ARES |
ARES
es la herramienta de Proteus dedicada exclusivamente para el diseño de
placas de circuito impreso (PCB). Está plenamente integrada con la
herramienta ISIS.
Una vez diseñado el esquema electrónico en ISIS se genera automáticamente la lista de redes (NETLIST). ARES es capaz de recibir esta lista de redes para diseñar, a partir de ella, nuestra placa de circuito impreso. De esta forma nos aseguramos de que la placa tendrá unidos entre sí los pines de forma idéntica a como los hemos definido en nuestro esquema electrónico.
Cualquier modificación que realicemos en nuestro esquema, podrá ser reenviado desde ISIS a ARES, donde aparecerán resaltados los cambios que se hayan producido. De esta forma la modificación y rediseño de nuestra placa se realizará de forma mucho más simple y segura.
ARES se suministra con una extensa y completa librería que incluye los formatos de encapsulado de la mayoría de los componentes convencionales, como circuitos integrados, transistores, diodos, resistencias, etc. La información del encapsulado incluye, como es lógico, la huella (footprint) del componente.
Además incorpora herramientas para la creación directa de las huellas de nuevos componentes que no se incluyan en las librerías estándar suministradas. Estas herramientas soportan las facilidades habituales de dibujo en las herramientas avanzadas de diseño 2D. En el apartado 3 del LM3886 se explica cómo llevarlo a cabo.
1. Ventana principal
Al ejecutar el módulo ARES se visualizará su ventana principal. En la parte superior de la pantalla se encuentra la barra de menús. El área más grande de la pantalla recibe el nombre de "Ventana de Trabajo" y es la zona donde se llevará a cabo el trabajo con la PCB. El área más pequeña, situada en la zona superior izquierda se llama "Ventana de edición". En ella se puede ver, a una escala reducida, el dibujo completo independientemente de la sección que se esté visualizando en la ventana de trabajo en ese momento. Como excepción, cuando un objeto es seleccionado en la ventana "Selector de Objetos", la ventana de edición se utiliza para presentar una vista del objeto seleccionado.
En la zona inferior de la ventana está situada la barra de control.
Es muy diferente a la utilizada en ISIS y, básicamente, está dividida en cuatro
secciones: Selector de caras (Layer Selector), Selector de filtros (Selection
Filter), Barra de estado (Status Bar) y el Test de errores y las
coordenadas de la posición del ratón (DRC Status & Mouse Coordinates).
- El selector de capas. Es un control de tipo caja desplegable y con ella es posible seleccionar la capa sobre la que se quiere trabajar en ese momento. Al desplegarlo queda lo siguiente:
"Top
Copper" y "Bottom Copper" son las capas superior e inferior de la
placa, mientras que todas las "Inner * " serían las capas interiores.
Estas últimas no siempre se utilizan a no ser que nuestra PCB tenga más de una
capa.
"Top Silk" y "Bottom Silk" hace referencia a las capas superior e inferior de la serigrafía de los componentes.
"Top Resist" y "Bottom Resist" son las capas superior e inferior de la máscara de soldadura de los componentes situados sobre la placa.
"Top Mask" y "Bottom Mask" sirve para seleccionar las capas superior e inferior de la pasta de soldadura para componentes SMD. Estos componentes, que se conocen como dispositivos de montaje superficial, no necesitan de taladrado para soldarlos sobre la placa.
"Mech * " son las utilizadas para especificar donde se van a producir los cortes y ranuras de la PCB.
"Keepout" se emplea para seleccionar áreas reservadas dentro de nuestra PCB. Así el "auto-router" no podrá trazar pistas por dichas zonas.
"Board Edge" es la empleada para trazar los bordes de la placa.
- El selector de filtros. Es un conjunto de casillas de selección. Con él es posible configurar las capas y el tipo de objetos que serán seleccionables cuando se pulse sobre ellos con el ratón.
El botón situado más a la izquierda nos ayuda a seleccionar el comportamiento de las capas. Si seleccionamos el modo apagado podremos seleccionar los objetos situados en cualquiera de las capas.
Si, por el contrario, seleccionamos el modo encendido sólo podremos seleccionar los objetos situados en la capa activa (la seleccionada en el selecctor de capas).
