电子线路CAD课程总结.ppt

电子线路CAD课程总结 2009 6 课程内容 第七章PCB元件库的修改与创建 第五章印刷电路板设计初步 第四章电路仿真测试 第二章电原理图编辑 第一章电子线路CAD与Protel99SE概述 第六章双面印刷电路板设计举例 第三章层次电路原理图编辑 简要介绍电子线路CAD的基本概念 Protel99SE的功能 安装以及设计文件管理等方面的基本知识 详细介绍原理图编辑器的功能和原理图绘制方法 详细介绍仿真功能和原理图仿真分析方法 印刷板编辑器的功能 印刷板设计过程和技巧 以及信号完整性分析的原理 简要介绍元件封装图编辑器的功能及元件封装图的编辑 第一章电子线路CAD与Protel99SE概述 CAD的概念CAD是工程技术人员以计算机为工具 对产品和工程进行设计 绘图 分析和编写技术文档等设计活动的总称 EDAElectronicdesignautomation 电子设计自动化 CAM计算机辅助制造电子线路CAD的概念以计算机硬件和软件系统为平台 利用CAD通用软件和相应软件包来完成电子线路的设计过程 包括原理图的编辑 电路功能的仿真 工作环境的模拟 印刷板设计 布局与布线 与检测 布局 布线规则的检测 信号完整性分析 等 第一章电子线路CAD与Protel99SE概述 利用电子线路CAD软件进行电路设计流程编辑原理图 必要时利用CAD软件的电路仿真功能 对电路功能 性能指标进行仿真测试 PLD设计 生成网络表文件 有问题时返回 修改原理图 设计 编辑PCB 信号完整性分析 以确认信号在传输过程中是否发生畸变 在PCB中生成网络表文件 并对文件进行检查 第一章电子线路CAD与Protel99SE概述 Protel99 99SE的运行环境硬件环境CPU Pentium 或Celeron以上CPU RAM 32MB以上 硬盘 1G以上 显卡 1M内存以上 显示器 15英寸以上 分辨率不能低于1024 768 低于时 将不能完整显示窗口的下侧及右侧部分 软件环境要求Windows95 98或WindowsNT4 0 2000以上版本 第一章电子线路CAD与Protel99SE概述 Protel99 99SE的特点 将Schematic编辑 PCB编辑 PLD设计 自动布线 电路模拟仿真 信号完整性分析等功能有机结合 支持由上到下或由下到上的层次电路设计 原理图的电路仿真测试 提供ERC 电气规则检查 和DRC 设计规则检查 库元件的管理 编辑功能完善 全面兼容TANGO及ProtelforDOS Schematic和PCB之间具有动态连接功能 连续操作功能 快速放置同类型元件 连线等 第一章电子线路CAD与Protel99SE概述 Protel99SE文件类型认识CAMoutputconfiguration制造类文件输出SchematicDocument原理图文件SchematicLibraryDocument SchLib 原理图元件库文件PCBDocument印刷板文件PCBLibraryDocument印刷板图形库文件 SpreadSheetDocument表格文件 类似于电子表格 TextDocument文本文件 WaveformDocument波形文件Documentfolder文件夹 第一章电子线路CAD与Protel99SE概述 protel99se文件类型及其说明 abk自动备份文件 ddb设计数据库文件 pcb电路板文件 sch原理图文件 lib元件库文件 prj项目文件 pldPLD描述文件 txt文本文件 rep生成的报告文件 第一章电子线路CAD与Protel99SE概述 使用Protel99SE进行电子线路设计的流程原理图编辑设计PCB板填写PCB板制作工艺文件 第二章电原理图编辑 电原理图的概念所谓电原理图 就是使用电子元器件的电气图形符号以及绘制电原理图所需的导线 