Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso.

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES GRADO EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. Autor: Hernández Luelmo, Hugo Tutora: Pérez Barreiro, Cristina Departamento de Tecnología Electrónica Valladolid, Julio 2021. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 2 Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 3 Resumen Es indudable que hoy en día existe un gran número de aplicaciones software para el diseño electrónico y que estas, al ser actuales, incluyen enormes mejoras gracias al avance de la tecnología. El objetivo de este proyecto es encontrar una herramienta actualizada y adecuada al uso académico, que brinde la posibilidad de que los alumnos puedan trabajar en sus ordenadores personales para poder continuar con los proyectos fuera del aula o investigar por interés propio. Comenzaremos con un estudio exhaustivo de distintas aplicaciones de diseño, para poder realizar una comparación y escoger el programa que más se adecue a las necesidades planteadas. Sobre el programa elegido se elabora un manual en el que se describen detalladamente sus funciones para continuar con el desarrollo de un caso práctico, con el que se pondrán a prueba las características de la aplicación, analizando ventajas, inconvenientes y problemas que se plantean en su utilización. Palabras clave PCB, Actualización, Diseño electrónico, KiCad, Simulación. Abstract There is no doubt that nowadays there are a large number of software applications for electronic design and that these, being up to date, include enormous improvements thanks to the advance of technology. The objective of this project is to find updated software suitable for academic use, which will enable students to work on their personal computers in order to be able to continue with projects outside the classroom or to carry out research for their own interest. We will begin with an exhaustive study of different design applications, in order to make a comparison and choose the program that best suits the needs. A manual will be prepared on the chosen programme, describing its functions in detail, to continue with the development of a practical case, with which the characteristics of the application will be tested, analysing the advantages, disadvantages and problems that arise in its use. Keywords PCB, Upgrade, Electronic design, KiCad, Simulation Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 4 Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 5 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN Y PLANTEAMIENTO ....................................................................... 9 1.1. Introducción .................................................................................................... 10 1.2. Planteamiento y objetivos .............................................................................. 11 1.3. Estructura del proyecto .................................................................................. 12  Capítulo 1 Introducción. .............................................................................. 12  Capítulo 2 Estudio de mercado. Herramientas bajo estudio, características y comparación. ....................................................................................................... 12  Capítulo 3 Programa elegido ...................................................................... 12  Capítulo 4 Caso práctico de uso, desarrollo de un proyecto.................... 12  Capítulo 5 Conclusiones ............................................................................. 12 2. ESTUDIO DE MERCADO. HERRAMIENTAS BAJO ESTUDIO. CARÁCTERISTICAS Y COMPARACIÓN. .............................................................................................................. 13 2.1. Introducción .................................................................................................... 14 2.2. Programas bajo estudio ................................................................................. 15 2.2.1. OrCad [3] .................................................................................................. 16 2.2.2. Altium [4] .................................................................................................. 18 2.2.3. NI MultiSim [5] ......................................................................................... 20 2.2.4. DipTrace [6] ............................................................................................. 22 2.2.5. KiCad [1, 2, 7] .......................................................................................... 24 2.2.6. FreePCB [8] .............................................................................................. 26 2.2.7. CircuitMaker [9] ....................................................................................... 27 2.2.8. LTspice [10] ............................................................................................. 28 2.3. Clasificación en función de sus características ............................................ 29 2.3.1. Por funcionalidades ................................................................................. 29 2.3.2. Según las licencias disponibles .............................................................. 30 2.3.3. Sistemas operativos disponibles ............................................................ 31 2.4. Tabla comparativa .......................................................................................... 32 2.5. Conclusión y decisión final ............................................................................. 33 3. PROGRAMA ELEGIDO. KICAD. ............................................................................... 37 3.1. Introducción .................................................................................................... 38 3.2. KiCad ............................................................................................................... 39 3.3. Aplicaciones .................................................................................................... 41 Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 6 3.3.1. Explorador de documentos y proyectos ................................................. 41 3.3.2. Eesquema ................................................................................................ 42 3.3.3. PSpice [12, 13, 14] ................................................................................. 44 3.3.4. Editor de huellas ...................................................................................... 46 3.3.5. Asignador de huellas ............................................................................... 47 3.3.6. PcbNew ..................................................................................................... 48 3.3.7. GerbView .................................................................................................. 50 3.3.8. Bitmap ...................................................................................................... 50 3.3.9. PCBCalculator .......................................................................................... 51 3.3.10. Page Layout Editor ............................................................................... 52 3.4. Desarrollo completo de una PCB ................................................................... 53 3.5. Problemas [11] ............................................................................................... 55 4. EJEMPLO PRÁCTICO. ............................................................................................. 57 4.1. Introducción .................................................................................................... 58 4.2. Desarrollo del ejercicio ................................................................................... 59 4.2.1. Captura del circuito ................................................................................. 59 4.2.2. Simulación ............................................................................................... 63 4.2.3. Asignación de huellas y generación de netlist. ..................................... 66 4.2.4. Diseño de PCB ......................................................................................... 67 4.2.5. Archivos de fabricación ........................................................................... 70 5. CONCLUSIONES ..................................................................................................... 71 5.1. Conclusiones ................................................................................................... 72 6. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................ 