KICAD: rysowanie schematu

Podczas kursu zaprojektujemy sobie prostą sondę logiczną, którą zamieściłem jakiś czas temu na elektrodzie oraz na mojej stronie. Narysujemy schemat, dobierzemy obudowy w technologi SMD i zaprojektujemy płytkę. Jeżeli ktoś chce, to oczywiście może wytrawić płytkę i zmontować ten układ - mimo wielkiej prostoty, ta sonda jest wygodna i przydatna w praktyce.

Rozpoczynamy nowy projekt klikając przycisk Utwórz nowy projekt w oknie głównym Kicada. Proponuję zapisać go w katalogu programu, czyli c:/kicad/sonda, a plik projektu nazwijmy sonda.pro. Po wykonaniu tej czynności, menedżer projektu powinien wyglądać jak poniżej:

Uruchamiamy edytor schematów Eeschema, klikając pierwszą z lewej dużą ikonę. Przy pierwszym uruchamianiu pokazuje się komunikat, że nie odnaleziono pliku sonda.sch. Dziwny trochę ten komunikat, bo pliku jeszcze nie utworzyliśmy, więc oczywiste, że go nie ma.

Arkusz do rysowania schematów domyślnie ma format A4 i jest na niego nałożona siatka 50mils. Siatka umożliwia równe rozmieszczenie ścieżek i elementów, aby schemat wyglądał estetycznie. Użyj kółka myszki, aby powiększyć schemat i zobaczyć siatkę bliżej. Poruszamy się po arkuszu stosując zmniejszanie i powiększanie tej części, którą chcemy zobaczyć. Można też inaczej - wciśnięcie SHIFT i jednoczesne kręcenie kółkiem przesuwa schemat w górę lub w dół, a wciśnięcie CTRL i kręcenie kółkiem przesuwa w prawo i lewo.

W programach projektowych do elektroniki często występuje jednostka mils. Pochodzi od naszych najlepszych przyjaciół z zachodu, który są niereformowalni i nie mogą się przestawić z cali na system metryczny. Cal jest jednostką zbyt dużą, by mierzyć drobne elementy elektroniczne, więc wymyślono mils. Jeden mils to 1/1000 cala. Dla przypomnienia: cal to 25,4mm a więc 1 mils to 0,0254mm albo 25,4um. Po pewnym czasie da się przyzwyczaić. Dobrze jest sobie zapamiętać, że odstęp między nóżkami w układzie scalonym DIL to 100mils, a układy te mają szerokość 300mils lub 600mils.

Podczas kursu będę promował stosowanie skrótów klawiszowych, bo ogromnie zwiększa to szybkość projektowania. Oczywiście można klikać ikonki z pasków narzędzi i uzyskać ten sam efekt, ale zajmie to więcej czasu.

Wstawiamy elementy

Pierwszym zadaniem będzie wstawienie wszystkich elementów. Kicad rozróżnia elementy "zwykłe" oraz symbole zasilania. Nie należy ich mylić - to rozróżnienie służy do automatycznego łączenia zasilania do układów scalonych, o czym będzie jeszcze w dalszej części kursu. Póki co, wstawmy elementy zwykłe. Można to zrobić wciskając klawisz A jak Add. Pojawi się okienko, w którym program pyta nas o nazwę elementu, jaki zamierzamy wstawić. Poniżej jest lista najczęściej używanych elementów. Można wyszukiwać elementy bez otwierania biblioteki, np. po wpisaniu 232 pojawią się wszystkie elementy z liczbą 232 w nazwie. 

Zacznijmy od wstawiania rezystorów. W okienku wpisujemy R (nazwa rezystora) i ENTER. Aby zakończyć wstawianie elementu należy kliknąć w wyznaczone miejsce. Jeszcze przed postawieniem elementu na arkuszu, można go obrócić klawiszem R. OK, w ten sposób wstawiliśmy pierwszy rezystor, ale pozostało ich jeszcze sporo. By oszczędzić sobie zbędnej klikaniny, można wcisnąć klawisz INSERT - zostanie jeszcze raz wstawiony ostatnio dodany element. Można też inaczej - wskazujemy na schemacie element, który chcemy wstawić i wciskamy C, wówczas zostanie on skopiowany. Aby przesunąć grupę elementów należy je zaznaczyć. Można je jednocześnie skopiować, jeżeli podczas zaznaczania naciśniemy SHIFT.