总线等示意性绘图工具来描述电路系统中各元器件之间的电气连接关系的一种符号化 图形化的语言 第二章电原理图编辑 电原理图编辑器SCH的操作步骤设置SCH编辑器的工作参数 选择图纸幅面 标题栏式样 图纸放置方向等 放大绘图区 直到绘图区呈现大小适中的栅格线为止 在工作区内放置元器件 调整元件位置 修改 调整元件的标号 型号及其字体大小 位置等 连线 放置电气节点 网络标号以及I O端口 放置电源及地线符号 运行电气规则检查ERC 找出原理图可能存在的缺陷 加注释信息 生成网络表文件 打印 第二章电原理图编辑 Visible 可视栅格 Snap 锁定栅格 Electricalgrid 电气节点自动搜索半径 三者取值规律 可视栅格大小与锁定栅格大小相同 锁定栅格取10或5均能保证元件引脚和导线端点准确定位在栅格点上 电气节点自动搜索半径范围要略小于锁定栅格距离的一半 例如锁定栅格大小为10时 电气节点自动搜索半径取4 而当锁定栅格大小为5时 电气节点自动搜索半径取2 第二章电原理图编辑 确认元件所在库单击元件库管理器的Find按钮 出现查找元件对话框 FindComponent区域确定按什么方式查找元件 分按元件名称 ByLibraryReference 和按元件描述栏的资料 ByDescription 两种方式 一般按元件名称查找 可以输入通配符 代表多个任意字符 和 代表一个任意字符 第二章电原理图编辑 元件属性框 元件在电气图形符号库中的名称 元器件封装形式 元件序号 型号或大小 电阻电容电感 输入元件大小二极管 三极管 集成电路芯片 输入元件的型号 同一封装的第几套电路 元件自动处于选中状态 显示隐含的元件引脚 显示元件仿真参数数值 显示元件仿真参数名称 第二章电原理图编辑 节点的概念节点是区分两条导线在电气上是否相通的标记 如果有节点 表示两条导线在电气上是相互连接的反之 则表示两条导线知电气上是不相通的 总线总线是由数根性质相同的导线组成的 常用总线代替数条平行的导线 以减少连线占用的图纸面积 但总线只是一种示意性连线 通过总线连接的元件引脚电气上并不相连 还需要使用总线分支和网络标号作进一步的说明 第二章电原理图编辑 ERC electricalrulecheck 电气规则检查 方便查询电路原理图中的错误与缺陷 如没有连接的网络标号 悬空的输入引脚 没有连接的电源及地线 输出引脚短路等 进行ERC检查不仅给出了详细的测试报告 而且还对相应的测试点给出了标记 ERC的结果包含两种错误 其中warning是警告性错误 提醒操作者注意 而 error 是致命性错误 网络表文件网络表文件是文本文件 它记录了原理图中元件类型 序号 封装形式以及各种元器件之间的连接关系等信息 第二章电原理图编辑 网络表文件一般由两大部分组成 一部分是元件描述以 格式出现 记录了原理图中元件的序号 封装形式 注释信息 器件型号或大小 等元器件的基本信息 另一部分是网络连接描述以 格式出现 描述了原理图中各元器件的连接关系 中第一行器件序号 第二行器件封装形式 第三行是元件型号或大小等注释信息 的对数与原理图中元件的数目相等 每一个元件的序号 封装形式 型号等基本情况均用一对方括号说明 中第一行是网络名称即节点编号 后面跟的是和这个编号相连的器件管脚 第二章电原理图编辑 元件清单表生成元件清单表 XLS 的目的是为了迅速获得一个设计项目或一张电路图所包含的元件类型 封装形式 数目等 以便采购或进行成本预算 功能进入Reports BillofMaterial 第二章电原理图编辑 需要修改已有电气图形符号或创建新元件的电气图形符号的情况 原有库文件没有收录所需元器件的电气图形符号元件图形符号不符合要求元件电气图形符号库内引脚编号与PCB封装库内元件引脚编号不一致元件电气图形符号尺寸偏大 第三章层次电路原理图编辑 层次电路设计所谓层次电路设计就是将一个完整的电路系统按照功能分成若干个子系统 