การออกแบบ PCB Board ด้วย OrCAD สำหรับผู้เริ่มต้น
เขียนโดย อ.จักรกฤษณ์ แสงแก้ว สาขาสารสนเทศศาสตร์ คณะวิทยาการสารสนเทศ มหาวิทยาลัยมหาสารคาม

บทความที่ผ่านมาเราได้ศึกษาการออกแบบ PCB ด้วยโปรแกรม Protel ไปแล้ว ในบทความนี้ผู้เขียนจะนำท่านศึกษาการออกแบบวงจรดิจิตอลและ PCB ด้วยโปรแกรม OrCAD ซึ่งโปรแกรมที่เราจะศึกษาในวันนี้มีความสามารถเด่นในเรื่องการทำ Auto Routing (การค้นหาเส้นทางอัตโนมัติ) บทความนี้มีใจความสำคัญดังนี้

จุดมุ่งหมาย
ท่านสามารถออกแบบวงจร PCB ด้วยโปรแกรม OrCAD ได้

เครื่องมือและอุปกรณ์
โปรแกรม OrCAD

หลักการและแนวคิด
หลักการและแนวคิดผู้เขียนได้เคยเขียนเป็นบทความเอาไว้แล้วในเรื่องการออกแบบ PCB ด้วย protel แต่เพื่อเป็นการกล่าวนำในบทความตอนนี้จึงขออธิบายพอเป็นสังเขปว่า โดยปกติอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิดมีสัญลักษณ์ที่แสดงถึงตัวตนของอุปกรณ์เหล่านั้น เราจะนำเอาวงจรดิจิตอลมาเขียนเป็นวงจร Schematic หลังจากนั้น จะทำการกำหนด Footprint ซึ่งหมายถึงภาพของอุปกรณ์นั้น ๆ ทจะปรากฎบนแผ่น PCB เมื่อแม็พระหว่างสัญลักษณ์ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และ FootPrint เข้าด้วยกันแล้ว หลังจากนั้นจะให้โปรแกรม OrCAD ทำการค้นหาเส้นทางระหว่างอุปกรณ์ต่าง ๆ เหล่านั้นเข้าด้วยกัน โดยยึด Schematic ที่เราได้ออกแบบไว้แล้วในตอนต้นเป็นเกณฑ์ในการทำการวาดเส้นทางของสายสัญญาณอย่างอัตโนมัติ (Auto-Route)

ขั้นตอนการดำเนินงาน
1. บทนำ
2. การเรียกใช้งานโปรแกรม Capture
3. สร้างโปรเจ็คใหม่
4. การวาง Not Gate ลงบนพื้นที่ทำงาน
5. การวาง OR Gate ลงบนพื้นที่ทำงาน
6.การเชื่อมต่อสายสัญญาณระหว่างสัญลักษณ์อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ
7.ขั้นการสังเคราะห์เน็ตลีสต์ (Net List)
8.เข้าสู่โปรแกรม Layout
9.ขั้นการโหลด NetList
10.ขั้นการบันทึกไฟล์ PCB Board
11.OrCAD จะสังเคราะห์อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่จำเป็นให้เราอัตโนมัติ
12.การสร้างเอาท์ไลน์ให้กับบอร์ด PCB
13.การกำหนดค่าต่าง ๆ ของชั้น PCB (Layer)
14.ขั้นการสร้างเส้นทางของสายสัญญาณอย่างอัตโนมัติ (Autoroute)
15.ขั้นการทำกราวนด์เพลน (Ground Plane)
16.จบการทำงาน
17. สรุปผล

