第4章印制电路板的设计(2次课)

1、第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 第第4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 4.1 印制电路板的基础知识印制电路板的基础知识 4.2 印制电路板设计的基本原则和要求印制电路板设计的基本原则和要求 4.3 PCB绘图操作界面绘图操作界面 4.4 单面板单面板PCB绘制实例绘制实例 4.5 双面板设计实例双面板设计实例 4.6 印制电路板的输出印制电路板的输出 思考题与练习题思考题与练习题 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 4.1 印制电路板的基础知识印制电路板的基础知识 4.1.1 印制电路板简介 1. 印制电路板简述 印制电路板是通过一定的制作工艺，在绝缘度

2、非常高的基材上覆盖一层导电性能良好的铜薄膜构成覆铜板，然后根据具体的PCB图的要求，在覆铜板上蚀刻出PCB图上的导线，并钻出印制板安装定位孔以及焊盘和过孔。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 2. 印制电路板的分类 根据板材的不同，可将印制电路板分为纸质覆铜板、玻璃布覆铜板和挠性塑料制作的挠性敷铜板。其中，挠性敷铜板能够承受较大的变形，通常用来做印制电缆。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (1) 单面板。单面板是在绝缘基板上只有底面(也就是PCB图中所说的“Bottom Layer”层)敷上铜箔，顶面则是空白的。 (2) 双面板。双面板在绝缘基板上两面都敷上铜

3、箔，因此PCB图中两面都可以布线，并且可以通过过孔在不同工作层中切换走线。 (3) 多层板。多层板是在绝缘基板上制成三层以上的印制电路板。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 4.1.2 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. 规划PCB 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。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 2. 将原理图信息传输到PCB中 规划好PCB

4、板之后，就可以将原理图信息传输到PCB中了。 3. 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。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 4. 布线 根据网络表，在Protel DXP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。 5. 检查错误、撰写文档 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。文档可长可短，视需要而定。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 4.1.3 PCB板面基本组成 PCB板面由铜膜导线、助焊膜和阻焊膜、层、焊盘和过孔、丝印层以及敷铜等几部分

5、组成。 1. 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。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 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。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 2. 助焊膜和阻焊膜 各类膜(Mask)不仅是PCB制作工艺过程中必不可少的，而且更是元件焊装的必要条件。按“膜”所处的位置及其作用可将其分为元件面(或焊接面)助焊膜(TO

6、P or Bottom Solder)和元件面(或焊接面)阻焊膜(TOP or Bottom Paste Mask)两类。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 3. 层 Protel的“层”不是虚拟的，而是印制电路板材料本身实实在在的铜箔层。现今由于电子线路的元件密集安装、抗干扰和布线等特殊要求，一些较新的电子产品中所用的印制板不仅上下两面可供走线，在板的中间还设有能被特殊加工的夹层铜箔。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 4. 焊盘和过孔 1) 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

7、动和受热情况、受力方向等因素。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 Protel在封装库中给出了一系列不同大小和形状的焊盘，如圆、方、八角、圆方和定位用焊盘等，但有时这还不够用，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”。 一般而言，自行编辑焊盘时除了以上所讲的外，还要考虑以下原则：第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (1) 形状上长短不一致时，要考虑连线宽度与焊盘边长的大小差异不能过大。 (2) 需要在元件引脚之间走线时，选用长短不对称的焊盘往往事半功倍。 (3) 各元件焊盘内孔的大小要按元件引脚粗细分别编辑确定，原则上内孔的尺寸

8、比引脚直径大0.20.4 mm。焊盘直径取决于内孔直径，如表4.1所示。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 表4.1 焊盘内孔直径与焊盘直径对照第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 对于超出上表范围的焊盘直径，可用下列公式选取：直径小于0.4 mm的孔：D/d=0.53。直径大于2 mm的孔：D/d=1.52。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 2) 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。 过孔从

