130а. Как читать принципиальную схему: обозначения, цепи, листы

В разделе 130 плата разобрана как изделие: слои, развязка, кварц, ширина дорожек. Но прежде чем разводить свою плату или подключать что-то к чужой, приходится читать схему — свою, отладочной платы или модуля. Здесь — как это делать: что означают значки и буквы, как схема говорит, что два вывода соединены, как устроены многолистовые схемы и как найти, куда на самом деле идёт нужный вывод. Пример — настоящая схема платы Nucleo-64 и своя маленькая схема узлов вокруг микроконтроллера.

Опоры: ГОСТ 2.701-2008 и ГОСТ 2.702-2011 (правила схем, тексты в _research/regs); схема Nucleo-64 MB1136 редакции C.3 и руководство UM1724 Rev 9 из пака Keil STM32NUCLEO_BSP. Своя схема нарисована скриптом, и модель на ПК восстанавливает по рисунку список цепей и сравнивает его с заданным.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
schematic (circuit diagram)	принципиальная схема (Э3)
symbol	условное графическое обозначение, УГО
reference designator	позиционное обозначение
net, net label	цепь, метка цепи
junction	точка соединения
power port, ground symbol	знак питания, знак земли
bus	шина (линия групповой связи)
sheet, sheet entry, port	лист, вход листа, порт
multi-part component	элемент из нескольких частей (разнесённый способ)
N/A, DNP (do not populate)	не устанавливать
solder bridge, SB	перемычка-капля на плате
netlist	список цепей

130а.1 Что на схеме есть и чего нет

Принципиальная схема отвечает на один вопрос: что с чем соединено электрически. По ГОСТ 2.702 на ней изображают все элементы и все связи между ними, а также разъёмы, которыми цепи выходят наружу. Где элемент стоит на плате, какой длины дорожка и в каком слое — на схеме не видно: это другие документы (раздел 205а).

Отсюда первое правило чтения: расположение значков на листе ничего не говорит о расположении на плате. Конденсатор, нарисованный рядом с выводом питания, может стоять где угодно; то, что он «у вывода», пишут текстом или решают разводкой (раздел 130).

Второе: схему рисуют для выключенного изделия (ГОСТ 2.702, п. 5.3.3). Кнопка нарисована разомкнутой, реле — без тока в катушке.

Третье: всё, что не выражается значками, пишут словами на поле схемы — номиналы, примечания, «не устанавливать». Эти надписи читают так же внимательно, как линии.

130а.2 Значки и буквы

Каждый элемент на схеме — это значок (УГО) и позиционное обозначение: буквы вида элемента плюс номер. Буквы у нас задаёт ГОСТ 2.710 (его коды разобраны в разделе 205а), у зарубежных производителей — своя практика. На схеме Nucleo-64 от ST те же элементы названы иначе:

Осторожно с SB: по ГОСТ это кнопка, а на платах ST — перемычка-капля (solder bridge), которую замыкают или разрезают паяльником.

Нумерация по ГОСТ 2.702: номера идут с единицы внутри каждой буквы (R1, R2, R3; C1, C2…), по листу сверху вниз и слева направо (пп. 5.3.9–5.3.10), а обозначение пишут справа от значка или над ним (п. 5.3.11). Значки можно поворачивать на угол, кратный 90° (ГОСТ 2.701, п. 5.4.4).

Сами значки у нас и за рубежом в основном совпадают; самое заметное различие — резистор: по ГОСТ и IEC это прямоугольник, по американскому ANSI — зигзаг (на рисунке ниже — оба). Рядом со значком пишут номинал; пометка [N/A] на схеме ST значит «место есть, элемент не ставится»: на MB1136 так помечены кварц X3 на 8 МГц и его конденсаторы C33, C34 по 20 пФ.

130а.3 Цепи, метки, питание и земля

Цепь — всё, что соединено между собой: выводы, провода, метки. Схема показывает соединение тремя способами:

• провод — линия от вывода к выводу; где провода сходятся в Т-образном узле, ставят точку, а просто пересекающиеся линии не соединены;
• метка цепи — имя, написанное на проводе. Две метки с одним именем — одна цепь, даже если провода между ними нет. На рисунке так соединены SWDIO, SWCLK и NRST микроконтроллера с разъёмом XP1;
• знак питания или земли — та же метка, только нарисованная значком: все знаки GND на листе — одна цепь, все +3V3 — другая.

