Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro

Komentáře

Transkript

Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro
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.1.07/2.2.00/28.0062
Evropského sociálního fondu a státním rozpočtem České republiky.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
2
Autoři
Prof. Ing. Kamil Vrba, CSc., Ing. Pavel Hanák, Ph.D.
Název
Vybrané
problémy
konstrukce
elektronických
integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
Vydavatel
Vysoké učení technické v Brně
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Ústav telekomunikací
Technická 12, 616 00 Brno
Vydání
první
Rok vydání
2014
Náklad
elektronicky
ISBN
978-80-214-5071-4
Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou.
přístrojů
pro
Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
3
Obsah
1
ÚVOD ................................................................................................................................ 8
2
OBECNÉ VLASTNOSTI SYSTÉMU CADSOFT EAGLE VERZE 6 ..................... 10
3
4
2.1
ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI PROGRAMU .......................................................................... 11
2.2
TECHNICKÉ PARAMETRY ........................................................................................... 11
HLAVNÍ OKNO - CONTROL PANEL ....................................................................... 13
3.1
NASTAVENÍ PŘED ZAČÁTKEM PRÁCE ......................................................................... 13
3.2
ZALOŽENÍ NOVÉHO PROJEKTU ................................................................................... 15
3.3
PŘIŘAZENÍ KNIHOVEN ................................................................................................ 16
EDITOR SCHÉMATU .................................................................................................. 18
4.1
ZPŮSOBY ZADÁVÁNÍ PŘÍKAZŮ ................................................................................... 19
4.2
ZÁKLADNÍ PŘÍKAZY PRO OVLÁDÁNÍ PROSTŘEDÍ EDITORU .......................................... 19
4.2.1 Změna měřítka zobrazení ..................................................................................... 20
4.2.2
Nastavení rastru plochy ........................................................................................ 20
4.2.3
Příkazy Undo/Redo ............................................................................................... 21
4.2.4
Kreslicí hladiny a sloupec ikon příkazů ............................................................... 21
POSTUP KRESLENÍ JEDNODUCHÉHO SCHÉMATU ......................................................... 22
4.3
4.3.1
Výběr, vyhledávání a umístění součástek ............................................................. 23
4.3.2
Definování propojení ............................................................................................ 26
4.3.3
Editace a umísťování popisků součástek .............................................................. 28
4.3.4 Vícehradlové součástky a jejich úskalí ................................................................. 30
Příkazy pro dodatečné úpravy schématu .............................................................. 34
4.3.5
TVORBA SLOŽITĚJŠÍCH SCHÉMAT............................................................................... 35
4.4
4.4.1
Sdružování spojů do sběrnic ................................................................................. 36
4.4.2
Hromadné úpravy (nejen) schématu – příkaz Group ........................................... 39
4.4.3
Kopírování bloků, přesuny mezi různými soubory ............................................... 40
4.4.4
Rozdělení schématu na více listů .......................................................................... 42
4.5
5
KONTROLA ZAPOJENÍ SCHÉMATU – ERC ................................................................... 44
EDITOR DESKY............................................................................................................ 46
5.1
VRSTVY EDITORU DESKY A JEJICH POUŽITÍ ................................................................ 46
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
4
5.2
POSTUP NÁVRHU JEDNODUCHÉ DESKY ...................................................................... 50
5.2.1 Vygenerování nové desky ze schématu................................................................. 50
5.2.2 Rozmístění součástek............................................................................................ 52
5.2.3 Manuální pokládání spojů ................................................................................... 56
5.2.4 Tažení spojů ve více vodivých vrstvách................................................................ 58
5.2.5 Práce se SMD a oboustranně osazené DPS......................................................... 60
5.2.6 Drátové propojky a nulové rezistory na jednovrstvých deskách.......................... 63
5.3
KONSTRUKČNÍ TŘÍDY PLOŠNÝCH SPOJŮ DLE IPC-A600D ......................................... 66
5.4
KONTROLA CHYB A NÁVRHOVÝCH PRAVIDEL – DRC ............................................... 68
5.4.1 Nastavení návrhových pravidel ............................................................................ 69
5.4.2 Spuštění kontroly a její výsledky .......................................................................... 76
5.5
POKROČILÉ FUNKCE PRO NÁVRH DESKY .................................................................... 78
5.5.1 Rastr editoru desky a jeho úskalí ......................................................................... 78
5.5.2 Třídy spojů – Net Classes..................................................................................... 82