即子功能电路模块 需要的话 把子功能电路模块再分成若干个更小的子电路模块 然后用方块电路的输入输出端将各个子功能电路连接起来 于是就可以在多个较小的图纸上分别编辑 打印各个模块电路的原理图 层次电路的切换方法 Tools 菜单内的 Up DownHierarchy 命令 第三章层次电路原理图编辑 采用 自下而上方式 和 自上而下方式 进行层次电路设计的方法 自下而上方式 先绘制各模块电路原理图文件 并创建一个新的空白的原理图文件 然后执行Design菜单下的Createsymbolfromsheet 从原理图生成方块电路 命令 即可将待定模块电路原理图文件中的 I O端口 转化为 方块电路I O端口 并放置在自动生成的方块电路内 自上而下方式在design Createsheetfromsymbol 同样也可以创建模块电路图 1 建立项目设计文件 prj 2 在项目设计文件窗口内 单击Design菜单下的Createsheetfromsymbol命令 第四章电路仿真测试 电路仿真基本概念电路仿真以电路分析理论为基础 通过建立元器件的数学模型 借助数值计算方法 在计算机上对电路功能 性能指标进行分析计算 然后以文字 表格 图形等方式在屏幕上显示出电路性能指标 第四章电路仿真测试 Protel99SE电路仿真特点1 与原理图融为一体 只要原理图中的所有元件的电气图形符号取自Sim ddb 在完成原理图编辑后即可启动仿真操作 2 提供了数十种仿真激励源 5800多种工业标准仿真元件 可以对模拟电路 数字电路及数字模拟混合电路进行仿真分析 3 Protel99se还允许用户使用数学运算符 创建仿真波形函数 以便能直接观察到更复杂的电路参数 4 提供了工作点分析 瞬态特性分析 交流小信号分析 阻抗分析 直流扫描分析 温度扫描分析 参数扫描分析 噪声分析 蒙特卡洛统计分析等多种仿真分析方法 共11种 可以只执行其中的一种 也可以同时进行多种仿真分析 5 以图形的方式输出仿真结果 直观 仿真波形管理方便 能以多种角度观察分析结果 第四章电路仿真测试 电路仿真操作步骤 第四章电路仿真测试 仿真信号源及参数 第四章电路仿真测试 11种仿真方式 第四章电路仿真测试 11种仿真方式各自的作用和设置方式工作点分析 瞬态特性分析 即时域分析 在瞬态特性分析时 容许启动傅立叶分析 从而获得复杂信号的频谱 交流小信号分析 即频域分析 包括幅频特性 相频特性 群延迟 阻抗分析 通过交流小信号分析获得 直流扫描分析 温度扫描分析 参数扫描分析 噪声分析 蒙特卡洛统计分析 第五章印刷电路板设计初步 PCB的概念印刷电路板 通过印制板上的印制导线 焊盘 金属化过孔 敷铜区等导电图形实现元件之间的电气连接 印刷板的种类按照导电层数分为 单面板 双面板 多面板 根据敷铜区材料不同 纸质敷铜区板 玻璃布敷铜区板 第五章印刷电路板设计初步 单面板的结构和优缺点双面板的结构和优缺点多层板的结构和优缺点放置工具栏内的工具 第五章印刷电路板设计初步 PCB工作层的认识Signallayers Protel99SEPCB编辑器最多支持32个信号层TopLayer 顶层 即元件面 是元器件主要的安装面 不走线 单面板中 或少量走线 双面板或多层板中 BottomLayer 底层 即焊锡面 主要用于布线 MidLayer1 30是中间信号层 主要用于放置信号线 只有4层以上的多层电路板才需要在中间信号层内布线 Internalplanes内电源 地线层 Protel99SEPCB编辑器最多支持16个内电源 地线层 主要用于放置电源 地线网络 Mechanicallayer 机械层 机械层没有电气特性 主要用于存放电路板上一些关键部位的标注尺寸信息 印制板边框以及电路板生产过程中所需的对准孔 Protel99se允许同时使用4个机械层 但一般只需使用1 2个机械层 