Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO

Transkript

1 FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Garant předmětu: Prof. Ing. Kamil Vrba, CSc. Autoři textu: Prof. Ing. Kamil Vrba, CSc. Ing. Pavel Hanák, Ph.D. BRNO * 2014 Vznik těchto skript byl podpořen projektem č. CZ.1.07/2.2.00/ Evropského sociálního fondu a státním rozpočtem České republiky.

2 2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Autoři Prof. Ing. Kamil Vrba, CSc., Ing. Pavel Hanák, Ph.D. Název Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Vydavatel Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav telekomunikací Technická 12, Brno Vydání první Rok vydání 2014 Náklad elektronicky ISBN Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou.

3 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 3 Obsah 1 ÚVOD OBECNÉ VLASTNOSTI SYSTÉMU CADSOFT EAGLE VERZE ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI PROGRAMU TECHNICKÉ PARAMETRY HLAVNÍ OKNO - CONTROL PANEL NASTAVENÍ PŘED ZAČÁTKEM PRÁCE ZALOŽENÍ NOVÉHO PROJEKTU PŘIŘAZENÍ KNIHOVEN EDITOR SCHÉMATU ZPŮSOBY ZADÁVÁNÍ PŘÍKAZŮ ZÁKLADNÍ PŘÍKAZY PRO OVLÁDÁNÍ PROSTŘEDÍ EDITORU Změna měřítka zobrazení Nastavení rastru plochy Příkazy Undo/Redo Kreslicí hladiny a sloupec ikon příkazů POSTUP KRESLENÍ JEDNODUCHÉHO SCHÉMATU Výběr, vyhledávání a umístění součástek Definování propojení Editace a umísťování popisků součástek Vícehradlové součástky a jejich úskalí Příkazy pro dodatečné úpravy schématu TVORBA SLOŽITĚJŠÍCH SCHÉMAT Sdružování spojů do sběrnic Hromadné úpravy (nejen) schématu příkaz Group Kopírování bloků, přesuny mezi různými soubory Rozdělení schématu na více listů KONTROLA ZAPOJENÍ SCHÉMATU ERC EDITOR DESKY VRSTVY EDITORU DESKY A JEJICH POUŽITÍ... 46

4 4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 5.2 POSTUP NÁVRHU JEDNODUCHÉ DESKY Vygenerování nové desky ze schématu Rozmístění součástek Manuální pokládání spojů Tažení spojů ve více vodivých vrstvách Práce se SMD a oboustranně osazené DPS Drátové propojky a nulové rezistory na jednovrstvých deskách KONSTRUKČNÍ TŘÍDY PLOŠNÝCH SPOJŮ DLE IPC-A600D KONTROLA CHYB A NÁVRHOVÝCH PRAVIDEL DRC Nastavení návrhových pravidel Spuštění kontroly a její výsledky POKROČILÉ FUNKCE PRO NÁVRH DESKY Rastr editoru desky a jeho úskalí Třídy spojů Net Classes Vytvoření souvislé plochy mědi Polygon Oddělování zemí na DPS Zablokování nechtěného pohybu součástek Libovolné úhly součástek na desce Interaktivní tahání spojů (Follow-me router) Ladění délek spojů Tažení diferenciálních párů Konzistence schématu a desky, backannotation REJSTŘÍK PŘÍKAZŮ EAGLE ZMĚNA PRACOVNÍHO MÓDU/SOUBOROVÉ PŘÍKAZY ZMĚNA NASTAVENÍ OBRAZOVKY A OVLÁDACÍHO PANELU KRESLENÍ VÝKRESU/KNIHOVEN A JEJICH ÚPRAVY SPECIÁLNÍ PŘÍKAZY PRO SCHÉMATA SPECIÁLNÍ PŘÍKAZY PRO DESKY SPECIÁLNÍ PŘÍKAZY PRO KNIHOVNY RŮZNÉ PŘÍKAZY SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY

5 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 5 Seznam obrázků OBR. 3.1 ZÁKLADNÍ OKNO PROGRAMU - CONTROL PANEL OBR. 3.2 OKNO S NASTAVENÍM CEST K SOUBORŮM OBR. 3.3 NASTAVENÍ UŽIVATELSKÉHO ROZHRANÍ OBR. 3.4 AKTIVNÍ PROJEKT A KNIHOVNY OBR. 4.1 ZÁKLADNÍ ČÁSTI OKNA EDITORU SCHÉMATU OBR. 4.2 MENU PŘÍKAZU GRID OBR. 4.3 VZOROVÉ SCHÉMA ZESILOVAČE OBR. 4.4 VYHLEDÁNÍ SOUČÁSTKY V OKNĚ PŘÍKAZU ADD OBR. 4.5 POLOŽENÉ SOUČÁSTKY VZOROVÉHO SCHÉMATU OBR. 4.6 TYPICKÁ APLIKACE PŘÍKAZU MIRROR OBR. 4.7 K PŘIPOJOVÁNÍ VÝVODŮ SOUČÁSTEK OBR. 4.8 VÝZVA PŘED SLOUČENÍM DVOU SPOJŮ DO JEDNOHO OBR. 4.9 VZOROVÉ SCHÉMA S PROPOJENÝMI SOUČÁSTKAMI OBR PŘÍKLAD ATRIBUTŮ INTEGROVANÉHO OBVODU AT89C OBR UCHOPOVACÍ BODY (ORIGIN) OBJEKTŮ OBR HRADLA JAKO SAMOSTATNÉ OBJEKTY OBR FUNKCE PŘÍKAZU GATESWAP OBR FUNKCE PŘÍKAZU PINSWAP OBR OKNO PŘÍKAZU INVOKE OBR DOPORUČENÉ ZAPOJENÍ NAPÁJECÍCH HRADEL OBR ODSTRAŠUJÍCÍ PŘÍKLAD NEPŘEHLEDNÉHO PROPOJENÍ OBR PŘÍKLAD SPRÁVNĚ PROVEDENÝCH SBĚRNIC OBR DVA ZPŮSOBY OZNAČENÍ OBLASTI PŘÍKAZEM GROUP OBR VYTVOŘENÍ POPISKU SPOJE, VEDOUCÍHO NA JINÝ LIST OBR. 5.1 OKNO EDITORU DESKY OBR. 5.2 PŘÍKLAD DESKY V EDITORU OBR. 5.3 NEJDŮLEŽITĚJŠÍ HLADINY DESKY V ŘEZU OBR. 5.4 POHLED NA PLOCHU EDITORU DESKY IHNED PO PŘÍKAZU BOARD OBR. 5.5 SITUACE PO PŘESUNUTÍ SOUČÁSTEK A ZMENŠENÍ OBRYSU OBR. 5.6 PŘÍKLAD DOKONČENÉHO ROZLOŽENÍ SOUČÁSTEK ZESILOVAČE OBR. 5.7 VZDUŠNÉ SPOJE PŘED OPTIMALIZACÍ PŘÍKAZEM RATSNEST (A) A PO NÍ (B)... 53

6 6 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně OBR. 5.8 PŘÍKLAD ROZLOŽENÍ SOUČÁSTEK SLOŽITÉ DESKY NA SKUPINY OBR. 5.9 LIŠTA PARAMETRŮ PŘÍKAZU ROUTE OBR PŘÍKLAD NATAŽENÍ MĚDĚNÝCH SPOJŮ NA DESCE ZESILOVAČE OBR KŘÍŽKY NAZNAČUJÍCÍ PRŮCHOD VZDUŠNÉHO SPOJE IZOLANTEM DESKY OBR ZMENŠENÁ DESKA ZESILOVAČE S SMD SOUČÁSTKAMI OBR APLIKACE PŘÍKAZU MIRROR NA SOUČÁSTKU OBR JEDNOSTRANNÁ DESKA S KOMBINOVANOU MONTÁŽÍ SOUČÁSTEK OBR ČASTÉ CHYBY NA DESKÁCH S KOMBINOVANOU MONTÁŽÍ OBR RŮZNÉ ZPŮSOBY REALIZACE DRÁTOVÝCH PROPOJEK OBR NEJČASTĚJŠÍ CHYBY PŘI TVORBĚ PSEUDOPROPOJEK OBR DŮLEŽITÉ ROZMĚRY OBJEKTŮ V OBRAZCI DPS OBR PŘÍKLAD SPOJŮ K IO V 5. A 6. KONSTRUKČNÍ TŘÍDĚ OBR KARTA FILE V DRC OBR KARTA LAYERS V DRC OBR KARTA CLEARANCE V DRC OBR KARTA DISTANCE V DRC OBR KARTA SIZES V DRC OBR KARTA RESTRING V DRC OBR KARTA SHAPES V DRC OBR KARTA SUPPLY V DRC OBR KARTA MASKS V DRC OBR KARTA MISC V DRC OBR OKNO S VÝPISEM CHYB A ŠRAFA INDIKUJÍCÍ CHYBU NA PLOŠE EDITORU OBR VLIV RŮZNÝCH ZALOMENÍ SPOJŮ U PLOŠEK MIMO RASTR OBR PŘÍKLAD NASTAVENÍ TŘÍD SPOJŮ OBR PŘÍKLAD VÝSLEDKU DRC KONTROLY PŘI NEDODRŽENÍ ŠÍŘKY SPOJŮ OBR IZOLAČNÍ BARIÉRA NA DESCE POČÍTAČOVÉHO ZDROJE OBR TLAČÍTKO PRO AKTIVACI MATICE IZOLAČNÍCH VZDÁLENOSTÍ OBR POUŽITÍ MATICE IZOLAČNÍCH VZDÁLENOSTÍ OBR POLYGON PŘED A PO VYKRESLENÍ PŘÍKAZEM RATSNEST OBR PŘÍKLADY POUŽITÍ POLYGONŮ OBR POMOCNÝ POLYGON KOLEM CHLADICÍ PLOŠKY SMD SOUČÁSTKY OBR DEMONSTRACE VLIVU RŮZNÝCH IZOLAČNÍCH MEZER NA POLYGON OBR DODATEČNÉ PROKOVY PRO SNÍŽENÍ IMPEDANCE ZEMĚ... 91

7 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 7 OBR PROKOVY PRO ODVOD TEPLA Z CHLADICÍ PLOŠKY IO OBR ODDĚLENÍ ZEMÍ NA ZÁKLADNÍ DESCE PC OBR PŘÍKLAD PROPOJENÍ TŘÍ ZEMÍ V EAGLE OBR ODEMČENÍ SOUČÁSTEK OBR DESKA S IO NATOČENÝM O OBR PŘÍKLAD VÝSLEDKU LADĚNÍ DÉLEK SPOJŮ OBR TŘI ZÁKLADNÍ ZPŮSOBY REALIZACE DIFERENCIÁLNÍCH PÁRŮ NA DPS OBR PŘÍKLAD VYUŽITÍ DIFERENCIÁLNÍCH PÁRŮ PRO ETHERNET OBR VAROVÁNÍ PŘI HROZÍCÍM PORUŠENÍ KONZISTENCE OBR PŘÍKLAD ERC CHYB PŘI NEKONZISTENTNÍM SCHÉMATU A DESCE Seznam tabulek TAB. I SEZNAM SOUČÁSTEK A KNIHOVEN VE VZOROVÉM SCHÉMATU TAB. II DOPORUČENÁ SMD POUZDRA PASIVNÍCH PRVKŮ V ZESILOVAČI S TDA TAB. III PŘEHLED MEZNÍCH ROZMĚRŮ KONSTRUKČNÍCH TŘÍD DPS TAB. IV PŘEHLED MOŽNÝCH HODNOT PALCOVÉHO RASTRU... 79

8 8 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 1 Úvod V podstatě každé moderní netriviální elektronické zařízení obsahuje desky plošných spojů (DPS). Tento učební text je studijní pomůcka pro výuku laboratorních/počítačových cvičení předmětu Konstrukce elektronických zařízení (KEZ), ve kterých je návrh DPS prováděn pomocí systému Eagle. Věříme, že tato učební pomůcka vám pomůže překonat některá úskalí práce při návrhu plošných spojů v tomto systému a bude dobrým průvodcem a rádcem při studiu. Skripta jsou napsána tak, aby i ti z vás, kteří s touto oblastí nemají žádné předchozí zkušenosti, práci v Eagle zvládli. Učební text se dotýká hned několika různých témat, která je třeba znát pro návrh plošných spojů. Ty jsou postupně zakomponovány do následujících kapitol, dle aktuální potřeby a vysvětlované problematiky. I když je text zaměřen především na počítačový návrh v systému Eagle, je třeba mít stále na paměti to, co vlastní program nedokáže zajistit. Návrhový program je pouze nástroj, a aby výsledná deska byla v praxi použitelná, nestačí jen umět v něm klikat. Profesionální návrhář plošných spojů (tzv. layouter) převádí výsledky obvodářů do průmyslové praxe. V té se obvykle přepokládá sériová výroba daného zařízení, pro kterou se musí zohlednit i řada dalších aspektů, které již ovlivňují samotný návrh plošného spoje. Návrh plošných spojů tedy vyžaduje komplexní pohled na dané zařízení a při jeho provádění je vhodné mít znalosti v těchto oblastech: Technologie výroby plošných spojů. Osazování a pájení. Elektrická funkce součástek a vlastnosti jejich pouzder. Teorie elektromagnetického pole. Odvod tepla ze součástek. Aktuální sortiment součástek a konstrukčních prvků. Aktuální trendy při montáži a vzájemném propojování desek. Průmyslový design a estetika. Techniky testování elektronických zařízení ve výrobě.

9 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 9 V této souvislosti je třeba upozornit na to, že návrh plošných spojů je záležitostí především dlouhodobé praxe a nelze jej zúžit jen na znalost počítačového návrhového programu. Navrhnout profesionální plošný spoj se nenaučíte přečtením těchto skript; jediný způsob je sednout si k Eagle a věnovat několik desítek, ale spíše stovek hodin vlastní práci. Ve cvičeních předmětu KEZ se samozřejmě nepředpokládá, že vámi navržené spoje budou vypadat jak od profesionála, zvláště pokud jste s jejich návrhem nikdy předtím nepřišli do styku. Nicméně cvičení jsou koncipována tak, abyste se alespoň náznakem setkali se všemi aspekty a pravidly, které se návrhu týkají. Hlavním cílem je, abyste v případě potřeby dokázali bezchybně navrhnout desku pro vaše bakalářské a diplomové projekty, kterou následně bude možné vyrobit v dílnách UTKO či UREL. Skripta jsou proto zaměřena výhradně na tuto oblast, méně používané funkce jako je tvorba součástek do knihoven nebo uživatelské programy (ULP) v nich popsány nejsou. Věříme, že tato skripta budou pro vás přínosem v dalším studiu. Své dotazy a připomínky adresujte autorovi tohoto textu nebo vyučujícím předmětu Konstrukce elektronických zařízení.

10 10 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 2 Obecné vlastnosti systému Cadsoft Eagle verze 6 Postup návrhu elektronických zařízení lze rozčlenit do několika kroků: návrh obvodu - simulace obvodu - návrh plošného spoje - simulace tepelného, proudového a napěťového zatížení obvodu a parazitních jevů při daném rozložení na plošném spoji - výroba matrice pro plošný spoj - výroba plošného spoje - osazení plošného spoje - testovací měření. Důležitým aspektem moderního přístupu k tomuto technologickému řetězci je důsledné využití výpočetní techniky ve všech článcích. Technologický řetězec musí být provázán tak, aby změna v jedné části řetězce provedla i změny ve všech bodech technické dokumentace. Programy, které se k návrhu využívají, se souhrnně označují jako EDA (Electronic Design Automation). Návrh plošného spoje je jednou ze součástí návrhového řetězce, kde se výpočetní technika začala používat nejdříve. V dnešní době je k dispozici řada propracovaných návrhových systémů, které se liší svým zaměřením složitostí a samozřejmě také cenou. V následující kapitole se seznámíme s programem Eagle, patřící do střední třídy návrhových systémů. Eagle je v ČR jeden z nejrozšířenějších a nejoblíbenějších systémů pro návrh plošných spojů. Systém vyvíjí a stále zdokonaluje německá firma CadSoft Computer GmbH z Pleiskirchenu. Fakticky je však pouhou pobočkou Premier Farnell plc, která firmu CadSoft roce 2009 koupila. Důvody oblíbenosti Eagle jsou zřejmé, jedná se o systém relativně snadno pochopitelný a naučitelný, se kterým se dají při troše pečlivosti vytvářet desky plošných spojů na profesionální úrovni. Další předností jsou rozsáhlé knihovny, které výrobce k programu standardně dodává. V neposlední řadě k oblibě a rozšíření programu přispívá fakt, že výrobce nejméně od roku 2000 uvolňuje pro nekomerční využití programu tzv. light verzi. Tato verze má tři omezení: maximální možná velikost desky je mm (polovina tzv. EURO karty), lze vytvářet pouze dvouvrstvé desky a schéma nelze rozdělit na více listů. Ostatní funkce včetně knihoven jsou dostupné v plném rozsahu. Mimo to, zmíněná omezení jsou pro většinu nekomerčních a hobby návrhů nepodstatná. Díky tomu Eagle získal poměrně rozsáhlou a věrnou komunitu uživatelů, kteří vytvářejí a online sdílejí velké množství jimi vytvořených doplňků, jako jsou knihovny, uživatelské programy (ULP) a další. V Eagle též vznikla celá řada známých open-source projektů jako je Arduino nebo řídicí desky pro levnou 3D tiskárnu RepRap. Výrobce tuto komunitu aktivně podporuje a jí vytvořené doplňky pravidelně shromažďuje a poskytuje ke stažení na svých stránkách.

11 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 11 Též stojí za zmínku, že obecný postup návrhu plošného spoje je velmi podobný ve všech ostatních systémech (Altium Designer, Cadence Orcad PCB Editor, Mentor Graphics Xpedition atd.). Pokud se naučíte pracovat s Eagle a pochopíte základní principy návrhu (design flow), bude pro vás přechod na kterýkoliv jiný návrhový systém velmi jednoduchý. 2.1 Základní vlastnosti programu Návrhový systém Eagle se skládá těchto modulů: Editor schémat (Schematic) Editor plošných spojů (Layout Editor) Autorouter CAM processor generuje data pro výrobu Editor knihoven Veškeré moduly jsou přístupné přes ovládací panel (Control Panel) systému. 2.2 Technické parametry pracuje v rastru, rozlišení až 0,1 m dopředná a zpětná anotace mezi schématem a deskou v reálném čase výkonný uživatelský programovací jazyk (ULP) integrovaný textový editor dostupný pro Windows, Mac i Linux Editor desky největší rozměr výkresu 1,6 x 1,6 m (64 x 64 inch) až 16 signálových vrstev funkce vpřed/vzad pro libovolný editační příkaz, do libovolné hloubky skriptové soubory pro dávkové zpracování příkazů kontrola pravidel návrhu

12 12 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Editor schémat až 99 listů jednoho schématu kontrola elektrických pravidel zapojení prohazování hradel a pinů vytvoření desky ze schématu jediným příkazem Autorouter tzv. ripup & retry router až 16 signálových vrstev nastavitelná strategie propojování pomocí váhových faktorů až 4 optimalizační kroky po úspěšném dokončení routování bezpodmínečně dodržuje stanovená návrhová pravidla CAM Processor Postscript (PS, EPS) perové plotry (HPGL) formát Gerber soubory pro vrtačky Excellon a Sieb&Meyer možnost vytvořit uživatelská výstupní zařízení pomocí ASCII souborů podpora dalších několika desítek specifických zařízení a formátů

13 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 13 3 Hlavní okno - Control Panel Po spuštění programu se ocitneme v základním modulu programu nazvaný Control Panel, viz Obr Jedná se o jakýsi manager celého systému, přes který se dostaneme k jednotlivým funkčním modulům Eagle. Control Panel navíc umožňuje provádět spoustu dalších užitečných funkcí jako např. nastavovat cesty pro ukládání souborů, upravovat prostředí podle vlastních potřeb, vytvářet projekty, přiřazovat a aktualizovat knihovny, apod. Obr. 3.1 Základní okno programu - Control Panel 3.1 Nastavení před začátkem práce Dříve než začneme pracovat, je dobré nastavit prostředí a cesty k souborům podle vlastních potřeb. V menu pod položkami Options Directories se otevře okno (Obr. 3.2), ve kterém jsou cesty nastaveny pomocí systémové proměnné $EAGLEDIR. Ve výchozím nastavení odkazují na adresář, do kterého je Eagle nainstalován, standardně C:\Program Files (x86)\eagle-6.x.x\.

14 14 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr. 3.2 Okno s nastavením cest k souborům Je možné provést následující nastavení: Vytvořit vlastní pracovní adresář pro ukládání souborů (Projects) do jiného prostoru. Tím si uživatel může usnadnit život při práci na více počítačích, případně při přeinstalování operačního systému počítače a/nebo Eagle. Cest k souborům může být nastaveno i více najednou, jednotlivé cesty je třeba oddělit středníkem bez mezer. Příklad: C:\Work\Eagle\;$EAGLEDIR\projects při tomto nastavení v Control panelu budete moci snadno přistupovat k souborům projektu uložených v adresáři C:\Work\Eagle\ a zároveň i do standardního projektového adresáře Eagle. Nastavit počet automatických záložních kopií: nastaví se v menu pod položkami Options Backup, standardně je nastaveno na devět. Při práci by se pro schéma, desku případně knihovnu vytvářelo dalších devět záložních souborů, což v adresáři působí poněkud nepřehledně. Zcela vypínat tuto funkci však není rozumné, protože umožňuje snadno se vrátit k původní verzi desky, pokud byste si ji poškodili například neuváženým použitím některého destruktivního příkazu. Vrácení je možné provést přejmenováním některého záložního souboru s příponou S#1 až S#9 na *.SCH, případně souboru s příponou B#1 až B#9 *.na BRD. Podle data souboru poznáte, kdy byla která záložní kopie vytvořena Nastavení zobrazování fontu: Eagle obsahuje svůj vlastní interní vektorový font, u kterého je (jako u jediného) zaručeno, že velikost písma ve výstupních datech pro výrobu bude stejná jako na obrazovce. Proto je vhodné používání tohoto fontu vynutit zaškrtnutím políčka Always vector font v menu Options User Inteface, viz Obr. 3.3.

15 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 15 Nastavení barvy pozadí editoru: provádí se ve stejném menu jako výše. Protože návrh DPS zpravidla zabere mnoho času, je vhodné pozadí přepnout na černou barvu, protože pak dochází k menší únavě zraku. Obr. 3.3 Nastavení uživatelského rozhraní Nastavení panelů příkazů a ikon v editorech: jejich zapnutí či vypnutí se ovládá příslušnými políčky. Nastavení je silně individuální, záleží na tom, jaký způsob ovládání každý uživatel preferuje (viz kapitola 4.1). Nastavení interaktivní nápovědy: odškrtnutím políček Bubble help a User guidance můžete vypnout interaktivní nápovědu, která se automaticky zobrazí, pokud kurzor myši po několik sekund ponecháte nad nějakou ikonou či objektem. 3.2 Založení nového projektu Jak je u podobných programů zvykem, základní organizační jednotkou Eagle jsou projekty. Každý projekt pod sebou sdružuje schémata, desky, uživatelské knihovny a další soubory, které spolu souvisí. Než tedy můžeme začít kreslit schéma, musíte vytvořit projekt.