9、上面看上去有两个尺寸，即通孔直径(Hole Size)和过孔直径(Diameter)，如图4.1所示。通孔和过孔之间的孔壁由与导线相同的材料构成，用于连接不同层的导线。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.1 过孔尺寸第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 一般而言，设计线路时对过孔的处理有以下原则： 尽量少用过孔，一旦选用了过孔，务必处理好它与周边各实体的间隙，特别是容易被忽视的中间各层与过孔不相连的线与过孔的间隙。 需要的载流量越大，所需的过孔尺寸就越大，如电源层、地层与其他层连接所用的过孔就要大一些。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 5. 丝印

10、层 为方便电路的安装和维修，在印制板的上下两表面印上所需要的标志图案和文字代号等，例如：元件标号和参数、元件轮廓形状和厂家标志、生产日期等，这就称为丝印层(Silkscreen Top/Bottom Overlay)。 6. 敷铜 对于抗干扰要求比较高的电路板，常常需要在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的能力。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 4.2 印制电路板设计的基本原则和要求印制电路板设计的基本原则和要求 4.2.1 印制电路板元件布线的基本原则 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

11、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。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 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。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (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

12、，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。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (2) 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，一般是采用平放较好。 (3) 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。 (4) IC座。设计印制

13、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。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (5) 进出接线端布置。相关联的两引线端不要距离太大，一般为2/103/10 in左右较合适。进出线端尽可能集中在12个侧面，不要太过离散。 (6) 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。 (4) 在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求走线合理，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。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (8) 设计应按一定顺序方向进

14、行，例如：可以按左往右和由上而下的顺序进行。 (9) 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。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 4.3 PCB绘图操作界面绘图操作界面 4.3.1 PCB绘图环境 1. 创建一个新的PCB设计文件 如第4章所述，进入Protel DXP系统，执行菜单命令【File】/【New】/【PCB Project】，就可以生成一个新的文件项目，将新建的项目另存为“Exa601.PRJPCB”。执行菜单命令【File】/【New】/【PCB】，创建一个新的PCB设计文件，弹出如图4.2所示的PCB

15、绘图编辑环境。此时会自动默认一文件名，将其另存为“Exa601.PCBDOC”。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.2 PCB绘图编辑环境第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 2. 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。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 【Tools】：工具菜单，主要包括设计PCB图以后的一些后处理操作。如设计规则检查、取消自

16、动布线、泪滴化、测试点设置和自动布局等操作。 【Auto Route】：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。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 3. 主工具栏(Main Toolbar) 主工具栏主要为一些常见的菜单操作提供快捷按钮。该工具栏为用户提供了缩放、选取对象等命令按钮，如图4.3所示。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.3 Protel DXP主工具栏第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 4. 放置工具栏(Placement Tools) 执行菜单命令【View】/【Toolbars】/【Placement】，则显示放置

17、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4.4所示。表4.2介绍了放置工具栏中各个按钮的功能及对应的菜单选项。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.4 放置工具栏第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 表4.2 放置工具栏的按钮及其功能第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 5. 布局工具栏 执行菜单命令【View】/【Toolbars】/【Component Placement】，即可打开布局工具栏。布局工具栏如图4.5所示。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.5

18、 布局工具栏第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 6. 选择查找工具栏(Find Selection) 执行菜单命令【View】/【Toolbars】/【Find Selection】，即可打开查找选择工具栏。 这个工具栏主要提供了所有标记为“Selection”的电气符号(Primitive)，供使用者挑选，如图4.6所示。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.6 查找选择工具栏第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 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

19、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。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 8. 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图的时候很有用，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，浏览区内容如图4.4所示。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.4 浏览区内容第第4 4章章 印制电路板的设计

