Come sono stati disegnati gli schemi prima del CAD?

Stavo guardando lo schema di un vecchio alimentatore HP che ho comprato. Può essere trovato qui , intorno a pagina 60-61.

Questo schema è stato disegnato molto prima che CAD fosse uno strumento utilizzato dagli ingegneri. Le cose erano ancora disegnate a mano. Mi chiedevo come avvenisse il disegno di grandi schemi. Oggi siamo abituati ai nostri fantasiosi strumenti EDA che avranno molte belle funzioni per realizzare buoni schemi. In alternativa, gli schemi per la documentazione sono talvolta disegnati in programmi di grafica vettoriale come Inkscape o Illustrator, perché possono dare risultati più accurati.

Nei nostri pacchetti CAD abbiamo una bella annotazione automatica, ci costruisce un bel BoM se lo impostiamo nel modo giusto, e spesso ci permettono persino di estrarre le netlist SPICE per la simulazione e un mucchio di altre informazioni sul design e sulle regole elettriche. Se scopriamo che spostare questo componente qui rende il nostro schema più chiaro, trasciniamo e rilascia - non c'è bisogno di ridisegnare il tutto!

I vecchi schemi che vedo hanno sempre dei bei simboli coerenti - non quello che ti aspetteresti da schemi disegnati a mano. Hanno usato gli stampini per avere sempre esattamente lo stesso simbolo di transistor, resistore, condensatore, ecc.? O quei simboli erano definiti nelle loro dimensioni e appena disegnati e misurati di nuovo ogni volta? Forse hanno piccoli pezzi di carta con ogni simbolo disegnato sopra, e poi spostali semplicemente per fare lo schema senza dover ricominciare da capo ogni volta (sto pensando a quei vecchi fogli da scrivania IKEA in cui hai ottenuto poco ritagli dei loro banchi e potresti disporli per provare i layout nel tuo ufficio)?

Sono consapevole che si tratta in qualche modo di una domanda aperta, ma sono curioso di sapere come stavano le cose prima di avere OrCAD, Virtuoso, KiCAD e Altium.

Sono stato addestrato a Tektronix per fare il disegnatore di elettronica. Avevano lezioni per questo. È abbastanza simile al disegno per la costruzione. Avevi le solite matite, temperamatite, gomme e carta specializzate, un tavolo inclinato, un quadrato a T, un triangolo, ecc. Gli stessi strumenti di base del mestiere per qualsiasi disegnatore. Sono stati aggiunti alcuni strumenti aggiuntivi, come alcuni simpatici stampini per componenti elettronici e oggetti descrittivi (come un tubo dell'oscilloscopio - vedi qui per avere un'idea di quelli.) Ma questo è tutto.

La differenza è che cercavano persone che avevano un'innata comprensione dell'elettronica e che "comprendevano" l'idea del flusso di elettroni dal basso verso l'alto nella pagina e il flusso del segnale da sinistra a destra. E chi poi potrebbe prendere qualsiasi schema casuale che hanno visto, strapparlo completamente a terra e ridisegnarlo da zero in modo che obbedisse a queste regole e facesse comunicare rapidamente i concetti ad altri ingegneri elettronici. Ciò significava anche essere in grado di riconoscere sezioni comuni a molti schemi (come specchi di corrente e riferimenti di tensione, stadi amplificatori analogici, ecc.)

Avevo passato anni quando sono cresciuto, cercando di capire i circuiti che ho visto nelle riviste Popular Electronics e Radio Electronics. Per fare ciò, avevo già avuto bisogno di abbattere tutti quei layout dei circuiti perché erano stampati per le persone che volevano collegarli senza capirli. Quindi hanno incluso tutti i dettagli del cablaggio del bus di alimentazione. Nessuno dei quali aiuta davvero tanto a capire come funziona un circuito. Quindi questo mi ha aiutato nel ruolo di redazione di elettronica.

In che modo le persone calcolavano seno e coseno o logaritmi o addirittura moltiplicavano grandi numeri prima che esistessero i calcolatori? Hanno usato libri con tavoli all'interno, insieme alla formazione per usarli correttamente. Oppure hanno usato le regole delle diapositive.

La vita è finita. Gli strumenti cambiano. Ma la vita è ancora finita.

