PCB元件封装的编辑与制作及IO口的扩展

情境10PCB元件封装的编辑与制作及I/O口的扩展学习情境目标通过学习了解PCB元件封装库（PCBLib）编辑器设计环境；掌握编辑元件封装库中已有封装的方法；掌握制作新元器件封装的方法；掌握利用8255扩展外部I/O口。任务一PCB元件封装的编辑与制作任务目标虽然Protel99SE中系统已经提供了数量庞大的元件库，其中含有大量的元件封装，但是随着新元器件的不断出现，以及一些特殊要求的元器件的使用，设计软件不可能包含电路板设计者所需的全部元器件的封装图。七段数码管其实物如图10-1，而原理图中该元件符号如图10-2所示，但在PCB封装库中没有合适的封装图，这就需要设计者自己制作出符合实际尺寸的七段数码管封装图。同样常用继电器（如图10-3）也没有对应的封装图。故本次设计任务目标：设置PCB元件封装库编辑器设计环境；2、建立一个新的封装库，取名为“自建PCB元件.lib”，它包括多个自建的元件封装图，具体参数要求如图10-4七段数码管封装图、图10-5继电器封装图所示；其中图10-4中焊盘外径尺寸100mil×60mil，焊盘孔径25mil；图10-5中焊盘外径尺寸80×80mil，焊盘孔径40mil。3、修改PCBFootprints.lib封装库中已有的二极管封装图，使其封装焊盘号与原理图中元件引脚号一致，如图10-6所示。4、在PCB编辑器环境下调用自建的元件封装库及其封装图。知识点1.了解PCB元件封装库（PCBLib）编辑器设计环境；2.掌握编辑元件封装库中已有封装的方法；3.掌握制作新元器件封装的方法；4.掌握I/O口的扩展方法。技能点1.分别运用手工法和向导法编辑与制作新元件的封装；2.在PCB编辑器环境下调用自建的元件封装图；3.利用8255扩展I/O口，外接输入输出设备。图10-1七段数码管图10-2七段数码管元件图图10-3继电器图10-4七段数码管封装图图10-5继电器封装图图10-6二极管封装焊盘号任务分析七段数码管采用类似DIP（双列直插式）封装形式，因此可以通过向导法借用DIP10的封装来制作。而继电器封装比较简单，采用PCB封装库中的绘图工具手工制作完成。相关知识1、元件封装的分类：（1）针脚式元件：元件的引脚是一根导线，安装元件时该导线必须通过焊盘，穿过电路板焊接固定，焊盘必须钻一个能够穿过引脚的孔（从顶层钻通到底层），图10-7为针脚式元件的封装图，其中焊盘的Layer板层属性必须设置为MultiLayer（穿透层）。图10-7针脚式元件图10-8表面贴装式元件（2）表面贴装式元件：直接把元件贴在电路板表面，靠粘贴固定，所以焊盘不需要钻孔，特别适合大批量、全自动、机械化的生产加工，因此成本较低。表面贴装式元件各引脚间的间距很小，故元件体积也小。图10-8为表面贴装式元件的封装图，其中焊盘的Layer属性必须设置为单一板层，如TopLayer（顶层）或BottomLayer（底层）。2、元件封装的编号：一般用元件类型+焊盘距离(焊盘数)+元件外形尺寸来表示，所以可根据元件封装编号来判别元件封装的规格。如：AXIAL0.4表示此元件封装为轴状，两焊盘间距为400mil；RB.2／.4表示极性电容类元件封装，引脚间距为200mil，外形直径为400mil。３、元件封装图的结构：包含元件外形、焊盘、元件属性3部分。如图10-5继电器的封装由矩形外形、8个焊盘及相关属性信息构成。(1)元件外形：元件的实际几何图形，不具备电气性质，它起到标注符号或图案的作用。(2)焊盘：元件主要的电气部分，相当于电路图里的引脚。(3)元件属性：设置元件的位置、层面、序号和类型值等信息。封装更注重元件的引脚尺寸，对于任何元器件都需要按照实际的元件尺寸画封装图，同时对于针脚式元件还要使焊盘的尺寸足够大，以便元器件的引脚能够插入焊盘。所以在设计元件封装图前，需要了解元件外形、引脚形状及尺寸、引脚间距等信息。