20、印制电路板的设计 4.3.2 PCB图常用的设置 在设计PCB板之前，应先做好相关设置工作。这里只介绍与PCB设计直接相关的设置，有些出于个人喜好的设置(如颜色设置)则不再介绍了。 这个设置窗口对不同的PCB文件来讲是有差异的，主要和PCB文件设置有关。Protel DXP默认的PCB板是双层板。执行菜单命令【Design】/【Board Layers】，弹出如图4.8所示的对话框。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.8 工作层设置对话框第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (1) 【Signal Layers】分组框：信号层(Signal Layers)。对于

21、双面板而言，顶层(Top Layer)和底层(Bottom Layer)这两个工作层必须设置为打开状态，而信号层的其他层面均可以处于关闭状态。 【Top Layer】：顶层，也是元件层。 【Bottom Layer】：底层，也是焊接层。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (2) 【Internal Planes】分组框：内电源或地层，主要用于放置电源或地线，通常是一块完整的铜箔。 (3) 【Mechanical Layers】分组框：机械层，用于放置一些与电路板的机械特性有关的标注尺寸信息和定位孔。 (4) 【Silkscreen Layers】分组框：丝印层(Silkscre

22、en Layer)，用于放置元件标号、说明文字等。 (5) 【Other Layers】分组框：其他层面(Other Layers)，根据实际需要选择。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 【Keep-Out Layer】：禁止布线层，用于绘制印制电路板的边框。 【Multi-Layer】：多层，包括焊盘和过孔这些在每一层都可见的电气符号。【Drill Guide】：钻孔定位层，此层主要和制板厂商有关。【Drill Drawing】：钻孔层，此层主要和制板商有关。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 4.4 单面板单面板PCB绘制实例绘制实例 4.4.1 手工方式绘制

23、PCB板 以图4.9所示运算放大器电路为例(原理图文件名为“fangda.SCHDOC”)，用手工方式绘制一块单面板，并讲解PCB单面板的设计过程。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图1.4 V-InV-InV-OutV-Out图4.9 运算放大器原理图第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 1. 准备工作 (1) 建立一个新项目“Exa601.PRJPCB”。 (2) 在新项目“Exa601.PRJPCB”中建立一个新的PCB文件“fangda.PCBDOC”。 (3) 在图4.8所示的工作层设置中，单面板只选择【Bottom Layer】层。 (4) 加载封装库。

24、不论是采用手工还是自动布线，都必须首先装入元件封装库。 图4.10为TL082P元件的封装(DIP-8)。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.10 浏览DIP-8封装第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 2. 设置禁止布线区 单击编辑区下面的工作层选项栏中的【Keep-Out Layer】选项，选择当前工作层为禁止布线层。然后用鼠标单击布线工具栏中的 图标，在编辑区中用导线绘制出一个封闭的区域，大小为2000 mil1000 mil，如图4.11所示。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.11 禁止布线区第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路

25、板的设计 3. 放置元件 在图4.10所示【Libraries】浏览面板中，选择“Miscellaneous Devices.IntLib”库中的“DIP-8”封装。 (1) 单击 按钮，在弹出的对话框中按 按钮。用鼠标将该元件封装拖放到禁止布线区内的适当位置后，单击左键确定放置位置。 (2) 修改元件属性。在刚放置的元件上双击鼠标，弹出如图4.12所示的元件属性设置对话框。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.12 元件属性设置对话框 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 【Component Properties】组：元件的基本属性参数。其中的【Layer】选

26、项可以设置此元件安装在PCB的哪一面中。 【Designator】组：元件标号，必须严格与原理图中的元件标号同名。 【Comment】组：元件类型或名称，根据元件的实际名称填写。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (3) 依照同样的方法放置三个电阻封装(AXIAL-0.3)、一个五脚插座封装(HDR15H)到禁止布线区，分别修改属性参数，命名为“R1”、“R2”、“R3”和“JP1”，如图4.13所示。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.13 所有元件封装 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 4. 布线 单面板布线只能在【Bottom Lay

