مجموعه آموزش تحلیل و طراحی مدار الکتریکی

نرم افزار پروتئوس یک نرم‌ افزار جامع برای شبیه سازی مدارات الکترونیکی محسوب می شود. این نرم افزار به دلیل داشتن یک محیط کاملا گرافیکی، یک نرم افزار ساده و در عین حال قدرتمند می باشد. دانشجویان رشته مهندسی برق و حتی رشته های مهندسی رباتیک و مهندسی کامپیوتر گرایش سخت افزار باید حداقل در یک نرم افزار شبیه سازی مدارات الکترونیکی کاملا مسلط باشند و یکی از راحت ترین و مناسب ترین نرم افزارهای شبیه سازی، نرم افزار پروتئوس است. این نرم افزار قادر به شبیه سازی مدارات مبتنی بر میکروکنترلرها و میکروپروسسورها نیز است. در نرم افزار پروتئوس امکان ترسیم PCB مدار طراحی شده نیز به راحتی وجود دارد.

امروزه می توان اهمیت مدارهای چاپی را هم تراز با برق دانست چرا که تقریبا در تمامی وسایل برقی تولیدی امروزه، از بردهای مدار چاپی برای برقراری اتصال بین ادوات الکتریکی استفاده می گردد. استفاده از بردهای مدار چاپی سبب افزایش سرعت و دقت و آسانی در مونتاژ، کاهش نویز، جلوگیری از اشتباهات انسانی و بسیاری مزایای دیگر می گردد. این موارد سبب شده نه تنها در تولیدات با تیراژ بالا بلکه در محصولات نمونه نیز از مدارات چاپی استفاده گردد. بنابراین صرف نظر از اینکه در چه زمینه ای از برق و یا سخت افزار فعالیت داشته باشیم، یادگیری این موضوع یک نیاز خواهد بود که دیر یا زود به آن دچار خواهیم شد. نرم افزار آلتیوم دیزاینر یکی مشهورترین و قدرتمند نرم افزار طراحی مدارات چاپی است و به خصوص در ایران، اغلب شرکت های چاپ برد تنها خروجی های این نرم افزار را می پذیرند. به همین دلیل یادگیری این نرم افزار به تمامی کسانی که در هر زمینه ای از رشته ی برق و سخت افزار، چه به صورت دانشگاهی و چه تجربی فعالیت دارند، توصیه می گردد.

در طول این فرادرس شما یاد می گیرید چگونه با نرم افزار Altium Designer کار کنید. Altium Designer یک نرم افزار قوی و حرفه ای است که برای طراحی انواع بردهای الکترونیک، از بردهای ساده گرفته تا مادربردهای (Motherboards) کامپیوتری و سرورها از آن استفاده می شود. Altium Designer یکی از پر استفاده ترین نرم افزارها برای طراحی بردهای الکترونیکی است. یادگیری این نرم افزار برای کسانی که می خواهند در زمینه الکترونیک مشغول به کار شوند ضروری است. اگر شما در الکترونیک مبتدی هستید و تا به حال از نرم افزار Altium Designer استفاده نکرده اید، با انجام دادن مراحل آموزش، قادر خواهید بود برد خود را طراحی کنید.

منبع تغذیه نقش بسیار مهمی را در سیستم های الکتریکی ایفا می کند. منبع تغذیه را می توان به عنوان مادری برای سیستم تصور نمود که از طریق فراهم آوردن تغذیه پایدار و مداوم به آن جان می بخشد. در این سیستم ها منابع تغذیه به منظور فراهم آوردن ولتاژ مستقیم از ولتاژ متناوب به کار برده می شود. در این آموزش سعی شده است به صورت مفید و کاربردی، مباحث تئوری همراه با شبیه سازی در نرم افزارهای متلب (MATLAB) و PSIM ارائه شود و سرانجام با حل مثال هایی از پروسه طراحی مبدل و بررسی نقشه های فنی، دو مبدل سوئیچینگ در نرم افزار آلتیوم (Altium) طراحی و پیاده سازی می گردد.

