Kirjoittaja: Antero Lehto

Transkriptio

1 Sisällysluettelo LTspice IV...2 Käyttöliittymä...2 Pikanäppäimet...3 Erityishuomio!...3 Esimerkkisuoritus...4 SPICE directive kikkailua...8 Komponentin parametrisointi...8 Komponenttiarvojen.STEP sweep...9 Jännitemuuntaja...9 Oman komponenttimallin luonti...10 Eagle CAD...11 Control panel...11 Käyttöliittymästä...11 Schematic editor...12 Komponentin lisääminen...12 Layout editor...13 Mittajärjestelmän muuttaminen ja editorin "snap on"-pisteet...14 Komponenttikirjastot...14 Oman kirjaston luonti...14 Valmiin kirjaston käyttöönotto...20 Eaglen kokonaissuoritus /24

2 LTspice IV LTspice IV on Linear technologyn luoma ilmainen piirisimulaattori, jossa hyvin yksinkertainen käyttöliittymä. Simulaattorilla voidaan mallintaa kaikki protoilussa tarvittavat tärkeimmät parametrit ja pikku kikkailulla tarpeettomatkin. Ohjelma toimii moittomasti myös wine:llä Käyttöliittymä Ohjelman ensimmäinen käyttäminen aloitetaan luomalla uusi "schema" 1. Run (juokse) käynnistää simuloinnin. Ensi simuloinnissa: antaa valita simulointiparametrit. 2. Cut Piirielementin poistotyökalu (Delete), eikä perinteinen leikkaa liimaa. 3. Copy Piirielementin monistustyökalu (dublicate). 4. Wire Kytkennän johdotustyökalu. 5. Ground Piirin maasympoli. PAKOLLINEN joka kytkennässä, muuten ei simulaatiot onnistu. 6. Label Net Solmupisteiden nimeamistyökalu. Vähentää johdotushelvettiä. 7. (Resistor, Capasitor, Inductor, Diode) Perus piirikomponenttien valinta kytkentään. 8. Component Kytkennän komponenttien valinta ja lisäys. Sisältää myös perus piirikomponentit. 9. (Move, Drag) Siirto- ja raahaustyökalut. Raahaamalla siirtyy johtimet mukana ja Move:lla ei. 10. (Text, SPICE directive) Molempien nappien takana sama työkalu. Mahdollistaa kommenttien ja SPICE directive komentojen kirjoittamisen schmaan. Jälkimmäinen tärkeämpi työkalu. Kuvassa komponettin valintaikkuna. Punaisella värjätyt ovat kansioita. AutoGenerated kansio luodaan itse. 2/24

3 Pikanäppäimet C uusi kondensaattori kytkentään. D uusi diodi kytkentään. G uusi ground kytkentään. L uusi kela kytkentään. R uusi vastus kytkentään. S uusi SPICE directive kytkentään. T uusi kommentti kytkentään. CTRL + B Zoom out CTRL + C Copy (monista). CTRL + E Pelikuva valitusta komponentista. CTRL + F (Find) etsi komponenttia nimellä. CTRL + N Luo uuden scheman. CTRL + O Avaa tallennettu työ. CTRL + P Print. CTRL + R Puorittää 90 astetta valittua komponenttia. CTRL + S Save. CTRL + X Cut (Delete). CTRL + Z Zoom in. F1 Help F2 Component. F3 Wire työkalu F4 Label Net työkalu. F5 Cut (delete). F6 Copy monista. F7 Move F8 Drag F9 Undo SHIFT + F9 Redo ESC Palauttaa työkalun perustilaan. Erityishuomio! Käyttäkää kaikissa paikoissa desimaali PISTETTÄ! Ei pilkkua. 3/24

4 Esimerkkisuoritus Tässä esitämme mahdollisimman yksinkertaisen kytkennän piirtämisen ja simuloinnin. Rakennetaan seuraavan kuvan mukainen kytkentä. 1. Lätkitään tarvittavaat komponentit sopivasti schemalle. Move- ja Drag-työkaluilla valittuja komponentteja voidaan pyöritellä ja peilikuvata (CTRL + R ja CTRL + E) 2. Johdotetaan komponenttien välit wire-työkalulla. 3. Nimetään Label Net-työkalulla suodattimen lähtösolmu OUT:ksi. 4. Asetetaan peruskomponenteille arvot. Komponenttien arvot asetetaan viemällä hiiren kursori komponentin päälle, jolloin kursori muuttuu osittavaksi sormeksi ja voidaan painaa hiiren 2 näppäintä. Jos kursori ei muutu paina ESC-nappia, jolloin kursori palautuu vakio tilaan. 5. Asetetaan kytkennän tulossa olevalle jännitelähteelle simulointiin sopiva jännitesignaali (sormi). AC amplitudiksi asetetaan 1 V, jolloin voidaan suorittaa AC analyysi. 4/24

