Presentazione

Dopo vari anni passati a progettare circuiti stampati con una vecchia versione di Orcad, ho sentito la necessità di riprendere l’argomento, usando possibilmente del software free, anche per insegnare agli studenti che si può realizzare un lavoro decente senza programmi "piratati".

Da qualche tempo ho scelto la versione free del software EAGLE (http://www.cadsoftusa.com/freeware.htm) per la quale ho cercato sul web documentazione e supporto.

Questi appunti relativi all’uso di EAGLE, forniti ai miei studenti, comprendono :

1. un tutorial sintetico rielaborato dal tutorial in inglese presente sul sito
2. un tutorial sul disegno di uno schema elettrico
3. un tutorial sul progetto di un circuito stampato
4. un esempio completo di schema e circuito stampato.

Nessuno dei documenti scritti vuole avere pretese di originalità: sono ispirati a tutorial in inglese e francese sul web e ripensati per l’uso in una classe quarta di un Istituto Professionale.

 

EAGLE è un potente editor grafico per la progettazione di schemi e circuiti stampati.

Comprende tre moduli: Schematic Editor, Layout Editor, Autorouter.

Può essere usato sia in Windows 95/98/ME, Windows NT4/2000/XP sia in Linux basato sul kernel 2.x

Occorre una risoluzione video grafica minima di 1024 x 768 pixels.

Eagle esiste in più versioni. Si riportano alcuni dati essenziali delle versioni.

Versione Professional

• massima area di lavoro (layout area) del circuito stampato 64 x 64 pollici (circa 1600 x 1600 mm)
• circuiti stampati fino a 255 strati (layers)
• pieno supporto ai componenti SMD
• rotazione secondo qualsiasi angolo
• fino a 99 fogli (sheets) per ogni schema elettrico
• autorouter integrato, senza alcuna restrizione di posizionamento
• autorouting fino a 16 signal layers (con direzione personalizzabile)

Versione Standard

• massima area di lavoro 160 x 100 mm (circa 6.3 x 3.9 pollici).
• massimo quattro strati : superiore (top) inferiore (bottom) 2 interni (inner layers).

Versione Light Edition (Freeware)

Disponibile come Freeware (per testing e valutazione):

• massima area di lavoro 100 x 80 mm (circa 3.9 x 3.2 pollici).
• solo due strati, top e bottom
• lo schema elettrico è composto da un solo foglio.

Sono comunque prodotti i file per la produzione (gerber e forature)

Possono essere visti e stampati progetti più grandi.

Quando si installa la versione Freeware non serve un User License Certificate.

Si sceglie l’opzione: Run as freeware.

Dopo l’installazione standard, EAGLE permette di personalizzare delle prestazioni, come la configurazione dei menù, i tasti funzione o i colori sullo schermo.

Si usa il menù Options o le varie finestre dell’editor.

Interfaccia utente di EAGLE.

Internamente EAGLE è predisposto per eseguire dei comandi sotto forma di stringa digitata.

L’utente normalmente usa il mouse su menù e barre strumenti (toolbar).

Non è necessario conoscere il linguaggio di comando interno, comunque questo modo permette di digitare un comando in modo testo o di far leggere dei comandi contenuti in un file. Si possono assegnare delle stringhe di comando ai tasti funzione (comando ASSIGN ) e di eseguire degli script (comando SCRIPT).

Alcuni comandi sono assegnati in combinazione con i tasti Shift, Ctrl, Alt.

Alt+F2 significa che il tasto Alt key viene tenuto premuto mentre si preme F2, poi si rilasciano entrambi i tasti.

Naturalmente lo stesso comando EAGLE può essere dato con la tastiera , cliccando sulle icone dei comandi, cliccando sulle voci dei menù.

Ad esempio per eseguire il comando MOVE si può :

cliccare sull’icona

digitare MOVE sulla linea di comando seguito da Invio

premere il tasto funzione F1 assegnato al comando MOVE

selezionare la voce di menù: Edit/Move

Normalmente EAGLE non fa distinzione tra caratteri minuscoli e maiuscoli.

Quando il cursore del mouse si posiziona per un certo tempo su una icona, appare un testo descrittivo di aiuto (Bubble Help text ).