1. บทนำ
บทความนี้จะยกตัวอย่างการวาด Schematic ของวงจร Half Adder มาเป็นตัวอย่างการสร้าง PCB สำหรับท่านที่ยังนึกไม่ออกว่าทำไมต้องมี Half-Adder และ Full Adder ความจริงเป็นเพราะว่า ที่บิตด้านขวามือสุดนั้น เป็นบิตที่ไม่ต้องการตัวทดเพราะถือว่าเป็นบิตเริ่มต้นของการบวก ซึ่งมีข้อมูลเข้าสู่ Half Adder เพียง 2 อินพุต คือ(บิตขวาสุดของตัวตั้งและบิตขวาสุดของตัวบวก) ผลลัพธ์จะมีสองส่วน คือ ค่าบิตผลลัพธ์จากการบวกและบิตผลลัพธ์ที่เป็นตัวทด ในขณะที่ Full Adder จะมีอินพุตเป็น 3 ส่วน คือ (บิตขวาสุดของตัวตั้งและตัวบวก เพิ่มอีกหนึ่งบิตคือบิตตัวทด) และเอาพุตของ Full Adder ยังคงมี 2 ส่วนเช่นเดียวกับ Half Adder คือ บิตผลลัพธ์และบิตตัวทด ท่านสามารถศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับวงจรการบวกจากบทความ เรื่อง หลักการประมวลผลของซีพียูด้วยวงจร Adder Logic จากรายการบทความทั้งหมดของผู้เขียน ขอให้ท่านพิจารณาภาพต่อไปนี้


จากตัวอย่างด้านบทท่านจะพบว่าเฉพาะ Half Adder เราต้องการ AND Gate จำนวนสองตัว ส่วน Or Gate และ Not Gate อย่างละหนึ่งตัว ซึ่งอุปกรณ์เหล่านั้นอยู่ภายในไอซี TTL (Transistor Transistor Logic) ท่านต้องมีความเข้าใจหลักการทำงานของไอซี TTL มาแล้วจึงจะสามารถเข้าใจบทความนี้ได้อย่างรวดเร็ว ขอให้ท่านพิจารณารูปภาพต่อไปนี้



บทความนี้เราจะเขียนแผนภาพ Schematic ของ Half-Adder และจะกำหนด FootPrint ให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เหล่านั้น ในส่วนสุดท้ายจะทำการขึ้นรูปวงจรดิจิตอลด้วย PCB

2. การเรียกใช้งานโปรแกรม Capture
ขอให้ท่านเลือกเมนู Capture ดังภาพต่อไปนี้เพื่อเข้าสู่โปรแกรม OrCAD


เมนูหลักของการออกแบบ Schematic แสดงได้ดังภาพต่อไปนี้


3. สร้างโปรเจ็คใหม่
ขอให้ท่านสร้างโปรเจ็คใหม่โดยคลิ๊ก File -> New -> Project ดังภาพต่อไปนี้


หลังจากนั้นให้ท่านป้อนชื่อโปรเจ็คและเลือกชนิดการออกแบบเป็น Schematic เพื่อวาดผังวงจรดิจิตอลต่อไป ดังภาพนี้


เมนูต่าง ๆ สำหรับการวาด Schematic แสดงได้ดังภาพต่อไปนี้


ขอให้ท่านคลิ๊กไอคอน Place path ซึ่งเป็นรูป Or GAte ดังภาพต่อไปนี้เพื่อทำการวางอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์


ในบทความนี้เราจะทำการวาด Logic Gate ท่านต้องเพิ่มไลบรารี่ดังกล่าวเข้ามาในโปรเจ็คก่อนการเริ่มใช้งาน โดยคลิ๊กที่ Add Library ดังภาพต่อไปนี้


หลังจากนั้นเลือกไฟล์ Gate.olb ดังภาพต่อไปนี้

ภายในไลบรารี่ Gate.olb ประกอบด้วยลอจิกอื่น ๆ อีกจำนวนมาก ซึ่งเป็นมาตรฐานสากลในการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ และในบทความนี้เราจะใช้เพียงสามเบอร์ คือ 7408, 7400 และ 7432 ตามลำดับ ขอให้ท่านพิมพ์คำว่า 7408 ในช่อง Path หรืออาจจะเลือกจากรายการ Part List ได้เช่นกัน แต่ท่านต้องแน่ใจว่าตอนนี้ที่ Libraries: ท่านได้เลือก GATE ดังภาพต่อไปนี้

