Comprendre les Schémas : Un Guide de Conception

Chaque conception électronique est basée sur un diagramme schématique. Le diagramme schématique est le plan directeur qui montre comment les composants électroniques sont connectés pour créer un circuit. Les schémas servent de carte routière montrant comment le courant et les signaux circuleront de l'étage d'entrée à l'étage de sortie. Avant qu'un PCB (Printed Circuit Board - carte de circuit imprimé) ne soit effectivement fabriqué, nous concevons généralement un schéma. Lorsqu'il s'agit de la révision du circuit, le travail principal est effectué d'abord au niveau du schéma, puis le PCB est à nouveau modifié selon les spécifications. De plus, lorsqu'il s'agit de l'opération du circuit et du débogage, les diagrammes de circuits et les schémas jouent un rôle important.

Dans cet article, nous examinerons un schéma de travail qui combine : une alimentation, le traitement d'entrée, un processeur de signal numérique (DSP), un étage de sortie, un écran LCD et un contrôle via un microcontrôleur. Il s'agit d'un PCB entièrement testé et fabriqué, disponible à des fins éducatives. Comprendre chaque section du schéma vous donnera également un aperçu de la manière dont ce diagramme schématique fournit une orientation pour la conception du PCB.

Qu'est-ce qu'un diagramme schématique ?

Un schéma est une représentation symbolique d'un circuit électronique. Au lieu de montrer des formes physiques ou la manière dont les fils seront routés, le schéma utilise des symboles pour des composants tels que des résistances, des condensateurs, des circuits intégrés (CI) et des connecteurs. Un diagramme schématique est utilisé dans le routage des fils et la conception des cartes de circuits imprimés (PCB). Les lignes représentent des connexions électriques et sont importantes pour étiqueter les signaux, les tensions et les références de terre. Dans le processus de conception de PCB, l'étape schématique (première étape) définit la logique et la fonction de la conception sur la mise en page ou le routage.

Comprendre le diagramme schématique :

Le diagramme schématique présente un système de traitement de signal audio dans lequel les entrées stéréo analogiques ont été conditionnées, traitées via un DSP. De plus, un Arduino Nano est utilisé comme contrôleur. Les valeurs sont affichées sur un écran LCD et la sortie d'un signal audio stéréo pour amplification. Pour bien comprendre, nous pouvons passer en revue chaque section dans l'ordre. Discutons des sections du schéma une par une :

1. Section d'alimentation :

La section d'alimentation fournit des tensions d'alimentation propres et stables à tous les autres blocs. Dans cette section, il y a une prise DC qui fournit une alimentation stable de +12V au circuit. Une diode est utilisée pour la protection contre les inversions de polarité, et étant donné que l'exigence en courant est faible, nous utilisons le régulateur de tension intégré de l'Arduino. L'ensemble du montage est activé/désactivé avec un interrupteur à glissière.

2. Section d'entrée :

Le bloc d'entrée avec des résistances (R1, R2) et des condensateurs (C10, C11) traite les canaux audio gauche et droit entrants (LIN, RIN). LIN et RIN sont des étiquettes de réseau. Ces réseaux sont connectés au processeur de signal numérique sur la broche 11 et la broche 15. Les condensateurs sont utilisés à l'entrée pour éliminer le décalage DC, et les résistances sont utilisées pour équilibrer le niveau du signal et l'impédance. Cela prépare le signal pour un traitement propre dans l'étape DSP.

3. DSP (Processeur de signal numérique) :

Le CI PT2313 est un processeur de signal numérique à 28 broches utilisé pour gérer des tâches telles que le volume, les tonalités et le contrôle des canaux.

- Il communique avec le microcontrôleur via les lignes I2C (SCL, SDA).

- Il prend en entrée audio (LIN, RIN) et produit en sortie un audio traité (LOUT, ROUT).

- Les condensateurs (C8, C9, C2) gèrent le filtrage et la stabilité.C'est le cœur du système et le composant qui manipule numériquement le son.

4. Section de sortie :

Ici, les condensateurs (C1, C3, C5, C8) transmettent l'audio traité vers des amplificateurs externes ou des haut-parleurs. Ils bloquent les décalages DC et lissent le signal pour une reproduction sonore claire. Un bon routage des pistes lors de la conception du PCB minimise le couplage du bruit entre les canaux.

5. MCU et section de contrôle :

Un Arduino Nano (U1) gère le contrôle du système et la communication. Il interagit avec le DSP via les lignes I²C (SCL, SDA). Il lit les entrées provenant de boutons ou d'encodeurs et utilise les résistances de tirage vers le bas (R5, R6) pour une logique stable. Cette section garantit une interaction utilisateur réactive et fiable.