元件使用手册中一般给出元件安装参数，若没有器件封装尺寸数据，在画元件封装图时，可使用游标卡尺、螺旋测微器等高精度测量工具对元件外形、引脚间距、安装螺丝孔径等进行精确测量，然后在PCB封装库编辑器中绘制元件封装图。另外还需要注意公英制单位之间的转换。任务实施过程1、启动PCB元件封装库编辑器：方法类似原理图元件库编辑器的启动。首先在当前设计数据库环境下，执行菜单命令File/New…，进入“NewDocument”对话框，选择PCB元件库编辑器图标，如图10-9所示。双击该图标或单击OK按钮后，系统在当前设计数据库中建立一个新元件封装库文件，修改文件名为“自建PCB元件.lib”。然后双击该文件图标，进入PCB封装库编辑器工作界面，如图10-10所示。2、设置PCB封装库编辑器环境（1）编辑区调整。最初进入PCB封装库的编辑区内有一个十字坐标轴，其中心坐标为原点（0，0）。单击鼠标右键，出现图10-11菜单，选择LibraryOptions…命令，Layers标签中打开第一可视栅格，关闭第二可视栅格，如图10-12所示；Options标签中将定位栅格均设置为5mil，电气栅格取4mil，如图10-13所示。提示：PCBLibplacementTools工具栏的各项含义类似PCB工作环境中相应工具栏。图10-9“NewDocument”对话框图10-10PCB封装库编辑器界面图10-11封装库编辑器环境设置菜单图10-12可视栅格设置（2）工作参数及图纸参数设置。执行菜单命令Tools/Preferences…，进入图10-14所示参数设置对话框，可以对工作层、焊盘、过孔等的显示颜色、光标形状等信息设置。（3）打开封装库管理器。点击View/DesignManager，选择BrowsePCBLib标签，可切换到封装库管理器，如图10-15所示。其中Components(元件列表)窗口内容与原理图元件库编辑器相同，不再重复。UpdatePCB按钮功能是更新PCB图中有关该元件的信息，即在元件封装库编辑器中所做的修改可相应反应到电路板中。图10-13定位栅格设置图10-14封装库参数设置对话框图10-15封装库管理器3、用向导法制作七段数码管封装图(参数要求见图10-4)(1)启动封装向导：在上述自建PCB元件.lib的封装库编辑器工作界面中，单击BrowsePCBLib标签中的Add按钮，或执行菜单命令Tools/NewComponent，进入图10-16的元件封装向导界面。（2）选择元件封装外形及尺寸单位：单击图10-16中“Next”按钮进入图10-17，选择“Dualin-linePackage(DIP)”——双排直插式封装形式，并选择英制单位“Imperial(mil)”。提示：表10-1列出了12种元件封装形式的中文名称。表10-1通过向导创建的封装类型Dualin-linePackage(DIP)双列直插式封装BallGridArray(BGA)格点阵列式封装StaggeredBallGridArray错列BAG封装Diodes二极管型封装Capacitors电容型封装QuadPacks(QUAD)四方扁平塑料封装PinGridArray(PGA)引脚网络阵列封装Resistors电阻型封装StaggeredPinGridArrays错列PGA封装SmallOutlinePackage小型表贴式封装LeadlessChipCarrier(LCC)无引线芯片载体型封装EdgeConnectors边缘连接型封装（3）确定元件引脚焊盘尺寸：单击“Next”进入图10-18，缺省引脚焊盘外径尺寸为100mil×50mil，引脚焊盘孔径为25mil。根据要求修改尺寸，直接将鼠标移到原尺寸数据50mil上，单击鼠标左键输入60mil。图10-16元件封装向导界面注意：焊盘外径尺寸应大于焊盘孔径，引脚焊盘外径与焊盘孔径之间关系如表10-2所示。