16 16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Pro vytvoření projektu využijeme Control Panel, ve kterém rozbalíme strom Projects. Nyní klikneme pravým tlačítkem a v menu následně vybereme položku New Project, zadáme název projektu. Případně můžeme dodatečně, opět pomocí pravého tlačítka myši doplnit popis projektu Edit Description. Popis se zobrazuje v Control Panelu a usnadní pozdější orientaci ve vytvořených projektech. Složky projektů jsou zobrazovány červeně a podle zeleného bodu vedle jeho názvu poznáme, který projekt je právě aktivní, jak ilustruje Obr Aktivní může být vždy jen jeden projekt. Pokud potřebujete mít otevřeno více projektů současně, můžete Eagle spustit vícekrát (dovoluje více spuštěných instancí). V hlavním panelu operačního systému pak uvidíte několik Control Panelů. Knihovny přiřazené k projektu Aktivní projekt Popis projektu Obr. 3.4 Aktivní projekt a knihovny 3.3 Přiřazení knihoven Standardně jsou k danému projektu automaticky přiřazeny veškeré knihovny, které byly nainstalovány spolu s Eagle. To lze ověřit tím, že v Control Panelu rozbalíte položku Libraries, která obsahuje seznam knihoven. Knihovny přiřazené k projektu mají opět vedle svého názvu zelený bod, viz Obr Pomocí myši a pravého tlačítka přes položku Use si můžete zvolit knihovny, které v daném projektu chcete. Knihovny lze tímto způsobem

17 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 17 přiřazovat a odebírat i u již rozpracovaných projektů. Zapínat a vypínat knihovny lze i kliknutím na zmíněný zelený bod. Vypnout nepotřebné knihovny je velmi rozumné, protože standardně dodávaných knihoven je mnoho (více než 300). Přitom ale většinu z nich pravděpodobně nikdy nepoužijete, protože obsahují úzce specializované součástky. Samozřejmě lze používat v projektu knihovny všechny, ale tato varianta není nejšťastnější, protože užitím velkého počtu knihoven se ztrácí při výběru prvků přehlednost. Možnost výběru knihoven prostřednictvím Control panelu má řadu výhod. V Control Panelu jsou k dispozici stručné charakteristiky knihoven, které usnadní rozhodování, zda bude knihovny potřeba či nikoli, navíc si lze snadno prohlédnout jejich obsah, odpadne tedy zdlouhavé hledání daného prvku, pokud zrovna není jasné, kde se nachází a jak je označený. Váš výběr knihoven se ukládá do každého projektu zvlášť, takže u různých projektů můžete mít různý seznam aktivních knihoven. K tomu (mimo jiné) slouží soubor eagle.epf, který najdete v každém projektovém adresáři. Při nové instalaci Eagle nebo při přenesení projektu na jiný počítač se může stát, že cesty ke knihovnám v eagle.epf se stanou neplatné. V takovém případě je zpravidla nejjednodušší do projektu načíst všechny knihovny a pak si z nich vybrat. Načtení všech knihoven lze provést kliknutím pravým tlačítkem myši na položku Libraries a v menu zvolit Use all.

18 18 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 4 Editor schématu Nové schéma projektu založíme opět pomocí Control Panelu. Nad aktivním projektem (označený zeleným bodem) pomocí pravého tlačítka myši založíme nové schéma (New Schematic). Poté se ocitneme v editoru schémat. Všimněte si, že v hlavičce okna (Obr. 4.1) je skutečně zobrazena cesta tak, jak jsme si pomocí Control Panelu nastavili. Než se ale pustíme do kreslení schématu, je nutné se seznámit s některými základními vlastnostmi a ovládáním editoru. Pokud tyto věci znáte, můžete přeskočit na kapitolu 4.3, která ukazuje vlastní postup kreslení schématu od nuly. Hlavní menu Přepnutí na editor desky (příkaz Board) Parametry aktivního příkazu Příkazový řádek Sloupec ikon Kontextové menu Náhled listů schématu Obr. 4.1 Základní části okna editoru schématu

19 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Způsoby zadávání příkazů V systému Eagle je možné příkazy zadávat hned několika způsoby, které jsou všechny naznačeny v Obr. 4.1: 1. Výběrem pomocí myši ze sloupce ikon. 2. Výběrem pomocí myši z hlavního menu (Edit, Draw, Tools atd.). 3. Zadáním příkazu z klávesnice do příkazového řádku. 4. Pomocí kontextového menu. Všechny tyto možnosti zadání příkazů jsou naprosto rovnocenné a záleží pouze na uživateli, který typ ovládání mu nejvíce vyhovuje. Kontextové menu bylo zavedeno od verze 5 Eagle. Při kliknutí pravým tlačítkem myši na libovolný objekt (součástka, spoj, text ) na pracovní ploše editoru se automaticky vyvolá toto menu příkazů, které však obsahuje jen ty příkazy, které lze na daný objekt aplikovat. Na tomto místě stojí za zmínku, že kontextové menu lze vyřadit z funkce a tím obnovit chování pravého tlačítka myši jako v Eagle verze 4 či dřívější. Je k tomu třeba editorem upravit soubor eaglerc.usr, konkrétně musí v něm být řádek Option.ToggleCtrlForGroupSelectionAndContextMenu = "1" I při vyřazení tímto způsobem však o kontextové menu nepřijdete zcela; pokud před stiskem pravého tlačítka myši podržíte klávesu Ctrl, menu se vyvolá jako obvykle. Dále, příkazy lze přiřadit funkčním klávesám (příkaz Assign), takže stiskem jedné klávesy na klávesnici lze zavolat libovolný příkaz, případně i včetně dodatkových parametrů. Též lze vykonat posloupnost příkazů pomocí tzv. script souborů (příkaz Script). 4.2 Základní příkazy pro ovládání prostředí editoru Než se podíváme na jednotlivé příkazy a postup kreslení schématu, je nutné se seznámit s některými příkazy pro ovládání kreslicí plochy.

20 20 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Změna měřítka zobrazení Program umožňuje měnit měřítko zobrazení velikosti pracovní plochy pomocí sady ikonek s lupou, Navíc, obdobně jak u předchozích verzí programu je zachována možnost použít příkazu Window, kdy po zadání příkazu z klávesnice s parametrem se provede požadovaná změna měřítka. Některé možnosti jsou navíc předdefinovány pod funkčními klávesami: Window; F2 překreslení výkresu, Window 2; F3 dvojnásobné zvětšení, Window 0,5; F4 dvojnásobné zmenšení, Window FIT; Alt + F2 zobrazení v maximálním možném měřítku, Window (@); F5 posun středu výřezu pracovní plochy na místo kurzoru myši (v kombinaci s dalším příkazem, např. Move) Zvětšení lze také po jemných krocích řídit kolečkem myši, což je v praxi nejrychlejší způsob řízení zvětšení v Eagle Nastavení rastru plochy Grid není asi velkým překvapením, že podobně jako většina podobných CAD programů, i pracovní plocha Eagle má nějaký definovaný krok pohybu, rastr. Přestože pohyb kurzoru myši po ploše je plynulý, součástky a spoje jsou automaticky umisťovány v rozteči rastru. Po zadání příkazu Grid se otevře dialogové okno (Obr. 4.2) ve kterém můžeme volit parametry rastru: On, Off Dots, Lines Size Rozbalovací menu Multiple Finest Alt Default zapnutí / vypnutí zobrazení rastru rastr ve formě bodů nebo mříže rozteč hlavního rastru (pro normální práci) jednotky rastru udává každá kolikátá čára rastru se zobrazí nejjemnější možný rastr (0,1 m) alternativní rozteč rastru (při držení tlačítka Alt na klávesnici) výchozí rastr (dle definic v souboru eagle.scr).

21 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 21 Obr. 4.2 Menu příkazu Grid Důležité! Jaká jednotka (inch, mm, mil ) je zvolena u hlavního rastru (pole Size), v takových jednotkách jsou uváděny všechny rozměry objektů v editoru! Výchozí jednotkou jsou palce (inch), avšak ve cvičeních a testech KEZ budou všechny úlohy zadány v milimetrech. Vlevo od příkazového řádku naleznete displej aktuálních souřadnic kurzoru, včetně zvolené hlavní rozteče (Size) a jednotek rastru. Na pracovní ploše editoru vždy naleznete tečkovaný křížek, který vyznačuje počátek jejích souřadnic. Pokud kurzorem najedete na tento křížek, bude displej ukazovat pozici (0 0) Příkazy Undo/Redo Pokud při práci něco zkazíte, je nejrychlejší nežádoucí změny odstranit pomocí příkazu Undo (případně Redo pro znovuvykonání vrácených změn, pokud to s počtem zavolání příkazu Undo přeženete). Na jejich použití je proto vhodné si zvyknout co nejdříve. Kromě ikon je možné je zavolat standardními klávesovými zkratkami Ctrl+Z a Ctrl+Y. V Eagle do verze 5 se k tomuto účely používaly funkční klávesy F9 a F10; pokud chcete toto chování obnovit i v novějších verzích, použijte příkaz Assign Kreslicí hladiny a sloupec ikon příkazů Pomocí příkazu Display si můžeme nastavit viditelnost kreslících hladin, vrstev (Layer). V editoru schémat jsou k dispozici tyto vrstvy: 91 Nets samostatné spoje

22 22 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 92 Busses sběrnice 93 Pins vývody součástek (přípojná místa) 94 Symbols těla součástek (schématické značky) 95 Name jména součástek 96 Values hodnoty součástek 97 Info obecné informace a komentáře 98 Guide pomocné čáry při kreslení 4.3 Postup kreslení jednoduchého schématu Pokud tedy máte založený projekt a v něm nové schéma, můžete začít kreslit. Paradoxně jako první operaci je vhodné schéma uložit, protože přitom jej také můžete (pokud možno výstižně) pojmenovat. Pozor, Eagle si příliš nerozumí s českými znaky, a to nejen v názvech souborů, ale i pokud zadáváte textové údaje v editoru. Info Show Display Mark Move Copy Mirror Rotate Group Change Paste Delete Add Pinswap Replace Gateswap Name Value Smash Miter Split Invoke Wire Text Circle Arc Rect Polygon Bus Net Junction Label Attribute Dimension Erc Errors Save soubor můžete uložit standardním způsobem ikonou, přes menu File - Save nebo také příkazem Write zadaným z klávesnice, který je pozůstatkem z předchozích verzí Eagle. Obr. 4.3 Vzorové schéma zesilovače

23 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 23 Pro začátek si ukážeme, jak lze v Eagle nakreslit jednoduché schéma, konkrétně integrovaného audio zesilovače s TDA2003. Schéma jeho zapojení, jak by na konci mělo vypadat v editoru, je na Obr Seznam součástek včetně jejich knihoven naleznete v Tab. I, takže se ujistěte, že je všechny potřebné knihovny máte u vašeho projektu aktivní (kapitola 3.3). Prvním krokem při kreslení schématu zpravidla je právě výběr prvků z knihoven a jejich pokládání na pracovní plochu editoru. Tab. I Seznam součástek a knihoven ve vzorovém schématu Součástka Knihovna Název součástky v knihovně Název pouzdra Hodnota součástky Part Library Device Package Value C1 rcl CPOL-EUE2-5 E2-5 2u2/6,3V C2 rcl CPOL-EUE2.5-6 E2, u/25V C3 rcl CPOL-EUE3.5-8 E3, u/6,3V C4 rcl CPOL-EUE E5-10,5 1000u/16V C5, C6 rcl C-EU X075 C X n IO1 linear TDA2003V CB360 TDA2003V K1, K2, K3 con-w ago-500 W W Napajeni, Vstup, Reproduktor R1, R2, R3 rcl R-EU_0207/ /10 1R, 220R, 2R Výběr, vyhledávání a umístění součástek Add součástky se z knihoven vybírají pomocí příkazu Add (zadáme z klávesnice, vybereme příslušnou ikonku nebo v hlavním menu Edit Add). Otevře se okno (Obr. 4.4), ve kterém vybereme daný prvek. To lze provést buď ručně (v levém sloupci nalezneme a rozbalíme příslušnou knihovnu, ale mnohem efektivnější je součástky vyhledat pomocí pole Search, což je na Obr. 4.4 ukázáno pro případ audio zesilovače TDA2003. Při vyhledávání je nutné používat tzv. hvězdičkovou konvenci, známou z příkazových řádek některých operačních systémů. V praxi to znamená, že na začátek i konec hledaného výrazu musíte přidat hvězdičku. Jak můžete vidět na Obr. 4.4, při zadání výrazu *2003* Eagle našel všechny součástky, které ve svém názvu (Name) obsahují číslovku 2003, mimo jiné i požadovaný obvod TDA2003. Součástky lze vyhledávat i podle jejich atributů, což bude blíže vysvětleno v kapitole Důležité! Eagle vyhledává pouze v těch knihovnách, které jsou načteny v paměti. Pokud tedy hledáte nějaký specializovaný prvek, který jste nikdy předtím nepoužili, může být paradoxně užitečné načíst si všechny knihovny, aby oblast vyhledávání byla co nejširší.

24 24 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně V každém případě, po dvojím kliknutí na vybranou součástku v levém sloupci se okno příkazu Add automaticky zavře a součástku je možné pokládat na plochu editoru. Pokud potřebujete součástku před položením otočit, lze to provést pravým tlačítkem myši. Náhled schématické značky Náhled pouzdra Popis součástky v knihovně Atributy součástky (příkaz Attribute) Tlačítka pro zrušení výsledků vyhledávání Obr. 4.4 Vyhledání součástky v okně příkazu Add Zbavit se výsledků vyhledávání je možné buď stisknutím tlačítek vedle vyhledávacích polí (pouze Eagle verze 6 a vyšší), nebo vymazáním pole a stiskem klávesy Enter. Poté se v levém sloupci okna Add opět obnoví seznam všech knihoven, které máte u projektu načtené. Pozor, tlačítko Drop slouží k odstranění knihovny z paměti jeho funkce je tedy stejná, jako kdybyste knihovnu vypnuli v Control Panelu (Obr. 3.4). Pokud předem znáte jméno knihovny, kterou chcete v okně příkazu Add nalistovat, nemusíte to dělat pouze pomalým a nepřesným posunováním seznamu nahoru či dolů myší. V okně lze totiž název knihovny vyhledat zadáním prvních písmen z klávesnice. Tedy pokud rychle napíšete například lin, skočí vám kurzor na knihovnu linear.lbr. Move dodatečný přesun součástek na ploše je možné provést příkazem Move. I u tohoto příkazu platí, že uchopenou součástku je možné otáčet pravým tlačítkem myši. Po umístění všech součástek bude vaše pracovní plocha vypadat podobně, jako na Obr. 4.5.

25 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 25 Obr. 4.5 Položené součástky vzorového schématu Copy během kreslení schématu se často dostanete do situace, kdy do něj potřebujete přidat součástku stejného typu a pouzdra, jakou již ve schématu máte. Hledání a výběr součástky v knihovnách je však poměrně pracné a zdlouhavé. Mnohem rychlejší je použít příkaz Copy, kterým danou součástku snadno jedním klikem zkopírujete. Též stojí za zmínku, že příkazem Copy je možné duplikovat téměř libovolné objekty, nejen součástky. Delete součástky (a jiné objekty) lze v editoru samozřejmě i mazat, k tomu dle očekávání slouží příkaz Delete. Mirror v některých případech je nutné součástky ozrcadlit příkazem Mirror, aby se spoje k nim nemusely zbytečně křížit. Typickým příkladem jsou tranzistory, které je často nutné ve schématu orientovat tak, aby všechny jejich tři vývody směřovaly správným směrem, viz Obr Příkaz Mirror objekty vždy zrcadlí podle svislé osy. Mirror Obr. 4.6 Typická aplikace příkazu Mirror

26 26 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Upozornění: Při umisťování prvků je bezpodmínečně nutné mít výchozí ( default ) rastr pracovní plochy, který je výrobcem přednastaven na 0,1 inch resp. 2,54 mm. V tomto rastru jsou totiž definovány připojovací místa (piny) součástek v knihovnách. Pokud byste rastr přepnuli na nějakou jinou hodnotu, ocitly by se vývody součástek mimo rastr a nebylo by možné je vzájemně propojit. Nastavení rastru můžete překontrolovat v menu příkazu Grid, viz kapitola Definování propojení Net pokud na ploše máte všechny součástky, můžete je začít propojovat. To lze v Eagle provést více způsoby, ale nejrychlejší a nespolehlivější 1 je použití příkazu Net. Jeho použití je velmi jednoduché, levým tlačítkem myši klikáte na připojovací body (pin) součástek a natahujete mezi nimi spoje. Při tažení spojů (v Eagle se pro ně používá slovo net) můžete pravým tlačítkem vybírat mezi styly zalamování čar (pod násobky úhlu 90º, pod násobky 45º, pod libovolným úhlem, nebo 3 druhy zaoblených čar). Aktuálně aktivní styl zalamování je indikován v horní části okna editoru (viz Obr. 4.1), vlevo od ikony příkazu Grid. Nicméně dle normy mají být spoje ve schématu vedeny pod násobky 90º, pouze ve výjimečných případech se připouští i násobky 45º. Pokud tažený spoj neukončíte na součástce ale na jiném spoji, Eagle to automaticky vyhodnotí jako vodivé křížení a umístí do něj malý kruhový uzel (junction), jak to norma pro kreslení schémat vyžaduje. Důležité! Propojování součástek je třeba provádět pečlivě! Musíte se vždy trefit na přípojné body součástek a nesmíte přetáhnout, jinak nedojde k vodivému propojení! Při správném napojení spoje na vývod stačí levým tlačítkem myši kliknout jen jednou. Pokud musíte kliknout dvakrát, tak jste spoj ukončili mimo vývod (pin) součástky. O špatném připojení se můžete snadno přesvědčit, pokud se součástkou pohnete, viz Obr. 4.7a. Jak 1 V Eagle verze 2 a starších se pro propojování součástek používal příkaz Wire, přičemž uživatel musel hlídat, aby nakreslené spoje byly v hladině 91 Nets, měly správnou tloušťku čáry apod. To vedlo k častým chybám. Od Eagle verze 3 se proto příkaz Wire používá pouze pro kreslení obecných čar bez elektrické funkce ( výzdobu schématu ). Příkaz Net byl sice původně zaveden pouze pro generování odboček ze sběrnic, ale nyní výrobce doporučuje i pro kreslení běžných spojů používat výhradně příkaz Net. Ten vždy automaticky nastaví správnou hladinu, tloušťku čáry, korektně detekuje vodivé křížení atd.

27 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 27 můžete vidět, správně připojené spoje (net) u kondenzátoru C2 se pohnuly spolu se součástkou, zatímco přetáhnutý spoj u C5 nikoliv. a) b) Obr. 4.7 K připojování vývodů součástek Show kontrolu zapojení je též možné provádět pomocí příkazu Show. Ten po kliknutí na spoj vysvítí vše, co je na tento spoj připojeno, a to včetně pinů součástek. Pokud se některý pin nevysvítí, tak je zřejmé, že není do spoje připojen správně. U některých součástek nemusí být úplně jasné, kde jsou jejich připojovací body (piny). Pokud si nejste jistí, pomocí příkazu Display si zapněte hladinu 93 Pins. Ta všechny všechny připojovací body součástek zvýrazňuje pomocí zelených kroužků, jak je ukázáno na Obr. 4.7b. Junction občas se může stát, že z nevodivého křížení dvou spojů potřebujete udělat křížení vodivé. K tomu slouží příkaz Junction, kterým do křížení položíte kruhový uzel pro naznačení vodivého křížení. Eagle dané dva spoje sloučí do jednoho, ale předtím zobrazí výzvu Connect Net Segments?, jejíž příklad je na Obr V tomto okně máte na výběr, jaké jméno má výsledný spoj mít (Resulting name). Jména spojů, jejich účel a práce s nimi bude blíže vysvětlena na konci kapitoly

28 28 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr. 4.8 Výzva před sloučením dvou spojů do jednoho Po dokončení propojování by tedy schéma mělo vypadat podobně, jako na Obr Obr. 4.9 Vzorové schéma s propojenými součástkami Editace a umísťování popisků součástek Dalším krokem bude doplnění popisků součástek, tedy jejich jména (R1, R2 ) a hodnoty (10k, 2M2 ). Name jména součástek jsou generována automaticky hned po položení, nicméně můžete je dodatečně změnit příkazem Name. Přitom mějte na paměti, že každá součástka musí mít jedinečné jméno. Eagle vám ani nedovolí dvě součástky pojmenovat stejně, při takovém pokusu se objeví chybové hlášení Name XYZ already exists!.