El resto de los botones disponibles representan los diferentes tipos de objetos disponibles en ARES (pistas, componentes, vías, gráficos, etc.). Con ellos podemos determinar qué familia de objetos es posible seleccionar y cuáles no. En caso de duda, colocando el cursor del ratón sobre cada uno de los botones aparecerá un rótulo para ayudarnos a identificar el tipo de objetos al que hace referencia.
- La barra de estado. Sirve para ir visualizando textos de ayuda referentes al objeto que se encuentra bajo el cursor de ratón. Se puede destacar lo especialmente útil que puede resultar cuando situamos el cursor sobre la huella (pad) de un componente, porque podremos observar en dicha zona toda la información relativa a dicho objeto, incluida la red a la que pertenece.
- El test de errores. Es donde se indicarán los avisos si el actual diseño viola alguna de las reglas o si todo es correcto. Estos avisos se producen en tiempo real mientras se trabaja con la PCB.
Si pulsamos con el botón izquierdo del ratón sobre este área, se abrirá la ventana de diálogo donde aparece una lista en detalle con todas las reglas que se están incumpliendo.
- El visor de las coordenadas de la posición del ratón. No refleja exactamente la posición del puntero, sino la posición del nodo más cercano de la rejilla, donde se forzaría el anclaje de un objeto si se pulsara con el ratón en ese punto.
Estas
coordenadas X/Y están con respecto al punto de origen que está situado en el
centro de la “Ventana de Trabajo”.
Por
defecto, como unidad de medida, trabajaremos en pulgadas. En caso de que
quisiéramos trabajar en milímetros tendremos que pinchar sobre el icono “Select
Metric/Imperial Coordinates”
, situado en la barra
de herramientas “Comandos de Visualización”.
El forzado (snap) es una técnica habitual en las herramientas de diseño
gráfico y es una ayuda para el dibujo rápida y precisa. Una rejilla es un
conjunto de puntos espaciados uniformemente y visibles que sirven como
referencia visual de distancias. La funcionalidad del forzado crea un conjunto
de puntos con “imán” separados uniformemente e invisibles que permiten el
movimiento del cursor en incrementos uniformes.
La selección del tamaño de separación entre imán e imán del forzado se selecciona desde el menú “View”, tal y como se muestra en la figura.
La rejilla puede ser ocultada o visualizada pulsando sobre la tecla “G” o mediante la opción “Toggle Grid” del menú “View”. Con sucesivas pulsaciones se vería una rejilla de puntos, una rejilla con cuadrículas y puntos o desaparecería la rejilla.
2. Diseño de la placa de circuito impreso
2.1. Bordes de la placa
Antes de comenzar a colocar componentes en la placa de circuito impreso tenemos que definir la forma y el tamaño de la placa que vamos a utilizar.
Como ejemplo vamos a emplear una PCB sencilla de forma rectangular de 70mm por 50mm.
Para trabajar en milímetros en vez de en milésimas de pulgada sólo hay que usar la opción “Metric” del menú “View” y comprobando en la barra de estado las unidades de las coordenadas.
El trazado del borde de la placa lo llevaremos a cabo mediante las herramientas de diseño
gráfico “2D Graphics” y seleccionando la opción del cuadrado “2D
Graphics Box”.
Con el selector de caras “Layer Selector” seleccionamos la opción “Board Edge”, como capa sobre la que se desea trabajar.
Una vez realizados estos dos pasos previos nos
situamos
en la “Ventana de Trabajo” y movemos el cursor hasta el lugar donde se
desea colocar el primer vértice de la placa. Una vez situado ahí y, sin mover el
ratón, utilizamos el atajo del teclado "O" para fijar el centro del sistema de
coordenadas relativas en el punto donde donde se encuentra el cursor. Ahora en
ese punto las coordenadas serán [0.000, 0.000].
A continuación, desde ese punto, pulsamos con el botón izquierdo del ratón para comenzar el dibujo del rectángulo. Cuando en la ventana de coordenadas se vea que dicho rectángulo mide lo esperado, [+70.000, +50.000], hay que detener el ratón y pulsar de nuevo el botón izquierdo de este.
Terminaremos con este paso volviendo a fijar el sistema de coordenadas absolutas utilizando el atajo del teclado "O". El color de las cifras en la ventana de coordenadas volverá a ser negro para indicarnos que hemos pasado del sistema de coordenadas relativo al absoluto.