表10-2最小焊盘直径与引线孔直径的关系单位：mm引线孔直径最小焊盘直径0.40.50.60.80.91.01.31.62.0高精度0.80.91.01.21.31.41.72.22.5普通精度1.01.01.21.41.51.61.82.53.0低精度1.21.21.51.82.02.53.03.54.0图10-17选择元件封装外形及尺寸单位（4）设置引脚水平间距和垂直间距（指焊盘中心距）：单击“Next”进入图10-19，经实际测量得知该数码管引脚水平间距为800mil，垂直间距为150mil。在图10-19中加以修改。（5）设置元件外轮廓线宽度：单击“Next”进入图10-20，设置元件外轮廓线宽度与设置元件引脚焊盘尺寸方法相同，一般采用默认值10mil。图10-18设置引脚焊盘尺寸（6）输入元件引脚数目：单击“Next”进入图10-21，七段数码管应有10个引脚。（7）输入元件封装名称：单击“Next”进入图10-22，在文本框中输入元件名“七段数码管”。图10-19设置焊盘间距（8）最后确定：单击“Next”进入图10-23，当确认元件外形、焊盘外径、孔径、间距等尺寸无误后，单击“Finish”按钮，完成向导过程，显示出七段数码管的初步封装，如图10-24所示。图10-20设置元件外轮廓线宽（9）旋转：图10-24中元件引脚排列方向与实际七段数码管不同，需要整体旋转。选定整个七段数码管，鼠标左键一直按住七段数码管5脚不放，点击空格键即可旋转。撤销选定状态后，如图10-25所示。（10）修改引脚焊盘属性：依次对10个焊盘引脚鼠标左键双击，进入到每个焊盘属性对话框中，如图10-26所示。根据七段数码管引脚名称及排列规则，逐一修改焊盘属性。（11）设置参考点：执行菜单命令Edit/SetReference/Location，将参考点放在“dp”引脚焊盘上，作为本元件的参考点，即该引脚焊盘坐标为（0，0）。图10-21输入元件引脚数目图10-22输入元件封装名称图10-23封装向导结束图10-24七段数码管初步封装图图10-25七段数码管旋转图10-26修改焊盘属性（12）修改外轮廓线：将工作层面切换到TopOverlay（顶层丝印层)，删除现有外轮廓线。然后将图10-13中定位栅格SnapX改为1mil，SnapY改为5mil。最后利用菜单命令Place/Track，或单击PCBLibPlacementTools工具栏中的按钮，按照任务目标中的尺寸要求绘制出数码管的外轮廓线，如图10-27所示，全部完成之后如图10-28所示。注意：根据尺寸要求，数码管的外轮廓四点坐标分别为（-662，875）、（63，875）、（-662，-75）、（63，-75），依据此坐标值绘制外轮廓线。图10-27绘制外轮廓线图10-28七段数码管封装图（13）保存：单击主工具栏内的按钮，将生成的七段数码管元件封装图保存到自建PCB元件.lib库文件中。至此，用向导法完成了在自建PCB元件.lib库中制作并增加七段数码管封装图的任务。注意：数码管元件图中管脚编号为1—8，分别对应a—dp，9对应VCC；而数码管封装图中管脚编号依次是e、d、3、c、dp、b、a、8、f、g，两个图的管脚号不一致，势必在调入网络表时出错，所以修改其封装图管脚号如图10-29所示。图10-29修改七段数码管封装图管脚号4、手工制作继电器封装图（参数要求见图10-5）（1）新建元件封装：在自建PCB元件.lib的封装库编辑器工作界面中，单击BrowsePCBLib标签中的Add按钮，或执行菜单命令Tools/NewComponent，进入图10-16的元件封装向导界面，对话框中单击按钮，退出元件封装创建向导。（2）设置工作环境：执行菜单命令Tools/LibraryOptions…进入图10-13，将定位栅格SnapX改为10mil，SnapY改为10mil。如图10-30所示。注意：为了使用户在绘制元件封装的过程中放置线段、弧线等更精确，应该将定位栅格设置的小一些，而电气栅格中数值要小于定位栅格。（3）放置引脚焊盘：执行