5.5.3 Vytvoření souvislé plochy mědi – Polygon .......................................................... 85
5.5.4 Oddělování zemí na DPS ..................................................................................... 92
5.5.5 Zablokování nechtěného pohybu součástek ......................................................... 95
5.5.6 Libovolné úhly součástek na desce ...................................................................... 96
5.5.7 Interaktivní tahání spojů (Follow-me router) ...................................................... 97
5.5.8 Ladění délek spojů ............................................................................................... 98
5.5.9 Tažení diferenciálních párů ............................................................................... 100
5.5.10
6
7
Konzistence schématu a desky, backannotation ............................................ 103
REJSTŘÍK PŘÍKAZŮ EAGLE ................................................................................. 106
6.1
ZMĚNA PRACOVNÍHO MÓDU/SOUBOROVÉ PŘÍKAZY ................................................. 106
6.2
ZMĚNA NASTAVENÍ OBRAZOVKY A OVLÁDACÍHO PANELU ...................................... 106
6.3
KRESLENÍ VÝKRESU/KNIHOVEN A JEJICH ÚPRAVY ................................................... 106
6.4
SPECIÁLNÍ PŘÍKAZY PRO SCHÉMATA ....................................................................... 107
6.5
SPECIÁLNÍ PŘÍKAZY PRO DESKY .............................................................................. 108
6.6
SPECIÁLNÍ PŘÍKAZY PRO KNIHOVNY ........................................................................ 108
6.7
RŮZNÉ PŘÍKAZY ...................................................................................................... 109
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ........................................................................ 110
Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
5
Seznam obrázků
OBR. 3.1 ZÁKLADNÍ OKNO PROGRAMU - CONTROL PANEL ........................................................ 13
OBR. 3.2 OKNO S NASTAVENÍM CEST K SOUBORŮM ................................................................... 14
OBR. 3.3 NASTAVENÍ UŽIVATELSKÉHO ROZHRANÍ .................................................................... 15
OBR. 3.4 AKTIVNÍ PROJEKT A KNIHOVNY .................................................................................. 16
OBR. 4.1 ZÁKLADNÍ ČÁSTI OKNA EDITORU SCHÉMATU.............................................................. 18
OBR. 4.2 MENU PŘÍKAZU GRID.................................................................................................. 21
OBR. 4.3 VZOROVÉ SCHÉMA ZESILOVAČE ................................................................................. 22
OBR. 4.4 VYHLEDÁNÍ SOUČÁSTKY V OKNĚ PŘÍKAZU ADD ......................................................... 24
OBR. 4.5 POLOŽENÉ SOUČÁSTKY VZOROVÉHO SCHÉMATU ........................................................ 25
OBR. 4.6 TYPICKÁ APLIKACE PŘÍKAZU MIRROR ........................................................................ 25
OBR. 4.7 K PŘIPOJOVÁNÍ VÝVODŮ SOUČÁSTEK ......................................................................... 27
OBR. 4.8 VÝZVA PŘED SLOUČENÍM DVOU SPOJŮ DO JEDNOHO................................................... 28
OBR. 4.9 VZOROVÉ SCHÉMA S PROPOJENÝMI SOUČÁSTKAMI .................................................... 28
OBR. 4.10 PŘÍKLAD ATRIBUTŮ INTEGROVANÉHO OBVODU AT89C2051 ................................... 29
OBR. 4.11 UCHOPOVACÍ BODY (ORIGIN) OBJEKTŮ .................................................................... 30
OBR. 4.12 HRADLA JAKO SAMOSTATNÉ OBJEKTY ...................................................................... 31
OBR. 4.13 FUNKCE PŘÍKAZU GATESWAP ................................................................................... 31
OBR. 4.14 FUNKCE PŘÍKAZU PINSWAP ...................................................................................... 32
OBR. 4.15 OKNO PŘÍKAZU INVOKE ............................................................................................ 32
OBR. 4.16 DOPORUČENÉ ZAPOJENÍ NAPÁJECÍCH HRADEL .......................................................... 33
OBR. 4.17 ODSTRAŠUJÍCÍ PŘÍKLAD NEPŘEHLEDNÉHO PROPOJENÍ .............................................. 38
OBR. 4.18 PŘÍKLAD SPRÁVNĚ PROVEDENÝCH SBĚRNIC ............................................................. 39
OBR. 4.19 DVA ZPŮSOBY OZNAČENÍ OBLASTI PŘÍKAZEM GROUP .............................................. 40
OBR. 4.20 VYTVOŘENÍ POPISKU SPOJE, VEDOUCÍHO NA JINÝ LIST ............................................. 43
OBR. 5.1 OKNO EDITORU DESKY ............................................................................................... 47
OBR. 5.2 PŘÍKLAD DESKY V EDITORU ........................................................................................ 48
OBR. 5.3 NEJDŮLEŽITĚJŠÍ HLADINY DESKY V ŘEZU ................................................................... 49
OBR. 5.4 POHLED NA PLOCHU EDITORU DESKY IHNED PO PŘÍKAZU BOARD ............................... 51
OBR. 5.5 SITUACE PO PŘESUNUTÍ SOUČÁSTEK A ZMENŠENÍ OBRYSU ......................................... 52
OBR. 5.6 PŘÍKLAD DOKONČENÉHO ROZLOŽENÍ SOUČÁSTEK ZESILOVAČE .................................. 53
OBR. 5.7 VZDUŠNÉ SPOJE PŘED OPTIMALIZACÍ PŘÍKAZEM RATSNEST (A) A PO NÍ (B) ................ 53
6
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
OBR. 5.8 PŘÍKLAD ROZLOŽENÍ SOUČÁSTEK SLOŽITÉ DESKY NA SKUPINY .................................. 55
OBR. 5.9 LIŠTA PARAMETRŮ PŘÍKAZU ROUTE........................................................................... 56
OBR. 5.10 PŘÍKLAD NATAŽENÍ MĚDĚNÝCH SPOJŮ NA DESCE ZESILOVAČE ................................ 57
OBR. 5.11 KŘÍŽKY NAZNAČUJÍCÍ PRŮCHOD VZDUŠNÉHO SPOJE IZOLANTEM DESKY .................. 60
