تصميم الدوائر الإلكترونية هو عملية التخطيط والاختبار وبناء الدوائر التي تؤدي مهام محددة. يتضمن تحديد المتطلبات ، واختيار الأجزاء الموثوقة ، وإنشاء مخططات ، ومحاكاة الأداء ، واختبار التصميم النهائي. باتباع خطوات دقيقة ، تصبح الدوائر آمنة وفعالة ويمكن الاعتماد عليها. توفر هذه المقالة معلومات مفصلة عن كل مرحلة من مراحل عملية التصميم.
ج 1. نظرة عامة على تصميم الدوائر الإلكترونية
ج 2. متطلبات المواصفات الفنية
ج 3. بنية النظام وتصميم مخطط الكتلة
ج 4. المكونات الأساسية في تصميم الدوائر الإلكترونية
ج 5. البحث عن المكونات واختيارها في تصميم الدوائر الإلكترونية
ج 6. أنواع محاكاة الدوائر في تصميم الدوائر الإلكترونية
ج 7. توصيل الطاقة وسلامة الإشارة في تصميم الدوائر
ج 8. تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور في تصميم الدوائر
ج 9. التصميم التخطيطي و ERC في تطوير الدوائر
ج 10. اختبار الدائرة والتحقق من الصحة
ج 11. استنتاج
ج 12. الأسئلة المتكررة
نظرة عامة على تصميم الدوائر الإلكترونية
تصميم الدوائر الإلكترونية هو عملية تخطيط وبناء الدوائر التي يمكنها أداء مهمة محددة. يبدأ بتجارب صغيرة على لوح التجارب أو من خلال محاكاة الكمبيوتر للتحقق مما إذا كانت الفكرة تعمل. بعد ذلك ، يتم رسم التصميم في رسم تخطيطي يوضح كيفية توصيل كل جزء. يتم نقل التصميم إلى لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) ، والتي يمكن إنتاجها وتجميعها في نظام عمل.
غالبا ما تجمع هذه العملية بين أنواع مختلفة من الإشارات. تعمل الدوائر التناظرية بإشارات سلسة ومستمرة ، بينما تعمل الدوائر الرقمية مع الإشارات التي تنتقل بين حالتين. في بعض الأحيان ، يتم دمج كلاهما في نفس التصميم لجعل النظام أكثر اكتمالا.
الهدف من تصميم الدوائر الإلكترونية هو إنشاء منتج نهائي ليس وظيفيا فحسب ، بل موثوقا به أيضا وجاهز للاستخدام في ظروف حقيقية. يساعد التصميم الدقيق على التأكد من أن الدائرة ستعمل بشكل صحيح وتظل مستقرة وتفي بمتطلبات السلامة.
متطلبات المواصفات الفنية
| الفئة | مثال على المواصفات |
|---|---|
| كهربائي | جهد الإدخال: 5-12 فولت ، السحب الحالي: <1 أمبير ، عرض النطاق الترددي: 10 ميجاهرتز |
| التوقيت | زمن انتقال < 50 نانوثانية ، ارتعاش الساعة < 2 حصان |
| بيئية | يعمل من -40 درجة مئوية إلى + 85 درجة مئوية ، رطوبة 90٪ |
| ميكانيكي | حجم ثنائي الفينيل متعدد الكلور: 40 × 40 مم ، الوزن < 20 جم |
| الامتثال | يجب أن تفي ب CE / FCC ، EMC الفئة B |
| التكلفة / الإنتاج | تكلفة قائمة مكونات الصنف < \ 5 دولارات ، عائد التجميع >95٪ |
هندسة النظام وتصميم مخطط الكتلة
يوضح هذا الرسم التخطيطي الهيكل الأساسي للنظام الإلكتروني عن طريق تقسيمه إلى أنظمة فرعية مترابطة. يوفر النظام الفرعي للطاقة طاقة مستقرة من خلال البطاريات ومحولات DC-DC والمنظمين ، مما يشكل الأساس لجميع الكتل الأخرى. يوجد في المركز نظام التحكم الفرعي ، والذي يضم متحكم دقيق أو FPGA أو معالج مسؤول عن إدارة تدفق البيانات واتخاذ القرار.