5 Kykennän tulisi näyttää tältä, jolloin se on valmis simuloitavaksi. 6. Simuloidaan kytkentä painamalla juoksu näppäintä (Run). Koska kyseessä on ensisimulointi antaa ohjelma valita simulaatioparametrit. 6.1 Valitaan AC Analysis välilehti 6.2 Valitaan taajuusakselin esitys tyyli Type of Sweep valikosta. 6.2 Lisätään riittävästi laskentapisteitä, jotta simulaatiosta tulee tarkka. 6.3 Asetetaan tarkasteluväli. Taajuuksien tulee olla 0:sta eroavavia. 6.3 Käynnistä simulaatiolaskenta. 5/24

6 7. Simulointitulosten esittäminen ja rajaaminen. 7.1 Probe kursori ilmestyy automaattisesti sen osuessa solmuun, jota voidaan mitata. Jos kursori viedään komponentin päälle, näyttää se virtamittarilta. Vakiona jännitekuvaajassa esitetään mitattavan pisteen jännite ja vaihe. 7.2 Vaihe saadaan poistettua kuvaajasta viemällä kursori astelukuja soittavaan reunaan ja painamalla hiiren 1-nappia. Vaiheen sijasta voidaan esittää solmun ryhmäviive, mutta tässä tapauksessa haluamme vain poistaa. 6/24

7 7.3 Tulosten esitysalueen rajaaminen. Sekä taajuuden että amplitudin esittämisasteikkoa pääsee muuttamaan viemällä viivoitinkursori asteikon päälle ja painamalla hiiren 1-näppäintä. Etenkin suodattimia simuloidessa kannattaa rajat ja tick-arvo asettaa siten, että -3dB osuu kivasti. 7.4 Tulosten tarkempi tutkiminen mittatyökalulla. Mittatyökalu löytyy halutun signaalin otsikosta hiiren 1-napilla. Valittua mittapistettä voidaan siirtää joko hiirellä tai nuolinäppäimillä. 7/24

8 SPICE directive kikkailua SPICE directivellä voidaan luoda matemaattisia piirielementtejä tai vain parametrisoida komponenttien arvoja. SPICE directivet esiintyy piirikaaviossa pelkkänä tekstinä. Komponentin parametrisointi Kuvassa vastukselle R1 on annettu arvoksi muuttuja vastus. Muuttuja luodaan aaltosuluilla. Muuttujan arvoa voidaan muokata SPICE directivellä. Directive luodaan.op napilla. Parametri nimeltään vastus on arvoltaan 10 kilo-ohmia. Kytkentä vastaa aiemmin esitettyä esimerkkikytkentää. "On yhtä kuin"-merkin jälkeen voitaisiin suorittaa vaikka laskutoimituksia. 1M Ω 4.5 = (sqrt(1meg)*4.5)/2.2 Esimerkiksi: vastus=2 π 10k Ω = 2*pi*10k tai vastus= 2.2 Kaikki komponenttiarvot voidaan laskea riippumaan myös toisen komponentin arvosta, jolloin kaikki kytkennän komponentit voisivat olla riippuvaisia vain yhden komponentin parametriarvosta. Erittäin kätevä kikka suodattimet kurssissa! 8/24

9 Komponenttiarvojen.STEP sweep.step sweepillä muutetaan komponentin arvoa askelittain. Askella parametriä vastus 10 kilosta 20 kiloon 5 kilon välein..step directive antaa useamman arvon kuvaajat samalla simuloinnilla. Jännitemuuntaja Muuntajat tulee tarpeeseen aina silloin tällöin ja niiden simulointi on jokseenkin ongelmallista. Tällä pitäisi päästä alkuun. Muuntaja luodaan asettamalla kytkentään 2 tai useampi kela. Kelojen välistä kytkentää kuvataa SPICE directivellä K1 L1 L2 0.9, joka tarkoittaa "coefficient_1 kelojen 1 ja 2 välillä on 90%". Jotta ohjelma suostuu simuloimaan kykennän on keloilla oltava induktanssi ja sarja resistanssi. Muuntosuhde lasketaan kaavasta L1 N1 2 =( ), jossa L on induktanssi ja N on kierrosluku. L2 N2 9/24

