Czytaj książkę: «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

volpe@leiterplattendesign.com

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

Wieblinger Weg 17

69123 Heidelberg

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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

2.2.2Logikbaustein 7414

Bauteile können auch mehrere Symbole und Footprints haben. Typische Beispiele dafür sind Logikbauteile, die mehrere Gatter besitzen und in unterschiedlichen Gehäuseformen verfügbar sind. Exemplarisch ist in Abbildung 2–10 der Logikbaustein 7414 zu sehen. Dieser verfügt über sechs Inverter, die mit Gatter A bis E alphabetisch durchnummeriert sind. Jeder dieser Inverter stellt ein Gatter dar, das ein Symbol für den Schaltplan hat. Ferner ist ein siebtes Symbol (Gatter P) für die Spannungsversorgung vorhanden. Dem 7414 sind in der Bibliothek die drei Gehäuseformen/Footprints DIL16⁵, LCC20⁶ und SO14⁷ zugeordnet.

Abb. 2–10Logikbaustein 7414 mit sieben Symbolen und drei Footprints

Im Gegensatz zum o. g. Widerstand haben die Eingänge der Gatter Pins mit der Direction in und Ausgänge mit der Direction out. Das Gatter P hat mit pwr bezeichnete Pins. Diese Angaben dienen dazu, dass EAGLE im Schaltplan eine Warnung ausgibt, falls Eingänge nicht angeschlossen sind. Bei Pins mit der Direction out wird reklamiert, wenn Pins mit out zusammen angeschlossen werden. Pins mit pwr dienen dazu, eine Spannungsversorgung anzuschließen. Sind Pins aller Bauteile in den unterschiedlichen Bibliotheken konsistent so definiert, ist eine automatische Plausibilitätsüberprüfung sinnvoll.

2.3Managed Libraries

EAGLE liefert eine Vielzahl an Bauteilbibliotheken mit. Vor der Version 8.2.0 wurden diese lokal auf den eigenen Rechner installiert. Der Anwender konnte diese verändern, auch wenn das nicht ratsam ist, und/oder umbenennen. EAGLE speicherte bei jedem Bauteil, das im Schaltplan oder auf der Leiterplatte gesetzt wurde, immer den Bibliotheksnamen, aus dem das Bauteil genommen wurde, mit ab. So konnte es passieren, dass in einem Design Bauteile aus verschiedenen Bibliotheken, die den gleichen Namen hatten, stammen konnten. Eine genaue Zuordnung war nicht mehr möglich.

Seit der EAGLE-Version 8.2.0 ist das System der Managed Libraries eingeführt worden. Die Idee dahinter ist, dass man Bauteile und Bibliotheken eindeutig identifizieren kann, und zwar auch zwischen unterschiedlichen Rechnern. Neben den Bibliotheksnamen speichert EAGLE nun auch eine eindeutige Kennung, den Uniform Resource Name (URN). Diese Art der weltweit gültigen und eindeutigen Namen für Ressourcen kennt man aus Internetprotokollen. Die Bibliotheken erhalten diesen URN von den EAGLE-Servern zugewiesen. Zusätzlich werden die Bibliotheken mit Versionsnummern versehen.

Bei den Projekten in diesem Buch werden Bauteile aus den mitgelieferten Bibliotheken von EAGLE verwendet und zusätzlich eine eigene Bibliothek mit den Namen eagle-buch.lbr lokal angelegt. Diese kann man zu einer Managed Library umwandeln und gelangt damit auf die Website library.io. Diese so umgewandelte Bibliothek gehört natürlich weiterhin einem selbst und kann von anderen Nutzern der Website nicht eingesehen werden, es sei denn, man lädt andere Nutzer dazu ein.

Von der Möglichkeit der Managed Libraries wird in diesem Buch kein Gebrauch gemacht. Vielmehr liegt der Fokus auf der Bearbeitung der Projekte lokal auf dem eigenen Rechner.

Ist man daran interessiert, die Leiterplatte als 3D-Modell darzustellen, ist es zwingend erforderlich, die Bibliotheken in Managed Libraries umzuwandeln. Nur so kann man Bauteilen ein entsprechendes 3D-Modell zuweisen, das man für die verwendeten Bauteile bereits haben oder sich mit einem geeigneten Programm selbst erzeugen muss. Einige Hersteller bieten für ihre Bauteile entsprechende 3D-Modelle an, die man auf die Website library.io hochladen kann, um diese dann den Bibliothekselementen zuzuweisen.

3Projekt 1: Binärzähler

Als erstes Projekt soll mit Standard-Digitalbauteilen ein einfacher Binärzähler realisiert werden. Dieser zählt von 0 bis 15 hoch. Wenn der Wert 15 erreicht ist, beginnt der Zähler von Neuem. Der Zählerwert wird binär auf vier LEDs¹ angezeigt. Als Taktgeber dient ein einfaches RC-Glied mit Schmitt-Trigger. Der zu realisierende Zähler ist in Abbildung 3–1 zu sehen².

Abb. 3–1Schaltplan des ersten Projekts – ein einfacher Binärzähler

Den eigentlichen Taktgeber bilden R1 und C1 zusammen mit dem NAND-Gatter IC1A, das an den Eingängen eine Hysterese hat. Dabei beträgt die erzeugte Taktfrequenz in etwa

und hängt von den Eingangsschwellwerten des Logikbausteins 7413 ab [1]. Der genaue Wert ist dabei nicht so wichtig. Es geht darum, dass die Taktfrequenz nicht zu hoch ist, damit man einen Wechsel an den LEDs mit dem Auge erkennen kann. Man wird die Frequenz aufgrund der üblichen Toleranz von Aluminiumelektrolytkondensatoren von ± 20 % nicht genau angeben können, ohne den eingesetzten Kondensator C1 vorher zu messen. So kann man nur Werte zwischen 80 μF und 120 μF annehmen.