Es habitual querer tener como origen de coordenadas uno de los vértices de la placa, generalmente el inferior izquierdo, para que de esta forma nos sirva de referencia para la colocación del resto de componentes, para fijar con exactitud los agujeros de anclaje, etc.
Para ello debemos seleccionar la herramienta "Set Output Origin" situado en la pestaña "Output" y desplazar el cursor del ratón hasta el punto que deseamos fijar como origen de coordenadas y pulsar con el botón izquierdo sobre dicho punto.
2.2. Agujeros para anclajes
Antes de colocar los diferentes
componentes sobre nuestra PCB, es conveniente que coloquemos los agujeros para
anclarla y sujetarla. Como ejemplo vamos a utilizar agujeros circulares de 3mm
de diámetro con un anillo de pista de cobre a su alrededor de 0.18 pulgadas. De
esta forma podemos sujetar nuestra PCB utilizando los soportes estandarizados
para PCB y de muy amplio uso, conocidos como "mini-locking PCB supports".
Para llevarlo a cabo utilizaremos la herramienta "Round Through-hole Pad Mode" situada en la barra de herramientas "PAD placement". Al hacerlo, en el selector de objetos podemos encontrar una amplia lista de tipos de agujeros pasantes estandarizados. La nomenclatura utilizada por ARES nos ayuda a identificar rápidamente cada uno de los tipos disponibles:
<forma> - <diámetro exterior> - <diámetro agujero>
El agujero pasante que nosotros
necesitamos no aparece entre el conjunto suministrado con Proteus. Así que
tendremos que crearlo manualmente.
Para ello seleccionamos la herramienta "New Pad Style" desde el menú "Library".
Nos aparecerá entonces una ventana emergente donde debemos indicar el nombre, C-180-M3 en nuestro caso, y el tipo de forma, que será circular. En el nombre ponemos la M delante del 3 para indicar que es en milímetros, sino se considera que son milésimas de pulgada. Pulsamos en "OK" y nos aparecerá la siguiente ventana:
Es el momento de definir las medidas de nuestro agujero. En nuestro caso, el diámetro exterior de la corona de cobre (Diameter) debe ser de "0,18in", la marca para hacer el taladro (Drill Mark) de "30th", el agujero a taladrar (Drill Hole) de "3mm" y el círculo de aislante para rodear la corona de cobre (Guard Gap) será de "20th".
Si queremos que nuestro nuevo modelo se quede almacenado en la librería seleccionamos la opción "Update Defaults" y para finalizar pulsamos "OK".
Ahora solo tenemos que seleccionar el nuevo agujero pasante creado y situarlo en las esquinas de nuestra PCB, tal y como se muestra a continuación:
2.3.
Posicionamiento de los componentes dentro de la placa
A la hora
de situar los componentes dentro de la placa tendremos dos posibilidades:
realizarlo de forma manual o de forma automática.
- Posicionamiento manual
Si queremos situar los componentes donde queramos dentro de la placa lo realizaremos de forma manual.
De la barra de herramientas “Placing & Routing” seleccionamos el icono “Component Placement and Editing” y en el selector de objetos ya nos aparecerán los componentes de diseño que hemos insertado en ISIS.
A continuación procedemos a situar los componentes dentro de la placa. Para ello, tras seleccionar el componente que se desee, posicionamos el ratón sobre la ventana de trabajo y pulsamos el botón izquierdo. El elemento que se hubiera seleccionado se insertará en la placa. Realizaremos esta acción hasta que se hayan incluido, en el lugar que se considere oportuno, cada uno de los elementos del esquema electrónico.
Los componentes colocados en la placa se pueden mover, cortar, copiar, etc. con los Comandos de Edición (“Editing Commands”), para un conjunto de componentes, y con las Herramientas de Rotación y Reflexión (“Rotation & Reflection”), para un solo componente. Seleccionamos el ó los componentes con el botón derecho del ratón y posteriormente seleccionamos la herramienta que queramos utilizar.
En la siguiente figura se muestra el resultado de colocar los componentes de forma manual.
Se puede observar que hay líneas amarillas uniendo los pines de los componentes, los cuales son los trazos de unión (ratsnest). El objetivo de estos trazos no es representar las pistas de cobre finales, sino indicar que pines deben unirse entre sí.