การแสดงสัญลักษณ์ของอุปกรณ์แต่ละตัวแทนได้กรอบภาพด้านล่างทางขวามือ ให้ท่านคลิ๊ก OK เพื่อเพิ่ม AND Gate ลงบนพื้นที่ทำงานได้ดังภาพต่อไปนี้


เมื่อท่านวาด And Gate ลงบนพื้นที่ทำงานสองครั้ง จากนั้นให้กด ESC เพื่อยกเลิกและกลับมาสถานะปกติ ท่านจะพบว่าอุปกรณ์ทั้งสองมี Input เป็นหมายเลข 1 และ 2 ด้วยกันทั้งสองตัว นั่นหมายความว่าเป็นไอซีจำนวนสองตัว ดังนั้นเราทราบแล้วว่าไอซีเบอร์ 7408 มี And Gate ทั้งหมด 4 ตัว (สังเกตจากภาพด้านล่าง)

ดังนั้น เราจะใช้งาน AND Gate ในส่วนที่สองของ 7408 ขอให้ท่านดับเบิ้ลคลิ๊กเข้าไปที่สัญลักษณ์ของ AND Gate ท่านจะพบกับรายละเอียดดังภาพต่อไปนี้

ขอให้ท่านเปลี่ยน Designator เป็น B ซึ่งส่วนนี้จะมีขา Input ที่ขาของไอซีที่ 4 และ 5 ซึ่งมีเอาพุตที่ขา 6 (ดูจากโครงสร้าง 7408) เมื่อท่านปิดหน้าต่างด้านบนไปแล้วจะพบว่า AND Gate ได้มีหมายเลขอินพุตที่เปลี่ยนไปตามที่ต้องการ ลำดับถัดไปเราจะเปลี่ยนชื่อเรียกโดยดับเบิ้ลคลิ๊กที่ชื่อเีรียก ดังภาพด้านล่าง


จากนั้น จะปรากฎผลลัพธ์ดังภาพต่อไปนี้

ให้ท่านแก้ไขค่าเป็น U1B ซึ่งตัว U ตัวแรกแทนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ (ไอซี) ส่วนเลข 1 หมายถึงไอซีตัวที่ 1 และ B หลังสุดแทน Designator ซึ่งเราได้กำหนดไปแล้วเป็น B จากนั้นให้ท่านเลือก OK

ท่านจะพบว่าสัญลักษณ์ AND Gate ของเราได้ใช้งานไอซีเพียงตัวเดียวแล้ว โดย U1A ใช้อินพุตขา 1,2 ส่วน U1B ใช้อินพุตขา 4,5 ของไอซี ดังภาพต่อไปนี้


4. การวาง Not Gate ลงบนพื้นที่ทำงาน
ขอให้ท่านคลิ๊กไอคอน Place path ซึ่งเป็นรูป Or GAte ดังภาพต่อไปนี้เพื่อทำการวางอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์


ในขั้นตอนที่ผ่านมาเราได้วาด AND Gate ลงไปบนพื้นที่ทำงานเรียบร้อยแล้ว ในลำดับถัดมาจะทำการวาด NOT Gate ลงบนพื้นที่ทำงาน ให้ท่านพิมพ์ 7404 ในช่อง Path หรือจะเลือกจากรายการ Part List ได้ดังภาพด้านล่าง


ให้ท่านวาง Not Gate ไว้เยื้อง U1A ด้านขวามือ ดังภาพต่อไปนี้


5. การวาง OR Gate ลงบนพื้นที่ทำงาน
ขอให้ท่านคลิ๊กไอคอน Place path ซึ่งเป็นรูป Or GAte ดังภาพต่อไปนี้เพื่อทำการวางอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์