29 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 29 Value editace hodnot součástek se provádí příkazem Value. Všimněte si, že některé součástky (v našem schématu TDA2003) mají hodnotu přiřazenou již při položení, zatímco u všech pasivních součástek hodnota chybí. Je to vcelku logické u integrovaného obvodu je zapojení vývodů apod. předem dáno jeho typem, takže měnit jeho hodnotu by bylo kontraproduktivní. Naopak u pasivních součástek může být hodnota téměř libovolná a proto ji Eagle ponechává prázdnou. Attribute pouze dva údaje (Name a Value) v mnoha případech nejsou dostatečné k popisu všech parametrů některých součástek. Proto je v Eagle od verze 5 příkaz Attribute. Při aplikaci tohoto příkazu na nějakou součástku se objeví seznam (viz Obr. 4.10), do kterého lze tlačítkem New přidat téměř neomezený počet řádků. U každého řádku lze dále zvolit, zda mají být dané údaje viditelné ve schématu nebo ne (Display). Obsah tabulky je omezen v podstatě jen fantazií uživatele. Pro představu, od Eagle verze 6 jsou v atributech mnoha součástek (zejména polovodičů a konektorů) předdefinovány jejich objednací čísla v internetových obchodech Farnell a Newark. Na Obr jsou pro ilustraci tyto atributy mikrokontroléru AT89C2051 z knihovny Atmel.lbr. MPN je zkratka Manufacturer Part Number, tedy výrobní číslo, pod kterým danou součástku vede výrobce. Obr Příklad atributů integrovaného obvodu AT89C2051 Součástky tedy máte popsané, ale rozmístění jejich popisků rozhodně není tak úhledné, jako na vzorovém schématu na Obr Navíc s popisky nemůžete hýbat, protože jsou pevnou součástí součástky. Nejdříve musíte popisky oddělit. Smash oddělení popisků se provádí příkazem Smash. Jednoduše jím poklikáte všechny součástky, u kterých je chcete oddělit (v kapitole si ukážeme, jak to lze

30 30 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně udělat hromadně). Poté s popisky můžete pracovat jako s každým jiným objektem, tedy hlavně je přesouvat pomocí příkazu Move. Při oddělení se objeví jeden velmi důležitý detail, který je vhodné zdůraznit. Každá součástka má svůj uchopovací bod, kterému se v Eagle říká Origin. Tento bod je v editoru naznačen malým červeným křížkem, který je na Obr viditelný uprostřed těla rezistorů. Po aplikaci příkazu Smash se podobné křížky objeví i u textu popisků. Tím Eagle uživateli ukazuje, že se z popisků staly samostatné objekty. Při aplikaci příkazů na součástky se tedy snažte pokud možno trefit se na tyto body, protože Origin je jediné místo schématické značky, kde na ně Eagle reaguje. Origin celé součástky Smash Originy popisků po provedení příkazu Smash Obr Uchopovací body (Origin) objektů Nyní tedy konečně můžete popisky uchopit příkazem Move a otáčet a přemisťovat je, kam potřebujete. Přitom ale brzy zjistíte, že se vám nedaří umisťovat je tak úhledně, jako na vzorovém schématu na Obr. 4.3 základní rastr pracovní plochy je na to zkrátka příliš hrubý. Pro posun popisu je proto výhodné využít alternativní rastr (příkaz Grid, políčko Alt, viz kapitola 4.2.2). Ten je ve výchozím nastavení 10 jemnější než rastr hlavní, takže je pro přesun popisků mnohem vhodnější. Pro připomenutí alternativní rastr je aktivní, pokud na klávesnici stisknete a držíte tlačítko Alt Vícehradlové součástky a jejich úskalí Některé součástky v jednom pouzdru obsahují více identických hradel. Typickým případem jsou standardní logické obvody TTL (řada 74xx) a CMOS (řada 4000), ale za hradlové součástky lze považovat i vícenásobné operační zesilovače (například TL084). Toto uspořádání je zachováno i v knihovnách Eagle s hradly je možné v editoru manipulovat samostatně, i když jsou součástí jedné součástky (Part). Hradla (v Eagle se označují slovem Gate) dokonce mají i svoje vlastní unikátní jméno, tvořené písmennou koncovkou ve jménu (Name) součástky, např. IC1A, IC1B, IC1C atd. Tyto skutečnosti ilustruje Obr. 4.12, kde na Obr. 4.12a je výchozí rozložení hradel v knihovně (pohled

31 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 31 z příkazu Add), ale na ploše editoru (Obr. 4.12b) mohou být již rozmístěna jinak. V obrázku je čtyřnásobné hradlo NOR typu CMOS 4001 z knihovny 40xx.lbr. a) b) Obr Hradla jako samostatné objekty Gateswap hradla v jednom integrovaném obvodu jsou většinou stejného typu, takže z hlediska elektrické/logické funkce je jedno, jestli ve schématu na určité místo zapojíte hradlo IC1A nebo IC1C. Při návrhu desky (kapitola 5) ale můžete zjistit, že pokud některá dvě hradla navzájem prohodíte, tak se vám návrh zjednoduší (na desce zmizí nežádoucí křížení spojů apod.). Samozřejmě můžete hradla smazat a nakreslit znovu prohozená, ale to je zbytečně pracné, protože máte k dispozici příkaz Gateswap. Jeho funkce je prostá zvolíte příkaz Gateswap, levým tlačítkem myši kliknete na první hradlo a poté na druhé. Hradla se mezi sebou prohodí, jak ilustruje Obr Eagle vám pochopitelně dovolí prohazovat pouze hradla stejného typu (Device) ze stejné knihovny (Library). Pokud byste se pokusili prohodit hradla různých typů, objeví se chybové hlášení Can't swap gate XXX and YYY, aby nemohlo dojít ke vzniku chyb zapojení. Gateswap Obr Funkce příkazu Gateswap

32 32 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Pinswap obdobnou funkci má i příkaz Pinswap, který umožňuje snadno prohazovat vývody (piny) v rámci jednoho hradla. Ovládání je stejné jako u Gateswap, tentokrát však vybíráte individuální vývody. Po prohození je většinou nutné vedení spojů k vývodům upravit (Eagle to nedělá automaticky), jak ukazuje Obr Prohodit jdou pochopitelně jen vývody, které mají stejnou elektrickou/logickou funkci, což je ošetřeno v knihovně součástky. Je zřejmé, že u většiny součástek vývody prohazovat nelze, což se při pokusu projeví chybovým hlášením Pin XYZ has SwapLevel 0 and therefore can't be swapped!. Pinswap Obr Funkce příkazu Pinswap Invoke tento příkaz slouží k managementu vícehradlových součástek. Při aplikaci na nějakou takovou součástku zobrazí seznam, která hradla jsou již použita (položena na ploše editoru) a která ještě ne. Na příkladu na Obr jsou hradla A a B již položena, takže jsou v seznamu šedivou barvou. Zbylá tři hradla jsou k dispozici. Pokud v seznamu na nějaké nepoložené hradlo 2 kliknete levým tlačítkem myši, dané hradlo je vytaženo z pouzdra a můžete jej položit. Obr Okno příkazu Invoke Všech vícehradlových součástek se bohužel týká jeden problém, který může do vašich schémat vnést kritické chyby, a tím jsou napájecí hradla. Pokud se pozorně podíváte na

33 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 33 Obr. 4.12a, uvidíte nalevo od čtyř logických hradel ještě napájecí hradlo integrovaného obvodu, pojmenované písmenem P. To stejné hradlo je i v seznamu příkazu Invoke na Obr Je zřejmé, že napájení integrovaného obvodu je kritické pro jeho funkci a musí být v každém schématu zapojeno. Nyní si schválně vyzkoušejte pokládat na plochu editoru hradla zmíněného obvodu CMOS 4001 všimněte si, že logická hradla se pokládají normálně, ale ta napájecí už ne. Tímto způsobem 2 se chová většina vícehradlových součástek v knihovnách Eagle a je nutné, abyste o tom věděli. Napájecí hradla proto musíte z každého podobného integrovaného obvodu extrahovat příkazem Invoke a poté připojit na požadované napájecí napětí. Výsledek pak bude podobný jako na Obr Toto je jediný způsob, jak spolehlivě zajistit, aby napájení integrovaných obvodů bylo zapojeno tam, kam chcete. Obr Doporučené zapojení napájecích hradel Je též vhodné zdůraznit, abyste se nepoužitá hradla z pouzder nepokoušeli extrahovat příkazem Copy. Ten totiž kopíruje součástku jako celek, tj. místo extrakce hradla by přidal celou novou součástku. Příkaz Invoke je v tomto nezastupitelný. 2 V dřívějších dobách bylo běžné, že celá deska byla napájena jen jediným napájecím napětím, což bylo typické zvláště u číslicových obvodů. Autoři Eagle proto zavedli určitou automatizaci, kdy se všechna napájecí hradla integrovaných obvodů propojují automaticky. To v Eagle stále funguje je k tomu třeba, aby se vývody (pin) všech napájecích hradel jmenovaly stejně (např. VSS a VDD, viz Obr. 4.12a) a stejné jméno aby měly i příslušné napájecí spoje (net). Jednotná jména napájecích vývodů už však autoři knihoven Eagle dávno nedodržují (což je vidět i na Obr. 4.16), a moderní smíšené analogově-číslicové obvody téměř vždy vyžadují více napájecích napětí. Zmíněné automatické propojování napájení je tedy v praxi v podstatě nepoužitelné, navíc pokud se na něj uživatel spolehne na složitější desce, mohou snadno vzniknout chyby, které nejsou ve schématu viditelné.

34 34 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Příkazy pro dodatečné úpravy schématu Change parametry různých příkazů obvykle nastavujete hned při jejich použití. Často se však stává, že některé parametry potřebujete změnit až dodatečně. K tomu slouží všemocný příkaz Change. Toto přízvisko není nijak přehnané, protože pomocí příkazu Change můžete změnit všechny parametry všech objektů, které v daném editoru existují. Použití tohoto příkazu nicméně předpokládá poměrně dobrou znalost Eagle. Info příkaz Info je pro začátečníky vhodnější a názornější alternativa k příkazu Change. I když jeho primárním účelem je parametry objektů zobrazovat, v novějších verzích Eagle je možné většinu z nich i upravovat. Hlavní výhodou je, že začátečník se tímto způsobem naučí, jaké parametry různé objekty mají. Vlevo je pro ilustraci okno s parametry jednoho hradla integrovaného obvodu CMOS 4001 z knihovny 40xx.lbr. Pokud potřebujete do schématu dokreslit pomocné nákresy, obrazce či jinou výzdobu, je k dispozici celá řadu příkazů: Wire kreslení čar bez elektrické funkce. Můžete zvolit jejich hladinu (Layer), tloušťku (Width), druh (Style spojitá, přerušovaná atd.) a zkosení hran (Miter). Circle kreslení kružnic, můžete zvolit pouze hladinu (Layer) a tloušťku (Width) jejich čáry. Střed a průměr se stanovuje kurzorem během kreslení. Arc kruhové oblouky. Velmi podobné jako kreslení kružnic, ale navíc máte na výběr, na kterou stranu se bude oblouk vykreslovat (Arc direction) a styl zakončení jeho čáry (Arc caps). Rect zkrácenina anglického slova rectangle, slouží pro kreslení obdélníků. Funkce není příliš flexibilní, velikost obdélníku lze dodatečně změnit pouze příkazem Info, a k tomu je navíc nutné znát souřadnice jeho rohů.

35 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 35 Polygon pro kreslení i velmi složitých mnohoúhelníků, jejichž všechny hrany jsou plně editovatelné. Pro většinu účelů plně nahrazuje příkaz Rect. Polygony jsou zvláště důležité na deskách plošných spojů, jejich použití a parametry jsou podrobně popsány v kapitole Text pro vkládání textových polí. Text může mít i více řádků (novinka od Eagle verze 5), v jeho mini-editoru přidáte nový řádek kombinací kláves Shift+Enter. Velikost řádkování se nastavuje v procentech parametrem Line distance. Výška písma je parametr Size, hladina textu je jako vždy Layer. Na rozdíl od výše zmíněných ozdobných objektů, textová pole mají svůj vlastní uchopovací bod (Origin, viz Obr. 4.11). Pozici a zarovnání textu vůči uchopovacímu bodu je možné řídit parametrem Align. K dispozici jsou též tři různé fonty: Fixed každé písmeno má stejnou šířku (jako na psacím stroji), písmo je tedy podobné jako např. font Courier. Proportional písmo s různou šířkou znaků, vypadá tedy jako font Times New Roman, kterým je psán tento text. Vector interní technické písmo systému Eagle. Je složeno z krátkých čar, takže jako u jediného fontu lze měnit jeho tloušťku (výraznost) parametr Ratio v procentech udává poměr mezi výškou písma a tloušťkou jeho čáry. Font Vector je také jediný, u kterého Eagle zaručuje, že text ve výstupních datech bude vypadat stejně, jako na obrazovce. To je také důvod, proč v Obr. 3.3 bylo doporučeno zaškrtnout políčko Always vector font. 4.4 Tvorba složitějších schémat V kapitole 4.3 jsme si ukázali postup kreslení jednoduchého schématu. Při tvorbě složitějších schémat si však s těmito základními postupy nevystačíte; pro natažení mnoha spojů současně budete muset používat sběrnice (Bus) a v případě potřeby schéma rozdělit na více listů (Sheet). Též budete potřebovat aplikovat příkazy na více objektů současně, tj. nejčastěji kopírovat či přesouvat celé hotové bloky (Group) schématu.

36 36 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Sdružování spojů do sběrnic Ve schématech složitějších zařízení se běžně vyskytují stovky i tisíce spojů. Pokud bychom k jejich nakreslení používali pouze individuálních spojů (Net), schéma by se rychle změnilo v nepřehlednou změť vodičů. Na Obr je odstrašující příklad 3 takového schématu jak můžete sami vidět, přibližně ¾ plochy zabírají různě se křížící spoje, ve kterých se (snad kromě původního autora schématu) nikdo nevyzná. Naopak na Obr je příklad podobného číslicového obvodu 4, ve kterém jsou spoje provedeny pomocí sběrnic. Jak můžete vidět, schéma z Obr je celkově mnohem úhlednější. Navíc jak byste sami v praxi rychle zjistili, rozvedení velkého množství spojů pomocí sběrnice je dokonce rychlejší, než jejich ruční tažení jednoho po druhém pomocí příkazu Net. Bus při kreslení sběrnic je tedy nutné nejdřív nakreslit vlastní sběrnici příkazem Bus. Eagle sběrnice znázorňuje tlustou modrou čárou. Postup je podobný jako u tažení spojů, tj. sběrnici lze zalamovat pod různými úhly apod. Dále je nutné sběrnici nadefinovat, tj. specifikovat jména spojů, které v ní mají vést. To se provádí aplikací příkazu Name na sběrnici. Otevře se okno, do kterého je nutné zadat jména všech spojů, oddělené čárkami. Příklad definice pro nějaký malý mikroprocesorový systém je na obrázku na pravé straně v něm je definováno 8 datových signálů (DAT0 až DAT7), 16 adresních signálů (ADR0 až ADR15) a 4 signály řídicí. Všimněte si, že datové a adresní signály nejsou vypsány jeden po druhém, ale je použita definice číselným intervalem v hranatých závorkách. Plná syntaxe pojmenování sběrnic je <busname>:<partbus>,<partbus>, 3 Jedná se o schéma levného programátoru GALBlast, který je určen pro některé starší typy programovatelných logických obvodů. Schéma bylo staženo ze stránek projektu [2]. 4 Toto schéma s názvem hexapod je jeden ze vzorových příkladů nainstalovaných spolu s Eagle. Můžete jej nalézt v projektovém adresáři pod examples.

37 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 37 kde busname je nepovinný název celé sběrnice (v příkladu není použit) a partbus jsou jednotlivé signály sběrnice, přičemž lze hromadně provést definici číselného intervalu zápisem Name[LowestIndex..HighestIndex]. Odbočky ze sběrnice se vytvářejí pomocí příkazu Net. Pozor, odbočku vždy musíte začít kreslit na sběrnici, protože pak program automaticky nabídne název vodiče, který z ní chcete odbočit. Nabídka má podobu kaskádového rozbalovacího menu, ve kterém jsou spoje seřazeny v pořadí, v jakém jste je nadefinovali při pojmenování sběrnice. Normy pro kreslení schémat vyžadují, aby odbočky ze sběrnice byly zalomené pod úhlem 45º. K tomu se zvláště hodí jeden ze stylů zalamování čar (čtvrtá ikona zleva), na který můžete přepnout, pokud je příkaz Net aktivní. Label norma dále vyžaduje, aby odbočky ze sběrnice byly popsané. Je to celkem logické, jinak by nebylo poznat, který spoj je který. Použití je jednoduché, když příkazem Label kliknete na nějakou odbočku, vygeneruje textový popisek se jménem daného spoje. Ten pak jednoduše položíte někam nad odbočku. Jak ukazuje příklad, příkazem Label můžete popsat nejen odbočky, ale i celou sběrnici. V příkladu si dále všimněte, že spoje RD a WR se zobrazují jako negované, tj. s čárou nad jejich textem. Je to díky tomu, že ve sběrnici jsme před jejich jméno přidali vykřičník, tedy!rd a!wr. To je užitečné právě ve schématech číslicových obvodů, kde se takové spoje často vyskytují. Tento zápis je nicméně funkční i u spojů, které nejsou ve sběrnicích. Též stojí za zmínku, že popisky vygenerované příkazem Label jsou dynamické pokud se změní jméno spoje (viz dále), automaticky se změní i text popisku. Poznámka: Modré čáry sběrnic jsou jen pomocný grafický prvek pro snadné generování názvů spojů v odbočkách. O propojení dvou částí (segmentů) spoje ve skutečnosti rozhoduje jejich jméno. Spoje, které nejsou v editoru opticky spojeny, ale mají shodný název, budou propojeny. Této vlastnosti Eagle interně využívá při rozvodu napájení (knihovny supply1.lbr a

38 38 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně supply2.lbr), při rozdělení schématu na více listů (kapitola 4.4.4) atd. Název spoje lze zjistit (a případně změnit) pomocí příkazů Name nebo Info. Při změnách jmen spojů tímto způsobem často narazíte na okno s výzvou Connect Net Segments?, jak bylo vysvětleno u Obr Je též vhodné zdůraznit, že přejmenováním nelze spoje rozdělit, tj. z jednoho spoje udělat dva různé, navzájem nepropojené. To lze provést pouze smazáním nepotřebných částí a nakreslením nového spoje příkazem Net. Obr Odstrašující příklad nepřehledného propojení Někteří uživatelé Eagle mají zlozvyk této vlastnosti zneužívat neobtěžují se nakreslit sběrnici, pouze na vývody součástek nakreslí krátké kousky spojů (net), které potom pojmenují dle potřeby. Schéma pak má podobu více či méně izolovaných ostrovů

39 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 39 součástek, které nejsou viditelně propojeny s ostatními. Je zřejmé, že takové schéma je pak obtížně čitelné, navíc se jedná o porušení normovaných zásad pro kreslení schémat. V projektech předmětu KEZ proto budou za takto provedené spoje strhávány body. Obr Příklad správně provedených sběrnic Hromadné úpravy (nejen) schématu příkaz Group Group pokud byste chtěli konektor ST2 v Obr posunout doleva, museli byste příkazem Move nejdříve posunout samotný konektor a pak všechny jeho spoje, jeden po druhém. To je naštěstí zbytečné, protože pro vykonání operace nad více prvky najednou (posun, rotace, mazání, změna parametrů, apod.) je v Eagle k dispozici příkaz Group. Jím nejdříve označíte požadované objekty (vytvoříte skupinu), přičemž označení je indikováno vysvícením daných objektů. Následně na označenou skupinu aplikujete libovolný příkaz. Pozor, pro vykonání příkazu nad skupinou se v Eagle vždy používá pravé tlačítko myši! Toto chování je určitá zvláštnost systému Eagle, na kterou je potřeba si zvyknout. Objekty můžete označit dvěma způsoby: 1. Přetáhnutím kurzoru myši při stisknutém levém tlačítku (Obr. 4.19a). Tento způsob je rychlejší, ale umožňuje označit pouze pravoúhlou oblast.

40 40 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 2. Postupným klikáním levým tlačítkem můžete vytvořit (i velmi složitý) mnohoúhelník, který uzavřete kliknutím pravým tlačítkem myši. Označeny budou všechny objekty uvnitř mnohoúhelníku. Jak ilustruje Obr. 4.19b, tímto způsobem můžete označit např. jen odbočky DAT0, RD a WR sběrnice z příkladu, což by jinak nebylo možné. a) b) Obr Dva způsoby označení oblasti příkazem Group Příklad smazání více objektů najednou: Příkazem Group označte nějakou skupinu objektů. Zvolíme příkaz Delete, najeďte kursorem myši nad skupinu a stiskněte pravé tlačítko. Objeví se kontextové menu, ve kterém zvolte Delete: Group. Pokud máte kontextové menu vyřazené z funkce (viz kapitola 4.1), dojde ke smazání ihned po stisku pravého tlačítka myši. Závěrem je vhodné připomenout, že příkaz Group je k dispozici ve všech editorech Eagle a jeho funkce je v nich zcela identická Kopírování bloků, přesuny mezi různými soubory Paste v Eagle nejsou implementovány 5 oblíbené klávesové zkratky Ctrl+C a Ctrl+V pro kopírování, ani Ctrl+X pro vyjímání objektů. Zkopírování se provádí příkazem 5 První verze Eagle byla uvolněna v roce 1988, kdy se MS Windows a většina ostatních grafických operačních systémů teprve začínala rozšiřovat. Klávesové zkratky jako Ctrl+C a Ctrl+V nebyly v širokém povědomí uživatelů a většina výrobců softwaru ovládání svých programů dělala dle svého uvážení.

41 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 41 Copy, na který jsme narazili již v kapitole Pokud potřebujete zkopírovat celý blok schématu, lze příkaz Copy kombinovat s příkazem Group. Pokud daný blok potřebujete zkopírovat vícekrát, můžete použít příkaz Paste opakovaně. Stejně jako u ostatních podobných příkazů i zde platí, že před položením můžete blokem rotovat pomocí pravého tlačítka myši. Vyjmutí nelze v Eagle provést vůbec; vzhledem k povaze editoru je to i zbytečné, protože přesun na jiné místo se dá provést příkazem Move. Abychom předešli nejasnostem, postup kopírování bloků je tedy následující: Příkazem Group označte nějakou skupinu objektů. Zvolte příkaz Copy a klikněte pravým tlačítkem myši na vybrané objekty. V kontextovém menu vyberte Copy: Group. Objekty se na pozadí uloží do schránky (clipboardu). Automaticky se aktivuje příkaz Paste a u kurzoru se objeví kopie objektů, které můžete umístit, kam potřebujete. Pokud potřebujete další kopii těch stejných objektů, zvolte příkaz Paste ještě jednou. Nová kopie objektů se vyvolá ze schránky a opět ji můžete položit. Zmíněná schránka (clipboard) Eagle ve skutečnosti využívá schránku operačního systému (Windows). Data schémat a desek ve schránce bohužel mají speciální formát, takže její obsah nelze vložit do jiného programu (např. editoru obrázků) pomocí Ctrl+V. Tímto způsobem tedy nelze z Eagle kopírovat obrázky schémat apod., na to jsou v něm jiné funkce. Podobně pokud se příkazem Paste do Eagle pokusíte vložit nějaká cizí data, projeví se to chybovým hlášením Clipboard buffer is empty!. Toto hlášení se objeví i v případě, že se vám z libovolného důvodu nepodaří schránku správně naplnit pomocí Copy: Group. Textové informace lze nicméně z/do Eagle kopírovat jako ve všech ostatních programech. Obsah schránky je uchován, dokud operační systém běží nebo dokud obsah schránky nepřepíšete. Toho lze využít k přenosu bloku z jednoho schématu do jiného, a dokonce i mezi více spuštěnými instancemi Eagle: V Control Panelu otevřete zdrojový soubor (odkud chcete kopírovat). Příkazem Group označte nějakou skupinu objektů.

42 42 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Zvolte příkaz Copy a klikněte pravým tlačítkem myši na vybrané objekty. V kontextovém menu vyberte Copy: Group. Objekty se na pozadí uloží do schránky (clipboardu). V Control Panelu otevřete cílový soubor. Může to být ten stejný Control Panel, ale i nějaký jiný, pokud jich máte spuštěno více současně. V editoru cílového souboru zvolte příkaz Paste a objekty položte na kreslicí plochu Rozdělení schématu na více listů Rozsáhlá schémata je nutné rozdělit na více listů (Sheet). Důvod je čistě praktický velké výkresové archy byste museli tisknout na velkoformátových tiskárnách, což je drahé a neefektivní. Naproti tomu tiskárny formátu A4 a A3 jsou dnes takřka všudypřítomné. Eagle více listů schématu podporuje pouze v registrované verzi v Light verzi je tato funkce zablokována. Přidat do schématu další list je možné dvěma způsoby: 1. V rozbalovacím menu v horní části editoru (obrázek vlevo) vyberete položku New. 2. Ve sloupci náhledu listů (viz Obr. 4.1) kliknete pravým tlačítkem myši. Objeví se malé menu, ve kterém obdobně zvolíte New. Ve stejných menu je možné listy i mazat, k tomu je v nich položka Remove. Levým kliknutím v těchto menu pak editor přepínáte na daný list schématu. Elektrické propojení mezi listy je zajištěno pojmenováním spojů jak bylo vysvětleno na konci kapitoly 4.4.1, Eagle považuje za propojené ty spoje, které mají stejné jméno. V praxi to zajistíte např. tak, že na nový list zkopírujete kus stávající sběrnice, pomocí příkazu Bus ji protáhnete a napojíte na součástky. Kopírování sběrnic mezi listy je obzvláště efektivní, protože se sběrnicí zkopírujete i všechny signály, které jsou v ní definovány. Dle norem pro kreslení schémat je nutné zřetelně označit signály, které vedou na jiné listy. To lze provést pomocí příkazu Label, ale se stylem popisku přepnutým na Cross-reference label. V tomto případě má popisek tvar jednoduché šipky (viz Obr. 4.20), která je ve schématu mnohem viditelnější.