Finestra di lavoro :

Dall’alto verso il basso :

• Titolo con informazioni sulla versione di EAGLE
• Barra dei menù (menu bar)
• Barra delle azioni (action toolbar)
• Barra dinamica (parametri e coordinate) + linea di comando (command line)
• A sinistra barra dei comandi (command toolbar)

(si vede il Bubble Help text relativo al comando WIRE)

• barra di stato (status bar) : indica il comando corrente

Le barre possono essere mostrate/nascoste usando il menu Options/User interface..

Barre comandi del Schematic Editor (sinistra) e del Layout Editor (destra)

 

Control panel

All’apertura di EAGLE, appare il Control Panel. Consente di caricare e salvare i progetti. Con Clic destro su Projects appare un menu che consente di creare un nuovo progetto.

Ogni voce si apre con doppio click. Ad esempio cliccando su Libraries appare il suo contenuto; scegliendo un oggetto ne appare la descrizione.

Il Control Panel permette il normale Drag&Drop: se si fa clic destro su una voce, appare il menù contestuale con le normali operazioni di print, open, copy, ecc.

EAGLE Files

I tipi di files che appaiono in EAGLE sono :

Board Layout Editor *.brd

Schematic Schematic Editor *.sch

Library Library Editor *.lbr

Script File Text Editor *.scr

User Language Program Text Editor *.ulp

Any text file Text Editor *.*

Backup Files

EAGLE crea dei files di backup, fino ad un massimo di 9, dei files schematic, board, library files. Essi sono salvati con estensioni cambiate :

.brd diventa .b#1, .sch diventa .s#1, .lbr diventa .l#1.

Tutti i settaggi relativi al backup stanno nel menu Options/Backup.

Creazione di un progetto EAGLE .

File - New Projects

Appare una nuova cartella sotto la voce Projects, che conterrà tutti i file del progetto; si può cancellare e rinominare usando il menu contestuale.

Con clic destro sulla cartella si apre il menu contestuale, col quale creare nuovi schemi di tutti i tipi (sch , brd ecc.)

Nella cartella Examples - Tutorial vi sono alcuni file demo . sch e .brd. che possono essere usati per esercitarsi.

Per non alterare gli originali, copiarli nella cartella del nuovo progetto

Ogni file può essere aperto con doppio clic.

Disegno di uno schema elettrico

Selezionare la cartella del progetto .

Aprire il progetto (menu File o menu contestuale). Creare nuovo file schematic.

Appare un foglio vuoto.

La griglia standard è 0,1 pollici (100 mils, 2,54 mm.). Non cambiatela! Simboli e collegamenti devono essere posti su questa griglia.

Aggiunta di un Frame al foglio

Il foglio vuoto deve avere un bordo (frame).

Nella linea di comando scrivere: add.

Nella lista che appare scegliere la voce frames; selezionare uno tra i formati predefiniti.

(per un foglio A4 orizzontale si possono usare :

A4L_LOC , DINA4_l , LETTER_L )

Dando OK, il frame appare "attaccato" al cursore: si posiziona nello spazio disponibile, coll’angolo in basso a sinistra nel punto pù basso del foglio; fare clic sinistro per posizionarlo; cliccare sull’icona Stop per uscire dal modo add; digitare ALT+F2 (oppure Fit tra i comandi Zoom) per vedere tutto il frame. Salvare lo schema vuoto.

Il frame contiene dei campi vuoti (titolo, revisione, document number) alcuni da compilare.

I due campi TITLE e DATE sono riempiti automaticamente dal programma quando si salva il file.

Per immettere altro testo, nella barra comandi a sinistra scegliere l’icona TEXT, digitare il testo e posizionarlo. Per cambiarne la dimensione selezionare l’icona CHANGE, poi SIZE (uscire dal modo testo scegliendo STOP).

Dato che EAGLE funziona a linea di comando, si può anche digitare: CHANGE SIZE 0.17, dare Invio e cliccare sul’angolo inferiore sinistro del testo.

Attenzione: usare il punto per i decimali.

Disegnare ed editare il circuito

ADD: comando per aggiungere componenti, senza cambiare la griglia di 100 mils.

Occorre esplorare con attenzione le librerie.

Ad esempio alcuni componenti presenti nello schema demo1.sch sono:

Part	Value	Device	Package	Library	Sheet
C1	30p	C-EUC1206	C1206	rcl	1
D1	1N4148	1N4148	DO35-10	diode	1
IC1	PIC16F84AP	PIC16F84AP	DIL18	microchip	1
JP1	PROG	PINHD-1X4	1X04	pinhead	1

La difficoltà iniziale è proprio individuare l’esatto componente da usare (through hole o smd, orizzontale o verticale, con il passo desiderato tra i pin ecc.) usando le molte librerie disponibili che usano denominazioni industriali.