27、er】进行。单击工作区下方的【Bottom Layer】，将布线层置为底层。用鼠标单击布线工具栏中的 按钮，进入布线状态。根据原理图中元器件的连接关系移动鼠标，正确放置每一条连线。单击鼠标右键结束布线。图4.14为最终布线图。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.14 放置所有连线第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 4.4.2 半自动方式绘制PCB板 用纯手工的方式绘制PCB板，目前仍然是设计人员常用的绘制方式。但手工绘制存在容易出错，出错后又不易发现和查找等缺点。下面结合原理图“fangda.SCHDOC”，介绍另一种用半自动方式绘制PCB单面板的方法。 用半

28、自动方式绘制PCB单面板的步骤如下： 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (1) 准备工作和设置禁止布线区。此步骤同手工绘制方式。 (2) 在项目“Exa601.PRJPCB”中，切换到原理图“fangda.SCHDOC”。执行菜单命令【Report】/【Bill of Material】，检查元件封装。一定要确保元件封装在库中可以找到，如图4.15所示。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.15 正确的元件封装第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (3) 将原理图的内容传输到PCB板。具体步骤如下： 执行菜单命令【Design】/【Update P

29、CB Amp.PCBDOC】，将原理图的内容传输到PCB板上。这时弹出如图4.16所示的对话框，里面列出了所有即将进行的操作。 单击 按钮，执行所提交的修改。再单击 按钮关闭对话框，此时工作区已经自动切换到“fangda.PCBDOC”，并且在板上禁止布线区外出现了一些元件和一个斜线框，如图4.14所示。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.16 将原理图的内容传送到PCB板 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.14 从原理图中传送过来的内容第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (4) 元件布局。其具体步骤如下： 拖动【Room】到禁止布线区

30、内适当的位置，【Room】中的器件也跟着被拖到相应的位置，然后删除【Room】(方法是单击【Room】，然后按下键盘上的Delete键)，如图4.18所示。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.18 元件移至禁止布线区内第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 重新用鼠标将元件拖动到适当的位置。要求元件排列整齐，方便走直线。图4.19为调整后的PCB图。图4.19 重新排列后的PCB图 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (5) 连接导线。首先单击编辑区下面工作层选项栏中的【Bottom Layer】选项，选择焊接层为当前工作层，用鼠标单击放置工具栏中的

31、 按钮，根据飞线提示的连接关系，连接好各引脚之间的连线，结果如图4.20所示。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.20 连线后的PCB图第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 在布线的过程中，可以看到以下现象: 当使用导线将两个元件连接起来后，标识两个焊盘间电气连接关系的飞线自动消失；删除两个焊盘间的连线，飞线又自动显示出来。 放置导线的过程中，如果导线距离焊盘或其他导线之间的间距超过了设定的安全距离，则无法放置导线。 如果不删除两个焊盘间的现有连线，而是从另一条路径重新用导线连接，则会发现原来的连线被自动清除。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (

32、6) 调整字符串位置。用鼠标拖动字符串，将其放到适当的位置。在拖动的过程中，可以使用X键、Y键和空格键调整它们的方向，如图4.21所示。 (4) 调整导线宽度。本例所有信号线线宽调整为20 mil，电源线线宽的调整为50 mil。将光标移动到其中一根信号导线上，双击鼠标左键，弹出如图4.22所示的【Track】对话框。在该对话框的【Width】选项中，修改信号线宽度，之后单击 按钮，完成修改。逐个线段修改，修改完成之后的电路图如图4.23所示。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.21 调整字符串的位置 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.22 修改导线宽

33、度对话框第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.23 调整导线宽度后的PCB第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (8) 调整边框大小。原定的禁止布线区边框如果过大，则将禁止布线区的边框线删除，重新绘制边框线。将禁止布线区设置为适当大小。注意：禁止布线区边框和导电符号之间的间距不要太小，如图4.24所示。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.24 调整边框大小第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (9) 设置定位孔。如果电路板采用在定位孔上用螺钉固定，则必须在电路板上设置定位孔。定位孔的位置由机箱内部安装尺寸来决定。设置定位孔的步骤如下

