《电路仿真与PCB设计》课件2项目五 PCB电路设计基础

1PCB样图234任务1认识印制电路板

任务2

建立文档

任务3PCB环境设置

任务4

生成PCB

任务5PCB元件布局

任务6

元件布线

任务7PCB与原理图的相互更新

5

背景

要进行PCB设计，首先要了解印制电路板的结构、板中的各种对象及其用途，了解这些对象在Protel软件中的表示，以及PCB编辑器的一些基本参数设置，这是进行PCB设计的基础。6

要点

• 印制电路板的结构

• 印制电路板图在PCB文件中的表示

• 元器件封装的概念

• 元器件封装在PCB文件中的表示

• PCB文件的建立

• PCB文件中一些常用参数的设置等

7任务1：认识印制电路板

一、印制电路板结构

印制电路板简称为PCB（PrintedCircuitBoard），是通过一定的制作工艺，在绝缘度非常高的基材上覆盖一层导电性能良好的铜箔构成覆铜板，按照PCB图的要求，在覆铜板上蚀刻出相关的图形，再经钻孔等后处理制成，以供元器件装配所用。

印制电路板根据结构不同可分为单面板、双面板和多层板。8

单面板是指在一面覆铜的电路板，只可在覆铜的一面布线。制作成本简单，但由于只能在一面布线且不允许交叉，布线难度较大，适用于比较简单的电路。

双面板是两面覆铜，两面均可布线。制作成本低于多层板，由于可以两面布线，布线难度降低，因此是最常用的结构。

多层板一般指3层以上的电路板。多层板不仅两面覆铜，在电路板内部也包含铜箔，各铜箔之间通过绝缘材料隔离。但制作成本较高，多用于电路布线密集的情况。9图5-1单面印制电路板剖面10图5-2双面印制电路板剖面11图5-3多面印制电路板剖面12二、印制电路板中的各种对象

（1）铜膜导线：用于各导电对象之间的连接，由铜箔构成，具有导电特性。

（2）焊盘：用于放置焊锡、连接导线和元器件引脚，由铜箔构成，具有导电特性。

（3）过孔：用于连接印制电路板不同板层的铜膜导线，由铜箔构成，具有导电特性。

（4）元器件符号轮廓：表示元器件实际所占空间大小，不具有导电特性。13（5）字符：可以是元器件的标号、标注或其他需要标注的内容，不具有导电特性。

（6）阻焊剂：为防止焊接时焊锡溢出造成短路，需在铜膜导线上涂覆一层阻焊剂。阻焊剂只留出焊点的位置，而将铜膜导线覆盖住，不具有导电特性。过孔铜膜导线，其上覆盖阻焊剂元器件符号轮廓焊盘字符图5-4印制电路板14三、了解印制电路板图在Protel软件中的表示

1．信号层（SignalLayer）

信号层用于表示铜膜导线所在的层面，包括顶层（TopLayer）、底层（BottomLayer）和30个中间层（MidLayer），其中中间层只用于多层板。

2．内部电源/接地层（InternalPlaneLayer）

内部电源/接地层共有16个，用于在多层板中布置电源线和接地线。153．机械层（MechanicalLayer）

机械层共有16个。用于设置电路板的外形尺寸、数据标记、对齐标记、装配说明以及其他机械信息。这些信息因设计公司或PCB制造厂家的要求而有所不同。

4．阻焊层（SolderMaskLayer）

阻焊层用于表示阻焊剂的涂覆位置，包括顶层阻焊层（TopSolder）和底层阻焊层（BottomSolder）。165．PasteMaskLayer（锡膏防护层）

锡膏保护层与阻焊层的作用相似，不同的是，在机器焊接时对应的是表面粘贴式元件的焊盘。它包括顶层锡膏防护层（TopPaste）和底层锡膏防护层（BottomPaste）。