OBR. 5.12 ZMENŠENÁ DESKA ZESILOVAČE S SMD SOUČÁSTKAMI ........................................... 61
OBR. 5.13 APLIKACE PŘÍKAZU MIRROR NA SOUČÁSTKU ........................................................... 62
OBR. 5.14 JEDNOSTRANNÁ DESKA S KOMBINOVANOU MONTÁŽÍ SOUČÁSTEK ........................... 62
OBR. 5.15 ČASTÉ CHYBY NA DESKÁCH S KOMBINOVANOU MONTÁŽÍ ........................................ 63
OBR. 5.16 RŮZNÉ ZPŮSOBY REALIZACE DRÁTOVÝCH PROPOJEK ............................................... 64
OBR. 5.17 NEJČASTĚJŠÍ CHYBY PŘI TVORBĚ PSEUDOPROPOJEK ................................................. 66
OBR. 5.18 DŮLEŽITÉ ROZMĚRY OBJEKTŮ V OBRAZCI DPS........................................................ 66
OBR. 5.19 PŘÍKLAD SPOJŮ K IO V 5. A 6. KONSTRUKČNÍ TŘÍDĚ ................................................. 68
OBR. 5.20 KARTA FILE V DRC ................................................................................................. 69
OBR. 5.21 KARTA LAYERS V DRC............................................................................................ 70
OBR. 5.22 KARTA CLEARANCE V DRC..................................................................................... 70
OBR. 5.23 KARTA DISTANCE V DRC ........................................................................................ 71
OBR. 5.24 KARTA SIZES V DRC ............................................................................................... 72
OBR. 5.25 KARTA RESTRING V DRC ........................................................................................ 73
OBR. 5.26 KARTA SHAPES V DRC ............................................................................................ 74
OBR. 5.27 KARTA SUPPLY V DRC ............................................................................................ 74
OBR. 5.28 KARTA MASKS V DRC ............................................................................................. 75
OBR. 5.29 KARTA MISC V DRC ................................................................................................ 76
OBR. 5.30 OKNO S VÝPISEM CHYB A ŠRAFA INDIKUJÍCÍ CHYBU NA PLOŠE EDITORU .................. 77
OBR. 5.31 VLIV RŮZNÝCH ZALOMENÍ SPOJŮ U PLOŠEK MIMO RASTR ........................................ 80
OBR. 5.32 PŘÍKLAD NASTAVENÍ TŘÍD SPOJŮ ............................................................................. 83
OBR. 5.33 PŘÍKLAD VÝSLEDKU DRC KONTROLY PŘI NEDODRŽENÍ ŠÍŘKY SPOJŮ ...................... 83
OBR. 5.34 IZOLAČNÍ BARIÉRA NA DESCE POČÍTAČOVÉHO ZDROJE ............................................ 84
OBR. 5.35 TLAČÍTKO PRO AKTIVACI MATICE IZOLAČNÍCH VZDÁLENOSTÍ ................................. 85
OBR. 5.36 POUŽITÍ MATICE IZOLAČNÍCH VZDÁLENOSTÍ ............................................................ 85
OBR. 5.37 POLYGON PŘED A PO VYKRESLENÍ PŘÍKAZEM RATSNEST ......................................... 87
OBR. 5.38 PŘÍKLADY POUŽITÍ POLYGONŮ ................................................................................. 89
OBR. 5.39 POMOCNÝ POLYGON KOLEM CHLADICÍ PLOŠKY SMD SOUČÁSTKY .......................... 90
OBR. 5.40 DEMONSTRACE VLIVU RŮZNÝCH IZOLAČNÍCH MEZER NA POLYGON ......................... 91
OBR. 5.41 DODATEČNÉ PROKOVY PRO SNÍŽENÍ IMPEDANCE ZEMĚ ............................................ 91
Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
7
OBR. 5.42 PROKOVY PRO ODVOD TEPLA Z CHLADICÍ PLOŠKY IO ............................................... 92
OBR. 5.43 ODDĚLENÍ ZEMÍ NA ZÁKLADNÍ DESCE PC ................................................................. 94
OBR. 5.44 PŘÍKLAD PROPOJENÍ TŘÍ ZEMÍ V EAGLE .................................................................... 95
OBR. 5.45 ODEMČENÍ SOUČÁSTEK ............................................................................................ 95
OBR. 5.46 DESKA S IO NATOČENÝM O 45° ................................................................................ 97
OBR. 5.47 PŘÍKLAD VÝSLEDKU LADĚNÍ DÉLEK SPOJŮ ............................................................... 99
OBR. 5.48 TŘI ZÁKLADNÍ ZPŮSOBY REALIZACE DIFERENCIÁLNÍCH PÁRŮ NA DPS ................... 101
OBR. 5.49 PŘÍKLAD VYUŽITÍ DIFERENCIÁLNÍCH PÁRŮ PRO ETHERNET .................................... 102
OBR. 5.50 VAROVÁNÍ PŘI HROZÍCÍM PORUŠENÍ KONZISTENCE ................................................. 104
OBR. 5.51 PŘÍKLAD ERC CHYB PŘI NEKONZISTENTNÍM SCHÉMATU A DESCE .......................... 105
Seznam tabulek
TAB. I SEZNAM SOUČÁSTEK A KNIHOVEN VE VZOROVÉM SCHÉMATU ........................................ 23
TAB. II DOPORUČENÁ SMD POUZDRA PASIVNÍCH PRVKŮ V ZESILOVAČI S TDA2003 ............... 61
TAB. III PŘEHLED MEZNÍCH ROZMĚRŮ KONSTRUKČNÍCH TŘÍD DPS .......................................... 67
TAB. IV PŘEHLED MOŽNÝCH HODNOT PALCOVÉHO RASTRU ..................................................... 79
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
8
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.
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.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
10
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 100 × 80 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.
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
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
12
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
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. 3.1. 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 $EAGLEDIR. Ve výchozím
nastavení
odkazují
na
adresář,
C:\Program Files (x86)\Eagle-6.x.x\.
do
kterého
je
Eagle
nainstalován,
standardně
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
14
Obr. 3.2 Okno s nastavením cest k souborům
Je možné provést následující nastavení:

Vytvořit vlastní pracovní adresář pro ukládání souborů (Projects) do jiného
prostoru. Tím si uživatel může „usnadnit život“ při práci na více počítačích, případně
při přeinstalování operačního systému počítače a/nebo Eagle. Cest k souborům může
být nastaveno i více najednou, jednotlivé cesty je třeba oddělit středníkem bez mezer.
Příklad:
C:\Work\Eagle\;$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.
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
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. 3.4. 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. 3.4. Pomocí myši a pravého tlačítka přes položku Use si
můžete zvolit knihovny, které v daném projektu chcete. Knihovny lze tímto způsobem
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.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
18
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
Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
19
4.1 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.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
20
Změna měřítka zobrazení
4.2.1
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;
Window (@);
Alt + F2 zobrazení v maximálním možném měřítku,
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
4.2.2
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
zapnutí / vypnutí zobrazení rastru
Dots, Lines
rastr ve formě „bodů“ nebo „mříže“
Size
rozteč hlavního rastru (pro normální práci)
Rozbalovací menu
jednotky rastru
Multiple
udává „každá kolikátá čára“ rastru se zobrazí
Finest
nejjemnější možný rastr (0,1 m)
Alt
alternativní rozteč rastru (při držení tlačítka Alt na klávesnici)
Default
výchozí rastr (dle definic v souboru eagle.scr).
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).
4.2.3 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.
4.2.4 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
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
22
92 Busses – sběrnice
93 Pins – vývody součástek (přípojná místa)
Info
Show
Display
Mark
Move
Copy
94 Symbols – těla součástek (schématické značky)
Mirror
Rotate
95 Name – jména součástek
Group
Change
96 Values – hodnoty součástek
97 Info – obecné informace a komentáře
98 Guide – pomocné čáry při kreslení
4.3 Postup kreslení jednoduchého schématu
Paste
Delete
Pinswap
Add
Replace
Gateswap
Name
Value
Smash
Miter
Split
Invoke
Wire
Text
Pokud tedy máte založený projekt a v něm nové schéma,
Circle
Arc
můžete začít kreslit. Paradoxně jako první operaci je vhodné
Rect
Bus
Polygon
Net
schéma uložit, protože přitom jej také můžete (pokud možno
Junction
Label
výstižně) pojmenovat. Pozor, Eagle si příliš „nerozumí“
Attribute
Dimension
s českými znaky, a to nejen v názvech souborů, ale i pokud
Erc
Errors
zadáváte textové údaje v editoru.
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
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. 4.3. 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
E2,5-6
100u/25V
C3
rcl
CPOL-EUE3.5-8
E3,5-8
470u/6,3V
C4
rcl
CPOL-EUE5-10.5
E5-10,5
1000u/16V
C5, C6
rcl
C-EU050-025X075
C050-025X075
100n
IO1
linear
TDA2003V
CB360
TDA2003V
K1, K2, K3
con-w ago-500 W237-102
W237-102
Napajeni, Vstup, Reproduktor
R1, R2, R3
rcl
0207/10
1R, 220R, 2R2
R-EU_0207/10
4.3.1 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 4.3.3. 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.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
24
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.
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. 4.6. Příkaz Mirror objekty vždy zrcadlí podle svislé osy.
Mirror
Obr. 4.6 Typická aplikace příkazu Mirror
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
26
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 4.2.2.
4.3.2
Definování propojení
Net – pokud na ploše máte všechny součástky, můžete je začít propojovat. To lze
v Eagle provést více způsoby, ale nejrychlejší a nespolehlivější1 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.
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. 4.8. 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 4.4.1.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
28
Obr. 4.8 Výzva před sloučením dvou spojů do jednoho
Po dokončení propojování by tedy schéma mělo vypadat podobně, jako na Obr. 4.9.
Obr. 4.9 Vzorové schéma s propojenými součástkami
4.3.3
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!“.
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. 4.10 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. 4.10 Příklad atributů integrovaného obvodu AT89C2051
Součástky tedy máte popsané, ale rozmístění jejich popisků rozhodně není tak úhledné,
jako na vzorovém schématu na Obr. 4.3. 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 4.4.2 si ukážeme, jak to lze
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
30
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. 4.11
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. 4.11 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.
4.3.4
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
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. 4.12 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. 4.13. 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. 4.13 Funkce příkazu Gateswap
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
32
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. 4.14. 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. 4.14 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. 4.15 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. 4.15 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
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. 4.15. 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 způsobem2 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. 4.16. Toto je jediný způsob, jak
spolehlivě zajistit, aby napájení integrovaných obvodů bylo zapojeno tam, kam chcete.
Obr. 4.16 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.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
34
4.3.5
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.
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 5.5.3.
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
4.4.1
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. 4.17 je odstrašující příklad3 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. 4.18 je
příklad podobného číslicového obvodu4, ve kterém jsou spoje provedeny pomocí sběrnic. Jak
můžete vidět, schéma z Obr. 4.18 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“.
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
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. 4.8. 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. 4.17 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“
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. 4.18 Příklad správně provedených sběrnic
4.4.2 Hromadné úpravy (nejen) schématu – příkaz Group
Group – pokud byste chtěli konektor ST2 v Obr. 4.18 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.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
40
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. 4.19 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.
4.4.3
Kopírování bloků, přesuny mezi různými soubory
Paste – v Eagle nejsou implementovány5 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.
Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
41
Copy, na který jsme narazili již v kapitole 4.3.1. 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.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
42

