Definire i parametri del progetto

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Questa pagina l'ho scritta molto tempo fa e contiene materiale obsoleto

L'uso è sconsigliato e non posso più fornire alcun supporto

In questa pagina descriverò una serie abbastanza lunga (e noiosa...) di passi con cui definire i parametri che il programma utilizzerà nel disegno vero e proprio del circuito stampato: dalla forma fisica dei componenti allo spessore delle piste alla forma dei pad per la saldatura. E' importante non aver fretta in questa fase perchè spesso non è possibile tornare indietro se non ricominciando tutto dall'inizio.

Nel tutorial faccio riferimento all'esempio contenuto nel file orcad.tgz

Il caricamento della netlist

Avviato Orcad Layout appare una finestra completamente vuota ed una serie di menu ed icone che permettono di lanciare i vari applicativi che costituiscono OrCad Layout.

Per iniziare un nuovo disegno occorre, evidentemente, cliccare su File > New. Sono necessari due file:

il file di tecnologia (.tch): esso contiene informazioni relative alla tecnologia costruttiva del circuito stampato quali il numero ed il tipo di layer da utilizzare, la dimensioni delle piste e delle piazzole, gli isolamenti minimi richiesti. Per le applicazioni a singola faccia la scelta migliore è l'uso del file Jump6238.tch o di un altro JumpXXX.tch se sono richieste maggiori precisioni o piste più sottili. In alternativa è disponibile per circuiti a doppia faccia il file 2bet_thr.tch. Esistono anche file per montaggio superficiale (contengono il suffisso SMD). I settaggi predefiniti possono comunque essere modificati successivamente.
il file con la netlist, creato da OrCad Capture (.mnl) o con altri programmi compatibili.

Viene quindi richiesto il nome del file .max che dovrà contenere il circuito stampato.

Una ulteriore tipologia di file che viene utilizzata è quella che contiene i footprint (con estensione .llb), cioè la descrizione meccanica dei vari tipi di componenti. La quantità di tali file che viene fornita con Layout è davvero impressionante ma... quando serve manca sempre qualcosa. Ed inoltre vi accorgerete che spesso troppe informazioni sono un inciampo. Infine la maggior parte delle librerie sono poco adatte alla produzione di circuiti fatti in casa che, necessariamente, sono costruiti con una scarsa precisione meccanica, senza solder-mask e, soprattutto, con fori non metallizzati. Per questo l'ultima sezione di questo tutorial è dedicata alla creazione di librerie personalizzate.

A questo punto inizia l'operazione che, soprattutto le prime volte, è senz'altro la più lunga e la fonte di errori: la fusione tra le informazioni contenute nei tre file citati.

Per ciascun tipo di componente viene richiesto quale footprint deve essere utilizzato, con una finestra simile a quella riportata (non è riferita a nessuno dei componenti dello schema di esempio).

Scelta del footprint

In genere è utilizzato il primo pulsante link existing footprint to component per scegliere a quale footprint legare quel particolare componente. Occorre quindi scegliere la libreria tra quelle visualizzate e quindi scegliere il footprint tra quelli contenuti nella libreria.

Purtroppo l'enorme quantità di librerie presenti rende poco immediata la scelta. Se volete, per cominciare potete usare per questo progetto di esempio la libreria tutorial.llb presente nel già citato file orcad.tgz che contiene tutti e soli i componenti usati nello schema. In seguito dovrete imparare a muovervi nelle librerie fornite dalla OrCad e soprattutto a crearne di nuove. Qualora non dovesse apparire una libreria tra quelle presentate dal programma, usate il tasto add.

La scelta del footprint può essere cambiata successivamente senza problemi insormontabili ma deve essere comunque fatta in questo momento, pena il mancato completamento dell'operazione e l'impossibilità di proseguire. Se annullate questa operazione, la cosa più semplice da fare è ripartire dall'inizio e sovrascrivere l'eventuale file creato.

