Kitabı oxu: «Leiterplattendesign mit EAGLE»
Prof. Dr. Francesco P. Volpe ist an der Technischen Hochschule Aschaffenburg im Bereich Digital- und Mikrocomputertechnik tätig. Er hat jahrzehntelange Erfahrung bei der Vermittlung von Kenntnissen in Vorlesungen, Praktika sowie in Industrieprojekten zu Leiterplattendesign mit EAGLE und ist Autodesk Expert Elite Member.
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Francesco P. Volpe
Leiterplattendesign mit EAGLE
Ein Einstieg mit fünf Praxisprojekten
Prof. Dr. Francesco P. Volpe
Lektorat: Dr. Michael Barabas
Lektoratsassistenz: Anja Weimer
Copy-Editing: Ursula Zimpfer, Herrenberg
Satz: Birgit Bäuerlein
Herstellung: Stefanie Weidner
Umschlaggestaltung: Helmut Kraus, www.exclam.de
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
ISBN:
Print 978-3-86490-545-2
PDF 978-3-96088-375-3
ePub 978-3-96088-376-0
mobi 978-3-96088-377-7
1. Auflage 2021
Copyright © 2021 dpunkt.verlag GmbH
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Es wird darauf hingewiesen, dass die im Buch verwendeten Soft- und Hardware-Bezeichnungen sowie Markennamen und Produktbezeichnungen der jeweiligen Firmen im Allgemeinen warenzeichen-, marken- oder patentrechtlichem Schutz unterliegen. Insbesondere sind EAGLE und Autodesk eingetragene Markennamen.
Alle Angaben und Programme in diesem Buch wurden mit größter Sorgfalt kontrolliert. Weder Autor noch Verlag können jedoch für Schäden haftbar gemacht werden, die in Zusammenhang mit der Verwendung dieses Buches stehen.
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Für meinen Sohn Denis Francesco
Inhaltsverzeichnis
1Einleitung
2Kurze Einführung in EAGLE
2.1EAGLE installieren
2.2Was ist ein Bauteil in EAGLE?
2.2.1Einfacher Widerstand
2.2.2Logikbaustein 7414
2.3Managed Libraries
3Projekt 1: Binärzähler
3.1Eingabe des Schaltplans für den Binärzähler
3.2EAGLE starten und neues Projekt anlegen
3.3Schaltplan zum Projekt hinzufügen
3.4Raster und Zeichenrahmen
3.5Bauteile im Schaltplan platzieren
3.5.1Logikbaustein 7413 platzieren
3.5.2Widerstände platzieren
3.5.3Kondensator platzieren
3.5.4Weitere Bauteile platzieren
3.6Bauteile verdrahten
3.7Versorgungssymbole platzieren
3.8Spannungsbuchse platzieren
3.9Attribute bearbeiten
3.10Bauteilen Werte zuweisen
3.11Projekt speichern
3.12Versorgungsgatter und INVOKE
3.13Gateswap
3.14Pinswap
3.15Netzklassen
3.16Electrical Rule Check (ERC)
3.17Bauteilliste erstellen
3.18Platine des Binärzählers aus Schaltplan erzeugen
3.19Einige Vorüberlegungen zum Board-Design
3.20Bauteile auf der Leiterplatte platzieren
3.21Leiterbahnen verlegen
3.22Leiterbahnen auflösen
3.23Leiterplatte layouten
3.24Bauteilnamen überarbeiten
3.25Polygon erstellen
3.26Board-Kontur exakt definieren
3.27Befestigungslöcher platzieren
3.28Leiterplatte beschriften
3.29Eigenes Logo importieren
3.30Vorschau der Leiterplatte
3.31Bauteil überarbeiten
3.32Design Rule Check (DRC)
3.33Fertigung der Leiterplatte des Binärzählers
3.33.1Leiterplatte online bestellen
3.33.2Leiterplatte des Binärzählers durch Isolationsfräsen fertigen
4Projekt 2: Duales Linearnetzteil
4.1Projekt und Schaltplan des Linearnetzteils erstellen
4.2Schaltplan des Linearnetzteils prüfen
4.3Platine des Linearnetzteils erzeugen und layouten
4.4Schraubklemmen des Linearnetzteils beschriften
4.5Duales Linearnetzteil generieren
4.6Logo als Bibliothekselement erstellen und verwenden
4.7Gefertigte und bestückte Leiterplatte des dualen Linearnetzteils
5Projekt 3: USB-Sound-Stick
5.1Projekt und Schaltplan des USB-Sound-Sticks erstellen
5.2Benötigte Bauteile für USB-Sound-Stick erzeugen
5.2.1Ferrit BLM21A erstellen
