《计算机辅助电路设计》课件第8章

8.1Protel2004设计流程介绍8.2简易无线电遥控系统设计8.3U盘电路设计习题第8章综合实例8.1Protel2004设计流程介绍通过前面7章的学习，读者已经了解了Protel2004的基本使用方法，掌握了原理图的绘制、印制电路板的设计以及电路仿真的基本方法，但前面的章节只是把Protel2004的使用方法分解成很多知识点进行介绍，所以还需要用一些综合实例将这些知识点贯穿起来，使读者对于印制电路板设计流程有一个整体认识。本章将以直流稳压电源、霓虹灯、U盘等电路为例，介绍印制电路板设计的全过程，使读者进一步熟练地掌握Protel2004的使用方法。8.1.1电子产品设计流程

在学习Protel2004设计流程之前，可以先了解一下电路板的设计在整个产品的研发环节中所占的位置。

1.确定规格

企业根据市场需求或其客户的要求，调查搜集有关资料加以消化，并与相关人员协商出此产品的最终规格，再将电子部分的规格交给电子工程师，确定设计方案。为了突破复杂关键技术，减小产品预研的技术风险,寻求最佳方案，应进行一系列的试验，要做好原始记录,并加以整理分析。

2.绘制线路图

电子工程师根据收到的详细规格，进行线路图(Schematic或称Entry)的绘制工作，待完成后，交给布局工程师(LayoutEnginer)进行电路板的设计工作。

3.电路板设计

布局工程师根据电子工程师提供的线路图及设计规范，并在电子工程师的参与下，协同进行电路板的设计工作。待完成后，产生相关的设计资料(即底片档案，GerberFiles或称ArtworkFiles)，交给下游的电路板工厂。

4.试做电路板

电路板工厂根据收到的相关设计资料，立即快速试做少量的电路板。

5.插件及焊接

电子工程师收到电路板样本(PCBSample)后，立即自行或交由工厂进行零件的插接及焊接作业。

6.除错及验证

电子工程师取得插好零件的电路板，进行功能的除错及验证；若找到问题，则进行下一次的修改作业，直到没有错误为止；若无错误，则可进行下一步工厂试产或量产作业。8.1.2电子产品设计流程

在计算机上，利用Protel2004进行电路设计的过程如下：

(1)编辑原理图。原理图编辑是电路CAD设计的前提，因此原理图编辑(SchematicEdit)是电路CAD软件必备的功能。

(2)必要时利用Protel2004软件的电路仿真功能，对电路功能、性能指标进行仿真测试。电路功能、性能主要由原理图决定。

(3)生成网络表文件，创建PCB文件并将原理图中的元件序号、封装形式以及连接关系装入PCB文件内。

(4)不正确则返回(1)，修改原理图。

(5)执行“UpdatePCB…”命令，或启动Protel2004PCB编辑器，并装入从原理图文件中提取的网络表文件。

(6)设计元件封装，Protel2004不可能提供所有元件的封装。如果发现元件封装库中没有所需要的元件，这时候可以自己动手设计元件封装。

(7)编辑PCB，根据系统设计的要求，绘出PCB的轮廓，按照网络表和设计规则要求布局和布线，最后进行设计规则检查。8.2简易无线电遥控系统设计8.2.1设计任务与要求设计无线电遥控发射机和接收机，其原理示意图如图8-1所示。设计要求如下。

1.基本要求

工作频率：f0取6～10MHz中任选一种频率。

调制方式：AM、FM、FSK任选一种。

输出功率：不大于20mW(在标准75欧姆假负载上)。

遥控对象：8个，被控设备用LED分别代替，LED发光表示工作。

接收机距离发射机不小于10m。图8-1简易无线电遥控系统示意图(a)发射机；(b)接收机

2.发挥部分

8路设备中的一路为电灯，用指令控制电灯亮度，亮度分为8级并用数码管显示级数。

在一定的发射功率下(不大于20mW)，尽量增大接收距离。

尽量降低电源功耗。

增加信道抗干扰措施。8.2.2设计方案

此设计发射机部分的电路原理图如图8-2所示。

振荡器的频率为8MHz。采用变容二极管调频。谐振功率放大器的输出功率不大于20mW。编码电路由10-4线优先编码器CD40147与遥控专用集成电路编码器MC145026构成。CD40147对8个开关按键先编码，输出为4位二进制数；MC145026对并行输入的4位二进制数后编码，进行并串转换，并加入一定冗余信息以提高可靠性。MC145026输出的串行码元作为调制信号加到变容二极管。按键S有两种状态，一种状态指定被控对象是调亮度的电灯，另一种状态指定被控对象是7只发光二极管LED。电灯的8级亮度以及7只LED管的控制均由8个按键开关控制。图8-2发射机部分的电路原理图8.2.3原理图绘制