43 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 43 Obr Vytvoření popisku spoje, vedoucího na jiný list Přesun, kopírování a jiné operace mezi listy bohužel nejsou příliš intuitivní. V zásadě lze říci, že vždy musíte použít příkaz Group, i když chcete přesunout nebo zkopírovat jen jeden objekt. Postup přesunutí mezi listy tedy je: Příkazem Group označíte objekty, které chcete přesunout. Příkazem Move objekty uchopíte (pravým tlačítkem myši!). Pomocí rozbalovacího menu nebo sloupce náhledů se přepnete na cílový list schématu. Příkaz Move zůstane na pozadí aktivní. Objekty položíte do cílového listu. Kopírování mezi listy je variací postupu hromadného kopírování, popsaného v kapitole 4.4.2: Příkazem Group označte nějakou skupinu objektů. Zvolte příkaz Copy a klikněte pravým tlačítkem myši na vybrané objekty. Přepněte se na cílový list. Zvolte příkaz Paste a zkopírované objekty položte do cílového listu. Na vícelistových schématech musíte dávat velký pozor při přejmenování spojů příkazem Name. Pod políčkem se jménem spoje se totiž navíc objeví výběr, které části (segmenty) spoje na kterých listech chcete přejmenovat. V praxi je nejčastěji potřeba přejmenovat spoj v celém schématu (tj. volba all Segments on all Sheets ), ale výchozí volba je bohužel ta na obrázku vlevo, která přejmenuje jen ten segment, na který jste kliknuli. Aplikace jiných příkazů se na vícelistových schématech též může komplikovat. Typická situace je, že jeden list schématu je vyhrazen pouze pro napájecí obvody, aby nepřekážely ve zbytku schématu. Potřebujete tedy napájecí hradla všech integrovaných obvodů přesunout na

44 44 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně jeden list. Pokud byste to zkusili příkazem Invoke přímo, tak to nepůjde tyto příkazy (prozatím) nejsou pro operace mezi více listy připraveny. Napájecí hradla tedy musíte nejdříve položit na stejný list jako zbytek integrovaného obvodu a až pak je přesunout výše popsaným způsobem. Můžete též použít jednoduchý trik, kdy na cílovém listu do příkazového řádku zadáte např. Invoke IC1, což vyvolá stejné okno, jako je na Obr Kontrola zapojení schématu ERC ERC zkratka z Electrical Rule Check je funkce, která dokáže zkontrolovat zapojení z hlediska vzájemného propojení součástek. U všech vývodů (pinů) součástek je v knihovnách vyznačeno, jakou mají funkci či směr signálu (v knihovnách se tento parametr označuje Direction). Pokud si příkazem Display zapnete hladinu 93 Pins, je tento parametr u každého vývodu viditelný. Každý vývod má některý z těchto devíti směrů (Direction): NC zkratka z Not Connected, používá se pro nezapojené vývody. In Input, vstupy logických obvodů, operačních zesilovačů apod. Out Output, vývody které jsou tvrdě buzeny zevnitř součástky. Kromě výstupů číslicových obvodů, operačních zesilovačů či komparátorů sem patří například i výstupy stabilizátorů napětí, referenčních zdrojů a podobných výkonových prvků. IO In/Out, obousměrné vývody, typické například na mikrokontrolérech a jiných složitějších číslicových integrovaných obvodech. OC Open Collector, výstupy typu otevřený kolektor, v číslicové technice používané pro spínání větších zátěží jako jsou cívky relé apod. Hiz High Z tzv. třístavové číslicové výstupy, které kromě log. 1 a log. 0 mohou být i ve stavu vysoké impedance. Pas Passive, vývody rezistorů, kondenzátorů, konektorů a jiných pasivních prvků. Pwr Power, napájecí vstupy integrovaných obvodů. Sup Supply, speciální směr signálu, který je prostřednictvím knihoven jako supply1.lbr a supply2.lbr používán k rozvodu napájecích napětí po schématu. U běžných součástek nemá využití.

45 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 45 Těchto směrů signálů na vývodech ERC využívá k hrubé kontrole zapojení schématu. Zjišťuje tak, zda jsou vzájemně spojeny piny, jejichž vlastnosti jim to povolují (například dva výstupy na jednom spoji nesmí být). ERC mimo to kontroluje, jestli ve schématu nejsou některé piny nezapojeny a zda je napájení integrovaných obvodů provedeno korektně. Pokud ERC nalezne nedostatky, zobrazí jejich seznam v okně ERC errors. Kliknutím na nějaký řádek seznamu si můžete chybu zvýraznit na ploše editoru. Seznam chyb je též automaticky uložen do souboru s příponou *.ERC v projektovém adresáři. Zde je nutné podotknout, že tato (poměrně jednoduchá) kontrola nedokáže zohlednit všechny možnosti zapojení součástek v obvodu, to musí zajistit uživatel. Její hlavní užitek je při odhalování kritických chyb jako zkraty či nezapojené napájení integrovaných obvodů. Příkaz ERC dále zjišťuje, zda je schéma konzistentní s jeho deskou a zobrazuje případné rozdíly. Tato funkce je podrobně popsána v kapitole

46 46 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 5 Editor desky Než se pustíme do návrhu desky, je nejdříve nutné se seznámit s editorem desek v Eagle. Na Obr. 5.1 je okno editoru; jak můžete vidět, je velmi podobné jako editor schématu, ale ve sloupci ikon jsou mnohé příkazy jiné. Vrstvy desky jsou pak pochopitelně zcela jiné, než ve schématu. 5.1 Vrstvy editoru desky a jejich použití Vrstvy je možné opět zobrazit pomocí příkazu Display. Význam nejdůležitějších vrstev: 1 Top Plošné spoje, strana součástek 2 Route2 Vnitřní vrstva spojů číslo Route15 Vnitřní vrstva spojů číslo Bottom Plošné spoje, strana pájení 17 Pads Pájecí plošky (vývody pouzder součástek) 18 Vias Prokovené průchody mezi vrstvami 19 Unrouted Vzdušné spoje (Airwire) 20 Dimension Obrysy desky 21 tplace Potisk desky shora - osazovací výkres 22 bplace Potisk desky zespodu - osazovací výkres 23 torigins Uchopovací body shora 24 borigins Uchopovací body zespodu 25 tnames Potisk shora (jména součástek, Name) 26 bnames Potisk zespodu (jména součástek, Name) 27 tvalues Hodnoty součástek shora (Value) 28 bvalues Hodnoty součástek zespodu (Value).. Info Display Move Mirror Group Paste Delete Pinswap Lock Name Smash Split Meander Route Wire Circle Rect Via Hole Dimension Ratsnest Erc Errors Show Mark Copy Rotate Change Add Replace Value Miter Optimize Ripup Text Arc Polygon Net Attribute Auto Drc

47 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO tkeepout Zakázaná oblast pro rozmístění součástek shora 40 bkeepout Zakázaná oblast pro rozmístění součástek zespodu 41 trestrict Zakázaná oblast pro spoje shora 42 brestrict Zakázaná oblast pro spoje zespodu 43 vrestrict Zakázaná oblast pro prokovy (vias) 44 Drills Prokovené otvory (pads, vias) 45 Holes Neprokovené otvory (montážní otvory apod.) 47 Measures Kóty a jiné popisky vzdáleností objektů.. 51 tdocu Pomocné obrysy součástek shora 52 bdocu Pomocné obrysy součástek zespodu Na obrázku vlevo je pak přehled barev nejdůležitějších vrstev, jak jsou vidět v editoru. Přepínání mezi deskou a schématem Stavový řádek Indikátor konzistence schématu a desky Indikátor neuložených změn Obr. 5.1 Okno editoru desky

48 48 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr. 5.2 Příklad desky v editoru Naučit se barvy těchto základních hladin je velmi důležité, bez toho v podstatě nelze s editorem pracovat. Na Obr. 5.2 je proto uveden příklad, jak v editoru vypadá dokončená dvouvrstvá deska 6, osazená klasickými (drátovými) součástkami. Je nutné si uvědomit, že v editoru všechny vrstvy vidíte rentgenovým zrakem, takže všechny vypadají podobně. Ve skutečnosti ale jsou na desce rozmístěny z různých stran nosné izolační desky. Na Obr. 5.3 je proto znázorněn řez deskou, na které jsou osazeny dvě klasické (drátové) součástky a dvě součástky pro povrchovou montáž (SMD). 6 Jedná se o desku ke schématu hexapod, které bylo ukázáno v kapitole Tento obrazec desky byl distribuován spolu s Eagle 3.55 a byl celý vytvořen ručně (tj. bez autorouteru). V novějších verzích Eagle je mezi příklady (examples) tato deska také, ale její obrazec je vždy výstupem autorouteru dané verze, takže vedení spojů je o poznání horší (resp. méně úhledné), než na Obr. 5.2.

49 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 49 Obr. 5.3 Nejdůležitější hladiny desky v řezu Vodivá vrstva 16 Bottom (v české literatuře označovaná jako strana spojů ) je tedy ze spodní strany desky, zatímco vodivá vrstva 1 Top (u nás spoje na straně součástek ) je na straně horní. Vrstvy je možné mezi sebou vodivě propojit pomocí tzv. prokovů (v angličtině Via). To jsou vyvrtané otvory v izolantu desku, které jsou následně galvanicky pokoveny. Tím dojde k propojení mezi vrstvami Top a Bottom. Tato skutečnost je v Obr. 5.3 naznačena tím, že jsou zelenou barvou potaženy i stěny vrtaných otvorů. Stejným způsobem jsou vyráběny i pájecí plošky (Pad) drátových součástek z toho tedy plyne, že pájecí plošky drátových součástek současně plní funkci prokovů. Současně si všimněte, že u pájecích plošek SMD součástek žádné otvory nejsou jejich plošky jsou v podstatě jen malé obdélníčky mědi. Součástky mohou být Eagle umístěny na obou stranách desky; tomu odpovídá i názvosloví jejich hladin tplace (zkratka z Top Placement) a bplace (zkratka z Bottom Placement). Na tomto místě stojí za zmínku, že pro umisťování součástek existují určitá pravidla. Některá z nich jsou nepsaná, jiná mají přímý vliv na vyrobitelnost (resp. složitost osazení) budoucí desky: Drátové součástky vždy umisťujte pouze do hladiny tplace. Pokud máte na desce byť jen jednu jedinou drátovou součástku, musí na desce být hladina Bottom. Technologie drátových součástek to vyžaduje součástka se do desky shora zastrčí a zespodu se zapájí, čímž v desce velmi pevně drží.

50 50 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně V případě SMD prvků je jedno, z které strany jsou osazeny. Pokud se desky vyrábět jen jeden kus a budete ji osazovat sami (pro studentské projekty typické), je výhodné ji navrhnout jako jednostrannou (jen hladina Bottom). Jednostrannou desku je totiž velice snadné vyrobit, a to i v domácích podmínkách 7. Drátové součástky na ní ponecháte v hladině tplace, ale SMD přesunete do bplace. Pokud je deska určena pro sériovou výrobu a bude osazována automatem, je paradoxně lepší, pokud jsou všechny (drátové i SMD) součástky jen na jedné straně (tplace). To automaticky znamená, že deska musí být dvouvrstvá (má hladiny Top i Bottom). Výrazně se ale zjednoduší její strojní osazování součástkami a zapájení, což je v praxi důležitější, než vyšší cena desky. 5.2 Postup návrhu jednoduché desky Nyní si ukážeme, jak lze ze vzorového schématu z předchozí kapitoly (Obr. 4.3) vytvořit desku. Protože se jedná o velmi jednoduché zapojení, uděláme desku jednostrannou, tj. všechny spoje budou v hladině Bottom Vygenerování nové desky ze schématu Board jako první musíte desku vygenerovat ze schématu. To provedete příkazem Board v editoru schématu (viz Obr. 4.1, resp. Obr. 5.1). Tento příkaz normálně slouží pro přepínání mezi deskou a schématem, ale v našem případě deska ještě neexistuje. Proto se nejdříve objeví okno s dotazem The board XYZ.brd does not exist. Create from schematic?. Po potvrzení tlačítkem Yes se automaticky spustí editor desky. Z knihoven vybere pouzdra součástek, jejich plošky propojí podle schématu a vše automaticky umístí na pracovní plochu editoru. Poté bude plocha editoru vypadat podobně, jako na Obr Jak můžete vidět, v levém spodním rohu jsou seskupeny pouzdra součástek, které jsou navzájem propojeny 7 Domácí výroba jednostranných DPS nikdy nebyla tak snadná, jako dnes. Asi nejefektivnější je metoda transferu toneru, kdy se na laserové tiskárně obrazec vytiskne na speciální papír a z něj pak nažehlí na materiál plošného spoje. Po odleptání nezakrytých oblastí mědi se toner smyje např. acetonem. Poté stačí vyvrtat otvory pro součástky a deska je hotova. Nicméně poměrně snadno lze v domácích podmínkách použít i fotochemickou cestu, desky potažené fotorezistem se běžně prodávají. V 90. letech minulého století bylo oblíbenou metodou obrazec plošného spoje nakreslit přímo na měď lihovou fixou upnutou v perovém plotteru (laserové tiskárny v té době stály jako zánovní osobní automobil a nějaké experimenty s nimi tudíž nepřicházely v úvahu).

51 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 51 žlutohnědnými vzdušnými spoji (airwire) v hladině 19 Unrouted. Navíc se zde objevil předdefinovaný obdélníkový obrys desky (v hladině 20 Dimension), který má rozměr EURO karty mm. Jako první krok je vhodné výkres zmenšit, aby s ním byla snadnější manipulace. Proto pomocí příkazů Group+Move nejdříve přesuňte součástky dovnitř obdélníku (obrysu desky). Poté můžete obrys zmenšit příkazem Move můžete jeho hrany uchopit a posunout. Též můžete původní obrys úplně smazat (Delete) a nakreslit si nový příkazem Wire (musí však být v hladině 20 Dimension). Poté si příkazem View (nebo klávesami Alt+F2) pohled přibližte, abyste na práci dobře viděli, jak ilustruje Obr Na tomto místě je vhodné zmínit, že obrys desky může mít libovolný tvar a k jeho nakreslení můžete použít i příkazy Circle, Arc apod. Vždy však musí být v hladině 20 Dimension a vždy se musí jednat o čistě čárovou kresbu (nesmíte použít příkazy Rect a Polygon). Obrys desky též musí být uzavřený, jinak většina výrobců desku odmítne převzít do výroby. Jeho kreslení proto provádějte pečlivě. V praxi jsou velikost a tvar desky většinou předem dány, typicky použitou skříňkou, do které bude deska zamontována. Obr. 5.4 Pohled na plochu editoru desky ihned po příkazu Board

52 52 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr. 5.5 Situace po přesunutí součástek a zmenšení obrysu Rozmístění součástek Rozmístění součástek je nejdůležitější fáze návrhu plošného spoje. Ve cvičeních KEZ se studenti často dopouštějí chyby, že součástky na pracovní ploše víceméně náhodně rozhází, takže se vzdušné spoje (airwire) často kříží. To je samozřejmě problém, protože obrazec plošných spojů je ze své podstaty planární úloha různé spoje se v obrazci nemohou křížit, protože by se jednalo o zkrat. Je tedy zřejmé, že pokud se vám podaří součástky rozmístit tak, aby se vzdušné spoje křížily co nejméně, budete mít dobrou šanci úspěšně vytvořit i obrazec plošného spoje. Součástky se rozmísťují pomocí příkazu Move. Hlavním cílem tedy je rozmístit je tak, aby se vzdušné spoje mezi nimi křížily co nejméně. Tento úkol vyžaduje určitou prostorovou představivost, což je vysoce individuální dovednost. Tu lze nicméně natrénovat praxí. Zde opět platí, že efektivní rozmisťování se nelze naučit pouhým přečtením těchto skript jediný způsob je sednout k Eagle a návrh si prakticky vyzkoušet. Na konci může rozložení vypadat podobně, jako na Obr Jak můžete vidět, na desce se stále několik málo spojů kříží, ale je to pouhý zlomek počtu z Obr Po rozložení se (většinou) plocha zabraná součástkami ještě zmenší, takže můžete opět upravit i obrysy desky.

53 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 53 Obr. 5.6 Příklad dokončeného rozložení součástek zesilovače Ratsnest 8 při přesunech součástek často dochází k tomu, že ve vzdušných spojích (airwire) vznikají velké okliky, které jejich vedení znepřehledňují. Situaci ilustruje Obr. 5.7a, ve kterém je jeden spoj zvýrazněn ( vysvícen ) pomocí příkazu Show. Jak můžete vidět, vzdušný spoj je poměrně složitě veden ve tvaru deformovaného písmene N, přičemž vytváří 4 křížení s ostatními spoji. Na Obr. 5.7b je stejný spoj po provedení příkazu Ratsnest zbytečná křížení byla eliminována a nyní zbývá již jen 1 křížení. Je zřejmé, že došlo k významnému zlepšení přehlednosti na pracovní ploše. a) b) Obr. 5.7 Vzdušné spoje před optimalizací příkazem Ratsnest (a) a po ní (b) 8 Složenina pojmu rat's nest, v překladu doslova krysí hnízdo. Tímto pojmem se v angličtině označuje propojení součástek vzdušnými spoji, jako je třeba na Obr Setkáte se s ním ve všech programech pro návrh plošných spojů, protože jak bylo zmíněno v úvodní kapitole, postup práce (tzv. design flow) je ve všech velmi podobný.

54 54 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Při rozmisťování součástek je proto vhodné hojně používat příkazu Ratsnest, zvláště v počáteční fázi návrhu, kdy součástky na ploše třídíte a nahrubo umisťujete. V zásadě lze doporučit příkaz Ratsnest použít po každých 2 až 4 přesunech součástek příkazem Move. Při rozmisťování vám může výrazně pomoci schéma pokud nějaký spoj či součástku ve schématu vysvítíte příkazem Show, ten stejný objekt se vysvítí i na desce (a naopak). Všimněte si, že editory schématu i desky běží v samostatných oknech. To není náhoda, Eagle je totiž připraven pro počítače s více monitory, které jsou v dnešní době u pracovních stanic v podstatě standardem. Díky tomu si můžete schéma zobrazit na jednom monitoru a desku na druhém. Nicméně celkem dobře se v Eagle pracuje i na jednom širokoúhlém monitoru, když si na něm oba editory zobrazíte vedle sebe. V praxi musíte při rozmisťování součástek zohlednit ještě mnoho jiných věcí: Součástky by měly co nejlépe využívat plochu desky, tedy na desce by neměla být žádná velká volná místa. Je tedy snahou součástky umísťovat co nejblíže k sobě. Některé součástky musí být umístěny na určitých, předem daných pozicích. Konektory jsou většinou vyžadovány blízko okraje desky (viz Obr. 5.6). Umístění displejů, LED, potenciometrů, přepínačů a jiných indikačních a ovládacích prvků musí souhlasit s otvory na čelním panelu zařízení. Součástky citlivé na vysoké teploty (elektrolytické kondenzátory) musíte umístit co nejdále od zdrojů tepla (stabilizátory, měniče napětí, výkonové tranzistory, rezistory s velkou výkonovou ztrátou). Součástky, které vyzařují silné elektromagnetické rušení (rádiové moduly, vysokorychlostní číslicové obvody), musíte umístit co nejdále od obvodů, které mohou být snadno rušeny (vysokoimpedanční vstupy, obecně přesné analogové obvody). Spoje, kterými na desce potečou velké (>0,5 A) časově proměnné proudy, by měly být co nejkratší, tj. takové součástky by měly co nejblíže u sebe. Toto je kritické zejména u spínaných měničů napětí, které při nevhodném rozložení součástek mohou intenzivně vyzařovat elektromagnetické rušení. U nestíněných cívek je nutné dávat pozor, aby mezi nimi nemohly vzniknout parazitní magnetické vazby.

55 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 55 Výkonové polovodiče je nutné umístit tak, aby je bylo možné namontovat na chladič (viz TDA2003 v Obr. 5.6). Z praktického hlediska je přitom nejlepší použít jeden velký chladič pro více polovodičů. Obvody pracující s nebezpečných napětím (což je i síťové napětí 230 V) musejí být od ostatních odděleny předepsanou izolační mezerou. Výše uvedený výčet přitom není ani zdaleka vyčerpávající. Zároveň si všimněte, že některé požadavky jdou proti sobě to je ale v praxi typické. Je tedy zřejmé, že při nevhodném rozmístění se může stát celé zapojení nefunkční. Proto je vhodné této fázi věnovat velkou pozornost. Obr. 5.8 Příklad rozložení součástek složité desky na skupiny Při rozložení součástek na složitých deskách je nutné aplikovat metodu rozděl a panuj. Schéma má obvykle určité funkční celky, nejčastěji je to integrovaný obvod a pomocné součástky kolem něj. Ve schématu se nejdříve podíváte, které součástky spolu úzce souvisí, a pomocí příkazu Show a Move si je takto roztřídíte i na desce. Tím se deska zpřehlední, protože vznikne několik víceméně samostatných skupin. Poté rozložíte součástky v každé skupině tak, aby se v ní vzdušné spoje (airwire) co nejméně křížily. Nakonec pomocí Group a Move navzájem rozmístíte tyto skupiny opět tak, aby se mezi nimi vzdušné spoje

56 56 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně křížily co nejméně. Na Obr. 5.8 je příklad nahrubo rozložené desky, ještě před optimalizací jednotlivých skupin Manuální pokládání spojů Nyní je možné přistoupit ke změně (idealizovaných) vzdušných spojů na skutečné plošné spoje, tj. vodivý obrazec, který pak bude realizován v měděných vrstvách desky. Eagle umožňuje vytvářet až 16-ti vrstvé plošné spoje, k čemuž jsou v editoru desky určeny vrstvy 1 až 16 (pro připomenutí: Light verze je však omezena jen na dvě vodivé vrstvy). Zesilovač s TDA2003 je velmi jednoduchý, takže desku navrhneme jako jednovrstvou (jednostrannou). Jelikož jsou na desce drátové součástky, automaticky to znamená, že pro spoje musíme použít vrstvu 16 Bottom (viz kapitola 5.1). Route pokládání spojů se provádí příkazem Route. Použití je prosté, levým tlačítkem myši kliknete na nějaký vzdušný spoj (airwire) a on se od nejbližší pájecí plošky začne měnit na spoj měděný 9. Pro konec tažení musíte kliknout jedenkrát levým tlačítkem při dotažení spoje na plošku, nebo dvakrát, pokud chcete skončit někde mimo. Pravým tlačítkem myši řídíte styl zalamování při tažení; je vhodné připomenout, že všechny měděné spoje by měly vést pod násobky úhlu 45. Jiné úhly se připouštějí pouze ve speciálních případech. Výběr hladiny Follow-me Router Šířka spoje Styly zalamování čar Srážení a zaoblování hran Parametry automaticky vkládaných prokovů Obr. 5.9 Lišta parametrů příkazu Route Před tažením je nutné zvolit vhodnou šířku spoje, výchozí šířka je pro desku zesilovače TDA2003 zbytečně jemná. Navíc jsou výchozí jednotky editoru desky v mil, což evropskému uživateli mnoho neřekne. Proto si jednotky přepněte do milimetrů (pro připomenutí provádí se to v menu příkazu Grid, viz kapitola 4.2.2). Šířka spojů se dá vybrat z menu Width s předdefinovanými šířkami (viz Obr. 5.9), nebo ji můžete při aktivním příkazu 9 V angličtině se měděné spoje na plošných spojích nejčastěji označují slovem trace. Bohužel v Eagle jsou z historických důvodů označovány slovem wire. Aby u začínajících čtenářů nedošlo k záměně s příkazem Wire, bude v dalším textu používán výraz měděné spoje.