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Ho pensato di aggiungere un breve riassunto di alcuni dei principi guida per migliorare la comprensione di un circuito.

Uno dei modi migliori per cercare di capire un circuito che inizialmente sembra confondere è ridisegnarlo. Ci sono alcune regole che puoi seguire che ti aiuteranno a capire come apprendere quel processo. Ma ci sono anche alcune abilità personali aggiunte che gradualmente si sviluppano anche nel tempo.

Come accennato all'inizio, ho appreso per la prima volta queste regole nel 1980, prendendo una lezione Tektronix che veniva offerta solo ai suoi dipendenti. Questa classe aveva lo scopo di insegnare il disegno elettronico a persone che non erano ingegneri elettronici, ma che invece avrebbero ricevuto una formazione sufficiente per aiutare a disegnare schemi per i loro manuali.

La cosa bella delle regole è che non devi essere un esperto per seguirle. E che se li segui, anche quasi alla cieca, che gli schemi risultanti sono davvero più facili da capire.

Le regole sono:

• Disporre lo schema in modo che la corrente convenzionale sembri fluire dall'alto verso il basso del foglio dello schema. Mi piace immaginarlo come una sorta di tenda (se preferisci un concetto più statico) o cascata (se preferisci un concetto più dinamico) di cariche che si spostano dal bordo superiore verso il basso. Questo è un tipo di flusso di energia che non fa alcun lavoro utile da solo, ma fornisce all'ambiente un lavoro utile da svolgere.
• Disporre lo schema in modo che i segnali di interesse fluiscano dal lato sinistro dello schema al lato destro. Gli input saranno quindi generalmente a sinistra, gli output saranno generalmente a destra.
• Non "bus" potere in giro. In breve, se un conduttore di un componente va a terra o su qualche altro binario di tensione, non utilizzare un filo per collegarlo ad altri conduttori che vanno anche sullo stesso binario / terra. Invece, mostra semplicemente un nome nodo come "Vcc" e fermati. Occupare energia su uno schema è quasi garantito per renderlo meno comprensibile, non di più. (Ci sono momenti in cui i professionisti devono comunicare qualcosa di unico su un bus di binario di tensione ad altri professionisti. Quindi a volte ci sono eccezioni a questa regola. Ma quando si cerca di capire uno schema confuso, la situazione non è quella e un argomento del genere "dai professionisti ai professionisti" continua a fallire qui. Quindi non farlo.) Questo richiede un momento per cogliere appieno. C'è una forte tendenza a voler mostrare tutti i fili coinvolti nella saldatura di un circuito. Resistere a quella tendenza. L'idea qui è che i fili dovevanofare un circuito può essere fonte di distrazione. E mentre potrebbero essere necessari per far funzionare il circuito, NON aiutano a capire il circuito. In realtà, fanno esattamente il contrario. Quindi rimuovere tali cavi e mostrare solo i collegamenti alle rotaie e fermarsi.
• Cerca di organizzare lo schema sulla coesione . È quasi sempre possibile "stuzzicare" uno schema in modo tale che vi siano nodi di componenti strettamente collegati tra loro, separati da pochi fili che vanno ad altri nodi . Se riesci a trovarli, enfatizzali isolando i nodie concentrarsi sul disegnare ognuno in un modo significativo, prima. Non pensare nemmeno all'intero schema. Concentrati solo sul far sembrare ogni sezione coerente "giusta" da sola. Quindi aggiungere il cablaggio di riserva o alcuni componenti che separano queste "divisioni naturali" nello schema. Ciò tenderà spesso a trovare quasi magicamente funzioni distinte che sono più facili da capire, che poi "comunicano" tra loro tramite connessioni relativamente più facili da capire tra loro.

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Ecco un esempio di uno stadio amplificatore CE meno leggibile. È un po 'più uno schema elettrico che uno schema. Scopri se riesci a riconoscere che si tratta di un singolo stadio BJT relativamente standard, con bootstrap, amplificatore CE:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Ecco un esempio più leggibile dello stesso circuito. Qui, nonostante sia un progetto bootstrap (che viene visto un po 'meno spesso), puoi riconoscere la topologia CE di base e iniziare a individuare meglio le somiglianze e le differenze:

^{simula questo circuito}

Si noti che l'ho liberato dell'alimentazione e dei cavi del bus di terra. Invece, ho semplicemente notato che alcuni punti finali sono collegati all'una o all'altra della rotaia o del terreno di alimentazione (+). Per qualcuno che lo collega, non è così utile perché potrebbe perdere una connessione di cui ha bisogno. Ma per qualcuno che cerca di capire il circuito, quei dettagli di connessione si mettono in mezzo.

