Workshop Platinenentwicklung mit EAGLE

Transkript

1 Workshop Platinenentwicklung mit EAGLE Merten Joost, Michael Fogel, David Schwerbel, Thomas Wilbert evol mikfogel emerald FB4 Universität Koblenz 18/

2 1 Einführung Der Platinenentwicklungsprozess Heute betrachteter Ausschnitt Warum EAGLE? 2 Übersicht Schaltungen 3

3 Prozess der Platinenentwicklung Der Platinenentwicklungsprozess Heute betrachteter Ausschnitt Warum EAGLE? 1 Schaltung entwickeln 2 Anordnen der Bauteile auf der Platine 3 Physisches Herstellen der Platine durch beispielsweise: Belichten, Ätzen und Bohren CNC-Maschine (Computerized Numerical Control) 4 Platine bestücken

4 Der Platinenentwicklungsprozess Heute betrachteter Ausschnitt Warum EAGLE? Hier verwendete Printed Circuit Boards (PCB) Epoxyd- oder auch Hartpapierträger Mindestens einseitige Kupferbeschichtung (z.b.. 35µ Dicke) Säureresistente Schicht aus Photolack überdeckt das Kupfer Durch Belichten und Entwickeln kann der Photolack teilweise entfernt werden

5 Der Platinenentwicklungsprozess Heute betrachteter Ausschnitt Warum EAGLE? Hier verwendete Printed Circuit Boards (PCB) An den belichteten Stellen wird nachher das Kupfer mittels Ätzbad entfernt Es entstehen einzelne, leitende Kupferbahnen, die später die Bauteile verbinden Material ist relativ günstig, z.z. ca. -,90 für 75x100mm

6 Der Platinenentwicklungsprozess Heute betrachteter Ausschnitt Warum EAGLE?

11 Heute betrachteter Ausschnitt Der Platinenentwicklungsprozess Heute betrachteter Ausschnitt Warum EAGLE? Entwurf der Schaltung Erstellung eines Schaltbildes Plausibilitätsprüfung Entwurf des Platinenlayouts Anordnen der Bauteile auf der Platine Festlegen des Verlaufs der Leiterbahnen Markierungen für Bohrungen und Durchkontaktierungen usw. Export zur Fertigungsvorlage Als Steuerdaten für eine CNC-Fräse Druck als Belichtungsvorlage

12 Softwarelösungen Einführung Der Platinenentwicklungsprozess Heute betrachteter Ausschnitt Warum EAGLE? Hilfe durch Software ist angebracht bzw. unbedingt notwendig Verschiedenste Programme existieren, die den Nutzer in den unterschiedlichen Phasen unterstützen: Proteus Protel Target 3001 EAGLE

13 Das EAGLE-Platinenlayout-System Der Platinenentwicklungsprozess Heute betrachteter Ausschnitt Warum EAGLE? EAGLE Akronym für: Einfach Anzuwendender Grafischer Layout-Editor Liefert Unterstützung zu allen wesentlichen Arbeitsvorgängen Relativ einfache Benutzung Ideal für private Zwecke durch Freeware-Version

14 Das EAGLE-Platinenlayout-System Der Platinenentwicklungsprozess Heute betrachteter Ausschnitt Warum EAGLE? Wesentliche Features: Schaltplaneditor Layouteditor Autorouting-Modul Voll steuerbar durch Scripte Große, erweiterbare Bauteilbibliothek Einschränkungen der Freeware PCB-Größe 100x80mm Max. zwei Signallayer (Platinenober- und Unterseite)

15 Übersicht Schaltungen Erstellung einer Platine zum Experimentieren mit dem Mikrocontroller ATmega16 der Firma Atmel. Ergebnis soll die alten C-Control-Aufbauten ersetzen