Le prime volte questa operazione è piuttosto lunga e noiosa ma, per fortuna, le scelte fatte sono memorizzate nel file User.prt e riutilizzate automaticamente in seguito: trattandosi di un file di testo, può essere editato con un qualunque text-editor anche se la cosa più opportuna è quella di limitarsi a cancellare le righe che non servono più o contengono errori. Esiste anche il file System.prt, fornito con il programma e di identica struttura ed uso, ma ne sconsiglio la modifica in quanto contiene assegnamenti standard.

Finita questa operazione appare sullo schermo un'immagine che rappresenta tutti i componenti uniti da segmenti rettilinei che rappresentano le connessioni che dovranno essere effettuate (il ratnest). L'immagine è riferita allo schema di esempio, dopo la disposizione manuale dei componenti, fatta semplicemente trascinando con il mouse i componenti nella posizione desiderata.

Il ratnest di un alimentatore

È opportuno salvare il lavoro fatto fino a questo punto (è attivo di default il salvataggio automatico multilivello ma fidarsi è bene, non fidarsi è meglio...).

Gli errori più frequenti

Durante il primo caricamento della netlist in layout appaiono spesso alcuni errori. Di seguito illustro i più frequenti ed il metodo di risoluzione:

Cannot load a metric netlist on top of an english board or template
Questo errore deriva dal fatto di aver caricato una netlist in formato metrico in una tecnologia in pollici. Per correggere l'errore è necessario ricreare la netlist in pollici, evidenziando l'apposita opzione presente al momento della creazione della netlist con Capture. Il 99.99% delle schede fatte in casa hanno misure imperiali (cioè in pollici), soprattutto se usano integrati DIP.

Electrical package xxx for comp xxx has at least one pin which has no corresponding pin on footprint xxx.
Questo errore si verifica quando il nome di un pin di un componente presente sullo schema non corrisponde a quello presente nella libreria dei footprint (per esempio l'anodo di un diodo indicato come A in una libreria e ANODO in un'altra, oppure il pin 15 di un integrato che di pin ne ha solo 14). La soluzione più semplice è scegliere un altro footprint. In alternativa occorre modificare o creare una libreria in Capture (operazione non descritta in questo tutorial) oppure in Layout.

Familiarizziamo con la toolbar

Nell'immagine seguente è riportato il nome delle icone presenti sulla toolbar. Non è ovviamente necessario usare o conoscere da subito tutti i comandi. Mi limiterò a descriverne solo qualcuno.

La toolbar di Orcad Layout

L'icona Component_tool permette di selezionare e spostare i componenti. Da notare che questa icona e le seguenti sono attivate automaticamente se dal menù è selezionato Option > Preference > Auto_select_tool (scelta che ritengo poco comoda). Questa icona è chiaramente incompatibile con le seguenti delle stesso blocco e, se selezionata, le disattiva
L'icona Obstacle_tool permette di creare ostacoli (per esempio le dimensioni fisiche della scheda, i fori, aree senza rame)
L'icona Spreadsheet_tool permette la visione e la modifica del disegno attraverso una nutrita serie di tabelle simili al classico foglio elettronico in cui sono riportati in righe e colonne i vari parametri dei collegamenti (per esempio la dimensione delle piste) e dei componenti (per esempio i tipi di piazzole usate). Le singole celle, le righe, le colonne o i gruppi di celle sono selezionabili con soliti metodi (trascinare il mouse, cliccare sull'intestazione delle righe e delle colonne ecc.)
Gli Zoom non necessitano di descrizione. Il "francobollo" nero sulla destra permette di capire, in una scheda di grandi dimensioni, quale è la zona visualizzata ed anche di spostarsi su essa senza usare le scroll-bar
Se le misure della scheda sono in pollici (quasi sempre vero), le coordinate X e Y sono espresse in mils (1000 mils = 1 pollice = 25.4 mm)
Il Current_layer indica su quale strato del circuito stampato si sta lavorando. I layer più importanti sono il Bottom (detto anche lato saldature, quello che sta "sotto" il circuito stampato), il Top (le eventuali piste poste in un circuito a due facce dalla stessa parte dei componenti oppure i "ponticelli"), il Global (gli oggetti che attraversano tutto la stampato, per esempio i bordi della scheda), l'Assembly_top (dove stanno i componenti), il drill (il disegno per la foratura). Se un layer appare nero, significa che non è usato nel disegno corrente. Ricordate che lo stampato è sempre visto "dal di sopra", cioè dal lato componenti e quindi le piste e le saldature si vedono per "trasparenza".