75 6.1. Bibliografía ...................................................................................................... 76 Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 7 ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 1 OrCad Capture Sadr, M. (2020). Guia de uso de subcircuitos en OrCad [Figura]. Recuperado de https://electronics.stackexchange.com/ ............................... 17 FIGURA 2 OrCad PCB Designer Feranec, R. (2019). Tutorial OrCad para principiantes [Figura]. Recuperado de https://www.cb-distribution.es/news-es/tutor_orcad/ ........ 17 FIGURA 3 Altium Schematic Capture (2018). Cómo crear un esquemático en Altium [Figura]. Recuperado de https://resources.altium.com/ ........................................................... 19 FIGURA 4 Altium PCB Layout Saad, K. (2020). Altium Designer [Figura]. Recuperado de https://www.getapp.es/software/121767/altium-designer ............................... 19 FIGURA 5 NI Multisim Morandotti, F. (2021). NI Multisim [Figura]. Recuperado de https://store.digilentinc.com/ni-multisim-student-edition-circuit-design-and- simulation-software............................................................................................................. 21 FIGURA 6 NI Multisim PCB Páez Ruiz, J. (2018). Diseño Pcb con Ultiboard [Figura]. Recuperado de https://docplayer.es/26805427-Diseno-de-pcb-con- ultiboard.html .................................................................................................................... 21 FIGURA 7 DipTrace Schematic Tech, S.(2021). Tutorial diseño Pcb [Figura]. Recuperado de https://www.pcbway.com/blog/PCB_Design_Tutorial/ ...................................... 23 FIGURA 8 DipTrace PCB Layout Tech, S.(2021). Tutorial diseño Pcb [Figura]. Recuperado de https://www.pcbway.com/blog/PCB_Design_Tutorial/ ...................................... 23 FIGURA 9 KiCad Eesquema ......................................................................................... 25 FIGURA 10 KiCad PcbNew ............................................................................................ 25 FIGURA 11 FreePCB Wright, A.(2011). FreePCB [Figura]. Recuperado de https://www.freepcb.com/ ............................................................................ 26 FIGURA 12 CircuitMaker Gonzalez, O.(2015). CircuitMaker: Diseño Pcb gratuito [Figura]. Recuperado de https://www.freepcb.com/ .............................................. 27 FIGURA 13 LTSpice ........................................................................................................ 28 FIGURA 14 Pantalla Inicial ............................................................................................ 40 FIGURA 15 Explorador de documentos y proyectos .................................................... 41 FIGURA 16 Eesquema ................................................................................................... 43 FIGURA 17 PSpice ......................................................................................................... 44 FIGURA 18 Editor de huellas ........................................................................................ 46 FIGURA 19 Asignador de huellas .................................................................................. 47 FIGURA 20 PcbNew ....................................................................................................... 49 FIGURA 21 GerbView ..................................................................................................... 50 FIGURA 22 Bitmap ......................................................................................................... 50 FIGURA 23 PCBCalculator ............................................................................................. 51 Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 8 FIGURA 24 Page layout Editor ...................................................................................... 52 FIGURA 25 Eesquema ................................................................................................... 59 FIGURA 26 Selección de símbolos ............................................................................... 59 FIGURA 27 Disposición de componentes .................................................................... 60 FIGURA 28 Circuito ........................................................................................................ 61 FIGURA 29 Numeración de componentes ................................................................... 61 FIGURA 30 Menú de propiedades ................................................................................ 62 FIGURA 31 Circuito completo ....................................................................................... 62 FIGURA 32 Editor del modelo Spice ............................................................................. 63 FIGURA 33 PSpice ......................................................................................................... 64 FIGURA 34 Ajuste de simulación .................................................................................. 64 FIGURA 35 Simulación del circuito ............................................................................... 65 FIGURA 36 Asignación de huellas ................................................................................ 66 FIGURA 37 Carga del netlist ......................................................................................... 67 FIGURA 38 Componentes de la placa .......................................................................... 67 FIGURA 39 Disposición de componentes .................................................................... 68 FIGURA 40 Rutado completo ........................................................................................ 68 FIGURA 41 Ajustes de la placa ..................................................................................... 69 FIGURA 42 PCB completa ............................................................................................. 69 FIGURA 43 Ficheros de fabricación .............................................................................. 70 Las Figuras que no se encuentran referenciadas son de autoría propia, elaboradas para este proyecto. ÍNDICE DE TABLAS TABLA 1 Comparativa .................................................................................................... 32 Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 9 1. INTRODUCCIÓN Y PLANTEAMIENTO Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 16 2.2.1. OrCad [3] OrCad es un programa que puede ser usado por profesionales del sector, técnicos, ingenieros o estudiantes, cuya finalidad es la captura de circuitos electrónicos y el diseño de placas de circuito impreso (PCB), para posteriormente, fabricarlas. El programa cuenta con distintas aplicaciones para poder llevar a cabo el diseño. La captura de circuitos se realiza con OrCad Capture, figura 1, la creación del circuito es sencilla, el programa cuenta con múltiples librerías de componentes y la posibilidad de aumentarlas con componentes de creación propia, por lo que solo se deben buscar y emplazar correctamente, una vez se han asignado los valores, se puede proceder con la simulación del circuito. Para ello, OrCad cuenta con un simulador PSpice de altas prestaciones con posibilidad de realizar distintos tipos de simulación sobre el mismo circuito, elegir los parámetros de simulación, graficar los resultados obtenidos y mostrarlos sobre el propio esquema. Para el diseño de la PCB, se utiliza OrCad PCB Designer, figura 2, esta aplicación permite diseñar la PCB desde cero o partir del circuito capturado anteriormente, cargando sobre la aplicación los componentes utilizados. Cuenta con distintas capas, reglas y restricciones de diseño establecidas a elección del usuario y numerosas herramientas que facilitarán el emplazamiento y el rutado de la placa, como un rutado automático. El uso de OrCad y todas sus aplicaciones es intuitivo, ya que posee una interfaz sencilla y clara que facilita el aprendizaje, aunque también contará con funcionalidades más avanzadas que requerirán de un mayor conocimiento sobre la aplicación. OrCad solo se encuentra disponible para Windows y dispone de varias licencias de uso, una licencia estándar, con prueba gratuita y una licencia académica. La licencia estándar cuenta con la totalidad del entorno y sus funciones, pudiendo recibir actualizaciones si las hubiese, teniendo la posibilidad de solicitar una versión de prueba gratuita, “OrCad Trial”, que se trata de una licencia de uso con todas las funcionalidades, como la licencia estándar, pero de tiempo limitado a 15 días. También ofrecen una licencia “Academic”, especial para estudiantes de universidad, este modo tiene limitadas las características y opciones de la aplicación, pero los elementos principales y necesarios para su utilización están disponibles, estas licencias también son de pago, tienen un precio menor que la licencia estándar, pero todavía no está habilitada en las universidades españolas. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 17 Interfaz Gráfica FIGURA 1 OrCad Capture FIGURA 2 OrCad PCB Designer Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 18 2.2.2. Altium [4] Altium es uno de los sistemas de diseño de PCB´s más utilizados en todo el mundo, cuenta con varias aplicaciones que permitirán la creación de la PCB, desde la captura del esquemático, hasta la generación de los ficheros de fabricación, como novedad incluye un modo colaborativo con el que varias personas podrán trabajar sobre el mismo proyecto. La captura del circuito es parecida a lo que hemos visto en OrCad, constará en buscar los componentes en las librerías y emplazarlos en la zona de trabajo para construir el circuito, contando con la peculiaridad de que a la hora de elegir los componentes podrán verse las características de los distintos fabricantes, pudiendo también construir símbolos propios. A estos se les dará valores para poder llevar a cabo la simulación, en la que se podrá elegir entre distintos análisis pudiendo visualizarlos en la misma página, pero en distintas gráficas, lo que ayudará a la hora de comprobar los valores. Para el diseño de la PCB se deberán importar los componentes utilizados en el circuito, emplazarlos y rutar la placa, tareas que serán facilitadas por las herramientas que proporciona Altium, como el emplazamiento interactivo o ayudas al rutado manual, contando con autorutado entre ellas. El manejo de Altium es sencillo e intuitivo, las interfaces que utiliza son claras, como se puede ver en las figuras 3 y 4, aunque no se puede cambiar el idioma del programa, pudiendo presentar dificultades. El uso general es parecido al programa visto anteriormente OrCad, con alguna peculiaridad a la hora de manejar las librerías o crear componentes nuevos. La versión completa solo se encuentra disponible para Windows, pero cuenta con un programa de diseño en la nube, para que los usuarios de Linux y MacOS puedan acceder a sus servicios. La licencia estándar recibe el nombre de Altium Designer, cuenta con un entorno completo para el diseño de PCB, si se quiere utilizar las funcionalidades de diseño del esquemático, simulación y una amplia librería de componentes, sería necesario adquirir también la licencia Altium Designer System Engineering. Ambas están pensadas para un uso profesional, contando con una versión de prueba gratuita de 15 días duración, en los que se podrá hacer uso de todas las funcionalidades. Altium también cuenta con licencias especiales para estudiantes, que tendrán limitadas las funcionalidades y pasarán por un proceso de renovación cada 6 meses, estas versiones también son de pago y para poder acceder a ellas la universidad tiene que estar asociada en el programa de Altium. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 19 Interfaz Gráfica FIGURA 3 Altium Schematic Capture FIGURA 4 Altium PCB Layout Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 20 2.2.3. NI MultiSim [5] MultiSim es un potente software para el diseño electrónico, cuenta con uno de los mejores simuladores SPICE del mercado, acompañado por una interfaz intuitiva que permitirá realizar un proyecto completo. El programa cuenta con distintas aplicaciones integradas que permitirán realizar todas las tareas de diseño, facilitando así la transferencia de archivos entre la captura del circuito y el diseño de la PCB. Es un programa versátil, con un entorno interactivo que permite tanto un uso a nivel profesional, como un uso a nivel educativo, para lo que fue diseñado. Entre sus utilidades, se pueden destacar la simulación interactiva, que facilita la corrección de errores en el circuito y ayuda a la elección de los elementos que lo componen y una interfaz, que posibilita el intercambio de información entre los instrumentos virtuales y los reales, siempre que sean de la marca National Instruments. La captura del circuito se realiza de manera similar a como hemos visto en los programas anteriores, la simulación en este caso es algo distinta, ya que se podrán añadir al circuito los elementos necesarios para llevarla a cabo, como osciloscopios, multímetros u otros para poder medir las magnitudes del circuito. La interfaz con la que contarán estos aparatos es la visión que tiene el dispositivo de manera real, contando con las mismas características, se puede ver el ejemplo en la figura 5, esto facilita el aprendizaje del material del laboratorio, para cuando se hagan mediciones de circuitos reales. El diseño de la PCB también es similar a los otros programas estudiados, la interfaz se ve en la figura 6, contando que al tener todas las aplicaciones integradas es muy sencillo transferir los componentes utilizados para crear el circuito a la placa. Para su diseño se deben emplazar los componentes y rutar la placa, Multisim cuenta con ayudas para estas tareas, pudiendo definir espaciado entre los componentes, distintos anchos de pista para cada red o un autorutado en el que se podrán parametrizar las características (ángulos, capas, espaciado entre pistas…) MultiSim podrá ser utilizado por ordenadores con Windows y solo contará con un tipo de licencia en la que habrá dos versiones, una profesional, sin ningún tipo de restricción y una educativa, con limitaciones en las funcionalidades, ambas de pago. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 21 Interfaz Gráfica FIGURA 5 NI Multisim FIGURA 6 NI Multisim PCB Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 22 2.2.4. DipTrace [6] DipTrace es una aplicación de software CAD utilizada para diseñar esquemáticos y crear placas de circuito impreso. En su página oficial hacen gala de que cuenta con una interfaz de usuario sencilla, intuitiva y multilenguaje, de que ofrecen características profesionales a un precio razonable y que, a diferencia de otros programas, tiene compatibilidad. El programa tiene 4 módulos con los que se podrán realizar los diseños, estos son: captura del esquemático, diseño de PCB, editor de componentes y editor de patrones, a diferencia de los programas ya estudiados, DipTrace carece de simulador de circuitos. Un punto para destacar de DipTrace es uno de sus lemas, en todos sus módulos la interfaz de usuario es sencilla e intuitiva, como se puede ver en las figuras 7 y 8, cuenta con los botones justos sin llenar la pantalla y estos tienen imágenes autoexplicativas y ofrecen ayudas con las acciones disponibles lo que ayuda a usuarios principiantes. La captura de esquemas se realiza de igual manera que en los programas ya vistos, con la peculiaridad de que ya se encuentra desplegado el menú de librerías con los componentes cargados y distintos filtros para agilizar la búsqueda, al seleccionar un dispositivo se ofrece una previsualización del diseño tanto del componente en el circuito como de la huella en la PCB. Una vez creado el circuito DipTrace no cuenta con simulador, pero ofrece gran compatibilidad para poder importar el fichero creado con el formato de otros simuladores como Altium, OrCad, KiCad, esta compatibilidad se mantiene con todos los archivos que puede generar el programa como componentes individuales, archivos de PCB o para los archivos de fabricación. Para diseñar la PCB a partir del circuito creado basta con darle a un botón con lo que el programa convertirá el archivo, abrirá el módulo de PCB Layout y generará las hullas de los componentes utilizados. Una vez se tienen los componentes, se emplazan y se ruta la placa. A diferencia de los otros programas, DipTrace no ofrece apenas utilidades para facilitar estas tareas, cuenta con un resaltamiento de la ruta mientras se traza y un autorutado, que no consigue buenos resultados. Los sistemas operativos con los que es compatible DipTrace son Windows, Linux y MacOS. Cuenta con 4 licencias distintas, que se adaptarán al uso que se le quiera dar a la aplicación, cuyo precio variará si se utilizan de manera profesional o en el ámbito educativo. La licencia completa no tiene restricciones de ningún tipo, siendo su precio el más elevado, mientras que las licencias extendida y estándar, verán reducido el número de pines y capas utilizables gradualmente, terminando en la versión lite, la más limitada de todas. También cuenta con versiones gratuitas, donde el número de pines y capas está muy limitado. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 23 Interfaz Gráfica FIGURA 7 DipTrace Schematic FIGURA 8 DipTrace PCB Layout Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 24 2.2.5. KiCad [1, 2, 7] KiCad es un software desarrollado para el diseño y creación de PCB´s, que cuenta con herramientas para la captura del esquemático, su simulación y el posterior diseño de la placa de circuito impreso. KiCad es una aplicación de software libre, su desarrollo viene por parte de la comunidad, destacada por ser una de las más grandes dentro de las aplicaciones de este tipo (Open Source), por lo que recibe constantes actualizaciones con corrección de errores y las mejoras más solicitadas por los usuarios. Su interfaz es sencilla y todas las herramientas cuentan con texto de ayuda, lo que facilita el aprendizaje. Ofrece compatibilidades con otros programas para facilitar el intercambio de información y muchas funcionalidades que ayudarán en el desarrollo de los proyectos. La captura del circuito electrónico, figura 9, se realiza de manera similar a como hemos visto en los programas anteriores, ofrece las herramientas más utilizadas en barras de acceso rápido para agilizar el trabajo. Una funcionalidad que destacar es que cuenta con una herramienta para anotar los nombres de los símbolos de manera automática. El simulador es uno de los puntos débiles, se encuentra en las primeras fases de desarrollo y simular circuitos con dispositivos complejos se vuelve algo más complicado que con los otros programas que hemos visto. En cuanto al diseño de la PCB, figura 10, se deben asignar huellas a cada componente utilizado para poder importar el archivo generado y diseñar la placa. El diseño es análogo a los programas ya estudiados, en este caso KiCad ofrece múltiples herramientas que facilitarán el desarrollo: emplazamiento automático que ofrece ideas para emplazar los componentes, rutado interactivo en el que se desplazan las rutas que no respeten el espaciado introducido, se mueven o rodean los componentes para respetar las reglas de diseño, resaltamiento de las rutas que se están trazando, posibilidad de establecer distintas anchuras para cada red de la placa. KiCad ofrece muchas facilidades en todos los puntos del diseño de una PCB, a mayores cuenta con un convertidor de imágenes a huellas para introducirlas en las placas, una calculadora de componentes y un visualizador de archivos Gerber. KiCad podrá ser utilizado con múltiples sistemas operativos Windows, MacOS, Linux, Ubuntu, entre otros. Al ser una aplicación Open Source, su descarga y utilización es gratuita, sin licencias, pudiendo ser utilizada con cualquier propósito, profesional, educativo o simplemente por aficionados a la electrónica. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 25 Interfaz Gráfica FIGURA 9 KiCad Eesquema FIGURA 10 KiCad PcbNew Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 32 2.4. Tabla comparativa Tabla 1 Comparativa Funcionalidades Tipo de licencia Sistema Operativo Captura y simulación de circuitos Diseño PCB Captura circuitos y Diseño PCB Ciclo completo Profesional Académica Windows MacOs Linux Otros Pago Gratis Pago Gratis OrCad ✔ ✔ ✔ (15 días) ✔ ✔ Altium ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ NI MultiSim ✔ ✔ ✔ ✔ DipTrace ✔ ✔ ✔(30 días) ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ KiCad ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ FreePCB ✔ ✔ ✔ ✔ CircuitMaker ✔ ✔ ✔ LTspice ✔ ✔ ✔ ✔ Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 33 2.5. Conclusión y decisión final A la vista del análisis y estudio realizado sobre los programas, se pueden observar las similitudes entre ellos a la hora de realizar las principales acciones de captura del esquema o de diseño de la PCB, si bien, se aprecian claras diferencias entre unos y otros a la hora de aportar herramientas que faciliten dichas tareas como las ayudas al rutado, en el emplazamiento de los componentes o simplemente un anotador de símbolos automático. Una desventaja que encontramos en DipTrace, CircuitMaker, FreePCB y LTspice, es que no podremos ejecutar el ciclo de diseño completo, captura de circuito, simulación de este, diseño de PCB y creación de ficheros de fabricación. DipTrace y CircuitMaker carecen de simulador, FreePCB solo nos vale para el diseño de PCB y LTspice como capturador y simulador de circuitos. Esta falta de utilidad se podría suplir entre ellos, por ejemplo, se puede utilizar CircuitMaker/ DipTrace como programa principal y LTspice como programa de apoyo para realizar las simulaciones, o LTspice para capturar y simular el circuito y luego crear la PCB en FreePCB. Esta idea se ha rechazado debido a que hay programas que incorporan todas las utilidades en un mismo espacio, con lo que se ahorra el tener que descargar dos programas distintos y que para los alumnos supondría más carga el aprender a manejar dos programas en profundidad para poder desarrollar proyectos con soltura. Descartando estos cuatro programas como herramientas principales nos quedan OrCad, Altium, NI Multisim y KiCad, todos son programas muy completos que cuentan con todo tipo de herramientas para poder llevar a cabo un diseño de PCB satisfactorio, consiguiendo muy buenos resultados, es cierto que hay diferencias entre ellos, por lo que vamos a empezar a tratarlas. Un punto por tratar, son las licencias, OrCad, Altium y NI MultiSim son programas con licencia de pago, el principal sector al que se dirigen es el profesional, por lo que los precios de las licencias son elevados. Es por este motivo, por lo que trabajan para ofrecer las mejores prestaciones y las funcionalidades necesarias con las que conseguir el programa de diseño de PCB´s más completo. Cuentan con interfaces claras e intuitivas, actualizaciones constantes con corrección de errores, aumento de componentes en las bibliotecas o adición de funciones nuevas que mejoren la herramienta. Como son programas con un alto valor por licencia, los usuarios esperan que ese precio se vea reflejado en la experiencia de usuario, que cuente con las últimas tecnologías de diseño y se ofrezca una buena operabilidad. Desde un punto de vista académico, estos programas lograrán satisfacer todas nuestras peticiones y requisitos, pero normalmente estas licencias solo se pueden descargar en un equipo, por lo que el alumno se vería obligado a tener que acceder a los equipos del centro cada vez que quiera editar su proyecto, lo que plantearía problemas por los horarios de apertura de aulas, por movilidad, a alumnos que no Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 34 residan en la misma ciudad donde cursan sus estudios o por demasiada afluencia en fechas próximas a las entregas de proyectos. Una alternativa es que estos mismos programas cuentan con licencias Académicas, en las que se recuerda que no pueden utilizarse de manera profesional, solo en el ámbito educativo por alumnos y profesores. Este tipo de licencias tienen limitaciones de uso, pueden tener el espacio de trabajo reducido, el número de componentes a utilizar limitado, o incluso funcionalidades limitadas, como es el caso de alguno de los programas. Dichas licencias no son gratuitas, si no que requieren de un pago para poder utilizarlas, a pesar de contar con limitaciones y estar ideadas para un uso educativo. Con este tipo de licencias, se podrían realizar múltiples proyectos y llevar a cabo una introducción al sector del diseño de PCB´s a los alumnos. Cuentan con las funcionalidades y características suficientes como para dar explicaciones detalladas y poder desarrollar proyectos por parte de los alumnos a modo de prácticas, con el fin de afianzar una base y ofrecer una buena experiencia. En este caso, como ya se ha mencionado, las licencias académicas de los programas elegidos no son gratuitas, requieren un pago por cada licencia y solo es válida para un dispositivo, es decir, la problemática planteada es la misma que con el otro tipo de licencias, se tendría que dar de alta en un ordenador que pudieran utilizar varios alumnos. Estos son algunos de los inconvenientes que presentan estas licencias, que se deberán tener en cuenta a la hora de la elección. Programas como OrCad o DipTrace cuentan con versiones gratuitas sin limitaciones en cuanto a las funcionalidades. OrCad Trial es una licencia que podrá ser utilizada durante un plazo máximo de 15 días, en el caso de DipTrace, el tiempo de uso es de 30 días. Este tipo de versiones están pensadas para que las empresas del sector puedan probar los programas y ver si estos satisfacen sus necesidades. En el ámbito educativo, al tener un tiempo de uso tan limitado, se podrían utilizar para dar cursos intensivos, conocer las funcionalidades de este tipo de programas y llevar a cabo una introducción en el sector, pero debido a la limitación temporal no son válidas para poder impartir una asignatura en su totalidad. Por