5.2.2Stereobuchse 35RASMT4BHNTR erstellen
5.2.3Digital-Analog-Wandler PCM2707C erstellen
5.2.4USB-Stecker von Website des Herstellers laden
5.3Fortführung des Schaltplans mit erzeugten Bauteilen
5.4Platine des USB-Sound-Sticks erzeugen und layouten
5.5Gefertigte und bestückte Leiterplatte des USB-Sound-Sticks
6Projekt 4: Class-D-Audioverstärker
6.1Benötigte Bauteile für Class-D-Audioverstärker erzeugen
6.1.1Fotorelais PVT412 erzeugen
6.1.2IC IRS2092S erzeugen
6.1.3Transistoren FZT855 und FZT955 erzeugen
6.2Projekt und Schaltplan des Class-D-Audioverstärkers erstellen
6.3Platine des Class-D-Audioverstärkers erzeugen und layouten
6.3.1Leiterplatte bemaßen
6.3.2Abschließende Prüfung des Audioverstärkers
6.4Gefertigte und bestückte Leiterplatte des Class-D-Audioverstärkers
7Projekt 5: Mikrocontroller-Board
7.1Schaltplan des Mikrocontroller-Boards erstellen
7.1.1Bus zeichnen
7.2Platine des Mikrocontroller-Boards erzeugen und Lagenaufbau definieren
7.3Differenzielle USB-Leitungen verlegen
7.4Mehrere Leiterbahnen manuell verlegen
7.5Eine oder mehrere Leiterbahnen automatisch verlegen
7.6Alle Leiterbahnen mit dem Autorouter verlegen
7.7Platine des Mikrocontroller-Boards fertigstellen
7.8Gefertigte und bestückte Leiterplatte des Mikrocontroller-Boards
Literatur
Index
Vorwort
Es gibt unzählige Programme für Leiterplattendesign, die alle ihre Vor- und Nachteile haben, aber sicherlich bestens für die Aufgabe geeignet sind. Für mich hat EAGLE den klaren Vorteil, dass man mit einer kurzen Einführung Interessierte begeistern kann und diese anschließend selbstständig an ihrer Leiterplatte arbeiten können. Außerdem hat eine kostenlose Version für Hobbyanwender maßgeblich dazu beigetragen, dass sich das Programm sehr schnell verbreitet und die heutige Akzeptanz erreicht hat.
Dieses Buch basiert auf meinen Erfahrungen bei Industrieprojekten und zahlreichen Vorlesungen zum Thema Leiterplattendesign mit EAGLE, die ich u. a. an der Technischen Hochschule Aschaffenburg seit 1999 als Professor für Mikrocomputertechnik und Digitaltechnik halte. Davor habe ich das Programm EAGLE in der Version 2.6 bereits im Jahr 1992 als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Kassel kennengelernt. Dort durfte ich im Wintersemester 2003/2004 während einer Lehrstuhlvertretung Studierende EAGLE in einer Vorlesung näherbringen.
Bei der Entstehung des Buchs haben viele freundliche Helfer auf unterschiedliche Weise beigetragen. Dafür bedanke ich mich.
Die Firma Eurocircuits hat freundlicherweise Leiterplatten für dieses Projekt gefertigt. Mein Dank gilt den Mitarbeitern von Eurocircuits, insbesondere Herrn Uwe Dörr, für die stets hervorragende Zusammenarbeit.
Herrn Richard Hammerl von der Firma Autodesk GmbH danke ich für die vielen anregenden und wertvollen Diskussionen über EAGLE.
Bei Herrn Dipl.-Ing. (FH) Bernd Wegmann bedanke ich mich für das Anfertigen diverser Fotos und die Unterstützung beim Bestücken von SMD-Leiterplatten.
Meiner Frau Safinaz danke ich für ihre unendliche Geduld, die sie mir seit 28 Jahren, und insbesondere bei solchen Buchprojekten, entgegenbringt.
Es freut mich sehr, dass der dpunkt.verlag an diesem Buchprojekt interessiert ist und Herr Dr. Michael Barabas das Buch mit großer Geduld begleitet hat.
Haibach, März 2021
1Einleitung
EAGLE ist ein Akronym aus den deutschen Wörtern Einfach Anzuwendender Grafischer Layout Editor. Es ist nicht verwunderlich, dass es sich um deutsche Wörter handelt, da EAGLE ursprünglich von der Cadsoft Computer GmbH in Pleiskirchen stammt. Diese wurde 1988 von Rudi Hofer und Klaus Schmidinger gegründet.