Un aiutino piccolo-piccolo arriva dal tasto F1 (help generico) o F2 (help sensibile al contesto)

Il cambiamento di un componente o di una connessione

Visualizzando i componenti ed il ratnest possono apparire evidenti alcune incongruenze nell'assegnazione dei componenti. Nell'immagine del ratnest sopra riportata per esempio è irragionevole ritenere che il condensatore polarizzato da 10 uF (potrebbe essere un condensatore al tantalio) abbia le stesse dimensioni fisiche di un elettrolitico da 1000 uF.

Per cambiare l'assegnazione di un footprint ad un componente occorre selezionare il componente cliccandolo con il tasto destro del mouse (dopo aver ovviamente selezionata l'icona Component_tool) e scegliere Modify. A questo punto è possibile ridefinire il footprint da usare (viene chiesto se la modifica è per il solo componente selezionato o per tutti quelli dello stesso tipo) scegliendolo da una libreria.

E' possibile modificare anche le connessioni elettriche ma la cosa è estremamente poco opportuna. Molto meglio tornare a Capture, effettuare le modifiche, ricreare il file .mnl: Layout si accorge automaticamente del cambiamento (se è attivata l'opzione di Capture RunEcoToLayout, come consigliato precedentemente) ed importa le modifiche senza dover rifare nulla di quanto fatto fino a questo punto.

La definizione delle dimensioni

A questo punto possiamo caricare il file di strategie (File > Load_strategy): questo file contiene informazioni necessarie ai tool di sbroglio automatico e semiautomatico per scegliere le "regole" da usare. Molti parametri andranno modificati manualmente in funzione del singolo stampato ma una corretta strategia è un buon punto di partenza. Per circuiti monofaccia da fare in casa la scelta migliore è Jumper_v.sf oppure Jumper_h.sf (a seconda se si vogliono preferibilmente ponticelli verticali oppure orizzontali). Per circuiti a due facce, la scelta migliore è 2_thr_x.sf.

Prima di iniziare a disporre i componenti è obbligatorio definire le dimensioni dello stampato. Per fare ciò occorre:

selezionare l'icona Obstacle_tool
cliccare con il tasto destro del mouse sul disegno e selezionare Insert
cliccare nuovamente con il tasto destro del mouse (il menù che si apre cambia) e selezionare Modify. Questa operazione è inutile se si è appena creato un ostacolo dello stesso tipo
scegliere le seguenti opzioni: Board_outline, Width=50 (anche un altro valore potrebbe essere adeguato) e Global_layer
iniziare a disegnare il bordo della scheda (deve essere necessariamente una sola linee chiusa, di forma qualunque)
premere ESC per terminare

Le dimensioni ed il numero di lati della scheda sono modificabili in qualunque momento, semplicemente cliccando sul bordo e trascinandolo dove serve.

Con lo stesso strumento è possibile creare fori di montaggio e altri oggetti meccanici senza funzioni elettriche.

