Rysowanie czytelnych schematów

Na stronie Zaproponuj nowe tematy ktoś zapytał, jak czytać schematy elektroniczne. Nie jest to łatwy temat do opisania, ponieważ to co widzimy, zależy od tego, co sami rozumiemy. Jeden elektronik na schemacie dopatrzy się poszczególnych bloków funkcyjnych, a dla innego będzie to chmara symboli i połączeń. Dlatego zmieniłem temat na Jak rysować schematy, by dało się je łatwo odczytać. Czytelność schematu zależy od sposobu jego rysowania i nie mam tu na myśli krzywych linii rysowanych ręcznie. Czasami schemat rysowany ręcznie na kolanie może być bardziej czytelny niż schemat robiony na komputerze.

Slajdy zamieszczone w tym artykule pochodzą z Kursu Programu KICAD prowadzonego przeze mnie w Kole Naukowym SENSOR na Politechnice Poznańskiej. Można je powiększyć kliknięciem. Jeżeli nie chcą się powiększyć, to trzeba odświeżyć stronę.

Po co w ogóle schemat?

Każdy odpowie - no jak to po co?! żeby pokazać co z czym jest połączone. Bez wątpienia, ale jest też kilka innych, nawet bardziej istotnych powodów.

Przede wszystkim schemat ma nam tłumaczyć sposób działania urządzenia. W dobrze narysowanym schemacie, inżynier dopatrzy się poszczególnych bloków funkcyjnych, rozpozna wejścia, wyjścia oraz kierunek przepływu sygnałów przez poszczególne bloki. Dobrze jest tu zastosować metodę dziel i zwyciężaj - zamiast jednego wielkiego skomplikowanego schematu lepiej mieć kilka mniejszych, nawet na tym samym arkuszu papieru. 

Jakie mogą być bloki na schemacie?

• zasilanie - stabilizator np. 7805 z filtrami zasilania
• procesor - symbol procesora plus elementy niezbędne do jego działania, np. kwarc, rezystor przy resecie i kondensatory odsprzęgające
• wejścia, wyjścia, układy interfejsowe
• układy przetwarzające sygnały - filtry, wzmacniacze
• pamięci, układy cyfrowe

Nie można tu wyróżnić jakiegoś poziomu abstrakcji, który byłby zawsze dobry. Wg własnej intuicji trzeba schemat pociąć na kawałki tak, by nie było pajęczyny ani labiryntu, ale także nie można przesadzić w drugą stronę - sieczka luzem rozrzuconych elementów też nie jest dobrym pomysłem.

Dobrym zwyczajem jest pisanie komentarzy na schemacie. Bez tego czasami sam mógłbym się pogubić we własnych schematach. Trzeba opisać wszystkie złącza, nazwy bloków, rozwiązania nietypowe i inne rzeczy, które mogą budzić wątpliwości. Pisanie komentarzy jest w szczególności ważne, gdy schemat rysujemy dla kogoś. Wtedy zrozumienie cudzego schematu będzie dużo łatwiejsze.

Podstawowe reguły

Na początku wyróżnijmy dwie podstawowe grupy połączeń:

• zasilanie
• sygnały

I tu pojawiają się podstawowe reguły rysowania: zasilanie na górze, masa na dole, wejścia z lewej, wyjścia z prawej. Najlepiej to pokazać na rysunku. Nie zawsze takie kanoniczne podejście jest możliwe, ale należy do tego dążyć w miarę możliwości.

Dzięki temu, że zasilanie mamy na górze, a masę na dole, od razu widzimy jaki jest kierunek przepływu prądu. Oprócz tego, można "na oko" oszacować napięcia w poszczególnych punktach schematu. Gdyby były trzy szyny zasilające, na przykłada dodatnia, masa i ujemna, to zasilanie ujemne powinno być poniżej masy. 

Rysowanie zasilania na dole i masy na górze jest błędem! Znam przypadek, kiedy praktykant zrobił taki numer, a bardziej doświadczony elektronik, który sprawdzał schemat, tego błędu nie zauważył. Płytki poszły do produkcji, a potem następny praktykant (ja) miał 100 laminatów, gdzie trzeba było przeciąć dwie ścieżki i lutować druciki :) Po pewnym czasie ta reguła tak wchodzi w krew, że człowiek nawet nie myśli, że może być inaczej. 

Wejście, tzn. złącze lub jakiś element czujnikowy, jak fotodioda, potencjometr, umieszczamy po lewej stronie schematu. Wyjściem może być również złącze lub element wykonawczy, np. dioda LED lub przekaźnik. Wyjście dajemy po prawej stronie. Dzięki temu można łatwo prześledzić drogę sygnału, poprzez wszystkie pośrednie filtry, wzmacniacze lub inne układy. Wtedy czytamy schemat jak tekst - od lewej do prawej.

Zasilanie

Istnieje kilka metod rysowania szyn zasilających, a w niektórych przypadkach można je nawet pominąć! Bardzo często nie rysuje się linii zasilania, a jedynie wstawia się małe znaczniki w kształcie kółka i wpisuje się napięcie, jakie jest dostarczone do wskazanego punktu. Masę rysujemy w postaci trójkąta skierowanego w dół, złożonego z trzech kresek.

Dawniej, zwyczajowo stosowało się oznaczenia Vcc, Vdd, Vss, Vee, Vpp i tak dalej. Proponuję jednak nie zapędzać się z takimi oznaczeniami, bo w większych schematach można się pogubić. Jeżeli mamy tylko jedną szynę zasilającą, to można ją oznaczyć przez Vcc. Jeżeli jest ich więcej, to lepiej jednak oznaczać je po napięciach.