Podemos ver también que cada componente tiene una flecha amarilla, denominadas como vectores de fuerza. Estos vectores nos indican la dirección hacia donde debería desplazarse el componente para obtener los trazos de unión del menor tamaño y, por lo tanto, también las pistas de menor longitud.
Con estas dos herramientas la tarea de colocar los diferentes componentes se simplifica considerablemente, al disponerse de la información visual de los trazos de unión y vectores de fuerza.
- Posicionamiento automático
ARES cuenta con poderosas herramientas para el posicionamiento automático de componentes. Con ellas es posible diseñar de forma completa una placa de circuito impreso con el mínimo esfuerzo por parte del diseñador.
También se contempla como alternativa, la posibilidad de realizar una pre-colocación de los componentes considerados críticos y dejar que ARES realice el resto del trabajo.
Para poder utilizar esta herramienta es necesario que previamente se hayan dibujado los bordes de la placa.
Para iniciar el auto-posicionador seleccionaremos el icono “Auto-placer”, situado en la pestaña “Tools”.
Se nos abrirá entonces el menú contextual de la siguiente figura. Marcamos las reglas de diseño y seleccionamos los componentes que queremos colocar de forma automática.
Si hay algún componente que queramos colocar de forma manual simplemente lo dejaremos sin seleccionar.
En el
siguiente enlace se explica con detenimiento cada uno de las opciones que
presenta la herramienta "Auto-Placer", ya que su configuración, en
principio, nos puede resultar complicada.
Auto-Placer.
A continuación se muestra el resultado de colocar los componentes de forma automática.
Si una vez situados los componentes queremos recolocar alguno de ellos, simplemente lo seleccionamos y lo movemos donde creamos oportuno.
2.4. Reglas del diseño y clases de redes
Ahora que ya se dispone de una PCB con todos los componentes colocados en ella, es el momento de configurar ARES para informarle de las peculiaridades del actual diseño, las limitaciones que se desean aplicar y las consideraciones a tener en cuenta desde el punto de vista eléctrico (por ejemplo la separación mínima entre pistas o la distancia debajo de la cual no deben colocarse los componentes respecto al borde de la placa).
Se puede llevar a cabo esta tarea seleccionando la herramienta “Design Rule Manager”, situada en la pestaña “Technology”.
- Reglas del diseño
En la primera pestaña de la ventana de diálogo (“Design Rules”) es posible configurar las restricciones y las distancias mínimas del actual diseño. Por defecto aparece un conjunto de condiciones almacenadas con el nombre de “DEFAULT”, que va a ser el utilizado para todas las capas y todas las redes definidas en dicho diseño.
La primera tarea consiste en decidir si cada una de las reglas sirve para todas las capas y para todas las pistas del actual diseño. Es posible crear tantas nuevas reglas como se crea oportuno y se puede limitar su aplicación a una determinada capa o a un conjunto concreto de pistas.
Lo más característico de esta ventana es definir las distancias entre huellas (Pad) y pistas (Trace) y las distancias entre gráficos (Graphics) y con el borde de la placa (Edge/Slot).
Puesto que no es necesario establecer ninguna regla adicional más, podemos desplazarnos a la siguiente pestaña de la ventana de diálogo “Net Classes” para estudiar los parámetros que figuran en ella.
- Clases de redes
Este es el lugar donde se configuran las pistas y las vías que se van a utilizar en el diseño. También se controla desde aquí qué capas servirán para trazar pistas por ella cuando se utilice el auto-trazador de pistas.
En esta ventana es donde podemos definir las estrategias para los distintos tipos de pistas y vías que vamos a utilizar en nuestro diseño. También controlamos desde aquí que capas servirán para trazar pistas por ella cuando utilicemos la herramienta de auto-rutado. El cuadro de selección "Net Class" nos permite seleccionar las reglas que se aplicarán para cada tipo de red distinto (POWER y SIGNAL en nuestro caso) y configurar cada una de ellas de forma independiente.
El rutado, del que hablaremos en el siguiente apartado, lo podemos realizar tanto en una sola cara como en 8, así por ejemplo si queremos que sea de 4 caras realizaremos lo siguiente:
1. En la primera capa (Pair 1) seleccionamos las caras donde se grabarán las pistas. (Hoz)→"Top Copper" y (Vert)→"Inner 1".
