Comment les schémas ont-ils été dessinés avant CAD?

Je regardais le schéma d'une ancienne alimentation HP que j'ai achetée. Il se trouve ici , vers les pages 60-61.

Ce schéma a été dessiné bien avant que la CAO ne soit un outil utilisé par les ingénieurs. Les choses étaient toujours dessinées à la main. Je me demandais comment se dessinait de grands schémas. Aujourd'hui, nous sommes habitués à nos outils EDA sophistiqués qui auront beaucoup de fonctionnalités intéressantes pour faire de bons schémas. Alternativement, les schémas de documentation sont parfois dessinés dans des programmes de graphiques vectoriels comme Inkscape ou Illustrator, car ils peuvent donner des résultats plus nets.

Dans nos packages de CAO, nous avons une belle annotation automatique, cela nous construit un joli BoM si nous le configurons correctement, et souvent ils nous permettent même d'extraire des listes de réseaux SPICE pour la simulation, et un tas d'autres informations sur la conception et les règles électriques. Si nous découvrons que déplacer ce composant ici rend notre schéma plus clair, nous ne faisons que glisser-déposer - pas besoin de redessiner le tout!

Les anciens schémas que je vois ont toujours de beaux symboles cohérents - pas ce que vous attendez de schémas dessinés à la main. Ont-ils utilisé des pochoirs pour avoir toujours exactement le même symbole de transistor, de résistance, de condensateur, etc.? Ou ces symboles ont-ils été définis dans leurs dimensions et simplement dessinés et mesurés à chaque fois? Ont-ils peut-être des petits morceaux de papier avec chaque symbole dessiné dessus, puis juste les déplacer pour faire le schéma sans avoir à recommencer à zéro à chaque fois (je pense à ces vieux papiers de bureau IKEA où vous avez peu découpes de leurs bureaux et vous pouvez les disposer pour essayer des dispositions dans votre bureau)?

Je sais que c'est une question quelque peu ouverte, mais je suis curieux de voir comment les choses se passaient avant OrCAD, Virtuoso, KiCAD et Altium.

J'ai été formé à Tektronix pour être dessinateur en électronique. Ils avaient des cours pour ça. C'est assez similaire à la rédaction pour la construction. Vous aviez les crayons, les taille-crayons, les gommes à effacer et le papier habituels, une table inclinée, un carré en T, un triangle, etc. Les mêmes outils de base du métier pour tout dessinateur. Il y avait des outils supplémentaires ajoutés, tels que de jolis pochoirs pour les composants électroniques et des éléments d'image descriptifs (comme un tube d'oscilloscope - voir ici pour une idée de ceux-ci.) Mais c'est à peu près tout.

La différence étant qu'ils recherchaient des personnes qui avaient une compréhension innée de l'électronique et qui "comprenaient" l'idée du flux d'électrons de bas en haut sur la page et du flux de signaux de gauche à droite. Et qui pourrait alors prendre n'importe quel schéma aléatoire qu'ils ont vu, le déchirer complètement au sol et le redessiner à partir de zéro afin qu'il obéisse à ces règles et lui fasse communiquer rapidement des concepts à d'autres ingénieurs en électronique. Cela signifiait également être capable de reconnaître des sections qui étaient communes à de nombreux schémas (tels que les miroirs de courant et les références de tension, les étages d'amplificateurs analogiques, etc.)

J'avais passé des années à grandir, à essayer de comprendre les circuits que j'avais vus dans les magazines Popular Electronics et Radio Electronics. Pour ce faire, j'avais déjà eu besoin de démolir toutes ces dispositions de circuits parce qu'elles étaient imprimées pour les personnes qui voulaient les câbler sans les comprendre. Ils ont donc inclus tous les détails du câblage du bus d'alimentation. Rien de tout cela n'aide vraiment beaucoup à comprendre comment fonctionne un circuit. Cela m'a donc aidé dans le rôle de rédacteur électronique.

Comment les gens calculaient-ils le sinus et le cosinus ou les logarithmes ou même multipliaient-ils de grands nombres avant qu'il n'y ait des calculatrices? Ils ont utilisé des livres avec des tables à l'intérieur, ainsi que la formation pour utiliser ces tables correctement. Ou ils ont utilisé des règles de diapositives.

La vie se fait. Les outils changent. Mais la vie se fait toujours.