57 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 57 Route přímo zadat z klávesnice jako číslo do příkazového řádku (+Enter). Přitom nezapomínejte, že Eagle je západní program, takže používá desetinnou tečku, ne čárku. Pro zesilovač zvolte šířku 0,6 až 0,8 mm, to je vzhledem k povaze desky přiměřené. Pokud v menu (Obr. 5.9) není hladina nastavena na 16 Bottom, tak ji zvolte. Při tažení příkazem Route lze hladiny přepínat i středním tlačítkem myši. Poté již konečně můžete všechny spoje desky natahat ( naroutovat ). Konečný výsledek může vypadat podobně, jako na Obr Obr Příklad natažení měděných spojů na desce zesilovače Je zřejmé, že různé měděné spoje se vám na ploše desky nesmí křížit, protože by se jednalo o zkrat. Tomu se musíte vyhýbat různými oklikami, šikovným tažením spojů mezi vývody součástek apod. Je k tomu třeba určitá prostorová představivost a zde opět platí, že efektivní tahání spojů se nelze naučit přečtením těchto skript, k tomu je třeba si to prakticky vyzkoušet. Ripup příkaz Ripup je opakem příkazu Route ruší natažené měděné spoje a mění je zpět na spoje vzdušné (airwire). To lze dělat i hromadně s využitím příkazu Group. Pro rušení se tedy nepokoušejte používat příkaz Delete, ostatně to by vám Eagle ani nedovolil (viz kapitola ). Pokud potřebujete zrušit všechny položené spoje na celé desce, ihned po příkazu Ripup použijte příkaz Go (ikona semaforu) nebo do příkazového řádku zadejte Ripup; (se středníkem). Split při úpravách měděných spojů je občas zapotřebí do rovného úseku (segmentu) spoje vložit zalomení. To se provádí příkazem Split, přičemž pravým tlačítkem myši opět můžete měnit styly zalamování spojů během tažení. Možná se ptáte, proč vlastně

58 58 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně u tolika příkazů Eagle máte na výběr různá zalamovaní čar při tažení? Skutečný důvod je trochu složitější a zbytečně bychom nyní odbíhali od tématu návrhu plošného spoje. Podrobné vysvětlení naleznete u Obr v kapitole Jak zajistím, abych nějaký spoj nezapomněl natáhnout? Jak asi sami brzy zjistíte, vzdušné spoje mohou na pracovní ploše editoru snadno zaniknout, zvláště pokud jsou krátké. Tím mohou na desce zůstat nepropojená místa, což je kritická chyba. Je na to jednoduchý trik příkaz Ratsnest totiž ve stavovém řádku (Obr. 5.1) zobrazuje, kolik vzdušných spojů na desce ještě zbývá. Pokud jsou všechny nataženy, objeví se zde hlášení Ratsnest: nothing to do!. Posledním krokem při návrhu naší jednoduché desky může být rozmístění jmen součástek (hladina tnames a případně i bnames), aby byly lépe čitelné. Postup je obdobný jako ve schématu (viz kapitola 4.3.3) nejdřív je nutné popisky oddělit příkazem Smash a teprve potom s nimi lze hýbat příkazem Move. Na tomto místě je vhodné zmínit, že popisky součástek v knihovnách Eagle bohužel nemají nějaký jednotný styl jejich velikost (Size), výraznost (Ratio) i font se mohou různit. To pak na desce vypadá poněkud nevzhledně. Naštěstí to lze snadno napravit kombinací příkazů Group a Change, kterými můžete parametry textů/popisků změnit na celé desce najednou Tažení spojů ve více vodivých vrstvách U složitějších desek (jako je například i hexapod z Obr. 5.2) budete muset použít dvě či více vodivých vrstev (hladin). Příkaz Route v tomto nedělá žádné rozdíly, jakou hladinu si zvolíte v rozbalovacím menu (Obr. 5.9), v takové hladině spoj natáhne. Často též budete potřebovat přejít z jedné hladiny do druhé pomocí prokovů. Prokovy příkaz Route vkládá automaticky. Při tažení spoje např. v hladině Bottom nejdříve levým tlačítkem pozastavte pokládání někde na volné ploše desky. Poté v rozbalovacím menu (nebo středním tlačítkem myši) přepněte na cílovou hladinu a pokračujte v tažení v nové hladině. V místě styku obou hladin se automaticky vygeneruje prokov (Via). Toto je jediný správný způsob, jak do běžných spojů vkládat prokovy. Nikdy se nepokoušejte prokovy do spojů vkládat ručně,

59 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 59 Eagle s touto možností nepočítá 10. V editoru desky je totiž i samostatný příkaz Via, ale ten slouží k jiným účelům, které jsou vysvětleny ke konci kapitoly Pokud někam chcete položit prokov bez změny hladiny, držte při kliknutí myší tlačítko Ctrl na klávesnici. Parametry automaticky vkládaných prokovů můžete nastavit v pravé části menu na Obr. 5.9, konkrétně můžete nastavit tyto tři parametry: 1. Průměr díry (vrtání) prokovu, Drill. 2. Vnější průměr prokovu, Diameter. Nejlepší je ponechat na Auto (viz dále). 3. Tvar prokovu, Shape. Na výběr máte čtverec (Square, výchozí nastavení), osmiúhelník (Octagon) nebo kruh (Round). Většina výrobců DPS doporučuje, aby prokovy byly kulaté (Round), protože je u nich (díky jejich kruhové symetrii) statisticky nejvyšší úspěšnost výroby. Myslete na to během návrhu vašich desek. Průměr díry a vnější průměr prokovů úzce souvisí s konstrukční třídou plošného spoje, což bude vysvětleno v kapitole 5.3. Význam parametru Auto pak bude vysvětlen u Obr v kapitole 5.4. Při tažení spojů mezi různými vrstvami a/nebo provedení příkazu Ratsnest se občas stává, že se na některých místech desky objeví křížky v hladině 19 Unrouted (mají i stejnou žluto-hnědnou barvu). Na Obr je jejich příklad při bílém i černém pozadí pracovní plochy editoru (viz nastavení na Obr. 3.3 v kapitole 3.1); při bílém pozadí bohužel nejsou příliš dobře viditelné. Tyto křížky naznačují, že v daném místě vede vzdušný spoj (airwire) kolmo skrze izolant desky, a tedy že na daném místě chybí prokov. K tomu typicky dochází, pokud spoj v hladině Bottom zakončíte na pájecí plošce SMD součástky v hladině Top (nebo naopak), což ukazuje i Obr Tyto kolmé vzdušné spoje jsou zahrnuty do počtu nenatažených spojů, které příkaz Ratsnest hlásí ve stavovém řádku, takže jejich existenci na desce můžete takto odhalit. 10 Ve skutečnosti to možné je, ale hrozí velké riziko vzniku chyb. Pokud se ručně dodaným prokovem netrefíte přesně do osy spoje, prokov se s ním nepropojí a bude při následné kontrole (viz kapitola 5.4) hlásit chybu. Tvůrci Eagle proto ruční vkládání prokovů do běžných spojů důrazně nedoporučují. Mimo to, jejich ruční vkládání je mnohem pracnější, než to automatické

60 60 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Při bílém pozadí plochy Při černém pozadí plochy Obr Křížky naznačující průchod vzdušného spoje izolantem desky Práce se SMD a oboustranně osazené DPS Nyní si vyzkoušíme situaci, že bychom na desce audio zesilovače z Obr chtěli namísto drátových rezistorů a kondenzátorů použít SMD součástky. To by sice v tomto konkrétním případě nemělo valného smyslu, ale udělejme to čistě z výukových důvodů. Deska tím pádem bude mít tzv. kombinovanou montáž součástek, protože integrovaný obvod a konektory ponecháme drátové. Jako první zrušte všechny měděné spoje na celé desce příkazem Ripup a Go (ikona semaforu). Nyní změníme pouzdra rezistorů a kondenzátorů na SMD. To lze udělat dvěma způsoby: Change-Package při aplikaci tohoto příkazu na libovolnou součástku se objeví seznam všech variant pouzder, které jsou v knihovně k dané součástce k dispozici. Tento příkaz je vhodnější pro začátečníky, protože je intuitivní uživatel u každé součástky vidí, jaké varianty pouzder jsou k dispozici, bez ohledu na zdrojovou knihovnu součástky. Jeho nevýhodou je, že je nutné dělat jednu součástku po druhé, nelze jej kombinovat s příkazem Group. Replace příkazem Replace lze měnit pouzdra součástek i hromadně, samozřejmě s využitím příkazu Group. Po aktivaci příkazu Replace je nejdříve nutné vybrat knihovnu a konkrétní pouzdro, poté jej lze hromadně aplikovat na všechny součástky na desce. Nevýhoda je zřejmá uživatel musí mít dobrou znalost knihoven i pouzder, které v nich jsou. Navíc chybí flexibilita příkazu Change-Package. V Tab. II naleznete seznam SMD pouzder, za které můžete pasivní součástky v zesilovači vyměnit. Jedná se o nejběžněji používaná SMD pouzdra daných prvků. Všimněte si, že po

61 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 61 výměně součástek se na desce uvolnilo místo; SMD součástky jsou obecně výrazně menší než jejich drátové ekvivalenty. Po přeuspořádání součástek a zmenšení obrysů desky může situace vypadat podobně, jako na Obr Tab. II Doporučená SMD pouzdra pasivních prvků v zesilovači s TDA2003 Jméno součástky (Name ) Označení SMD pouzdra (Package ) Označení varianty součástky v knihovně (Device ) R1, R2, R3 R1206 R-EU_R1206 C5, C6 C1206 C-EUC1206 C1, C2 PANASONIC_A CPOL-EUA C3 PANASONIC_C CPOL-EUC C4 PANASONIC_E CPOL-EUE Obr Zmenšená deska zesilovače s SMD součástkami Na Obr je patrný jeden důležitý detail plošky SMD součástek jsou červené, což znamená, že jsou v hladině Top. Jak jsme si však řekli ke konci kapitoly 5.1, pokud jsou na desce nějaké drátové součástky, vždy musíme použít hladinu Bottom. Pokud bychom tedy SMD součástky ponechali tak, jak jsou na Obr. 5.12, automaticky by to znamenalo, že deska by musela být dvouvrstvá. To by ale samozřejmě u takto jednoduchého zařízení bylo zbytečné plýtvání. Řešení je prosté SMD součástky musíme přemístit na spodní stranu desky, do hladiny bplace. Mirror s příkazem Mirror jsme se setkali už v editoru schématu (přesněji řečeno v kapitole 4.3.1), kde ale má jen víceméně pomocnou funkci. V editoru desky je mnohem důležitější, protože přesouvá objekty mezi top vrstvami a bottom vrstvami:

62 62 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Pokud jej aplikujete na součástku v hladině tplace, součástka se přesune do hladiny bplace. To stejné se stane se všemi jejími částmi (popisky v tnames se přemístí do bnames atd.), jak můžete vidět na Obr Podobný účinek má na objekty ve všech hladinách, které mají v názvu předponu t- nebo b-. Díky tomu můžete označit celou desku příkazem Group a ozrcadlit ji jako celek, Eagle to provede korektně pro všechny objekty současně. To se občas hodí, pokud z Internetu stáhnete nějaký projekt, jehož autor nedodržel obecné zásady tvorby desek a má např. všechny součástky na spodní straně desky. Mirror Obr Aplikace příkazu Mirror na součástku U SMD součástek je ozrcadlení na první pohled zřejmé jejich pájecí plošky zmodrají, protože se ocitnou v hladině Bottom. U drátových součástek to bohužel tak jasné není, proto buďte s klikáním příkazem Mirror po desce opatrní. Na Obr si všimněte, že popisky součástek se ozrcadlily také, tj. nejsou normálně čitelné. To je tak v pořádku a souvisí s generováním osazovacích plánů pro každou stranu desky musíte mít samostatný osazovací plán. Nikdy proto popisky součástek v hladině bnames nevracejte zpět do tnames. Obr Jednostranná deska s kombinovanou montáží součástek Na Obr je příklad správného provedení kombinované desky pomocí spojů v hladině Bottom. Připomeňme, že takové uspořádání součástek je vhodné zejména pro výrobu jednoho funkčního vzorku či studentského projektu, protože jednostrannou desku lze

63 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 63 velmi snadno a levně vyrobit. Jak již ale bylo zmíněno i v kapitole 5.1, pro sériovou výrobu může být umístění SMD zespodu desky nežádoucí komplikací při osazování automatem a strojním pájení. Studenti cvičení KEZ v návrhu desek s kombinovanou montáží dělají některé chyby. První typickou ukázkou je Obr. 5.15a, kdy spoje jsou sice v hladině Bottom, ale SMD součástky jsou ponechány v hladině tplace, takže jejich pájecí plošky zůstaly v hladině Top. Nejsou tedy navzájem vodivě propojeny. Někteří studenti se to snaží napravit dodáním prokovů přímo do pájecích plošek součástek, což je samozřejmě nepřípustné. Deska na Obr. 5.15b by byla funkční, ale musela by být vyrobena jako dvouvrstvá s prokovenými otvory drátových součástek z horní strany desky byste totiž nedokázali zapájet vývody konektorů, které jsou skryty pod jejich plastovým tělem. Jak již bylo řečeno, drátové součástky jsou zkrátka zkonstruovány tak, že z horní strany se do DPS zastrčí a ze spodní strany zapájejí. a) b) Obr Časté chyby na deskách s kombinovanou montáží Drátové propojky a nulové rezistory na jednovrstvých deskách I při velmi pečlivém rozmístění součástek se na jednovrstvých deskách občas nevyhnete některým křížením vzdušných spojů (Airwire). V takových případech můžete použít drátové propojky (na deskách s klasickou či kombinovanou montáží) nebo nulové rezistory 11 (typické pro SMD desky). Na dvou- a vícevrstvých deskách samozřejmě nemá smysl je používat 11 Rezistory s nulovým odporem se běžně prodávají, v SMD provedení je seženete v podstatě u všech prodejců elektronických součástek Navenek vypadají jako každý jiný rezistor, ale zpravidla jsou označeny jen jedinou číslicí 0. V minulém století byly běžné i nulové drátové rezistory, protože je lépe dokázaly uchopit automaty pro strojní osazování. Ty ale byly díky nástupu SMT technologie a výraznému zlevněním výroby dvouvrstvých desek postupně vytlačeny.

64 64 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně křížení se vyřeší překlenutím v jiné měděné vrstvě. To by ostatně ani nebylo ekonomické, protože osazení drátové propojky nebo nulového rezistoru je výrazně dražší, než přidání několika dalších prokovů na desku. Při sériové výrobě (tj. součástky jsou osazovány automaty) je nutné každou drátovou propojku vložit do schématu jako samostatnou součástku (Part), aby automat věděl, kde ji má na desce osadit. Eagle má pro propojky zvláštní knihovnu jumper.lbr. V ní můžete (mimo jiné) nalézt drátové propojky v délkách od 5 do 30 mm. Pokud tedy propojku chcete vložit do některého spoje, musíte provést následující úkony: Identifikovat místo ve schématu, ve kterém je nutné spoj (Net) přerušit, tj. kam bude zapojena propojka. Z původního spoje příkazem Delete udělat dva spoje samostatné. Přitom je třeba hlídat, aby na obou nových spojích zůstaly zapojeny ty součástky, které mají. U napájecích spojů (GND, +3V3) je obvykle nutné jejich části zapojené za propojkami celé vymazat a nakreslit znovu, aby měly jiné jméno (Name). Podle délky překlenované oblasti vybrat propojku z knihovny jumper.lbr a ve schématu ji zapojit mezi spoje. Propojku na desce umístit na požadované místo a příkazem Route k ní natáhnout měděné spoje. a) b) Obr Různé způsoby realizace drátových propojek

65 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 65 Na propojky je přitom nutné nahlížet jako na každou jinou součástku, na desce se tedy nesmí překrývat s jinými součástkami. Na Obr. 5.16a je příklad místění tří propojek různých délek v okolí integrovaného obvodu v klasickém pouzdru DIL8. Jedná se o jednovrstvou desku s kombinovanou montáží, přičemž SMD součástky na spodní straně desky byly pro lepší názornost vypnuty. Z výše uvedeného postupu je zřejmé, že vkládat do desky propojky tímto způsobem je poměrně pracné. Pro sériovou výrobu se mu nelze vyhnout, ale v případě kusové výroby DPS pro studijní či experimentální účely je možné jej obejít jednoduchým trikem. Namísto skutečných propojek je totiž můžete definovat jako pseudopropojky krátkými rovnými úseky spojů v hladině Top. V editoru tak sice deska bude dvouvrstvá, ale výrobci DPS zašlete data pouze pro výrobu hladiny Bottom. Při vlastním osazování součástek pak místo úseků v hladině Top osadíte kusy drátu. Příklad tohoto řešení je na Obr. 5.16b. Ovšem pozor, při tvorbě těchto pseudopropojek je třeba hlídat některé aspekty: Pseudopropojky nesmí vést pod jinými součástkami, ani se s nimi křížit (stejně jako skutečné propojky). Úsek spoje v hladině Top musí být vždy rovný. Není přípustné, aby se drát po desce nějak klikatil. Na obou koncích pseudopropojky musí být prokovy (Via). Ty nahrazují pájecí plošky (Pad) skutečných propojek z knihovny. Zmíněné prokovy musejí být dostatečně velké, aby se do nich vešel drát, tj. parametr Drill musí být 0,8 mm nebo větší. Je nutné zvolit poměrně velký průměr prokovů (parametr Diameter), aby se (zvláště při ručním vrtání desky) prokovy nezničily (neodlepily od nosného izolantu desky). Pro běžné propojky tenkými drátky by se měl pohybovat okolo 2 mm. Na Obr jsou názorně shrnuty nejčastější chyby, kterých se při tvorbě pseudopropojek můžete dopustit.

66 66 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr Nejčastější chyby při tvorbě pseudopropojek 5.3 Konstrukční třídy plošných spojů dle IPC-A600D Než se pustíme do pokročilejších funkcí editoru desek a návrhu složitějších desek, je nutné se seznámit s některými technickými aspekty výroby DPS. Jeden z nejdůležitějších aspektů je přitom tzv. konstrukční třída plošného spoje. Ta v zásadě říká, jak malé objekty se v obrazci spojů mohou objevit, viz Obr V praxi jsou třídy definovány jako nejmenší přípustné šířky spojů a izolačních mezer t, které se mohou vyskytnout v měděném obrazci a nejmenší průměr vrtání d. t t d t t Obr Důležité rozměry objektů v obrazci DPS

67 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 67 V podstatě všichni výrobci DPS v České Republice (a ve většině EU) se v současné době řídí normou IPC-A600D. V ní je (mimo mnoha jiných věcí) definováno 8 konstrukčních tříd DPS. V Tab. III jsou nejmenší přípustné rozměry objektů, které se mohou objevit ve III. až VIII. konstrukční třídě. Stojí za zmínku, že definována je i I. a II. konstrukční třída; ty jsou však natolik hrubé, že při moderní (tj. SMD) součástkové základně je jejich použití v podstatě vyloučené. A naopak, pro miniaturizovaná elektronická zařízení (typicky mobilní telefony, hodinky, naslouchátka apod.) může být i VIII. konstrukční třída nedostačující. Někteří výrobci proto nabízejí plošné spoje ještě jemnější, než oněch 0,1 mm; při současných (rok 2014) technologiích je s přiměřenou spolehlivostí možné vyrobit spoje o šířce okolo 0,05 mm. Tato oblast však (prozatím) není nijak standardizována a technické podmínky takto jemných plošných spojů se u různých výrobců liší. V takových případech je tedy nezbytná individuální domluva s daným výrobcem. Tab. III Přehled mezních rozměrů konstrukčních tříd DPS Konstrukční třída III. IV. V. VI. VII. VIII. minimální šířka vodičů 0,4 0,3 0,2 0,15 0,125 0,1 minimální šířka izolačních mezer minimální přesah pájecí plošky nejmenší průměr otvoru (vrtáku) 0,4 0,3 0,2 0,15 0,125 0,1 0,4 0,3 0,2 0,15 0,125 0,1 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Proč se vlastně konstrukčními třídami zabýváme? Důvod je hlavně ekonomický čím jemnější spoje jsou, tím problematičtější a pracnější je jejich výroba a tedy i cena výsledné desky. Například pokud v leptací lázni někde vznikne vzduchová bublinka, zůstane malý kroužek mědi neodleptaný. U III. konstrukční třídy se takový nedostatek snadno ztratí, ale u VIII. třídy již může mít za následek zkrat mezi sousedními spoji. Jinými slovy, čím vyšší konstrukční třída je použita, tím větší je riziko zmetků při výrobě. Pro ilustraci, většina (velkých) výrobců DPS dnes nabízí spoje do V. či VI. třídy bez příplatku. VII. konstrukční třída je ale již za příplatek 15 až 30% a u VIII. třídy se příplatek pohybuje v pásmu 30 až 50%. To však platí pouze u velkosériové výroby DPS; u malých zakázek mohou tyto příplatky snadno dosáhnout 100% či více (desky tedy jsou 2 dražší!).

