FreeCAD Outils libres de conception assist ee par ordinateur ...jmfriedt.org/rezo_elec2019.pdf.subckt opamp 1 2 3 rin 1 2 2meg e 3 0 1 2 100k.ends opamp e1-+ OUT 5= 10 R in 2 M 5.J.-M

KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE

Dessiner sapropre empreinte

Routage

Mécanique –insertion dansFreeCAD

Script Python

Conclusion

Outils libres de conception assistée parordinateur : KiCAD et FreeCAD

J.-M Friedt

FEMTO-ST/département temps-fréquence, Besançon

[email protected]

transparents à jmfriedt.org/rezo_elec2019.pdf

15 octobre 2019

1 / 20

jmfriedt.org/rezo_elec2019.pdf

KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE


Routage


Script Python

Conclusion

Objectif : asservissementnumérique d’un oscillateur à

quartz sur GPSContexte :• un oscillateur à quartz est stable sur le court terme mais dérive sur

le long terme (>1 s)• GPS est un système de datation précis fournissant un signal (1 PPS)

avec une exactitude de l’ordre de 100 ns toutes les secondes• Objectif : contrôle du quartz cadençant un microcontrôleur sur le

1 PPS de GPS⇒

1 architecture générale du système2 mise en œuvre du microcontrôleur et composants passifs

périphériques (quartz, reset/programmation. communication)3 simulation du filtre (PWM → DAC)4 routage en respectant des contraintes mécaniques5 insertion du circuit dans FreeCAD, réalisation du bôıtier en

impression additive6 script Python

2 / 20

KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE


Routage


Script Python

Conclusion

Objectif : architecture du système

récepteurGPS

1.57 GHzAtmega

projet

1 PPS

1 s

32u{2,4}(Thalès AC12, Motorola Oncore)

1 microcontrôleur + périphériques

2 varicap en parallèle d’un condensateur de pieds pour tirer lafréquence du quartz

3 mesure de l’intervalle entre deux impulsions 1 PPS par InputCapture

4 pas de DAC ⇒ PWM (rapport cyclique) et filtre passe bas

3 / 20

KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE


Routage


Script Python

Conclusion

Principe de KiCAD 2 3

Debian/GNU Linux :apt-get install kicad kicad-packages3d kicad-footprints kicad-symbols kicad-templates︸︷︷︸

kicad-librariesversion 5.1.4(354 MB de packages 3D !)aussi fonctionnel sous MS-Windows & MacOS XCréé en 1992 by J.-P. Charras (IUT de Grenoble), pris en main par leCERN en 2013, soutenu par Digikey 1 ... un outil spécifique par étape• schéma (Schematic Layout Editor) – Electrical Rules Check• assignation des bôıtiers à chaque composant• exporter netlist qui fait le lien avec le routeur• Pcbnew (printed circuit board) – Design Rules Check• export STEP/VRML (CAD) & Gerber/PDF• depuis la version 5 de KiCAD, importe les projets Eagle

1. W. Stambaugh, KiCad Project Status, FOSDEM 2017 – rachat de CADSoft parAutodesk, à https://archive.fosdem.org/2017/schedule/event/kicad_status/

2. W. Stambaugh, KiCad Version 5 New Feature Demo, FOSDEM 2018, àhttps://archive.fosdem.org/2018/schedule/event/cad_kicad_v5/

3. W. Stambaugh, KiCad Project Status, FOSDEM 2019, àhttps://archive.fosdem.org/2019/schedule/event/kicad/

4 / 20

https://archive.fosdem.org/2017/schedule/event/kicad_status/https://archive.fosdem.org/2018/schedule/event/cad_kicad_v5/https://archive.fosdem.org/2019/schedule/event/kicad/

KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE


Routage


Script Python

Conclusion

Schéma

• “M”ove pour déconnecter les fils, “G”rab pour conserver les fils connectés lorsdu déplacement