Das zweite NAND-Gatter ist nicht unbedingt notwendig. Es wird hier eingesetzt, da der verwendete Baustein 7413³ (IC1) zwei Gatter in einem Gehäuse [2] beinhaltet und der Ausgang des RC-Oszillators von der nachfolgenden Schaltung entkoppelt wird. Der eigentliche Zähler ist der Baustein 7493 (IC2) [3]. Dieser ist so verschaltet, dass binär von 0 bis 15 hochgezählt wird. Die Ausgänge QA, QB, QC und QD sind mit den Eingängen des 7406 (IC3) [4] verbunden. Dieser Baustein beinhaltet sechs sogenannte Inverter (Negierer) mit Open-Collector-Ausgängen. Mit diesen lassen sich die nachgeschalteten LEDs ansteuern. Den Strom für die LED1 bis LED4 [5] begrenzen die Widerstände R2 bis R5 auf 20 mA. Der Wert für diese Widerstände berechnet sich mit nachfolgender Gleichung:

Dabei ist U_LED = 1,85 V⁴ die Spannung über der LED in Flussrichtung und die 0,4 V ergeben sich aus dem Datenblatt des Bausteins 7406 als maximale Ausgangsspannung bei Low. Unter Berücksichtigung der E-Reihe für Widerstände wird ein Wert von 180 Ω für R2 bis R5 gewählt.

3.1Eingabe des Schaltplans für den Binärzähler

Nach diesen Vorüberlegungen zu Beginn von Kapitel 3 soll der Schaltplan des Zählers in EAGLE eingegeben und anschließend die dazugehörige Leiterplatte layoutet werden. Bei diesem ersten Projekt wird sehr ausführlich vorgegangen, damit der Leser jeden Schritt gut nachvollziehen kann. Für die Bauteile sollen nur solche für die Durchsteckmontage verwendet werden – sogenannte Through-Hole-Technology-(THT-)Bauteile. Alle benötigten Bauteile sind in Abbildung 3–2 zu sehen.

Abb. 3–2THT-Bauteile, die für den Binärzähler verwendet werden

3.2EAGLE starten und neues Projekt anlegen

Startet man EAGLE, gelangt man zuallererst in das Control-Panel (siehe Abb. 3–3).

Abb. 3–3EAGLE-Control-Panel nach dem Programmstart. Es handelt sich um die Premium-Edition und der User Prof Volpe ist angemeldet.

Als Nächstes wird ein neues EAGLE-Projekt im Ordner Projekte > projects erstellt, indem man im Menü Datei > Neu > Projekt auswählt (siehe Abb. 3–4). Daraufhin wird ein neuer Projektordner mit dem Namen Neues Projekt angelegt.

Abb. 3–4Neues Projekt im Ordner Projekte > projects erstellen

Diesem Ordner kann man dann direkt den neuen Namen Zähler geben. Alternativ kann man auf den Ordnernamen über einen Rechtsklick den Ordner umbenennen. Ferner kann man zu jedem Projekt eine Beschreibung hinzufügen. Das geschieht mit einem Rechtsklick auf den neu erstellten Projektnamen und führt zu Beschreibung editieren – in diesem Beispiel lautet der Projektname Zähler, da ein Zähler realisiert werden soll. Zur Eingabe einer Beschreibung öffnet sich ein Dialogfenster (siehe Abb. 3–5). Der obere Bereich dient zur Vorschau, im unteren Bereich kann man Texte eingeben. Dabei unterstützt EAGLE eine Teilmenge der HTML-Tags. Damit kann man den Text z. B. kursiv, fett o. ä. formatieren.

HMTL-Tags

Im Programmverzeichnis von EAGLE befindet sich im Unterordner \doc die Datei ulp_de.pdf. Es handelt sich dabei um die Beschreibung der User Language Programs (ULP). Mit diesen ULPs kann man eigene C-ähnliche Programme schreiben, die man unter EAGLE ablaufen lassen kann. Ab Seite 174 in dieser PDF-Datei sind die unterstützten HTML-Tags aufgezählt und näher erläutert.

Abb. 3–5Neues Projekt umbenennen und Beschreibung hinzufügen

3.3Schaltplan zum Projekt hinzufügen

Hat man das neue Projekt Zähler angelegt und eine Beschreibung hinzugefügt, kann jetzt mit der Eingabe des Schaltplans begonnen werden. Dazu muss zuerst eine Schaltplandatei, die bei EAGLE die Endung *.sch besitzt, durch Rechtsklick auf den Projektnamen Zähler und Neu > Schaltplan angelegt werden. Daraufhin befindet man sich im Schaltplan-Editor (Abb. 3–6).

Abb. 3–6Neuen Schaltplan im Projekt Zähler durch Neu > Schaltplan anlegen

3.4Raster und Zeichenrahmen

Hat man einen neuen Schaltplan dem Projekt hinzugefügt, sieht man eine leere Schaltplanseite. EAGLE benennt eine neue Seite mit dem Namen untitled.sch (Abb. 3–7). Das eingestellte Raster ist 0,1 inch und sollte nicht geändert werden! Die Anschlüsse (Pins) der Bauteile sind in diesem Raster angeordnet. Ändert man das Raster, besteht die Gefahr, dass man die Bauteile nicht mehr anschließen kann. Eine Behebung dieses Fehlers kann langwierige Korrekturen nach sich ziehen!

