自製印刷電路板——第二篇:佈線

七月 11, 2014
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在這三篇教學系列文章中,我們介紹了CadSoft的免費熱門軟體EAGLE印刷電路板設計套件的使用方式,透過設計基本的ArduinoAVR微控制器開發板(特別是Modern Device的保羅巴德格設計的RBBB),我們將會慢慢抓到使用這個軟體的訣竅。在第一篇文章中,我們教導你如何繪製電路原理圖,並且使用EAGLE內建的電路規則檢查(ERC)來確認原理圖的設計。在這篇文章中,我們將會教你如何建立實體的開發板並且使用真正的銅製線路來建構迴路。

只要你的電路原理圖通過電器規則檢查,就可以開始準備電路板的佈線了。你可以在「設計規則檢查(Design Rule Check)」中指定規則,讓EAGLE使用特定的工具自動幫你佈線。在這篇文章裡,我不會探討自動佈線和手動佈線的優劣不過試試看手動佈線並多加練習,會是一個好主意,也是我們接下來要進行的事情。

1. 開始

當你準備好後,選擇「檔案(File)」「切換至電路板(Switch To Board)」,電腦將會詢問你是否要使用佈線編輯器(Layout editor),來製作一塊新的電路板。從現在開始,不管在執行哪一個步驟時,你都會需要同時開啟電路原理圖和電路圖路板這兩個視窗EAGLE只有在兩個視窗同時開啟時才有辦法持續執行同步化的作業。

第一次執行佈線編輯器時,你會發現有兩個區塊,左邊的區塊非常混亂,而右邊的區塊則是一個長方形的工作區域,EAGLE免費版會限制你的工作區域在4” x 3.2”的範圍內,如果你試圖將元件擺放在工作區外的話,就跳出警示訊息。

在佈線視窗上,黑色的線代表著實體電路板的邊界,因為我們設計的是一個真實存在的東西,所以第一步就是劃出它的真實邊界。RBBB的長和寬是分別是0.63.0英吋,這對必須要塞進所有元件並空出一些位置拿來標記的電路板來說,幾乎是最小空間了。

在工具欄上選擇繪製直線的工具,並像上圖所示,在佈線視窗上畫出電路板的輪廓,這樣就定義出電路板上的線路邊界了。你也可以把輪廓畫的非常複雜,只要你能牢記修邊刀(router bit)的使用限制。

註:就像在設計原理圖時一樣,使用網格(Grid)工具並保持一致的尺寸間隔是非常重要的,一般的經驗法則:「盡可能地讓你的柵格間隔愈大愈好,直到你必須使用更精細的尺度為止。而在佈線的時候,你會需要將網格的尺寸設定在0.025英吋。選擇「檢視(View Menu)」「網格Grid」,馬上動手設定網格的尺寸吧。
2. 電源迴路

現在,將部分的元件移動到黑框內的電路板工作區上,點擊元件上的十字交叉線來移動該元件,十字交叉線代表元件的原始位置,它們座落在屬於自己的tOrigins圖層和bOrigins圖層上。如果這些圖層沒有顯示出來的話,你將無法點擊十字交叉線來移動元件。

2.1. 如同第一篇的步驟,我們將從電源迴路開始著手,移動電源插座Power Jack)、電壓調整器、二極體、兩個電容和輔助接頭JP1到如上圖所示的位置。事實上,它們的位置精不精確並不是非常重要的事情,你只要保持元件跟最右邊的電路板邊界距離0.9英吋就好。

你會發現黃色的線穿梭在不同的元件之間,它們代表尚未佈線的連結,對應原理圖上不同元件間的連結關係,所以當你移動元件的時候黃色的線也會跟著移動。當你在擺放元件時,注意元件間的連結關係使用「旋轉(Rotate)」工具讓連結點更接近、更容易佈線。舉例來說,我們可以將這邊的二極體轉一個方向來縮短和47μF電容間的連結距離。

2.2.  一般來說,先把所有元件放置定位再來佈線是個不錯的想法,但是在現在這個例子裡,我們可以隨著進度一邊定位一邊佈線。選擇「手動佈線(Route Manually)」工具,並選擇預設線寬16密耳(mil),選擇背面(Botton Layer),然後點擊電源連接器最上面的連結點。這是一個接地的連結點,點擊之後你將會發現周圍其他的接地連結點會突顯出來。

接地連結點的佈線情形如下圖所示,利用這個練習來避免電路連線銳角的產生是一個不錯的選擇,你可以在工具列中的彎曲線路(Wire Bend)選項裡改變各種佈線的變化。
2.3. 下一步,進行佈線並連接各個電源供應的連結點。

2.4. 0.1μF電容、1K電阻器和LED指示燈移動到電路板工作區上,使用旋轉工具將它們放到適當的位置上,然後進行佈線。

3.  通用型輸出輸入針腳(The GPIO Pins

3.1. ATmega微控制器、三個GPIO排針(JP2, JP3, JP4)和諧振器resonator)排置如上圖所示。

註:

  1. 將微控制器的半圓形凹槽朝向左邊,這樣可以標示出側邊的針腳1
  2. 確保排針恰好離y軸的中心線0.5英吋的距離,這樣它們就可以完美地橫跨安裝在標準型麵包板的中央凹槽上。
  3. 根據原理圖的排針連結方式,確保排針的擺放方向正確,你可能會需要用到旋轉工具。JP2應該要讓+5V的針腳在最左                       邊、JP3RESET針腳在最左邊,而JP4則是D4針腳在最左邊。
  4. 諧振器應擺放在ATmega微控制器的針腳8910旁邊,在共鳴器和微控制器中間的高頻信號線應該要愈短愈好,此外,                 其它的信號線應該要遠離這個區域且配置在諧振器的下方,這樣做是為了防止不必要的無線電波干擾。
3.2. 開始幫電路板正面佈上信號線和電源線吧。另外一個經驗法則是,如果可以的話盡讓接地線保持在電路板的背面,這樣它們就可以在可能範圍內和最大的接地面連結在一起。
3.3. 將電路板背面所有的接地連結點連結在一起。
4. 重置開關和序列排針(Serial Header

到目前為止,你應該只剩下四個部分還未進行佈線,10K重置上拉電阻器、重置電容和1×6的序列排針。
4.1. 把剩下的元件移動到電路板工作區上。
4.2. 然後在電路板的背面進行佈線。
4.3. 如上圖所示,在電路板的正面幫三個信號線進行佈線。

5. 增加電路通道(Via

現在,你的螢幕上應該還剩下兩條尚未佈線的黃色信號線。要在電路板正面進行+5V信號線連結其他連結點的佈線工作是非常容易的,而重置信號線(信號線用來連結電路板正面左邊的重置開關)需要經過一個可以通過電路板正反兩面的電路通道,這個通道是一個可以讓電路板正反兩面線路連接的一個小孔。
5.1. 為了要創造一個電路通道,首先要先點擊重置開關的連結點進行佈線,在電路板的背面繪製線路直到其它線路前的乾淨區域。
5.2. 繼續維持佈線工具在使用的狀態,到工具列將工作區域變更到電路板正面(Top Layer),完成最後電路板正面的佈線工作。
註:當你繪製完這條線路之後,你會發現電路板上出現如上圖所示的微小電路通道。

5.3. 你可以在元件定位或是繪製完成之後,使用「變更/扳手(Change/wrench)」工具來改變元件裡很許多多不同的性質。如果想要將你的電路通道從正方形變成圓形,你首先得在下拉式的選單中選擇「形狀(Shape)」→「圓形(Round)」,然後點擊電路通道。
5.4. 將最後的電路線如上圖所示繪製完成。
6.接地面

EAGLE裡,你會發現跟其它你有使用過的工具比起來,繪製接地面的工作流程有一點違反我們的直覺,但是當你成功繪製幾次之後,你會發現這其實非常簡單。

6.1. 首先,選擇「多邊形(Polygon)」工具,然後沿著電路板周圍畫出一個多邊形的區塊(距離電路板邊界多近都沒有關係)

6.2. 選擇「命名(Name)」工具,點擊多邊形區塊後會顯示出一個對話框,將多邊形的名稱改成GND,它將會自動的連接所有GND連結點和線路,這時當你點擊「Ratsnest」按鈕,你將會發現多邊形區塊會在填滿所有電路板背面的空白區域,並使用接地面連結GND接地端。
7. 設計規則檢查
設計規則檢查(DRC)相當於電路板繪製中的電路規則檢查(ERC)。當你繪製完電路板後,在工具列表中點選它,你的視窗會跳出一個標籤面板,在那裡你可以設定很多設計上的約束條件來針對電路板進行測試。

舉例來說,假如你的電路板製造商告訴你電路間的距離不能小於6密耳,那麼你就可以在設計規則檢查中設定這樣的需求,來檢查電路之間是否靠的太近。或者,你正在開發一個給初學者使用的套件,想讓連結點等元件看起來比較大,這時你就可以在Restring標籤下設定這樣的需求,僅管它本身的預設值就已經非常好了。所以你其實不必再更改任何設定,它本身就可以給你不錯的結果了。

當你開始進行規則檢查的時候,有一個視窗會跳出來顯示一些錯誤和警告,假如你知道自己正在做什麼的話,你可以在某些情況下忽略或是刪除那些警告,但是毫無疑問地,被忽略的錯誤幾乎都會造成電路板無法運作。
更進一步
以上就是佈線的所有步驟了。接下來就只剩下絲印(silk-screen)、建立Gerber檔跟drill檔和送去印刷電路板廠製作的步驟。

自製印刷電路板——第一篇:設計電路圖
自製印刷電路板——第三篇:進行絲印並建立Gerber格式

(譯:黃盈樺)
[原文]

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