34、： 单击编辑区下面选项栏中的【Mechanical1】选项，切换到机械层。 单击放置工具栏中的 按钮，在电路板上四角或者其他适当的位置放置过孔，将其外径改为4 mm，孔径改为3.5 mm。这是电子行业通用的安装孔尺寸，可以使用直径3 mm的标准螺丝安装。最后结果如图4.25所示。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.25 PCB图的最后结果第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 4.5 双面板设计实例双面板设计实例 4.5.1 原理图组成 在第5章绘制图5.34时，已知该图由电源电路“Power.SCHDOC”、I/V转换电路“IV.SCHDOC”、运算放大电路“a

35、mp.SCHDOC”和单片机AT89C2051接口等四部分组成，其中前三部分以标记(Symbol)的形式存在。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 4.5.2 传输原理图文件 将原理图文件传输到PCB中的操作步骤如下： (1) 在项目“Exa601.PRJPCB”中建立一个新的PCB文件“main.PCBDOC”。 (2) 在图4.8所示的【Signal Layers】分组框中选中【Bottom Layer】和【Top Layer】，即将工作层设置成双层。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (3) 在禁止布线层中绘制一个4000 mil3000 mil的方框作为PC

36、B板外框。 (4) 选择文件名选项栏中的【main.SCHDOC】选项，切换到原理图编辑环境，执行菜单命令【Report】/【Bill of Material】，弹出如图4.26所示的检查元件封装对话框。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.26 检查元件封装对话框第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 缺少某一电路所有元件。可能是该电路未加入项目“Exa601.PRJPCB”。 缺少个别元件。有可能是该元件标号有重号现象。 在【Footprint】中有的元件封装显示【None Available】，表示该元件未定义封装。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路

37、板的设计 (5) 在原理图编辑环境下，执行菜单命令【Design】/【Update PCB main.PCBDOC】，弹出如图4.24所示的对话框，其中列出了即将进行修改的内容。 (6) 单击 按钮，Protel DXP会一项一项地执行所提交的修改，在每一行后面显示执行的情况。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.24 即将进行修改的内容第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (4) 此时，工作区已经自动切换到“main.PCBDOC”，如图4.28所示。从图中可以看出，从原理图传输过来的PCB图将所有的元件定义到main、power、amp和IV四个【Room】

38、里面。拖动【Room】到禁止布线区内，并删除【Room】。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.28 从原理图中传过来的内容第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 4.5.3 元件布局 布局是PCB图设计工程中最重要的工作，布局是否合理会影响到很多方面，比如PCB板的安装、电磁干扰、系统稳定性以及PCB板的布通率。在时间允许的情况下，设计者应仔细做好布局工作，研究最好的布局方案。本实例元件布局一定要参考单片机PCB设计的一般要求进行(详见2.4.4节内容)。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 1. 自动布局 Protel DXP提供的自动布局功能，是以

39、总的飞线距离最短为优先考虑的方案的。在原理图编辑环境下，执行菜单命令【Tools】/【Auto Placement】/【Auto Place】，弹出如图4.29所示的自动布局设置对话框。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.29 自动布局设置对话框第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 在该对话框中选择【Cluster Placer】方式，并且选中【Quick Component Placement】选项。单击 按钮，自动布局结果如图4.30所示。从图中可以发现，所有的元件紧密排列，几乎每个元件都因为距离太近而被Protel DXP以绿色作了标记。这种布局显然不合理

40、，需要用手工调整来使布局更加合理。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.30 自动布局结果图第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 2. 手工调整布局 在调整布局之前先大致构思一下，电路中哪些元件比较重要，哪些元件有特殊位置要求(如重量、散热等)，并对电路板大致做个分区。如本例中，电源部分放在上方，放大器电路和IV转换电路放在左下方，单片机电路放在右下方。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 调整顺序如下： (1) 放置接插件(J1、JP1、JP2)。单击鼠标左键，将接插件拖放到PCB板上适当的位置。 (2) 放置三端稳压器(U1U3)。这个器件是电源部