otro lado, tenemos los programas totalmente gratuitos, de código abierto (Open Source), entre los analizados se encuentra KiCad. KiCad es un programa desarrollado por la comunidad con múltiples herramientas con las que se podrá realizar el diseño completo de una PCB. Respecto a sus funcionalidades, tanto el diseño del circuito electrónico como el de la placa son de gran calidad, mencionar que el simulador es algo básico, válido para la simulación de circuitos simples con componentes sencillos, pero falto en potencia para circuitos que cuenten con componentes complejos, en este caso se podrá utilizar LTspice como simulador de apoyo, dado que KiCad permite importar el circuito con el formato de otros programas, sin tener que construirlo de nuevo. El programa cuenta con actualizaciones constantes, extensas bibliotecas de componentes ampliables a elección del usuario aplicaciones para el cálculo de componentes o la conversión de archivos. Al ser gratuito, cada alumno podrá Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 35 descargarlo en su equipo propio, pudiendo llevarlo al aula para impartir las asignaturas y a la vez tenerlo en casa para completar los proyectos fuera de horario o aprender por simple curiosidad. Otro punto son los requisitos de los programas, se deberá tener en cuenta el sistema operativo donde podrán utilizarse, todos los analizados son aptos para su uso con Windows, en todas sus versiones, en el caso de ordenadores Mac OS o Linux, las posibilidades se reducen, contando con un menor número de programas. En el caso de elegir un programa como OrCad o NI Multisim, que no cuenta con soporte en MAC OS se podría plantear un problema, debido a que este sistema operativo es muy amplio y podríamos encontrarnos con alumnos que contasen con dispositivos Mac OS a los que el programa no da soporte, teniendo que utilizar máquinas virtuales que reducen mucho la potencia de los dispositivos. En función del estudio y el análisis de los puntos desarrollados anteriormente, se llega a la conclusión de que la herramienta más completa y que más se adecua a nuestra situación y uso es KiCad. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 36 Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 37 3. PROGRAMA ELEGIDO. KICAD. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 38 3.1. Introducción Dada la gran cantidad de opciones que se encuentran disponibles en el mercado actual, en materia de software de simulación EDA, es lógico que las grandes desarrolladoras estén centradas en producir el mejor software con las mejores prestaciones y funcionalidades, para poder competir y optar a ser la herramienta elegida por los diseñadores. Esta competitividad beneficia al usuario, ya que podrá encontrar múltiples opciones que satisfagan sus requisitos y se encuentren dentro de sus posibilidades. La importancia que han adquirido las herramientas de simulación y diseño electrónico es muy elevada, las empresas del sector que se dedican al diseño y fabricación ven reducidos sus costes, dado que se pueden hacer multitud de pruebas y diseños, depurando los errores en los proyectos antes de su fabricación. Hoy en día, tampoco se concibe la explicación de materias de electrónica o electricidad sin estas herramientas, facilitan mucho la enseñanza y permiten un aprendizaje basado en proyectos desarrollados por los alumnos, lo que aporta una gran cantidad de conocimientos tanto de la materia como del uso del software. En función del estudio realizado sobre una amplia muestra de software, este punto se centra sobre la herramienta elegida, KiCad. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 39 3.2. KiCad KiCad es un proyecto iniciado y desarrollado en 1992 por JeanPierre Charras, desde su inicio, KiCad ha sido diseñado como un programa Open Source, es decir, su código está abierto a todos los usuarios y hace que sea un software gratuito. El programa, continua en desarrollo gracias a una comunidad denominada KiCadDevelopers Team. Las decisiones acerca de la evolución de la aplicación se toman teniendo en cuenta las peticiones y preferencias de los usuarios, se estable un debate constante en el foro oficial del programa, donde se pueden añadir errores o peticiones. Esta comunicación tan estrecha con la comunidad de usuarios hace que la aplicación reciba mejoras periódicas cada poco tiempo y se mantenga en constante actualización, solventando errores, añadiendo utilidades o mejorando las que ya tiene, lo que permite contar al programa con los últimos avances tecnológicos del sector. Principalmente la financiación de KiCad se realiza mediante donaciones voluntarias de usuarios y colaboraciones con empresas, en 2013 la sección del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) denominada BE-CO-HT comenzó a aportar recursos con el fin de mejorar KiCad, fomentando con ello el desarrollo de hardware abierto para posicionarlo a la altura de las herramientas comerciales. El CERN tiene intenciones de seguir contribuyendo con KiCad para futuros desarrollos de la aplicación. Las colaboraciones en KiCad reciben el nombre de patrocinios, distinguiendo entre distintos niveles en función de la colaboración, entre los más importantes patrocinadores se puede destacar a Digi-Key Electronics, el CERN, GleSYS, SoftPLC, Arduino, Rapsberry Pi y Weblate. También tienen acuerdos con empresas dedicadas a la producción de las PCB´s en grandes y pequeños lotes y a la venta de componentes electrónicos. El entorno de KiCad ha ido evolucionando, contando en la actualidad las siguientes funcionalidades bien diferenciadas: • KiCad: explorador de documentos y proyectos. • Eesquema: editor de esquemáticos y componentes. • PSpice: simulador de circuitos analógicos y digitales. • CvPcb: selector de huellas de componentes. • PCBCalculator: calculadora de componentes, anchos de pistas, espaciados. • PcbNew: entorno de diseño de placas de circuito impreso (PCB). • GerbView: visualizador de archivos Gerber. • PageLayoutEditor: editor del diseño de la página. • Bitmap to componen converter: convertidor de mapas de bits en símbolos o huellas. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 40 FIGURA 14 Pantalla Inicial Desde el menú inicial, visto en la figura 14, se podrá acceder a la mayoría de las funcionalidades, al Eesquema, editor de símbolos, PcbNew, CvPcb, GerbView, Bitmap converter, PCBCalculator, y al PageLayoutEditor. Habrá algunas aplicaciones, como el simulador PSpice, que se encontrarán en submenús, por lo que no tendrán acceso desde la parte externa de la aplicación. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 41 3.3. Aplicaciones En este punto se desarrolla un manual sobre el programa, se explicarán las aplicaciones y sus principales funcionalidades, comentando las herramientas y facilidades de uso que proporcionan. 3.3.1. Explorador de documentos y proyectos Primeramente, se explica las funciones del explorador de documentos, esta aplicación estará en continuo funcionamiento en cada utilización del programa. Las opciones que muestra dependerán de la aplicación que esté en uso en ese momento. En la pantalla inicial, Figura 15, se encuentran distintas pestañas, desde estas se podrán realizar distintas acciones como: crear un proyecto, abrir uno ya existente, importarlo desde otro programa, comprimir o descomprimir proyectos y salir del programa. También se podrán inicializar las distintas aplicaciones, seleccionar el idioma del programa, administrar las bibliotecas de símbolos y huellas, modificar ajustes generales del programa o acceder a la ventana de ayuda. En esta, se podrán encontrar varios manuales sobre la utilización del programa, una lista de atajos y una ventana con información acerca de KiCad. FIGURA 15 Explorador de documentos y proyectos Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 48 3.3.6. PcbNew PcbNew es la aplicación de diseño de placas de circuito impreso que integra KiCad. En esta aplicación pueden crearse las PCB´s desde dos puntos de partida, se puede diseñar la placa de cero, añadiendo las huellas de los diferentes componentes que se quieran introducir para luego rutar la placa, la otra opción consiste en capturar primero el esquema del circuito con Eesquema, asignando a cada componente utilizado una huella con el fin de generar el netlist del circuito. Una vez se tiene el netlist, se ejecuta la aplicación PcbNew y se actualiza a partir del esquema, utilizando el botón que realiza dicha acción, con lo que aparecerán en la zona de trabajo las huellas de los componentes elegidos en el diseño del circuito, permitiendo emplazarlos y rutarlos con total libertad. Una vez rutada la placa, se podrán añadir serigrafía, bordes y taladros para completarla y poder generar los archivos necesarios