У части цепей имени нет вовсе — например, между R2 и светодиодом HL1: она короткая и видна целиком, имя ей не нужно.

Модель проверяет рисунок так же, как это делает САПР при выгрузке списка цепей: точки на одном проводе объединяются, метки с одинаковым именем — тоже. Из рисунка получается 11 цепей на 38 выводах — ровно тот список, что задан в модели отдельно, без единого лишнего или потерянного вывода. Там же проверки, которые при чтении схемы делают глазами: нет вывода в двух цепях и цепи из одного вывода, у VDD и VDDA есть конденсатор на землю, у NRST — конденсатор и кнопка, BOOT0 притянут к земле, кварц стоит между OSC_IN и OSC_OUT. Нарушений ноль; испорченные варианты (снят R1, кнопка перенесена на другую цепь) модель ловит.

На реальной схеме бывает и обратное: надпись на проводе, которая не является именем цепи. На MB1136 прямо сказано в примечании 1: курсивный текст на проводе — не имя цепи, а подсказка, какой это сигнал Arduino.

Питание и земли часто разделены: на MB1136 у аналоговой части свои AVDD и AGND, а VDD и AVDD соединены через ферритовую бусину L1. На рисунке то же сделано для VDDA.

130а.4 Листы, шины и части элементов

Большая схема не помещается на один лист. ГОСТ 2.701 (п. 5.5.3) велит линию, уходящую на другой лист, обрывать без стрелки и подписывать её имя и адрес — номер листа и зону в скобках, например (5, А6). Внутри листа обрыв допускается, но заканчивается стрелкой (п. 5.5.4). В САПР то же делают метки цепей и порты: одинаковое имя — одна цепь.

Схема MB1136 — иерархическая, на четыре листа: «TOP & POWER», «MCU», «STLINK/V2-1», «Extension connectors». Верхний лист содержит питание и три прямоугольника-ссылки на остальные листы (MCU_64.SchDoc, Connectors.SchDoc, ST_LINK_V2-1.SCHDOC); между ними идут не отдельные провода, а шины PA[0..15], PB[0..15], PC[0..15] — одна толстая линия на 16 цепей. ГОСТ 2.702 (п. 5.2.13) называет это линией групповой связи и требует помечать каждую линию в месте слияния; в САПР пометка — имя цепи внутри шины, PA5 в шине PA[0..15].

Ещё один приём — элемент из частей. Микроконтроллер на MB1136 нарисован двумя значками, U5A и U5B: в первом — выводы портов, во втором — питание, сброс, BOOT0 и выводы кварца HSE. Это один корпус; ГОСТ 2.702 (п. 5.3.14) называет это разнесённым способом и требует ставить обозначение у каждой части.

130а.5 Куда идёт вывод: PA5 на Nucleo-64

Задача: на плате мигает зелёный светодиод LD2 — от какого вывода?

1. Руководство UM1724 говорит: LD2 подключён к сигналу Arduino D13, это PA5 (вывод 21) или PB13 (вывод 34) в зависимости от кристалла; горит, когда на выводе высокий уровень.
2. Лист «MCU» схемы: у значка U5A вывод 21 подписан PA5, в служебной разметке PDF он записан в цепь PA5. Цепь уходит в шину PA[0..15] и через порт — на лист разъёмов.
3. Лист «Extension connectors»: цепь выходит на разъёмы, а светодиод LD2 (Green) висит на ней через резистор R31 510 Ом и перемычку SB21. По UM1724: SB21 замкнута — LD2 подключён к D13, разомкнута — отключён.

Отсюда практический вывод: PA5 на Nucleo-64 не свободен — на нём светодиод с резистором 510 Ом. Нужен вывод без нагрузки — разрезают SB21.

Той же дорогой находятся и другие выводы: кнопка B1 USER — PC13 (вывод 2), B2 RESET — NRST (UM1724); на листе «MCU» цепи PA13 и PA14 выведены в порты TMS и TCK — это SWDIO и SWCLK отладчика. Подписи у значка вида PB13/PB14 у вывода 34 и примечания F373: … значат, что одна схема обслуживает несколько кристаллов, и имя вывода зависит от того, какой запаян.