MOVE: per spostare e posizionare i componenti (attivare MOVE e cliccare sul componente da spostare; cliccare col tasto destro per ruotare; spostare, premere Invio). Fare attenzione quando si sposta un componente sopra un altro se vengono creati automaticamente dei collegamenti errati. Quando ci si posiziona su due componenti vicini o sovrapposti, il cursore si trasforma in uno a 4 frecce, e bisogna fare una scelta: col clic sinistro si sceglie il componente evidenziato, col clic destro quello successivo.

COPY : per duplicare i componenti, senza ricaricarli dalla libreria.

CHANGE NAME e VALUE: per cambiare nome e valori dei componenti:

DISPLAY: permette di disabilitare i componenti dello schema; normalmente è disabilitato il layer 93 (Pins).

NET : dopo aver posizionato i componenti, per fare i collegamenti. (non usare il comando WIRE , che serve invece a stabilire i margini del circuito stampato !). Facendo un clic destro, si alterna il modo ortogonale e diagonale di tracciare il collegamento. Se si termina il collegamento esattamente su un punto di connessione, come il piedino di un componente, il net è terminato, altrimenti spostando il mouse continua.

Due punti collegati ad un net avente lo stesso nome sono elettricamente collegati, anche se non è disegnato un collegamento continuo. Per assicurarsi che i componenti siano effettivamente collegati, col comando DISPLAY - PIN si vedono come circoletti verdi i punti esatti da collegare.

LABEL: serve per far apparire nello schema il nome di un collegamento (net oppure bus); il font usato si può cambiare con CHANGE .

DELETE : posizionarsi sul componente e cliccare; se si vuole cancellare un collegamento, verrà cancellato un segmento alla volta; per cancellare un intero collegamento premere anche il tasto Maiuscolo (Shift)

UNDO, REDO: annulla / rifa l’ultima operazione

GROUP: applica il comando ad un gruppo di oggetti

JUNCTION: aggiunge una giunzione (nodo) in un collegamento. Normalmente non serve perchè di default è attivata la funzione Automatic set junction (vedi Options/Set/Misc), perciò se si traccia un collegamento sopra uno esistente si crea automaticamente un nodo. Il comando serve per aggiungere altri nodi a piacere.

SHOW: mostra i dettagli degli oggetti presenti. E’ un comando molto utile perchè se usato su un componente ne fornisce anche il package e la library, se usato su un collegamento evidenzia tutti i collegamenti che hanno lo stesso nome; si può digitare sulla linea di comando il nome di un collegamento da ricercare ed esso viene evidenziato. Per terminare il comando, cliccare su STOP e poi ridisegnare lo schema col tasto F2 (View/Redraw).

SMASH: quando si ruota un componente, assieme ad esso ruotano anche la sigla (reference designator) e il valore. Il comando SMASH permette di girare e riposizionare sigla e valore, indipendentemente dalla posizione del componente.

Si può anche usare Change/Size per variare a piacere l’aspetto delle scritte.

Per completare lo schema occorre aggiungere le alimentazioni , +5V, V+, GND, dalla libreria supply1.lbr.

I simboli di alimentazione sono i power signals; vengono controllati in modo particolare dal comando ERC (Electrical Rule Check) in fase di controllo dell’esattezza dello schema.

ERC : il comando è usato per ricercare gli errori negli schemi circuitali. Vengono generati dei messaggi contenenti veri e propri errori ( errors) ed avvertimenti (warnings): i messaggi sono contenuti in un file che ha lo stesso nome dello schema ed estensione .erc. e sono visualizzati automaticamente.

Un esempio di avvertimento :

WARNING: Sheet 1/1: POWER Pin IC1 VSS connected to GND

WARNING: Sheet 1/1: POWER Pin IC1 VDD connected to +5V

avverte che i pin chiamati VSS e VDD sono stati collegati a GND e +5V. Il messaggio può essere ignorato se ciò è stato fatto intenzionalmente.

Attenzione: ERC segnala i possibili errori !! Occorre poi saperli interpretare correttamente.

BUS: serve per tracciare un collegamento multiplo usando un simbolo particolare: un collegamento più spesso da cui partono vari collegamenti verso singoli componenti .