• “R”otate déconnecte les fils• Not connected (“x”) pour valider Electrical Rule Check• “Coccinnelle” Electrical Rule Check : NC (“x”) et PWR FLAG sur masse pour

éviter les warnings 5 / 20

KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE


Routage


Script Python

Conclusion

Simulation SPICE

• Composant spécifique SPICE (Add → pspice → VSOURCE)• Définition des propriétés de la source dans sa valeur• Désactiver les composants qui ne font pas partie de la simulation

(Edit → Edit Spice Model → Disable symbol for simulation)• Tools → Simulator → Simulation → Settings• Run/Stop Simulation → Probe pour sélectionner le point de mesure• Simulation → Show SPICE Netlist pour récupérer le fichier ngspice

6 / 20

KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE


Routage


Script Python

Conclusion

Modélisation de l’amplificateuropérationnel

Utilisation de SPICE (Simulation Program with Integrated CircuitEmphasis – Univ. Berkeley, CA) et sa version opensource ngspice 4

• filtre passe-bas : modélisation d’un amplificateur opérationnel idéal• ampli-op idéal : source de tension commandée en tension avec fort

gain, suivi de passe bas pour une bande passante finie (éviter oscillations)

* +in (=1) -in (=2) out (=3) -- 100k=gain, rbw.cbw=LPF, eout=suiveur

.subckt opamp 1 2 3

e 3 0 1 2 100k

.ends opamp

e1

-

+ OUT

β = 105

4. J.-M Friedt, Introduction à SPICE3 : simulation de circuits électroniques, etau-delà, OpenSilicum 1 (Janvier-Mars 2011) à jmfriedt.free.fr/lm_spice.pdf etcours de Rémy Brendel à http://jmfriedt.free.fr/Spice3.pdf

7 / 20

jmfriedt.free.fr/lm_spice.pdfhttp://jmfriedt.free.fr/Spice3.pdf

KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE


Routage


Script Python

Conclusion






.subckt opamp 1 2 3

rin 1 2 2meg

e 3 0 1 2 100k

.ends opamp

e1

-

+ OUT

β = 105

Rin

=2

MΩ


8 / 20


KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE


Routage


Script Python

Conclusion






.subckt opamp 1 2 3

rin 1 2 2meg

e 4 0 1 2 100k

rbw 4 3 0.5meg

cbw 3 0 31.85nf

.ends opamp

-

+ OUT

e1

β = 105

Rin

=2

MΩ


9 / 20


KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE


Routage


Script Python

Conclusion





-

+ OUT

β = 1

e1

β = 105Rin

=2

MΩ 1

2

4 5 36

eout

XAlternate node sequence: 3 2 6pour faire correspondre le modèle SPICEavec notre assignation de broches


10 / 20


KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE


Routage


Script Python

Conclusion

Simulation SPICE (ngspice)• Charger un modèle : Edit Spice Model → Model → Library et charger fichier

du sous-circuit (.lib rédigé avec son éditeur favori), sélectionner le Model etType=Subcircuit

• Possibilité de charger des modèles “complexes”, e.g. pour le TL081 (maispolynôme de LTSpice) http://www.ti.com/product/TL081/toolssoftware

• Alternate Node Sequence pour faire correspondre broches du modèle et ducomposant (3 2 7 4 6 avec modèle TL081, 3 2 6 avec modèle idéal sans alim.)

• Tune pour balayer la valeur d’un composant et voir son impact sur la fonctionde transfert

11 / 20

http://www.ti.com/product/TL081/toolssoftware

KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE


Routage


Script Python

Conclusion

Simulation SPICE (ngspice)• Charger un modèle : Edit Spice Model → Model → Library et charger fichier

du sous-circuit (.lib rédigé avec son éditeur favori), sélectionner le Model etType=Subcircuit

• Possibilité de charger des modèles “complexes”, e.g. pour le TL081 (maispolynôme de LTSpice) http://www.ti.com/product/TL081/toolssoftware

• Alternate Node Sequence pour faire correspondre broches du modèle et ducomposant (3 2 7 4 6 avec modèle TL081, 3 2 6 avec modèle idéal sans alim.)

