I migliori tools gratuiti per realizzare il layout di un PCB

Recentemente sul mercato sono apparsi nuovi strumenti che consentono di realizzare il layout di una scheda elettronica in maniera sempre più agevole. Quello che fino a pochi anni fa si poteva fare solamente grazie a tool estremamente complessi e costosi, ora è diventato alla portata anche dei neofiti. Una volta realizzato il layout, si possono ordinare i PCB in rete dai numerosi fornitori che, con un costo contenuto, possono fare la gioia di tanti appassionati di elettronica. In questo articolo si vuole fare una breve panoramica su questi tool gratuiti, differenziando tra quelli open source, quelli solamente web e quelli tradizionali. Per ciascuno si cercherà di evidenziare pregi e difetti e soprattutto delineare le limitazioni che li accompagnano. In questo modo in base alle esigenze sarà possibile scegliere il migliore tool gratuito a disposizione.

Introduzione

E' innegabile che negli ultimi anni il mondo dei CAD per PCB sia stato rivoluzionato. Laddove esistevano pochi e costosi strumenti, ora proliferano nuovi programmi che promettono performance e funzionalità quantomeno simili ai programmi che per anni hanno dominato questo mercato. Un tempo, per realizzare la propria scheda elettronica, bisognava affidarsi agli specialisti dello "sbroglio" ovvero figure che utilizzando programmi professionali ed estremamente costosi, trasformavano lo schematico in un layout pronto per essere poi ordinato ad un fornitore di circuiti stampati e infine assemblato. Questo processo, inevitabilmente costoso, era possibile per chi realizzava schede commerciali, da integrare in prodotti o da vendere direttamente in volumi elevati. Rimanevano esclusi una larga fetta di hobbisti che per le proprie schede erano quindi costretti al fai da te, con risultati non esattamente confrontabili con i prodotti commerciali. L'avvento dei componenti SMD ha definitivamente decretato che la realizzazione di layout a complessità medio alta diventava una prerogativa di quei pochi che possedevano e sapevano utilizzare questi programmi commerciali.

Nell'ultimo periodo, in tanti hanno sentito l'esigenza di permettere anche a hobbisti, smanettoni e amanti di elettronica in generale di realizzare le proprie schede elettroniche. Per questo motivo sono nati una serie di programmi gratuiti che permettono di realizzare da sé il layout di schede elettroniche e sono nati dei servizi on-line di realizzazione di circuiti stampati anche in bassi volumi. Qualcuno ha intuito che così si sarebbe colmato un buco e create nuove opportunità di business, e così è stato effettivamente.

Ora a disposizione di chi vuole realizzare da sè il layout di una scheda, esistono numerosi programmi gratuiti. Per realizzare una prima classificazione tra tutti i programmi disponibili, li divideremo in Open Source, On-line e Tradizionali. Molti penseranno che comunque il fatto di avere a disposizione uno strumento gratuito non basti per saper fare un layout. Questo è vero, ma sicuramente è anche un primo importante step. Molti di questi programmi includono delle funzioni, che anche chi è del mestiere utilizza, per realizzare uno sbroglio preliminare della scheda. Molti di questi programmi includono una utilissima funzione di "autoroute" che, in autonomia e definiti i parametri iniziali della scheda (numero di layer, dimensioni dei fori, passo di componenti, etc.) è in grado di tracciare le piste di collegamento tra i vari componenti elettronici. Questa funzione è di estremo aiuto poiché solitamente l'80% delle piste di una scheda elettronica non sono critiche, e la loro tracciatura in automatico, anche se magari non ottimizzata al 100%, è comunque un vantaggio. Solitamente si parte dando un piazzamento di massima ai componenti presenti sulla scheda cercando di mettere vicini quelli che hanno più net di collegamento tra loro, come ad esempio i microcontrollori e le memorie, i connettori e i filtri d'ingresso, i regolatori e la relativa circuiteria di switching. Il passo successivo è quello di tracciare le net più critiche che solitamente impattano anche sull'orientamento dei componenti elettronici. Si parte dalle piste di clock e da quelle dei segnali più veloci. Attenzione anche ai segnali differenziali, come per esempio le linee USB che devono viaggiare sempre parallele e devono essere della stessa lunghezza. Attenzione alle linee di segnale che commutano velocemente, come ad esempio le linee dati provenienti da sensori d'immagine o ai segnali seriali ad alta velocità. Infine, fatto ciò, si può lasciare che l'autoroute completi le restanti net. Ovviamente il processo non è sempre così semplice e spesso si deve procedere per iterazioni successive cercando sempre di ottenere il massimo dell'ottimizzazione.

