Чтение принципиальной схемы

Схема — это язык, на котором электронщики договариваются друг с другом. С неё начинается любая плата: сначала рисуют схему, потом по ней — плату. Если схему читать не умеешь, Altium будет просто набором непонятных окон.

Схема — это не картинка платы

Принципиальная схема (schematic) показывает, что с чем соединено и из каких элементов состоит устройство. Чего на ней нет:

• реальных размеров и положения деталей;
• формы дорожек;
• того, на какой стороне платы стоит компонент.

Аналогия — схема метро. По ней понятно, какие станции соединены и где пересадки, но реальные расстояния и повороты тоннелей на ней не видны. Карта города — это уже чертёж платы.

По ЕСКД (единой системе конструкторской документации) принципиальная электрическая схема имеет код Э3 (ГОСТ 2.701-2008), а правила её оформления задаёт ГОСТ 2.702-2011. Схему рисуют без масштаба и для обесточенного состояния устройства: контакты реле и кнопок показывают в положении «без питания и без нажатия».

Линии связи

Проводники на схеме называют линиями связи. Основные правила (ГОСТ 2.702 плюс общепринятая практика):

• линии рисуют горизонтальными и вертикальными отрезками, с минимумом изломов и пересечений;
• толщина линий по ГОСТ — от 0,2 до 1,0 мм в зависимости от формата листа и размеров обозначений. САПР выставляет её сама;
• соединение (ответвление) обозначают точкой;
• пересечение без точки — это не соединение, провода просто проходят друг над другом;
• в одной точке лучше не сводить четыре проводника. Хорошая практика — развести их на два Т-образных соединения: тогда потерявшаяся при печати точка не изменит смысл схемы.

Рис. 3.1. Точка — соединение, пересечение без точки — проводники не связаны. Четыре проводника в одной точке лучше развести на два Т-образных соединения: точку легко потерять при печати. Одинаковые метки цепей (SDA) и одинаковые порты питания соединяют проводники без линии на схеме.

Цепи, метки и порты питания

Всё, что соединено между собой проводниками, — одна цепь (net). Это тот самый узел из урока 1.4, только размазанный по листу.

Тянуть провод через весь лист неудобно, поэтому есть два способа соединить точки без линии:

• Метка цепи (net label) — подпись с именем цепи. Все проводники с одинаковой меткой соединены. Типичные имена: SDA, SCL, TX, RX, RESET.
• Порт питания (power port) — особый значок для питания и земли: «+5V», «+3V3», «GND». Все одноимённые порты — одна цепь питания.

ГОСТ допускает обрывать линии связи и помечать их концы — это ровно то, что делают метки цепей.

⚠️Внимание

Метки сравниваются буквально. «GND» и «Gnd», «+5V» и «5V» — для САПР разные цепи. Самая обидная ошибка новичка: половина микросхем подключена к «GND», половина — к «AGND», а между ними никакой связи.

Как читать схему

Схемы принято рисовать так, чтобы сигнал шёл слева направо: входы слева, выходы справа. Питание — сверху, земля — снизу: чем выше на листе, тем выше потенциал. Поэтому читают схему так же, как текст:

1. Найди питание и землю. Откуда приходит энергия, какие напряжения есть (порты, разъёмы питания).
2. Найди входы и выходы. Разъёмы, кнопки, датчики — слева; нагрузки, индикаторы — справа.
3. Разбей схему на узлы. Делитель, фильтр, ключ, стабилизатор — типовые кирпичики, которые разобраны в уроках 3.4–3.7.
4. Проследи каждую цепь. Возьми элемент и найди всё, что подключено к каждому его выводу.

Потренируемся на схеме, которую мы будем проектировать в модуле 7, — мультивибраторе из руководства Altium:

Рис. 3.1а. Мультивибратор из руководства Altium. Питание 12 В приходит через разъём P1 на шины 12V и GND. Две симметричные половины: Q1 с R1 и R3 и Q2 с R2 и R4. Конденсаторы C1 и C2 перекрёстно связывают половины. C2 пересекает проводник R1 без точки — это пересечение, а не соединение.

Попробуй найти цепь «база Q1»: в неё входят нижний вывод R1, база Q1 и левая обкладка C1 — три точки соединены. Проводник C2 проходит над ней, но точки на пересечении нет, значит C2 к этой цепи не относится.

🛠Особенность Altium

В Altium метку цепи ставят через Place›Net Label, порт питания — через Place›Power Port. Важная тонкость: по умолчанию метка цепи действует только в пределах одного листа схемы. Чтобы соединить листы, используют порты или меняют настройку области видимости имён (Net Identifier Scope). А вот одноимённые порты питания соединяются по всему проекту. Многолистовые схемы — урок 9.8.

Перечень элементов

По ЕСКД к схеме прикладывают перечень элементов — таблицу всех компонентов с позиционными обозначениями, наименованиями и количеством. Его помещают на первом листе схемы или выпускают отдельным документом. В зарубежной практике его роль играет BOM (Bill of Materials). Altium собирает его автоматически (урок 10.4).

Практика

1. На рис. 3.1а найди все элементы, подключённые к цепи 12V. (P1, R1, R2, R3, R4.)
2. Какие элементы подключены к цепи «коллектор Q2»? (R4, коллектор Q2, правая обкладка C1.)
3. Найди место, где проводник пересекает другой без соединения. (C2 через проводник R1 и C1 через проводник R2.)
4. Открой даташит любой платы-модуля (например, отладочной платы с микроконтроллером) и найди на схеме метки цепей. Сколько раз встречается метка GND?

🧯 Типичные ошибки

Проводники «соединены» на глаз, но не электрически

Почему Линия провода заканчивается рядом с выводом или на другой линии, но точки соединения нет. Для САПР это обрыв.

Как исправить Следи за точками соединения. В Altium проводник должен попасть точно в электрический конец вывода. Проверку даёт компиляция проекта (урок 7.3).

Две цепи «земли» с разными именами

Почему Порты GND и Gnd или GND и AGND — разные цепи, САПР их не объединит.

Как исправить Договорись об именах в начале проекта и проверяй список цепей.

Схема — «лапша» из пересекающихся проводов

Почему Пытались рисовать схему похожей на будущую плату.

Как исправить Рисуй по потоку сигнала: слева направо, питание сверху, земля снизу. Длинные связи заменяй метками цепей.

Проверь себя

1. 1. Два проводника пересекаются под прямым углом, точки нет. Что это значит?

   Они соединеныОни не соединеныЗависит от толщины линий
2. 2. Что показывает принципиальная схема (Э3)?

   Реальное расположение деталей на платеИз каких элементов состоит устройство и как они соединеныФорму и ширину дорожек
3. 3. На разных концах листа два провода подписаны меткой «SCL». Они соединены?

   Да, одинаковые метки — одна цепьНет, нужна линия между нимиТолько если это порт питания
4. 4. Почему не стоит сводить четыре проводника в одну точку?

   ГОСТ запрещает точки на схемахЕсли точка потеряется при печати или копировании, соединение превратится в пересечениеСАПР не умеет такое соединять

🎯Практическое задание~30 мин

Перерисуй рис. 3.1а от руки на листе в клетку, не глядя на оригинал больше трёх раз. Потом сравни: все ли точки соединения на месте, не превратилось ли какое-то пересечение в соединение? Подпиши все цепи метками: 12V, GND, B1 (база Q1), K1 (коллектор Q1), B2, K2. Эта схема будет главным героем уроков 3.8, 3.9 и всего модуля 7.