Schaltpläne und Leiterplatten-Layouts mit Eagle 4.0

Sie ist gottlob vorbei - die Zeit, in der Millimeterpapier, Bleistift und Stapel von Bauteilkatalogen die primären Werkzeuge jedes Platinenkonstrukteurs waren - gleichgültig ob Hobbyelektroniker oder Ingenieur. Diese zeitaufwändige und fehleranfällige Tätigkeit haben heute besser und schneller der PC und Programme wie Eagle übernommen. Das Programmpaket besteht aus dem Schaltplan-Editor, dem Layout-Editor mit Router und Autorouter sowie einem Control Panel, das Konfigurationsdetails und das Postprocessing verwaltet.

Die Installation gestaltet sich einfach, da nur ein RPM-Paket als Root ins System integriert werden muss. Danach soll Eagle von einem normalen User-Account betrieben werden. Offenbar haben die Entwickler jedoch das Zugriffsrechte-Konzept von Linux nicht ganz verinnerlicht, da bestimmte Beispieldateien und Bibliotheken nur für Root beschreibbar sind, was unter manchen Umständen die Arbeit eines Users mangels Speichermöglichkeit zunichte macht.

Zum Auftakt legt man im Control Panel ein Eagle-Projekt an und startet den Schaltplan-Editor. Als Werkzeuge hat der User eine Menüleiste, die Action-Toolbar, eine kontextsensitive Parameter-Toolbar, die Kommando-Toolbar und eine Kommandozeile zur Verfügung.

Ein oft wiederholter Arbeitsschritt ist es, ein Bauteil mit dem Add-Button zu platzieren: Man wählt aus den zuvor geladenen (!) Bauteilbibliotheken ein Device aus und legt es auf die Arbeitsfläche. Für CAD-Programm-Neulinge ungewöhnlich: Zuerst wird das Werkzeug gewählt, dann erst das Objekt, auf das es angewandt werden soll. Diese Bedienphilosophie gilt für Eagle insgesamt.

Die Praxistauglich eines solchen Produkts steht und fällt mit Größe und Qualität der Bauteilbibliothek. Eagle 4.0 hinterließ bei Spontantests einen zwiespältigen Eindruck: Auf den ersten Blick erscheint seine Bibliothek zwar sehr umfangreich, aber die Suche etwa nach dem populären D/A-Wandler ZN 426 und dem Soundchip 8330 blieb erfolglos. Die Z80-CPU plus Peripherie waren dagegen vorhanden. Unpraktisch ist, dass Module zur Simulation analoger und digitaler Schaltungen fehlen. Selbst ein Schaltplan-Export in den Standard-Simulator Spice ist nicht vorhanden. Da Eagle aber über eine C-ähnliche Skriptsprache erweiterbar ist, gibt's eine Freeware zum Spice-Export für Eagle 3.

Ist der Schaltplan fertig konstruiert, ist per Board-Icon die Platine dran. Man definiert Größe, Zahl und Beschaffenheit der Layer und schon geht's los: Die Umrisse aller Bauteile liegen neben der Platine und werden vom Benutzer Teil für Teil auf der Bestückungsseite der Platine platziert. Die im Schaltplan-Editor definierten Verbindungen zwischen den Bauteilen werden als virtuelle Gummibänder (Airwires) dargestellt.

Strategie im Layout-Editor

Der Bediener versucht beim Platzieren einen günstigen Kompromiss zwischen mechanischen, elektrischen, thermischen und elektromagnetischen Anforderungen zu finden. Günstige Voraussetzungen für den späteren Route-Vorgang sind dann geschaffen, wenn die Gummibänder möglichst kurz sind und sich nur wenige kreuzen. Um das zu erreichen, stehen diverse Werkzeuge bereit: So ist ein Bauteil in 90-Grad-Schritten dreh- oder seine Bauform mit dem Replace-Werkzeug veränderbar. Bei mehrfach vorhandenen Funktionsgruppen innerhalb eines Bauteils (zum Beispiel bei TTL-Gattern) ist es möglich, diese gegeneinander zu tauschen um Vorteile bei der Platzierung zu erzielen.

Änderungen dieser Art sind systembedingt gefährlich, da von ihnen das Schaltplan-Modul nichts weiß. Die Inkonsistenz wird in einer späteren Entwicklungsphase mindestens zur Verwirrung, wenn nicht zum Scheitern eines Projekts führen. Daher haben alle leistungsfähigen Programme dieser Gattung - wie Eagle - als wichtiges Ausstattungsmerkmal die Back- und Forward-Annotation. Diese Automatik hält Schaltplan- und Layout-Files auf einem Stand.

Abbildung 1: Die Verbindungen zwischen den Bauteilen werden beim Platzieren der Bauelemente als virtuelle Gummibänder (Airwires) dargestellt.

Router: Die Bahn kommt

Der nächste wichtige Schritt ist das Verlegen der Leiterbahnen. Aus Gummibändern werden Leiterbahnen mit realen Wegen, Breiten, Lötaugen und Durchkontaktierungen zwischen Layern. Der Eagle-Benutzer kann das wahlweise manuell, mit dem Autorouter oder einer Mischung aus beiden machen. Oft ist es aus elektrischen oder Routing-Gründen besser, Masse und Betriebsspannungen bei mehrlagigen Platinen auf eigene Layer zu legen, was mit Eagle schnell gelingt. Alternativ lassen sich Kupferflächen mit dem Polygon-Werkzeug definieren und einer Verbindung zuordnen. Alle damit verbundenen Leitungen routen automatisch dorthin.

Aus Informatiker-Sicht ist das Autorouter-Modul hohe Schule, errechnet doch ein selbsttätig ablaufender Algorithmus Wege für Leiterbahnen anhand von Verbindungslisten und Pin-Geometrie der Bauteile sowie vom Nutzer vorgegebener Parameter. Dabei wagt es der Autorouter, bereits verlegte Bahnen zu entfernen und andernorts zu platzieren. Auch Zuschauer werden an der Arbeit des Autorouters ihren Spaß haben - sie macht optisch ordentlich Eindruck. Bei sehr komplexen Layouts dauert das Schauspiel einige Stunden.

Clever ist, dass man unterbrochene Router-Sessions auf (schnelleren) Rechnern erneut aufnehmen kann, weniger clever, dass das sonst funktionstüchtige Undo auf eine Autoroute nicht anwendbar ist - glücklich, wer zum richtigen Zeitpunkt sein Board-Datei gespeichert hat.