Per chi vuole saperne di più consigliamo di leggere un nostro precedente articolo dedicato all'arte dello sbroglio.

Come detto questi programmi risentono di limitazioni che spesso sono espresse in numero massimo di layer in grado di essere gestiti, in numero massimo di pin presenti nello schema o nel numero massimo di componenti presenti nello schema. Di seguito per ogni programma citato si confronterà anche l'aspetto delle limitazioni.

PCB CAD open source

Il mondo dei programmi open source è in continuo fermento, chi conosce il mondo Linux lo sa bene, per definizione questi programmi non sono protetti da copyright e di conseguenza sono liberamente modificabili dagli utenti. Questo significa che alle spalle non c'è un'azienda che pensa di guadagnare dalla vendita di questi prodotti ma ci sono degli sviluppatori che hanno lavorato insieme per realizzare un prodotto che chiunque può utilizzare e modificare, aggiungendo funzionalità e personalizzazioni. Il principio dell'open source prevede che queste modifiche vengano rese disponibili ad una community di utilizzatori del programma che può, a sua volta, implementarle. Ovviamente queste tipologie di SW hanno successo quanto più è vasta la community di persone che li utilizza e contribuisce al loro miglioramento. Proprio per la natura open source di questi progetti, solitamente vengono sviluppati per piattaforme a loro volta open source. Sarà quindi difficile trovare SW open source in ambiente Windows, mentre sarà molto più semplice trovare SW open source in ambiente Linux.

I due programmi open source che verranno proposti sono entrambi in grado di lavorare in ambiente Linux ma uno solo in ambiente Windows. I programmi sono KiCad e gEDA, in tabella 1 vengono messi a confronto.

 PCB CAD Open Source 
Nome KiCad gEDA
OS Supportati Windows, OSX, Linux OSX, Linux
Limitazioni No  8 Layer
Upgrade a pagamento No No
Autoroute Auto-assist, diff-pairs, trace length No
Realizzazione schematici Sì, anche gerarchici Si
Vista 3D Si No
Note Possibilità di usare script in python

Tabella 1: PCB CAD Open Source

Se mettiamo a confronto i due programmi vediamo che KiCad offre un maggiore set di funzionalità rispetto a gEDA, tuttavia non è molto diffuso anche se si parla di un coinvolgimento anche del CERN. Per quanto riguarda gEDA spesso sembra che chi lo utilizzi lo faccia più per filosofia che non per effettiva praticità, infatti senza la funzionalità di autoroute tutte le net devono essere tracciate a mano. In ogni caso essendo più "anziano", gEDA vanta un ecosistema molto ampio. Il programma gEDA è una collezione di diversi tool che sono strettamente correlati e sono in grado di lavorare con il progetto SW gEDA. La suite include:

Tool per schematico e netlisting Tool per la simulazione digitale e analogica Tool per il layout e la produzione
gEDA/gaf spice – netlister for SPICE simulation pcb – PCB layout
ngspice – SPICE simulation gerbv – Gerber viewer
gnucap – modern “post-spice” (and SPICE) analog and mixed signal circuit simulator wcalc – Transmission line and electromagnetic structure analysis
Icarus Verilog – Verilog simulator mcalc – Microstrip Analysis/Synthesis Calculator
covered – Verilog Code Coverage Analyzer
gspiceui – GUI front end for ngspice/gnucap

In figura 1 viene mostrato uno screenshot del programma gEDA. Per chi volesse ulteriori informazioni, il link alla home page del progetto è http://geda-project.org. In figura 2 è invece possibile vedere una delle funzioni più interessanti disponibili in KiCad, ossia il rendering 3d della scheda.

Figura 1: Screenshot del programma gEDA.