در این فرادرس ابتدا مقدمه ای پیرامون طراحی سیستم های دیجیتال و انواع PLD ها از جمله FPGA و CPLD ارائه خواهیم نمود تا آشنایی لازم در این موضوعات کسب شود و سپس برنامه نویسی با VHDL به منظور طراحی، شبیه سازی، مدل سازی و پیاده سازی سیستم های دیجیتال و همچنین کار با بخش های مرتبط در نرم افزار Xilinx ISE و تا حدی ModelSim آموزش داده خواهد شد.

در این آموزش سعی شده که تحلیل و طراحی مقدماتی به وسیله نرم افزار ADS آموخته شود و برای کسانی که در زمینه RF قصد شبیه سازی دارند، این آموزش پیشنهاد می شود تا مقدمه ای از این نرم افزار را فرا بگیرند. اهمیت این فرادرس در این است که با توجه به عدم وجود چنین آموزش هایی در وزارت علوم و عدم تدریس آن، می توان توسط این نرم افزار خلا بین تحلیل نظری و پیاده سازی در عمل را پر کرده و با اطمینان بالا مدار را در عمل پیاده سازی کرد. در واقع این نرم افزار از دیگر نرم افزارهایی که به صورت شماتیک شبیه سازی را انجام می دهند، به خصوص در فرکانس های بالا، بسیار دقیق تر است.

ساخت و بررسی مدارهای الکترونیکی به صورت عملی زمان بر، هزینه بر و طاقت فرسا است. از این رو نرم افزارهای شبیه سازی کامپیوتری برای شبیه سازی مدارها طراحی شدند. در واقع فاصله بین تحلیل نظری مدار تا ساخت عملی آن را شبیه سازی پر می کند. یکی از معروف ترین نرم افزارها در این حوزه، نرم افزار PSpice است که برای شبیه سازی مدارها در فرکانس های میانی بسیار مناسب می باشد. این نرم افزار با استفاده از امکاناتی که دارد شبیه سازی ها را به گونه ای انجام می دهد که اختلاف ناچیزی با واقعیت دارد و در صورت پیاده سازی عملی به جواب یکسانی با شبیه سازی خواهید رسید.

امروزه مدل سازی و شبیه سازی کامپیوتری جزئی جدایی ناپذیر از تمامی علوم و فنون گشته است. طراحی مدارات الکتریکی نیز از این قاعده مستثنا نیستند. شبیه سازی مدارات الکتریکی علاوه بر کاهش چشمگیر هزینه و زمان تست و آزمون، این امکان را در اختیار ما قرار می دهد که بتوانیم رفتار بخش هایی از مدار را رصد کنیم که در عمل نیازمند تجهیزات گران قیمت بوده و حتی بعضا غیر ممکن هستند. بهینه سازی پارامترها در مدارهای غیرخطی و پیچیده یکی دیگر از مسائلی است که یکی از بهترین راه حل های آن استفاده از شبیه سازی است. در این آموزش به قابلیت های ویژه و منحصر به فردی که نرم افزار OrCAD Capture جهت شبیه سازی مدارات الکتریکی در اختیار ما قرار می دهد خواهیم پرداخت.

ADS نرم افزاری کامل و پیشرفته است که قابلیت طراحی و تحلیل انواع سیستم های الکترونیکی را دارد. در این فرادرس سعی شده است که در ادامه آموزش مقدماتی این نرم افزار، به صورت پیشرفته نرم افزار ADS توضیح داده شود و بتوان پارامترهای مهم در حوزه RF را به وسیله این نرم افزار به دست آورد. این آموزش شامل ۲ درس است. در درس اول، توضیحی مختصر در مورد پارامترهای مهم در فرکانس بالا داده شده است. در درس دوم نیز مثال هایی از مدارهای فرکانس بالا آورده شده است و به وسیله نرم افزار، پارامترهای آن را به دست آمده است.

در چند دهه گذشته، فناوری CMOS به سرعت حوزه مدارهای مجتمع آنالوگ را دربر گرفته است و راه کارهای ارزان و کارایی بالایی را عرضه و بازار را تسخیر کرده است. امروزه فرایندهای CMOS به صورت یک انتخاب موفق برای مجتمع سازی سیستم های پیچیده سیگنال مرکب (دیجیتال- آنالوگ) در آمده است. با کوچک شدن طول کانال ترانزیستور تا چند نانومتر، فناوری CMOS احتمالا تا دو دهه دیگر نیز در خدمت طراحی مدار خواهد بود. طراحی مدارهای آنالوگ نیز همگام با فناوری رشد کرده است. بسیاری از مباحث مطرح شده در این فرادرس به نحوی در نظر گرفته شده است که برای دانشجویان مقطع کارشناسی برق سال آخر و دانشجویان سال اول کارشناسی ارشد الکترونیک و عموم علاقه مندان مفید باشد.