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J'ai pensé ajouter un bref résumé de certains des principes directeurs pour améliorer la compréhension d'un circuit.

L'une des meilleures façons d'essayer de comprendre un circuit qui semble au premier abord déroutant est de le redessiner. Il y a quelques règles que vous pouvez suivre qui vous aideront à apprendre ce processus. Mais il existe également des compétences personnelles supplémentaires qui se développent progressivement au fil du temps.

Comme mentionné au début ci-dessus, j'ai appris ces règles pour la première fois en 1980, en prenant un cours de Tektronix qui n'était offert qu'à ses employés. Cette classe était destinée à enseigner la rédaction électronique à des personnes qui n'étaient pas des ingénieurs en électronique, mais à la place, elles seraient suffisamment formées pour aider à rédiger des schémas pour leurs manuels.

Ce qui est bien avec les règles, c'est que vous n'avez pas besoin d'être un expert pour les suivre. Et que si vous les suivez, même aveuglément presque, les schémas résultants sont vraiment plus faciles à comprendre.

Les règles sont:

• Disposez le schéma de sorte que le courant conventionnel semble circuler du haut vers le bas de la feuille schématique. J'aime imaginer cela comme une sorte de rideau (si vous préférez un concept plus statique) ou de cascade (si vous préférez un concept plus dynamique) de charges se déplaçant du bord supérieur vers le bas. Il s'agit d'une sorte de flux d'énergie qui ne fait pas de travail utile en soi, mais fournit l'environnement pour que le travail utile soit accompli.
• Disposez le schéma de sorte que les signaux d'intérêt circulent du côté gauche du schéma vers le côté droit. Les entrées seront alors généralement à gauche, les sorties seront généralement à droite.
• Ne pas "bus" d'alimentation autour. En bref, si un fil d'un composant va à la terre ou à un autre rail de tension, n'utilisez pas de fil pour le connecter à d'autres fils de composant qui vont également au même rail / terre. Au lieu de cela, affichez simplement un nom de nœud comme "Vcc" et arrêtez. La mise sous tension d'un schéma est presque garantie de rendre le schéma moins compréhensible, pas plus. (Il y a des moments où les professionnels doivent communiquer quelque chose d'unique à propos d'un bus de rail de tension à d'autres professionnels. Il y a donc parfois des exceptions à cette règle. Mais quand on essaie de comprendre un schéma déroutant, la situation n'est pas celle-là et un tel argument "par des professionnels, aux professionnels" échoue toujours ici. Alors ne le faites pas.) Celui-ci prend un moment à saisir pleinement. Il y a une forte tendance à vouloir montrer tous les fils impliqués dans la soudure d'un circuit. Résistez à cette tendance. L'idée ici est que les fils nécessaires pourfaire un circuit peut être gênant. Et bien qu'ils puissent être nécessaires pour faire fonctionner le circuit, ils ne vous aident PAS à comprendre le circuit. En fait, ils font exactement le contraire. Retirez donc ces fils et montrez simplement les connexions aux rails et arrêtez.
• Essayez d'organiser le schéma autour de la cohésion . Il est presque toujours possible de "démêler" un schéma de façon à ce qu'il y ait des nœuds de composants étroitement connectés les uns aux autres, séparés ensuite par seulement quelques fils allant vers d'autres nœuds . Si vous en trouvez, accentuez-les en isolant les nœudset en se concentrant sur le dessin de chacun d'une manière significative, d'abord. Ne pensez même pas à l'ensemble du schéma. Concentrez-vous simplement sur le fait de faire en sorte que chaque section cohésive "paraisse bien" seule. Ajoutez ensuite le câblage de rechange ou quelques composants séparant ces "divisions naturelles" dans le schéma. Cela tend souvent à trouver comme par magie des fonctions distinctes plus faciles à comprendre, qui «communiquent» alors entre elles via des connexions relativement plus faciles à comprendre entre elles.