68 68 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Jak se rozhodnout, kterou konstrukční třídu byste na vaší desce měli použít? Musíte se podívat, jakou nejjemnější součástku desce máte například u TQFP pouzdra s roztečí vývodů 0,5 mm je zřejmé, že musíte použít 5. konstrukční třídu nebo vyšší. Obecně je snahou udržet se na co nejnižší možné třídě (aby byla deska co nejlevnější), ale ne vždy je to proveditelné či rozumné. Na Obr. 5.19a můžete vidět spoje k SMD integrovanému obvodu v 5. konstrukční třídě. Jak je z obrázku patrné, prokovy (vnější průměr 0,8 mm) jsou příliš velké vůči pájecím ploškám součástky (rozteč 0,6 mm). Prokovy musely být vyvedeny do větší vzdálenosti od plošek a velká část plochy pod IO je proto zabrána spoji v hladině Top. Mnohé IO přitom pod sebou vyžadují stínicí nebo chladicí měděnou plochu, což by v tomto případě nebylo možné dodržet. Na Obr. 5.19b je ta stejná deska provedená v 6. třídě. Díky menším prokovům (vnější průměr 0,6 mm) i vyšší hustotě spojů bylo možné dát prokovy těsně k pájecím ploškám IO, takže plocha pod pouzdrem se uvolnila. Do podobných problémů se můžete dostat, pokud pod nějakou součástkou potřebujete vést více souběžných spojů; čím nižší konstrukční třída, tím větší plochu stejný počet spojů zabere, což je v Obr též vidět. a) b) Obr Příklad spojů k IO v 5. a 6. konstrukční třídě 5.4 Kontrola chyb a návrhových pravidel DRC DRC příkaz DRC (zkratka z Design Rule Check, kontrola návrhových pravidel) je poměrně rozsáhlou a důležitou funkcí Eagle. Je to právě DRC, který odhaluje chyby na plošném spoji, kterých se uživatel mohl dopustit. Aby však kontrola chyb měla potřebnou vypovídací hodnotu (tj. aby nedocházelo k ignorování vážných závad či naopak k falešným

69 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 69 poplachům), je třeba návrhová pravidla smysluplně definovat. V menu příkazu DRC je celkem 10 karet (File, Layers, atd.), na kterých jsou uspořádány návrhová pravidla podle jejich oblasti Nastavení návrhových pravidel První karta File (Obr. 5.20) slouží pro uložení a načtení předem definovaných pravidel, které zpravidla vychází z konstrukční třídy plošného spoje (viz kapitola 5.3). To je velmi užitečné, protože v DRC je poměrně velké množství různých nastavení, ve kterých lze snadno udělat chybu. Soubory s návrhovými pravidly (přípona.dru) jsou ukládány do samostatného podadresáře v instalačním adresáři Eagle (výchozí je C:\Program Files (x86)\eagle-6.x.x\dru\). Během počítačových cvičení KEZ dostanete k dispozici předchystané DRU soubory pro nejčastěji používané kombinace konstrukčních tříd a počtů vrstev plošného spoje. Obr Karta File v DRC Druhá karta Layers (Obr. 5.21) je již velmi důležitá, protože se na ní definuje počet vrstev a jaké prokovy mezi kterými vrstvami budou. Definice probíhá pomocí pseudomatematického zápisu, jehož syntaxe je na kartě vysvětlena. Eagle umožňuje definici všech tří možných typů prokovů průchozích (through vias), slepých (blind vias) i pohřbených (buried vias). Na Obr je pro ilustraci jedna z typických definic 4-vrstvé desky s průchozími

70 70 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně prokovy a pohřbenými prokovy mezi vnitřními vrstvami 2 a 15. Vícevrstvé desky pochopitelně mohou mít kombinace prokovů mezi vrstvami i výrazně složitější, než v tomto příkladu. Při tahání spojů příkazem Route pak Eagle automaticky volí, který typ prokovu je vhodné zvolit z hlediska efektivity, úspory místa na DPS apod. To je také jeden z důvodů, proč je při tažení běžných spojů nutné nechat Eagle, aby prokovy pokládal sám nepokoušejte se je nikdy ručně do spojů přidávat pomocí příkazu Via, ten slouží k trochu jiným účelům (viz kapitola 5.5.3). Obr Karta Layers v DRC Obr Karta Clearance v DRC

71 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 71 Karta Clearance (Obr. 5.22) definuje nejmenší přípustné izolační vzdálenosti mezi vodivými objekty (spoji, prokovy a pájecími ploškami) v plošném obrazci. Volba těchto vzdáleností je v podstatě dána zvolenou konstrukční třídou DPS, viz Tab. III v kapitole 5.3. Na Obr je pro ilustraci nastavení pro 5. konstrukční třídu. Všimněte si, že izolační vzdálenosti jsou uvedeny v milimetrech (namísto výchozích milů), což je pro evropského uživatele příjemné zjednodušení. Pokud některou vzdálenost nastavíte na 0, vypnete tím danou kontrolu. Je však nasnadě, že takový postup se důrazně nedoporučuje. Obr Karta Distance v DRC Karta Distance (Obr. 5.23) obsahuje pouze dva parametry, které mají význam z hlediska technologie použité při některých krocích výroby plošného spoje. Položka Copper/Dimension definuje vzdálenost mezi vodivými objekty a okrajem desky (tj. objekty nakreslenými v hladině Dimension). Většina výrobců DPS vyžaduje, aby byla 0,5 až 1 mm. Důvod je čistě ekonomický při dodržení této vzdálenosti je možné plošné spoje stříhat nůžkami, což je rychlé a není třeba žádného zvláštního vybavení. Výrobci DPS pochopitelně dokáží vyrobit i desky, na kterých jsou vodivé objekty k okrajům desky blíže. Takové desky se však musí oddělit pomocí CNC frézky, což je již vždy za příplatek. Položka Drill/Hole definuje nejmenší přípustnou mezeru mezi dvěma děrami. To opět dáno hlavně technologickými možnostmi kvalitou vrtačky, pevností izolantu desky apod. U běžných desek je obvyklé použít dvojnásobek nejmenší šířky spoje dané konstrukční třídy, tj. pro 5. konstrukční třídu by to bylo 2 0,2 mm = 0,4 mm. U složitých a/nebo netypických (tenkých nebo naopak velmi

72 72 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně tlustých) desek je zpravidla nutné tento parametr konzultovat s výrobcem. Malá vzdálenost děr může být na závadu též na deskách, na kterých je velký počet prokovů koncentrovaných na malé ploše (BGA pouzdra, vysokofrekvenční a mikrovlnné obvody apod.). Údaje na kartě Sizes (Obr. 5.24) definují nejmenší rozměry vodivých objektů. Z hlediska cvičení KEZ jsou důležité pouze první dva. Minimum width (nejmenší přípustná šířka spoje na DPS) i Minimum drill (nejmenší průměr vrtání, jaký se na DPS může objevit) jsou opět dány použitou konstrukční třídou. Pro 5. konstrukční třídu to tedy je 0,2 mm a 0,4 mm, viz Tab. III v kapitole 5.3. Obr Karta Sizes v DRC Karta Restring (Obr. 5.25) definuje šířku mědi okolo prokovených otvorů, a to nezávisle pro pájecí plošky drátových součástek (Pads) i samostatné prokovy (Vias). Grafická legenda (viz obrázek níže) ukazuje jeden takový otvor ve svislém řezu deskou. Šířka měděných kroužků kolem děr je vypočítávána automaticky, ve výchozím nastavení jako 25 průměru otvoru. Z hlediska návrhových pravidel je však nutné definovat horní a dolní mez šířky. Nejdůležitější je sloupec Min, který udává nejmenší přípustnou šířku ta je opět dána použitou konstrukční třídou. Nicméně u ručně vrtaných jednostranných desek (jaké dokáží vyrobit v dílnách UTKO nebo UREL) je vhodné minimální šířku nastavit nejméně na 0,5 mm jinak velmi reálně hrozí, že součástky nedokážete vůbec zapájet, případně pájecí plošku při vrtání zničíte. Sloupec Max je možné ve většině případů ponechat ve výchozím nastavení; změny jsou zpravidla nutné pouze v případech, kdy jsou na DPS velké (průměr >3 mm)

73 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 73 prokovené otvory. Kromě toho jsou na kartě Restring nastavení i pro mikro-prokovy (Micro Vias), ale ty jsou mimo náplň cvičení KEZ. Obr Karta Restring v DRC Karta Shapes (Obr. 5.26) umožňuje vynutit některé změny tvaru pájecích plošek pro SMD i klasické součástky. Přesněji řečeno, umí upravit jejich tvar oproti tomu, co je definováno v knihovnách součástek. Je však nutné mít na paměti, že nastavení na kartě Shapes se promítnou na všechny plošky na celé desce, takže se mohou objevit nežádoucí vedlejší účinky. Parametr Roundess umí vynutit zaoblení rohů SMD pájecích plošek, a to v poměru vůči délce kratší strany plošky. Při 0% tedy rohy zůstanou ostré, při 100% dojde k jejich úplnému zakulacení. Poloměr zaoblení je možné dodatečně omezit parametry Min a Max. Pro správnou funkci musí mít parametr Max nenulovou hodnotu. A proč vlastně parametr Roundess v menu DRC je? U plošek s ostrými rohy může při pájení docházet ke vzniku mechanického pnutí v tuhnoucí pájce, což může mít za následek předčasné selhání (prasknutí) takového pájeného spoje. Tento problém je výraznější při pájení bezolovnatými pájkami, které v elektronických zařízeních vyžaduje směrnice RoHS Evropské Unie. Zaoblené rohy plošek toto nežádoucí mechanické napětí snižují a statisticky tak snižují zmetkovitost při masovém osazovaní a pájení DPS. U plošek drátových součástek je možné hromadně změnit jejich tvar, a to nezávisle v hladinách TOP či BOTTOM. Je též možné hromadně změnit tvar plošky prvního vývodu pouzdra (parametr First). K funkci je ale nutné, aby byl vývod takto označen v knihovně.

74 74 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Poslední dvě pole Elongation na kartě Shapes umožňují hromadně změnit prodloužení pájecích plošek; první pole pro plošky s dírou uprostřed a druhé pro plošky excentrické. Je zde možné zadávat hodnoty větší i menší než 100%, čímž je možné prodloužení plošek zvětšovat i zmenšovat. Hodnota 0% není dovolena, při jejím zadání plošky na desce zmizí. Při zadání velmi malé hodnoty (např. 1%) se prodloužené plošky změní téměř na kulaté. Obr Karta Shapes v DRC Obr Karta Supply v DRC

75 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 75 Karta Supply (Obr. 5.27) je v Eagle pouze z důvodů kompatibility s předchozími verzemi. V nich ještě neexistoval příkaz Polygon, takže rozvod souvislých ploch napájení a země nebylo možné tímto způsobem provést. Namísto toho bylo nutné pro napájení a země vyhradit vždy celou jednu vodivou vrstvu (Layer). V praxi to znamenalo, že pro jeden signál (typicky GND) bylo potřeba obětovat jednu vrstvu, což nebylo příliš efektivní. Protože se jedná o zastaralou a dnes již nevyužívanou funkci, kartu Supply a její nastavení můžete ignorovat. Na kartě Masks (Obr. 5.28) se nastavují přesahy otvorů v nepájivé masce a v šabloně pro nanášení pájecí pasty při strojním osazování. Pomocí políčka Limit je možné zajistit, aby prokovy byly skryty pod nepájivou maskou. To je velmi žádoucí zejména pokud deska bude pájena tzv. vlnou na odhalené prokovy by se nachytávala pájka ( cín ), takže by mezi sousedními prokovy mohly snadno vzniknout můstky pájky (zkraty). Mimo to, měděná vrstva uvnitř prokovů je poněkud porézní. Pokud by se do ní nasála pájka, vrstva by nabobtnala. Vzniklé mechanické pnutí by pak mohlo prokov poškodit (zvětšit jeho odpor). V mezním případě by mohly být odtrženy různé vrstvy pokovení od sebe, což by prokov a tedy i desku učinilo nefunkční. Do políčka Limit je proto vhodné zapsat nějaké číslo větší, než je největší průměr prokovu použitý na daném DPS. Obr Karta Masks v DRC Karta Misc (Obr. 5.29) obsahuje v zásadě jedinou položku, kterou je z hlediska cvičení KEZ vhodné zmínit, a tou je políčko Check angle. Jak bylo zmíněno v předchozích

76 76 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně kapitolách, spoje na DPS by měly vést v násobcích 45 (pokud to nějaké speciální požadavky nevylučují). Zaškrtnutím tohoto políčka Eagle bude hlásit všechny spoje, které tento požadavek nesplňují (políčko je bohužel ve výchozím stavu vypnuté). Dva číselné parametry na dolní polovině karty Misc se týkají ladění délek spojů pomocí příkazu Meander a jejich význam je blíže vysvětlen v kapitolách a Obr Karta Misc v DRC Spuštění kontroly a její výsledky Po nastavení parametrů je možné spustit kontrolu tlačítkem Check ve spodní části okna DRC. Po jejím dokončení se objeví okno se seznamem chyb (DRC Errors, viz Obr. 5.30a), které se na desce vyskytly. Chyby se na desce navíc vyznačí světlými šrafami. Na Obr. 5.30b je pro ilustraci šrafa, která indikuje nedodržení izolační vzdálenosti mezi spojem v hladině Bottom a pájecí ploškou drátové součástky (pad). Po odstranění chyb lze jejich vyznačení šrafou zrušit pomocí příkazu Error Clear All. Šrafy nelze smazat ani s nimi jinak manipulovat, jediný způsob, jak se jich zbavit, je tlačítko Clear All. Velmi užitečné je zaškrtnout políčko Centered, protože při procházení seznamu se chyby automaticky na DPS názorně zobrazují (pohled na ně automaticky skáče). Errors pro zobrazení výpisu chyb není nutné vždy znovu spouštět celou DRC kontrolu znovu. Okno s chybami (DRC Errors, viz Obr. 5.30a) můžete kdykoliv znovu vyvolat příkazem Errors.

77 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 77 a) b) Obr Okno s výpisem chyb a šrafa indikující chybu na ploše editoru Ve výpisu nejčastěji narazíte na tyto chyby: Overlap: překrytí (a tedy zkrat) dvou vodivých objektů. Z hlediska funkce desky je to ta nejhorší možná chyba. Clearance: nedodržení izolační vzdálenosti mezi dvěma vodivými objekty, definované buď v menu DRC nebo v třídách spojů (Net Classes). To však může být velmi závažná závada, protože nedodržení izolační mezery může způsobit úraz elektrickým proudem. Mimo to, pokud nedodržíte mezery definované konstrukční třídou, může vám výrobce desky účtovat příplatek. Angle: nějaký spoj není veden pod násobkem úhlu 45. DRC toto kontroluje pouze v případě, že je zaškrtnuto políčko Check Angle na kartě Misc. Dimension: nedodržení vzdálenosti vodivých objektů od okraje desky (karta Distance). Tato chyba se též může objevit, pokud vedete nějaký spoj příliš blízko montážní díry (Hole) v desce. Drill size: díra je menší, než je nastaveno na kartě Sizes. Drill distance: dvě díry jsou blíže, než je povoleno na kartě Distance. Tato chyba ale též může indikovat, že přes sebe leží dva prokovy nebo prokov a pájecí ploška drátové součástky. K tomu může dojít při ručním tažení spojů (Route) na složitých deskách (vícevrstvých a/nebo s oboustranným osazením SMD součástek). Width: měděný spoj či jiný objekt je užší, než je dovoleno na kartě Sizes nebo v třídách spojů (Net Classes, viz kapitola 5.5.2). Poměrně často se též objevuje u textů v měděných

78 78 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně vrstvách šířka jejich čáry totiž též musí odpovídat zvolené konstrukční třídě desky. Čáry textu lze u Vector fontu rozšířit parametrem Ratio a tím tuto chybu odstranit. Restrict: nějaký objekt se nachází v oblasti zakázané pomocí hladin trestrict, brestrict nebo vrestrict (41 až 43). Stop Mask: servisní potisk (objekty v hladinách t/bnames, t/bvalues, t/bdocu) zasahuje do otvoru v nepájivé masce. DRC tyto kolize kontroluje, pouze pokud jsou v menu Display zapnuty hladiny tstop a/nebo bstop. 5.5 Pokročilé funkce pro návrh desky Nyní se podíváme na některé pokročilé funkce a příkazy Eagle, které jsou zapotřebí při návrhu složitějších desek. Nejdříve však začneme zdánlivě jednoduchým úkolem, a tím je volba vhodného rastru pracovní plochy editoru desky Rastr editoru desky a jeho úskalí Na rozdíl od editoru schématu, na desce máte při volbě rastru kreslicí plochy (příkaz Grid, viz kapitola 4.2.2) velkou volnost. Nicméně některé rozteče rastru jsou vhodnější než jiné a rozhodnutí není vždy úplně jednoznačné. Obecně musíte zvolit mezi roztečí odvozenou od palců (inch) nebo roztečí metrickou (mm). Přitom hodně záleží na tom, jaké součástky (převážně) na vaší desce máte. Většina pouzder klasických (drátových) součástek totiž byla vynalezena v USA, takže jejich rozměry jsou odvozeny od palců. Například u oblíbených pouzder DIL je rozteč sousedních vývodů 2,54 mm = 0,1" a vzdálenost jejich řad od sebe 7,62 mm = 0,3". Toto odrážejí i knihovny Eagle, kde drtivá většina klasických součástek má pájecí plošky (Pad) umístěny v palcovém rastru. Naproti tomu většina 12 moderních pouzder SMD prvků má rozměry metrické například dnes masově používaná pouzdra TQFP, QFN a BGA se nejčastěji vyrábějí s roztečí vývodů 1,0, 0,8, 0,65, 0,5 a 0,4 mm. Výběr odpovídajícího rastru návrh usnadňuje, protože pak lze měděnými spoji lépe vyjet z pájecích plošek součástek (plošky leží v rozteči rastru nebo nějakém jejím násobku). Pokud se rozhodnete pro metrický rastr, je volba jeho rozteče jednoduchá nejefektivnější je zvolit ji stejnou, jako bude konstrukční třída vašeho DPS. 12 Starší SMD pouzdra mají rozměry též palcové. Například masivně používaná pouzdra SOxx mají rozteč sousedních vývodů 1,27 mm = 0,05".

79 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 79 Např. u IV. konstrukční třídy to tedy bude 0,3 mm (viz Tab. III). Důvod je čistě praktický takové nastavení vám umožní tahat měděné spoje jeden vedle druhého, aniž byste plýtvali místem na desce. Pokud chcete mít při manipulaci s objekty větší volnost, můžete rastr nastavit i na polovinu (nebo jiný celočíselný podíl) konstrukční třídy. U palcového rastru je situace složitější, protože neexistuje žádný všeobecně přijímaný standard když v USA v průběhu minulého století tato technika vznikala, stanovovala si každá firma pravidla pro návrh plošných spojů po svém. Pro volbu rastru v literatuře (např. [5] nebo [6]) nejčastěji narazíte na dvě doporučení: 1. Vyjít z 0,1" a pro získání jemnějšího rastru hodnotu vždy podělit na polovinu. Má výhodu v tom, že se vždy jedná o celočíselné zlomky 0,1", takže pájecí plošky součástek zůstanou přesně v rastru. 2. Rastr volit podle nejčastěji používaných palcových šířek spojů. Má výhodu v tom, že měděné spoje dané šířky můžete táhnout těsně vedle sebe, aniž byste plýtvali plochou desky. Většina z těchto oblíbených šířek však není celistvým zlomkem 0,1", takže pájecí plošky součástek se mohou ocitnout mimo rastr. Tab. IV Přehled možných hodnot palcového rastru Následující hodnota je polovina hodnoty předchozí Vycházejí z často používaných palcových šířek spojů palce mil mm palce mil mm 0, ,54 0, ,54 0, ,27 0, ,778 0, ,635 0, ,27 0, ,5 0,3175 0, ,016 0, ,25 0, , ,8128 0, ,6096 0, ,4064 0, ,3048 0, ,254 0, ,2032 0, ,1524 0, ,1016 Přehled možných hodnot rastru dle obou doporučení je v Tab. IV. Všimněte si, že některé hodnoty v milimetrech jsou velmi blízké rozměrům konstrukčních tříd DPS dle normy IPC-A600D (viz Tab. III v kapitole 5.3). Jejich volba je tedy výhodná z hlediska výroby,

80 80 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně protože touto normou se řídí v podstatě všichni výrobci DPS v ČR. Konečná volba rastru nicméně záleží hlavně na preferencích a zvycích uživatele. V praxi budete mít na desce vždy nějaké součástky, jejichž pájecí plošky se ocitnou mimo rastr. To působí určité komplikace, pokud se z plošek pokoušíte vytahovat spoje příkazem Route. Na Obr je typická situace, kdy na desce s rastem 0,3175 mm byl jen jediný integrovaný obvod, který měl metrickou rozteč pájecích plošek, konkrétně 0,5 mm. Tyto situace jsou skutečným důvodem, proč při táhnutí spojů máte na výběr různé styly zalamování čar v horním menu ikon. Jak ilustruje Obr. 5.31a, při prvním stylu zalamování vám rastr nedovolí vytáhnout měděný spoj středem plošky spoj skáče na rastr okolo ní. Pokud si však dle Obr. 5.31b aktivujete pátý styl zalamování, najednou to možné je. a) b) Obr Vliv různých zalomení spojů u plošek mimo rastr Některé součástky musejí být umístěny na přesných pozicích, typicky ovládací prvky a konektory, aby souhlasily s otvory v čelním panelu a/nebo skříňce zařízení. To rastr též poněkud znepříjemňuje. Samozřejmě je možné si pro umístění těchto součástek zvolit rastr jiný, který bude pro danou situaci vhodnější (typicky z nějakého palcového do rastru 1 mm). Ovšem pozor, změnu rastru musíte provést ještě předtím, než součástku vložíte do schématu/desky, jinak totiž zůstane v rastru původním. Pro přesné umístění součástek můžete použít příkazový řádek, do kterého napíšete Move NN (XX YY), kde NN je jméno součástky a XX a YY jsou cílové souřadnice. Je ale zřejmé, že takový postup není příliš uživatelsky přívětivý. Nejpohodlnějším způsobem je proto použít příkazu Info, jak ukazuje obrázek

81 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 81 vlevo. Ten totiž zobrazuje i pozici součástky vůči počátku souřadnic (viz kapitola 4.2.2), přičemž políčka můžete editovat. Do podobných obtíží se dostanete, i pokud chcete změřit vzdálenost dvou objektů na desce. K tomu v Eagle slouží příkazy Mark a Dimension 13, ale oba dva též skáčou v rastru. Pokud chcete změřit vzdálenost dvou objektů, které jsou mimo rastr, tak vám nezbývá nic jiného, než si jejich souřadnice opsat z okna příkazu Info a vzdálenost vypočítat např. na kalkulačce. Nyní ještě několik slov ke zmíněným příkazům Mark a Dimension. Mark jak bylo popsáno v kapitole 4.2.2, nad pracovní plochou je displej aktuálních souřadnic kurzoru. Ty jsou přitom odměřovány od bodu vyznačeného na ploše editoru, globálního počátku souřadnic. Pomocí příkazu Mark si můžete vytvořit nový (pomocný) počátek souřadnic. Ten je na ploše indikován podobným tečkovaným křížkem, jako u počátku globálního. Displej souřadnic kurzoru se automaticky rozšíří a začne zobrazovat i souřadnice kurzoru vůči tomuto pomocnému počátku. Všimněte si, že pomocný displej kromě kartézského (vzdálenosti v osách X a Y) zobrazuje vzdálenost i v polárním formátu (absolutní vzdálenost a úhel). Pokud se chcete pomocného počátku souřadnic a displeje zbavit, docílíte toho zadáním příkazu Mark a následným stisknutím příkazu Go (ikona semaforu). To stejné se stane, pokud do příkazového řádku zadáte příkaz Mark; se středníkem. Dimension slouží ke kótování vzdáleností objektů. V příkazu je zabudována určitá inteligence, pokud jím kliknete na segment měděného spoje, tak okótuje jeho délku, 13 Pojmenování příkazu Dimension je poněkud nešťastné, protože v editoru desky je i hladina 20 Dimension pro definici obrysu DPS

82 82 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně pokud jím klepnete na kružnici, tak okótuje její průměr apod. Pochopitelně však můžete kótu položit i mezi dva libovolné body aktuálně zvoleného rastru. Pro kóty (a jiné podobné informace o rozměrech) je v editoru desky vyhrazena hladina 47 Measures Třídy spojů Net Classes Podívejme se znovu na schéma audio zesilovače s TDA2003 na Obr Tento zesilovač má nominální výkon 10 W a je napájen napětím o velikosti 18 V. Ve špičkách signálu tedy jeho odběr může snadno přesáhnout 1 A. Tento proud pochopitelně musí protéct i napájecími spoji, tj. +18V a GND. Přitom je nutné, aby na spojích nevznikly velké úbytky napětí, protože by mohlo dojít ke zkreslení signálu; jinými slovy, spoje musí mít malý odpor 14. To lze zajistit tím, že použijete dostatečně široké měděné spoje. Na složitých deskách se však může stát, že omylem některé spoje natáhnete příliš úzké, což v krajním případě může vést až k jejich zničení (shoří jak pojistka). Do podobné situace se můžete dostat, pokud je na některých spojích vysoké napětí u nich musíte hlídat jejich izolační mezeru vůči ostatním spojům, aby nedošlo k průrazu. V Eagle je možné rozdělit spoje ve schématu až do 16 různých tříd, tzv. Net Classes. Do jejich nastavení se můžete v editoru schématu i desky dostat přes hlavní menu Edit Net Classes. V každé třídě lze nadefinovat (Obr. 5.32): Name název třídy. Je vhodné volit výstižný, aby její účel pochopil kdokoliv, kdo schéma bude číst. Width nejmenší dovolená šířka měděných spojů. Jak bylo zmíněno výše, je dána proudovou zatížitelností. Clearance minimální izolační mezera kolem měděných spojů, souvisí s napětím, jaké na spoji bude. Drill nejmenší přípustný průměr prokovu (Via) ve spoji. Podobně jako u šířky spojů, tento parametr úzce souvisí s proudem, jaký má spojem téci. Čím větší průměr prokov má, tím větší proud snese. Pokud byste do výkonových spojů vložili příliš malé prokovy, tyto by shořely jak pojistky. 14 Pro výpočet odporu (a mnoha jiných parametrů) plošných spojů existuje celá řada programů i online kalkulátorů. Jedním z nejobsáhlejších takových programů (pro MS Windows) je Saturn PCB Design Toolkit, který můžete zdarma stáhnout z [3]. Z online nástrojů můžeme jmenovat např. [4].