در این فرادرس، دانشجویان عزیز، با مباحث مختلف طراحی دیجیتال با استفاده از وریلوگ آشنا می شوند. ابتدا ساختار کلی یک برنامه Verilog برای طراحی یک ماژول یا مدار شرح داده شده و سپس با بیان مثال ­ها و انواع روش­ های طراحی تا سطحی متوسط از آموزش این زبان توصیف سخت افزاری پیش رفته است.

در این آموزش می خواهیم دانشجویان و علاقه مندان به مبحث معماری کامپیوتر را با طراحی واحد محاسبه و منطق ‎ nبیتی آشنا کنیم. آشنایی دانشجویان با مدارات در محیط شبیه سازی و مشاهده عملی نتایج، موضوع بسیار مهمی در پیشبرد اهداف درس معماری کامپیوتر خواهد داشت.

امروزه FPGA ها کاربرد وسیعی در صنایع مختلف پیدا کرده اند. یکی از دلایل این کاربرد، قابلیت پردازش موازی آن ها است. به جرات می توان گفت داشتن مهارت کار با این IC ها می تواند یکی از فاکتورهای مهم در جذب به بازار کار باشد. لذا یادگیری این نرم افزار از اهمیت خاصی برخوردار است. این آموزش جامع بوده و در کوتاه ترین زمان، نرم افزار و همچنین پروژه های بسیار کاربردی را به شما آموزش می دهد. برای علاقه مندان به طراحی مدارات دیجیتال مشاهده این آموزش توصیه می گردد.

اگر بتوان نرم افزاری را به عنوان یکی از بهترین و معتبرترین نرم افزارهای حال حاضر در زمینه طراحی مدارات مجتمع عنوان کرد، بدون شک Cadence IC Design از گزینه های اصلی خواهد بود. این نرم افزار، ارتباط مستقیم با صنعت دارد و با پوشش محیط شماتیک و جانمایی، پیچیده ترین مدارات مجتمع را با سرعت و دقت بالا شبیه سازی می کند. به دلیل نیاز امروز محققان و دانشجویان مربوط به این گرایش به آموزش دقیق جانمایی در نرم افزار کیدنس با تکنولوژی های مختلف از شرکت های معتبر CSMC و TSMC پرداخته ایم و نحوه تحلیل DRC و Extract و همچنین مرحله نهایی LVS، بیان شده است و در ادامه با انتقال به محیط H-Spice، نتایج تحلیل شده و آماده گزارش خواهد بود که این مراحل از ضروریات اساسی در مراحل ساخت مدار مجتمع IC است.

این فرادرس، به آموزش نرم افزار قوی و کاربردی HSPICE می پردازد. با این نرم افزار می توان مدارهای آنالوگ را به طور کامل بررسی کرد. این آموزش کاربردی می تواند در بسیاری از دروس الکترونیک مخصوصا در دوره ارشد و سطوح بالاتر مفید باشد و بسیاری از پروژه های دروس الکترونیک آنالوگ را می توان با آن بررسی و ارزیابی کرد.

در تحلیل ریاضی مدارات الکترونیکی به صورت دستی امکان خطاهای متعدد وجود دارد و ممکن است این نوع مدارات در صورت پیاده سازی در عمل پاسخ صحیحی به ما ندهند. به همین دلیل ما نیازمند شبیه سازهایی می باشیم تا بتوانیم از تحلیل خود مطمئن شویم و خطاها را کاهش دهیم و بعد از مطمئن شدن آن را در عمل پیاده سازی کنیم. نرم افزار Capture یکی از نرم افزارهای قدرتمند در زمینه شبیه سازی است که می تواند این خلا را که در میان تحلیل دستی و پیاده سازی عملی وجود دارد را پر کند.