Tipp

Im Schaltplan-Editor sollte man das eingestellte Raster von 0,1 inch nicht ändern!

Tipp

EAGLE verwendet als Einheiten Inch, Mil, Millimeter und Mikron. Diese Einheiten kann man mit dem Icon Raster auswählen.

 1 inch = 25,4 mm

 1 mil = 1/1000 Inch = 0,0254 mm

 1 mic = 1/1000 mm = 0,001 mm

Bei der leeren Schaltplanseite kennt man damit das Raster, kann aber über die Größe keine Aussagen machen. Deshalb ist es immer sinnvoll, sich vor Eingabe des Schaltplans über die benötigte Seitengröße Gedanken zu machen. Das hilft auch, wenn man später den Schaltplan drucken möchte, da man dann den entsprechenden Skalierungsfaktor für die vorhandene Druckergröße einstellen kann. Der Binärzähler wird mit einer Seitengröße von DIN A4 auskommen.

Abb. 3–7Schaltplan-Editor mit leerer Schaltplanseite

Damit der Schaltplan innerhalb des Bereichs einer DIN-A4-Seite gezeichnet wird, muss als Erstes ein Zeichenrahmen in den Schaltplan platziert werden. Dabei wird jedes Element, das in den Schaltplan gebracht wird, wie ein Bauteil behandelt, unabhängig davon, ob es sich um ein elektronisches Bauteil handelt oder nicht. Bauteile werden mit dem ADD-Befehl auf die Schaltplanseite platziert. Das kann entweder mit dem Icon Add Part oder über das Textfeld, in das man ADD (Groß- oder Kleinschreibung) eintippt, geschehen (Abb. 3–8). Beim Textfeld hat man den Vorteil, dass dieses über eine History-Funktion verfügt. So kann man mit den Tasten und durch die bereits eingetippten Befehle scrollen. Im Textfeld kann man die Befehle auch abkürzen. So genügt es bereits, die ersten drei Buchstaben eines Befehls einzugeben, damit EAGLE den Befehl richtig erkennt.

Abb. 3–8Bauteil mit ADD-Befehl platzieren

Abb. 3–9Auswahlfenster für Bibliotheken, das sich beim ADD-Befehl öffnet

Hat man den ADD-Befehl angeklickt oder im Textfeld eingegeben, öffnet sich ein Fenster mit einer Auswahl an verfügbaren Bibliotheken (Abb. 3–9). Innerhalb dieses Auswahlfensters für Bibliotheken kann man wie im Explorer navigieren. Klickt man in das linke Fenster und tippt einen Buchstaben ein, so gelangt man zur Bibliothek, die mit dem eingetippten Buchstaben beginnt.

Tippt man f ein, so gelangt man direkt zur ersten Bibliothek, deren Name mit f beginnt. Hier wählt man dann die Bibliothek frames aus. In dieser befinden sich die Zeichenrahmen mit verschiedenen Formaten. Für den Schaltplan des Binärzählers wird der Zeichenrahmen DINA4_L ausgewählt. Wie im Vorschaufenster angezeigt, handelt es sich dabei um einen Zeichenrahmen im DIN-A4-Querformat mit einem Textfeld (Abb. 3–10).

Abb. 3–10Auswahl des Zeichenrahmens DINA4_L aus der Bibliothek frames. Das Auswahlfenster bietet eine Vorschau und eine kurze Beschreibung des Bauteils.

Durch Klicken übernimmt man den Zeichenrahmen in den Schaltplan-Editor. Dabei hängt der Zeichenrahmen am Mauszeiger. Prinzipiell kann man den Zeichenrahmen willkürlich auf die Schaltplanseite platzieren. Es ist aber sinnvoll, diesen im Koordinatenursprung abzulegen (Abb. 3–11).

Mit dem DELETE-Befehl, Icon-Symbol Mülleimer, lässt sich ein bereits platziertes Bauteil und natürlich auch der Zeichenrahmen wieder entfernen.

Abb. 3–11Zeichenrahmen im Format DIN A4 im Koordinatenursprung platziert

Alternativ kann man nach einem Bauteil suchen lassen. So würde DINA* im Suchfeld alle Zeichenrahmen, die mit dem Text DINA beginnen, aus der Bibliothek frames zur Auswahl liefern.

Tipp

Im Suchfeld kann man wie in der Windows-Kommandozeile im Suchtext * oder ? als Platzhalter verwenden⁵.

3.5Bauteile im Schaltplan platzieren

Nach dem gleichen Prinzip wie beim Zeichenrahmen werden jetzt alle anderen Bauteile auf den Schaltplan platziert.

3.5.1Logikbaustein 7413 platzieren

Es wird mit den NAND-Gattern begonnen. Diese sind in der integrierten Logikfamilie 74xx zu finden und der entsprechende Logikbaustein hat den Namen 7413. Dieser befindet sich in der Bibliothek 74xx-eu⁶ und wird über ADD > 74xx-eu > 74*13 > 7413N ausgewählt (Abb. 3–12). Es ist zu beachten, dass der 7413N im DIL14-Gehäuse ausgewählt wird und nicht im SO14-Gehäuse. Letzterer ist für die Oberflächenmontage gedacht. Der Zähler soll aber nur durch Bauteile in Durchstecktechnik realisiert werden.

Abb. 3–12Logikbaustein 7413N mit zwei NAND-Gattern mit jeweils vier Schmitt-Trigger-Eingängen im DIL14-Gehäuse

Am Mauszeiger befindet sich noch ein weiteres NAND-Gatter. Hat man beide aus dem Baustein 7413N platziert, kann man den ADD-Befehl entweder durch den STOP-Befehl⁷ oder durch die Wahl eines beliebigen anderen Befehls unterbrechen.

