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Workshop: Arduino for MakersDAY #1 – SESSION #3
PROGETTAZIONE ELETTRONICA ED
UTILIZZO DI SOFTWARE ECAD
Workshop: Arduino for Makers
Organizzatore: Gestionali in Opera (GiO) Pisa
Supervisor: Dott. Luigi Francesco Cerfeda
Sommario:
• Day #1: introduzione alla prototipazione elettronica. Strumenti HW, SW e risorse online utili per la prototipazione elettronica.
• Day #2: programmazione elettronica con la suite VIPER: casi studio ed esercitazione pratica.
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 2
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DAY #1
1. INTRODUZIONE ALLA PROTOTIPAZIONE ELETTRONICA
Nascita ed evoluzione di Arduino e del Movimento Maker
2. STRUMENTI HARDWARE PER LA PROTOTIPAZIONE ELETTRONICA
Presentazione delle principali board di prototipazione (Arduino, ST Nucleo, Raspberry Pi, UDOO, UP), sensoristica, attuatori e “shield” (WiFi Shield e TOI Shield).
3. CENNI DI PROGETTAZIONE ELETTRONICA ED UTILIZZO DI SOFTWARE ECAD
Utilizzo di Fritzing, KiCAD, Eagle, Circtuit Maker. Realizzazione e simulazione di un semplice circuito tramite LTSpice.
4. STRUMENTI SOFTWARE PER LA PROTOTIPAZIONE ELETTRONICA
Presentazione di VIPER, download, installazione dell’IDE e “viperizzazione” di una board.
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Fasi della progettazione
1. descrizione generale del sistema;
2. definizione delle specifiche;
3. progetto di sistema attraverso diagrammi a blocchi funzionali;
4. definizione delle specifiche dei blocchi funzionali per la sintesi e la realizzazione a livello di circuito;
5. integrazione di sistema;
6. modellazione e simulazione;
7. collaudo e verifica.
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Muhammad Rashid. Fondamenti di elettronica. Apogeo Editore, 2002
Cosa è un prototipo?
Per prototipo si intende "il primo elemento della serie" e può servire per valutare costi, tempi di ciclo, risposta del mercato (in tal caso viene chiamato anche demo) e così via.
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Prototipi e Falsi Positivi
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Prototipi e Falsi Negativi
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Evitare brutte sorprese!
In particolare, nella realizzazione pratica di un progetto è strategicamente conveniente affrontare prima i problemi più impegnativi e poi quelli più semplici.
Infatti se per i problemi più difficili non è possibile trovare una soluzione accettabile in termini di tempo e denaro, è inutile sprecare risorse anche per quelli più semplici dal momento che la realizzazione del progetto non andrebbe comunque a buon fine.
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E’ necessario un PREtotipo
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Pretotype
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Metodo KISS
Keep It Simple, Stupid!
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Iterazioni nel flusso progettuale
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Quando fermarsi?
Your prototype doesn’t have to be perfect!
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Mettiamoci all’opera!Task: realizzazione di un dispositivo per il rilevamento della rumorosità ambientale
Flusso di lavoro per la realizzazione del pretotipo
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Studio teorico
• Simulazione tramite LTSpice
Test su breadboard
• Frtizing
Produzione PCB
• Progettazione tramite KiCAD
Flusso di lavoro per la realizzazione del pretotipo
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Studio teorico
• Simulazione tramite LTSpice
Test su breadboard
• Frtizing
Produzione PCB
• Progettazione tramite KiCAD
Resistori
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Resistori: codice colori
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Condensatori
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Diodi
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LED (Light Emitting Diode)
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Switch
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Electret microphone
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Electret microphone: data sheet
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Lo studio teorico l’abbiamo già fatto!