مدارات الکترونیک به گونه ای هستند که بین طراحی آن ها به صورت تئوری تا پیاده سازی آن ها فاصله زیادی است. در واقع اگر یک مهندس الکترونیک، مداری را بر روی کاغذ طراحی کند و بخواهد مستقیما این مدار را به صورت عملی پیاده سازی کند، احتمال اینکه مدار پاسخ صحیحی را بدهد، بسیار کم خواهد بود. به همین منظور برای اینکه طراح از بابت پاسخ صحیح مدار اطمینان حاصل کند، نیاز دارد تا توسط یک نرم افزار، مدار در محیطی شبیه سازی شود. برای اطمینان از نحوه عملکرد مدارات الکترونیکی، بهترین روش پس از طراحی، استفاده از نرم‌ افزارهای شبیه ‌سازی است. نرم افزارهای مختلفی جهت انجام این شبیه سازی طراحی شده اند. یکی از این نرم افزارها، AWR است. نرم افزار AWR، یک نرم افزار بسیار قوی برای انجام شبیه سازی های فرکانس پایین و بالا است. در این آموزش سعی می شود که یک معرفی کلی از این نرم افزار انجام شود و سپس با مثال های مختلف، کاربردهای مختلف این نرم افزار به دانشجویان عزیز آموخته شود.

در این فرادرس ما از لامپ ها و سنسورهای مادون قرمز صنعتی و مدرن شرکت Vishay که امتحان خود را در صنعت نیز پس داده اند، استفاده می کنیم و آن ها را با برنامه ریزی میکروکنترلرهای AVR مورد استفاده قرار می دهیم. پروژه ای که ما روی آن متمرکز می شویم، طراحی و پیاده سازی مدار الکترونیکی برای تشخیص حضور اشخاص و وجود اشیا در فاصله ۲ میلیمتری تا ۲ متری است. از پروژه هایی که در این مسافت استفاده می شود و نیز به وسیله خود شرکت Vishay هم معرفی شده اند، عبارتند از: چشمی درب های اتوماتیک، چشمی گیت های ورود و خروج، چشمی دزدگیرها، چشمی دست خشک کن ها، چشمی شیرهای آب خودکار، خطوط تولید کارخانه ها و چشمی چراغ های راه پله ها. علاوه بر این ها، با آموختن این آموزش قادر می شوید که پروژه های متعدد دیگری را نیز برای خود تعریف کنید و مدار مورد نظر را طراحی و پیاده سازی نمایید.

ایده ترانزیستورهای اثر میدانی − فلز − اکسید − سیلیکن در اوایل دهه ۱۹۳۰ و حتی قبل از اختراع ترانزیستور دوقطبی مطرح شد. اما به دلیل مشکل بودن فرایند ساخت، فناوری CMOS، بعدها عملی شد. اگرچه در اوایل دهه 1980، کارشناسان و مهندسان، مرگ مدارهای آنالوگ را پیش بینی کرده بودند اما با معرفی افزاره های مکمل CMOS، انقلابی در صنعت نیمه رسانا شکل گرفت، به طوری که در حال حاضر با پیدایش فناوری های زیر چند ده نانومتری، هسته اصلی طراحی مدارات داخلی، در طراحی های گیرنده − فرستنده، گیرنده های نوری، حسگرها، ریزپردازنده ها و حافظه ها را این تکنولوژی دربرگرفته است. این آموزش تا جای ممکن و به تفصیل، مباحث مدارات مجتمع آنالوگ را در سطح پیشرفته تر و کاربردی تر ادامه داده و دانشجو را برای خلق مدارات بهتر به لحاظ مواردی که در طراحی ها مهم هستند، آماده می کند.

طراحی منابع تغذیه خطی برای هر مداری ضروری است. توانایی تحلیل این مدارات به دانشجویان کمک می کند تا بتوانند بسته به نیاز خاص خودشان که توسط جریان، ولتاژ و یا توان، مشخص می شود یک منبع تغذیه طراحی کنند. بسیاری از علاقه مندان به الکترونیک و یا هر گرایش دیگری از برق پس از ساخت دستگاه، نیاز به تست مدار خود دارند، داشتن اطلاعات در مورد نحوه کارکرد یک منبع تغذیه برای آن ها ضروری است. از طرفی اگر منبع تغذیه درست عمل نکند یا مدار کار نمی کند و یا از بین می رود، لذا اطلاعات مناسب پیرامون منابع تغذیه از طرفی موجب صرفه جویی در وقت و هزینه می شود و از طرف دیگر قابلیت اطمینان هر دستگاهی را افزایش می دهد.