41、分的核心器件，由于两边各有两个电容，因此可以考虑预留一定空间。 (3) 放置单片机89C2051(U4)。这个器件是数字电路的核心器件。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (4) 放置晶振器件及电阻电容等分立器件。晶振器件应尽可能靠近单片机的晶振信号输入脚(4、5脚)，电阻电容尽可能与相应电路靠近。 图4.31为手工调整布局的结果。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.31 手工布局的结果第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 4.5.4 设计规则的设置 在印制电路板布局结束后，便进入电路板的布线过程。Protel DXP提供了自动布线的功能，可以用

42、来自动布线。在布线之前，涉及到大量的参数设置工作，如果事先设定好这些参数值，则可以减少很多修改工作。下面讲述布线规则设置的参数设置过程。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 1. 布线设计规则 执行菜单命令【Design】/【Rules】，弹出如图4.32所示的布线规则设置对话框，在对话框中可以设置布线和其他参数。参数设置主要包括以下几部分：第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.32 布线规则设置对话框 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (1) 布线规则一般集中在布线(Routing)类别中，包括走线宽度(Width)、布线的拓扑结构(Routin

43、g Topology)、布线优先级(Routing Priority)、布线工作层(Routing Layers)、布线拐角模式(Routing Corners)、过孔的类型(Routing Via Style)和传输控制(Fanout Control)。 (2) 电气规则(Electrical)类型包括：走线间距约束(Clearance)、短路(Short-Circuit)约束、Un-Routed Net(未布线的网络)和Un-Connected Pin(未连接的引脚)。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (3) SMT(表贴规则)设置具体包括：走线拐弯处表贴约束(SMD To

44、 Corner)、SMD到电平面的距离约束(SMD To Plane)和SMD的缩颈约束(SMD Neck-Down)。 (4) 阻焊膜和助焊膜(Mask)规则设置包括：阻焊膜扩展(Solder Mask Expansion)和助焊膜扩展(Paste Mask Expansion)。 (5) 测试点(Testpoint)的设置包括：测试点的类型(Testpoint Style)和测试点的用处(Testpoint Usage)。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 2. 布线设计规则的参数设置步骤 (1) 设置走线宽度。该设置可以设置走线的最大、最小和推荐的宽度。在图4.32中，用鼠

45、标左键选中【Routing】/【Width】选项，然后单击右键，从弹出的菜单中选择【New Rule】命令(如图4.33所示)，系统将生成一个新的宽度设置约束。使用鼠标单击新生成的宽度设置约束，系统将会弹出如图4.34所示的走线宽度设置对话框。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.33 New Rule命令第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.34 走线宽度规则设置第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 在图4.34所示的【Name】编辑框中输入名称“Width-All”，在【Where the First object matches】单元中选择

46、“All”(即设置该宽度应用到整个PCB板)，然后单击【Design Rules】面板，则在【Design Rules】面板上会出现这个新名称。 同样的方法用【New Rule】命令再生成一个新的宽度设置约束，在【Name】编辑框中输入+12 V/12 V/+5 V/GND，在Where the First object matches单元中选择“Net”，单击“All”旁的下拉列表，从列表中选择+12 V，在“Full Query”框中会显示InNet(+12V)。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 使用“Query Builer”将范围扩展为包括“12 V”、“+5 V”和“

47、GND”网络。首先选中“Advanced(Query)”，然后单击 按钮，此时弹出“Query Helper”对话框，如图4.36所示。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.35 设置+12 V电源的走线宽度第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.36 “Query Helper”对话框第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 单击 按钮，检查表达式是否正确。如果正确，单击 按钮关闭“Query Helper”对话框，此时在【Full Query】框中的内容已被更新，走线宽度设置完成，如图4.34所示。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计