ในขั้นตอนสุดท้ายเราจะวาด OR Gate ลงบนพื้นที่ทำงานให้ท่านเลือกไอซีเบอร์ 7432 ดังภาพต่อไปนี้


หลังจากนั้นวางไอซีดังกล่าวลงบนพื้นที่ทำงาน ซึ่งได้ผลลัพธ์ดังภาพต่อไปนี้



6.การเชื่อมต่อสายสัญญาณระหว่างสัญลักษณ์อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ
ขอให้ท่านเลือก เพื่อทำการวาดเส้นเชื่อมสายสัญญาณระห่วางอุปกรณ์ต่าง ๆ ดังภาพต่อไปนี้

ในขั้นตอนนี้ท่านอาจจะกดแป้น w (wire) หนึ่งครั้งเพื่อเข้าสู่โหมดการวาดเส้น หรือจะกด w อีกครั้งเพื่อกลับมายังสถานะปกติ (ไม่เลือกเครื่องมือใด ๆ)

ขอให้ท่านบันทึกโปรเจ็คด้ัวยการคลิ๊ก File->Save หรือเลือกที่ไอคอน

7.ขั้นการสังเคราะห์เน็ตลีสต์ (Net List)
เมื่อท่านวาดแผนภาพ Schematic เสร็จเรียบร้อยแล้ว ท่านต้องสร้าง Net List เพื่อนำไปเป็นข้อกำหนดอุปกรณ์ต่าง ๆ ภายใน PCB ต่อไป ขอให้ท่านกลับมาที่ Project Manager โดยคลิ๊กที่ไอคอน จากนั้นคลิ๊กเลือกที่ PAGE1 และคลิ๊กที่ไอคอน Create Netlist ดังภาพด้านล่าง


ในขั้นตอนการสร้าง NetList ให้ท่านเลือกที่แท็บ Layout ดังภาพต่อไปนี้

จากนั้นเลือก Options เป็น User Properties are in Inches เลือกกำหนดหน่วยเป็น "นิ้ว" และกำหนด Netlist Files ที่ท่านต้องการ โดยปกติ OrCAD จะกำหนดเป็นชื่อเดียวกับโปรเจ็ค แต่มีนามสกุล .MNL ดังภาพด้านบน ให้ท่านคลิ๊ก OK เำพื่อสร้าง NetList

โปรแกรม ORCAD จะแจ้งให้ท่านทราบว่าจะมีการสร้าง Netlist และจะบันทึกงานทั้งหมดเอาไว้ใน .DSN (Design) ให้ท่านเลือก OK


8.เข้าสู่โปรแกรม Layout
ให้ท่านเลือก Program -> Orcad Unison Suit -> Layout ดังภาพต่อไปนี้


เมนูหลักของโปรแกรม Layout แสดงได้ดังภาพต่อไปนี้


ให้ท่านเลือก New เพื่อสร้าง Layout ดังภาพต่อไปนี้


โปรแกรม OrCAD จะถามไฟล์เทมเพลตสำหรับสร้าง Layout ขอให้ท่านเลือกใช้ไฟล์ Deault.tch ซึ่งอยู่ในไดเร็คทอรี่ C:\Cadence\Orcad_9.2.3\tools\layout\data\default.tch ดังภาพต่อไปนี้


9.ขั้นการโหลด NetList
ให้ท่านเลือกไฟล์ที่เราได้สังเคราะห์ Netlist ในขั้นตอนที่ผ่านมา โดยเลือกชื่อไฟล์ที่ท่านต้องการ ในตัวอย่างนี้เราใช้งานไฟล์ Half_Adder.MNL แสดงได้ดังภาพต่อไปนี้