W przypadku układów analogowych, wygodne może być rysowanie długich, poziomych szyn zasilających wzdłuż całego schematu. Wtedy schemat ma postać "pasa" wewnątrz którego znajdują się elementy.

Jeżeli komuś schematy "pasowe" się nie podobają, może korzystać tylko z symboli zasilających, jak na rysunku poniżej.

Przy każdym układzie scalonym zaleca się wstawić kondensator filtrujący zasilanie. Niektórzy rysują je gdzieś w rogu schematu i rysują wielki szereg 10, 20, 30 kondensatorów połączonych równolegle. Bardzo nie polecam tej metody. Zdecydowanie czytelniej jest wstawić kondensator w bezpośrednim sąsiedztwie układu, któremu zasilanie on będzie filtrował. Zwróć uwagę, że na poniższym przykładzie, C44 filtruje +5V, a C45 filtruje HV. 

W niektórych przypadkach można pominąć rysowanie zasilania. Czasami mamy sytuację oczywistą - na przykład jedno zasilanie dodatnie, jedną masę i kilka prostych scalaków cyfrowych. Jest oczywiste, że muszą mieć doprowadzone zasilanie. Program Kicad umożliwia prowadzenie zasilania w sposób domniemany - zasilanie zostanie doprowadzone do pinów odpowiednio zdefiniowanych w bibliotece.

Sygnały

Są trzy metody rysowania linii sygnałowych, w zależności od potrzeb.

• połączenia bezpośrednie - nic nadzwyczajnego, zwykłe kreski rysowanie pomiędzy elementami; dobrze nadają się do rysowania połączeń między elementami znajdującymi się blisko siebie
• etykieta netlabel - przypomina symbole zasilania, o których pisałem wyżej; jest to zestaw co najmniej dwóch identycznych napisów, symbolizujących połączenie, chociaż na schemacie nie ma linii łączącej
• magistrala - skrzyżowanie dwóch powyższych. Magistrala to wiązka przewodów, z których każdy ma jakąś nazwę. Każdy z nich ma jakieś wejście do magistrali, oznaczone etykietą, a także musi mieć zaznaczone wyjście z magistrali, opatrzone taką samą etykietą. Symbolem magistrali jest gruba linia.

Przy połączeniach bezpośrednich chyba nie ma o czym mówić. Obowiązują reguły podane na początku artykułu. Ważne może być rozmieszczenie elementów. Niektóre podstawowe rzeczy rysuje się według pewnych zwyczajów. Mam tu na myśli wzmacniacz odwracający, wzmacniacz nieodwracający, filtry i inne podobne układy analogowe.

Etykiety pozwalają pociąć schemat na mniejsze podschematy, będące poszczególnymi blokami funkcyjnymi. Taki sposób jest szczególnie dobry dla układów, zawierających mikrokontrolery. Rysujemy mikrokontroler wraz z podstawowymi elementami, niezbędnymi do jego działania (kwarc, kondensatory, wtyk programatora), a resztę łączymy przez etykiety. Poniżej przykład takiego rozwiązania - schemat wielkości A2, zawierający kilkaset elementów, został rozbity na proste fragmenty. Ponadto, etykiety mogą łączyć elementy znajdujące się na różnych arkuszach, a rysowanie kolosów na A2 nie jest dobrych pomysłem i już więcej takich byków robić nie będę :)

Poniżej trochę mniej skomplikowany schemat. Kilka układów scalonych o licznych wyprowadzeniach zostało połączonych etykietami, dzięki czemu schemat wydaje się być bardzo prosty. Rysując połączenia bezpośrednio, powstałby niezły labirynt!

Przyznam się, że magistrali nigdy nie stosowałem. Głównie dlatego, że w Kicadzie magistrala jest jedynie ozdobnikiem graficznym, który nie ma żadnego znaczenia dla programu. Liczą się tylko etykiety połączeń. Wolę nie rysować rzeczy, które nie są potrzebne.

Czego robić nie należy

Otóż, szanowni państwo...

Jest to przede wszystkim wkurw... kiedy dostaję od kogoś schemat, na którym jest labirynt i pajęczyna chaotycznie poplątanych kresek. Wtedy zamiast skupić się na zrozumieniu schematu, to jeżdżę oczami po tych liniach, marnując czas i starając się nie pogubić w gąszczu plątaniny. Nic nie irytuje bardziej, niż bałagan w projekcie. A najprostszy sposób na utrzymanie porządku, to nie robić bałaganu!

Tak schemat wyglądać nie powinien, choć wyszedł spod ręki elektronika pracującego w Apple. Może nie bez powodu mówią, że to komputery dla artystów?

Jakby się odsiedziało nad tym schematem trochę czasu, to jeszcze można by go przetrawić. Ale ten poniżej to już komplety CHAOS!

Dobre zwyczaje

Schemat powinien zawierać wszystkie informacje, jakie są potrzebne. W szczególności powinniśmy opisać komentarzami wszelkie złącza i inne elementy nietypowe. 

Nazwy elementów powinny być również dokładne. Na przykład "ATmega8". Co to jest ATmega8? Nie wiadomo. Może być w obudowie DIL, a może TQFP, a może QFN...? Może w wersji niskonapięciowej, a może w standardowej? Gdyby było napisane "ATmega8-16AU" to już wszystko jasne.

Błędem jest też opisywanie diody świecącej nazwą "LED". Potem dostaję na montażu listę elementów i jest napisane "LED". No co, po postu LED i tyle. Zgadnij sobie sam, jaki kolor... 

Na koniec, schemat powinien zawierać nazwę urządzenia, numer wersji oraz nazwisko autora. Rysowanie schematów zgodnie z zasadami sztuki nie jest trudne, a po pewnym czasie te reguły wejdą w krew i stwierdzisz, że jest to wygodne i zdecydowanie ułatwia pracę.