48、(2) 设置走线间距(Clearance)。该项用于设置走线与其他对象之间的最小距离。用鼠标左键选中【Electrical】/【Clearance】选项，然后单击右键，从弹出的菜单中选择【New Rule】命令，系统将生成一个新的走线间距约束。单击新生成的走线间距约束，系统会弹出如图4.38所示的走线间距设置对话框。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.34 设置+12 V/-12 V/+5 V/GND走线宽度第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.38 走线间距设置对话框第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (3) 设置布线拐角模式(Routin

49、g corners)。用鼠标左键选中【Routing】/【Routing corners】选项，然后单击右键，从弹出的菜单中选择【New Rule】命令，系统将生成一个新的布线拐角规则。单击新生成的布线拐角规则，系统会弹出如图4.39所示的对话框。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.39 布线拐角模式设置第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (4) 设置布线工作层(Routing Layers)。该选项用来设置在布线过程中哪些信号层可以使用。用鼠标左键选中【Routing】/【Routing Layers】选项，然后单击右键，从弹出的菜单中选择【New Rul

50、e】命令，系统将生成一个新的布线工作层规则。单击新生成的布线工作层规则，系统会弹出如图4.40所示的布线工作层设置对话框。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.40 布线工作层设置对话框第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (5) 设置布线优先级(Routing Priority)，即布线的先后顺序。先布线的网络的优先级比后布线的网络的优先级要高。最高优先级为“100”，最低为“0”。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 用鼠标左键选中【Routing】/【Routing Priority】选项，然后单击右键，从弹出的菜单中选择【New Rule】命

51、令，系统将生成一个新的布线优先级规则。单击新生成的布线优先级规则，系统会弹出如图4.41所示的布线优先级设置对话框。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.41 布线优先级设置对话框 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (6) 设置布线拓扑结构(Routing Topology)。用鼠标左键选中【Routing】/【Routing Topology】选项，然后单击右键，从弹出的菜单中选择【New Rule】命令，系统将生成一个新的布线拓扑结构规则。单击新生成的布线拓扑结构规则，系统会弹出如图4.42所示的布线拓扑结构设置对话框。 现结合图4.42中的网络拓扑示意图

52、，简要介绍各种布线拓扑方式的意义。拓扑方式如图4.43所示。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.42 布线拓扑结构设置对话框第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.43 拓扑方式第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 【Shortest】：保证各网络节点之间的连线总长度最短。 【Horizontal】：布线过程中以水平走线为主。当布局时元件水平方向上空间较大时，通常选择这种策略。 【Vertical】：布线过程中以竖直走线为主。当布局时元件竖直方向上空间较大时，通常选择这种策略。 【Daisy-Simple】：将网络表中节点头到尾连接，中间没有任何

53、分支，呈链状连接。这种连接方式连线可能比较长。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 【Daisy-MidDriven】：是【Daisy-Simple】策略的一种改进策略。在所有该网络的节点中找到一个中间节点，然后分别向左、右链状连接扩展下去。 【Dasiy-Balanced】：是【Daisy-MidDriven】策略的一种特殊形式，要求该中间节点左、右长度基本保持平衡。 【StarBurst】：星型拓扑策略。选择某一节点为中心节点，然后所有连线均从中心节点引出。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (4) 设置过孔类型(Routing Via Style)。用鼠标左键选

54、中【Routing】/【Routing Via Style】选项，然后单击右键，从弹出的菜单中选择【New Rule】命令，系统将生成一个新的过孔类型规则。单击新生成的过孔类型规则，系统会弹出如图4.44所示的过孔类型设置对话框。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.44 过孔类型设置对话框第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (8) 设置走线拐弯处与表贴元件焊盘的距离(SMD To Corner)。用鼠标左键选中【SMT】/【SMD To Corner】选项，然后单击右键，从弹出的菜单中选择【New Rule】命令，系统将生成一个新的走线拐弯处与表贴元件焊盘距离

