第三章PCB的设计

第三章PCB的设计【案例4】四则运算演示3.1【案例5】百鸡问题3.2【案例4】四则运算演示3.1【案例5】百鸡问题3.2【案例4】四则运算演示3.1生成PCB文件任务二PCB设计流程与环境任务一【案例6】彩票组合3.3ProtelDXP库的建立与元件制作任务三ProtelDXP库的建立与元件制作任务三ProtelDXP库的建立与元件制作任务三任务一PCB设计流程与环境阶段一PCB的相关概念阶段二PCB设计的流程和原则阶段三PCB编辑环境阶段一PCB的相关概念1．Protel设计中PCB的层ProtelDXP提供有多种类型的工作层。只有在了解了这些工作层的功能之后，才能准确、可靠地进行印制电路板的设计。ProtelDXP所提供的工作层大致可以分为7类：SignalLayer(信号层)、InternalPlanes(内部电源/接地层)、MechanicalLayers(机械层)、Masks(阻焊层)、Silkscreen(丝印层)、Others(其他工作层面)及System(系统工作层)。2．封装元件封装：是指实际的电子元器件或集成电路的外型尺寸、管脚的直径及管脚的距离等，它是使元件引脚和印刷电路板上的焊盘一致的保证。元件的封装可以分成针脚式封装和表面粘着式（SMT）封装两大类。3．铜膜导线铜膜导线也称铜膜走线，简称导线，用于连接各个焊盘，是印制电路板最重要的部分。与导线有关的另外一种线常称为飞线，即预拉线。飞线是在引入网络表后，系统根据规则生成的，是用来指引布线的一种连线。飞线与导线有本质的区别，飞线只是一种形式上的连线，它只是在形式上表示出各个焊盘的连接关系，没有电气的连接意义。4．焊盘(Pad)焊盘的作用是放置焊锡，连接导线和元件引脚。选择元件的焊盘类型要综合考虑该元件的形状、大小、布置形式、振动和受热情况、受力方向等因素。Protel在封装库中给出了一系列大小和形状不同的焊盘，如圆、方、八角、圆方和定位用焊盘等，但有时还不够用，需要自己编辑。例如：对发热且受力较大，电流较大的焊盘，可自行设计成“泪滴状”。5．过孔(Via)为连通各层之间的线路，在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔，这就是过孔。过孔有三种，即从顶层贯通到底层的穿透式过孔、从顶层通到内层或从内层通到底层的盲过孔以及内层间的隐藏过孔。6．敷铜对于抗干扰要求比较高的电路板，需要在PCB上敷铜。敷铜可以有效地实现电路板的信号屏蔽作用，提高电路板信号的抗电磁干扰能力。阶段二PCB设计的流程和原则1．PCB板的设计流程2．PCB设计的基本原则1．PCB板的设计流程PCB板是所有设计过程的最终产品。PCB图设计的好坏直接决定了设计结果是否能满足要求，PCB图设计过程中主要有以下几个步骤：（1）创建PCB文件在正式绘制之前，要规划好PCB板的尺寸。这包括PCB板的边沿尺寸和内部预留的用于固定的螺丝孔，也包括其他一些需要挖掉的空间和预留的空间。（2）设置PCB的设计环境（3）将原理图信息传输到PCB中规划好PCB板之后，就可以将原理图信息传输到PCB中了。（4）元件布局元件布局要完成的工作是把元件在PCB板上摆放好。布局可以是自动布局，也可以是手动布局。（5）布线根据网络表，在ProtelDXP提示下完成布线工作，这是最需要技巧的工作部分，也是最复杂的一部分工作。（6）检查错误布线完成后，最终检查PCB板有没有错误，并为这块PCB板撰写相应的文档。（7）打印PCB图纸2．PCB设计的基本原则印制电路板设计首先需要完全了解所选用元件及各种插座的规格、尺寸、面积等。当合理地、仔细地考虑各部件的位置安排时，主要是从电磁兼容性、抗干扰性的角度，以及走线要短、交叉要少、电源和地线的路径及去耦等方面考虑。印制电路板上各元件之间的布线应遵循以下基本原则：（1）印制电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决。