1.新建工程和原理图

启动Protel2004，进入主界面后，新建工程文件，执行【File】/【New】/【PCBProject】命令，如图8-3所示。图8-3新建工程文件

保存新建的工程文件，执行【File】/【SaveProject】命令，如图8-4所示。执行上述命令后，将弹出如图8-5所示的对话框，按图中所示输入工程文件名“transmiter.Prj”，然后单击按钮，文件保存在ch8文件夹内。图8-4保存工程文件图8-5保存工程文件对话框

新建原理图文件，在主界面左边工程管理器(如图8-6所示)中transmiter.PRJ处单击右键，选择【transmiter.Prj】/【AddNewToProject】/【Schematic】命令，如图8-7所示。

保存新建的原理图文件，执行【File】/【Save】菜单命令。原理图文件命名为transmiter.SchDoc。图8-6工程管理器图8-7新建原理图文件

2.加载元件库

加载元件库MiscellaneousDevices.Intlib。

3.放置元件

发射机电路中主要的元件有电阻、电容、二极管、天线、电感和三极管等，这些元件大部分存放在MiscellaneousDevices.Intlib库中。下面以电阻为例，介绍元件的放置和元件参数的修改。

在如图8-8所示的Libraries面板中，“*”前面输入res2，单击按钮，即可将电阻元件从库中取出，如图8-9所示。此时按下键盘上的Tab键，系统将弹出如图8-10所示的元件属性对话框，按照原理图的要求设置元件属性。图8-8Libraries面板

图8-9电阻元件图8-10电阻元件属性对话框基本元件的标识：

电阻：res2 电容：cap电感：inductor

二极管：diode 三极管：NPN或PNP

变压器：trans 天线：antenna

其他元件的放置过程这里不再叙述。

4.制作元件

我们可以发现，原理图中有两个元件CD40147和MC145026(如图8-11所示)在库中无法找到，下面以CD40147为例介绍元件的制作过程。

执行菜单命令【File】/【New】/【Library】/【SchematicLibrary】，新建原理图库文件，并保存为Mylib.SCHLIB。图8-11元件CD40147、MC145026

新建元件，执行【Tools】/【NewConpent】菜单命令，弹出如图8-12所示对话框。将新建元件命名为CD40147。图8-12新建元件对话框

在元件库编辑环境中，单击图8-13所示绘图工具栏的

按钮执行绘制矩形命令。图8-13绘图工具栏

执行绘制矩形命令后，在工作区中将出现一个随着十字光栅移动的矩形，将光栅移至坐标原点处(坐标为X:0，Y:0)，单击鼠标左键将原点设为矩形的左上角，再将鼠标移到坐标(50，90)处，单击鼠标左键确定矩形右下角，如图8-14所示。图8-14绘制矩形

放置元件引脚，执行菜单命令【Place】/【Pin】，如图8-15所示。执行命令后，在工作区中将出现一个随着鼠标光栅移动的引脚，如图8-16所示。图8-15放置引脚命令

图8-16放置引脚

按下键盘上的Tab键，弹出元件引脚属性对话框，按图8-17所示设置元件引脚属性，然后按照图8-11中CD40147所示顺序放置引脚，就可以得到图8-11所示的元件。放置引脚时应当注意引脚的方向。

给元件添加封装形式，在SCHLibrary(图8-18所示)管理器中，单击按钮，弹出如图8-19所示对话框。图8-17元件引脚属性对话框图8-18SCHLibrary管理器图8-19元件属性对话框单击该对话框中下方的按钮，弹出如图8-20所示的对话框，单击按钮，系统将弹出如图8-21所示的对话框，为元件添加封装形式(DIP16)。

以上介绍了绘制元件CD40147的基本步骤，请读者自行绘制元件MC145026。图8-20AddNewModel

图8-21PCBModel

5.元件布局和连接导线

一幅好的电路原理图应该布局合理、连线清晰、模块分明，所以在绘制原理图的过程中，元件布局和连接导线是非常重要的环节。

1)元件布局

在对元件进行整体布局时，首先，必须从大体上将电路中的一些核心元件摆放好，放置好核心元件后，针对各个核心元件逐个添加其周边的小元件，接着将这些小元件与核心元件的位置进行调整，调整好后再进行连线。

发射机的电路布局如图8-22所示。

2)连接导线

连接导线的方法在前面的章节已经叙述，这里不再赘述。图8-22发射机的电路布局

6.生成报表

完成原理图设计操作后，下面就可以生成原理图相关报表文件了。

执行菜单命令【Project】/【CompileDocumenttransmiter.SchDoc】，对工程进行编译操作。编译结束后，在Message窗口中可以查看工程的错误信息，根据Message窗口中的错误信息对原理图进行修改，如图8-23所示。图8-23Message窗口