55、的规则。单击新生成的规则，系统会弹出如图4.45所示的走线拐弯处与表贴元件焊盘的距离设置对话框。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.45 走线拐弯处与表贴元件焊盘的距离设置对话框第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (9) 设置SMD的缩颈限制(SMD Neck-Down)，即SMD的焊盘宽度与引出导线宽度的百分比。用鼠标左键选中【SMT】/【SMD Neck-Down】选项，然后单击右键，从弹出的菜单中选择【New Rule】命令，系统将生成一个新的SMD的缩颈限制规则。单击新生成的规则，系统会弹出如图4.46所示的SMD的缩颈限制对话框。第第4 4章章 印制

56、电路板的设计印制电路板的设计 图4.46 SMD的缩颈限制对话框第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 4.5.5 PCB自动布线 完成布线规则设置以后，就可以进行布线操作了。但是这些布线规则并不能将设计者所有的设计要求都包括，因此还需要做一些预处理工作，以便更完整地体现设计者的设计思路。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 1. 自动布线前的预处理 1) 焊盘的处理(Pad) 在设计封装库时，通常选择的焊盘半径都是用默认值。如果焊盘的半径偏小，在焊接时烙铁的温度太高，则会出现脱落现象，因此常常需要对焊盘做一些处理。 在PCB图中选择一个焊盘，将光标移动到该焊盘上，单击鼠

57、标右键，在弹出的菜单中选择【Properties】菜单项，弹出如图4.44所示的对话框。设置完参数后，单击 按钮，观察修改的结果。 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.44 将圆形焊盘修改为椭圆形焊盘 第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 2) 对PCB板进行敷铜(Polygon Plane) 为了提高PCB的抗干扰性，通常对要求比较高的PCB板实行敷铜处理。比如，晶振电路是高频电路，应该禁止在晶振电路下面的顶层(Top Layer)走信号线，以免该信号线和晶振相互干扰。 (1) 单击布线工具箱框内的 图标，或执行【Place】/【Polygon Plane】命

58、令，弹出如图4.48所示的敷铜区属性设置对话框。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.48 敷铜区属性设置对话框第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 对话框中各主要选项的意义如下：【Grid Size】：敷铜区网格宽度。【Track Width】：敷铜区导线宽度。【Net Options】分组框：主要用来设置敷铜区的网络属性。“Connect to Net”：设置敷铜区所属的网络。通常选择“GND”，即对地网络。“Pour Over Same Net”：覆盖掉与敷铜区同一网络的导线。“Remove Dead Copper”：删除和网络没有电气连接的敷铜区。第第4

59、4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 【Properties】分组框：“Layer”：敷铜区所在的工作层。“Lock Primitives”：只允许将敷铜区看做一个整体来执行修改、删除等操作，在执行这些操作时会给出提示信息。【Hatching Style】分组框，用来设置敷铜区网格线的排列类型。【Surround Pads With】分组框：“Arcs”：敷铜区按圆弧形方式包围焊盘。“Octagons”：敷铜区按八角形方式包围焊盘。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 (2) 设置好敷铜区属性参数后，单击 按钮，然后用鼠标拉出一段首尾相连的折线，可以为任意形状多边形。 本实例中

60、，在顶层晶振电路下放置一块面积适当的敷铜 区，如图4.49所示。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 图4.49 为晶振电路放置敷铜区第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 3) 放置填充区(Fill) 填充区就是在PCB上的某些区域人为放置铜箔。填充区常常与地线相连，用于加大接地面积，提高PCB的屏蔽效果，同时还可以改善散热条件。填充区与敷铜区不同，填充区不带网格。 双击填充区，系统弹出如图4.51所示的填充区属性设置对话框，选择填充区所在层(Layer)和所在的网络(Net)即可。第第4 4章章 印制电路板的设计印制电路板的设计 放置填充区操作方法：单击布线工具箱中的