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.

4.4.4
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.
Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
43
Obr. 4.20 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
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
44
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. 4.15.
4.5 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.
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 5.5.10.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
46
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
Info
Show
Display
Mark
editoru; jak můžete vidět, je velmi podobné jako editor
Move
Copy
schématu, ale ve sloupci ikon jsou mnohé příkazy jiné. Vrstvy
Mirror
Rotate
Group
Change
desky jsou pak pochopitelně zcela jiné, než ve schématu.
Paste
Delete
5.1 Vrstvy editoru desky a jejich použití
Vrstvy je možné opět zobrazit pomocí příkazu Display.
Význam nejdůležitějších vrstev:
Pinswap
Add
Replace
Lock
Name
Value
Smash
Miter
Split
Optimize
Meander
1 Top
Plošné spoje, strana součástek
2 Route2
Vnitřní vrstva spojů číslo 2
15 Route15
Vnitřní vrstva spojů číslo 15
16 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)
.
Wire
Text
Arc
Via
.
Ripup
Circle
Rect
.
.
Route
Hole
Polygon
Net
Attribute
Dimension
Ratsnest
Erc
Errors
Auto
Drc
Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
39 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
Obr. 5.1 Okno editoru desky
Indikátor
neuložených
změn
47
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 deska6, 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 4.4.1. 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.
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.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
50

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 podmínkách7.
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.
5.2.1
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. 5.4. 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).
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“ 100 × 160 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. 5.5.
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
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Obr. 5.5 Situace po přesunutí součástek a zmenšení obrysu
5.2.2
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. 5.6. Jak můžete vidět, na desce se stále několik málo spojů
kříží, ale je to pouhý zlomek počtu z Obr. 5.5. Po rozložení se (většinou) plocha zabraná
součástkami ještě zmenší, takže můžete opět upravit i obrysy desky.
Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
53
Obr. 5.6 Příklad dokončeného rozložení součástek zesilovače
Ratsnest8 – 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. 4.5. 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.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
54
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.
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
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
56
křížily co nejméně. Na Obr. 5.8 je příklad nahrubo rozložené desky, ještě před optimalizací
jednotlivých skupin.
5.2.3
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 měděný9. 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
Šířka
spoje
Follow-me
Router
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“.
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. 5.10.
Obr. 5.10 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 5.5.10). 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
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. 5.31 v kapitole 5.5.1.
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.
5.2.4
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,
Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
59
Eagle s touto možností nepočítá10. V editoru desky je totiž i samostatný příkaz Via, ale ten
slouží k jiným účelům, které jsou vysvětleny ke konci kapitoly 5.5.3. 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. 5.25 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. 5.11 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. 5.11. 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…
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
60
Při bílém pozadí plochy
Při černém pozadí plochy
Obr. 5.11 Křížky naznačující průchod vzdušného spoje izolantem desky
5.2.5 Práce se SMD a oboustranně osazené DPS
Nyní si vyzkoušíme situaci, že bychom na desce audio zesilovače z Obr. 5.10 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
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. 5.12.
Tab. II Doporučená SMD pouzdra pasivních prvků v zesilovači s TDA2003
Jméno součástky
(Name )
Označení SMD
pouzdra
(Pack age )
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. 5.12 Zmenšená deska zesilovače s SMD součástkami
Na Obr. 5.12 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:
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
62

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. 5.13.