Wstawianie

• W - połączenie (wire)
• A - symbol inny niż zasilanie (add)
• P - symbol zasilania (power)
• C - wstaw kopię elementu wskazanego kursorem (copy)
• Q - znacznik braku połączenia
• L - etykieta (label)
• J - węzeł (junction)
• I - linia
• T - tekst
• INSERT - powtórz ostatnią czynność
• ESCAPE - koniec

Edycja

• R - obróć (rotate)
• Y - odbij symetrycznie w osi Y
• X - odbij symetrycznie w osi X
• M - przesuń element (move)
• G - przesuń element razem z połączeniami (grab)
• E - edytuj element, numer, opis, etykietę
• V - edytuj wartość elementu (value)

Pozostałe skróty można zobaczyć po wciśnięciu klawisza ?

Dodajmy teraz wszystkie pozostałe elementy, poza zasilaniem. Ich nazwy to: C, LED, DIODE, LM358, NPN, PNP, CONN_1.

Często używane elementy

• R - rezystor
• PR - potencjometr jako dzielnik napięcia
• RVAR - potencjometr jako regulowany rezystor
• L - cewka
• C - kondensator
• CP - kondensator elektrolityczny
• CTRIM - trymer
• DIODE - dioda
• LED - LED
• DIODESCH - dioda Schottky'ego
• ZENER - dioda Zenera
• NPN - tranzystor NPN
• PNP - tranzystor PNP
• MOS_N - tranzystor MOSFET N
• MOS_P - tranzystor MOSFET P
• JFET_N - tranzystor JTEF N
• JFET_P - tranzystor JFET P
• CONN_xx - złącze xx-pinowe
• Z - klawisz lub zwora
• Y - przełącznik SPDT
• KEY - klawisz w matrycy
• CRYSTAL - kwarc

Pozostały jeszcze symbole zasilania. Do ich wstawienia służy klawisz P (power). W tym projekcie będziemy wykorzystywać tylko dwie linie zasilające o nazwach Vcc i GND. Istnieje cały szereg różnych linii zasilających, które można zobaczyć w bibliotece (po naciśnięciu P i Wyświetl wszystkie).

Bardzo ważnym elementem, nieznanym z innych programów jest element PWR_FLAG. Musi on być podłączony do każdej linii zasilającej, aby program wiedział, że ma do czynienia z liniami zasilającymi i podczas kontroli błędów będzie je traktował szczególnie. Aby element PWR_FLAG nie odwracał uwagi od zasadniczej części schematu, umieścimy go w prawym dolnym narożniku.

W naszym projekcie występują dwa wzmacniacze operacyjne, znajdujące się w jednym układzie scalonym LM358. Podobna sytuacja jest w przypadku bramek logicznych - często w jednym układzie scalonym znajduje się kilka elementów, których jedyną wspólną cechą jest zasilanie. Elementy takie w Kicadzie oznaczane są literami A, B, C... Aby wybrać, o którą część w scalaku nam chodzi, klikamy górny wzmacniacz prawym przyciskiem myszy i wybieramy Edytuj symbol > Część > Część 2 B. Symbol trochę się zmieni, znikną wejścia zasilania oraz zmienią się numery pinów na wejściach i wyjściach.

Rysowanie połączeń

Tak jak zawsze, istnieje kilka metoda. Krótkie połączenia można rysować w postaci kresek przy pomocy przycisku W (wire), co jest równoznaczne z kliknięciem ikonki Dodaj połączenie na pasku narzędzi po prawej. W razie błędu, klawiszem ESCAPE anulujemy rysowanie ścieżki, a jeżeli ścieżka jest już narysowana, to skasować ją można klawiszem DELETE.