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TOI Shield - Microphone
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TOI Shield - Microphone
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Amplificatore 200xBuffer Electrec MicDecoupling Capacitors
Vout/Vin = (R7+R5)/R7 = 1 + R5/R7 = 1 + 100k/470
TOI Shield - Layout
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TOI Shield - Layout
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Simulazione di un circuito elettronico
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SPICE = Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis
Individuazione dei modelli dei componenti
• Spesso sono le stesse aziende che producono i componenti a rendere disponibili i valori da adottare per l’implementazione matematica di questi modelli
• è possibile scegliere tra un’intera classe di modelli caratterizzati da diversi livelli di complessità.
• compromesso tra attendibilità dei risultati della simulazione e tempi di elaborazione
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Descrizione del circuito
Semplice circuito RC
* Descrizione della rete
R1 1 2 1k
R2 2 0 1k
R3 3 0 1k
C1 2 3 1u
* Descrizione delle sollecitazioni
Vin 1 0 PULSE (0 5 0 0 0 5m 10m)
* Tipo di analisi
. TRAN 0.1 MS 20 MS
* Tipo di presentazione dati
. PRINT TRAN V(1) V(2) V (3)
.END
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Netlist
La netlist può essere prodotta con un qualunque editor di testo rispettando leseguenti regole sintattiche:• i commenti sono inseriti anteponendo il carattere asterisco (*) alla frase;• le istruzioni e le descrizioni di componenti vengono scritte su una sola linea;• ogni istruzione di SPICE è identificabile da una etichetta che inizia con un punto;• l’etichetta identificativa è seguita dall’elenco dei nodi a cui il componenteè collegato e dal valore dei parametri del modello specifici per quel singolocomponente;• i nodi della rete sono identificati tramite una numerazione arbitraria, con l’unicaaccortezza che il nodo di massa, quello in riferimento al quale vengono espressitutti i valori di tensione, deve essere sempre indicato con lo zero;• ciascun componente viene identificato tramite un nome (del quale sono
significativi i primi 7 caratteri), la cui iniziale indica univocamente il tipo di componente.
Identificatori componenti in SPICE.
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Identificatori componenti in SPICE.Notazione
Descrizione elementi attivi
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La sintassi per la definizione di un modello è
.MODEL ModelName Type (Pname = PVal1 Pname = PVal2 ...)
dove Type può essere uno dei termini in tabella
Descrizione delle sollecitazioni
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Modalità di elaborazione
• Analisi in continua: necessaria per determinare, tramite la soluzione di un sistema non lineare, il punto di lavoro in continua del circuito. Tale analisi è automaticamente calcolata prima dell’analisi del transitorio per ricavare le condizioni iniziali di funzionamento.
• Analisi per piccoli segnali: necessaria per analizzare il comportamento in frequenza di un modello linearizzato del circuito, ricavato in corrispondenza del punto di lavoro. Eseguita sul circuito linearizzato nell’intorno del punto di riposo, prevede la soluzione di un sistema lineare integro-differenziale, che passando nel dominio della frequenza si riduce ad un semplice sistema lineare in campo complesso.
• Analisi in transitorio: necessaria per calcolare il valore delle variabili di uscita in funzione del tempo per un certo intervallo di tempo specificato attraverso lo studio del comportamento non lineare del circuiti a grande dinamica oppure per valutare le caratteristiche di una rete digitale. Dal punto di vista matematico, corrisponde alla soluzione di un sistema di equazioni integro-differenziali non lineari.
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Presentazione dei risultati (old style!)
• Lo statement .PLOT TRAN V(1), V(2), I(VCC) determina il tracciamento del grafico (a caratteri ASCII) in funzione del tempo delle tensioni sui nodi 1 e 2 e della corrente attraverso il generatore VCC.