Im Jahr 2009 wechselte das Programm zum Distributor Farnell und 2012 zur Autodesk Inc. Insofern ist es sehr praktisch, dass EAGLE auch zu Easily Applicable Graphical Layout Editor passt.
Dieses Buch ist ein Versuch, das Programm EAGLE anhand von Projekten zu erklären und nicht die Bedienungsanleitung paraphrasiert wiederzugeben. Die Idee dabei ist, bei der Bearbeitung der einzelnen Projekte die Funktionalität zu erklären, die zur Lösung der Aufgabe zu dem konkreten Zeitpunkt notwendig ist. Benötigte Befehle werden im Zusammenhang mit dem zu realisierenden Projekt beschrieben. Dazu muss gelegentlich etwas vorweggenommen oder eingeschoben werden. Wichtig ist, dass schon etwas gemacht wird, ohne sich vorher durch das komplette EAGLE-Handbuch zu arbeiten. Mit fortlaufender Bearbeitung der Projekte kommt immer etwas Neues hinzu oder die Komplexität wird gesteigert.
Begonnen wird in Kapitel 2 mit einer kurzen Einführung in EAGLE. Dazu gehört auch, woher man EAGLE beziehen und wie man es installieren kann. Zwei wesentliche Punkte in diesem Kapitel sind das Verständnis, wie in EAGLE ein Bauteil definiert ist, und der Umgang mit Bibliotheken.
In den weiteren Kapiteln schließen sich fünf Projekte an. Bei dem ersten Projekt in Kapitel 3 handelt es sich um einen einfachen Binärzähler. Dieser wird auf einer einseitigen Leiterplatte realisiert. Trotz der Einfachheit kann man an diesem Projekt sehr viele Funktionen von EAGLE und die grundlegende Vorgehensweise von der Schaltplaneingabe bis zur fertig aufgebauten Leiterplatte erläutern. Für die Herstellung der Leiterplatte wird gezeigt, wie man diese online bei einem Leiterplattenlieferanten bestellen kann. Zusätzlich wird auch erklärt, wie man diese inhouse mit einer Leiterplatten-Fräsmaschine selbst herstellen kann. Dieses Kapitel nimmt demgemäß einen sehr großen Raum ein und dient als Referenz. Deshalb sollte Kapitel 3 unbedingt durchgearbeitet werden. In den folgenden Projekten wird immer wieder auf dieses Projekt Bezug genommen.
In Kapitel 4 wird ein duales Linearnetzteil behandelt. Dieses wird erst als ein einfaches Netzteil ausgelegt und anschließend wird es verdoppelt. Dabei werden der Schaltplan und die vorher layoutete Leiterplatte kopiert und man erhält somit ein duales Linearnetzteil.
Das erste doppelseitige Layout wird in Kapitel 5 besprochen. Dabei handelt es sich um einen USB-Sound-Stick. Für diesen müssen insgesamt vier Bauteile in einer Bibliothek angelegt werden. Jeder Schritt wird dabei sehr ausführlich beschrieben, sodass der Leser anschließend keine Probleme haben sollte, eigene Bauteile anzulegen.
In Kapitel 6 wird das komplexeste Projekt behandelt. Obwohl es sich beim Class-D-Audioverstärker um ein zweilagiges Design handelt, erfordert dieses sehr viele Bauteile, die dicht auf der Leiterplatte gepackt sind. Ferner benötigt man mehrere Polygone, die man sorgfältig definieren muss.
Als letztes Projekt wird in Kapitel 7 ein vierlagiges Mikrocontroller-Board beschrieben. Dabei wird auch auf die Auslegung von differenziellen USB-Leitungen und den dafür notwendigen Lagenaufbau eingegangen. Beim Layout werden die verschiedenen Verlegungsarten für Leiterbahnen, wie manuelles und automatisches Verlegen von mehreren Leiterbahnen, erklärt. Abgeschlossen wird das Projekt mit der Anwendung des Autorouters für das Layout.