Inną metodą jest wstawianie etykiet. Metoda nadaje się w szczególności do połączeń długich, takie jak np. globalne linie zegarowe i magistrale. Trzeba narysować kawałek zwykłego połączenia przy pomocy klawisza W i następnie nadać mu etykietę. Po wciśnięciu klawisza L (label) pokazuje się okienko, gdzie wpisujemy nazwę sieci. Warto nieco zmniejszyć tekst etykiety do 0,05 cala, aby gęsto rozmieszczone etykiety nie nachodziły na siebie.

Przykład schematu, gdzie zastosowałem w większości połączenia przy pomocy etykiet jest poniżej. Jest tu dość sporo połączeń, ale schemat wydaje się trywialnie prosty. Gdybym rysował każde połączenie w postaci kreski, powstałby labirynt ścieżek, który nawet dla autora byłby nieczytelny.

Ostatnia opcja to rysowanie magistral, czyli grubych linii z odczepami wejściowymi i wyjściowymi. Każdy opdczep musi mieć swoją etykietę (patrz wyżej). Jednak nie polecam tego sposobu, gdyż magistrala jest dla programu jedynie ozdobnikiem graficznym i nie ma dla niego żadnego znaczenia - lepiej pozostać przy samych etykietach i oszczędzić sobie rysowania nieistotnych ścieżek.

Wystarczy instrukcji, wróćmy teraz do rysowania połączeń w naszym schemacie przy pomocy klawisza W (wire). Tym klawiszem można zaczynać i kończyć rysowanie połączenia. Niejednokrotnie może być potrzebne, aby przesunąć jakiś element. Klawisz M przesuwa element i pozostawia połączone do niego linie bez zmian. Istnieje sposób na przesunięcie elementu łącznie z połączeniami - służy do tego klawisz G (grab). Aby przesunąć grupę elementów razem z połączeniami, wystarczy ją zaznaczyć myszką i przeciągnąć.

Po narysowaniu wszystkich połączeń, schemat powinien wyglądać jak poniżej:

Teraz jeszcze trochę na temat automatycznego łączenia pinów zasilających. Jeszcze raz rzuć okiem na schemat pamięci RAM, który zamieściłem kilka zdjęć wyżej. Zwróć uwagę, że układy scalone nie mają nigdzie doprowadzonego zasilania! Program Kicad może automatycznie podłączyć zasilanie, jeżeli biblioteka elementu została do tego przystosowana, a piny zasilające zostały ukryte. Automatyczne łączenia zasilania przydaje się w układach cyfrowych, w szczególności jeżeli mamy dwie linie zasilające o nazwach Vcci GND. Można zobaczyć ukryte piny zasilające po kliknięciu na ikonkę Pokaż ukryte piny po lewej stronie. Mimo dużej wygody, jaką oferuje ta opcja, należy z niej korzystać z rozsądkiem, w szczególności, kiedy mamy w układzie kilka szyn zasilających, np +5V, +3.3V, +2.5V, +1.8V! Należy wtedy w edytorze płytki sprawdzić, czy odpowiednie linie są podłączone do odpowiednich pinów, aby uniknąć niespodzianek po zmontowaniu układu!

Czasami się zdarza, że nie wykorzystujemy wszystkich nóżek układu scalonego i zostawiamy je wiszące w powietrzu. Należy poinformować program, że jest to nasza świadoma decyzja, a nie pomyłka. Wstawiamy znacznik niepodłączenia na wszystkie nieużywane piny klawiszem Q. Połączenia przecinające się powinny być oznaczone kropkę. Program Kicad generalnie jest domyślny i zwykle prawidłowo robi to za nas, ale gdyby zdarzyło mu się zapomnieć, kropką dodajemy klawiszem J (junction).

Numery i wartości elementów

Każdy elementy musi posiadać swój unikalny identyfikator, rozpoczynający się literą i kończący cyfrą, np. R1, C2, LED3. Obecnie wszystkie elementy mają nazwy w postaci R?. Aby to zmienić, wystarczy wskazać myszką nazwę elementy i wcisnąć klawisz E. Jeżeli chcesz edytować symbol elementu, wskaż go (rysunek a nie napisy!) i wciśnij E. Po wpisaniu nazwy elementu wciśnij ENTER. Można też dwukrotnie kliknąć na numer elementu.