（2）电阻、二极管、管状电容器等元件有“立式”和“卧式”两种安装方式。（3）同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。（4）总地线必须严格按高频、中频、低频一级级地按弱电到强电的顺序排列，切不可随便乱接。（5）强电流引线(公共地线、功放电源引线等)应尽可能宽些，以降低布线电阻及其电压降，减小寄生耦合而产生的自激。（6）阻抗高的走线尽量短，阻抗低的走线可长一些，因为阻抗高的走线容易发射和吸收信号，引起电路不稳定。（7）各元件排列、分布要合理和均匀，力求整齐、美观、结构严谨。电阻、二极管的放置方式分为平放和竖放两种，在电路中元件数量不多，而且电路板尺寸较大的情况下，一般采用平放较好。（8）电位器。电位器的安放位置应当满足整机结构安装及面板布局的要求，因此应尽可能放在板的边缘，旋转柄朝外。（9）IC座。设计印制板图时，在使用IC座的场合下，一定要特别注意IC座上定位槽放置的方位是否正确，并注意各个IC脚位是否正确。（10）进出接线端布置。相关联的两个引线端不要距离太大，一般为2/10～3/10inch左右较合适。进出线端尽可能集中在1～2个侧面，不要太过离散。（11）要注意管脚排列顺序，元件引脚间距要合理。如电容两焊盘间距应尽可能与引脚的间距相符。（12）在保证电路性能要求的前提下，设计时尽量走线合理，少用外接跨线，并按一定顺序要求走线。走线尽量少拐弯，力求线条简单明了。（13）设计应按一定顺序方向进行，例如：可以按从左往右和由上而下的顺序进行。（14）线宽的要求。导线的宽度决定了导线的电阻值，而在同样大的电流下，导线的电阻值又决定了导线两端的电压降。阶段三PCB编辑环境PCB编辑环境主界面如图所示，包含菜单栏、主工具栏、布线工具栏、工作层切换工具栏、项目管理区、绘图工作区等6个部分。1．菜单栏PCB绘图编辑环境下菜单栏的内容和原理图编辑环境的菜单栏类似，这里只简要介绍以下几个菜单的大致功能：【Design】：设计菜单，主要包括一些布局和布线的预处理设置和操作。如加载封装库、设计规则设定、网络表文件的引入和预定义分组等操作。【Tools】：工具菜单，主要包括设计PCB图以后的后处理操作。如设计规则检查、取消自动布线、泪滴化、测试点设置和自动布局等操作。【AutoRoute】：自动布线菜单，主要包括自动布线设置和各种自动布线操作。2．主工具栏(MainToolbar)主工具栏主要为一些常见的菜单操作提供快捷按钮，如缩放、选取对象等命令按钮。3．布线工具栏(PlacementTools)执行菜单命令【View】/【Toolbars】/【Placement】，则显示放置工具栏。该工具栏主要为用户提供各种图形绘制以及布线命令，如图所示。放置导线线条放置焊盘放置过孔放置圆弧放置矩形放置文本放置器件封装放置敷铜区4．编辑区编辑区是用来绘制PCB图的工作区域。启动后，编辑区的显示栅格间为1000mil。编辑区下面的选项栏显示了当前已经打开的工作层，其中变灰的选项是当前层。几乎所有的放置操作都是相对于当前层而言，因此在绘图过程中一定要注意当前工作层是哪一层。5．工作层切换工具栏实现手工布线过程中要根据需要在各层之间切换。6．项目管理区项目管理区包含多个面板，其中有三个在绘制PCB图时很有用，它们分别是【Projects】、【Navigator】和【Libraries】。【Projects】用于文件的管理，类似于资源管理器；【Navigator】用于浏览当前PCB图的一些当前信息。【Navigator】的对象有五类，项目浏览区内容如图所示。任务二生成PCB文件阶段一PCB文件的创建阶段二PCB设计环境的设置阶段三原理图信息的导入阶段四元件的放置及封装的修改阶段五布线阶段六PCB设计的检查阶段七PCB图的打印及文件输出阶段一PCB文件的创建PCB文件的创建有两种方法，一种是采用向导创建。