• Tune pour balayer la valeur d’un composant et voir son impact sur la fonctionde transfert

12 / 20

http://www.ti.com/product/TL081/toolssoftware

KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE


Routage


Script Python

Conclusion

Ajout d’une empreinte manquanteSymbol Editor Footprint Editor

Pas de lien entre symbole 8 et empreinte : le projet assignera l’empreinteau symbole (CvPcb) 9

8. https://techexplorations.com/blog_kicad-5-recipe-how-to-create-a-new-component-symbol/

9. P. Dalmaris, Kicad Like a Pro. Learn the World’s Favourite Open Source PCBElectronic Design, Tech Explorations (2016) 13 / 20

https://techexplorations.com/blog_kicad-5-recipe-how-to-create-a-new-component-symbol/https://techexplorations.com/blog_kicad-5-recipe-how-to-create-a-new-component-symbol/

KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE


Routage


Script Python

Conclusion

Routage• 2-couches (bottom = plan de

masse)

• se rappeler de la fonction dechaque composant dans leschéma lors du placement

• quartz au plus près dumicrocontrôleur pour éviterl’inductance des pistes

• condensateurs de pieds au plusprès du quartz

• condensateurs de découplageau plus près des alimentations(coins)

• surface = prix de fabrication /v.s. nombre de couches

• matrice de vias : click droit survia et “Create Array”

14 / 20

KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE


Routage


Script Python

Conclusion

Réalisation• “Coccinnelle” (Design RuleCheck) pour vérifier le respectdes contraintes de la classe ducircuit imprimé

• Réalisation : gravure à l’anglaise• Fraisage des deux faces

(gerber), perçage (excellon)

www.cnc-routers.ie/wp-content/uploads/2010/08/milling pcb.jpg

15 / 20

KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE


Routage


Script Python

Conclusion

Conceptionmécanique-électronique

Est-ce que le circuit rentrera dans son bôıtier ?Vis : greffon Fasteners Workbench

KiCAD exporte un fichier STEP (penser à définir lecontour du circuit en Edge.Cuts et Add Graphics Line) ou VRML ...,... FreeCAD importe un fichier STEP ou VRML :

16 / 20

KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE


Routage


Script Python

Conclusion

Conceptionmécanique-électronique

Est-ce que le circuit rentrera dans son bôıtier ?Vis : greffon Fasteners Workbench

KiCAD exporte un fichier STEP (penser à définir lecontour du circuit en Edge.Cuts et Add Graphics Line) ou VRML ...,... FreeCAD importe un fichier STEP ou VRML :

17 / 20

KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE


Routage


Script Python

Conclusion

Impression additive du bôıtier

• Réalisation du circuit imprimé en gravure anglaise (Gerber)• Surface (STL) → commande de la tête d’impression et du plateau

G-code par le logiciel CURA fourni par Ultimaker 10

• taux de remplissage : 70%• durée d’impression : 2h41• masse de plastique : 20 g (2,55 m) ...• soit un coût de : < 0, 7 euro de matière

10. https://github.com/Ultimaker/Cura18 / 20

https://github.com/Ultimaker/Cura

KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE


Routage


Script Python

Conclusion

Interagir avec KiCAD en Python 11

Les fichiers stockés par KiCAD sont en ASCII et limpides à lire

(pad 29 smd rect (at 5.7 -0.8) (size 1.5 0.55) (layers F.Cu F.Paste F.Mask))

...

(fp_line (start 1 0.6) (end -1 0.6) (layer F.Fab) (width 0.1))

...