Si noti inoltre che ho organizzato con cura il nuovo circuito in modo che la corrente convenzionale scorra dalla parte superiore dello schema verso il basso verso la parte inferiore di esso. L'idea generale è di immaginarlo come una sorta di "cortina" di flusso di elettroni (dal basso verso l'alto) o di cariche positive dall'alto verso il basso (convenzionale). In entrambi i casi, è come una forza di gravità che fa appendere la cortina dall'alto verso il basso.

Attraversando questa cortina di correnti dall'alto verso il basso, il segnale passa da sinistra a destra. Questo è anche molto utile per gli altri che cercano di capire un circuito.

Combinati, questi dettagli aiutano a orientare un lettore.

$C_1$$C_2$$R_6$$C_1$$R_4$$C_2$$R_6$

Il layout originale sopra (quello confuso) ostacolerebbe notevolmente la possibilità di concentrarsi sull'aspetto del bootstrap (che può, o potrebbe non essere già familiare). Ma almeno questo significa che c'è molto meno su cui concentrarsi e cercare di capire , se non familiare. (Il primo schema renderebbe tutto questo quasi completamente senza speranza sin dall'inizio.)

Questo potrebbe non essere il miglior esempio, ma almeno mostra alcuni dei motivi per cui aiuta a evitare i fili che semplicemente alimentano l'energia e perché è importante disporre lo schema con un flusso specifico di corrente convenzionale dall'alto verso il basso e per far fluire il segnale da sinistra a destra.

Un esempio migliore (non ancora fornito) includerebbe un circuito più complesso (che come quello per l'LM380). Ciò aiuterebbe a illustrare i nodi dei gruppi di circuiti che possono essere organizzati in sezioni separate (più strettamente intrecciate tra loro, ma comunicando a altre sezioni tramite una serie più sparsa di fili che comunicano segnali.) Quindi finirò includendo uno schema LM380 ben diviso per illustrare quel punto:

^{simula questo circuito}

$\pi$

Prova a immaginare come sarebbe stato leggerlo se l'alimentazione e le guide di terra fossero state tutte collegate con un cablaggio aggiuntivo e / o senza una disposizione particolare del flusso di corrente sulla pagina.

Nel mio primo lavoro nel 1975 presso Bristol Aerospace (ora Magellan) avevamo una buona aviazione e disegnatori qualificati della NASA, ma uno continuava a fare disegni di dimensioni D ed E in modo che la microfiche non creasse falsi punti dalla sfocatura ottica, quindi ho dovuto convincerlo a utilizzare le dimensioni massime A, B e C condensando gli spazi tra i simboli e riducendo la dimensione del carattere. Perché spesso dovevo lavorare con 20 pagine alla volta.

Nel mio prossimo lavoro, il nostro disegnatore era un illustratore in grado di convertire qualsiasi disegno disordinato ad alta densità su un tovagliolo di carta in una bellissima opera d'arte leggibile in poche ore, non giorni (come lo schema a blocchi di ogni chip su una scheda madre). Finì anche per il mio quarto lavoro ed era il miglior disegnatore che avevamo, proprio come quello che si vedrebbe da Tektronix, HP e Hitachi.

Sì, hanno usato modelli di simboli.

A metà degli anni '70, quando progettammo un sistema con circa 40 PCA, non disponevamo di strumenti di simulazione, negozi di PCB a ritorno rapido e strumenti di layout decenti. Così l'abbiamo disegnato su una griglia in scala 4x Mylar con matite colorate per la larghezza della traccia del codice G e lo abbiamo inviato a Toronto per la digitalizzazione ottica. I posti di controllo sono stati rispediti in una settimana per l'approvazione e poi le schede in due settimane.