يتعامل النظام الفرعي التناظري مع إشارات العالم الحقيقي باستخدام أجهزة الاستشعار ومكبرات الصوت والمرشحات ، بينما يتيح الإدخال / الإخراج الرقمي الاتصال بالأجهزة الخارجية من خلال معايير مثل USB و SPI و UART و CAN و Ethernet. تضمن كتلة Clocking & Timing المنفصلة المزامنة مع مؤشرات التذبذب و PLLs والتوجيه الدقيق للحصول على أداء ارتعاش منخفض.
للحفاظ على الموثوقية ، يتم التأكيد على مناطق العزل ، والتي تحافظ على الإشارات الرقمية الصاخبة بعيدا عن الدوائر التناظرية الحساسة ، مما يقلل من التداخل ويحسن استقرار النظام.
المكونات الأساسية في تصميم الدوائر الإلكترونية
مقاومات
تستخدم هذه للحد من تدفق التيار الكهربائي والتحكم فيه. من خلال إضافة المقاومة ، فإنها تتأكد من عدم تلف الأجزاء الحساسة من الدائرة بسبب الكثير من التيار.
المكثفات
يعمل كجهاز تخزين طاقة صغير. يحملون شحنة كهربائية ويمكنهم تحريرها بسرعة عند الحاجة. هذا يجعلها مفيدة لتثبيت الجهد أو تصفية الإشارات أو توفير رشقات نارية قصيرة من الطاقة.
ترانزستورات
إنه بمثابة مفاتيح ومكبرات صوت. يمكنهم تشغيل التيار أو إيقاف تشغيله مثل البوابة التي يتم التحكم فيها أو جعل الإشارات الضعيفة أقوى. تعد الترانزستورات جزءا من الإلكترونيات الحديثة لأنها تسمح للدوائر بمعالجة المعلومات والتحكم فيها.
الثنائيات
توجيه اتجاه التيار. إنها تسمح للكهرباء بالتدفق في اتجاه واحد فقط ، مما يسدها في الاتجاه الآخر. هذا يحمي الدوائر من التيارات العكسية التي يمكن أن تسبب تلفها.
البحث عن المكونات واختيارها في تصميم الدوائر الإلكترونية
اعتبارات الأداء
عند اختيار أجزاء للدائرة ، فإن الأداء هو أول الأشياء التي يجب التحقق منها. هذا يعني النظر في كيفية تصرف المكون في التصميم. تتضمن التفاصيل المطلوبة مقدار الضوضاء التي تضيفها ، ومدى استقرارها بمرور الوقت ، ومقدار الطاقة التي تستخدمها ، ومدى تعاملها مع الإشارات. تحدد هذه العوامل ما إذا كانت الدائرة ستعمل بالطريقة التي من المفترض أن تعمل.
اختيار الحزمة
حزمة المكون هي الطريقة التي يتم بناؤها وحجمها. إنه يؤثر على مقدار المساحة التي تشغلها على السبورة ، ومقدار الحرارة التي يمكنها التعامل معها ، ومدى سهولة وضعها أثناء التجميع. توفر العبوات الأصغر مساحة ، بينما يمكن أن يكون من الأسهل التعامل مع العبوات الأكبر حجما والتعامل مع الحرارة بشكل أفضل. يساعد اختيار العبوة المناسبة على موازنة المساحة والحرارة وسهولة الاستخدام.