执行菜单命令【Reports】/【BillofMaterials】，生成元件清单报表。元件清单报表如图8-24所示。图8-24元件清单报表

执行【Design】/【NetlistsForProject】/【Project】命令，软件将在该工程文件下生成一个与该工程文件同名的网络表文件。打开网络表文件，如图8-25所示。

在网络表文件中可以很方便地查看该原理图中的元件类型、序号、封装形式以及各元件之间的连接关系，并可以对其中的连线进行修改。图8-25网络表文件8.2.4PCB电路板制作

1.规划电路板

在设计PCB板之前，首先需要规划电路板，下面就进行电路板的规划操作。根据元件的数量和体积，可以大约估算电路板的面积，确定电路板的长、高尺寸。

新建PCB文件，执行【Project】/【AddNewToProject】/【PCB】菜单命令。

执行【File】/【Saveas】命令，将新建的PCB文件保存，命名为“transmiter.PCBDoc”。

打开transmiter.PCBDoc文件，执行【Design】/【LayerStackManager】菜单命令，在系统弹出的PCB层设置对话框中将该电路板设置为双面板，如图8-26所示。图8-26PCB层设置对话框

执行菜单命令【Design】/【BoardOptions】，将弹出如图8-27所示图纸设置对话框，按图8-27所示进行设置。

绘制机械层和禁止布线层。

在PCB工作区的下方单击Mechanicall标签，将当前工作层设置为机械层1。进入Mechanicall工作层后，在绘图工具栏单击工具，如图8-28所示，执行绘制导线命令，在该工作层中绘制电路板矩形边框，图8-27PCB图纸设置对话图8-28绘图工具栏在PCB工作区的下方单击Keep-OutLayer标签，将当前工作层设置为禁止布线层。依次按P键和L键，激活绘制导线命令，在该工作层中绘制电路板矩形边框，绘制的电路板边框如图8-29所示。

电路板规划完成。图8-29PCB板边框

2.原理图载入

电路板规划完成后，就需要将原理图中的元件封装和网络表载入到PCB编辑器中，进行电路板的设计。

执行菜单命令【Design】/【ImportChangesFromtransmiter.PRJPcb】，载入网络表和元件封装，弹出如图8-30所示对话框。图8-30网络表载入对话框

在对话框中单击“ValidateChanges”按钮，确定元件的载入，并检查载入过程中是否有元件封装或网络存在错误，确认无误后，单击“ExecuteChanges”按钮，执行网络表和元件封装的载入，如图8-31所示。

载入网络表之后的工作区如图8-32所示。图8-31执行网络表载入图8-32载入网络表和元件后的工作区

3.元件布局

下面进行元件的手工布局。根据原理图中各元件的关系，对元件进行布局，如图8-33所示。图8-33元件布局

4.布线规则设置及布线

在PCB编辑器中，执行菜单命令【Design】/【Rules】，软件将弹出如图8-34所示的布线规则设置对话框。

设置安全间距，打开Electrical(电气特性设置)中的Clearance(安全间距设置)子项，如图8-35所示，将安全间距设置为10mil。

同样的，打开Rounting(布线规则设置)中的Width(布线宽度设置)子项，将MinWidth设置为10mil，MaxWidth设置为20mil，PreferredWidth设置为10mil，如图8-36所示。图8-34布线规则设置对话框图8-35安全间距设置图8-36线宽设置

在Width子项上单击右键，选择弹出菜单中的NewRule命令，添加新的布线宽度子项。打开此子项，将子项名称Name设置为GND，选择Net选项，并在其右边的下拉列表中选择GND，将PreferredWidth设置为20mil，如图8-37所示。

其他规则设置这里不再做介绍。图8-37布线宽度子项

5.自动布线

执行菜单命令【AutoRoute】/【All】，弹出如图8-38所示对话框，单击按钮，开始自动布线。

执行完自动布线后，接下来对其布线结果进行手工调整，调整后的PCB电路板如图8-39所示。

至此本设计完成。图8-38自动布线对话框图8-39PCB板布线结果8.3U盘电路设计8.3.1设计任务与要求图8-40所示为U盘的电路，该电路采用了IC1114作为U盘控制器，K9F5608U0B作为闪存，可以通过IC1114从USB接口中读入数据存储于K9F5608U0B中，也可以通过IC1114从K9F5608U0B中读数据，利用USB接口传送到计算机中，从而实现了U盘存储功能。图8-40U盘电路8.3.2原理图绘制