第五章印刷电路板设计初步 PCB工作层的认识Mask 掩膜层 掩膜层包括SolderMask阻焊层和PasteMask焊锡膏层 设置阻焊层的目的是为了防止波峰焊接时 连线 填充区 敷铜区等不需焊接的地方也粘上焊锡 焊锡膏层是贴片元件安装过程中刮锡膏操作时所需的掩膜板 设置焊锡膏层的目的是便于贴片元器件的安装 Silksceen 丝印层 通过丝网印刷方式将元件外形 序号以及其它说明性文字印制在元件面或焊锡面上 以方便电路板生产过程的插件 贴片以及日后的维修操作 Keepoutlayer即禁止布线区Multilayer即多层 多个导电层的简称 钻孔指示层及Drilldrawing钻孔层 这两层主要用于绘制钻孔图以及孔位信息 第五章印刷电路板设计初步 元件封装图所谓元件封装图 就是元件外轮廓形状及引脚尺寸 它由元件引脚焊盘大小 相对位置及外轮廓形状 尺寸等部分组成 PCB99元件封装图形库存放在 DesignExplorer99 Library PCB 文件夹内三个不同的子目录内 其中GenericFootprints文件夹中存放了通用元件封装图 Connectors文件夹中存放了连接类元件封装图 IPCFootprints文件夹中存放了表面安装元件的封装图 常用元器件封装图形存放在DesignExplorer99 Library PCB GenericFootprints Advpcb ddb图形库文件中 第五章印刷电路板设计初步 毫米安培 原则1mm线宽的电流负荷能力为1A焊盘 焊盘也叫连接盘 与元件相关 或者说焊盘是元件封装图的一部分 在印制板上仅使用少量孤立焊盘 作为少量飞线 电源 地线或输入 输出信号线的连接盘以及大功率元件固定螺丝孔 印制板固定螺丝孔 过孔 在双面板或多层电路印制板中 通过金属化 过孔 使不同层上的印制图形实现电气连接 第五章印刷电路板设计初步 PCB设计操作流程 1 编辑原理图 确定并给出每一元器件的封装图 且原理图中IC芯片退耦电容必须连接到与IC芯片电源引脚标号一致的网络 2 确定电路板层数 3 初步确定电路板形状及尺寸 4 根据元件布局规则 大致确定各单元电路在印制板上的位置 单元内主要元器件的安装位置及安装方式 5 创建空白的PCB文件 6 装入常用元器件封装图文件包ADVPCB ddb 7 通过Updatepcb命令将原理图中元件封装图及电气连接关系等信息传递到新生成的PCB文件内 8 设置Protel99SEPCB编辑器的工作参数 根据电路板的层数 打开 关闭工作层 设置可视栅格的大小及形状以及各工作层的颜色 9 执行design rule命令 在routing标签内设置安全间距 在placement标签内选择元件间距 10 在PCB编辑窗口内 将各元件封装图逐一移到对应单元电路区域内 完成元器件的预布局 第五章印刷电路板设计初步 PCB设计操作流程 11 布线前确定元件的最终位置 将元件引脚焊盘对准格点 以方便自动布线以及布线后的手工修改 12 定义自动布线规则 如印制导线最小宽度 布线层及走线方向等 13 预布线 对有特殊要求的印制导线 如电源线 地线 容易受干扰的信号线等先预布线并锁定 以便获得良好的自动布线效果 14 自动布线 使用CAD软件进行PCB设计的目的就是利用其自动布线功能 提高工作效率 15 自动布线后的手工修改 16 执行设计规则检查 找出并调整不满足设计要求的连线 焊盘 过孔等 17 调整丝印层上元件序号等注释信息的字体 大小及位置 18 必要时创建网络表文件 并与原理图状态下生成的网络表文件进行比较 确认PCB板上连线的正确性 19 打印输出设计草图和报表 第五章印刷电路板设计初步 PCB设计前的准备 原理图编辑原理图检查和预处理在编辑印制板前 需要进一步检查原理图的完整性 如数字逻辑电路芯片中未用输入端和未用单元的连接是否正确 合理 IC退耦电容是否已标出等 未用引脚的处理方式 