دلایل زیادی وجود دارد که ما نیاز به ساخت یک برد الکترونیکی داریم. مثلا می‌خواهیم یک لامپ را روشن کنیم، یک موتور را راه‌اندازی کنیم و یا غیره. همه این قطعات مثل لامپ، موتور، حتی یک LED چیزهایی که ما آنها را” بار (load)” می‌نامیم، برای کار کردن به جریان یا ولتاژ خاصی نیاز دارند. این ولتاژ ممکن است یک ولتاژ ثابت DC یا ولتاژ AC باشد. اما ساخت برد الکترونیکی فقط با یک منبع و یک بار امکان پذیر نیست! ما به المان های دیگری هم نیاز داریم!
می‌توان یک برد الکترونیکی را مجموعه‌ای از اجزای الکترونیکی مانند مقاومت، ترانزیستور، خازن، سلف، دیود و غیره که توسط سیم‌های رسانا به هم متصل می‌شوند، تعریف کرد. برای اینکه به عنوان یک برد الکترونیکی و نه الکتریکی شناخته شود، باید حداقل یک مؤلفه فعال (مثلا ترانزیستور یک عنصر فعال است) در آن حضور داشته باشد. طراحی یک برد الکترونیکی بر پایه نحوه‌ی چیدمان این قطعات در کنار هم و با هدف انجام عملیاتی ساده یا پیچیده انجام می‌شود.
در ادامه گام به گام با مراحل طراحی یک برد الکترونیکی آشنا خواهیم شد.
گام اول: فهمیدن مسئله
صورت مسئله نیمی از راه حل مسئله است! در گام اول طراحی یک برد الکترونیکی، ابتدا لازم است صورت مسئله را واضح و کامل درک کنید و دقیقا بدانید به چه هدفی می‌خواهید یک برد را طراحی کنید و نهایتا انتظار شما از این برد طراحی شده چیست. درک درست مسئله در انتخاب درست صورت مسئله و درک چالش‌های پیش رو موثر است. به عنوان یک مثال ساده فرض کنید می‌خواهید برای یک ربات مسیریاب، برد الکترونیکی طراحی کنید. بنابراین صورت مسئله “طراحی برد الکترونیکی برای یک ربات مسیریاب” است.
/circuit-design-solution.jpg)
گام دوم: شکستن مسئله به زیرمسئله‌های کوچکتر
معمولا صورت مسئله به صورت یک عبارت کلی است و برای حل یک مسئله باید وارد جزئیات در هر بخش شویم بنابراین گام بعدی در مراحل طراحی برد الکترونیکی، شکستن مسئله به زیرمسئله‌های کوچکتر است به طوری که تمام ابعاد مسئله را در برگیرد و جزئیات طرح به خوبی مطرح شود. به مثال طراحی برد الکترونیکی برای یک ربات مسیریاب برگردیم، در این مسئله طراحی، زیرمسئله‌ها می‌توانند به صورت زیر باشند:
/robot-electronic-board.jpg)
بسته به مسئله کلی، هر زیرمسئله به تنهایی نیز می‌تواند به زیرمسئله‌های کوچکتری تقسیم شود و این روند تا زمانی که تمام جزئیات مطرح شود ادامه خواهد داشت.
گام سوم: انتخاب ورودی‌ها (سنسورها)
حال که از جزئیات مسئله و چالش‌های آن آگاهی داریم، گام بعدی پرداختن به هر زیرمسئله به صورت مجزا و حل مسائل مربوط به آن است (نهایتا پس از حل مسئله مرتبط با هر بخش، ترکیب همه‌ی بخش‌ها منجر به تکمیل مسئله خواهدشد). برای درک بیشتر، مثال طراحی برد الکترونیکی برای ربات مسیریاب را درنظر بگیرید؛ می‌خواهیم به صورت مجزا به هر زیرمسئله بپردازیم.
اولین چالش در یک ربات مسیریاب مسئله‌ی تشخیص خط است. به طور کلی برای فهمیدن و ادراک محیط اطراف نیاز به سنسور داریم. در یک تعریف کلی، سنسور یک دستگاه، ماژول و یا زیرسیستم است که هدف آن تشخیص وقایع یا تغییر در محیط و ارسال اطلاعات به سایر دستگاه‌ها، اغلب پردازنده و یا رایانه است.