6．丝印层（SilkscreenLayer）

丝印层用于放置元器件符号轮廓、元器件标注、标号以及各种字符等印制信息。它包括顶层丝印层（TopOverlay）和底层丝印层（BottomOverlay）。

177．多层（MultiLayer）

多层用于显示焊盘和过孔。

8．禁止布线层（KeepOutLayer）

禁止布线层用于定义在电路板上能够有效放置元器件和布线的区域，主要用于PCB设计中的自动布局和自动布线。18图5-5顶层（TopLayer）的布线图5-6底层（BottomLayer）的布线图5-7顶层丝印层（TopOverlay）图5-8底层丝印层（BottomOverlay）19图5-9多层（MultiLayer）显示的焊盘与过孔四、铜膜导线、焊盘、过孔、字符等的表示

1．铜膜导线（Track）

铜膜导线（Track）必须绘制在信号层，即顶层（TopLayer）、底层（BottomLayer）和中间层（MidLayer）。202．焊盘（Pad）

焊盘（Pad）分为两类，即针脚式和表面粘贴式，分别对应具有针脚式引脚的元器件和表贴式（表面粘贴式）元器件。

图5-10针脚式焊盘尺寸图5-11针脚式焊盘的三种类型213．过孔（Via）

过孔（Via）也称为导孔，过孔分为三种，即从顶层到底层的穿透式过孔（如图5-13所示）从顶层到内层或从内层到底层的盲过孔（如图5-14所示）和层间的隐藏过孔。图5-12表面粘贴式焊盘图5-13穿透式过孔图5-14盲过孔224．字符（String）

字符必须写在顶层丝印层（TopOverlay）和底层丝印层（BottomOverlay。

5．安全间距（Clearance）

进行印制电路板图设计时，为了避免导线、过孔、焊盘及元器件间的相互干扰，必须在它们之间留出一定间隙，即安全间距（如图5-15所示）。图5-15安全间距23任务二：建立文档

一、元器件封装

1．元器件封装的概念

元器件封装是指实际的电子元器件焊接到电路板时所指示的轮廓和焊点的位置，它保证了元器件引脚与电路板上的焊盘一致。

2．元器件封装的分类

根据焊接方式不同，元器件封装可分为两大类：针脚式和表面粘贴式。24（a）针脚式元器件（b）表面粘贴式元器件图5-16元器件封装的分类25二、常用元器件封装

1．电容类封装

图5-17无极性电容封装图5-18有极性电容封装262．电阻类封装图5-19电阻封装3．二极管类封装图5-20二极管封装274．晶体管类封装图5-21常用小功率三极管封装图5-22表贴式三极管封装5．集成电路封装图5-23双列直插式芯片封装图5-24表贴式芯片封装28补充：常用元件封装

1)管形无极性元件封装AXIAL-xxx（针脚式封装）（AXIAL-xxx,轴状，xxx表示两脚距离)AXIAL-0.3AXIAL-1.0

常用于电阻AXIAL0.4管脚之间距离为400milAXIAL1.0管脚之间距离为1000mil1mil=0.001inch=0.0254mm29

电阻元件的表面粘贴式封装有：0402、0603、0805、1005、1206、1210等系列。封装名分两部分：前两个数字表示元件长度，后两个数字表示元件的宽度，单位为英寸。

0603——元件长度为0.06英寸、宽度为0.03英寸。

封装0603示意图302)管形有极性元件封装DIODE(常用于二极管)DIODE-0.4管脚之间距离为400milDIODE-0.7管脚之间距离为700mil

原理图中的常用名称为：

DIODE（一般二极管）

DIODESCHOTTKY（肖特基二极管)DIODEVARACTOR(变容二极管）

DIODEZENER1—3(稳压二极管）

DIODE-0.4常用于小功率二极管，而

DIODE-0.7常用于大功率二极管。313)短距无极性元件封装RAD

常用于无极性电容

RAD-0.1管脚之间距离为100milRAD-0.2管脚之间距离为200milRAD-0.3管脚之间距离为300milRAD-0.4管脚之间距离为400mil

（RADxxx，xxx也表示电容量大小）324)有极性电容器封装RB，CC,CAPR常用于有极性电解电容器5)三极元件封装BCY-W3/***常用于三脚元件的封装