التوافر وسلسلة التوريد
لا يكفي أن يعمل الجزء بشكل جيد. كما يجب أن يكون متاحا عند الحاجة. يجب عليك التحقق مما إذا كان يمكن شراء الجزء من أكثر من مورد واحد وما إذا كان سيستمر إنتاجه في المستقبل. هذا يقلل من خطر التأخير أو إعادة التصميم إذا أصبح من الصعب العثور على الجزء فجأة.
الامتثال والمعايير
يجب أن تتبع الإلكترونيات قواعد السلامة والبيئة. غالبا ما تكون الأجزاء مطلوبة لتلبية معايير مثل RoHS أو REACH أو UL. تتأكد هذه الموافقات من أن المكون آمن للاستخدام ، ولا يضر بالبيئة ، ويمكن بيعه في مناطق مختلفة. الامتثال هو جزء رئيسي من اختيار المكونات.
الموثوقية والخفض
الموثوقية تعني المدة ومدى جودة المكون في العمل في ظل الاستخدام العادي. لجعل الأجزاء تدوم لفترة أطول ، يجب تجنب دفعها إلى أقصى حدودها. هذه الممارسة تسمى التخبط. من خلال إعطاء الأجزاء هامشا آمنا ، تنخفض فرص الفشل ، ويصبح النظام بأكمله أكثر موثوقية.
أنواع محاكاة الدوائر في تصميم الدوائر الإلكترونية
| نوع المحاكاة | الغرض في تصميم الدوائر |
|---|---|
| انحياز العاصمة | يؤكد أن جميع الأجهزة تعمل عند نقاط الجهد والتيار الصحيحة. يمنع الترانزستورات من التشبع أو القطع عن غير قصد. |
| مسح التيار المتردد | يقيم استجابة التردد والكسب وهامش الطور. أساسي لمكبرات الصوت والمرشحات وتحليل الاستقرار. |
| عابر | يحلل سلوك المجال الزمني مثل التبديل واستجابة بدء التشغيل وأوقات الارتفاع/الانخفاض والتجاوز. |
| تحليل الضوضاء | يتنبأ بحساسية الدائرة للضوضاء الكهربائية ويساعد على تحسين استراتيجيات التصفية للتطبيقات منخفضة الضوضاء. |
| مونت كارلو | يختبر التباين الإحصائي في تفاوتات المكونات (المقاومات والمكثفات والترانزستورات) ، مما يضمن متانة التصميم عبر انتشار التصنيع. |
| حراري | يقدر تبديد الحرارة ويحدد النقاط الساخنة المحتملة ، وهو أمر مطلوب لدوائر الطاقة والتصاميم المدمجة. |
توصيل الطاقة وسلامة الإشارة في تصميم الدوائر
ممارسات شبكة توصيل الطاقة (PDN)
• تأريض النجوم: استخدم وصلة نجمة لتقليل الحلقات الأرضية. هذا يقلل من الضوضاء ويضمن إمكانات مرجعية متسقة في جميع المجالات.
• مسارات العودة القصيرة: قم دائما بتوفير مسارات عودة مباشرة ومنخفضة المقاومة للتيار. تعمل الحلقات الطويلة على زيادة الحث وحقن الضوضاء في الدوائر الحساسة.
• مكثفات الفصل: ضع مكثفات الفصل صغيرة القيمة في أقرب مكان ممكن من دبابيس طاقة IC. إنها تعمل كخزانات طاقة محلية وتثبط العابرات عالية التردد.
• المكثفات السائبة: أضف مكثفات سائبة بالقرب من نقاط دخول الطاقة. هذه تعمل على استقرار العرض أثناء تغييرات الحمل المفاجئة.
اعتبارات سلامة الإشارة (SI)
• توجيه المعاوقة المتحكم فيه: يجب توجيه الآثار عالية السرعة بمقاومة محددة (عادة 50 Ω أحادية الطرف أو 100 Ω تفاضلية). هذا يمنع الانعكاسات وأخطاء البيانات.
