặt số lượng lớn, giá thành tính trên 1 sản phẩm thấp(khoảng 180k/10 mạch kích thước 10*10cm) tuy nhiên thời gian yêu cầu lâu hơn(8-10 ngày). Nhanh nhất là 5-6 ngày nhưng giá thành sẽ cao hơn 3-4 lần. ❑ Địa chỉ gợi ý: https://machin.cxt.vn/ Khi đặt mạch chỉ cần đính kèm file, ghi rõ số lượng, sau khi chuyển khoản có thể theo dõi tình trạng đơn hàng. ❑ Nếu có thời gian bạn nên đặt theo cách này, chất lượng mạch sẽ đảm bảo. LƯU Ý KHI HÀN VÀ TEST MẠCH ❑ Cách lựa chọn tay hàn: Sử dụng loại tay hàn nhiệt có thể điều chỉnh nhiệt độ, nhiệt độ duy trì từ 300- 350 độ C. Nên lựa chọn mũi hàn dao sẽ dễ hàn hơn. LƯU Ý KHI HÀN VÀ TEST MẠCH ❑ Thiếc hàn: Chọn thiếc có ít chì, ít vón cục. ❑ Mỡ hàn, nhựa thông: Tăng độ bám dính giữa thiếc và bề mặt hàn. Nhựa thông còn dung để tẩy mũi hàn nếu mũi hàn không dính thiếc. ❑ Bọt biển: Làm sạch mũi hàn LƯU Ý KHI HÀN VÀ TEST MẠCH ❑ Kiểm tra mạch in trước khi hàn: Làm sạch mạch trước khi hàn, sử dụng tính năng đo thông mạch để kiểm tra các kết nối(Thang Diode). ❑ Khi hàn mạch, vừa hàn vừa kiểm tra thông mạch, nên hàn khối nguồn trước để tiện kiểm tra các phần của mạch. ❑ Với các mối hàn cần hàn đủ thiếc, bóng đẹp. Khi hàn xong mạch, sử dụng Axeton để rửa mạch(Làm sạch nhựa thông khi hàn, bụi bẩn)