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Voici un exemple d'étage amplificateur CE moins lisible. C'est un peu plus un schéma de câblage qu'un schéma. Voyez si vous pouvez réussir à reconnaître qu'il s'agit d'un étage BJT simple standard relativement amplifié, amplificateur CE:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Voici un exemple plus lisible du même circuit. Ici, bien qu'il s'agisse d'une conception amorcée (ce qui est vu un peu moins souvent), vous pouvez reconnaître la topologie CE de base et commencer à mieux cerner les similitudes et les différences:

^{simuler ce circuit}

Notez que je l'ai débarrassé de l'alimentation et des fils du bus de terre. Au lieu de cela, j'ai simplement noté que certains points d'extrémité sont attachés à l'un ou l'autre du rail ou de la terre d'alimentation (+). Pour quelqu'un qui fait le câblage, ce n'est pas aussi utile car il pourrait manquer une connexion dont il a besoin. Mais pour quelqu'un qui essaie de comprendre le circuit, ces détails de connexion gênent simplement.

Notez également que j'ai soigneusement arrangé le nouveau circuit de sorte que le courant conventionnel circule du haut du schéma vers le bas vers le bas. L'idée générale est d'imaginer cela comme une sorte de "rideau" de flux d'électrons (de bas en haut) ou de charges positives de haut en bas (conventionnel). Dans les deux cas, c'est comme une force de gravité qui fait pendre le rideau du haut en bas.

Traversant ce rideau de courants de haut en bas, le signal passe de gauche à droite. Ceci est également très utile pour ceux qui essaient de comprendre un circuit.

Combinés, ces détails aident à orienter un lecteur.

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

La disposition d'origine ci-dessus (la confusion) entraverait considérablement la capacité de se concentrer sur l'aspect d'amorçage (qui peut ou peut ne pas déjà être familier.) Mais au moins cela signifie qu'il y a beaucoup moins de choses à se concentrer sur et essayer de comprendre , si vous ne le connaissez pas. (Le premier schéma rendrait tout cela presque entièrement désespéré dès le départ.)

Ce n'est peut-être pas le meilleur exemple, mais au moins cela montre pourquoi il aide à éviter les fils qui bus simplement l'alimentation et pourquoi il est important d'organiser le schéma avec un flux spécifique de courant conventionnel de haut en bas et pour que le signal circule de gauche à droite.

Un meilleur exemple (pas encore fourni) inclurait un circuit plus complexe (qui, comme celui du LM380.) Cela aiderait à illustrer les nœuds de groupes de circuits qui peuvent être organisés en sections distinctes (plus étroitement entrelacées en elles-mêmes, mais communiquant avec d'autres sections via un ensemble plus restreint de fils communiquant des signaux.) Je terminerai donc cela en incluant un schéma LM380 bien divisé pour illustrer ce point:

^{simuler ce circuit}

$\pi$

Essayez d'imaginer ce que cela aurait été de lire si l'alimentation et les rails de terre avaient tous été connectés avec un câblage supplémentaire et / ou sans arrangement particulier du flux de courant sur la page.

Dans mon premier emploi en 1975 à Bristol Aerospace (maintenant Magellan), nous avions un bon dessinateur qualifié pour l'aviation et la NASA, mais on continuait à faire des dessins de taille D et E pour que la microfiche ne crée pas de faux points à partir du flou optique, j'ai donc dû le convaincre de utilisez la taille maximale A, B et C en condensant les espaces entre les symboles et en réduisant la taille de la police. Parce que je devais souvent travailler avec 20 pages à la fois.

Dans mon prochain travail, notre dessinateur était un illustrateur qui pouvait convertir n'importe quel dessin à haute densité désordonné sur une serviette en papier en une belle œuvre d'art lisible en quelques heures, pas en jours (comme le diagramme de chaque puce sur une carte mère). Il a également terminé mon quatrième travail et était le meilleur dessinateur que nous ayons eu, tout comme ce que l'on verrait de Tektronix, HP et Hitachi.

Oui, ils ont utilisé des modèles de symboles.

Au milieu des années 1970, lorsque nous avons conçu un système avec environ 40 PCA, nous n'avions ni outils de simulation, ni magasins de circuits imprimés à rotation rapide, ni outils de présentation décents. Nous l'avons donc dessiné sur une grille Mylar à l'échelle 4x avec des crayons de couleur pour la largeur de la piste du code G et l'avons envoyé à Toronto pour les numérisations optiques. Les checkplots ont été renvoyés dans une semaine pour approbation puis les planches dans deux semaines.