10 Oman komponenttimallin luonti Omien komponenttien luontiin on monta eri tapaa ja tässä esitetään vain yksi tapa, joka ei välttämättä sovellu kaikkiin komponentteihin. Esimerkkisuorituksessa luodaan osaston kaapista löytyvä TL072 operaatiovahvistin. Tätä opparia käytetään esimerkiksi analogiatekniikan työssä. 1. Ladataan josta puretaan kansioon TL tiedosto 2. Avataan TL LTspice:llä. 3. Luodaan symboli painamalla hiiren 2 näppäintä ".SUBCKT TL " kohdassa. 3.1 Käynnistetään ohjelma uudestaan administraattori moodisssa ja toistetaan edelliset, koska ohjelmalla ei ole oikeutta luoda kansiota ja tiedostoa 4. Nimetään luodussa symbolissa esiintyvät liitäntäkohdat vastaamaan teksti-tiedostossa olevia. Eli 1 = in+, 2 = in- jne. 5. Tallennetaan muutokset 6. profit. Internetistä löytyy muitakin tapoja, joita kannatta kokeilla. 10/24

11 Eagle CAD Eagle CAD on CadSoft:n kehittämä ammattilaistenkin käyttämä piirilevyn suunnittelu ohjelma. Se on ilmaiseksi ladattava ohjelma, joka toimii windows, linux ja osx käyttöjärjestelmissä. Koska Eagle on kaupallinen ohjelma, ovat he rajoitttaneet ilmaisversiossa lopullisen levyn koon 100x60mm kokoon. Se on kuitenkin varsin riittävä normaaliin protoiluun. Ohjelman lisäksi yrityksen nettisivuilta voi ladata valmiita komponenttikirjastoja. Control panel Ohjelma käynnistyy aina control panel näkymään. Josta voi käynnistää ja luoda projekteja. Valikoiden kautta voidaan säätää esimerkiksi schematic ja layout editorien ulkonäköä. Control paneelin valikoihin voidaan lisätä tiedostoja drag and droppina. Windows:ssa käyttäjän projektit tallenetaan vakiona C:\Users\"käyttäjänimi"\Documents\eagle\projektiX. Kansioon tallentuu kaikki luodut tiedostot, ellei toisin määrätä. Käyttöliittymästä Eaglen käyttö on hyvin hiiripainoitteinen. Näppäimistössä eniten käytössä on ESC-näppäin. Muut mahdollisesti tarvittavat pikanäppäin yhdistelmät voi tarkastaa Edit valikosta. Ohjelman käyttö pelkällä hiirelläkin on ihan riittävän sulavaa vaativallekkin käyttäjälle. Hiiren 1-näppäin: Työkalujen normaali käyttö. Hiiren 2-näppäin: Komponenttien kääntäminen 90 astetta vastapäivään ja työkalujen erikoistoiminnot. Esimerkiksi: Move group. (shift + 2-näppäin: kääntää 90 astetta myötäpäivään). Hiiren 3-näppäin: peilaa komponentin tai vie pintaliitoskomponentin toiselle layerille. 11/24

12 Schematic editor Schematic editorissa luodaan kytkennän komponenttien väilset kontaktit ja annetaan komponenteille arvot. Schematic editorin tärkeimmät työkalut on esitetty kuvassa 1. Add Komponentin lisäys kytkentään. 2. Move Piirielementtien liikuttelu. 3. Net Johdotustyökalu. KÄYTETÄÄN TÄTÄ ei Wire työkalua 4. Value Työkalu komponenttien arvojen asettamista varten. 5. Show Työkalu kytkentöjen tarkistamista varten. Korostaa mihin verkko (Net) on kytkeytynyt. Komponentin lisääminen Tämä on mielestäni ainut työkalu (Add) schematic editorissa, joka vaatii pienen johdannon. Jos valikko ei näytä tältä, katso materiaalin kohdasta komponenttikirjastot. Varoitus ÄLKÄÄ PAINAKO Drop-nappia. Se poistaa listasta viimeksi valitun kirjaston. Hakutoiminnossa osumaa parantaa *-merkki. Tyhjää hakukenttä haun jälkeen. Komponenttilistaa voi selata nuolinäppäimillä. 12/24