10.ขั้นการบันทึกไฟล์ PCB Board
หลังจากโหลดเน็ตลีสต์เรียบร้อยแล้วโปรแกรม OrCAD จะถามท่านว่าจะบันทึกไฟล์ PCB Board ที่ท่านต้องการ ให้เลือกตามที่ท่านเห็นสมควร ตัวอย่างนี้ผู้เขียนตั้งชื่อเดียวกับ โปรเจ็คมีนามสกุลเป็น .MAX ดังภาพต่อไปนี้


11.OrCAD จะสังเคราะห์อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่จำเป็นให้เราอัตโนมัติ
จากที่เราได้สร้าง Schematic และสร้างเป็นไฟล์ NetList ที่ผ่านมา โปรแกรม OrCAD ฉลาดพอที่จะเลือกอุปกรณ์ต่าง ๆ ภายใน NetList เหล่านั้นว่ามีอุปกรณ์ตัวใดที่เชื่อมต่อกับสัญลักษณ์ดังกล่าว ในตัวอย่างนี้เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน เช่น 7404, 7400 และ 7432 เป็นต้น ภาพต่อไปนี้แสดงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เชื่อมต่อกันตามรูปแบบของ Schematic ที่ได้ออกแบบไว้ในตอนต้น




แก้ไขเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ให้อยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสมตามความต้องการของนักออกแบบ ขอให้ท่านกดปุ่ม (ให้เป็นสีแดงสว่างไม่ใช่สีเทา) ซึ่งโหมดนี้จะอนุญาตให้นักออกแบบสามารถเคลื่อนย้ายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ ไปในพื้นที่อื่น ๆ ที่ท่านต้องการได้

ให้ท่านคลิ๊กลงบนอุปกรณ์ที่ต้องการย้าย จากนั้นปล่อยเมาส์หนึ่งครั้ง จากนั้นลากเมาส์ไปยังตำแหน่งที่ท่านต้องการ ในระหว่างนี้กรอบโครงร่างของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะปรากฎราง ๆ ให้ท่านนำกรอบดังกล่าววางในตำแหน่งที่พอใจ

12.การสร้างเอาท์ไลน์ให้กับบอร์ด PCB
ขอให้ท่านคลิ๊กเลือกไอคอน Obstacle Tools ดังภาพด้านล่างนี้ และต้องแน่ใจว่าไอคอนดังกล่าวอยู่ในสถานะกำลังทำงาน (มีสีเขียวและแดง) ดังภาพต่อไปนี้


คลิ๊กขวาบริเวณพื้นที่ทำงานจากนั้นเลือก New ดังภาพต่อไปนี้


จากนั้นให้คลิ๊กขวาบริเวณพื้นที่ทำงานอีกครั้งหนึ่งและเลือก Properties ดังภาพต่อไปนี้


ขอให้ท่านเลือกกำหนด Width ตามที่ท่านต้องการ (ความหนาของเส้นเอาท์ไลน์) ผู้เขียนกำหนดเป็น 10 (แต่เนื่องจากเอาท์ไลน์ของผู้เขียนใหญ่เกินไป แนะนำให้ท่านพิมพ์ 10) ดังภาพต่อไปนี้


หลังจากนั้นเริ่มต้นวาดกรอบสี่เหลี่ยม ซึ่งจะปรากฎเป็นเส้นสีเหลืองดังภาพด้านล่าง ให้ท่านคลิ๊กปิดท้ายที่จุดเริ่มต้นด้วยหนึ่งครั้ง หลังจากนั้นคลิ๊กขวาเลือก End Command ดังภาพต่อไปนี้


13.การกำหนดค่าต่าง ๆ ของชั้น PCB (Layer)
ขอให้ท่านคลิ๊กปุ่มตาข่ายดังภาพด้านล่างต่อไปนี้