2Kurze Einführung in EAGLE
EAGLE ist ausschließlich mit einem Abonnement von Fusion 360 erhältlich. Man kann aber die letzte, nicht Cloud-basierte EAGLE-Version 9.6.2 weiterhin von Autodesk beziehen und mit einer gültigen Fusion-360-Lizenz die Premium-Edition nutzen. Ohne diese Lizenz kann EAGLE in der Free Edition genutzt werden. Dabei handelt es sich um eine Lizenz für Hobbyanwender, die auf maximal zwei Schaltplanseiten und zwei Platinenlagen sowie eine maximale Platinenfläche von 8000 mm2 beschränkt ist. Die nutzbare Fläche ist frei wählbar und nicht auf eine bestimmte Kontur festgelegt (Tab. 2–1).
| Eigenschaften | Premium | Free |
| Schaltplanseiten | 999 | 2 |
| Platinenlagen | 16 | 2 |
| Platinenfläche | 4000 mm × 4000 mm | 8000 mm2 (konturunabhängig) |
| Autorouter | ja | ja |
Tab. 2–1Wichtige Eigenschaften der EAGLE-Versionen
Für beide EAGLE-Versionen wird ein kostenloses Autodesk-Konto benötigt, das unter https://accounts.autodesk.com/register erstellt werden kann (Abb. 2–1). Über dieses Konto kann die Premium-Edition für einen Monat, für ein Jahr oder für drei Jahre abonniert werden. Für die Free Edition ist kein Abonnement erforderlich.
Abb. 2–1Konto bei Autodesk erstellen
2.1EAGLE installieren
Das Programm EAGLE kann unter https://www.autodesk.de/products/eagle/overview heruntergeladen werden. Auf dieser Seite befindet sich ein Button Kostenloser Download, der zu einer weiteren Seite führt. Von dieser kann man dann das Programm für die unterschiedlichen Betriebssystemplattformen Windows, Mac und Linux herunterladen (Abb. 2–2).
Abb. 2–2EAGLE ist für drei Betriebssystemplattformen verfügbar.
Nach dem Herunterladen startet man das Installationsprogramm und man wird durch den Installationsprozess geleitet (Abb. 2–3).
Abb. 2–3Sicherheitshinweis nach dem Start des Installationsprogramms
Als Erstes muss man die Lizenzbedingungen akzeptieren. Klickt man weiter, kann man den Installationsort für EAGLE auswählen. Standardmäßig wird C:\EAGLE 9.6.2 angeboten, den man aber auch ändern kann. Als nächster Schritt folgt die Auswahl, ob ein Shortcut auf dem Desktop erzeugt werden soll. Nach der Auswahl öffnet sich ein weiteres Fenster, in dem alle getroffenen Wahlmöglichkeiten nochmals aufgeführt sind und das meldet, dass EAGLE zur Installation bereit ist. Ein Klick auf den Button Install führt die Installation aus. Ist diese erfolgreich durchlaufen, meldet ein weiteres Fenster Completing the EAGLE Setup Wizard. Man kann jetzt auswählen, ob EAGLE gleich gestartet werden soll, wenn man den Button Finish anklickt (Abb. 2–4). Startet man EAGLE, muss man sich mit seinem Autodesk-Konto anmelden. Bei der Free Edition genügt das ein einziges Mal nach der Installation (Abb. 2–5). Hat man die Premium-Edition, muss man sich nach spätestens 30 Tagen erneut anmelden, um die Lizenz zu validieren.
Abb. 2–4EAGLE wurde erfolgreich installiert.
Abb. 2–5Anmelden mit dem Autodesk-Konto
2.2Was ist ein Bauteil in EAGLE?
Bevor man mit EAGLE arbeiten kann, muss man eine wichtige grundlegende Philosophie von EAGLE verstehen. Bei EAGLE werden Bauteile ausschließlich in Bibliotheken definiert. Ist ein Bauteil auf einem Schaltplan oder Board platziert, sind alle Informationen aus der Bibliothek in diesem Bauteil. Eine weitere Verbindung zur Bibliothek besteht nicht mehr. Ändert man nach der Platzierung eines Bauteils die Bibliothek, ändert sich nicht automatisch das Bauteil, das man in einen Schaltplan platziert hat. Möchte man dies tun, muss man das explizit mit einem UPDATE-Befehl ausführen. Umgekehrt gibt man mit der Weitergabe seiner Schaltplan- und/oder Board-Datei alle Informationen seiner verwendeten oder selbst erstellten Bauteile weiter, da man aus diesen Dateien wieder Bibliotheken generieren kann.
Im Folgenden wird das Bauteilkonzept an den Beispielen eines einfachen Widerstands und eines Logikbauteils erklärt. Weitere Informationen zu Symbolen, Footprints und Devices werden bei den Projekten, wenn benötigt, ausführlicher erläutert.