13 Layout editor Layout editorissa piirretään itse fyysinen levy. Ilmaisessa versiossa on käytössä levyn molemmat puolet. Levyn kumpaankin pintaan voidaan vetää johtimia ja asettaa komponetteja. Layout editorin tärkeimmät työkalut on esitetty kuvassa. 1. Move Komponettien ja johtimien siirtoa varten. Valittuja osia voidaan pyörittää ja peilata. 2. Route Manuaalinen johdotus työkalu. 3. Ripup Poistaa osoitetut valmiit johdotukset. (Vaatii harjoittelua! Tyrimisvaara suuri). 4. Polygon Isompien johdinpintojen luonti tehdään tällä. Esim. Ground-taso. 5. Change Yleistyökalu levyn loppuvirittelyä tai muutoksia varten. Esim. Komponentin pakkaus. 13/24

14 Mittajärjestelmän muuttaminen ja editorin "snap on"-pisteet Eaglen layout editor käyttää vakiona, takapajuista imperiaalista, tuumiin perustuvaa mittajärjestelmää. Tämä saadaan muutettua ihmisten ymmärtämään muotoon view->grid-valikosta. Samaisesta valikosta voidaan valita, näytetäänkö vai ei, editorin ruudulla pisteitä vai viivoja "snap on"-kohtina. Editorin vakiomittoihin ei kuitenkaan kannata kajota. Ainakaan aluksi. Vakio mitta 1.27 mm on piirilevyteollisuuden ja kompnenttivalmistajien yhdessä sopima mitta, jota käytetään aina, kuin mahdollista. Grid ikkunassa Size: tarkoittaa vakio väliä, jonka komponentti tai johdin liikkuu, sitä siirrettäessä. Alt: on siirtymismitta, joka saadaan käyttöön näppäimistön ALT näppäintä pohjassa pitämällä siirron ajan. Alt mitta on yleensä 1/2 tai 1/4 size:n koosta Komponenttikirjastot Oman kirjaston luonti Oman kirjaston luonti on eaglen hankalin asia hallita. Esimerkkinä luomme npn transistorin BD Haetaan netistä komponentin datasheet. 2. Selvitettään luomiseen tarvittavat tiedot: 2.1. Pinnien numerojärjestys 2.2. Pinnien nimet ja mahdolliset suunnat Paketin dimensiot Jalkojen välinen etäisyys Minkäkokoisesta reijästä jalka mahtuu läpi tai minkä kokoisia pädejä tarvitaan Minkä kokoinen paketti on ylhäältä päin katsottuna ja kuinka jalat sijoittuu. 3. Aloitetaan itse komponentin luominen Eaglen control paneelista. File -> new -> library. 14/24

15 4. Tallennetaan kirjasto sopivaan kansioon, kirjastoa kuvaavalla nimellä. Yhdessä kirjastossa voi olla useampiakin kuin yksi komponentti. (Eaglen lbr kansiossa on kummalliset oikeudet, joten tallentakaa kirjasto johonkin muuhun kansioon). 5. Luodaan komponentille paketti layout editoria varten. Paina Package kuvaketta Paketin luominen aloitetaan nimeämällä se kuvaavasti. Samaa pakettia voidaan käyttää useammassa, saman kirjaston komponentissa Muutetaan ohjelman grid millimetreiksi View -> Grid. (esitetty aikaisemmin) 5.3. Asetetaan ja muotoillaan komponentin juotos pädit ja reijät kohilleen. Pad työkalu Padin tyyli Riittävä määrä reikiä jaloille. Keskimmäinen reikä on sijoitettu siten, että se on komponentin pyörintäakselilla. 15/24

16 Properties -> Muutetaan padin nimi vastaamaan datalehteä ja dril jaloille riittävä laajoiksi. Muotoillaan loput pädit oikeanlaisiksi 5.4. Piirretään paketille ääriviivat ja joitainyksityiskohtia. Wire työkalulla ja värillä tplace piirretään komponentin ääriviivat. Lisätään selkeyttäviä yksityiskohtia tdocu värillä. (Hienostelua, kaikki voidaan tehdä tplacella) 16/24

17 5.5. Lisätään kompnentin viereen nimi ja value kentät. >NAME kirjoitetaan tnames-värillä >VALUE kirjoitetaan tvalues-värillä (jos komponenttille ei haluta antaa arvoa, niin sen voi jättää pois) 5.6. Komponentin paketti on valmis. (Suoritetaan tarkistuskierros ja todetaan, että käytetyssä datalehdessä oli mitat väärin ja korjataan poraukset pienemmiksi. Sitten paketti on valmis). Kuva lopullisesta paketista Tallennus. 6. Luodaan komponentille symboli schematic editoria varten. Luonti alotetaan Symbol-kuvakkeella Annetaan symbolille nimi: BD luodaan pin-työkalulla tarvittavat liitospinnit. Pinnien pituutta ja suuntaa voi muokata. 17/24