16 Übersicht Schaltungen Zu erfüllenden Voraussetzungen: Kommunikationsmöglichkeit über die Serielle Schnittstelle ( COM-Port ) Taster sowie LEDs zur Steuerung bzw. Statusangabe des Controllers Stecker, um die Verbindung zum kleinen Buchsenfeld für Bananenstecker herzustellen Möglichkeit, den ATmega16 durch verschiedene Quarze mit verschiedenen Taktraten zu betreiben

17 Übersicht Schaltungen Atmel ATmega16-Mikrocontroller Günstiger 8Bit-µC in Harvard-Architektur Verfügbar im einfach zu handhabenden DIL40-Package 16Kb Flash, 1Kb SRAM, 512Byte EEPROM Taktfrequenz bis zu 16MHz Vier 8Bit breite I/O-Ports Betrieb mit 5V Gleichstrom

18 Die Serielle Schnittstelle Übersicht Schaltungen Datenübertragung mittels RS232-Standard Zwei Signalleitungen (TXD & RXD) plus Masseleitung Anschluss an den Rechner über SubD9-Male- Stecker Signalübertragung erfolgt nicht mit TTL- Pegel (0 bzw. 5V), sondern mit -12/+12V Daher ist z.b. ein MAX232-Baustein zur Pegelwandlung notwendig

19 Die Serielle Schnittstelle Übersicht Schaltungen Gesamte Schaltung besteht aus: SubD9-Stecker (male) IC MAX232 Vier 1µF Elektrolyt-Kondensatoren Bei den Elkos ist auf die Polung zu achten Plus/Minus bei Bauelementen Bei Bauelementen gilt generell: Kurzes Beinchen = Kathode = Minus Dementsprechend: langes Beinchen = Plus

20 Übersicht Schaltungen

21 Taster und LEDs Einführung Übersicht Schaltungen Gesamte Schaltung besteht aus: Roter Taster verbindet /Reset-Pin des ATmega mit GND Gelber Taster verbindet Pin PB0 mit GND Grüne LED dient als Betriebsanzeige zwischen VCC und GND Gelbe LED zwischen PD5 und GND Rote LED zwischen PD4 und GND LEDs benötigen Vorwiderstände als Strombegrenzer (typabhängig, hier ca. 250Ω) Bei LEDs muss auf die Polung geachtet werden, Balken immer in Richtung GND

23 Übersicht Schaltungen Schaltung für die Taktversorgung Der Controller kann u.a. mittels eines einfachen Quarzes mit einem Takt versorgt werden Quarz wird zw. zwei dafür vorgesehene Pins des ATmega geschaltet (XTAL1/2) Quarz wird beidseitig mit 22pF - Kondensatoren gegen Masse verbunden Das Board erhält eine Buchsenleiste, auf die der Quarz aufgesteckt werden kann Standardmäßig nutzt der ATmega16 seinen eingebauten 1MHz-Quarz

25 Verbindung zum Steckfeld Übersicht Schaltungen Steckfeld und Platine werden mit SubD25-Steckverbinder ( Parport ) verbunden Board enthält dabei den SubD25-Stecker Typ Male Auf das Steckfeld werden Port A und C sowie diverse andere Signale für Interrupts und ähnliches geführt Auch die Stromversorgung läuft über diese Verbindung

26 Generelles Einführung Übersicht Schaltungen Zusätzliche Informationen: Möglichst nahe der Bauteile sollten Kondensatoren zur Glättung der Versorgungsspannung verbaut werden Eine gute Kapazität hierfür ist 100nF Der Controller wird in diesem Aufbau nachher über die serielle Schnittstelle programmiert Für die (übliche) parallele Programmierung wird noch eine 10- polige Wannenbuchse vorgesehen.