para su fabricación. Esta aplicación no cuenta con rutado automático, que se introducirá en futuras actualizaciones, por lo que se tendrán que utilizar aplicaciones de terceros para ello. En este caso, la recomendación es la aplicación FreeRouting, forma parte de un conjunto de aplicaciones gratuitas desarrolladas para dar soporte, su utilización es muy sencilla, solo se tiene que exportar el archivo con los componentes emplazados al programa en cuestión, y en este seleccionar las configuraciones y los parámetros con el que se efecturá el rutado automático. Una vez realizado, se gurda el archivo y se importa a KiCad para continuar con el proceso de diseño. Como en las anteriores aplicaciones, en la figura 20 se puede ver que la interfaz se basa en una zona de trabajo central rodeada de barras de herramientas que permitirán realizar las distintas acciones. En la barra lateral izquierda se encuentran las acciones relacionadas con la zona de trabajo: • Deshabilitar las reglas de diseño. • Opciones de puntero y cuadrícula. • Mostrar/Ocultar conexiones: para facilitar el rutado. • Mostrar/Ocultar zonas de relleno, pads, vías, pistas y administración de capas. En la zona derecha cuenta con el administrador de capas de diseño y elementos, junto con la barra de herramientas de diseño con: • Selector: permite seleccionar los distintos componentes. • Opciones de resaltado de redes y conexiones. • Botones para añadir huellas, pistas, vías, zonas de relleno y zonas restringidas. • Botones para añadir líneas gráficas y texto, dimensiones, marcas. • Eliminar, medir distancia y situar orígenes. En la zona superior se encuentra la barra de herramientas con las acciones principales y las distintas pestañas de opciones. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 49 FIGURA 20 PcbNew En la barra se muestran las acciones de guardado, ajustes e impresión, también las opciones de zoom y búsqueda de componentes, junto con el editor y visor de huellas. En la zona final se puede cargar netlist, actualizar desde Eesquema o comprobar las reglas de diseño, también está la opción de seleccionar la capa actual, mostrar la capa activa o abrir Eesquema. En cuanto a las pestañas de opciones cuenta con: • Archivo: tiene las opciones de administración, como guardar, imprimir, archivos de fabricación, ajustes, entre otras. • Editar: cuenta con las acciones de edición • Ver: se podrá administrar las barras de herramientas, ejecutar el visor 3d, modificar las opciones de la cuadrícula y del zoom. • Añadir: permite añadir huellas, pistas, vías, texto. • Enrutar: permite elegir entre pista única o doble y ajustar las opciones del rutado interactivo que añade ayudas a la hora de rutar la placa. • Inspeccionar: para comprobar las reglas de diseño, medir o listar las redes. • Herramientas: para actualizar la placa desde un circuito, cargar un netlist • Preferencias: permite seleccionar los distintos tipos de herramientas que se utilizan para rutar, configurar los pads y administrar las librerías. • Ayuda. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 50 FIGURA 21 GerbView FIGURA 22 Bitmap 3.3.7. GerbView Esta aplicación permite visualizar archivos Gerber, es decir, los archivos de fabricación de las PCB´s, para ello será necesario cargar archivos guardados, o los generados en el propio proyecto. Esta aplicación permitirá visualizar los archivos, medir distancias y seleccionar las distintas capas para ver los elementos contenidos en cada una, su interfaz se ve en la figura 21. 3.3.8. Bitmap Esta aplicación permitirá convertir una imagen en un componente para introducir en una placa de circuito impreso, útil para introducir logos en las placas o cualquier otro tipo de imágenes. Se podrá elegir el formato de salida, Eesquema, PcbNew, Postscript o Logotipo, y la capa donde se situará la imagen, la figura 22 refleja el interfaz de la aplicación. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 51 FIGURA 23 PCBCalculator 3.3.9. PCBCalculator Esta aplicación es muy útil, ya que permite realizar cálculos de diferentes componentes, en la figura 23 se puede ver que cuenta con 7 pestañas en función de los diferentes parámetros que puede calcular: • Reguladores: calcula los parámetros de un regulador de tensión con dos resistencias, introduciendo tres de los cuatro valores: tensión de referencia (obligatorio), tensión de salida y las dos resistencias, se calculará el cuarto valor. Cuenta en la parte inferior con la fórmula que sigue y tiene la posibilidad de guardar el regulador calculado para añadirlo a circuitos. • Ancho de pista: en función de la intensidad, temperatura, longitud del conductor y resistividad, calcula el ancho de pista haciendo distinción entre capas externas e internas. • Espacio eléctrico: calcula el espaciado entre líneas de rutado en función del voltaje. • TransLine: para calcular los distintos tipos de líneas de transmisión. • Atenuadores RF: permite calcular los valores de las resistencias de los distintos tipos de atenuadores de señal en función de las impedancias de entrada y salida y la atenuación elegida. • Código color: muestra el código de colores seguido por las resistencias. • Clases de placas: muestra las clases de placas distintas con las medidas mínimas. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 52 FIGURA 24 Page layout Editor 3.3.10. Page Layout Editor Permite editar los planos que aparecen en el fondo de las aplicaciones, esta aplicación es de interés para generar los planos de fabricación, dado que se podrá adaptar en función de los distintos tamaños, se puede ver el interfaz de la aplicación en la figura 24. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 53 3.4. Desarrollo completo de una PCB El proceso de diseño de una placa de circuito impreso comienza por crear el proyecto en el software KiCad, una vez abierto, el primer paso será inicializar el Eesquema, el editor de circuitos electrónicos. En Eesquema se comenzará por escoger los dispositivos que compondrán el circuito, con la función “Añadir Símbolo” se buscan los componentes y se sitúan en la zona de trabajo. Una vez emplazados en el sitio correcto, con la herramienta “Añadir línea” o “Añadir Bus” se unen los dispositivos formando el circuito, si es preciso se añaden etiquetas, puntos de alimentación u otros elementos necesarios para completarlo. Seguidamente se deben enumerar y especificar el valor de los componentes, esta acción puede realizarse manualmente, clicando dos veces en el dispositivo se abrirá el menú “Propiedades de símbolo”, donde se podrán editar los campos de nombre, valor, referencias de footprint y el modelo Spice (útil para la simulación). La numeración puede realizarse de manera automática, con el botón de la barra superior “Anotar símbolos del esquema”, que enumerará los componentes en el orden elegido por el usuario. Cuando se haya capturado el circuito, el siguiente paso es simularlo, para ello se ejecuta el PSpice. Se podrá elegir entre distintos tipos de simulaciones, barrido de AC, barrido de DC, simulación transitoria o una simulación personalizada, en cada tipo será necesario especificar los parámetros de simulación para que esta se pueda llevar a cabo. Una vez seleccionado el tipo de simulación e introducidos los valores, la simulación se podrá ejecutar, apareciendo una gráfica en pantalla sobre la que se plasmarán las señales designadas por el usuario. Esta selección podrá hacerse bien pulsando sobre “Añadir señales” o bien eligiendo los puntos en el circuito con la “Sonda”. En el aparatado “Cursores” aparecerá el valor de la señal en función de la posición del cursor en la gráfica. Como funcionalidad añadida, con el botón “Ajustar” se podrán elegir dispositivos del circuito como resistencias o condensadores, con la finalidad de variar sus valores y comprobar el comportamiento de esta variación sobre la simulación. Si se selecciona el tipo de simulación personalizada, se deberán introducir los parámetros de la simulación con comandos propios de SPICE, pudiendo optar a introducir en la simulación nuevos parámetros como la temperatura, pulsos, incremento de valores para los dispositivos. Estos comandos también se podrán introducir como texto en el propio esquema del circuito con lo que al ejecutar la simulación se realizará de manera automática. Para poder vincular el circuito creado con la aplicación de diseño de placas, PcbNew, es necesario asignar una huella a cada componente, esta acción se realiza pulsando sobre el botón “Asignar huellas a símbolos de esquema”, una vez asignadas todas las huellas se genera el listado de redes, netlist, con el que se podrá enlazar el circuito creado con diferentes aplicaciones de diseño de Pcb´s, en nuestro caso se Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 