2. En la segunda capa (Pair 2) hacemos lo mismo. (Hoz)→"Inner 2" y (Vert)→"Bottom Copper".
En el apartado 3 de Circuitos Impresos se explica como es una placa multicapa.
- Áreas reservadas
ARES nos permite introducir reglas restrictivas para obligar al auto-rutado a no trazar pistas por determinadas áreas de nuestra PCB.
El primer paso del procedimiento que hay que seguir para hacerlo, consiste en seleccionar la herramienta "2D graphics" situada en la barra lateral seleccionando como capa activa en el selector de capas la denominada "keepout".
A continuación, trazamos un rectángulo por donde no queremos que se trace ningún tipo de pistas.
Al trazar el rectángulo, lo más seguro es que nos aparezca una ventana de diálogo indicándonos que una o más reglas de diseño han sido violentadas con esta operación.
En la barra de estado en el comprobador de las reglas de diseño, podemos observar que tenemos un aviso indicándonos que hay errores. Si pulsamos con el botón izquierdo del ratón sobre esta zona, nos aparecerá una ventana con información detallada sobre la naturaleza de los errores.
En este caso el error nos alerta de que la separación entre las huellas (pad) y el borde del gráfico (edge) es de 4,43th, distancia por debajo de los 15,00th que estaban fijados en las reglas de diseño.
Para solucionarlo la mejor opción es mover el área reservada lo justo para evitar dichos errores, aunque se podría dejar sin solucionar ya que no tendrá repercusión en la conectividad entre pistas.
En caso de querer ignorar dichos errores pulsaremos con el botón izquierdo del ratón sobre el área del comprobador de las reglas del diseño de la barra de estado para abrir la ventana de diálogo con la descripción de los errores. Pulsamos con el botón derecho del ratón sobre cada una de las líneas de error y en el menú contextual que aparece seleccionaremos la opción "ignore this error".
2.5. Rutado de las pistas
Con los componentes ya situados en su posición y configuradas las reglas del diseño ya podemos llevar a cabo el rutado de las pistas. Para ello se dispone dos opciones: de forma manual o de forma automática.
- Rutado manual
Normalmente se utiliza esta opción cuando se quiere que una pista siga un determinado trazado en concreto.
Para realizar el rutado manual utilizaremos las Herramientas de Posicionamiento y Rutado (“Placing & Routing”).
Con la herramienta “Track Placement and Editing” podemos comenzar a trazar las pistas y mediante el “Layer Selector” elegimos la capa en la que deseamos dibujarlas.
A continuación se sitúa el cursor del ratón en la ventana de trabajo y se dibuja
la pista de una patilla a otra siguiendo los trazos de unión. Para ello sólo hay
que pulsar con el botón izquierdo del ratón sobre la primera patilla y, para
finalizar el trazo, volver a pulsarlo sobre la segunda patilla.
Se recomienda utilizar la misma anchura de pista para todo el diseño, salvo en casos especiales como puede ser las pistas de elementos de potencia, o pistas que debido a su trazado han de ser distintas al resto.
Para
adquirir buenas costumbres en el rutado manual de pistas, se recomienda no
realizar ángulos de 90º, así como mantener una relación en los mismos, de forma
que toda la placa tenga los mismos ángulos y no que cada pista realice los
suyos.
Si estamos trazando pistas en una capa, por ejemplo en la “Bottom Copper”, y queremos usar un puente para unir dos patillas debemos hacer lo siguiente:
Comenzamos a trazar la pista de una patilla a otra y cuando queramos cambiar de capa pulsamos dos veces con el botón izquierdo del ratón, nos aparece entonces una vía y las pistas pasan trazarse en la capa “Top Copper”. Seguimos dibujando la pista y cuando queramos volver a la capa anterior pulsamos dos veces otra vez con el botón izquierdo, apareciendo otra vía y situándonos de nuevo en la capa “Bottom Coopper”.
Otra
forma de llevarlo a cabo es seleccionar la herramienta “Via Placement and
Editing” e indicar la capa en la que queremos trabajar en cada momento.
En caso de que queramos cambiar la forma o el tamaño de los PAD de un determinado componente podemos emplear las herramientas de emplazamientos de PAD “Pad Placement”.