• Lo statement .PRINT type var1 var2 · · ·, dove type indica il tipo di analisi, presenta le variabili relative alle grandezze a cui siamo interessati in forma tabellare
• SPICE ha anche moduli software per l’esecuzione di post-processing sulle forme d’onda e sui tracciati (rappresentazioni in scala lineare o logaritmica, sommare, sottrarre o applicare altri operatori matematici alle formad’onda, eseguire trasformate per valutare contenuto armonico o parametri statistici e così via)
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Linear Technology - Design Support
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http://www.linear.com/
LTSpice - Download
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Guide e Tutorial
• LTspice IV Getting Started Guide - Linear Technology: http://cds.linear.com/docs/en/software-and-simulation/LTspiceGettingStartedGuide.pdf
• SwitcherCAD III - Tutorial - Pietro Salvato:
unielettronica.altervista.org/materiale/sc3.pdf
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Summary of Schematic Editor Toolbar
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TOI Shield Microphone - Schematic
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TOI Shield Microphone - Transient
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Flusso di lavoro per la realizzazione del pretotipo
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Studio teorico
• Simulazione tramite LTSpice
Test su breadboard
• Frtizing
Produzione PCB
• Progettazione tramite KiCAD
Tutorial Fritzing
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http://www.openmakersitaly.org/disegnamo-i-circuiti-fritzing/
Dall’idea al prototipo
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Breadboard ?!?
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Breadboard!
• Una breadboard (o anche detta basetta sperimentale) è uno strumento utilizzato per creare prototipi di circuiti elettrici.
• Non richiede saldature ed e completamente riusabile (e percio utilizzata soprattutto per circuiti temporanei).
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Uso della breadboard
• Tutte le breadboard hanno, generalmente, una struttura simile composta da linee di trasmissione (strips) che consistono in collegamenti elettrici tra i fori.
• Come in figura, si possono notare le linee di alimentazione, poste generalmente ai lati e collegate lungo tutto l’asse, e le linee dedicate ai componenti, collegate in posizione perpendicolare alle linee di alimentazione.
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 66
Breadboards... wonderful and tragic
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PROCURIAMOCI IL PROGRAMMA
http://fritzing.org/download/
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Uno sguardo d’insieme
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MODALITÀ BREADBOARD
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Tipi di Breadboard
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Scelta dei componenti
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Posizionamento dei componenti
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Realizziamo i collegamenti
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Esportiamo il circuito (BOM)
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MODALITÀ SCHEMA (STOP!)
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Flusso di lavoro per la realizzazione del pretotipo
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Studio teorico
• Simulazione tramite LTSpice
Test su breadboard
• Frtizing
Produzione PCB
• Progettazione tramite KiCAD
Printed Circuit Board (PCB)
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Scheda, di solito rigida, sul quale vengono montati i componenti elettronici e collegati attraverso piste di materiale conduttivo
Legge di Moore per i PCB
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Legge di Moore
• il numero di chip presenti su un circuito integrato raddoppia ogni 18 mesi
PCB
• Questo tasso di crescita è seguito anche dalla complessità dei circuiti.
Productivity gap
• Il trend di crescita indicato dalla legge di Moore non è purtroppo seguito dalla produttività dei progettisti
Sviluppo di CAD elettronici (EDA o eCAD)
• EDA = Electronic Design Automation
• eCAD (Electronic Computer-Aided Design)
Attraverso questi software il progettista può curare tutte le fasi atte alla produzione di sistemi elettronici.
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Con quale CAD elettronico incominciare?
• Evitare di dedicare tempo e risorse (magari anche economiche) a CAD che a stento superano la dimensione di prodotto hobbistico.
• lasciate stare CAD mastodontici, blasonati ma ultra complessi, come Altium, Orcad e Allegro.
• Prima bisogna farsi le ossa con Eagle o KiCAD.
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http://www.carminenoviello.com/2013/08/02/con-quale-cad-elettronico-incominciare
Eagle CAD - Vantaggi
• Multipiattaforma
• Intuitivo: ha una curva di apprendimento dolce e non traumatica.
• È supportato dalla community
• Arduino oriented: è il CAD con cui progettano e sbrogliano Arduino. E ci troverete tutto quello che ronza intorno a questa piattaforma. Compresi i progetti dei vari Sparkfun, Adafruit, ecc.
• Ha una licenza freeware: è gratis a patto di accettare alcune limitazioni.
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 82
Eagle CAD - Svantaggi
• Possono essere adoperati al massimo d 2 layer di segnali
• La dimensione massima del PCB è di 100x80 mm.