54 utiliza PcbNew, pudiendo optar por otros programas como OrCad, CadStar u otras aplicaciones que se tengan descargadas. El siguiente paso es el diseño de la placa de circuito impreso con PcbNew, al ejecutarlo la zona de trabajo no contendrá componentes, por lo que la primera acción será pulsar sobre “Cargar netlist” en la barra de herramientas de la parte superior, esto abre un menú en el que se debe elegir el archivo netlist generado anteriormente, contando con opciones como, actualizar los símbolos en caso de que se cambien en el Eesquema, borrar pads múltiples, o borrar huellas extras. Al actualizar el netlist, los componentes utilizados en el circuito se dispondrán sobre la zona de trabajo, las acciones siguientes serán definir los bordes de la placa y, en función de las conexiones, emplazar los componentes para el posterior rutado de la placa. Esta aplicación cuenta con herramientas de rutado interactivo con distintos modos, pudiendo resaltar las pistas, rodear los puntos de conflicto o empujar las pistas con las que se pueda colisionar. Este rutado interactivo sigue las reglas de diseño (DRS) definidas por el usuario, en las que se indica el ancho de pistas en función de la red, espaciado entre pistas según la tensión, el diámetro de la vía, entre otras reglas. El rutado podrá hacerse en las diferentes capas establecidas para ello, siendo esto a elección del usuario. La versión actual de KiCad no cuenta con rutado automático, por lo que se deben utilizar aplicaciones externas para ello, bastará con guardar los datos del archivo y exportarlos en la aplicación adecuada. Una vez rutada la placa, para completarla se añade el texto e imágenes necesarias como logos o emblemas y se da por finalizado el proceso de diseño. Con la PCB terminada, se podrán generar los archivos de fabricación, para ello, en la pestaña “Archivo” se encuentra el submenú “Ficheros de fabricación”, desde el que se podrá generar el archivo de taladros, el listado de materiales (BOM), el netlist y el archivo de posición de huellas. Estos archivos serán los necesarios para poder fabricar la PCB de manera correcta. Para completar el proyecto se deben generar los planos, entre ellos se encuentran el plano del circuito eléctrico y los planos de las diferentes capas utilizadas en la PCB (soldadura, serigrafia, borde de la placa, máscaras). Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 55 3.5. Problemas [11] A lo largo del desarrollo de un proyecto de diseño de una placa de circuito impreso con el software KiCad, pueden surgir varios problemas. Como ya se ha mencionado, KiCad es un programa que se encuentra en continuo desarrollo con actualizaciones periódicas, por lo que muchos de los problemas que surjan se solucionarán en futuras versiones del programa. A lo largo del estudio del programa, se ha presentado un problema con el gestor de documentos, al principio no se reconocían las carpetas donde se encontraban las librerías de componentes almacenadas debido a que, en el título de una carpeta se presentaba una tilde. A raíz de esto, investigando el problema, se llega a la conclusión de que KiCad no tolera los signos ortográficos, por lo que es recomendable evitarlos o almacenar los ficheros del programa en rutas especiales que no contengan dichos signos. El principal punto débil de la aplicación es el simulador PSpice, es sencillo, con poca personalización y con problemas en las simulaciones de circuitos complejos. Este simulador proviene del Ngspice, un programa de código abierto, el cual se ha actualizado para poder introducirlo en KiCad. En el caso de tener que simular circuitos complejos, se podrá recurrir a simuladores externos como LTSpice. El problema que surge con la simulación es el hecho de que KiCad no cuenta con librerías de modelos Spice, estos modelos son los que especifican las características de los elementos y subcircuitos necesarios para llevar a cabo las simulaciones. Internamente, KiCad tiene implementadas librerías para poder ejecutar simulaciones con dispositivos comunes como resistencias, condensadores o fuentes de alimentación, pero para poder llevar a cabo simulaciones con componentes más complejos como diodos, transistores, amplificadores operacionales o puertas lógicas dichas librerías tienen que añadirse, ya que el programa no las tiene precargadas. El proceso de añadir librerías de forma externa no es sencillo, lo primero que se debe hacer es crear un archivo de texto con el nombre de “spice.rc.txt” o “spiceinit.txt”, y guardarlo en la carpeta donde se haya descargado el programa, normalmente la ruta es C:/Archivos de programa/KiCad, este archivo es necesario para garantizar la compatibilidad entre librerías internas y externas. El archivo debe contener el siguiente texto: “user provided init file Set ngbehavior=ps” Una vez introducido este archivo, se debe crear una librería con cada uno de los modelos de los dispositivos que se quieran simular, estos modelos Spice pueden ser creados por el usuario o encontrarse en internet con la búsqueda adecuada. Según mi experiencia, lo mejor es guardar las librerías en el disco C:/, con el fin de evitar posibles errores en la ruta de los archivos a la hora de buscar la librería por parte del programa. Como recomendación, se debería crear una carpeta con el Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 56 nombre LibreriasKiCad en la ruta C:/, en esta carpeta se introducirán las librerías creadas o descargadas. Para poder simular dichos dispositivos, es necesario especificar en cada componente el modelo Spice utilizado, para ello se debe acceder al menú “Propiedades de símbolo” y clicar sobre el botón “Edit Spice Model”. Esto abre una nueva ventana en la que se visualizan tres pestañas: La pestaña “Pasivo” se utiliza para componentes de tipo pasivo, resistencia, condensador e inductor. “Modelo” para componentes activos o subcircuitos, se deberá seleccionar el archivo que contenga el modelo del dispositivo en cuestión. Una vez seleccionado aparecerán las características en el cuadro de texto. Se debe prestar atención al orden en el que se encuentran definidos los parámetros, dado que tendrán que coincidir con los del dispositivo utilizado en el circuito. Un caso muy común es que no coincidan los números de los pines utilizados en el circuito con los definidos en el modelo, para solucionar esto basta con clicar en el check “Secuencia alternativa de nodo” y definir la secuencia correcta que se obtiene del footprint del componente. Por último, “Fuente” para los parámetros de fuentes de alimentación. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 57 4. EJEMPLO PRÁCTICO. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 64 FIGURA 33 PSpice FIGURA 34 Ajuste de simulación Para realizar la simulación, en la pestaña ajustes se debe especificar qué tipo de simulación seguir, para este ejercicio se elige una simulación transitoria, especificando los parámetros adecuadamente, como se ve en la figura 34. Una vez definidos, se pulsa sobre “Ejecutar” para realizar la simulación, apareciendo un fondo negro con ejes, pero sin la gráfica correspondiente y una pantalla con información relativa a la simulación en la parte baja. Para poder visualizar las señales es necesario añadirlas con el botón designado para ello, al pulsarlo aparecen todas las señales del circuito, cuando se elige una, aparece su gráfica en la pantalla. Se Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 65 FIGURA 35 Simulación del circuito pueden elegir cuantas señales se quieran con lo que irán superponiéndose en la misma gráfica. También se pueden elegir señales directamente del circuito con el botón “Sonda”, permitiendo escoger cualquier punto de interés. En el apartado “Señales”, pulsando el botón derecho, se podrá elegir “Mostrar cursor”, esta acción permite seleccionar cualquier punto de la señal cuyos valores aparecerán en el apartado “Cursores”. Este simulador cuenta con una utilidad que no tienen otros simuladores, con el botón “Ajustar” se puede elegir un componente del circuito para comprobar como varía el resultado de la simulación al modificar su valor, en el ejercicio se ha elegido una resistencia, pudiendo seleccionar varios componentes. Para mostrar la leyenda, se deberá seleccionar en la pestaña “Ver”. Todo ello puede verse en la figura 35. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 66 FIGURA 36 Asignación de huellas 4.2.3. Asignación de huellas y generación de netlist. La asignación de huellas es un proceso indispensable para poder crear la placa de circuito impreso a partir del circuito capturado, esta tarea se realiza pulsando sobre el botón “Asignar huellas a símbolos de esquema” de la barra de herramientas superior. Al pulsar, se abre el menú de asignación, figura 36, donde aparecen las librerías de huellas y los componentes del circuito. Las librerías se buscan utilizando los filtros de la parte superior, al seleccionar una librería concreta aparecen las huellas que contiene en la parte derecha, para asignar una a los componentes se debe hacer doble click sobre ella. Cuando se tienen todos los componentes con una huella asignada se guarda el archivo y puede generarse el netlist. La elección de una huella depende del componente en cuestión, en caso de no tener clara la elección se puede previsualizar la huella con el botón “Mostrar huella seleccionada”. Para este ejercicio las huellas seleccionadas son SMD para condensadores y resistencias, DIP 8 para el NE555 y un conector doble para la fuente de alimentación. El netlist o listado de redes es el archivo que contiene la información de las conexiones y dispositivos necesaria para poder crear la PCB, se genera con el botón “Generar listado de redes”. Al pulsarlo, se abre un menú en el que se elige la aplicación PcbNew, esto hace que el archivo netlist se cree con el formato adecuado para dicha aplicación, una vez generado se guarda en la carpeta del proyecto. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 67 FIGURA 37 Carga del netlist FIGURA 38 Componentes de la placa 4.2.4. Diseño de PCB Para el diseño se utiliza la aplicación PcbNew, al ejecutarla la zona de trabajo aparece sin huellas, por lo que se debe cargar el netlist generado a partir del circuito creado. Esta acción se realiza con el botón “Load netlist”, que abre un menú, reflejado en la figura 37, donde se tendrá que seleccionar el archivo generado en el apartado anterior. Cuando se carga el archivo, en la zona de trabajo aparecen los dispositivos de forma desordenada, con líneas que los unen, puede apreciarse en la figura 38, estas líneas son las conexiones establecidas en el circuito, que se proporcionan a modo de ayuda para facilitar el emplazamiento y el rutado. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 68 FIGURA 39 Disposición de componentes FIGURA 40 Rutado completo Una vez cargados los componentes se debe trazar el borde de la placa, para establecer los límites y colocar los componentes dentro. Lo siguiente es llevar a cabo el emplazamiento de los componentes, para esto hay que tener en cuenta las conexiones entre los dispositivos, el espaciado entre ellos y el tamaño de la placa. La disposición de los componentes puede ser diferente para cada diseñador, la idea principal es que el resultado sea ordenado y fácil de rutar. KiCad a diferencia de otros programas, cuenta con un emplazamiento automático, esta utilidad proporcionará una solución al emplazamiento de los componentes, si bien cada diseñador tiene sus reglas para ordenar los componentes, esta utilidad podrá ser utilizada para proporcionar ideas de emplazamiento. En este ejercicio, el resultado al que se ha llegado es el de la figura 39. Con los componentes ya emplazados se puede proceder al rutado, esta acción se puede realizar en una sola capa de soldadura o en dos capas, en este caso solo se ha realizado en la capa superior de manera manual, como puede verse en la figura 40. KiCad cuenta con herramientas interactivas muy útiles que facilitan el rutado. Para llevar a cabo un rutado automático será necesario utilizar aplicaciones externas, para KiCad, una aplicación gratuita que funciona de forma correcta es FreeRouting. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 69 FIGURA 41 Ajustes de la placa FIGURA 42 PCB completa Para llevar a cabo todo el procedimiento se registran las reglas de diseño que se deben cumplir, en estas se disponen el espaciado mínimo entre las propias pistas, con los bordes y con los pads, los tamaños de las pistas y pads, también se pueden definir redes, como la red que conecta a GND, con la posibilidad de establecer distintos anchos de pista predeterminados para cada red. A este menú, figura 41, se accede desde la pestaña “Archivo” en la opción “Ajustes de placa”. A la placa también se le pueden añadir imágenes, se deben convertir a huella como si fuesen un componente más. Esta conversión se realiza con la aplicación Bitmap, una vez convertida, la imagen se debe guardar en la carpeta de las librerías de huellas, cuya ruta es C:\Program Files\KiCad\share\kicad\modules\LogosH.pretty, siendo esta última carpeta una creada por el usuario. (la extensión .pretty, es necesaria). En este caso se añade el logo de la universidad, figura 42. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 70 FIGURA 43 Ficheros de fabricación 4.2.5. Archivos de fabricación Una vez terminada la placa, se procede a generar los archivos de fabricación, KiCad ofrece muchas facilidades para ello. Desde la aplicación PcbNew, en la pestaña “archivo”, se puede acceder al submenú “Ficheros de fabricación” donde se podrá elegir el tipo de fichero que se quiera descargar, entre ellos están los archivos de posición de huellas, archivos de taladros, informe de huellas, archivo de listado de redes y el listado de materiales, como se ve en la figura 43. Cada uno tendrá un menú para elegir las unidades en las que se generará el archivo (milímetros o pulgadas), el formato u otras posibles opciones. Con estos archivos generados, se pueden elaborar los planos y fabricar la placa de circuito impreso diseñada. Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 71 5. CONCLUSIONES Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 72 5.1. Conclusiones Este trabajo surge de la necesidad de encontrar un software actualizado para su utilización en el ámbito educativo, debido a que proporciona numerosas ventajas como mejoras en las funcionalidades de los programas, mayor facilidad de entendimiento y un posible uso de estas herramientas de manera profesional al terminar los estudios, dado que como hemos visto, los programas son parecidos entre sí y el aprendizaje de uno sirve como base para conocerlos todos. Con el estudio realizado a los programas seleccionados, se han adquirido los suficientes datos como para poder elegir, en función de la comparativa realizada, el programa que satisfaga de mejor manera las especificaciones planteadas, llegando a la conclusión de que la herramienta más completa y que más se adecua a nuestra situación y uso es KiCad. La elección de este programa se debe a que cuenta con unas aplicaciones que permiten realizar el ciclo de diseño completo y ofrecen muy buen resultado a la hora de diseñar PCB’s. Al ser gratuito nos soluciona el problema de uso por licencias, por lo que todos los alumnos podrán descargar el programa en sus ordenadores personales y trabajar en casa si lo necesitan. Ofrece compatibilidad con todo tipo de sistemas operativos y lenguajes y es un programa que sirve de base para conocer el diseño de PCB con otros programas que puedan utilizarse. La gran comunidad de usuarios hace que en la red existan múltiples guías y tutoriales para conocer la aplicación, un foro oficial donde consultar cualquier duda o problema que surja y un conjunto de desarrolladores que se fijan en las sugerencias de la comunidad a la hora de implantar mejoras o corregir errores. Con la utilización de KiCad y el desarrollo de un ejemplo se obtiene un planteamiento real sobre las ventajas y desventajas que ofrece. Concluyendo en que es un buen programa que contiene todo lo necesario para utilizarse en el ámbito educativo e introducir a los alumnos en el diseño electrónico. El programa también presenta algún inconveniente, pero se ha trabajado para poder solucionarlos buscando vías de desarrollo alternativas para llevar a cabo un diseño satisfactorio, la utilización del programa LTspice para las simulaciones más complejas o el uso del programa FreeRouting para un rutado automático son un ejemplo. El desarrollo de este proyecto me ha servido para reforzar mis conocimientos acerca del diseño electrónico, conocer distintos programas dedicados al sector y aumentar mis capacidades de búsqueda de información. Para poder realizar la investigación y el estudio sobre cada aplicación he descargado las versiones de prueba gratuitas para probarlos, investigado y preguntado en foros de electrónica para conocer más a fondo las aplicaciones. He seguido guías y tutoriales para llevar a cabo un proceso de aprendizaje sobre Estudio comparativo de software para diseño, simulación y fabricación de placas de circuito impreso. HUGO HERNANDEZ LUELMO 73 estas como si fuese un alumno más y conocer las dificultades que se pueden plantear en el uso de estos programas. En este informe no se ven reflejadas las horas de estudio sobre cada programa y la investigación en los foros o consultas, sobre todo con los problemas que surgen de la simulación con el programa KiCad.