Tipp

Es kann notwendig sein, Bauteile zu drehen oder zu spiegeln. Hängt ein Bauteil nach dem ADD-Befehl am Mauszeiger, kann mit einem Rechtsklick das Bauteil um 90° gedreht und mit einem Klick auf das Mausrad gespiegelt werden. Nachträglich lassen sich Bauteile mit dem MOVE-Befehl drehen und mit dem MIRROR-Befehl spiegeln.

Sollte beim Klicken auf ein Element dieses nicht hell erscheinen, sondern Pfeile in vier Richtungen angezeigt werden, dann kann EAGLE nicht bestimmen, welches Element gemeint ist, da andere Elemente zu nah sind. In diesem Fall kann man mit Rechtsklicken ein Element nach dem anderen durchgehen. Wenn das richtige hell erscheint, lässt es sich mit einem Linksklick selektieren.

3.5.2Widerstände platzieren

Als Nächstes werden Widerstände benötigt. Da nur Bauteile in Durchstecktechnik eingesetzt werden sollen, werden Widerstände in einem 0207-Gehäuse, wie in Abbildung 3–2 gezeigt, ausgewählt. Dabei handelt es sich um einen bedrahteten Widerstand, der eine Verlustleistung von 250 mW verträgt. Passive Bauteile wie Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten findet man in der Bibliothek rcl. Den passenden Widerstand in der europäischen Darstellung erhält man mit ADD > rcl > R-EU_ > R-EU_0207/10 (Abb. 3–13).

Abb. 3–13Bedrahteter Widerstand mit einem Rastermaß von 10 mm (Lötaugen sind 10 mm entfernt) in europäischer Darstellung

Tipp

In der Bibliothek rcl findet man passive Bauteile in europäischer Darstellung in folgenden Unterordnern:

R-EU_:	Widerstände
C-EU:	Kondensatoren
CPOL-EU:	polarisierte Kondensatoren
L-EU:	Induktivitäten

3.5.3Kondensator platzieren

Den Aluminiumelektrolytkondensator für den Schwingkreis erhält man mit ADD > rcl > CPOL-EU > CPOL-EUE2.5-5. Dabei handelt es sich um einen Kondensator mit einem Durchmesser von 5 mm und einem Rastermaß von 2,54 mm (Abb. 3–14).

Abb. 3–14Bedrahteter Elektrolytkondensator mit einem Rastermaß von 2,54 mm und einem Durchmesser von 5 mm in europäischer Darstellung

Für den Schwingkreis wird ein Kondensator mit 100 μF benötigt. Die Spannungsfestigkeit ist mit 10 V bis 16 V völlig ausreichend, da die Schaltung mit 5 V betrieben wird. Ein solcher Kondensator ist mit dem angegebenen Durchmesser erhältlich. Man sollte immer prüfen, ob man das Bauteil mit den benötigten Werten auch tatsächlich bei einem Distributor beziehen kann.

3.5.4Weitere Bauteile platzieren

Zur Vervollständigung des Schaltplans werden noch der Zählerbaustein 7493 mit ADD > 74xx-eu > 74*93 > 74LS93N (Abb. 3–15), die Inverter mit Treiberstufe 7406 mit ADD > 74xx-eu > 74*06 > 7406N (Abb. 3–16) und die LEDs mit ADD > led > LED >LED5MM (Abb. 3–17) platziert.

Tipp

Bei der Logikfamilie 74xx geben die Ziffern nach der 74 die Funktion an. Bei 74LSxx, 74HCxx oder 74HCTxx geben die Buchstaben die verwendete Technologie an. Das heißt, ob bipolare (ohne Buchstaben), Schottky- (LS) oder MOS-Transistoren (HC/HCT) verwendet wurden, und ob die Logikpegel kompatibel zu Standardlogik sind. Die eigentliche Funktion ist identisch.

Abb. 3–15Zählerbaustein 7493 im DIL14-Gehäuse aus der Bibliothek 74xx-eu

Abb. 3–16Inverter-Baustein 7406 im DIL14-Gehäuse aus der Bibliothek 74xx-eu

Abb. 3–17LED mit 5 mm Durchmesser aus der Bibliothek led

3.6Bauteile verdrahten

Nachdem man die Bauteile platziert hat, werden diese mit dem NET-Befehl verdrahtet. Man sollte widerstehen, dafür den LINE-Befehl zu verwenden. Der NET-Befehl verfügt über einige Parameter: Die Netze werden in der Lage 91 Nets (Strichfarbe Grün) gezeichnet und man kann den Knickwinkel wählen, z. B. 45°, 90°, Freilinie usw., dabei kann man mit einem Rechtsklick zwischen Winkel oberhalb oder unterhalb des Netzes wählen. Für die Linienart stehen im Pull-down-Menü continuous/longdash/shortdash/dashdot zur Auswahl. Bei Netzen ist aber nur die durchgezogene Linie sinnvoll (continuous). Der Parameter Netzklasse wird später aufgegriffen. Im jetzigen Designstadium bleibt dieser bei default stehen. Beim LINE-Befehl ist wiederum der Parameter Radius sinnvoll, mit dem man den Radius oder die Länge eines 45°-Winkels bei einer Linie angeben kann (Abb. 3–18). Mit dem DELETE-Befehl, Icon-Symbol Mülleimer, lässt sich ein bereits verlegtes Netz wieder entfernen.