Come esempio, caricare il disegno bus.sch dalla cartella /eagle/examples/tutorial , dove esiste un bus che raggruppa 13 segnali. Il nome del bus determina i segnali in esso contenuti : il nome EN,VALVE[0..11] stabilito col comando NAME significa che contiene il segnale EN e i segnali da VALVE0 a VALVE11.

Il bus è solo un elemento grafico : le connessioni sono stabilite col comando NET.

Nello schema bus.sch sono ancora da fare dei collegamenti, ad esempio il segnale VALVE0 deve essere collegato al pin 16 di IC7. Per collegare : digitare il comando NET, posizionarsi sul bus nel punto da cui far partire il collegamento, fare clic sinistro, appare un menù a discesa con i nomi di tutti i segnali, scegliere VALVE0, scegliere la curvatura del collegamento (wire bend) ad angolo retto o inclinato , portare il collegamento sul pin 16 di IC7, uscire dal comando con Stop.

Per far apparire il nome del collegamento usare il comando LABEL.

Automatic Forward&Back Annotation

Questo procedimento assicura che lo schema e il circuito stampato siano tra loro compatibili (consistent) cioè la lista dei collegamenti, i componenti, i valori siano identici.

Il procedimento è attivato automaticamente da EAGLE quando si carica uno schema e un circuito stampato che hanno lo stesso nome e si trovano nella stessa directory. Il risultato è mostrato in una finestra di testo, in modo da correggere manualmente le differenze.

Per assicurare la perfetta concordanza tra schema e circuito stampato, tenere sempre aperti ambedue i file .sch e .brd. In questo modo ogni variazione nello schema si traduce in una immediata variazione nel circuito stampato. Alcune variazioni possono essere fatte sia nello schema che nel circ. stampato (nome dei componenti ad es), altre, come l’aggiunta di componenti, solo nello schema.

Generazione di un circuito stampato (board) da uno schema (schematic).

Caricare lo schema da trasformare in board.

Cliccare sulla icona del comando BOARD nella the action toolbar : viene generato un file che ha lo stesso nome dello schema ed estensione .brd . Appare la finestra del Layout Editor con una board vuota delimitata da un profilo costituito da wires. Fuori della board a sinistra vi sono tutti i componenti collegati tra loro con fili volanti "elastici" (airwires) da posizionare dentro l’area vuota. Le dimensioni sono 3,90 x 3,20 pollici circa , il massimo consentito dalla versione free. Col comando MOVE comunque si può ridurre la dimensione del circuito stampato.

Piazzamento dei componenti:

con MOVE spostare i componenti, che si portano appresso i colleamenti volanti (airwires).

Ultimato il piazzamento, col comando RATNEST si può visualizzare il percorso minimo dei collegamenti volanti per ottimizzare il posizionamento.

Uso dell’ Autorouter (tracciamento automatico delle piste)

Si può far partire l’autorouter in qualsiasi istante. Tuttavia non è bene affidare al routing automatico la soluzione di tutti i problemi : tipicamente sono tracciate a mano le piste per le alimentazioni ( considerando il maggior spessore necessario per la massa) e i collegamenti ritenuti critici.

Se si vuole vedere come l’autorouter risolve il circuito, cliccare sull’icona AUTO. Appare il setup dell’autorouter: per default la griglia è fissata a 50 mils (ma può essere cambiata), la direzione preferenziale delle piste rosse (layer top lato componenti ) è verticale, quella per le piste blu.

(layer bottom lato saldature) è orizzontale.

L’autorouting e praticamente immediato per piccoli schemi.

Se il risultato non soddisfa, si possono cancellare le piste col comando RIPUP: vi è la possibilità di cancellarle alcune o tutte, poi occorre cliccare su GO (il piccolo semaforino sulla action toolbar accanto all’icona STOP). Per assicurarsi di aver ben cancellato le piste volute, dare il comando RATNEST per visualizzare gli airwires. Dopo la cancellazione si rilancia l’autorouter.

Le tracce fatte manualmente non sono spostate dall’autorouter.

Al termine dell’autorouting, appare un messaggio con la percentuale di piste realizzate. Col comando RATNESTS si visualizzano le piste non tracciate.

Routing manuale

Nessun autorouter piazzerà mai le piste proprio come si desidera, perciò occorre ricorrere al routing manuale.

Dare il comando ROUTE per trasformare un airwire in una pista. Fare clic sull’inizio dell’airwire, clic sinistro al termine di ogni segmento, doppio clic sinistro per terminare la pista. Al termine di una pista il comando ROUTE è ancora attivo, perciò si può tracciare da capo un’altra pista.