در این آموزش ابتدا به سیر تاریخی فناوری ساخت مدارهای مجتمع پرتراکم پیشرفته پرداخته می شود، سپس به پروسه ساخت ادوات نیمه هادی و انواع فناوری های ساخت مدارات مجتمع پرتراکم از قبیل: CMOS، ترانزیستورهای سه حالته، گیت های انتقال، مدارات شبه NMOS، منطق پویا و همچنین قواعد طراحی چینش، نمودار میله ای و… اشاره می شود. در ادامه، تحلیل و بهینه سازی تاخیر و توان مصرفی مورد بررسی قرار می گیرند. در انتها نیز مباحث اتصالات، زیرسیستم های VLSI و اجزای آرایه ای سیستم مجتمع، سبک ها و ابزارهای طراحی خودکار بحث می شوند. در حین آموزش در جاهایی که مورد نیاز است از مثال ها برای آشنایی و فهم بهتر مباحث استفاده می کنیم.

در درس یکم این آموزش کلیاتی از نرم افزار HSPICE گفته شده است. سپس در درس بعدی به معرفی این تحلیل‌ ها و نحوه تعریف آن‌ ها در HSPICE پرداخته شده است. همچنین در این فرادرس مثال‌ های متنوعی در زمینه‌ های مختلف، حل شده است.

در این فرادرس، علاوه بر آموزش استفاده از نرم افزار MAX+PLUS برای طراحی، پیاده سازی و تحلیل نتایج، شما با روش ها و مبانی طراحی مدارهای دیجیتال نیز آشنا خواهید شد و قادر خواهید بود با استفاده از آن سیستم هایی مانند: مدار کنترل آسانسور، سیستم کنترل تعداد افراد حاضر در اتاق، مدارهای محاسبه گر، فرکانس سنج و… را طراحی کنید.

هدف از این آموزش این است که شخص، قادر باشد یک مدار مجتمع را در سطح ترانزیستور طراحی کند. دانستن آن در ارائه بررسی صحت مدارهای پیشنهادی، مثلا در زمینه طراحی تمام جمع کننده، اهمیت و برای ارائه مقالات شبیه سازی مدار ضرورت دارد. اصول اولیه طراحی با L-Edit مخصوص دانشجویان رشته مهندسی کامپیوتر گرایش سخت افزار و مهندسی برق گرایش الکترونیک در مقطع کارشناسی است، همچنین در مقطع بالاتر در کارشناسی ارشد نیز توسط هر دو گرایش می تواند استفاده شود.

هدف این آموزش نحوه ساخت عملی و مونتاژ مدارهایی است که با نرم‌افزارهایی همچون Altium Designer طراحی شده‌اند که در نتیجه برای هنرجویان هنرستانی و دانشجویانی که نیاز به ساخت مدارهای طراحی شده توسط خود یا دیگران را دارند، این موضوع حائز اهمیت بسیار است تا بتوانند اقدام به بهره‌برداری عملی از طراحی‌ها نمایند. در این فرادرس، نحوه ساخت بردهای مدار چاپی به صورت عملی بیان شده است و نکاتی که ممکن است دانشجو در آن ابهام داشته باشد یا سازنده به علت ندانستن آن نتواند از عهده ساخت با کیفیت برد الکترونیکی (Printed Circuit Board) برآید، بیان شده و نشان داده شده است.

در این فرادرس، اکثر جزئیات و فرایندهایی که برای کار با نرم افزار ProfiCAD، لازم است از سطح مبتدی تا پیشرفته، بیان می شود. کار با این نرم افزار آسان است و دارای محیطی کاربرپسند می باشد و می تواند مورد توجه بسیاری از طراحان مدارات الکتریکی و الکترونیکی قرار گیرد. این برنامه دارای مجموعه ای بیش از 1000، Symbol یا نمادهای گرافیکی است که قابلیت نرم افزار را در ترسیم طرح ها و نقشه ها افزایش داده است و امکان ساخت هر نوع Symbol و بلوک را به عنوان استاندارد، دارا می باشد و از ارجاع متقابل بین سیم ها و Symbol ها پشتیبانی می کند.