C'était en 1976. Avance rapide 15 ans plus tard; J'ai fabriqué des outils photo dans une imprimerie lithographique à partir des EE de conception le même jour et des planches recto verso prêtes le lendemain. Pour les cartes Getek et FPC à six couches, j'ai obtenu trois devis en une heure uniquement en utilisant une table de nombres sans fichiers Gerber et j'ai fait livrer des prototypes de cartes (10) en 48 heures à une semaine en fonction de l'urgence $ xK.

J'ai fait la même chose pour les blindages en laiton étamé en pointillés à demi-gravés pour les blindages radio à 1 GHz pour les prototypes et les ai fabriqués localement en deux jours en utilisant des phototools bilatéraux livrés. Ensuite, le panneau avait des languettes détachables à l'intérieur du bord et pouvait être assemblé et soudé au panneau en quelques minutes à l'aide d'outils de soudage haute puissance ou d'une torche à micro-propane pour les murs avec un couvercle rabattable amovible (vers le milieu des années 1990).

Voici un schéma simplifié du compteur à 4,5 GHz et un schéma de principe du journal HP pour un instrument que nous avons acheté en 1976 avec une résolution de 1 Hz:

Lorsque je demande des spécifications aux OP ou aux utilisateurs, je m'attends à ce qu'ils apprennent à avoir des détails comme celui-ci et à partager ceux qui sont pertinents. Mais souvent, ils ignorent la nécessité de bonnes spécifications pour faire une bonne conception.

Avance rapide jusqu'en 1985 avec cet analyseur de spectre TEKTRONIX SA492. Cela ne représente peut-être que 1% de l'ensemble du schéma et a été fait de manière facile à comprendre et le manuel a été hiérarchisé comme les dwg de PADS l'ont été.

C'est l'un des meilleurs modèles de schémas électroniques à suivre et les concepteurs qui choisissent REFDES pour faciliter la localisation de la carte au schéma. Le symbole de la terre est important ici en raison de la conception du blindage contrairement aux symboles triangulaires qui ignorent souvent le bruit. Plus tard, je publierai le lien manuel de 32 Mo dans ma boîte de dépôt. Les concepteurs ECL (Current Mode Logic) expérimentés reconnaîtront ici la logique de latence et de temps de montée sub nano seconde. Les utilisateurs LDO doivent noter les filtres RLC nécessaires sur l'entrée pour les applications RF.

En plus des modèles, il y avait des machines à dessiner ...

et le système de lettrage Leroy breveté en 1925.

Un amateur pourrait également produire un joli PCB en utilisant une poignée d'emballages minces de la boutique locale. Aucune table à dessin ou autres fournitures coûteuses nécessaires.

Vous pouvez acheter du ruban adhésif qui était la largeur (échelle) des traces, ainsi que des autocollants qui portent des tampons et autres. Celui-ci est placé sur une base en plastique transparent, et soit utilisé directement comme impression de contact pour l'exposition photo du tableau (typique pour le fait maison), soit réduit via un appareil photo en premier si vous deviez travailler à plus grande échelle.

Le ruban est coupé avec un couteau exacto.

Pochoirs en plastique pour les lettres et les symboles, stylos à dessin à l'encre de Chine, planche à dessin avec règle. Il y avait aussi des règles flexibles pour les courbes, ou "ensembles de courbes", des règles en plastique avec n'importe quelle forme de courbe imaginable. Je les garde toujours avec ma règle à calcul pour les calculs. Je ne les ai pas utilisés depuis des décennies, bien sûr.

Les pochoirs et les stylos étaient disponibles en différentes largeurs de ligne. Après avoir dessiné chaque élément, vous devez attendre que l'encre sèche avant de déplacer le pochoir, sinon l'encre maculerait et ruinerait le travail d'une journée.

Les autres répondants se concentrent sur ce qui était sans aucun doute la meilleure pratique de l'industrie.

Mais aucune discussion sur les diagrammes pré-CAD n'est complète sans référence au mauvais diagramme de Horowitz et Hill (Art of Electronics, Cambridge University Press, 1980), et à leurs conseils d'accompagnement.

Il est reproduit, avec l'approbation de l'auteur, sur http://opencircuitdesign.com/xcircuit/goodschem/goodschem.html

Je n'ai vu aucune édition post-CAD du livre, mais les diagrammes sont toujours une annexe dans l'édition actuelle. https://artofelectronics.net/the-book/table-of-contents/