Durante il tracciamento è attiva la barra dei parametri (parameter toolbar) dove appare il layer

(in figura 1 Top pista rossa), gli angoli possibili per le piste, il raggio di curvatura, lo spessore (in figura Width : 0.066 pollici) , il tipo di foro passante (in figura di forma quadrata). Durante il tracciamento si possono variare tutti i parametri; se si decide di cambiare layer, EAGLE inserisce automaticamente un foro passante.

Il comando MITER si usa per raccordare tratti curvi e dritti di piste.

Il procedimento che porta alla completa definizione del circuito stampato comprende varie fasi:

• spostare segmenti di pista e componenti con MOVE e SPLIT,
• usare il comando RIPUP per cambiare il percorso delle piste
• usare DELETE per cancellare segnali (solo senza il Forward&Back annotation),
• modificare il package dei componenti con CHANGE PACKAGE or REPLACE
• usare SMASH per posizionare i testi dei componenti che hanno subito un MOVE,
• raccordare piste curvilinee.

Alcuni particolari dei vari comandi:

MOVE

Se si seleziona l’estremità di una pista , si muove quella; se si seleziona una pista nel mezzo la si sposta tutta parallelamente. Se si preme Ctrl la pista rettilinea diventa un arco.

Mentre è attivo il comando MOVE, si può ruotare di 90 gradi l’oggetto facendo clic destro, o dell’angolo desiderato secondo il valore che appare nel parameter toolbar.

GROUP

Consente di selezionare diversi oggetti per cambiarne gli attributi o spostarli tutti insieme.

Digitare GROUP poi con clic sinistri ripetuti , o spostando il mouse, tracciare un poligono attorno agli oggetti, terminando con clic destro: gli oggetti appaiono evidenziati. Il comando MOVE o CHANGE agisce su tutti. Uscire con clic destro.

SPLIT

Aggiunge una curva in una pista.

CHANGE

si possono digitare le variazioni volute (width , layer) ma è molto più comodo usare il parameter toolbar.

RIPUP

Se si vuole trasformare una pista relativa ad un segnale in un airwire, digitare il nome del segnale nella command toolbar .

In particolare se si vuole rimuovere tutte le piste tranne quelle dell’alimentazione, si può attivare RIPUP e digitare .

! GND VCC

SHOW

serve per evidenziare airwires piste o componenti, perchè siano immediatamente visibili sullo schermo

REDRAW oppure F2

rinfesca la schermata.

DISPLAY

Le videate di EAGLE contengono oggetti situati in diversi strati (layers). L’insieme di vari strati determina il modo di stampare o usare i risultati del progetto. Dando il comando DISPLAY appare l’elenco degli strati. Ad esempio gli strati Top, Pad e Via sono usati per generare una pellicola per l’incisione del lato componenti del circuito stampato, mentre gli strati Bottom, Pad e Via sono usati per il lato saldature.

Lo strato Pad contiene i fori (through-holes) per i componenti non SMD, lo strato Via contiene i fori passanti per consentire ad una pista di passare da una faccia all’altra.

L’altra pellicola necessaria è quella relativa alla serigrafia, contenente solo la vista dei componenti. In genere per circuiti semplici la serigrafia si fa solo sul lato componenti.

Selezionando/deselezionando i diversi strati , si possono ottenere le stampate desiderate.

• Per ottenere la stampa serigrafica lato componenti: deselezionare gli strati 1 Top , 16 Bottom , 17 Pads, 18 Vias. Restano solo i profili dei componenti e tutte le scritte (valori e nomi). Se non si vuole che tutto quanto compaia nella serigrafia, si possono deselezionare altri strati a piacere.
• Per ottenere la stampa delle sole piste lato componenti : deselezionare 16 Bottom , 21 tPlace (silk screen upper side), 39 tKeepout (profilo degli SMD)
• Per ottenere la stampa delle sole piste lato saldature : deselezionare 1 Top, 22 bPlace (silk screen bottom side).

Dato che lo sfondo (background) del circuito stampato è per default nero, nel menu Options – User interface si può

scegliere di color white il layout background.

solo piste lato componenti

tutta la scheda

Piani di massa

sul circuito stampato possono comparire zone interamente riempite di rame, aree di massa o zone per dissipazione termica.

Si tracciano con i comandi POLYGON o RECT, con parametri da scegliere sulle relative parameter toolbar.