Occorre quindi definire le dimensioni delle piste. Per fare ciò è necessario selezionare lo strumento Spreadsheet > Nets. Appare una sorta di foglio elettronico con elencati tutti i collegamenti; se in Capture si era dato un nome ad un collegamento (ad esempio GND_POWER o VCC) questo appare, altrimenti viene assegnato dal sistema una sigla univoca del tipo Nxxxx, ovviamente di difficile lettura. Cliccando su una riga viene evidenziata sul ratnest la connessione corrispondente (e viceversa: selezionando una connessione sullo stampato viene evidenziata una riga sullo spreadsheet).

Per modificare una proprietà occorre selezionare una riga o un gruppo di linee (anche tutta la tabella) e quindi cliccare con il tasto destro del mouse e scegliere Modify.

La dimensione delle piste è predefinita ma potrebbe essere opportuno impostarla per esempio a 15 o 20 mils (e magari 50 per la massa e 35 per le alimentazioni). Sconsiglio di scendere sotto gli 8 mils, a meno di avere un ottimo impianto di fotoincisione. Il sistema richiede tre misure (minima, predefinita e massima), in genere poste uguali tra di loro. Se sono diverse, l'auto-route sceglie quella predefinita ma manualmente è possibile cambiare l'impostazione (per esempio per far passare la pista in un punto particolarmente stretto).

Anche questo parametro è modificabile in seguito ma per renderlo efficace occorre prima distruggere la connessione cliccando sullo spreadsheet la riga interessata con il tasto destro del mouse e selezionando Remove_track. L'operazione può essere fatta anche direttamente sul disegno se si sta usando uno degli strumenti manuali per la creazione delle piste.

Terza misura da impostare è l'isolamento, attraverso il menu Spreadsheet > Strategy > Route_spacing. Vi sono una serie di righe (una per ciascun layer me ovviamente l'hobbista usa solo il Bottom_layer ed al limite il Top_layer) ed una serie di isolamenti espressi in mils. In genere è opportuno scegliere un valore di almeno 15 o 20 mils quando sono coinvolte le piazzole (ma volendo anche 8 mils vanno bene, se si ha la mano ferma durante le saldature) e di almeno 10 o 15 mils tra piste.

Ultima dimensione da impostare è quella della griglia usata per il routing delle piste ed il posizionamento delle via (i fori che collegano tra loro i vari layer) e dei componenti. Per far ciò occorre selezionare dal menù principale Option > Grid. Valori normalmente usati sono 50 mils (anche 100 per i componenti è un buon valore). È importante (anche se non rigorosamente necessario) che tali valori siano un sottomultiplo intero della distanza tra i piedini dei componenti (quindi in genere vanno bene 50, 25, 12.5, 6 ¼ mils se si usano circuiti integrati DIP).

Se la griglia ha un valore troppo piccolo rispetto alle dimensioni dello stampato, viene evidenziato sullo stampato stesso un rettangolo bianco tratteggiato: solo all'interno di esso è possibile effettuare lo sbroglio. Questo rettangolo si sposta automaticamente tra le varie aree dello stampato e quindi non ci sono problemi se non una certa scomodità per lo sbroglio di piste lunghe. Inoltre a volte si manifesta una certa lentezza nello sbroglio.

Griglie troppo grandi rendono a volte impossibile lo sbroglio di un circuito.

Gli spreadsheet

Nel precedente paragrafo si sono già introdotti due spreadsheet (quello per la definizione degli isolamenti e quello per la definizione delle dimensioni delle piste) ma come è possibile vedere osservando i menù ne esistono molti altri. Questi strumenti permettono di avere sotto controllo tutti i parametri del disegno, sono inizializzati caricando file di tecnologie o strategie e possono essere modificati manualmente. Un controllo frequente delle informazioni presenti in questi fogli permette di trovare e risolvere numerosi problemi apparentemente senza soluzione

Presento ora una carrellata di quelli più frequentemente usati.