28 Fertige Platine Einführung Übersicht Schaltungen

29 EAGLE beschaffen Einführung Freeware kann heruntergeladen werden von Dort ebenfalls verfügbar: Benutzerhandbuch Trainingshandbuch (Tutorial) Scripte

30 Schritt für Schritt zum Schaltplan 1 Projekt erstellen Jedes Projekt erhält ein eigenes Verzeichnis Projektspezifische Einstellungen und Fensterpositionen werden festgehalten 2 Schematic erstellen 3 Gewünschte Bibliotheken einbinden 4 Bauteil aus Bibliothek wählen und platzieren 5 Busse und Netze zwischen den Bauteilen anlegen 6 Plausibilitätsprüfung des Schaltbildes

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34 Schritt für Schritt zum Schaltplan 1 Projekt erstellen 2 Schematic erstellen Das Schematic stellt den symbolischen Schaltplan dar Vom Package eines Bausteins wird weitgehend abstrahiert Üblicherweise wird mit dem Schematic begonnen 3 Gewünschte Bibliotheken einbinden 4 Bauteil aus Bibliothek wählen und platzieren 5 Busse und Netze zwischen den Bauteilen anlegen 6 Plausibilitätsprüfung des Schaltbildes

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37 Schritt für Schritt zum Schaltplan 1 Projekt erstellen 2 Schematic erstellen 3 Gewünschte Bibliotheken einbinden z.b. USE * für alle Muss nur vor dem ersten Gebrauch erfolgen 4 Bauteil aus Bibliothek wählen und platzieren 5 Busse und Netze zwischen den Bauteilen anlegen 6 Plausibilitätsprüfung des Schaltbildes

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39 Schritt für Schritt zum Schaltplan 1 Projekt erstellen 2 Schematic erstellen 3 Gewünschte Bibliotheken einbinden 4 Bauteil aus Bibliothek wählen und platzieren Mit der Maus kann die Position des Bauteils geändert werden RMB dreht das Bauteil LMB legt das Bauteil ab 5 Busse und Netze zwischen den Bauteilen anlegen 6 Plausibilitätsprüfung des Schaltbildes

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43 Schritt für Schritt zum Schaltplan 1 Projekt erstellen 2 Schematic erstellen 3 Gewünschte Bibliotheken einbinden 4 Bauteil aus Bibliothek wählen und platzieren 5 Busse und Netze zwischen den Bauteilen anlegen Busse dienen der Übersicht und führen mehrere Signale ( Leitungen ) Name entscheidet über enthaltene Signale Zum Verbinden von Bauteilen immer NET, nie WIRE verwenden Versteckte Pins können mit INVOKE hervorgeholt werden 6 Plausibilitätsprüfung des Schaltbildes

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49 Schritt für Schritt zum Schaltplan 1 Projekt erstellen 2 Schematic erstellen 3 Gewünschte Bibliotheken einbinden 4 Bauteil aus Bibliothek wählen und platzieren 5 Busse und Netze zwischen den Bauteilen anlegen 6 Plausibilitätsprüfung des Schaltbildes Das Schaltbild kann mit dem ERC -Befehl geprüft werden Ergebnis liefert nur Hinweise, keine absolute Garantie

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51 Schritt für Schritt zum Schaltplan 1 Projekt erstellen 2 Schematic erstellen 3 Gewünschte Bibliotheken einbinden 4 Bauteil aus Bibliothek wählen und platzieren 5 Busse und Netze zwischen den Bauteilen anlegen 6 Plausibilitätsprüfung des Schaltbildes

52 Anfertigen des Platinenlayouts: 1 Switch to Board Das Layouten des Boards findet in einem zweiten Fenster statt Board und Schematic sollten immer zusammen geöffnet sein Konsistenzwahrung (Forward- and Back-Annotation) 2 Bauteile anordnen 3 Leiterbahnen routen 4 Text bzw. Versionsnummer platzieren 5 Ratsnest erstellen

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55 Anfertigen des Platinenlayouts: 1 Switch to Board 2 Bauteile anordnen Ggf. Platinengrenzen ändern Bauteile so anbringen, dass die Verbindungen vermutlich einfach zu finden sind 3 Leiterbahnen routen 4 Text bzw. Versionsnummer platzieren 5 Ratsnest erstellen