130а.6 Типовые узлы платы с микроконтроллером

На рисунке — узлы, которые есть почти на любой плате (номера выводов DD1 — LQFP64, как у U5 на MB1136: NRST — 7, BOOT0 — 60, OSC_IN и OSC_OUT — 5 и 6, PA13 и PA14 — 46 и 49, VDD — 64, VSS — 63, VDDA — 13, VSSA — 12):

• развязка — 100 нФ у каждого вывода питания (C1 у VDD, C2 у VDDA; на листе «MCU» MB1136 — C23, C24, C27, C28 по 100 нФ) и бусина L1 между цифровым и аналоговым питанием;
• сброс — C3 100 нФ от NRST на землю и кнопка SB1; NRST выведен и на разъём отладки;
• BOOT0 — R1 10 кОм на землю, чтобы кристалл стартовал из флеша;
• кварц — BQ1 между OSC_IN и OSC_OUT, C4 и C5 на землю (20 пФ — как на месте X3 у MB1136; как считать ёмкость — раздел 174);
• светодиод — HL1 через R2 510 Ом, как LD2 на Nucleo;
• SWD — XP1 с тем же порядком, что CN4 у Nucleo-64 по UM1724: 1 — питание, 2 — SWCLK, 3 — земля, 4 — SWDIO, 5 — NRST. Первый вывод — не выход питания: по нему программатор лишь меряет напряжение платы (VDD_TARGET).

Почему именно такие номиналы и как их развести — в разделе 130 (развязка, кварц, сброс и BOOT0) и 174 (кварц). Чтение чужой схемы удобно начинать с этих узлов: найти их — значит понять, как плата питается, стартует и шьётся.

130а.7 Грабли

Решили, что вывод свободен, а на нём светодиод. На Nucleo-64 PA5 — это LD2 с резистором 510 Ом, и то же у многих плат: вывод на разъёме ещё не значит «ни к чему не подключён». Смотрят лист разъёмов и таблицу перемычек.

SB на схеме ST приняли за кнопку. Это перемычка-капля; по ГОСТ SB — кнопка. Буквы читают в контексте документа.

Перепутали имя цепи с надписью. Курсив на проводе у MB1136 — не имя цепи (примечание 1 на первом листе). Соединяют только метки, порты и знаки питания.

Пересечение приняли за соединение. Без точки пересекающиеся линии не соединены. САПР это знает, человек при беглом чтении — нет.

Элемент с пометкой [N/A] ищут на плате. Его нет — место пустое (на MB1136 — кварц X3 на 8 МГц).

Одна схема на несколько кристаллов. Подписи вида PB13/PB14 и примечания с названием серии: какой вывод работает, решает запаянный кристалл, а не первая строка подписи.

Искали цепь на одном листе. В иерархической схеме цепь уходит через порт или шину на другой лист; идут по имени, а не по линии.

130а.8 Итоги

• Схема показывает только электрические соединения; расположение значков о плате ничего не говорит; изделие на схеме — выключенное.
• Позиционное обозначение — буквы вида и номер с единицы внутри буквы (ГОСТ 2.702, пп. 5.3.9–5.3.11); у ST другие буквы: U, X, B, LD, CN, SB.
• Цепь объединяют провода, точки, метки с одним именем и знаки питания; у своей схемы модель восстановила 11 цепей на 38 выводах — совпало со списком, нарушений ноль.
• Межлистовая связь — обрыв с именем и адресом (лист, зона) по ГОСТ 2.701 или порт и шина в САПР; MB1136 — 4 листа и шины PA[0..15], PB[0..15], PC[0..15].
• PA5 на Nucleo-64 — вывод 21, на нём LD2 через R31 510 Ом и SB21.
• Узлы любой платы: развязка 100 нФ, сброс, BOOT0 10 кОм, кварц с двумя конденсаторами, разъём SWD 1…5 как CN4.

Дальше: раздел 130б «Тепло на плате: тепловое сопротивление, площадь меди и переходные под корпусом» — почему θJA из даташита относится к чужой плате и сколько меди и переходных нужно стабилизатору на 0,5–1,5 Вт.