2.2.1Einfacher Widerstand
Symbol
Ein Bauteil besteht in der Regel aus einem Symbol, das im Schaltplan sichtbar ist. Als ein einfaches Beispiel dient ein Widerstand. Dieser besitzt einen rechteckigen Körper, an dessen beiden Seiten sich jeweils ein Anschluss (Pin) befindet. Das Wichtige in Bezug auf die Elektrik sind dabei nur die beiden Pins. Das Aussehen des Körpers hat auf die Funktion des Widerstands keinerlei Bedeutung. Das erkennt man bereits daran, dass in anderen Ländern ein Widerstand eher einer Feder gleicht. Ein Symbol eines Widerstands ist in Abb. 2–6 zu sehen.
Abb. 2–6Symbol eines Widerstands
Bei diesem Symbol sind die beiden Pins das eigentlich Wichtige. Die Pins sind die grünen Kreise mit dem roten Strich. Zwischen den beiden Pins ist der rechteckige Widerstandskörper. An den beiden Pins erkennt man bereits zwei Dinge: Die Anschlüsse sind passiv, da diese mit pas gekennzeichnet sind1. Das heißt, diese treiben nicht aktiv Signale. Ferner steht nach dem pas eine 1. Das besagt, dass beide Pins vertauschbar sind2. Das ergibt auch Sinn, da der Strom in beide Richtungen gleichermaßen durch den Widerstand fließen kann.
Symbole erhalten im Schaltplan einen Namen. So werden Widerstände mit einem Präfix R benannt und durchnummeriert, z. B. R1, R2 usw. Das Symbol erhält dafür einen Platzhalter >NAME. Für den Bauteilwert, in diesem Fall für den Widerstandswert, wird der Platzhalter >VALUE verwendet. Für beide Platzhalter gibt es eine eigene Lage: Layer 95 Names und Layer 96 Values. Damit kann man in EAGLE gezielt einzelne Lagen ein- und ausblenden sowie komplett bearbeiten.
Abb. 2–7Widerstände in verschiedenen Bauformen
Platziert man diesen Widerstand auf dem Schaltplan, sieht man einen rechteckigen Körper mit zwei Anschlüssen. Das mag für den Schaltplan so in Ordnung sein. Aber letztendlich soll der platzierte Widerstand mit seinen zwei Anschlüssen auf eine Leiterplatte gelötet werden. Dazu benötigt man seine physikalischen Abmessungen und auch die Information, ob es z. B. ein Widerstand in Durchstecktechnik (Through Hole Technology, THT) oder für die Oberflächenmontage (Surface Mounting Technology, SMT) ist. Wie man in Abbildung 2–7 erkennen kann, gibt es viele unterschiedliche Bauformen für einen Widerstand, die im Schaltplan alle das gleiche Symbol haben.
Footprint
Deshalb benötigt man für ein Symbol im Schaltplan ein Gehäuse, um dieses auf die Leiterplatte platzieren zu können. Bei EAGLE nennt sich das Gehäuse Footprint3. In Abbildung 2–8 sind zwei unterschiedliche Footprints für einen Widerstand zu sehen. Ein Widerstand in einer EAGLE-Bibliothek kann somit z. B. ein Symbol beinhalten, dem ein oder mehrere Footprints zugeordnet sind. Bereits beim Platzieren des Symbols im Schaltplan kann dann zwischen den Footprints ausgewählt werden. Bei Bedarf kann man den Footprint im Nachhinein austauschen.
Abb. 2–8Footprints für Widerstände in SMD4-Bauform 0805 (oben) und in Durchstecktechnik der Bauform 0207 (unten)
Was jetzt noch fehlt, ist die Zuordnung der Pins des Symbols (Abb. 2–6) zu den Pads/Lötaugen des Footprints (Abb. 2–8). Diese wird im Device vorgenommen.
Device
Das Device verheiratet das Symbol mit dem Footprint. Im Device-Editor werden das Symbol und der Footprint geladen und die Zuordnung zwischen den Pins des Symbols und den Pads des Footprints festgelegt. Dabei können einem Symbol, wie dem Widerstand, mehrere Footprints zugeordnet werden. Beim Platzieren des Widerstands im Schaltplan kann der gewünschte Footprint ausgewählt werden. In Abbildung 2–9 ist ein Widerstand dargestellt, dem viele Footprints zugeordnet sind.
Abb. 2–9Widerstand im Device-Editor mit einem Symbol und vielen Footprints