(via (at 37.1 32.2) (size 0.6) (drill 0.4) (layers F.Cu B.Cu) (net 2))

(segment (start 37.1 32.2) (end 37.2 32.2) (width 0.25) (layer B.Cu) (net 2) (tstamp 59845870))

...

et donc à éditer avec son outil favori (sed)apt-get install python3-wxgtk4.0 pourPCBNew → Tools → Scripting ConsoleExemple :i m p o r t pcbnewboard=pcbnew . GetBoard ( )newvia=pcbnew . VIA ( board )newvia . S e t L a y e r P a i r ( pcbnew . PCBNEW LAYER ID START , →

↪→pcbnew . PCBNEW LAYER ID START+31)newvia . S e t P o s i t i o n ( pcbnew . wxPoint (15000000 ,15000000) )newvia . SetViaType ( pcbnew . VIA THROUGH)newvia . SetWidth (1000000)board . Add ( newvia )pcbnew . R e f r e s h ( )

t x t = pcbnew . TEXTE PCB( board )t x t . SetText ( "Hello" )t x t . S e t P o s i t i o n ( pcbnew . wxPoint (22000000 , 15000000) )t x t . S e t H o r i z J u s t i f y ( pcbnew . GR TEXT HJUSTIFY CENTER)t x t . S e t T e x t S i z e ( pcbnew . wxSize (1000000 , 1000000) )t x t . S e t T h i c k n e s s (200000)board . Add ( t x t )pcbnew . R e f r e s h ( )

Unité : 10−6 mmhttp://docs.kicad-pcb.org/

doxygen/layers__id__colors_

_and__visibility_8h.html

F_Cu = PCBNEW_LAYER_ID_START,

B_Cu = PCBNEW_LAYER_ID_START+31

11. https ://kicad.mmccoo.com/kicad-scripting-table-of-contents/ (pour KiCAD 4)19 / 20

http://docs.kicad-pcb.org/doxygen/layers__id__colors__and__visibility_8h.htmlhttp://docs.kicad-pcb.org/doxygen/layers__id__colors__and__visibility_8h.htmlhttp://docs.kicad-pcb.org/doxygen/layers__id__colors__and__visibility_8h.html

KiCAD &FreeCAD

J.-M Friedt

Introduction

Schéma

Simulation SPICE


Routage


Script Python

Conclusion

Conclusionempowered by

• KiCAD + FreeCAD (+CURA) : châıne complètede co-conception électronique/mécanique libre 12,incluant simulation SPICE (ngspice)• un outil par étape : Eeschema pour le circuit → CvPcb

assigne les empreintes → PcbNew routage (→ 3DViewer, gerbview)• communication entre outils par la Netlist• formats lisibles et modifiables par scripts (sed)• échange avec FreeCAD en VRML ou STEP : modèle mécanique du

circuit, incluant connecteurs et composants encombrants• API Python pour interagir avec schéma, board ou modèle

mécanique (e.g. conception d’antennes 13)

Transparents :jmfriedt.org/

rezo_elec2019.pdf

12. liberté de compiler sur la plateforme de son choix, de modifier/corriger les erreurs,distribuer les sources et installer légalement sur le nombre de postes nécessaire

13. J.-M Friedt, É. Carry, O. Testault, Petites antennes réalisées par impressionadditive : de la conception à la visualisation des diagrammes de rayonnement (en vraiet en virtuel), Hackable 31, pp.80-96 (Oct-Nov. 2019) 20 / 20

jmfriedt.org/rezo_elec2019.pdfjmfriedt.org/rezo_elec2019.pdf

IntroductionSchémaSimulation SPICEDessiner sa propre empreinteRoutageMécanique – insertion dans FreeCADScript PythonConclusion

Documents

FreeCAD Outils libres de conception assist ee par ordinateur ...jmfriedt.org/rezo_elec2019.pdf.subckt opamp 1 2 3 rin 1 2 2meg e 3 0 1 2 100k.ends opamp e1-+ OUT 5= 10 R in 2 M 5.J.-M