Tipp

Bauteile werden mit dem NET-Befehl verdrahtet! Der LINE-Befehl ist dafür nicht geeignet.

Abb. 3–18Platzierte NAND-Gatter. Verdrahtung erfolgt über den NET-Befehl.

Mit der vorgenommenen Platzierung und der Verdrahtung wächst der Schaltplan weiter an. Der eingegebene Schaltplan des Binärzählers in Abbildung 3–19 nimmt allmählich die Form an wie der Schaltplan in Abbildung 3–1. Zur besseren Übersicht sind im Schaltplan-Editor die Ansichten für Sheet, Inspector, Selection Filter und Design Manager im Menü Ansicht ausgeschaltet. Möchte man die einzelnen Ansichten wiederherstellen, muss man ein Häkchen in das Kästchen vor der jeweiligen Ansichtsoption setzen.

Tipp

Zoomen:	Mausrad vor- und zurückdrehen
Panning:	Mausrad gedrückt halten und Maus bewegen
+ :	Gesamtansicht

Abb. 3–19Verdrahtung der platzierten Bauelemente. Im Menü Ansicht sind einige Fenster ausgeblendet.

3.7Versorgungssymbole platzieren

Jetzt fehlen noch die Anschlüsse für die Versorgungsspannung (V_CC⁸) und für die Masse (GND⁹). Ein Anschluss des Kondensators C1 und zwei Pins des Zählerbausteins IC2 müssen noch an Masse angeschlossen werden. Alle Anoden der LEDs benötigen noch eine Verbindung zur Versorgungsspannung V_CC. Die Symbole für V_CC. und GND befinden sich in der Bibliothek supply1. Durch ADD > supply1 > VCC (Abb. 3–20) und ADD > supply1 > GND (Abb. 3–21) werden diese in den Schaltplan gesetzt und mit den entsprechenden Netzen verbunden.

Abb. 3–20Supply-Symbol VCC in der Bibliothek supply1

Abb. 3–21Supply-Symbol GND in der Bibliothek supply1

Beim Verdrahten des GND-Symbols mit dem Netz im Schaltplan (das Gleiche gilt auch für das VCC-Symbol) meldet EAGLE eine Warnung und öffnet dabei ein Fenster. In diesem wird gefragt, ob man das gewählte Netz N$3 wirklich in das Supply-Netz GND integrieren möchte. Das wird dann mit Ja bestätigt (Abb. 3–22).

Abb. 3–22EAGLE warnt vor dem Verbinden von zwei Netzen.

Hat man alle Schritte bis hierhin ausgeführt, sollte der Schaltplan wie in Abbildung 3–23 aussehen.

Abb. 3–23Der fast fertige Schaltplan des Binärzählers

Tipp

EAGLE nummeriert Netze mit N$1, N$2, N$3 usw. durch. Besondere Netze wie z. B. GND oder VCC weichen davon ab. Mit dem NAME-Befehl kann man die Namen der Netze ändern. Das ist sinnvoll, um Netze z. B. TAKT oder AUSGANG zu nennen. Damit findet man diese schneller.

3.8Spannungsbuchse platzieren

Wenn man sich den Schaltplan anschaut, fällt auf, dass noch die Möglichkeit fehlt, die Schaltung mit Spannung zu versorgen. Dazu wird z. B. eine Buchse benötigt, über die man die Spannung anlegen kann. In Abbildung 3–2 ist eine solche Buchse zu sehen. Es handelt sich um eine Niederspannungsbuchse NEB21R der Firma Lumberg für einen 2,1-mm-Hohlstecker, den man u. a. von Steckernetzteilen her kennt. Ein solches Bauteil findet man in der Bibliothek con-lumberg, die EAGLE mitliefert. Mit ADD > con-lumberg > NEB21R (Abb. 3–24) platziert man die Buchse in den Schaltplan und verbindet Pin 1 mit dem Netz VCC und Pin 3 mit dem Netz GND. Der endgültige Schaltplan sollte wie in Abbildung 3–25 aussehen.

Abb. 3–24Niederspannungsbuchse NEB21R in der Bibliothek con-lumberg

Abb. 3–25Vollständiger Schaltplan des Binärzählers mit Spannungsbuchse

3.9Attribute bearbeiten

Bis hierhin ist der Schaltplan fast fertig. Es fehlen noch Kleinigkeiten, die u. a. diesen lesbarer machen. So ist an beiden VCC-Symbolen der Text VCC um 90° gedreht zum Spannungspfeil. Der Text lässt sich mit dem MOVE-Befehl drehen oder über den Befehl Reposition Attributes platzieren. Der Text VCC am VCC-Symbol wird über Value im Pull-down-Menü angewählt und die Position Top-middle ausgewählt. Ein Klick auf das VCC-Symbol positioniert den Text wie gewünscht (Abb. 3–26).

Abb. 3–26Mit Reposition Attributes lassen sich Name und Value eines Objekts neu anordnen.

3.10Bauteilen Werte zuweisen

Zur Lesbarkeit gehört auch, dass den Bauteilen Werte zugewiesen werden. Das geschieht mit dem VALUE-Befehl. Dabei kann man das Icon VALUE anklicken und anschließend klickt man das Bauteil an, dem ein Wert zugewiesen werden soll. Daraufhin öffnet sich ein Fenster, in das man den Wert eingeben kann. Im gezeigten Beispiel in Abbildung 3–27 wird R1 der Wert 10k¹⁰ zugewiesen. Alternativ kann man im Textfeld VALUE R1 10k eingeben oder VALUE 10k und anschließend das Bauteil anklicken, das den Wert erhalten soll. Man kann nacheinander auch mehrere Bauteile anklicken, die alle den gleichen Wert erhalten sollen.

