Computergestütztes Designen in der Elektronikentwicklung

Computergestütztes Designen in der Elektronikentwicklung


Das Wichtigste zuerst: CAD steht für Computer Aided Design, zu Deutsch: computergestütztes Design. Der ein oder andere hat vielleicht eine Vorstellung was Design bedeuten kann, etwa optisch ansprechende Visualisierungen zu erstellen oder Entwürfe zu skizzieren. Im technischen Sinne geht es beim Design jedoch nicht nur um Formen, sondern auch um Materialien, Toleranzgrenzen und Dimensionen. Es geht weniger um das Aussehen, als zusammenpassende Elemente. Was genau in der Elektronikbranche designed werden muss, wird in diesem Artikel erklärt. Früher wurde dabei von Hand designed, mit Zeichnungen auf Papier entworfen, heutzutage gibt es dafür unterstützende Software: so genannte CAD Tools. Diese Tools für computergestütztes Design werden beispielsweise in den Bereichen Automobil, Luftfahrt und im architektonischen Bereich verwendet – also im Wesentlichen in allen Industrien, in denen im technischen Sinne designed werden muss. Tatsächlich bietet der Markt entsprechend viele unterschiedliche CAD Tools abhängig von den spezifischen Anforderungen an die Software. Aber wofür genau werden diese nun verwendet?

Designen in der Elektronikentwicklung

Ein Bereich, in dem CAD Tools unentbehrlich geworden sind, ist die Elektronikentwicklung. Statt CAD ist in diesem Bereich eher die Rede von Electronic Design Automation (EDA) oder Electronic Computer Aided Design Tools (ECAD). Diese sind speziell auf die Aufgaben von Elektronikentwicklern angepasst, was es dem Entwickler ermöglicht computergestützt zu arbeiten, also Computer Aided Engineering (CAE) zu betreiben. Diese speziellen EDA oder ECAD Tools bedienen leicht andere Anforderungen als normale CAD Tools, die genau zu den Bedürfnissen des Elektronikdesigners passen. Designed werden Printed Circuit Boards (PCBs), zu Deutsch Leiterplatte, oder andere Elektronische Systeme. Da diese Aufgabe sehr komplex ist, müssen die Tools konkret darauf angepasst sein. PCBs oder Leiterplatten sind ein essenzielles Element in jedem elektronischen System. Vereinfacht gesagt ist die Platte das Gehirn, das alle anderen Funktionen im Gerät steuert. Man findet sie daher in jedem Endgerät – auch in denen, die von vielen täglich verwendet werden, wie beispielsweise Smartphones oder Computer. Sogar im Föhn, in der Waschmaschine und in allen Fahrzeugen ist mindestens ein PCB verbaut. Daher muss der Elektronikentwickler exakt wissen welche Signale vom PCB auf welche Art verarbeitet werden sollen. Dafür muss der Entwickler die passenden Komponenten aus vielen Optionen auswählen. Das hängt von mehreren Faktoren ab, beispielsweise:

  • Die Verwendung der Leiterplatte (Was soll gesteuert werden?)
  • Die Umgebung, in der die Leiterplatte verwendet werden soll (Wird es im Innen- oder Außenbereich verwendet, welchen Umwelteinwirkungen ist sie ausgesetzt?)
  • Die Kompatibilität der Komponenten (Sind die Komponenten untereinander kompatibel? Benötigen sie zum Beispiel dieselbe Spannung?)

Nach der Komponentenauswahl, muss der PCB Designer die Komponenten auf dem Board anordnen. Auch dabei müssen einige Dinge beachtet werden, beispielsweise soll meist so wenig Platz wie möglich benötigt werden. Doch auch die Form des Endgeräts kann dabei Einfluss auf die Außenmaße des PCB nehmen, schließlich muss das Board an eine bestimmte Stelle passen. Als finalen Schritt müssen die Komponenten schließlich miteinander verbunden werden. Dieser Prozess ist in der Elektronikbranche als Routing bekannt. Das ist ebenso eine anspruchsvolle Aufgabe, weshalb die Elektronikentwickler froh über Unterstützung durch Software, genauer gesagt durch ECAD Tools, sind.