Seleccionamos el tipo de PAD que queremos utilizar y su tamaño y procedemos a realizar el cambio.
Simplemente tenemos que pinchar con el botón izquierdo del ratón sobre el PAD del componente que queramos cambiar y automáticamente se sustituirá uno por otro.
A continuación se muestra el cambio de los PAD de una resistencia, tanto de su tamaño como de su forma.
Una vez que se ha dibujado una pista es posible que se quiera modificar su trazado. Para ello se pulsa sobre dicha pista con el botón derecho del ratón y se selecciona la opción “Drag Route(s)”, para desplazar la pista hacia donde se desee; o la opción “Modify Route”, para cambiar una parte del trazado.
También es posible querer cambiar la capa en la que se ha trazado la pista, su anchura o el diámetro de las vías. Para ello, igual que en el caso anterior, se pulsa con el botón derecho del ratón y se selecciona la opción deseada: “Change Layer”, “Change Trace Style” o “Change Via Style”.
- Rutado automático
ARES
incorpora un avanzado trazador automático de pistas basado en rejilla. Su
potencia, rapidez y flexibilidad permite generar todas las rutas de nuestra
placa de circuito impreso con pistas de cualquier grosor, utilizando vías de
cualquier ancho, a 90 o 45 grados y gestionando desde una a ocho capas.
Igual que pasaba con el trazado manual de pistas, el auto-rutado va a cumplir escrupulosamente con todas las reglas del diseño que se hayan configurado previamente.
Para ejecutar el auto-rutado hay que seleccionar la herramienta “Auto-router” del menú “Tools”, tal y como se muestra en la imagen de la derecha.
Se abrirá entonces el siguiente menú contextual en el que podemos indicar algunas características del auto-rutado. Esta ventana a simple vista parece razonablemente complicada, pero para la mayoría de los diseños que podamos realizar en el futuro, las opciones ofrecidas por defecto son adecuadas y nos proporcionarán unos resultados satisfactorios.
Si queremos evitar que las pistas formen ángulos rectos sólo tenemos que poner "Yes" en la pestaña de "Recorner Pass".
En el
siguiente enlace se explica con detenimiento cada uno de las opciones que
presenta la herramienta "Auto-Router", ya que su configuración,
como hemos dicho anteriormente, nos puede resultar complicada.
Auto-Router.
Una vez que tenemos todas las características ajustadas pulsamos en el botón “Begin Routing” y el programa comenzará a trazar las pistas. A continuación se muestra un diseño en el que hemos utilizado el auto-rutado por dos caras.
2.6. Planos de masa y/o alimentación
Una vez que hemos realizado el rutado de la placa, si queremos que una determinada zona de una cara sea un plano de masa o alimentación seguiremos el proceso descrito a continuación.
En primer
lugar seleccionamos la herramienta “Zone Mode”
y en el selector
de capas elegimos la capa en la que queremos situar el plano. Entonces, con el
ratón nos situamos en la “Ventana de Trabajo” y dibujamos la zona que queremos de
cobre.
Aparece un menú contextual, mostrado en la siguiente figura
y donde definimos las características de nuestra superficie de disipación.
Si queremos poner un plano de masa elegiremos la opción "GND=POWER" dentro de la pestaña "Net:" y si lo que queremos es un plano de alimentación elegiremos la opción "VCC/VDD=POWER".
Es
recomendable dejar una separación entre el plano y las pistas (“Clearance”) de
al menos 15th para no tener problemas con las conexiones.
Tenemos la posibilidad también de que ARES nos genere la superficie de
disipación automáticamente, sin tener que dibujarla a mano.
Para ello seleccionamos la herramienta "Power Plane Generator", que lo
encontramos en la pestaña "Tools".
Nos aparece entonces la siguiente ventana, donde indicamos si queremos un plano de masa o de alimentación, la capa en la que queremos situarlo, el estilo de los límites de la superficie y la separación con respecto a los bordes de la placa.
Al pulsar
"OK" se generará nuestra superficie de disipación en la capa que hayamos
seleccionado. Para definir las características de dicha superficie sólo tenemos
que seleccionarla y pulsar sobre ella.
A continuación se muestra una placa en la que usamos un plano de masa situado en la cara "Top Copper". El rutado de las pistas lo hemos llevado a cabo en la cara "Bottom Copper".