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. 5.13 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. 5.13 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. 5.14 Jednostranná deska s kombinovanou montáží součástek
Na Obr. 5.14 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
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. 5.15 Časté chyby na deskách s kombinovanou montáží
5.2.6 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 rezistory11 (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.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
64
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. 5.16 Různé způsoby realizace drátových propojek
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. 5.17 jsou názorně shrnuty nejčastější chyby, kterých se při tvorbě „pseudopropojek“
můžete dopustit.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
66
Obr. 5.17 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. 5.18. 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. 5.18 Důležité rozměry objektů v obrazci DPS
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
0,4
0,3
0,2
0,15
0,125
0,1
minimální přesah pájecí
plošky
0,4
0,3
0,2
0,15
0,125
0,1
nejmenší průměr otvoru
(vrtáku)
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!).
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
68
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. 5.19 též vidět.
a)
b)
Obr. 5.19 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
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.
5.4.1 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. 5.20 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. 5.21 je pro ilustraci jedna z typických definic 4-vrstvé desky s průchozími
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. 5.21 Karta Layers v DRC
Obr. 5.22 Karta Clearance v DRC
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. 5.22 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. 5.23 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
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. 5.24 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)
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. 5.25 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
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. 5.26 Karta Shapes v DRC
Obr. 5.27 Karta Supply v DRC
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. 5.28 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
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
76
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 5.5.8 a 5.5.9.
Obr. 5.29 Karta Misc v DRC
5.4.2
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.
Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
a)
77
b)
Obr. 5.30 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
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
78
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.
5.5.1
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 většina12 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".
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
palce
mil
mm
Vycházejí z často používaných
palcových šířek spojů
palce
mil
mm
0,1
100
2,54
0,1
100
2,54
0,05
50
1,27
0,07
70
1,778
0,025
25
0,635
0,05
50
1,27
0,0125
12,5
0,3175
0,04
40
1,016
0,00625
6,25
0,15875
0,032
32
0,8128
0,024
24
0,6096
0,016
16
0,4064
0,012
12
0,3048
0,01
10
0,254
0,008
8
0,2032
0,006
6
0,1524
0,004
4
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,
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
80
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. 5.31 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. 5.31 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
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
13
Dimension , 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…
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
82
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.
5.5.2
Třídy spojů – Net Classes
Podívejme se znovu na schéma audio zesilovače s TDA2003 na Obr. 4.3. 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
odpor14. 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].
Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
83
Obr. 5.32 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. 5.32
bude DRC u napájecích spojů hlásit chybu typu Width, jak ukazuje Obr. 5.33.
Obr. 5.33 Příklad výsledku DRC kontroly při nedodržení šířky spojů
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. 5.34 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 60950. 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 60950 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 60601 vyžaduje šířku bariéry dokonce 8 mm.
Obr. 5.34 Izolační bariéra na desce počítačového zdroje
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. 5.35. 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. 5.35 Tlačítko pro aktivaci matice izolačních vzdáleností
a)
b)
Obr. 5.36 Použití matice izolačních vzdáleností
5.5.3 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
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
86
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 5.5.2.

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).
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
pozornost:
Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
87
1. 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 začali15.
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 obrys16) 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. 5.37 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.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
88
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.
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 Route15
17
. 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. 5.38 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.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
90
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. 5.39 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 5.4.1.

Podle parametru Clearance ve třídách spojů (Net Classes), viz kapitola 5.5.2.