จากนั้นเลือก Layers ดังนี้


ให้ท่านคลิ๊กขวาที่ Layer Type ของชั้น TOP และเปลี่ยนเป็น Unused ดังภาพต่อไปนี้


ท่านสามารถกด Shift ค้างไว้และเลือก Layer Type ชั้นอื่น ๆ ได้แก่ ชั้น INER1 ถึง INER3 และคลิ๊กขวาและเลือก Properties ดังภาพด้านล่างต่อไปนี้

เลือก Unused Routing เนื่องจากเราต้องการให้ Orcad ทำการ Route เฉพาะแผ่นด้านล่าง (Button) เท่านั้น



14.ขั้นการสร้างเส้นทางของสายสัญญาณอย่างอัตโนมัติ (Autoroute)
ขอให้ท่านเลือกเมนู Auto-> Autoroute -> Board ดังภาพต่อไปนี้


โปรแกรม Orcad จะทำการสร้างเส้นทางสายสัญญาณให้เราอัตโนมัติ ซึ่งผลลัพธ์แสดงได้ดังภาพต่อไปนี้


15.ขั้นการทำกราวนด์เพลน (Ground Plane)
ให้ท่านเลือกไอคอน Obstacle Tool ดังภาพต่อไปนี้ ท่านต้องแน่ใจว่าไอคอนดังกล่าวถูกกด สังเกตว่ามีสีเขียวและเขียวดังภาพต่อไปนี้


คลิ๊กขวาบริเวณพื้นที่ทำงานและเลือก New ดังภาพต่อไปนี้


คลิ๊กขวาบริเวณพื้นที่ทำงานอีกครั้งและเลือก Properties ดังภาพต่อไปนี้


จากนั้นเลือก Obstacle Type เป็นแบบ Copper Pour เพื่อวาดแผ่นทองแดง เลือก Obstacle Layer เป็น Bottom และค่า Clearance (ระยะห่างจากแผ่นทองแดงถึงเส้นสัญญาณ) ตามที่ท่านต้องการ ในตัวอย่างนี้ตั้งไว้ที่ 13 และในช่อง Net Attachment ให้เลือกตามที่ท่านต้องการ ผู้เขียนเลือกเชื่อมเข้ากับกราวนด์ ดังภาพต่อไปนี้


ขอให้ท่านเลือกวาดเส้นตรงขึ้นรูปเป็นกรอบสี่เหลี่ยมครอบพื้นที่ที่ท่านต้องการระบายทองแดงลงบนบอร์ด PCB หลังจากนั้นเมื่อลากเส้นครบสี่เส้นแล้ว(กรอบ) ให้ท่านคลิ๊กขวาและเลือก End Command จะปรากฎผลลัพธ์ที่เกิดจากการทำ

เมื่อท่านดำเนินมาถึุงขั้นตอนนี้ท่านสามารถออกแบบ PCB ด้วย Orcad ในระดับเบื้องต้นได้แล้ว

16.จบการทำงาน
ให้ท่านเลือก File->Exit ดังภาพต่อไปนี้

พิจารณาตอบว่าจะบันทึกไฟล์ที่ได้แก้ไขไปแล้วหรือไม่ ตามความเหมาะสม

17. สรุปผล
ในบทความนี้ได้นำท่านศึกษาการออกแบบ PCB ด้วยโปรแกรม OrCAD โดยเริ่มต้นจากการวาด Schematic ตามวงจร Half Adder จากนั้นลากเส้นสัญญาณเหล่านั้นเข้าด้วยกัน และสุดท้ายให้โปรแกรม OrCAD ทำการค้นหาเส้นทางของสายสัญญาณให้เราโดยอัตโนมัติ นอกจากนั้นในตอนท้ายยังได้นำท่านศึกษาวิธีการทำ Ground Plane หวังว่าบทความนี้จะเป็นประโยชน์ต่อผู้สนใจการออกแบบวงจร PCB ด้วย OrCAD ชาวไทยทุกท่าน พบกันใหม่โอกาสหน้าครับ สำหรับวันนี้ สวัสดี !!