• إدارة الأرض: حافظ على فصل الأرضيات التناظرية والرقمية لتجنب التداخل. قم بتوصيلها عند نقطة واحدة للحفاظ على مستوى مرجعي نظيف.
• تقليل الحديث المتبادل: حافظ على التباعد بين الخطوط المتوازية عالية السرعة أو استخدم آثار الحرس الأرضي. هذا يقلل من اقتران ويحافظ على جودة الإشارة.
• تكديس الطبقات: في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور متعددة الطبقات ، خصص طائرات مستمرة للطاقة والأرض. هذا يقلل من المعاوقة ويساعد على التحكم في EMI.
تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور في تصميم الدوائر
وضع المكون
ضع المكونات بناء على الوظيفة وتدفق الإشارة. قم بتجميع الأجزاء ذات الصلة معا وتقليل أطوال التتبع ، خاصة بالنسبة للدوائر التناظرية عالية السرعة أو الحساسة. يجب وضع المكونات الأساسية مثل المذبذبات أو المنظمين بالقرب من الدوائر المتكاملة التي تدعمها.
توجيه الإشارة
تجنب الانحناءات النزرة بزاوية 90 درجة لتقليل انقطاعات المعاوقة والانقطاعات الكهرومغناطيسية المحتملة. بالنسبة للأزواج التفاضلية، مثل USB أو Ethernet، حافظ على مطابقة أطوال التتبع للحفاظ على سلامة التوقيت. فصل الإشارات التناظرية والرقمية لمنع التداخل.
طبقة تكديس
يعمل تكديس الطبقات المتوازن والمتماثل على تحسين قابلية التصنيع ، وتقليل الالتواء ، ويوفر مقاومة ثابتة. تعمل الطائرات الأرضية والطاقة المخصصة على تقليل الضوضاء وتثبيت توصيل الجهد.
اعتبارات عالية السرعة
قم بتوجيه الإشارات عالية السرعة بمقاومة مضبوطة ، وحافظ على المستويات المرجعية المستمرة ، وتجنب بذرة أو الفتحات غير الضرورية. حافظ على مسارات العودة قصيرة لتقليل الحث والحفاظ على سلامة الإشارة.
الإدارة الحرارية
ضع فتحات حرارية أسفل أجهزة الطاقة لنشر الحرارة في المستويات النحاسية الداخلية أو الجانب الآخر من ثنائي الفينيل متعدد الكلور. استخدم صب النحاس وتقنيات نشر الحرارة للدوائر عالية الطاقة.
التصميم التخطيطي و ERC في تطوير الدوائر
خطوات التصميم التخطيطي
• الأوراق الهرمية: قسم التصميم إلى أقسام منطقية مثل الأنظمة الفرعية للطاقة والتناظرية والرقمية. هذا يحافظ على تنظيم الدوائر المعقدة ويجعل تصحيح الأخطاء أو التحديثات المستقبلية أسهل.
• تسمية صافية ذات مغزى: استخدم أسماء صافية وصفية بدلا من التسميات العامة. تتجنب التسمية الواضحة الارتباك وتسرع استكشاف الأخطاء وإصلاحها.
• سمات التصميم: قم بتضمين تصنيفات الجهد والمتطلبات الحالية ومعلومات التسامح مباشرة في التخطيط. يساعد هذا أثناء المراجعة ويضمن اختيار المكونات بالمواصفات الصحيحة.
• مزامنة البصمة: اربط المكونات ببصمات أقدام ثنائي الفينيل متعدد الكلور الصحيحة في وقت مبكر من العملية. يؤدي اكتشاف عدم التطابق الآن إلى منع التأخير وإعادة العمل المكلفة أثناء تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
• قائمة مكونات الصنف الأولية (BOM): قم بإنشاء مسودة قائمة مكونات الصنف من التخطيط. يساعد هذا في تقدير التكاليف والتحقق من توفر الأجزاء وتوجيه تخطيط المشتريات قبل الانتهاء من التصميم.