سنسورهای مختلفی برای اندازه‌گیری موارد مختلف مانند دما، رطوبت، نور و … وجود دارد. در مسئله ما برای تشخیص یک خط (معمولا ربات باید خطی سیاه در زمینی سفید یا خطی سفید در زمین سیاه را دنبال کند)، اغلب موارد از سنسور IR استفاده می‌شود. علاوه بر نوع سنسور، تعداد آنها نیز مسئله مهمی است که بسته به اندازه ربات یا شرایط محیط، متغیر است. همچنین انواع مختلف سنسورهایی که یک کار را انجام می‌دهند در موارد مختلفی باهم متفاوت‌اند که بسته به نوع مسئله خصوصا رنج اندازه‌گیری، باید سنسور درست را انتخاب کنیم. به طور مثال انواع مختلف سنسورهای تشخیص دما مانند RTD، ترموکوپل و غیره در رنج اندازه‌گیری دما متفاوت اند و به طور مثال در دماهای بالا معمولا از ترموکوپل استفاده می‌شود.
در شکل زیر چند نمونه از انواع مختلف سنسورها جمع‌آوری شده است:
/sensors-electronic-board.jpg)
گام چهارم: انتخاب عملگرها
در گام بعد مسئله‌ی انتخاب خروجی و عملگرها مطرح است. این مسئله نیز متناسب با هدف طراحی یک برد در مسائل مختلف، متفاوت است. به عنوان مثال، در مسئله‌ی پیش رو، ربات با چرخ حرکت خواهد کرد. بنابراین موتور به عنوان عملگر، جزئی دیگر از برد خواهد بود. نوع موتور و همچنین تعداد آن متناسب با نوع مسئله متغیر است؛ و به پارامترهایی از جمله وزن، سرعت، گشتاور و … وابسته است. همچنین در اغلب موارد نیازمند مدار و یا ماژولی برای درایو کردن موتور نیز خواهیم بود.
گام پنجم: کنترلر
گام بعدی در مراحل طراحی برد الکترونیکی، انتخاب یک کنترل‌کننده است. در این بخش ما نیاز به ریزپردازنده‌ها داریم. ریزپردازنده‌ها و یا به طور معمول میکروکنترلرها، یک مدار مجتمع یا چیپ الکترونیکی‌اند که دارای واحد پردازنده مرکزی، حافظه و تعدادی ورودی و خروجی قابل برنامه ریزی است. میکروکنترلرها در طراحی بردهای کنترلی استفاده می‌شوند و در صنعت جایگاه ویژه ای دارند و از آنها به عنوان مغز متفکر مدارها یاد می‌شود. انتخاب میکروکنترلر هم به پارامترهای مختلفی از صورت مسئله بستگی دارد. به عنوان مثال تعداد ورودی(معمولا سنسورها، یا کلیدها و یا …)، تعداد خروجی‌ها یا عملگرها، تایمر، حافظه، سرعت پردازش و … در تصمیم‌گیری موثر است. خانواده میکروکنترلرهای AVR، ARM، PIC و غیره از میکروکنترلرهای رایجی هستند که احتمالا اسم آنها را شنیده و حتی در بردهای کنترلی دیده‌اید.
در میکروکنترلرها همه کارها پشت سر هم انجام می‌شود و زمانبندی بر اساس کلاک میکرو اتفاق می‌افتد. در واقع همزمانی در میکروکنترلر معنی ندارد و در نتیجه در مواردی که پیچیدگی‌های مسئله زیاد است و نیاز به انجام عملیات به صورت موازی و همزمان است می‌توان از FPGA استفاده کرد.
گام ششم: منبع تغذیه
گام بعد انتخاب منبع تغذیه مناسب برای تامین ولتاژ و جریان است. انتخاب منبع تغذیه بسیار حائز اهمیت است و برای انتخاب آن، داشتن اطلاعات کافی از تمام اجزای بردی که می‌خواهید طراحی کنید الزامی است. چرا که قطعات الکترونیک به شدت به ولتاژ یا جریان گذرنده از آنها حساس بوده و کوچکترین خطایی در محاسبات ولتاژ و جریان آنها علاوه بر اینکه باعث عملکرد و نتایج نادرست خواهد شد، می‌تواند سبب آسیب جدی به قطعه و حتی معیوب شدن آن شود.
