Leiterplattendesign mit EAGLE E-Book

Francesco P. Volpe

• Herausgeber: dpunkt.verlag
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2021

Seitenzahl: 227

Beschreibung

Vom Schaltplan zur perfekten Platine Entwurfs-Knowhow an realen Beispielen vermittelt Für Elektronikbastler und Maker Praxistipps und -tricks rund um Autodesk EAGLE Sie wollen aus ihrer Elektronikbastelei ein vorzeigbares Produkt machen? Ihre komplexe Schaltung soll auf einer Platine auch noch gut aussehen und Ihr Logo tragen? Mit Autodesk EAGLE und diesem Buch lernen Sie Schritt für Schritt, wie Sie mit EAGLE von der Schaltplaneingabe über das Platinenlayout zu einer funktionierenden Leiterplatte gelangen. Alle Schritte werden mit vielen Screenshots anschaulich und nachvollziehbar erläutert. Die besprochenen Leiterplatten werden am Ende aufgebaut und vorgestellt. Benötigte Leiterplatten werden online bei Dienstleistern bestellt. Daneben wird an einem Bespiel gezeigt, wie Sie mit einer Fräsmaschine Leiterplatten chemiefrei inhouse fertigen können. Anhand von fünf Projekten lernen Sie die jeweils notwenigen Befehle und die Vorgehensweise im Detail kennen. Die Komplexität wird mit jedem Projekt langsam erhöht. Begonnen wird mit einem einfachen Zähler, der auf einer einseitigen Leiterplatte realisiert wird, und geht bis zu einem Mikrocontroller-Board auf einer vierlagigen Leiterplatte mit differentiellen USB-Leitungen und definiertem Leitungswellenwiderstand. Behandelte Projekte: - Ein einfacher Zähler - Duales Linear-Netzteil - USB-Sound-Stick - Class-D Audioverstärker - Mikrocontroller-Board mit USB-Schnittstelle Autodesk EAGLE ist in einer Free- und Premium-Edition verfügbar.

Leseprobe

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.

Zu diesem Buch – sowie zu vielen weiteren dpunkt.büchern – können Sie auch das entsprechende E-Book im PDF-Format herunterladen. Werden Sie dazu einfach Mitglied bei dpunkt.plus+:

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Francesco P. Volpe

Leiterplattendesignmit EAGLE

Ein Einstieg mit fünf Praxisprojekten

Prof. Dr. Francesco P. [email protected]

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

Hinweis:

Der Umwelt zuliebe verzichten wir auf die Einschweißfolie.

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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 SohnDenis 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:

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!

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