1.新建工程和原理图

启动Protel2004，进入主界面后，新建工程文件，执行【File】/【New】/【PCBProject】命令。

保存新建的工程文件，执行【File】/【SaveProject】命令，在弹出的对话框中输入工程文件名“FlashDisk.Prj”，然后单击按钮。

新建原理图文件，在主界面左边工程管理器(如图8-6所示)中的FlashDisk.Prj处单击右键，选择【FlashDisk.Prj】/【AddNewToProject】/【Schematic】命令。

保存新建的原理图文件，执行【File】/【Save】菜单命令，原理图文件命名为FlashDisk.SchDoc。

2.加载元件库

加载元件库MiscellaneousDevices.Intlib、MiscellaneousConnectors.Intlib。

3.制作元件

我们可以发现，电路原理图中元件AT1201、K9F5608U0B和IC1114三个元件(如图8-41所示)在库中无法找到，下面开始制作元件。图8-41需要制作的元件

执行菜单命令【File】/【New】/【Library】/【SchematicLibrary】，新建原理图库文件，并保存为FlashDisk.SCHLIB。

新建元件，执行【Tools】/【NewConpent】菜单命令，将新建元件命名为IC1114。

在元件库编辑环境中，单击绘图工具栏的按钮执行绘制矩形命令。

执行绘制矩形命令后，在工作区中将出现一个随着十字光栅移动的矩形，将光栅移至坐标原点处(坐标为X:0，Y:0)，单击鼠标左键将原点设为矩形的左上角，再将鼠标移到坐标(170，-190)处，单击鼠标左键确定矩形右下角。

放置元件引脚。

执行菜单命令【Place】/【Pin】，依照图8-41中U盘控制器IC1114所示放置引脚，放置引脚时应当注意引脚的方向。按下键盘上的Tab键，弹出元件引脚属性对话框，对元件进行属性设置，如图8-42所示，放置好的引脚如图8-43所示。

给元件添加封装形式，在Schlib管理器中单击按钮，弹出如图8-44所示对话框。

图8-42引脚属性设置对话框图8-43放置好的引脚图8-44元件属性设置对话框单击该对话框中下方的按钮，在弹出的对话框中单击按钮，系统将弹出如图8-45所示的对话框，单击按钮，弹出图8-46所示对话框，再单击按钮，查找封装形式QFP12x12-G48/N，最后单击按钮，将QFP12x12-G48/N设置为IC1114的封装。

以上介绍了绘制元件IC1114的基本步骤，其余两个元件请读者自行绘制。图8-45PCBModel图8-46浏览元件封装库

4.放置元件

U盘电路中主要的元件有电阻、电容、发光二极管、石英晶体振荡器、控制器IC1114、存储器K9F5608U0B和开关等；基本元件的标识有电阻res2、res3，电容cap2、capsemi，接头header，发光二极管LED3，石英晶体振荡器XTAL。

5.元件布局和连接导线

由于这个电路比较复杂，在绘制电路图时应当分成几个部分进行，逐步完成对整个电路的布局和连线。第一部分电路如图8-47所示。图8-47第一部分电路第二部分电路如图8-48所示。

第三部分电路如图8-49所示。

第四部分电路如图8-50所示。图8-48第二部分电路图8-49第三部分电路图8-50第四部分电路

6.生成报表

完成原理图设计操作后，下面就可以生成原理图相关报表文件了。

执行菜单命令【Project】/【CompileDocumenttransmiter.SchDoc】，对工程进行编译操作。编译结束后，在Message窗口中可以查看工程的错误信息，根据Message窗口中的错误信息对原理图进行修改。

执行菜单命令【Reports】/【BillofMaterials】，生成元件清单报表。

执行【Design】/【NetlistsForProject】/【Project】命令，软件将在该工程文件下生成一个与该工程文件同名的网络表文件。打开网络表文件。8.3.3PCB电路板制作

1.规划电路板

新建PCB文件，执行【Project】/【AddNewToProject】/【PCB】菜单命令。

执行【File】/【Saveas】命令，将新建的PCB文件保存，命名为“FlashDisk.PCBDoc”。

打开FlashDisk.PCBDoc文件，执行【Design】/【LayerStackManager】菜单命令，在系统弹出的PCB层设置对话框中将该电路板设置为双面板。

执行菜单命令【Design】/【BoardOptions】，弹出图纸设置对话框，按图8-51所示进行设置。图8-51图纸设置对话框

绘制机械层和禁止布线层。

在PCB工作区的下方单击Mechanicall标签，将当前工作层设置为机械层1。进入Mechanicall工作层后，在绘图工具栏单击工具，执行绘制导线命令，在该工作层中绘制电路板矩形边框，

在PCB工作区的下方单击Keep-OutLayer标签，将当前工作层设置为禁止布线层，然后在绘图工具栏单击工具，执行绘制导线命令，在该工作层中绘制电路板矩形边框，绘制的电路板边框如图8-52所示，宽2600mil、高11