Bevor CAD Tools exisiterten, mussten Elektronikentwickler händisch zeichnen
Before CAD-tools, electronics engineers had to draw manually

PCB Designen: ein Blick in die Vergangenheit

Früher wurde der Designprozess manuell vorgenommen. Bevor es CAD, EDA und ECAD Tools gab, mussten alle integrierten Schaltungen händisch gezeichnet werden. Der gesamte Prozess von Auswahl, Anordnung und Routing kann jedoch trotz elektronischer Unterstützung Wochen oder sogar Monate dauern. Das liegt unter anderem am Prozess, wie die Komponenten auch heutzutage noch ausgewählt werden. Nach wie vor werden seitenweise Listen mit Zahlen und Eigenschaften händisch durchgesehen, um letztendlich die passende Auswahl zu treffen. Wie man sich vorstellen kann, ist es im Interesse jedes Unternehmens und Entwicklers beim gesamten Designprozess bestmöglich unterstützt zu werden. Die ersten Tools für die Anordnung und Routing wurden 1970 eingeführt. Bisher gab es kein Tool, das alle Schritte des PCB Designs kombiniert und automatisiert leisten kann. Lediglich einzelne Schritte, Komponentenauswahl, Anordnung und Routing, konnten bisher automatisiert werden. CELUS ist das erste Tool, das all dies kombiniert. Das ist nur auf Grund der speziellen Software möglich, die auf künstlicher Intelligenz basiert. Jedoch unterstützt CELUS andere Tools, wie CAD-Tools oder Routing Tools und kann Input aus ihnen implementieren, unabhängig vom Dateiformat. Das erleichtert es, CELUS in die eigenen Arbeitsabläufe zu integrieren.

Unterschiede und Funktionen von CAD Tools

Den Schritt der Komponentenauswahl betreffend, kann ein CAD Tool eine große Hilfe sein, indem es manuelle Arbeit digitalisiert. Das ist auch der Zweck der meisten CAD Tools: Alle Anforderungen und Eigenschaften in einer digitalen Software zu sammeln. Durch Cloud-basierte Lösungen können auch große Datenmengen gesichert werden, was insbesondere bei komplexen PCBs nötig ist, hier kommen schnell große Datenmengen zusammen. Verschiedene Tools bieten unterschiedliche Funktionalitäten und je nach Anforderung gilt es die richtige Wahl zu treffen. Einige CAD Tools sind gratis, andere kosten viel Geld – je nach Funktionen. Zum Beispiel gibt es auch einen großen Unterschied zwischen 2D und 3D Modellen, für die es jeweils verschiedene Tools gibt. Im Allgemeinen gilt: Je günstiger die Software, desto weniger Funktionen bietet sie.

Eine günstige oder kostenlose CAD Software ermöglicht es dem Entwickler digital zu zeichnen, wobei Gleichungen und Zahlen manuell eingegeben werden müssen. Die Arbeit, die einst mit Stift und Papier getan wurde, ist jetzt digitalisiert und für die Eingabe wichtiger Informationen gibt es entsprechende Felder in der Nutzeroberfläche.

Teurere Software bietet darüber hinaus ein Analysefeature. Das bedeutet, dass der Nutzer zwar Kennzahlen manuell eingeben muss, das ECAD Tool überprüft diese jedoch auf etwaige Widersprüche. Auch wenn es dann um Anordnung und Routing geht, kann die Software ebenfalls Fehler identifizieren. Dieser sogenannte Design Rule Check ist umfassender und verlässlicher je besser die Software ist. Höherqualitative (und meist auch teurere) Software, erlaubt meist auch höhere Komplexität hinsichtlich Komponenten und Design. Ob günstige Open-Source Software oder eine hochqualitative Software nötig ist, hängt also grundsätzlich vor allem von den eigenen Anforderungen ab, die daher klar definiert sein müssen.

Lernen übliche Tools zu nutzen

Den beschriebenen Designprozess erlernen Studierende der Elektronikentwicklung während ihres Studiums. Sie lernen dabei auch mit den üblichen hochwertigen CAD Tools umzugehen, die in der Industrie verwendet werden, wie beispielsweise von Altium, Zuken oder Mentor Graphics. Im Arbeitsleben sind Studierende also schon geübt im Umgang mit dem Altium Designer aus dem Hause Altium, E3 von Zuken oder Pads von Mentor Graphics. Einige von ihnen bieten auch kostenlose Testversionen für Studierende an, die es ermöglichen sollen, sich am PCB Design zu üben. Alle erwähnten Software Tools sind EDA-software und daher speziell zur Unterstützung von Elektronikentwicklern. Während Pads und E3 verschiedene Versionen für bestimmte Anforderungen anbieten, ist der Altium Designer trotzdem einer der meistgenutzten Tools auf dem Markt. Sie alle bieten 3D Modelle an, was besonders für Anordnung und Routing hilfreich ist. Was sie zusätzlich als hochqualitative Tools auszeichnet, ist die Nutzeroberfläche. In einigen CAD Tools kann diese manchmal verwirrend oder schwer verständlich für den Nutzer sein.

Wenn sie mehr über Elektronikentwicklung im Allgemeinen erfahren wollen, empfehlen wir diesen Artikel.

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