83 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 83 Obr Příklad nastavení tříd spojů Třída default je přítomna vždy a ve výchozím stavu jsou všechny její parametry nastaveny na nulu, takže jejich kontrola je vyřazena z funkce. Pro příklad audio zesilovače si můžete nadefinovat třídu vykonove s parametry dle Obr. 5.32, tj. s minimální šířkou spojů 0,8 mm. Parametr Clearance může zůstat na nule, protože všechny spoje zesilovače pracují jen s malým napětím. Nyní je třeba ve schématu označit, které spoje mají být ve třídě vykonove. To lze udělat několika způsoby: Příkazem Change-Class-vykonove poklikat spoje, u kterých chcete třídu změnit. To lze provést i hromadně s využitím příkazu Group. Tento postup funguje v editoru schématu i desky. Přepnout ji v rozbalovacím menu naspodu okna příkazu Info. Tento postup též funguje v editoru schématu i desky. Třídu můžete vybrat v horním menu ikon již během kreslení schématu příkazem Net. Parametry tříd spojů pak během kontroly zohledňuje DRC (kapitola 5.4). Například pokud bychom desku zesilovače celou natahali spoji o šířce 0,4 mm, při nastavení z Obr bude DRC u napájecích spojů hlásit chybu typu Width, jak ukazuje Obr Obr Příklad výsledku DRC kontroly při nedodržení šířky spojů

84 84 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Na chvíli se ještě zastavme u hlídání izolační mezery, parametru Clearance. V praxi často nastává situace, kdy na jedné desce máte část pracující s nebezpečným napětím a část nízkonapěťovou. Typickým příkladem jsou zdroje a obecně všechna zařízení napájená síťovým napětím 230 V. U nich je nutné zabezpečit, aby nedošlo k průniku (průrazu) síťového napětí do nízkonapěťových částí, se kterými může přijít do styku uživatel. Jinými slovy, taková zařízení musejí být koncipována tak, aby nemohlo dojít k úrazu elektrickým proudem. V praxi se to zabezpečuje dostatečně dimenzovanými izolačními bariérami, které musejí být nejen v součástkách (transformátory, optočleny ), ale i na samotné DPS. Na Obr je příklad řešení desky z počítačového zdroje, na které je izolační bariéra vyznačena červenou čárou. Pozor, absence izolační bariéry je vážný technický nedostatek, který v krajním případě (úraz či úmrtí uživatele) může vyústit až do trestního stíhání! Šířka izolace bariéry se liší podle napětí na obou jejích stranách, třídou ochrany daného zařízení a mnoha jinými okolnostmi. Minimální šířky jsou předepsány normou IEC Pravidla pro jejich stanovení jsou poměrně složitá, nicméně existují nástroje, které jejich stanovení zjednodušují. Jedním z mnoha je např. přehledný online kalkulátor [7]. Abyste jej však dokázali správně použít, musíte se nejdříve seznámit s terminologií, kterou norma IEC používá. Názorný slovník pojmů naleznete např. na [8], ale je pro vás připraven i v systému VUT elearning u předmětu KEZ. Pro ilustraci spotřební elektronika s ochranou SELV napájená ze sítě má předepsanou šířku izolační bariéry nejméně 5 mm. U lékařských přístrojů jsou požadavky ještě tvrdší, jejich norma IEC vyžaduje šířku bariéry dokonce 8 mm. Obr Izolační bariéra na desce počítačového zdroje

85 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 85 Eagle je na hlídání takových izolačních bariér připraven; parametr Clearance lze totiž definovat i jako matici vzájemných izolačních vzdáleností mezi různými třídami spojů, označovanou jako Clearance matrix. K tomu je nejdříve nutné v okně Net Classes stisknout tlačítko se dvěma šipkami, které ukazuje Obr Pohled na příklad nastavení u síťových spojů je na Obr. 5.36a jak můžete vidět, mezi nízkonapěťovou třídou default a síťovou třídou byla nastavena izolační mezera 4 mm. Na Obr. 5.36b je pak pohled na desku, na které bylo toto nastavení použito. Podobně jako na Obr. 5.34, i zde je síťová část vlevo a nízkonapěťová část vpravo. Izolační bariéra je pak jasně patrná pod transformátorem a relé. U takto jednoduché desky by dodržení její šířky asi nebylo problém i bez Net Classes, ale zde jde pouze o ukázku principu. Obr Tlačítko pro aktivaci matice izolačních vzdáleností a) b) Obr Použití matice izolačních vzdáleností Vytvoření souvislé plochy mědi Polygon V současné době je typické, že zemní potenciál (GND) a/nebo napájecí napětí jsou na desce rozvedena pomocí souvislých ploch mědi. To má hned několik výhod: Souvislá plocha mědi má velmi malý odpor, takže na ní vznikají zanedbatelné úbytky napětí i při průchodu velkých proudů. Pro ilustraci nejvýkonnější procesory pro PC

86 86 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně mají spotřebu až 130 W, ale přitom jsou napájeny napětím okolo 1 V. Mainboardem PC tedy mohou protékat proudy 100 A či větší. Díky nízkému odporu potlačují vznik a přenos rušení mezi různými částmi desky po napájecím napětí a zemi. Plochy mají i nízkou (střídavou) impedanci, takže jsou velmi vhodné pro rozvod napájení k rychlým číslicovým obvodům, které mají výrazné odběrové špičky. Pokud jsou běžné měděné spoje obtečeny zemní plochou, nevyzařují tolik elektromagnetické rušení, protože to má tendenci se vázat do ní. Plochy navzájem stíní spoje v různých vrstvách (na vícevrstvých DPS). Plochy přispívají k vyrovnání teploty mezi různými částmi desky. Mnohé SMD prvky dokonce plochy mědi vyžadují, protože se jimi chladí (tranzistory v pouzdrech SOT-223 či D-PAK, integrované obvody v pouzdrech QFN/MLF a mnohé další). Nicméně jsou i případy, kdy mohou být plochy mědi naopak na škodu: Při nesprávném použití může nechtěně eliminovat bezpečnostní izolační bariéry, které byly popsány v kapitole Zvyšují parazitní kapacity mezi spoji a zemí, zvláště pokud jsou dané spoje zemní plochou celé obtečeny. To může být problém v analogových i číslicových obvodech, které pracují na vysokých kmitočtech. Nesmějí být nataženy v těsném okolí spojů s řízenou impedancí (mikropásková vedení, diferenciální páry), protože by nepříznivě ovlivňovaly jejich impedanci. Pokud je na jedné straně desky výrazně větší plocha mědi než na druhé, má deska se tendenci samovolně kroutit (board warpage). pozornost: Polygon plochy mědi se v Eagle vytvářejí pomocí příkazu Polygon. Základní postup je v zásadě jednoduchý, ale bohužel není příliš intuitivní, proto mu věnujte zvýšenou

87 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Nejdříve je nutné na desce nakreslit obrys budoucí plochy mědi levým tlačítkem myši. Buďte pečliví při jeho uzavírání, je třeba se trefit do stejného bodu, odkud jste začali 15. K uzavření dojde automaticky a je k němu třeba jen jednoho kliknutí levým tlačítkem myši. Všimněte si, že plocha polygonu se po uzavření nevykreslí (nevyplní), prozatím vidíte jen jeho obrysy čárkovanou čarou. Je asi zbytečné dodávat, že polygon musíte nakreslit ve správné hladině. 2. Polygon je nutné propojit se spojem schématu (net). Musíte vzít příkaz Name, kliknout na polygon (někam na jeho obrys 16 ) a dát mu stejné jméno, jako má požadovaný spoj (GND, +3V3 atd.). 3. Polygon musíte vykreslit (vyrenderovat) příkazem Ratsnest. 4. Pokud byste později chtěli vykreslení polygonu zrušit (vrátit se zpět k čárkovaným okrajům), lze to provést aplikací příkazu Ripup na daný polygon. a) b) Obr Polygon před a po vykreslení příkazem Ratsnest Pokud bychom chtěli zem rozvést polygonem v našem zesilovači s TDA2003, musíme ho tedy nakreslit v hladině Bottom a pojmenovat GND. Na Obr. 5.37a je polygon před vykreslením a na Obr. 5.37b po vykreslení příkazem Ratsnest. Všimněte si, že některé pájecí plošky součástek jsou do polygonu zality jsou to právě plošky, které jsou ve schématu 15 Jinak se může stát, že některé části obrysu se budou překrývat, což se při pokusu o vykreslení projeví chybovým hlášením Signal XYZ contains an invalid polygon. 16 Trefit se kurzorem na polygon je občas obtížné, protože se překrývá s jinými objekty, zvláště na složitých deskách. Stejně jako většina ostatních objektů v Eagle, i polygony mají svůj uchopovací bod (Origin), i když je skrytý (není naznačen křížkem) je to bod, ze kterého jste začali polygon kreslit Je proto dobré si vypěstovat návyk polygony vždy kreslit např. od levého horního rohu. V uchopovacím bodě je totiž úspěšnost aplikace příkazu na polygon nejvyšší.

88 88 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně spojeny se zemí. Dle očekávání se polygon všem ostatním spojům vyhnul a vytvořil kolem nich izolační mezeru. U polygonu lze při jeho vytváření v menu (nebo dodatečně pomocí příkazu Change) nastavit tyto parametry: Layer již bylo zmíněno, kreslicí vrstva polygonu. Width šířka čáry obrysu. Nesmí být menší, než dovoluje zvolená konstrukční třída plošného spoje. Pour styl výplně polygonu. Obvykle se je vhodné ji ponechat plnou (Solid), která je použita na Obr. 5.37b. Výplň však můžete udělat i mřížovanou (Hatched). Speciálním případem je nastavení Cutout takový polygon dokáže udělat mezeru (otvor) ve výplni jiného polygonu. Spacing v případě mřížové výplně (Hatched pour) udává rozteč ok mříže. Thermals tzv. tepelné můstky, nastavení On/Off. Vytvářejí se okolo pájecích plošek součástek (ne však prokovů), které jsou do polygonu zality, což je vidět i na Obr. 5.37b. Plošky nejsou do polygonu zality úplně, ale přes tenký kříž. Ten při pájení zabraňuje rychlému odvodu tepla do měděné plochy a tím nedokonalému prohřátí spoje. To je velmi užitečné i při ručním pájení desek. Pokud máte v polygonu SMD součástky, které se jeho prostřednictvím budou chladit, musíte tepelné můstky pochopitelně vypnout. Orphans tzv. sirotci, nastavení On/Off. V polygonu mohou vzniknout samostatné izolované ostrůvky mědi, tato volba potlačuje jejich generování. Takové ostrůvky jsou ve většině případů nežádoucí, protože slouží jako anténa pro příjem rušení z okolí. Isolate vynucení větší izolační mezery, než je nastaveno v DRC a/nebo Net Classes. Při správném nastavení konstrukční třídy v menu DRC můžete ponechat na nule. Rank určuje prioritu (1 až 6) vykreslení polygonu. Překrývající se polygony budou vykresleny v pořadí od nejnižšího po nejvyšší polygon s Rankem 1 se tedy vykreslí jako první a ostatní polygony až kde zbude místo. Překrývající se polygony se stejným Rankem obvykle představují zkrat a DRC kontrola je označuje chybou typu Clearance. Proto se vždy zamyslete, které polygony jsou důležité více a které méně a podle toho jejich Rank nastavte.

89 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 89 Na Obr. 5.38a je typický příklad použití polygonů, konkrétně rozvod tří různých napájecích napětí pro vysokorychlostní číslicové obvody. Jednalo se o 4-vrstvý plošný spoj, přičemž pro napájení byla použita hladina Route Obr. 5.38b je pak využití polygonů k propojení výkonových součástek ve spínaném měniči napětí 12 V/5 A. Všimněte si, že kolem vývodů součástek nejsou tepelné můstky (Thermal); ty byly v tomto případě vypnuty hlavně kvůli tomu, aby nezvyšovaly odpor spojů. Mimo to, integrovaný obvod měniče (IC9 u spodní hrany obrázku) se do plochy mědi i chladí. a) b) Obr Příklady použití polygonů Jak bylo zmíněno výše, pokud máte na desce SMD součástky, které se plochami mědi chladí, musíte u daného polygonu vypnout tepelné můstky (Thermals). To je však poněkud nepříjemné, protože absence tepelných můstků komplikuje pájení ostatních součástek (které chlazeny být nemusí). Nicméně je možné to vyřešit jednoduchým trikem na hlavním polygonu ponecháte tepelné můstky zapnuté a chlazené součástky obtáhnete malým pomocným polygonem. U něj však již můstky vypnete; pomocný polygon pak překryje tepelné můstky polygonu hlavního. Pomocný polygon pochopitelně musí mít stejné jméno (Name), jako polygon hlavní. Na Obr. 5.39a je příklad malého pomocného polygonu okolo chladicí plošky napěťového stabilizátoru typu 78M12 v pouzdru TO-252. Jak můžete vidět na 17 Barva hladiny Route15 byla změněna na fialovou, aby byla v obrázku lépe vidět. Ze stejného důvodu byla též zvětšena izolační mezera polygonů.

90 90 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr. 5.39b, po provedení příkazu Ratsnest jeho chladicí ploška vypadá celá zalita do hlavního zemního polygonu, kolem vývodů ostatních součástek však tepelné můstky zůstaly. a) b) Obr Pomocný polygon kolem chladicí plošky SMD součástky Ještě se zastavme u parametru Isolate, kterým lze u daného polygonu vynutit zvětšení (nikoliv však zmenšení) izolační mezery. Šířka jeho izolační mezery se totiž v Eagle řídí třemi způsoby: Podle izolačních vzdáleností nastavených na kartách Clearance a Distance v menu DRC, viz kapitola Podle parametru Clearance ve třídách spojů (Net Classes), viz kapitola Nastavením výše zmíněného parametru Isolate. Můžete to vnímat tak, že pomocí DRC nastavujete šířku izolační mezery globálně na celé desce, pomocí tříd (Net Classes) samostatně pro některé spoje a pomocí parametru Isolate pak jen u jednoho konkrétního polygonu. Na Obr je deska zesilovače s TDA2003, na které byla u třídy spojů default nastavena izolační mezera (Clearance) na 0,8 mm. Jak můžete vidět, okolo signálových spojů se polygon oddálil, ale u spoje +18V vedoucího ve spodní části desky zůstala izolační mezer úzká.

91 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 91 Obr Demonstrace vlivu různých izolačních mezer na polygon Pokud máte zemní polygony na obou stranách 2-vrstvého DPS (tj. v hladině Top i Bottom), můžete dále snížit impedanci země jejich vzájemným propojením. V praxi to uděláte položením dodatečných prokovů na volná místa desky, kde se oba polygony překrývají. Proudy v zemní ploše potom mohou téci více místy, což přispívá ke zmenšení lokálních proudových smyček (a tím i ke zmíněnému snížení impedance). Příklad takové desky je na Obr. 5.41, kde jsou oba polygony pro názornost vysvíceny příkazem Show. Jak můžete vidět, dodatečné prokovy jsou v podstatě v každé volné ploše polygonů a/nebo desky. Obr Dodatečné prokovy pro snížení impedance země Dodatečné prokovy se též velmi často používají v okolí SMD součástek, které se prostřednictvím zemních ploch chladí. Měděné pokovení uvnitř prokovů totiž poměrně dobře vede teplo obklopením chlazené součástky prokovy zajistíte, že teplo bude odcházet i na druhou stranu desky, případně i do vrstev vnitřních. Chlazení vnitřními napájecími a zemními vrstvami na vícevrstvých DPS je zvláště oblíbené a doporučované, protože ty obvykle obsahují velké souvislé plochy mědi, nepřerušované žádnými jinými spoji. To je

92 92 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně ostatně vidět i na příkladu takové vnitřní napájecí vrstvy na Obr. 5.38a. Průměry, počty a umístění chladicích prokovů je často doporučeno přímo výrobcem dané součástky, zvláště u integrovaných obvodů. U nich je obvyklé, že pouzdro má na spodní straně zvláštní chladicí plošku (tzv. powerpad), kterou je třeba celou připájet k měděné chladicí ploše na DPS. V takových případech jsou chladicí prokovy umístěny přímo pod chladicí ploškou pouzdra, aby byl odvod tepla co nejefektivnější. Na Obr je příklad řešení chlazení integrovaného obvodu v pouzdru TQFP64 s velkou chladicí ploškou uprostřed. Na obrázku je vidět doporučení výrobce, pohled na pouzdro v Eagle a následná realizace na desce. Obr Prokovy pro odvod tepla z chladicí plošky IO Via - ke vkládání dodatečných prokovů (nejen) do polygonů slouží příkaz Via. Při jeho použití však musíte dávat pozor na jeden důležitý detail nové prokovy se na desku vkládají jako nové signály s novým jménem (které na desce ještě neexistuje). Ihned po položení tedy nejsou s ničím spojeny. Pokud je chcete použít k propojení dvou polygonů mezi sebou, musíte si příkazem Via na plochu přidat jen jeden. Ten následně musíte příkazem Name přejmenovat na signál/jméno polygonů (typicky GND), aby se s nimi elektricky spojil. Až teprve potom můžete příkazem Copy prokovy kopírovat kam je zapotřebí. Parametry prokovů přidaných příkazem Via jsou stejné, jako když je nastavujete u příkazu Route (kapitola 5.2.4) Oddělování zemí na DPS V mnoha zařízeních se setkáte s několika oddělenými zeměmi, které jsou pak spolu spojeny v jednom jediném bodě (tzv. hvězdicový rozvod zemí). To se provádí nejčastěji z těchto důvodů [9]:

93 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 93 Na desce vyskytují analogové i číslicové obvody současně. Číslicové obvody jsou zdrojem výrazného rušení, které se po zemních a napájecích spojích může šířit do obvodů analogových. I pokud napájení rozvedete pomocí ploch mědi (polygonů) s velmi malým odporem, vnitřní odpor (resp. impedance) zdroje může přenos tohoto rušení umožnit. Pokud má zařízení více samostatných analogových funkčních bloků. Typickým případem jsou audio zařízení (vstupní blok předzesilovač zpracování signálu korekce koncový zesilovač). Oddělení jejich zemí brání vzniku tzv. zemních smyček. Země, kterými tečou velké proudy. Proudy by si totiž mohly najít cestu někde mezi (citlivými) analogovými obvody a vzniklé úbytky napětí by pak negativně ovlivnily jejich funkci. Země spojené s kovovými pouzdry konektorů (Ethernet, USB apod.), přepínačů, klávesnic, rámečků displejů apod. Ty jsou určeny k tomu, aby odvedly případné výboje statické elektřiny (ESD) mimo citlivé vstupy řídicích integrovaných obvodů. Během statického výboje může špičkový proud tekoucí zemí přesáhnout 10 A [10], což by opět mohlo negativně ovlivnit ostatní obvody na desce. Ochranná zem (kolík zásuvky, vodič PE). Podobné důvody jako výše, cílem je zamezit přenosu rušení ze sítě do obvodů desky. Na tuto zem (pokud je v zařízení přítomna) jsou obvykle ve výsledku připojeny i zmíněné země konektorů pro odvod statických výbojů. Tato opatření se v profesionální sféře běžně používají na Obr je pro ilustraci základní deska PC prosvícená silným světlem. Všimněte si světlého obrysu okolo zvukové karty její (analogová) zem je od číslicové země zbytku desky zřetelně oddělena. Země Ethernet a USB konektorů na pravé straně obrázku jsou evidentně odděleny také. Pro které obvody vytvořit samostatnou zem a kde všechny země ve výsledku propojit, na to neexistuje nějaký jednoznačný návod. Pro některá standardní rozhraní (Ethernet) je zapojení zemí předepsáno, ale většinou je to na rozhodnutí návrháře. Situace je zvláště komplikovaná, pokud na jedné desce máte více A/D či D/A převodníků 18 současně; jako dobré vodítko můžete použít literaturu [9] a přednášková skripta KEZ. Bohužel, v praxi často 18 Nebo obecně jakékoliv jiné obvody, které pracují s analogovými i číslicovými signály současně. V anglické literatuře se označují pojmem mixed-signal circuits, neboli obvody pracující se smíšenými signály.