Abb. 3–27Bauteilen über VALUE-Befehl Werte zuweisen

3.11Projekt speichern

Jetzt ist ein guter Zeitpunkt, die Arbeit abzuspeichern. In der oberen Fensterzeile des Schaltplan-Editors erkennt man, dass die Schaltplandatei noch den Namen untitled.sch hat. Mit Datei > Speichern unter wird die Datei unter dem Namen zaehler gespeichert. Anschließend wird im Textfeld des Zeichenrahmens der Dateiname und der Zeitpunkt der letzten Speicherung angezeigt.

Abb. 3–28Schaltplan speichern

3.12Versorgungsgatter und INVOKE

Abb. 3–29Logikbauteile 7406, 7413 und 7493 sowie die Lage der Versorgungsanschlüsse (Quelle: [2], [3] und [4])

Schaut man sich den Schaltplan genauer an, so stellt man fest, dass die Logik-Eingänge und -Ausgänge von IC1, IC2 und IC3 angeschlossen sind. Im Schaltplan sind auch V_CC und GND eingezeichnet, aber werden auch IC1 bis IC3 mit Spannung versorgt? So benötigen der 7406 und 7413 V_CC an Pin 14 und GND an Pin 7. Der Zählerbaustein 7493 benötigt hingegen V_CC an Pin 5 und GND an Pin 10 (Abb. 3–29). Im Schaltplan ist aber an keinem Pin der Logikbauteile V_CC oder GND angeschlossen. Dennoch sind diese Pins an den Netzen VCC und GND angeschlossen. Das liegt daran, dass in den Devices der Bauteile nicht nur die Gates, die eigentlichen Gatter, die die Funktion ausüben, sondern noch zusätzliche Gates für die Spannungsversorgung definiert sind (vgl. dazu Kap. 2). Beim Platzieren der Gatter z. B. von Baustein 7413 (IC1) mit dem ADD-Befehl wurden aber nur die NAND-Gatter IC1A und IC1B platziert. Hätte man weitere platziert, wäre ein zusätzlicher 7413-Baustein auf den Schaltplan gekommen mit der Nummerierung IC2 und für die Gatter dann entsprechend IC2A und IC2B.

Abb. 3–30Mit dem INVOKE-Befehl kann man sehen, welche Gatter eines Device bereits platziert sind.

Um zu sehen, dass z. B. im Device 7413 ein weiteres Gatter vorhanden ist, gibt es den INVOKE-Befehl. Klickt man mit dem aktivierten INVOKE-Befehl auf ein Gatter des Bauteils IC1 im Schaltplan, öffnet sich ein Fenster (Abb. 3–30). In diesem sieht man, dass der 7413 (IC1) die Gatter A, B und P beinhaltet. Gatter A und B sind jeweils eins der beiden Symbole 7413 – also die eigentlichen NAND-Gatter. Im Schaltplan sind das die Gatter IC1A und IC1B. Man kann weiterhin erkennen, dass die Gates A und B auf der Schaltplanseite 1 platziert sind. Im INVOKE-Fenster steht in der Spalte Sheet für die Gates A und B jeweils eine 1. Beim dritten Gate P steht in der Spalte eine 0, da dieses nicht auf dem Schaltplan platziert ist. Wieso werden die Gates A und B mit dem ADD-Befehl platziert und das Gate P nicht? Die Antwort ist in der Spalte Add dieser Gates zu sehen. Während bei den Gates A und B dort next steht, befindet sich für das Gate P ein request. Bei next und request handelt es sich um den Addlevel. Durch next wird mit dem ADD-Befehl immer das nächste Gate platziert. Sind im Device alles Gates, die über Addlevel next verfügen, platziert, wird ein weiteres Device genommen. Gates mit dem Addlevel request werden nur auf Aufforderung mit dem INVOKE-Befehl platziert.

Tipp

Die fünf Addlevel:

 Next: Ein oder mehrere Gates, die aus einem Device platziert werden.

 Must: Ein Gate, das vorhanden sein muss (z. B. Relaisspule, sonst können keine Schaltkontakte platziert werden). Must-Gates lassen sich erst löschen, wenn alle anderen Gates des Device gelöscht wurden.

 Can: Gates, die platziert werden können (z. B. Schaltkontakte beim Relais, da mehr vorhanden sein könnten als benötigt).

 Always: Ein Gate, das auf jeden Fall auf den Schaltplan platziert werden muss. Im Gegensatz zu Must-Gates lässt sich ein Always-Gate löschen und über den INVOKE-Befehl wieder platzieren.

 Request: Ein Gate, das nur auf Aufforderung platziert wird (z. B. Versorgungs-Gate bei Logikbausteinen).

Abb. 3–31Die Versorgungs-Gates der Bausteine IC1 bis IC3 sind durch den INVOKE-Befehl auf den Schaltplan platziert.

Führt man den INVOKE-Befehl für die Bauteile IC1 bis IC3 aus und platziert die Versorgungs-Gates IC1P, IC2P und IC3P in die Nähe der Niederspannungsbuchse X1, erhält man den Schaltplan, der in Abbildung 3–31 als Ausschnitt zu sehen ist. Durch diese Platzierung hat man gleich eine visuelle Darstellung, dass die Logikbausteine IC1 bis IC3 mit den Versorgungsnetzen VCC und GND verbunden sind. Dabei ist es nicht notwendig, Netze z. B. von Pin 14 des IC1P-Gates zu einem Netz VCC zu zeichnen. Das Gleiche gilt für Pin 7 des IC1P-Gates zu einem Netz GND. EAGLE verbindet Netze mit gleichen Namen automatisch.