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57 Anfertigen des Platinenlayouts: 1 Switch to Board 2 Bauteile anordnen 3 Leiterbahnen routen Routing möglichst auf den Bottom-Layer begrenzen (einfachere Herstellung) Autorouter nutzen Ggf. manuell nachbessern Der Befehl RIPUP; löst bereits geroutete Signale wieder auf 4 Text bzw. Versionsnummer platzieren 5 Ratsnest erstellen

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59 Anfertigen des Platinenlayouts: 1 Switch to Board 2 Bauteile anordnen 3 Leiterbahnen routen 4 Text bzw. Versionsnummer platzieren Versionsnummer ist offensichtlich eine gute Idee Text vermeidet Fehler wie ein Umdrehen der Belichtungsvorlage 5 Ratsnest erstellen

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61 Anfertigen des Platinenlayouts: 1 Switch to Board 2 Bauteile anordnen 3 Leiterbahnen routen 4 Text bzw. Versionsnummer platzieren 5 Ratsnest erstellen Ratsnest füllt einen großen Teil der Platine mit Kupferfläche Zweckmäßig für die Herstellung, Kupfer wird nur dort entfernt, wo es nötig ist Platinenfläche mit Polygon eingrenzen und RATSNEST ausführen Für Copperpouring vorher das GND-Netz auflösen und das Polygon mit GND benennen Gesamte Kupferfläche liegt dann auf Masse

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63 Bauteilzuordnung Einführung Schraubklemme Library: con-wago-500 Device: W Schraubklemme Library: con-wago-500 Device: W Schraubklemme Library: con-ptr Device: AK300/6

64 Bauteilzuordnung Einführung Buchsenleiste Library: con-lsta Device: FE10-1 Buchsenleiste Library: con-lsta Device: FE10-2 Pinheader Library: con-lstb Device: MA10-1

65 Bauteilzuordnung Einführung Pinheader Library: pinhead Device: 1x10 Pinheader Library: con-lstb Device: A10-2 Pinheader Library: con-pinhead Device: 2x10

66 Bauteilzuordnung Einführung Kondensator Library: capacitor-wima C Device: C2.5/2 Elko Library: RCL CPOL-EU Device: E2,5-7 Wannenbuchse Library: con-panduit Device:

67 Bauteilzuordnung Einführung Wannenbuchse Library: con-harting Device: CON10 Wannenbuchse Library: con-ml Device: ML10 Subd 25 Pol Stecker MALE Library: con-subd M25 Device: M25HP

68 Bauteilzuordnung Einführung Subd 25 Pol Buchse FEMALE Library: con-subd F25 Device: F25HP Subd 9 Pol Stecker MALE Library: con-subd M09 Device: M09HP Subd 9 Pol Buchse FEMALE Library: con-subd F09 Device: F09HP

69 Bauteilzuordnung Einführung RJ45 Buchse Library: con-amp Device: USB-A Buchse Library: com-amp Device: USB Dioden Library: diode Device: 1n4004

70 Bauteilzuordnung Einführung MAX 232 Library: maxim Device: max232 Widerstand Library: rcl R-EU Device: 0207/10 Widerstand Library: rcl R-EU Device: 0207/2V

71 Bauteilzuordnung Einführung Potentiometer Library: pot TRIMM EU- Device: LI10 Taster Library: switch-omrom Device: 10-XX Taster Library: switch-misc DT Device: DT6

72 Bauteilzuordnung Einführung Taster Library: switch Device: RDT1034 Atmega 16 Library: atmel MEGA163*p Device: MEGA163P LED Library: led LED Device: LED5MM

73 Bauteilzuordnung Einführung Quarz Library: crystal Device: CRYSTALHC49/S Transistor NPN Library: transistor -NPN- Device: BC NPN-TO39-EBC Festspannungsregler Library: v-reg Device: 78XXS