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. 5.40 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.
Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
91
Obr. 5.40 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. 5.41 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
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
92
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. 5.42 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. 5.42 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).
5.5.4
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]:
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. 5.43 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 převodníků18 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“.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
94
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. 5.43 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.
Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
95
v pouzdru 0805. 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. 5.44 Příklad propojení tří zemí v Eagle
5.5.5 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. 5.45 Odemčení součástek
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
96
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.
5.5.6
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
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. 5.46 – 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. 5.46 Deska s IO natočeným o 45°
5.5.7 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 5.2.3. 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.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
98
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.
5.5.8
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
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
Vzdálenost smyček = Clearance · Gap factor
mezera mezi dvěma jejími vodiči) má vliv parametr
Gap factor for meanders na kartě Misc v okně příkazu
DRC (viz Obr. 5.29 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
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. 5.47 Příklad výsledku ladění délek spojů
Na Obr. 5.47 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
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.
5.5.9
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. 5.48 (oranžová je měď, zelená nosný
izolant desky). Jak můžete vidět, vedení se skládají ze dvou měděných spojů a souvislých
referenčních (zemních) ploch20.
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.
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,
Differential stripline,
edge-coupled
broadside-coupled
Obr. 5.48 Tři základní způsoby realizace diferenciálních párů na DPS
Při výpočtu rozměrů diferenciálního páru znáte jeho požadovanou diferenciální
impedanci ZD (nejčastěji 100 Ω), tloušťku izolantu h a jeho relativní permitivitu εr. 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“.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
102
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. 5.36.
Na Obr. 5.49 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 ZD = 100 Ω, h = 0,284 mm, εr = 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. 5.49 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
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. 5.29 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.
5.5.10 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. 5.50.
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.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
104
Obr. 5.50 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. 5.51. 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!
Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
Obr. 5.51 Příklad ERC chyb při nekonzistentním schématu a desce
105
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
106
6 Rejstřík příkazů Eagle
Následuje seznam nejčastěji používaných příkazů Eagle, včetně jejich stručné
charakteristiky. Seznam je určen hlavně uživatelům, kteří jsou zvyklí příkazy spouštět
z příkazového řádku, namísto ikon nebo kontextového menu.
6.1 Změna pracovního módu/souborové příkazy
Edit
Načíst výkres / oddíl knihovny, nebo založit nový.
Write
Uložení výkresu / knihovny.
Open
Otevření knihovny pro úpravy.
Close
Zavření knihovny po provedení úprav.
Quit
Ukončení běhu Eagle.
Export
Export dat, např. Netlist.
Script
Provedení dávky příkazů ze souboru *.SCR.
Run
Spuštění uživatelského ULP programu.
Use
Načtení knihovny do paměti.
Drop
Vyřazení knihovny z paměti.
Remove
Mazání souboru / knihovních prvků
6.2 Změna nastavení obrazovky a ovládacího panelu
Window
Změna pohledu a přiblížení pohledu na kreslicí ploše.
Display
Zobrazení / skrytí kreslicích hladin.
Grid
Nastavení rastru kreslicí plochy.
Set
Změna interního nastavení Eagle.
Assign
Přiřazení příkazů klávesovým zkratkám.
Menu
Konfigurace menu příkazů Eagle.
6.3 Kreslení výkresu/knihoven a jejich úpravy
Arc
Kreslení oblouku.
Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
107
Circle
Kreslení kružnice.
Polygon
Kreslení mnohoúhelníku.
Rect
Kreslení obdélníku.
Wire
Kreslení čar bez elektrické funkce („výzdoba“).
Text
Vložení textového pole.
Add
Vložení součástky (part) z knihovny do schématu / přidání schématické značky
(symbol) do součástky (device).
Copy
Kopírování objektu.
Group
Definování skupiny objektů pro následující operace.
Paste
Vložení obsahu schránky (clipboardu) na výkres.
Delete
Mazání objektů.
Mirror
Ve schématu ozrcadlení schématické značky, na desce přenesení z hladin
s předponou t- do hladin s předponou b-.
Move
Přesun a otáčení objektu.
Rotate
Otáčení objektu, má význam pouze v editoru desky a pouzdra (package).
Name
Pojmenování součástky / sběrnice / signálu / měděného spoje / Pad / Smd / Pin /
Gate.
Value
Definice hodnoty nebo typu součástky.
Smash
Oddělení popisků součástek
Attribue
Doplňkový popis součástek.
Split
Vložení zalomení do rovné čáry / spoje.
Show
Zvýraznění („vysvícení“) objektu a vypsání jeho jména.
Info
Zobrazení všech parametrů objektu v přehledném okně.
Layer
Změna / vložení nové hladiny (Layer).
Replace
Výměna pouzdra součástky, případně i za jinou součástku z jiné knihovny.
Change
Změna parametrů objektů.
Dimension Okótování vzdálenosti mezi dvěma body.
6.4 Speciální příkazy pro schémata
Net
Kreslení spojů ve schématu (net) a odboček ze sběrnice.
Bus
Kreslení sběrnice.
Label
Popis odbočky sběrnice, spoje, nebo celé sběrnice.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
108
Junction
Ruční vložení uzlu do vodivých křížení spojů.
Invoke
Extrakce nepoužitých hradel z vícehradlových součástek.
Gateswap
Prohození hradel vícehradlových součástek.
Pinswap
Prohození záměnných vývodů (pin) součástky.
ERC
Kontrola zapojení schématu.
Errors
Zobrazení chyb nalezených při ERC.
Board
Přepnutí se na desku / vygenerování nové desky ze schématu.
6.5 Speciální příkazy pro desky
Route
Tahání spojů (změna vzdušných spojů na měděné).
Ripup
Změna měděných spojů zpět na vzdušné spoje.
Ratsnest
Optimalizace délky vzdušných spojů.
Lock
Zablokování pohybu součástky po desce.
Meander
Ladění délky měděných spojů
Via
Ruční položení prokovu.
Hole
Ruční položení neprokovené (montážní) díry.
DRC
Kontrola chyb na desce (Design Rule Check), též nastavení návrhových
pravidel.
Errors
Zobrazení chyb nalezených během DRC.
Signal
Definování nového signálu (vzdušného spoje), lze provést pouze při vypnuté
konzistenci schématu a desky.
6.6 Speciální příkazy pro knihovny
Connect
Definování propojení mezi vývody symbolu a pouzdra
Package
Přiřazení pouzdra součástce
Prefix
Definování prefixu názvu (Name) součástky (např. Rxxx u rezistorů).
Pad
Přidání pájecí plošky drátové součástky (Pad) do pouzdra (Package).
Smd
Přidání pájecí plošky SMD součástky do pouzdra (Package).
Pin
Přidání vývodu součástky (Pin) do schématické značky (Symbol).
Hole
Definování neprokovené díry do pouzdra (Package).
Rename
Přejmenování Symbolu / Package / Device v knihovně.
Remove
Vymazání Symbolu / Package / Device z knihovny.
Vybrané problémy konstrukce elektronických přístrojů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO
6.7 Různé příkazy
Auto
Nastavení a spuštění Autorouteru.
Help
Vyvolání nápovědy.
Mark
Umístění počátku pomocných souřadnic.
Optimize
Odstranění zbytečných zlomů čar.
Undo
Vrácení provedených změn.
Redo
Znovuprovedení vrácených změn, opak příkazu Undo.
109
110
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
7 Seznam použité literatury
[1] CadSoft: Eagle 6 User Manual, CadSoft 2012.
[2] Winterhoff, M: GALBlast, hobbyist grade GAL programmer, URL:
http://www.armory.com/~rstevew/Public/Pgmrs/GAL/_ClikMe1st.htm
[3] Program pro výpočet parametrů plošných spojů od firmy Saturn PCB Design, URL:
http://www.saturnpcb.com/pcb_toolkit.htm
[4] Sada online nástrojů pro výpočet parametrů spojů a součástek, URL: http://www.eeweb.com/toolbox/
[5] Abel, M: SMT Technologie povrchové montáže, nakladatelství PLATAN, Pardubice 2000.
[6] Záhlava, V.: Metodika návrhu plošných spojů, skripta ČVUT, Praha 2000.
[7] Online kalkulátor izolačních vzdáleností dle IEC 60950, URL: http://www.creepage.com/
[8] Stručný slovník pojmů používaných v normě IEC 60950, URL:
http://www.phihongusa.com/html/insulation.html
[9] Zumbahlen, H: Staying Well Grounded. Analog Dialogue, vol. 46, 2012. URL:
http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/46-06/staying_well_grounded.pdf
[10] ESD Design Cookbook. Analog Devices Inc., 2000. URL: http://www.analog.com/static/importedfiles/quality_assurance/eos_esd_chapter_091400b_103.pdf
[11] Online kalkulátor plošných vedení a jiných elektronických prvků firmy Mantaro, URL:
http://www.mantaro.com/resources/impedance_calculator.htm
[12] Java applet pro numerickou analýzu mikropáskových vedení, URL:
http://www.eecircle.com/applets/TraceAnalyzerApplet/TraceAnalyzerApplet.html
[13] Multiple Dielectric Impedance Calculator, program pro numerickou analýzu mikropáskových vedení,
URL: http://sourceforge.net/projects/mdtlc/
[14] Olney, B.: Differential Pair Routing. The PCB Magazine, October 2011. Dostupný online na URL:
http://www.icd.com.au/articles/Differential_Pair_Routing_PCB-Oct2011.pdf