94 94 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně není možné předem odhadnout, jaké propojení zemí bude nejlepší. Je proto obvyklé, že vývojové verze DPS jsou nachystány na několik různých způsobů propojení zemí. Při funkčních testech se vyzkouší, které propojení dává nejlepší výsledky (typicky nejnižší zarušení analogových obvodů) a to se pak použije při sériové výrobě. Obr Oddělení zemí na základní desce PC V Eagle s oddělením zemí (a napájecích napětí) musíte počítat již při kreslení schématu. Eagle je na to připraven v napájecích knihovnách (supply1.lbr a supply2.lbr) naleznete cca 10 různých schématických značek pro země. Přestože na obrazovce vypadají podobně, Eagle je považuje za samostatné signály, protože mají různá jména. Tyto země pak pochopitelně táhnete odděleně i na desce. Ve schématu musíte též definovat bod vzájemného propojení zemí. Při sériové výrobě se to provádí měděnými můstky, které jsou pak vyleptány přímo v obrazci DPS. To je však pro vývojové a experimentální práce zbytečně složité a málo flexibilní. Oblíbenou metodou je země ve schématu propojit pomocí nulových SMD rezistorů 19, které na desce potom umístíte do bodu, kde chcete země propojit. Tímto postupem jednoznačně definujete nejen topologii propojení zemí, ale i bod (či body) tohoto propojení. Navíc těchto nulových rezistorů můžete zapojit více paralelně a rozmístit je na různé body desky, takže při oživování a testování funkce zařízení můžete snadno se zapojením zemí laborovat. Na Obr. 5.44a je příklad propojení tří různých zemí ve schématu pomocí nulových SMD rezistorů 19 I když nulové rezistory jsou nejčastější, v literatuře se můžete setkat i s jinými způsoby propojení zemí, přičemž silně záleží na povaze daného zařízení. Místo nulových rezistorů jsou tak někdy použity např. malé odrušovací SMD indukčnosti ( ferrite bead ) nebo antiparalelně zapojené Schottkyho diody. Zem Ethernet konektoru a kabelové strany jeho signálového transformátoru se obvykle doporučuje s hlavní zemí zařízení (nebo PE vodičem, pokud na desce je) propojit přes kondenzátor 1 nf/2000 V.

95 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 95 v pouzdru Na Obr. 5.44b je pak patrné jejich propojení zemí na desce jak můžete vidět, číslicová zem GND a analogová zem AGND byly rozvedeny polygony, zatímco výkonová zem PGND vede do bodu propojení samostatným měděným spojem z jiné části desky. a) b) Obr Příklad propojení tří zemí v Eagle Zablokování nechtěného pohybu součástek Lock umístění některých součástek (ovládací a indikační prvky, konektory, montážní otvory apod.) na DPS je kritické při jejich nesprávném a/nebo nepřesném umístění nebude možné (například) desku zamontovat do přístrojové skříně nebo propojit s jinými komponenty. Při editaci složitějších desek se však může snadno stát, že si s takovými součástkami nechtěně pohnete. a) b) Obr Odemčení součástek

96 96 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Od verze 5 Eagle je proto k dispozici příkaz Lock, po jehož aplikaci nelze se součástkami pohnout, příkaz Move je ignoruje. Zamčenou součástku poznáte tak, že její uchopovací bod (Origin) je otočen o 45 - má tedy podobu namísto obvyklého +, jak je ukázáno na rezistoru R5 na Obr. 5.45a. Odemčení součástky je možné pomocí kontextového menu, které na zamčených součástkách nabízí příkaz unlock. Odemčení lze též provést přes příkaz Info, kde musíte odškrtnout políčko Locked, viz Obr. 5.45b Libovolné úhly součástek na desce Rotate až dosud jsme vždy k otáčení součástek používali příkaz Move a pravé tlačítko myši. Tímto způsobem se součástky dají otáčet jen v násobcích 90, což je pro většinu aplikací dostačující. Překvapivě málo známou skutečností je, že v editoru desky je možné pouzdra součástek natočit o libovolný úhel příkazem Rotate, a to s přesností na 0,1. Kromě součástek jej lze aplikovat i na textová pole. Objekt se vždy otáčí okolo jeho uchopovacího bodu (Origin). Součástky zamčené příkazem Lock rotovat nelze. Příkaz Rotate lze použít třemi způsoby: Vezmeme příkaz Rotate a v horním menu ikon zadáme úhel, o který se má objekt otočit. Postupným klikáním levým tlačítkem pak objekt otáčíme o daný úhel, klidně i vícekrát po sobě. Tímto způsobem se dá úhel součástky nastavit přesně. Aktivujeme Rotate a klikneme a držíme levé tlačítko myši. Táhnutím kurzoru je možné plynule s objektem otáčet. Až jsme s natočením spokojeni, pustíme tlačítko myši. Do příkazového řádku zadáme příkaz rotate Rxxx 'yyy', kde xxx je úhel natočení a yyy je jméno součástky. Písmeno R před úhlem a apostrofy kolem jména jsou povinné. Zde je vhodné zmínit, že požadovaný úhel natočení objektu můžete zadat i přímo, a to v okně příkazu Info. Na deskách pro sériovou výrobu se doporučuje s libovolnými úhly natočení součástek šetřit. Hlavy osazovací automatů jsou totiž typicky kalibrovány jen pro násobky úhlů 90. Pokud má součástka úhel jiný, musí hlava nejdříve najet nad kameru, kde se součástkou pomalu otáčí. Až kamera (resp. software pro zpracování obrazu z ní) vyhodnotí, že úhel natočení je správný, teprve potom je možné součástku položit na desku. Toto vyhodnocení zabere relativně dlouhý čas, který je drahý (u osazovacího automatu s pořizovací cenou v řádu

97 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 97 milionů Kč to platí doslova). Jiné úhly než násobky 90 se proto doporučuje používat pouze u desek, u kterých to přispěje k zefektivnění vedení spojů či jinému pozitivnímu efektu. Příklad takové desky je na Obr zde díky natočení řídicího integrovaného obvodu o 45 bylo možné od něj lépe vyvést spoje k výkonovým spínačům, které jsou rozmístěny na horním a spodním okraji desky. Obr Deska s IO natočeným o Interaktivní tahání spojů (Follow-me router) Follow-me router tato funkce je novinkou od Eagle verze 5. Při aktivním příkazu Route se v jeho menu zalamování spojů vyskytují i dva módy Follow-me Routeru, jak bylo ukázáno na Obr. 5.9 v kapitole Jak název této funkce napovídá, Eagle se snaží vést spoje po cestě, kterou mu uživatel naznačuje pohybem kurzoru myši. Při pohybu kurzoru interaktivně a v reálném čase nabízí různé varianty a okliky mezi součástkami, v případě potřeby automaticky vkládá i prokovy a segmenty v různých měděných hladinách. Follow-me Router má dva módy tažení, což naznačují i jeho ikony: 1. Měděný spoj postupně táhnete od nějakého bodu, přičemž jeho zbytek zůstává vzdušným spojem (airwire). Použitím je tak hodně podobný klasickému ručnímu tahání příkazem Route. Tento mód vhodný zejména pokud měděný spoj táhnete na větší vzdálenost a potřebujete mít větší kontrolu nad jeho umístěním.

98 98 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 2. Vedení měděného spoje je nabízeno po celé jeho délce, přičemž pohybem kurzoru můžete (do jisté míry) ovlivnit jeho umístění. Tento mód je proto vhodný pouze pro krátké spoje, nebo na velmi jednoduchých deskách, kde umístění spojů není kritické. Hlavní výhodou tohoto způsobu tažení spojů je, že Eagle při něm bezvýhradně dodržuje veškerá návrhová pravidla (Net Classes, DRC ), takže je možné rychle natáhnout velké množství spojů bezchybně. Follow-me router je ve skutečnosti součást Autorouteru, takže jeho chování (preferované směry vedení ve vrstvách apod.) je možné ovlivnit i pomocí nastavení v menu příkazu Auto. Tento způsob tažení spojů urychluje práci zejména u sběrnic číslicových obvodů, kdy potřebujete těsně vedle sebe natáhnout velké množství spojů. Ovládání Follow-me Routeru nicméně vyžaduje určitý cvik a zkušenosti, takže je vhodný spíše pro uživatele, kteří již nějaké desky navrhovali manuálně Ladění délek spojů Meander na vysokorychlostních datových sběrnicích je nutné sledovat dobu průchodu signálů přes jednotlivé vodiče. Obvykle je požadováno, aby všechny signály ve sběrnici dorazily do cíle ve stejný okamžik. Proto je třeba zajistit, aby všechny vodiče sběrnice na DPS měly stejnou délku. V praxi je nutné změřit délku nejdelšího vodiče sběrnice a ostatní vodiče v ní uměle prodloužit. K těmto účelům je v Eagle od verze 6 příkaz Meander. Měření délky spoje se provádí prostou aplikací příkazu Meander na daný spoj. Objeví se malé žluté okno, které udává aktuální délku měřeného spoje. Je vhodné zdůraznit, že Meander měří délku spoje vždy mezi dvěma pájecími plochami součástek (Pad, SMD), a to bez ohledu na vrstvu spoje. Ve spoji tedy může být libovolné množství zalomení či prokovů. Meander měří pouze délku měděných částí spojů, vzdušné spoje (Airwire) ignoruje. Komplikace nastávají v případech, kdy jsou spoje mezi součástkami vedeny ve tvaru písmene T. Meander se pak nedokáže rozhodnout, mezi kterými větvemi má délku měřit, a zobrazuje nejdelší vzdálenost mezi dvěma součástkami. Pokud potřebujete změřit délku jedné takové větve, je nutné příkazem Ripup ostatní větve změnit na vzdušné spoje. Po provedení měření můžete příkazem Undo tyto změny snadno vrátit zpět. Vlastní ladění probíhá tak, že zvolíte příkaz Meander a do příkazového řádku napíšete požadovanou délku spoje. Poté kliknete na spoj a Meander do něj začne

99 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 99 interaktivně vkládat smyčky, aby jej prodloužil. Ve žlutém okně se současně zobrazuje, na kolik procent požadované délky jste se při natahování smyček přiblížili. Pravým tlačítkem myši je možné přepínat, jestli výsledné smyčky budou symetrické vůči ose spoje nebo ne. Na vzájemnou vzdálenost smyček (tj. jaká bude mezera mezi dvěma jejími vodiči) má vliv parametr Gap factor for meanders na kartě Misc v okně příkazu DRC (viz Obr v kapitole 5.4.1). Ten říká, jaký násobek izolační mezery spoje (Clearance) musí být mezi sousedními vodiči smyčky. Např. pokud je v DRC (karta Clearance) izolační mezera nastavena na 0,2 mm a Gap factor na 5, smyčky se k sobě nepřiblíží na méně Vzdálenost smyček = Clearance Gap factor než 1 mm. Příkaz Meander mimo to respektuje i nastavení izolační vzdálenosti pomocí tříd spojů (Net Classes, viz kapitola 5.5.2). Spoje od zdroje dat Spoje do procesoru Obr Příklad výsledku ladění délek spojů Na Obr je příklad výsledku ladění 11-bitové sběrnice (8 datových bitů + 3 řídicí signály), která vede data ze zdroje do převodníku logických úrovní a poté do mikroprocesoru. V této konkrétní aplikaci byla data přenášena s hodinovým kmitočtem až 70 MHz, takže i přes poměrně malou celkovou délku spojů (80 mm) bylo nutné zajistit shodu všech jejich délek. Všimněte si, že některé spoje jsou pomocí smyček doladěny ještě před integrovaným

100 100 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně obvodem (převodníkem úrovní) a některé až za ním. To bylo provedeno, aby bylo možné pro smyčky využít volné plochy na obou stranách převodníku. Do převodníku úrovní tedy signály dorazí s různým zpožděním, ale to nevadí, protože ten data nijak nezpracovává. Do mikroprocesoru však již signály dorazí se zpožděním stejným. Při ladění délek spojů je tedy vhodné zamyslet se i nad funkčním hlediskem jednotlivých spojů či komponent Tažení diferenciálních párů Mnohé technologie pro přenos dat (Ethernet, USB, FireWire a další) ke své funkci využívají vedení v podobě symetrických párů vodičů ( kroucenou dvojlinku ), zpravidla o vlnové impedanci 100 Ω. Tento trend se po roce 2000 rozšířil i na rychlé číslicové sběrnice v počítačové technice, jako je např. SATA, PCI Express, DVI-D, HDMI, DisplayPort, Infiniband, Intel QuickPath Interconnect (QPI), AMD HyperTransport a mnohé další. Pokud tedy některou z těchto technologií přenosu dat potřebujete implementovat, na DPS pro ni musíte realizovat vedení o požadované impedanci. V praxi se to provádí dvojicí měděných spojů, které musejí mít přesně dané rozměry a vzdálenosti je to ostatně logické, např. pro Ethernet také musíte použít předepsané kabely. Takto vytvořené vedení se v literatuře obvykle označuje pojmem diferenciální pár. Na plošném spoji takové vedení můžete realizovat třemi základními způsoby, které v řezu ukazuje Obr (oranžová je měď, zelená nosný izolant desky). Jak můžete vidět, vedení se skládají ze dvou měděných spojů a souvislých referenčních (zemních) ploch 20. Nejčastěji se používá Differential microstrip, protože jeho realizace je nejsnadnější a navíc jej lze vytvořit i na dvouvrstvých deskách. Nevýhodou je jeho citlivost na vnější vlivy, protože je veden po povrchu desky pokud se ke spojům něco přiblíží, může to změnit jejich impedanci. V okolí a nad Differential microstripem tedy nesmí být umístěny žádné součástky, kryty apod. Pro méně náročné aplikace (Ethernet, USB 2.0) však bohatě dostačuje, při vysoké kvalitě výroby DPS jej lze použít i pro PCI Express či SATA. Obě varianty Differential stripline vyžadují nejméně 4-vrstvou DPS, typicky se však používají na deskách 8- a vícevrstvých. Protože je vedení celé skryto uvnitř DPS, má menší rozptyl impedance a takřka 20 Referenční plochy musejí být přítomny pod celým vedením, ale nemusejí být nutně připojeny jen na zemní potenciál (GND). Stejně dobře poslouží i souvislé měděné vrstvy, kterými jsou na vícevrstvých DPS rozvedena napájecí napětí. Z hlediska signálu přenášeného diferenciálním párem je totiž lhostejné, jestli se na referenční ploše vyskytuje nějaké stejnosměrné napětí nebo ne. Ovšem pozor, pro správnou funkci musí mít napájecí vrstvy nízkou impedanci vůči zemi, tj. musejí být pečlivě blokovány.

101 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 101 nulovou citlivost na vnější vlivy. To je přínosem hlavně u špičkových číslicových sběrnic, jako je např. zmíněný HyperTransport a QuickPath. Differential microstrip Differential stripline, edge-coupled Differential stripline, broadside-coupled Obr Tři základní způsoby realizace diferenciálních párů na DPS Při výpočtu rozměrů diferenciálního páru znáte jeho požadovanou diferenciální impedanci Z D (nejčastěji 100 Ω), tloušťku izolantu h a jeho relativní permitivitu ε r. Mezera mezi vodiči s se volí co nejmenší, protože má vliv i na šířku spojů w. V praxi s mívá nejmenší šířku, jakou ještě dovoluje konstrukční třída daného plošného spoje (viz kapitola 5.3). Z těchto vstupních parametrů tedy musíte vypočítat šířku spojů w. To není triviální úkol, výpočty jsou poměrně složité a dalece přesahují rámec tohoto učebního textu. Pro jejich provedení existují jednoduché programy a online kalkulátory, např. [3], [4], [11] a mnohé další. Ovšem pozor, tyto jednoduché nástroje k výpočtu používají empirických vztahů, takže v některých případech jsou dosti nepřesné (odchylka 10% i více). Přesný výpočet je možný pouze ve specializovaných programech, které parametry vedení počítají numerickými metodami přímo z Maxwellových rovnic. Zřejmě nejznámější je komerční Ansoft Designer (což je rozsáhlý profesionální systém pro analýzu mikrovlnných obvodů), ale existují i některé online projekty s podobnou funkcionalitou, jako je např. [12]. Zvláště propracovaný (ale také poněkud složitý na ovládání) je open-source program [13], který umí kombinovat různá dielektrika i nesymetrické uspořádání spojů. Pokud znáte všechny rozměry diferenciálního páru, můžete jej natáhnout na desce. Eagle k tomu nemá nějaký zvláštní příkaz, místo toho je nutné použít poněkud neintuitivní postup: 1. Spoje (Net) budoucího diferenciálního páru musíte ve schématu pojmenovat tak, aby jejich jména končily písmenem P (pro kladný vodič) a N (pro záporný vodič). Například tedy ETH_TX_P a ETH_TX_N.

102 102 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 2. Ve třídách spojů (Net Classes) musíte vytvořit novou třídu pouze pro diferenciální pár. Parametr Width musíte nastavit na vypočtenou šířku w páru a parametr Clearance na mezeru s mezi párem. Tuto třídu musíte nastavit u obou spojů (viz kapitola 5.5.2). 3. Když nyní v editoru desky vezmete příkaz Route a kliknete jím na některý ze vzdušných spojů (Airwire) páru, začnou se automaticky táhnout spolu. Také se jim automaticky nastaví šířka w a mezera s, jakou jste nastavili ve třídě spojů. 4. Rozteč pájecích plošek součástek na koncích páru jen málokdy souhlasí s mezerou s, takže konce je nutné k ploškám vést samostatně. Toho dosáhnete, když během tažení páru na klávesnici stisknete Escape. Dobrou metodou je též začít pár vždy u součástek a obě jeho části spojit někde uprostřed desky. Pozor, pro správnou funkci (resp. dodržení vypočtené impedance) je nutné, aby v těsném okolí diferenciálního páru nebyly žádné vodivé objekty, tj. polygony, součástky, jiné spoje a páry apod. Obvykle se doporučuje [14], aby okolo páru byla volná plocha o šířce alespoň 3w, tedy 3 šířka jednoho ze spojů páru. Tuto volnou plochu můžete hlídat pomocí matice izolačních vzdáleností v Net Classes, jak bylo ukázáno na Obr Na Obr je příklad využití diferenciálních párů pro přivedení 100 Mbit Ethernetu od RJ45 konektoru k mikroprocesoru. Na obrázku je patrný symetrizační transformátor a vlevo i část konektoru. Jednalo se o 4-vrstvou desku v 6. konstrukční třídě, přičemž vnitřní vrstva Route2 (těsně pod vrstvou Top) byla použita k rozvodu zemí. Vstupní údaje v tomto případě byly Z D = 100 Ω, h = 0,284 mm, ε r = 4,6 (materiál FR4), mezera páru byla zvolena s = 0,15 mm. Při použití online kalkulátoru [11] byla výsledná šířka spojů w = 0,225 mm. Obr Příklad využití diferenciálních párů pro Ethernet Do diferenciálních párů lze vkládat smyčky příkazem Meander to je nutné v případech, kdy daná sběrnice využívá více párů a je nutné, aby jejich signály dorazily se

103 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 103 stejným zpožděním (typicky PCI Express x16). Příkaz Meander v tomto případě hlídá nejen celkovou délku páru, ale i rozdíl délek obou jeho vodičů. K tomu slouží parametr Max length difference in diferential pairs na kartě Misc v okně DRC (viz Obr v kapitole 5.4.1). Zde můžete nastavit, jaký bude největší přípustný rozdíl délky obou spojů. Pokud bude rozdíl větší, příkaz Meander jejich délky během vytváření smyček zobrazí červeně, aby uživatele na tuto skutečnost upozornil Konzistence schématu a desky, backannotation Od verze 3 a vyšší Eagle v reálném čase automaticky udržuje konzistenci (integritu) mezi schématem a deskou. V praxi to znamená, že jakákoliv změna ve schématu se ihned projeví na desce (forward annotation). Od verze 3.5 toto udržování konzistence funguje oběma směry určité změny provedené v desce se ihned automaticky promítnou zpětně do schématu (backannotation). Obecně platí, že na desce nelze provádět změny, které mají vliv na topologii zapojení, hlavně tedy nelze mazat spoje ani součástky. Pokud bychom se snažili změnu zapojení učinit přímo v desce, editor tuto činnost nedovolí a upozorní chybovým hlášením Can't backannotate this operation. Please do this in the schematic!. Pokud tedy chceme provést změnu v zapojení, musíme se vrátit do editoru schématu a změnu vykonat tam. Jinak lze na desce provádět libovolné změny, typicky například výměnu typu pouzdra, či změnu hodnoty a názvu součástek. Program takto v reálném čase hlídá integritu mezi schématem a deskou. Konzistence je též testována při každém otevírání souborů. Důležité! Udržování konzistence funguje pouze tehdy, jsou-li oba editory spuštěny současně a je v nich načtena navzájem si odpovídající schéma a deska! Toto je jeden z mnoha důvodů, proč je vhodné k přepínání projektů používat Control Panel ten totiž schémata a desky otevírá vždy současně. Při práci se může stát, že si (nechtěně) jeden z editorů zavřete. Eagle takovou situaci detekuje a varuje uživatele výrazným žluto-černým panelem ( F/B Annotation has been severed ), viz Obr Porušení konzistence je poté indikováno v pravém spodním rohu (Obr. 5.1), kdy indikátor bude mít fialovou barvu namísto obvyklé zelené. Náprava tohoto stavu je naštěstí jednoduchá, stačí znovu otevřít okno s daným souborem, případně celý projekt zavřít a znovu otevřít v Control Panelu.

104 104 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr Varování při hrozícím porušení konzistence Pokud přece jen k porušení konzistence dojde, ještě není vše ztraceno, ale náprava může být i velmi pracná. V zásadě máte na výběr čtyři možnosti: 1. Změny vrátit příkazem Undo. To lze provést pouze v případě, že jste soubor ještě nezavřeli. 2. Vrátit se k některé záložní kopii, které Eagle automaticky vytváří (viz kapitola 3.1). 3. Rozdíly odstranit ručně. V prvé řadě musíte zjistit, čím se schéma a deska liší. K tomu se dá použít příkaz ERC (viz kapitola 4.5), který všechny rozdíly podrobně vypíše, viz příklad na Obr Tyto rozdíly je nutné následně všechny odstranit, což je zpravidla jednodušší provést ve schématu. Přitom některé chyby schovávají chyby jiné, takže většinou je nutné cyklus úprav a ERC kontroly několikrát opakovat. 4. Pokud je rozdílů příliš mnoho, může být jednodušší a rychlejší desku vygenerovat ze schématu a navrhnout celou znovu. Ať použijete kteroukoliv metodu, po odstranění rozdílů to Eagle automaticky rozpozná, konzistenci obnoví a následně ji bude udržovat, jako kdyby se nic nestalo. Mezi některými uživateli Eagle je rozšířen zlozvyk konzistenci porušovat záměrně. Většinou je to z důvodu, že neumějí s programem správně pracovat a udržování konzistence jim brání na desce provést některé úpravy. Porušení konzistence je však v praxi velmi negativní událostí, protože znesnadňuje či dokonce znemožňuje budoucí opakované využití schématu a desky. Ve výuce KEZ proto bude striktně vyžadováno, aby odevzdané projekty byly konzistentní!

105 Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 105 Obr Příklad ERC chyb při nekonzistentním schématu a desce