فحص القواعد الكهربائية (ERC) النظافة
• يكتشف المسامير العائمة التي قد تسبب سلوكا غير محدد.
• الإبلاغ عن الشباك المختصرة التي يمكن أن تؤدي إلى فشل وظيفي.
• يضمن اتساق توصيلات الطاقة والأرض عبر التصميم.
اختبار الدائرة والتحقق من الصحة
• أضف نقاط اختبار على الإشارات المهمة وقضبان الطاقة بحيث يمكن إجراء القياسات بسهولة أثناء تصحيح الأخطاء واختبار الإنتاج.
• توفير رؤوس البرمجة وتصحيح الأخطاء مثل JTAG أو SWD أو UART لتحميل البرامج الثابتة والتحقق من الإشارات والتواصل مع النظام أثناء التطوير.
• استخدم مصادر الطاقة المحدودة الحالية عند تشغيل ثنائي الفينيل متعدد الكلور لأول مرة. هذا يحمي المكونات من التلف إذا كان هناك شورت أو أخطاء في التصميم.
• قم بتشغيل كل نظام فرعي والتحقق من صحته على حدة قبل تشغيل النظام بأكمله معا. هذا يجعل من السهل عزل المشكلات وإصلاحها.
• قارن جميع النتائج المقاسة بمواصفات التصميم الأصلية. تحقق من الحدود الحرارية وأداء التوقيت وكفاءة الطاقة للتأكد من أن الدائرة تعمل على النحو المنشود.
• احتفظ بملاحظات إحضار مفصلة ونتائج الاختبار. تساعد هذه الوثائق في المراجعات المستقبلية واستكشاف الأخطاء وإصلاحها والتسليم إلى فرق الإنتاج.
الخلاصة
يجمع تصميم الدوائر الإلكترونية بين التخطيط والمحاكاة والاختبار لإنشاء أنظمة موثوقة. من تحديد المواصفات إلى تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور والتحقق من صحته، تضمن كل خطوة عمل الدوائر على النحو المنشود في ظل الظروف الحقيقية. من خلال تطبيق تصميم ومعايير جيدة ، يمكنك تطوير حلول إلكترونية آمنة وفعالة وطويلة الأمد.
الأسئلة المتكررة
Q1. ما هي البرامج المستخدمة لتصميم الدوائر الإلكترونية؟
Altium Designer و KiCad و Eagle و OrCAD شائعة في المخططات وتخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور. غالبا ما تستخدم LTspice و Multisim و PSpice للمحاكاة.
س 2. كيف يؤثر التأريض على الدائرة؟
يقلل التأريض المناسب من الضوضاء والتداخل. تعمل الطائرات الأرضية وتأريض النجوم وفصل الأرضيات التناظرية والرقمية على تحسين الاستقرار.
س 3. لماذا هناك حاجة إلى الإدارة الحرارية في الدوائر؟
الحرارة الزائدة تقصر من عمر المكونات وتقلل من الأداء. تساعد أحواض الحرارة والفتحات الحرارية وصب النحاس وتدفق الهواء في التحكم في درجة الحرارة.
س 4. ما هي الملفات المطلوبة لصنع ثنائي الفينيل متعدد الكلور؟
هناك حاجة إلى ملفات جربر وملفات الحفر وفاتورة المواد (BOM) ورسومات التجميع لتصنيع وتجميع ثنائي الفينيل متعدد الكلور بدقة.
س 5. كيف يتم اختبار سلامة الإشارة؟
تتحقق راسمات الذبذبات وقياس انعكاس المجال الزمني (TDR) ومحللات الشبكة من المعاوقة والحديث المتبادل والتشويه.
س 6. ما هو تصميم قابلية التصنيع (DFM)؟
سوق دبي المالي يعني إنشاء دوائر يسهل إنتاجها باستخدام البصمات القياسية ، واتباع حدود ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، وتبسيط التجميع.