6. Section LCD :

L'écran LCD affiche les paramètres du système, le volume et la source d'entrée. Il se connecte au MCU via I²C, simplifiant ainsi le câblage. Les étiquettes de réseau SCL et SDA sont utilisées pour connecter un bloc à un autre sans besoin de câblage physique. Lors de la conception du PCB, les connecteurs LCD doivent être placés près du bord de la carte pour une meilleure visibilité et accessibilité.

Comment interpréter un diagramme schématique

Un schéma analyse comment le courant et les signaux circulent à travers un circuit, de l'alimentation à l'entrée, puis au traitement, et enfin à la sortie. Les schémas peuvent contenir plusieurs blocs de circuits, lus de gauche à droite ou de haut en bas. Les circuits ont souvent des motifs répétitifs. Voici un moyen rapide de le lire :

1. Section d'alimentation :

Commencez ici. Identifiez les sources de tension (VCC, +12V) et la masse (GND). Vérifiez les diodes et les condensateurs pour la protection et le filtrage.

2. Section d'entrée :

Recherchez les connecteurs étiquetés IN, LIN ou RIN. Les résistances et les condensateurs ici filtrent et préparent le signal pour l'étape suivante.

3. Section de traitement (CI ou MCU) :

Il s'agit du bloc principal de logique ou de contrôle du signal, tel qu'un DSP ou un microcontrôleur. Suivez les lignes d'entrée allant vers le CI et notez les lignes de communication, SDA et SCL.

4. Section de contrôle :

Comprend des boutons, des encodeurs ou des interrupteurs connectés au MCU pour un contrôle utilisateur (par exemple, volume ou changement de source d'entrée).

5. Section de sortie :

Le signal traité sort à travers des condensateurs vers des haut-parleurs ou des connecteurs externes (étiquetés OUT, LOUT, ROUT).

Vérifiez le flux : Suivez les signaux dans cet ordre : Alimentation → Entrée → Traitement → Sortie. Utilisez les étiquettes de réseau et les références de noms (R1, C3, U2) pour suivre les connexions.

Meilleures pratiques pour la conception de schémas

- Maintenir une hiérarchie claire en regroupant les composants associés en blocs fonctionnels.

- Toujours donner des noms aux réseaux des composants pour éviter toute confusion et faciliter la compréhension du schéma de conception.

- Ajouter des condensateurs de découplage près de chaque broche VCC de chaque CI.

- Assurer la cohérence de l'alimentation et de la masse sur l'ensemble du schéma.

- Utiliser une annotation et une documentation appropriées des valeurs des composants, des numéros de pièces et des références pour maintenir la clarté de la conception.

Du schéma à la conception du PCB

Une fois le schéma développé et vérifié, il est transféré vers la mise en page du PCB. Voici comment il est utilisé :

1. Génération du Netlist : Le schéma génère un netlist qui relaie toutes les connexions électriques.

2. Placement des composants : Les composants sont placés sur la carte selon le flux logique.

3. Routage : Les pistes sont tracées pour connecter les réseaux.

4. Validation : Les vérifications des règles électriques (ERC) et des règles de conception (DRC) sont effectuées.

Un schéma propre facilitera un flux de travail rapide et fiable dans la conception du PCB et la documentation.

Conclusion

Un schéma n'est pas simplement une image ; c'est l'intelligence derrière ou la justification de votre PCB. Vous pouvez produire une meilleure carte une fois que vous comprenez bien les schémas et le principe de fonctionnement. Ce n'est pas seulement une question de DSP, car nous faisons un walkthrough de la conception, c'est pourquoi nous avons pris cet exemple. Il y a beaucoup de choses, comme l'analyse SI/PI et les considérations à haute vitesse, qui peuvent être clarifiées grâce aux schémas et aux composants que nous choisissons. Nous n'avons pas besoin de concevoir tout le circuit par nous-mêmes ; au lieu de cela, il existe des fiches techniques et des documents de référence qui accompagnent chaque CI pour résoudre le problème. Mais organiser toutes les sections ensemble dans une forme unique et compréhensible est un défi. Ici, nous essayons de normaliser les schémas du point de vue du concepteur. À l'avenir, nous verrons encore d'autres walkthroughs de conception sur les PCB et les circuits.

Que vous soyez en train de créer votre premier schéma ou d'optimiser une carte DSP de qualité professionnelle, transformer vos idées en matériel de haute qualité n'a jamais été aussi facile. Avec le service de fabrication et d'assemblage de PCB tout-en-un de JLCPCB, vous pouvez facilement transformer votre schéma en une carte de circuit imprimé terminée, fiable, prête à être testée et déployée.