未用单元电路输入引脚处理 IC退耦电容 第五章印刷电路板设计初步 布局规则 理论上有手工布局和自动布局两种方式 1 元件位置安排的一般原则 不同类型电路系统必须分开布局 使各系统之间的耦合达到最小 同一类型电路中 按信号流向及功能 分块 分区放置元器件 元件位置应合理 使连线尽可能短 避免信号迂回传送 电平呈梯度变化 避免相邻元件因电位差过大而出现打火现象 输入信号处理元件 输出信号驱动元件应尽量靠近印制电路板边框 使输入 输出信号走线尽可能短 以减少输入 输出信号可能受到的干扰 2 元件离印制板机械边框的最小距离必须大于2mm 80mil 以上 如果印制板安装空间允许 最好保留5mm 200mil 3 元件放置方向 在印制板上 除微波电路外 元件只能沿水平和垂直两个方向排列 否则不利于插件或贴片 发热量大的元件 要放在印制板的最上方或放在风扇直接吹到的位置 第五章印刷电路板设计初步 布局规则 4 元件间距 对于中等布线密度印制板 小元件的彼此间距与插件 焊接工艺有关 当采用自动插件和波峰焊接工艺时 可以取50 100mil 1 27 2 54mm 手工插件或焊接时可略大一些如100mil或以上 大尺寸元件一般在100 150mil之间 在高密度印制板上可适当减小元件间距 5 热敏元件要尽量远离大功率元件 6 电路板上重量较大的元件应尽量靠近印制电路板支撑点 使印制板翘曲度降至最小 7 对于需要调节的元件安装位置应充分考虑整机结构要求 对于需要机外调节的元件 其安装位置与调节旋钮在机箱面板上的位置要一致 对于机内调节的元件 其放置位置以打开机盖后即可方便调节为原则 8 时钟电路元件应尽可能靠在一起且尽量靠近芯片的时钟引脚 如果时钟信号需要接到电路板外 则时钟电路应尽可能靠近电路板边缘 使时钟信号引出线最短 第五章印刷电路板设计初步 单线不交叉原理图概念所谓单线不交叉原理图 是指在同一平面内用连线将元件连接起来 而不能出现交叉或交叉最少的原理图 布线所谓 布线 就是利用印刷导线完成原理图中元件的连接关系 第五章印刷电路板设计初步 布线规则 1 印制导线转折点内角不能小于90 一般选择135 或圆角 导线与焊盘 过孔的连接处要圆滑 避免出现小尖角 2 导线与焊盘 过孔必须以45 或90 相连 3 在双面 多层印制板中 上下两层信号线的走线方向要相互垂直或斜交叉 尽量避免平行走线 对于数字 模拟混合系统来说 模拟信号走线和数字信号走线应分别位于不同面内 且走线方向垂直 以减少相互之间的信号耦合 尽量避免强 弱信号 或模拟 数字信号 线并行走线 实在无法避免时 可在两者之间加屏蔽隔离 4 根据电磁感应原理 对于电流大小相同而流向相反的相关导线应平行走线 如同一负载的连线 同一电源绕组的连线 同一电路板或单元电路的电源和地线 应尽可能靠近并行走线 以减少电磁干扰 这对于高频 大电流导线尤其必要 第五章印刷电路板设计初步 布线规则 5 在数据总线间 可以加信号地来实现彼此的隔离 为提高抗干扰能力 小信号线和模拟信号线应尽量靠近地线 远离大电流和电源线 数字信号既容易干扰小信号 又容易受大电流信号的干扰 布线时必须认真处理好数据总线的走线 必要时可加电磁屏蔽罩或屏蔽板 时钟信号引脚最容易产生电磁辐射 因此走线时 尽量靠近地线 并设法减小回路长度 6 连线应尽可能短 尤其是电子管与场效应栅极 晶体管基极以及高频回路 7 高压或大功率元件尽量与低压小功率元件分开布线 即彼此电源线 地线分开走线 以避免高压或大功率元件通过电源线 地线的寄生电阻或电感干扰小元件 8 数字电路 模拟电路以及大电流电路的电源线 地线必须分开走线 最后再接到系统电源线 地线上 形成单点接地形式 第五章印刷电路板设计初步 布线规则 9 导线宽度与流过导线的最大电流有关 一般来说 信号线宽度 电源线宽度 地线宽度 10 在高频电路中必须严格限制平行走线的最大长度 11 在双面电路