Podobné dokumenty

zde - SEMACH

zde - SEMACH VYMAZÁNÍ CELÉHO ÚSEKU SÍTĚ

Více

Kreslení schémat a návrh desek plošných spojů

Kreslení schémat a návrh desek plošných spojů Cadsoft ručí pouze za materiál, t.zn. CD (diskety) a manuál. V žádném případě neručí za program jako takový, zejména ne za jeho vhodnost k určitému účelu. Cadsoft nenese žádnou zodpovědnost za důsl...

Více

Uživatelský návod pro Eagle 6.2.0

Uživatelský návod pro Eagle 6.2.0 • Stisknutím klávesy ESC zrušíte proces výběru objektů.

Více

Global Intermediate - Macmillan Education

Global Intermediate - Macmillan Education chemik kulturní kultura návrhář; grafik; výtvarník doktor; lékař naléhavý případ/stav; pohotovost motor inženýr; technik událost mezinárodní jazyk; způsob vyjadřování právník; právní zástupce právn...

Více

document [] - Vysoké učení technické v Brně

document [] - Vysoké učení technické v Brně z čehož vyplývá (podle vzorce (3)), že pro dojezd 4km bude třeba akumulátoru o kapacitě 3Ah. V reálných podmínkách ale nikdy nedosáhneme plynulé jízdy a ani nejezdíme po ideální rovině, proto jsem ...

Více

FORMICA 4.30 - editor plosneho spoje a autorouter

FORMICA 4.30 - editor plosneho spoje a autorouter až 7) zaplňuje popis chování programu v jednotlivých režimech, funkce příkazů a významu všech parametrů a chybových hlášení. Spíše než co dělají různé příkazy vás však asi bude zajímat, co máte děl...

Více

Obsah podle názvu

Obsah podle názvu Prům. stránky: 0,00 US$ (0,00%)

Více

PDF návod - stavebnice moduly tipa

PDF návod - stavebnice moduly tipa Jedná se o doporučené zapojení obvodu TDA7293 firmy SGS THOMSON. Vše podstatné se skrývá v samotném IO. Jak předzesilovač, tak i koncový stupeň DMOS, funkce MUTE, STBY, ochrany proti přehřátí, zkra...

Více

Page 1 Postup tvorby knihovny v EAGLE ¢ Otevřít knihovnu, již

Page 1 Postup tvorby knihovny v EAGLE ¢ Otevřít knihovnu, již schématu vymazat, nejsou-li všechny ostatní prvky (zde spínače) zrušeny. Jednotlivé spínače lze mazat nejsou-li MUST. pro hradla, která se použijí jen na zvláštní přání - není tedy běžné je do sché...

Více