在创建文件的过程中，向导会提示用户进行PCB板子大小、层数等相关参数的设置。另外一种是直接新建PCB文件，采用默认设置或手动设置电路板的相关参数。1．使用PCB向导来创建PCB文件（1）如图在Files面板底部的NewfromTemplate单元点击PCBBoardWizard创建新的PCB。（2）PCBBoardWizard打开。如图3-6，首先看见的是介绍页，点Next按钮继续。（3）设置度量单位为英制（Imperial），注意，1000mils=1inch=2．54cm。（4）选择要使用的板轮廓，使用自定义的板子尺寸，如图3-8从板轮廓列表中选择Custom，点击Next。（5）进入自定义板选项。之前设计的振荡电路，一个2inch×2inch的板子就足够了。选择Rectangular并在Width和Height栏键入2000。取消选择TitleBlock&Scale、LegendString以及CornerCutoff和InnerCutoff。点击Next继续。（6）选择板子的层数。这里需要两个signalLayer（即TopLayer和BottomLayer），如图3-10。不需要powerplanes，点击Next继续。（7）选择过孔风格。如图3-11所示，选择ThruholeViasonly，过孔为通孔式，点击Next继续。（8）选择电路板的主要器件类型，如图3-12，选择Through-holecomponents选项，插脚元件为主，将相邻焊盘（pad)间的导线数设为OneTrack，（9）设置一些应用到板子上的设计规则，线宽、焊盘及内孔的大小、线的最小间距。如图3-13所示，设为默认值。点Next按钮继续。（10）将自定义的板子保存为模板，允许按输入的规则来创建新的板子基础。这里选不将教程板子保存为模板，确认该选项未被选择，点击Finish关闭向导。（11）PCB向导收集了它需要的所有信息来创建新板子。PCB编辑器将显示一个名为PCB1．PcbDoc的新PCB文件。PCB文档显示的是一个默认尺寸的白色图纸和一个空白的板子形状（带栅格的黑色区域），选择【View】/【FitBoard】将只显示板子形状，如图3-15所示。（12）保存PCB文档，并将其添加到项目中，选择【File】/【SaveAs】将新PCB文件重命名（用*．PcbDoc扩展名）。指定要把这个PCB保存的位置，在文件名栏里键入文件名zdq．PcbDoc并点击Save。2．手动创建PCB文件并规划PCB（1）单击菜单命令【File】/【New】/【PCB】，即可启动PCB编辑器，同时在PCB编辑区出现一个带有栅格的空白图纸。（2）用鼠标单击编辑区下方的标签KeepoutLayer，即可将当前的工作层设置为禁止布线层，该层用于设置电路板的边界，以将元件和布线限制在这个范围之内。这个操作是必须的，否则，系统将不能进行自动布线。（3）启动放置线（PlaceLine)命令，绘制一个封闭的区域，规划出PCB的尺寸，线的属性可以设置。（4）将新的PCB添加到项目如果想添加到项目的PCB是以自由文件打开的，在Projects面板的FreeDocuments单元右击PCB文件，选择AddtoProject。这个PCB现在就列表在Projects标签紧靠项目名称的PCB下面并连接到项目文件。阶段二PCB设计环境的设置1．PCB层的说明及颜色设置在PCB设计时执行菜单命令【Design】/【BoardLayers&Colors】选项，可以设置各工作层的可见性，颜色等．如图在PCB编辑器中有七种层：信号层、丝印层、机械层、中间层、阻焊层、系统工作层、其他层。（1）SignalLayer(信号层)：包含TopLayer、BottomLayer，可以增加MidLayer层（对于多层板是需要的），这几层是用来画导线或覆铜的（当然还包括TopLayer、BottomLayer的SMT贴片器件的焊盘）；（2）Silkscreen(丝印层)：包含TopOv