Tipp

Netze mit gleichen Namen sind automatisch miteinander verbunden.

Das birgt aber auch die Gefahr, dass die Logikbausteine nicht mit Spannung versorgt würden, hätte man statt VCC-Symbole z. B. +5V-Symbole aus der Bibliothek supply1 platziert. Deshalb ist es immer ratsam, die Power-Gates auf den Schaltplan zu platzieren, um sich Klarheit zu verschaffen.

3.13Gateswap

Im INVOKE-Fenster (Abb. 3–30) muss noch ein Eintrag erläutert werden: Eine 1 in der Spalte Swap gibt an, ob man ein Gate im Device gegen ein anderes tauschen (swappen) kann. Dabei müssen beide Gates, die man swappen möchte, in der Spalte Swap eine 1 eingetragen haben. Beim IC1 darf man die Gates A und B tauschen, da beide gleichwertig sind. Es ist reiner Zufall, dass im Schaltplan das Gate A links vom Gate B platziert ist. Es hätte genauso gut umgekehrt sein können. Für die Funktion der Schaltung ist das unerheblich. Beim späteren Layouten der Platine kann es aber einen Unterschied machen. Wie die Leiterbahnführungen sein werden, hängt entscheidend davon ab, von welchen Pins die Leiterbahnen zu welchen Pins gelegt werden müssen. Das sieht man jedoch zum Zeitpunkt der Schaltplaneingabe noch nicht. Deshalb kann es später sinnvoll sein, die Gates A und B – also IC1A und IC1B – zu vertauschen. Eine Möglichkeit, dies zu realisieren, besteht darin, die bereits verdrahteten Netze mit dem DELETE-Befehl zu löschen, die Gates zu verschieben und anschließend wieder neu zu verdrahten. Einfacher lässt sich das mit dem Gateswap-Befehl durchführen. Dazu klickt man auf das Icon GATESWAP und anschließend erst auf das eine Gate und dann auf das andere Gate, die man miteinander swappen möchte. In Abbildung 3–32 ist das IC1 vor und nach der Operation zu sehen¹¹.

Abb. 3–32IC1 vor (linkes Bild) und nach dem Gateswap-Befehl (rechtes Bild)

3.14Pinswap

Ähnlich wie beim GATESWAP-Befehl verhält es sich beim Pinswap-Befehl. Wie der Name schon vermuten lässt, kann man mit diesem zwischen zwei Pins desselben Gates swappen. Natürlich nur, wenn die Pins gleichwertig sind (gleichen Swaplevel besitzen¹²). Beim IC1 sind die vier Eingangspins des Gates IC1A alle gleichwertig, da es sich um ein NAND-Gate handelt mit vier Eingängen. Ein Pinswap ist im aktuellen Schaltplan des Binärzählers nicht möglich, da dazu die Pins nicht alle mit demselben Netz verbunden sein dürfen. Ob man die Pins swappen darf, hängt von den Eigenschaften der Pins ab, die in der Bibliothek getroffen werden. Beim Erstellen des Symbols muss bei der Platzierung der Pins die Möglichkeit zum Pinswap zugewiesen werden.

3.15Netzklassen

Der Schaltplan des Binärzählers ist an diesem Punkt schon fertig und man könnte nun die Leiterplatte layouten. Beim Verdrahten mit dem NET-Befehl wurde für die Netze die Netzklasse default gewählt. Als abschließende Ergänzung werden noch die Netze unterschiedlichen Netzklassen zugeordnet. Für die Erklärung muss an dieser Stelle ein Punkt beim Layouten einer Leiterplatte vorweggenommen werden: Für Leiterbahnen, die auf der Leiterplatte verlegt werden, gibt es Design-Regeln, die einzuhalten sind. Der Leiterplattenhersteller kann z. B. nicht Leiterbahnen mit beliebig schmaler Breite (Width) fertigen und es müssen Mindestabstände (Clearance) zu anderen Leiterbahnen eingehalten werden. Ferner gibt es einen minimalen Bohrdurchmesser (Drill) für Löcher auf der Leiterplatte. Neben diesen Design-Regeln (vgl. Abschnitt 3.32), die im Board-Editor festgelegt werden, kann man bereits im Schaltplan-Editor für Netze Regeln aufstellen, die im Board-Editor für diese Netze einzuhalten sind. Das geschieht über Netzklassen, indem man Netze unterschiedlichen Netzklassen zuordnen kann. Dabei können die Angaben in den Netzklassen nicht die Design-Regeln aushebeln. Jetzt stellt sich die Frage, wieso sollte man so etwas tun? Die Antwort ist sehr einfach: Es kann Leitungen oder Signale auf der Leiterplatte geben, für die die Leiterbahn besondere Eigenschaften haben muss. Es ist offensichtlich, dass eine Leiterbahn, durch die ein hoher Strom von z. B. 10 A fließen soll, breiter sein muss als eine Leiterbahn, durch die nur 0,1 A fließen soll. In der Hochfrequenztechnik werden für Signale meist Leiterbahnen mit einem Leitungswellenwiderstand von 50 Ω benötigt. Die Leiterbahnbreite muss für diese Leiterbahnen sehr sorgfältig gewählt werden. Als letztes Beispiel seien noch Leiterbahnen erwähnt, die 230 V Netzspannung führen. Die Leiterbahnen müssen, je nach Isolationsklasse und einzuhaltende Norm, einen gewissen Abstand zu anderen metallischen Elementen haben. Diese Randbedingungen lassen sich in den Regeln der Netzklassen berücksichtigen.