بنابراین بهترین راهکار موجود، خواندن بادقت دیتاشیت مرتبط با هر قطعه است. همچنین برای راه‌اندازی و استفاده صحیح از قطعات نیز حتما لازم است دیتاشیت مطالعه شود و اطلاعات مهمی از قبیل جریان و ولتاژ نامی، حداکثر جریان و ولتاژ قابل تحمل، حداقل جریان و ولتاژ مورد نیاز برای فعال شدن و همچنین برخی اطلاعات منحصر به یک قطعه الکترونیکی خاص، از آن استخراج شود. به عنوان مثال هنگام استفاده از میکروکنترلرها، اطلاعات لازم برای استفاده از پایه‌های مختلف در دیتاشیت موجود است.
گام هفتم: طراحی اولیه
گام بعدی در مراحل طراحی یک برد الکترونیکی، طراحی اولیه مدار است؛ بدین صورت که در ابتدا قطعات را کنار هم جایگذاری کرده و ارتباط بین آنها را مشخص کنیم، به طور مثال سنسورها را در کنار پایه‌های ورودی میکرو، و موتور را در کنار پایه‌ها خروجی قرار می‌دهیم. برای مثال در شکل زیر بلوک دیاگرام طراحی اولیه برای ربات مسیریاب نشان داده شده است.
/robot-system.jpg)
سپس با توجه به اینکه اطلاعات لازم را دیتاشیت مربوط به هر قطعه استخراج نموده‌اید، با استفاده از اصول اولیه مدارهای الکتریکی و تئوری‌های مربوط به مدارات الکترونیکی، مدار RLC مورد نیاز (همه‌ی قطعات نیاز به مدارهای RLC ندارند، مثلا برای روشن کردن LED، یک مقاومت نیز کافی است) را طراحی کرده و قطعات از جمله مقاومت و خازن را فراهم می‌کنیم.
/electronic-primary-design.png.jpg)
گام هشتم (پیشنهادی): شبیه سازی در نرم افزار
در گام بعد پیشنهاد می‌شود برد الکترونیکی طراحی شده را ابتدا در یک نرم افزار شبیه‌سازی کنید تا هم عیب‌های احتمالی را قبل از خریدن قطعات بررسی کنید و هم از صحت قطعاتی که انتخاب کرده‌اید اطمینان حاصل کنید. همچنین در صورتی که قطعات شما از قبل مشخص شده باشد، با شبیه‌سازی از معیوب شدن قطعات در صورت کارکرد نادرست مدار جلوگیری خواهید کرد. همچنین استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌ساز این امکان را به شما می‌دهد که علاوه بر اطمینان از صحت عملکرد مدار، کمیت‌های مدار را اندازه‌گیری و همچنین برد طراحی‌شده را نیز تجزیه و تحلیل کنید. از جمله نرم افزارهای قدرتمند در شبیه‌سازی مدارات الکترونیکی می‌توان به proteus, fritzing و easyEDA اشاره کرد. علاوه بر این نرم افزارها، برای شبیه سازی مدارات ساده می‌توانید از سایت Circuit Lab نیز استفاده کنید.
در شکل زیر شبیه سازی در محیط نرم افزار proteus نشان داده است.
/electronic-simulation.jpg)
البته نکته‌ی مهمی که باید به آن اشاره کرد این است که هیچ تضمینی وجود ندارد که بردی که در شبیه‌سازی درست کار می‌کند، بعد از پیاده سازی حتما به درستی عمل خواهد کرد. چرا که در شبیه‌سازی موارد بسیاری از شرایط دنیای واقعی مانند مسئله پراهمیت نویز محیط، و سایر شرایطی که می‌تواند در هر محیط وجود داشته باشد، در نظر گرفته نمی‌شود. به عنوان مثال مقاومت سیم‌ها همواره در شبیه سازی ها صفر در نظر گرفته می‌شود اما در واقعیت چنین نیست؛ علاوه بر این، حرارتی که از اتلاف انرژی در این سیم‌ها به وجود می‌آید نیز بر مقدار خازن، مقاومت و یا قطعات دیگر در برد و در نتیجه بر عملکرد کلی تاثیر می‌گذارد و حتی در موارد حساس ممکن است مدار اصلا کار نکند. با این حال می‌توان گفت که اگر برد الکترونیکی در شبیه‌سازی به درستی کار نکرد در واقعیت نیز به درستی کار نخواهدکرد!