• L'editor dello schema vi consente di avere un solo foglio
• Potete adoperare il programma solo per realizzare progetti senza fini di lucro, ossia per hobby.
•NON è OPEN SOURCE
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 83
Why is important Open Source Hardware Community to use Open Source CAD tools
• increasing the base of the people who could modify the projects as the open source CAD tools are free to obtain.
• the selected CAD tool will gain more users and community, which will help to fix bugs, add new features, libraries and move forward and improve.
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https://olimex.wordpress.com/2013/12/09/why-is-important-open-source-hardware-community-to-use-open-source-cad-tools/
Perché usare KiCAD?
KiCad software gets the CERN treatmenthttp://home.cern/about/updates/2015/02/kicad-software-gets-cern-treatment
Roadmap impressionante!http://www.ohwr.org/projects/cern-kicad/wiki/WorkPackages
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KiCAD - Introduzione
Homepage: http://kicad-pcb.org/
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KiCAD – Schematic Capture
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KiCAD – PCB Layout
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 88
KiCAD – 3D viewer
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KiCAD – Download
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Struttura KiCAD
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The basic workflow in KiCad
1. Create a project.
2. Create a schematic with 'eeschema'.
3. Assign footprints to symbols and generate the netlist.
4. Create a board with 'pcbnew', importing the netlist from 'eeschema'.
5. Test the board using the 'Design Rule Check'.
6. Generate production files.
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KiCAD workflow
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Librerie
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http://smisioto.no-ip.org/elettronica/kicad/kicad.htm
le librerie sono accessibili via GIT (git clone git://smisioto.eu/kicad_libs.git) non compresse o compresse in file
zip direttamente sul sito
Eeschema: creazione nuovo progetto
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Eeschema: creazione nuova cartella
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Eeschema: Piazzamento componenti
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Eeschema: Piazzamento componenti
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 98
Eeschema: Piazzamento componenti
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 99
Eeschema: Piazzamento componenti
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Eeschema: Modifica componente
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Eeschema: Modifica Valore Componente
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Eeschema: Disposizione Componenti
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Eeschema: Collegamento Componenti
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Eeschema: Power line
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Eeschema: Ground line
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Eeschema: Schema completo
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Eeschema: Numerazione componenti
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Eeschema: ERC
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Eeschema: ERC error
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Eeschema: Schema Completo
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Eeschema: Generazione Netlist
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CvPCB: Associazione Moduli
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Through-Hole vs Sourface Mounting
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Caso particolare: BESOS NEED
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http://www.besos.cc/adattatori-smt-per-prototipazione-rapida/
Adattatori THT-SMD
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CvPCB: Associazione Modulo LM358
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 117
PCBnew: (rigenerazione e )importazione netlist
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PCBnew: disposizione componenti (default)
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 119
PCBnew: disposizione ordinata componenti
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 120
PCBnew: disposizione ordinata componenti
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 121
PCBnew: placing componenti
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Regole per il placing dei componenti
• ridurre la lunghezza dei percorsi critici;
• componenti analogici separati fisicamente da quelli digitali;
• componenti di potenza separati fisicamente da quelli di precisione;
• orientamento dei componenti concorde con quello delle piste;
• distribuzione e dimensionamento di condensatori e filtri per la riduzione dei
• disturbi (bassa e alta frequenza) esterni o di accoppiamento.
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PCBnew: contorno scheda
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PCBnew: setting layers
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PCBNew: autorouter
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 126
PCBNew: piano di massa
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 127
PCBNew: piano di alimentazione
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PCBNew: DRC (Design Rules Check)
21 November 2015 - Day #1 Session #3 Workshop:“Arduino for Makers” - Luigi Francesco Cerfeda 129
PCBNew: Layout completo
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PCBNew: 3D Viewer
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PCBNew: Esportazione GERBER
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GERBERViewer
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Abbiamo finito?
ERC è OK, DRC è OK.Tutto OK?
NO! Trovate l’errore!
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