18 6.3. Nimetään pinnit sopivasti. Nimeäminen loytyy pinnin Properties-osiosta 6.4. Piirretään symbolin ulkomuoto. Piirtämiseen käytetään wire-työkalua ja symboli väriä. Symboli ja pinnit pyritään sijoittamaan keskustan ympärille tasaisesti Lisätään symbolin viereen nimi ja value kentät. >NAME kirjotetaan värillä Names >VALUE kirjoitetaan värillä Values 6.6. Symboli on valmis. (Kannattaa tarkistaa) 18/24

19 7. Lopullisen devicen luonti aloitetaan painamalla device kuvaketta -> Device nimetään sopivalla tavalla. (BD243) 7.1. Valitaan device:en oikea symboli ja paketti Yhdistetään symbolin ja paketin jalat (yhdistäminen aloitetaan Connect-napista). Yhdistetään oikeat pinnit oikeiden pädien kanssa. Ja voilla connection Tallennus 8. Valmis.lbr kirjasto 19/24

20 Valmiin kirjaston käyttöönotto Tätä kohtaa sovelletaan omien ja muiden tekemien kirjastotiedostojen käyttöön ottoon..lbr tiedosto pitää sisällään kaiken tarpeellisen; Device, Symbol ja Package. Painetaan use kuvaketta. Paikannetaa haluttu.lbr tiedosto Kirjaston komponentit on otettu käyttöön ja löytyvät Add toiminnosta muiden joukosta. Eikun kovaa käyttöä! Eaglen kokonaissuoritus Esimerkkisuorituksessa pirretään jännitejaon tehokytkentä. 1. Luodaan projekti ja siihen schematic. 2. Jos kaikki komponentit on olemassa, lätkitään ne schematic editoriin oikeisiin paikkoihin. 20/24

21 3. Johdotetaan komponenttien välit Net-työkalulla. Label- ja Name-työkaluilla voidaan nimetä verkkoja. Samalla nimellä varustetut verkot ovat kytköksissään toisiinsa. 4. Operaatiovahvistimen sähköistäminen Suurimmassa osassa operaatiovahvistimista, laitteen käyttöjännite pinnit on piilotettu. 4.1 Invoke työkalulla avataan operaatiovahvistin. 4.2 Listasta valitaa power-pinnit. (TL072:n paketissa on kaksi operaatiovahvistinta) 4.3. Asetetaan ilmaantuneet pinnit sopivaan kohtaan schemassa ja johdotetaan loppuun. 21/24

22 5. Nimetään komponentit ja annetaan niille oikeat arvot Schematic on nyt valmis siirrettäväksi layout editoriin. 6. Schematic:sta levyksi. Layout editoriin siirrytään Generate/switch to board kuvakkeella. Layout editorin puolella alkutilanne näyttää tältä. (komponentit on levyalueen ulkopuolella) 7. Osien sijoittelu levylle, valkoisten reunaviivojen sisään. Move- Rastnet-työkaluja käyttäen komponentit järjestetään siten, että keltaiset viivat ovat vain vähän ristissä keskenään. 22/24

23 8. Johdotetaan komponettien välit Route-työkalulla. Johdottaessa kannattaa käyttää mahdollisimman leveitä johtimia, jolloin levystä tehtävä syövytysmaski on vähemmän arka virheille. (käytä: 1.27mm tai mm) ALT-näppäin on hyödyksi ahtaissa paikoissa. 9. Levyn reunojen muokkaus sopiviksi. 10. GND-tason luominen Polygon työkalulla Luo kuparoinnin rajat työkalulla. Polygoni voidaan piirtää levyn ulkopuolelle Nimetään polygoni samaksi, guin gnd-verkko (tässä tapauksessa FBACK). Tason saa näkyviin Rastnet-työkalulla Laajennetaan johtimien eristeväliä riittäväksi. Change-työkalu->Isolate->"koko". Levy on valmis! 23/24

24 11. Syövytys maskin muodostaminen Valitaan maskiin vain tarvittavat layerit. (Bottom, Pads, Vias ja Dimension) Valinnat. Levy valintojen jälkeen File -> Export -> Image. Käyttäkää Bitmap muotoa, asettakaa monochrome ja kasvattakaa dpi arvo vähintään 300dpi:n. Valmis bottom-layerin valotusmaski. (Kupari jää valkoiselle alueelle). 12. Maski monistetaan ja tulostetaan Gimpillä. Gimppiä käyttään, jotta voidaa tulostaa maski oikean kokoiseksi. Muitakin tapoja on, mutta Gimpillä en ole epäonnistunut. 24/24