Abb. 3–33Netzklasse anzeigen und bearbeiten

Die Netzklassen lassen sich über Bearbeiten > Netzklassen aufrufen (Abb. 3–33). Daraufhin öffnet sich das Netzklassen-Fenster. In diesem gibt es die Reiter Classes und Rules (Abb. 3–34, links). Im Reiter Classes befindet sich links unter Net Classes bislang nur die Netzklasse default. In der Mitte stehen unter No Members die Netznamen, die nicht zu der Netzklasse default gehören. In diesem Fall ist die Menge leer, da alle Netze zu default gehören. Die Netze, die zu default gehören, stehen rechts unter Member (N$1 bis N$17 sowie VCC und GND).

Eine neue Netzklasse lässt sich durch Klicken auf den ADD-Button anlegen. Danach kann man den neuen Netznamen eintippen. In Abbildung 3–34 (rechtes Fenster) ist die neue Netzklasse Versorgung angelegt worden. Ist diese angewählt, kann man im Bereich No Member (Mitte) die Netze anwählen, die in die Netzklasse Versorgung aufgenommen werden sollen. Abschließend wird der Button mit dem Pfeil rechts geklickt und die angewählten Netze werden im Bereich Member (rechts) übernommen. Im gezeigten Beispiel (Abb. 3–34) ist das Netz VCC als Member in die Netzklasse Versorgung aufgenommen worden. Am Ende werden die Eingaben mit OK übernommen.

Tipp

Wie in Windows üblich können mehrere Elemente mit den Tasten oder markiert werden.

Abb. 3–34Bestehende Netzklasse default (links) und neue Netzklasse Versorgung anlegen und dieser das Netz VCC zuweisen (rechts)

Ist eine neue Netzklasse definiert und die Member bestimmt, kann man im Reiter Rules die Regeln für Width, Drill und Clearance festlegen (Abb. 3–35). Für die Netzklasse default sieht man, dass für alle drei Werte jeweils 0 mil¹³ eingetragen ist. Natürlich ist damit nicht gemeint, man könne eine Leiterbahnbreite von 0 mil, einen Bohrdurchmesser von 0 mil und einen Abstand zu anderen Leiterbahnen von 0 mil auf der Leiterplatte verwenden. Wie bereits weiter oben erläutert, können diese Werte nicht die Design Rules aushebeln. Vielmehr bedeuten diese Werte, dass die Design Rules nicht weiter verschärft werden für Netze dieser Netzklasse.

Anders verhält es sich mit der Netzklasse Versorgung. Die Netze, die dieser Netzklasse zugeordnet sind, dienen zur Versorgung der Schaltung. Durch die später layouteten Leiterbahnen wird der größte Strom in der Schaltung fließen. Deshalb sollen diese Leiterbahnen breiter ausgelegt werden. Für die Leiterbahnbreite (Width) sind 1 mm, für den Bohrdurchmesser (Drill) 0,6 mm und für den Abstand (Clearance) zu anderen metallischen Elementen 0,5 mm in den Rules gewählt worden. Diese Wert sind als minimale Werte zu interpretieren, die nicht unterschritten werden dürfen.

Tipp

In Rules dürfen für Width, Drill und Clearance alle Einheiten verwendet werden, die EAGLE zulässt. Diese sind mm, mil, inch und mic.

Abb. 3–35Rules für die Netzklassen

3.16Electrical Rule Check (ERC)

Der Schaltplan ist jetzt komplett eingegeben und Netze sind den Netzklassen zugewiesen worden. Bevor man jetzt die Leiterplatte aus dem Schaltplan generiert, sollte ein Electrical Rule Check (ERC) ausgeführt werden. Dieser Test dient dazu, eventuelle Fehler bei der Schaltplaneingabe zu finden. Dazu wird auf das Icon ERC geklickt. Nach Beendigung des ERC öffnet sich ein Fenster, in dem mögliche Fehler und/oder Warnungen angezeigt werden (Abb. 3–36).

Abb. 3–36Electrical Rule Check (ERC)

Setzt man ein Häkchen bei Zentriert und führt einen Doppelklick auf den Meldungen aus, springt EAGLE zu der Stelle der Fehlermeldung/Warnung im Schaltplan-Editor und zentriert die Fundstelle.

Die Meldungen sind im Einzelnen:

 Konsistenz nicht geprüft (kein Board geladen)Es existiert noch kein Board (Leiterplatte) zu diesem Schaltplan. Deshalb kann nicht auf Konsistenz zwischen den beiden geprüft werden.

 Fehler (0)Es sind keine Fehler im Schaltplan.

 Warnungen (3)Es gibt drei Warnungen zum Schaltplan. Die erste weist darauf hin, dass der Zeichenrahmen (Frame) keinen Wert besitzt. Diese Warnung kann ignoriert werden. Einen Wert über den VALUE-Befehl zuzuweisen wäre nicht sinnvoll. Die nächsten zwei Warnungen sind etwas wichtiger. Der Logikbaustein 7406 beinhaltet sechs Inverter, von denen nur vier auf dem Schaltplan platziert sind. Die ERC-Warnungen weisen darauf hin, dass die zwei Eingänge der nicht platzierten Gatter E und F offen – an keinem Netz angeschlossen – sind. Hier muss eventuell gehandelt werden14.

 Gebilligt (0)Sollten Fehler oder Warnungen explizit durch den Button Billigen gebilligt worden sein, werden diese Meldungen unter diesem Punkt angezeigt.

Nachdem Fehler und Warnungen bearbeitet worden sind, sollte ein erneuter ERC durchgeführt werden.