Spreadsheet > Stategy > Route_pass permette di definire quali passi devono essere usati durante lo sbroglio automatico. I parametri sono definiti al caricamento dell'appropriato file di strategia e sconsiglio modifiche manuali. L'unica opzione che è utile modificare è Done per poter riprendere da zero lo sbroglio automatico senza ricaricare il file di strategia
Spreadsheet > Strategy > Route_spacing e Spreadsheet > Nets sono stati appena descritti
Spreadsheet > Statistic è di ovvia interpretazione. L'utilità principale è quella di individuare se sono rimasti ancora collegamenti non fatti (quando la scheda è di grandi dimensioni è facile che qualcosa sfugga ad un controllo anche attento)
Spreadsheet > Layer permette di definire quali layer usare per lo sbroglio manuale o automatico. L'opzione più usata dall'hobbista è Bottom = routing, Top = jumper (oppure routing se si lavora in doppia faccia), Power, GND, Innerxx = unused (attenzione che spesso alcuni di questi piani interni appaiono come routing oppure plane, rendendo di fatto impossibile la costruzione dello stampato in casa). In genere, dopo il caricamento del corretto file di tecnologia, non è necessario né opportuno un intervento manuale
Spreadsheet > Padstack contiene la descrizione dei diversi tipi di piazzole usate nello stampato. E' possibile modificarne le dimensioni e la forma per interventi occasionali, specificandolo per ciascun layer (in genere è però opportuno un intervento sulle librerie). Il modo migliore per usare questo strumento è quello di evidenziare sullo stampato il tipo di piazzola (usando lo strumento associato all'icona Pin_tool) e quindi aprire lo spreadsheet (le righe interessate saranno evidenziate). È possibile anche l'operazione inversa (selezionare una riga sullo spreadsheet e trovare evidenziati sullo stampato tutti i pad di quel tipo.

Gli altri spreadsheet sono intuitivi come uso ma secondo me meno utili per effettuare una modifica diretta.

Il posizionamento dei componenti

I componenti vanno disposti sullo stampato manualmente, secondo i classici criteri imparati facendo circuiti stampati senza PC (connettori, interruttori, trimmer orizzontali e led all'esterno, componenti vicini se con molti collegamenti tra di loro, spazio sufficiente per le piste, un certo ordine "estetico" e logico…).

I componenti possono essere ruotati e spostati a piacimento evitando ovviamente di uscire da bordi e reciproche sovrapposizioni.

In questa fase possiamo introdurre due strumenti di verifica automatica:

il DRC è l'icona che permette una monitoraggio continuo del lavoro svolto e l'individuazione immediata di eventuali errori quali un componente posto al di fuori della scheda o isolamenti non rispettati. Per attivarlo occorre cliccare sull'icona corrispondente, che rimane evidenziata dal colore rosso. In genere è opportuno attivare questa opzione solo quando la disposizione dei componenti è semi-definitiva in quanto causa troppi messaggi di errore quando la scheda è ancora lontana dall'aspetto definitivo. Una volta attivato il DRC esistono poche occasioni in cui è opportuno disattivarlo.
Il secondo comando (Auto > Board_space_check) effettua un controllo complessivo sulla scheda. È opportuno usare ogni tanto questo comando in quanto al DRC a volte sfugge qualcosa e prima ce ne si accorge meglio è.

In teoria sulla versione Plus di Layout è disponibile anche il piazzamento automatico dei componenti ma personalmente l'ho trovato molto poco efficace per circuiti a singola faccia e quindi ve lo sconsiglio se non per farci un giro di prova o nel caso di circuiti con molti piccoli componenti simili tra loro come dimensioni esterne. L'unica volta che mi è servito è stato per il piazzamento di un centinaio di componenti per realizzare un filtro audio passivo quadrifonico.

Prima di attivare l'autopiazzamento (Auto > Batch_place), ricordatevi comunque di disporre manualmente i connettori ed eventuali altri componenti delicati da questo punto di vista e di bloccarli nella posizione scelta (tasto destro del mouse e quindi Lock)