بسته به نوع بردی که طراحی می‌کنید و نوع قطعاتی که در برد استفاده می‌شود ممکن است به این نتیجه برسید که نویز یا شرایط محیطی تاثیر چندانی بر عملکرد آن ندارد اما اگر فکر می‌کنید شرایط محیطی می‌تواند بسیار در نتیجه عملکرد برد الکترونیکی طراحی شده شما موثر باشد، یا می‌خواهید از بین چند قطعه الکترونیکی که کاری مشابه انجام می‌دهند یکی را که در شرایط محیطی شما عملکرد بهتر و یا مقاوم‌تری دارد، انتخاب کنید پیشنهاد می‌شود ابتدا برد را بر روی بردبورد، پیاده سازی کنید. تا در صورت لزوم مشکلات آن برطرف شود.
/circuit-breadboard.jpg)
گام نهم : طراحی PCB
حال که از عملکرد برد و نوع قطعاتی که می‌خواهید اطمینان حاصل کردید، گام بعدی، طراحی PCB برای آن است. PCB یا Printed Circuit Board یک مدار چاپی یک یا چندلایه است که قطعات مختلف را از طریق خطوط رسانایی که خودتان می‌کشید، به صورتی که می‌خواهید به هم وصل می‌کند.
/pcb-design.jpg)
برای طراحی PCB، لازم است ابتدا شماتیک مدار را طراحی کنید؛ نرم افزارهای زیادی مختص این کار وجود دارد که معروف‌ترین آنها Altium است. باید بدانید که در هنگام طراحی PCB نکات مختلف و حائز اهمیت زیادی را در خصوص جایابی درست قطعات، مسیرهای اتصال آنان، نحوه‌ی عبور خطوط تغذیه و زمین در مدار و … باید رعایت کرد تا مدار به درستی کار کند.
گام دهم : لحیم کاری
پس از اتمام طراحی برد الکترونیکی و چاپ PCB آن، نوبت اتصال قطعات روی PCB است که توسط لحیم‌کاری صورت می‌گیرد. روش صحیح لحیم‌کاری یکی از مهارت‌های ضروری برای کسی است که وارد دنیای مدارات الکترونیک می‌شود. البته می‌توان بدون حتی یک بار دست گرفتن هویه هم طراحی برد الکترونیکی را آموخت! البته همین مهارت نسبتا ساده نیز دارای نکات مختلفی در لحیم‌کاری قطعات SMD و DIP است و در بخش مربوط به لحیم‌کاری به آن پرداخته خواهد شد.
گام یازدهم : تست و عیب‌یابی
بعد از اتمام کار لحیم‌کاری و اسمبلی قطعات، به نظر می‌رسد برد شما آماده است اما باید بدانید در مراحل طراحی بردهای الکترونیکی، هر قسمت شامل تست‌های استانداردی برای برد و قطعات است. برخی نمونه از این تست‌ها عبارتند از: تست مسیر خطوط رسانا در PCB، تست صحت جانمایی قطعات با پایه‌های متفاوت مانند دیود و ترانزیستور و آی‌سی‌ها و غیره، تست صحت مقادیر قطعاتی مانند خازن، مقاومت و غیره، تست جریان‌کشی قطعات و سایر تست‌هایی که بسته به نوع برد الکترونیکی باید انجام شود. خوشبختانه اغلب عملیات عیب‌یابی در بردهای الکترونیکی را می‌توان با سه وسیله اساسی مولتی‌متر، اسیلوسکوپ (یا همان اسکوپ) و منابع سیگنال (مولد RF و غیره) انجام داد.
اگر نکات مربوط به طراحی PCB و لحیم‌کاری به خوبی رعایت شود و شما مرحله به مرحله هنگام لحیم‌کاری از درست بودن تمام موارد اطمینان دارید، می‌توانید این گام را انجام ندهید و از برد الکترونیکی طراحی شده خود استفاده کنید و از نتیجه عملکرد درست آن لذت ببرید!
سخن آخر
تا اینجا به طور مختصر با گامهای مختلف مورد نیاز برای طراحی برد الکترونیکی آشنا شده‌اید در مقالات بعدی سعی شده به جزئیات هر بخش به تفضیل پرداخته‌شود. طراحی یک برد الکترونیکی هرچند ساده می‌تواند دشوار باشد پس اگر در دفعات اول، به درستی کار نکرد و یا اصلا کار نکرد تسلیم نشوید! گامهای مسئله را تکرار کنید و سعی کنید ایراد احتمالی را یافته و رفع کنید.
برگرفته از https://nojhanco.ir/articles/electronic-board-design-steps/