Figura 1: Screenshot del programma gEDA

 

Figura2: Rendering 3d con KiCad

Figura 2: Rendering 3d con KiCad

PCB CAD on-line

Il mondo dei CAD on-line è sempre in fermento e in continua evoluzione. Esistono una serie di programmi veramente ben fatti, estremamente veloci e ricchi di funzionalità, basati sulle tecnologie web. Molti di questi programmi sono proprio di quelle società che permettono di piazzare un ordine di PCB ma che, tuttavia, non permettono di avere a disposizione i file "gerber" necessari per poter far realizzare il circuito stampato da chiunque tu voglia.

Citiamo innanzitutto alcune buone ragioni per prendere in considerazione l'utilizzo dei CAD on line: il supporto cross-Platform, la possibilità per più sviluppatori di poter lavorare sullo stesso progetto e la possibilità di essere sempre aggiornato. Ovviamente ci sono anche degli svantaggi, il principale risiede nel dover avere a disposizione una buona connessione internet per lavorare sul progetto. I due tool in versione free che mi sento di segnalare basano la loro filosofia sul fatto che il PCB così realizzato rimanga di pubblico dominio, visibile agli altri utenti e che solo un numero limitato di progetti possa rimanere privato. A questa categoria appartengono EasyEDA e Upverter, di seguito una tabella comparativa:

 

 PCB CAD On-line
Nome EasyEDA Upverter
OS Supportati Web-based Web-based
Limitazioni Numero di progetti privati limitato Numero di progetti privati limitato
Upgrade a pagamento Si Si
Autoroute No No
Realizzazione schematici Si Sì, anche gerarchici
Vista 3D No No
Note Supporta la simulazione Spice  Schematizzazione a blocchi

Tabella 2: PCB CAD Open Source

Upverter è un tool molto bello, vincitore anche di alcuni premi, che ha anche una interessantissima funzione di schematizzazione a blocchi. Sul sito web https://upverter.com/ è disponibile un tutorial molto dettagliato. In figura 3 e 4 è possibile vedere rispettivamente lo schematico e il PCB per lo stesso progetto. Bisogna sottolineare che alcune operazioni, come gli spostamenti della scheda per avere visualizzazioni differenti, impiegano tempi di refresh notevoli dovendo aggiornare tutte le tracce, quindi è bene dotarsi di una connessione molto veloce.

Figura 3: Schematico realizzato con Upverter

Figura 3: Schematico realizzato con Upverter

 

Figura 4: PCB layout realizzato con Upverter

Figura 4: PCB layout realizzato con Upverter

EasyEDa è un tool estremamente semplice, realizzare lo schematico risulta agevole facendo drag and drop dal menu dei componenti sulla sinistra, vedi figura 5. E' possibile creare i propri simboli in maniera molto agevole grazie allo strumento "symbol wizard". Una delle funzionalità più accattivanti di EasyEDA è quella di avere una libreria di simboli 3D con la quale è possibile realizzare lo schematico (non il PCB). In figura 6 è mostrato uno schema realizzato in questo modo. In figura 7 viene invece mostrata la realizzazione del PCB, da segnalare la funzione di riempimento veloce, bella da vedere e realizzabile in maniera estremamente semplice. Il programma è veramente facile da usare [...]

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14 Commenti

  1. Davide Di Gesualdo Davide Di Gesualdo 7 Febbraio 2020
  2. Maurizio Maurizio 7 Febbraio 2020
    • Adriano Gandolfo Adriano Gandolfo 7 Febbraio 2020
    • DevidSp 8 Febbraio 2020
  3. Adriano Gandolfo Adriano Gandolfo 7 Febbraio 2020
  4. maurisat maurisat 7 Febbraio 2020
    • Luca Stanzani Luca Stanzani 17 Febbraio 2020
  5. ZOPDAR ZOPDAR 9 Febbraio 2020
  6. Emanuele Bonanni Emanuele Bonanni 9 Febbraio 2020
  7. tattolilm tattolilm 10 Febbraio 2020
  8. santelectronic santelectronic 11 Febbraio 2020
  9. Doc77 Doc77 12 Febbraio 2020
  10. Luca Stanzani Luca Stanzani 17 Febbraio 2020
  11. Silvio 2 Aprile 2020

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