Era il 1976. Avanti veloce 15 anni dopo; Ho realizzato strumenti fotografici in una tipografia litografica dall'EE di progettazione lo stesso giorno e le schede a due facciate sono pronte il giorno successivo. Per le schede Getek e FPC a sei strati, ho ottenuto tre virgolette in un'ora usando solo una tabella di numeri senza file Gerber e ho avuto schede prototipo (10) consegnate in 48 ore a una settimana a seconda dell'urgenza $ xK.

Ho fatto la stessa cosa per gli scudi in ottone stagnato a metà linea tratteggiata per scudi radio da 1 GHz per prototipi e li ho fatti fabbricare localmente in due giorni usando i fototool su due lati consegnati. Quindi il pannello aveva linguette staccabili all'interno del bordo e poteva essere assemblato e saldato a bordo in pochi minuti usando strumenti di saldatura ad alta potenza o torcia a micro propano per pareti con un coperchio pieghevole rimovibile (circa metà degli anni '90).

Ecco uno schema a blocchi da 4,5 GHz semplificato e un diagramma a blocchi dal giornale HP per uno strumento che abbiamo acquistato nel 1976 con una risoluzione di 1 Hz:

Quando chiedo le specifiche dei PO o degli utenti, mi aspetto che impareranno ad avere dettagli come questo e a condividere quelli pertinenti. Ma spesso sono ignari della necessità di buone specifiche per realizzare un buon design.

Avanzamento rapido fino al 1985 con questo analizzatore di spettro TEKTRONIX SA492. Questo potrebbe essere solo l'1% dell'intero schema ed è stato fatto in modo facile da capire e il manuale era in modo gerarchico come quelli di PADS DWG.

Questo è uno dei migliori modelli da seguire per gli schemi elettronici e per i progettisti che scelgono REFDES per facilitare il posizionamento dalla scheda allo schema. Il simbolo della terra è importante qui a causa del design di schermatura a differenza dei simboli triangolari che spesso ignorano il rumore. Successivamente pubblicherò il link manuale da 32 MB dal mio dropbox. I progettisti con esperienza Current Mode Logic (ECL) riconosceranno qui la logica della seconda latenza secondaria e del tempo di salita. Gli utenti LDO devono annotare i filtri RLC necessari sull'input per le applicazioni RF.

Oltre ai modelli c'erano macchine da disegno ...

e il sistema di lettere Leroy brevettato nel 1925.

Un dilettante potrebbe anche produrre un bel PCB usando una manciata di pacchetti sottili dal negozio locale. Non è necessario alcun tavolo da disegno o altri materiali costosi.

Potresti comprare del nastro che fosse la larghezza (in scala) delle tracce, insieme agli adesivi che portano gli elettrodi e così via. Viene posizionato su una base di plastica trasparente e utilizzato direttamente come stampa di contatto per l'esposizione fotografica della scheda (tipica per la casa), oppure ridotto prima tramite una fotocamera se si doveva lavorare su una scala più grande.

Il nastro viene tagliato con il coltello Exacto.

Stampini in plastica per lettere e simboli, penne per disegno ad inchiostro India, tavolo da disegno con righello. C'erano anche righelli flessibili per curve, o "insiemi di curve", righelli di plastica con qualsiasi forma di curva immaginabile. Le tengo ancora insieme al mio righello per i calcoli. Non li uso da decenni, ovviamente.

Sia gli stampini che le penne erano di diverse larghezze di linea. Dopo aver disegnato ogni elemento, dovresti attendere che l'inchiostro si asciughi prima di spostare lo stampino, altrimenti l'inchiostro si spalancerebbe e rovinerebbe un giorno di lavoro.

Gli altri risponditori si concentrano su quelle che erano senza dubbio le migliori pratiche del settore.

Ma nessuna discussione sui diagrammi pre-CAD è completa senza riferimento al diagramma errato di Horowitz e Hill (Art of Electronics, Cambridge University Press, 1980) e alla loro guida di accompagnamento.

È riprodotto, con l'approvazione dell'autore, su http://opencircuitdesign.com/xcircuit/goodschem/goodschem.html

Non ho visto edizioni post-CAD del libro, ma i diagrammi sono ancora un'appendice nell'edizione corrente. https://artofelectronics.net/the-book/table-of-contents/