Przy numerowaniu należy się kierować jakąś logiką. Często robię tak, że elementy w części zasilającej mają numery zaczynające się od 1, elementy przy procesorze zaczynają się od 2 i inne grupy elementów również mają swój prefiks. Dzięki temu podczas rysowania płytki wiem, z czym jest związany jakiś element - jeżeli zobaczę R10, C10, C11 to od razu wiem, że te elementy są w części zasilacza. Nasz projekt jest jednak bardzo prosty i nie ma sensu dzielić do na podzespoły, dlatego proponuję ponumerować elementy jak na obrazku poniżej.

Kicad umożliwia automatyczne numerowanie elementów. Należy kliknąć Numeruj elementy na schemacie na górnym pasku narzędzi. 

Wartości elementom nadajemy przy pomocy klawisza V (value). Istnieje pewna konwencja co do nadawania wartości. Rezystory mające rezystancję mierzoną w omach, na schemacie powinny mieć jednostkę R (bo większość programów na ma możliwości wstawiania greckich liter). Rezystory w kiloomach mają jednostkę k, a w megaomach mają M. Podobnie, w wartościach kondensatorów stosuje się odpowiednio p dla pikofaradów, ndla nanofaradów i u dla mikrofaradów. Literę F się pomija, gdyż jest to oczywiste. Wartości ułamkowe, takie jak 4,7k lub 2,2n można zapisywać krócej - 4k7 i 2n2.

Diody i tranzystory nie mają wartości charakterystycznej, ale mają swoje konkretne nazwy, które podajemy w miejsce wartości. Zastosowana dioda krzemowa to 1N4148, tranzystor NPN to BC847, PNP to BC857. Wartością dla diody LED może być jej kolor.

Napisy i tytuły

Błędem kardynalnym jest nieopisanie złącz, gniazdek, portów, itp. W naszym schemacie występują elementy P1, P2, P3 ale nie wiadomo, co to w ogóle jest! Należy poinformować czytelnika schematu, że P1 i P2 to wejście zasilania 5V, a P3 to miejsce na przylutowanie szpilki sondy. Etykiety tekstowe można dodać po wciśnięciu klawisza T.

Warto byłoby oznaczyć nasze dzieło, nadać mu jakiś tytuł, numer wersji oraz podpisać się pod nim. W lewym dolnym rogu arkusza jest tabelka z danymi o schemacie. Aby ją edytować, kliknij przycisk Ustawienia strony na górnym pasku narzędzi.

Kontrola i netlista

Nawet porządnie narysowany schemat może mieć ukryte błędy. Program Kicad umożliwia szybkie sprawdzenie, czy wszystko jest w porządku. W górnym pasku narzędzi znajduje się ikona biedronki, pod którą kryje się opcja Kontrola reguł projektowych. Uruchamiamy Test ERC i jeżeli wszystko jest OK, program nie powinien zgłosić żadnego komunikatu.

Uprzedzam pytanie co to znaczy, że "pin power in nie jest sterowany". Wróć do akapitu o symbolu PWR_FLAG. 

Jeżeli schemat jest gotowy i wolny od błędów, należy wygenerować netlistę. Będzie ona potrzebna w następnych krokach projektowania płytki. Klikamy przycisk Generowanie listy sieci i generujemy listę w formacie domyślnym dla PCBNEW. Istnieje możliwość wygenerowania netlisty do programów Orcad, Spice, CadStar i innych.

Następnym krokiem jest dobór fizycznych obudów do elementów schematycznych w programie CVPCB - o tym w następnym odcinku w piątek 18.05.2012! Możliwości programu Kicad w zakresie rysowania schematów nie kończą się na tym, co tu opisałem. Istnieje możliwość tworzenia bardzo dużych i skomplikowanych schematów, pogrupowanych w logiczną hierarchię. Należało by na to przeznaczyć osobny odcinek kursu. Nie omówiłem też edytora bibliotek, a to niezbędna rzecz przy projektowaniu - zostanie opisana w kolejnych odcinkach.