336)电位器封装VR常用于各种可焊接式电位器（VRxxx，xxx表示管脚形状）原理图中常用于可变电阻、可变电容、可变电感，常用的管脚封装为VR系列，从VR1到VR5。

VR1，VR2，VR3，VR4，VR5347)双列集成元件封装DIP-*常用于双列集成电路双列集成元件封装一般在放置集成电路元件时候会自动装入，如果没有装入，那么就将集成电路的管脚数目直接加在DIP之后，作为该集成电路的封装。35任务三PCB环境设置一、PCB编辑器的画面管理

1．在工程项目中建立PCB文件

（1）新建或打开一个工程项目文件，并执行保存操作。

（2）在“Projects（项目）”面板的项目名称上单击鼠标右键，在快捷菜单中选择“AddNewtoProject”→“PCB”，则在左边的面板中出现了PCB1.PcbDoc的文件名，同时右边打开了一个PCB文件，如图5-25所示。36图5-25新建的PCB文件（3）继续执行菜单命令“File”→“Save”或单击“保存”图标，系统弹出“保存”对话框，选择工程项目文件所在文件夹，并将该PCB文件重新命名后，单击“保存”按钮。372．管理PCB编辑器画面

要求：打开系统提供的示例C:\ProgramFiles\Altium2004SP2\Examples\PCBAuto-Routing\PCBAuto-Routing.PrjPCB中的RoutedBOARD1.PcbDOC文件，练习各种画面显示的操作。

（1）放大画面。执行菜单命令“View”→“ZoomIn”或按“PageUp”键。

（2）缩小画面。执行菜单命令“View”→“ZoomOut”或按“PageDown”键。38（3）显示电路板的全部内容。执行菜单命令“View”→“FitDocument”或单击“PCBStandard”工具栏中的图标，则图纸上的全部内容都显示在工作窗口中间。

（4）放大指定区域。执行菜单命令“View”→“Area”或单击“PCBStandard”工具栏中的图标，用十字光标分别在要放大区域的两个对角线顶点单击鼠标左键，则选定的区域放大在工作区中间。

（5）快速移动画面。按住鼠标右键，此时光标变成手形，拖动即可。

39二、PCB编辑器的工作层管理

要求：打开系统提供的示例C:\ProgramFiles\Altium2004SP2\Examples\PCBAuto-Routing\PCBAuto-Routing.PrjPCB中的RoutedBOARD1.PcbDOC文件，练习各种有关工作层的操作。

1．当前工作层的转换图5-26PCB文件中的工作层标签40（1）用鼠标左键单击要设置为当前层的工作层标签。

（2）按小键盘上的“*”键，可在TopLayer和BottomLayer之间进行转换，这种方法在绘图过程中鼠标正在使用时非常方便。

（3）按小键盘上的“+”或“－”键，可按工作层标签的排列顺序依次将其设置为当前工作层。

412．单层显示

执行菜单命令“Tools”→“Preferences”，系统弹出“Preferences”对话框→用鼠标左键单击对话框左侧的“ProtelPCB”前的“+”图标，使其变为“－”→单击“ProtelPCB”文件夹下的“Display”选项→在对话框右侧的“DisplayOptions”区域中选中“SingleLayerMode（单层显示模式）”复选框，如图5-27所示→单击“OK”按钮即可。42图5-27设置单层显示模式433．工作层的显示

执行菜单命令“Design”→“BoardLayers&Colors”，系统弹出“BoardLayers&Colors”对话框，如图5-28所示。图5-28“BoardLayersandColors”对话框444．工作层的颜色

在默认状态下，系统为每个工作层赋予一个颜色。要修改工作层颜色，可以单击工作层名称后面的颜色块，在弹出的调色板中进行修改。

三、PCB编辑器的参数设置

1．栅格、单位等参数设置

1）在“BoardOptions”对话框中设置

执行菜单命令“Design”→“BoardOptions”或在PCB文件的工作窗口单击鼠标右键，在快捷菜单中选择“Options”→“BoardOptions”，系统弹出“BoardOptions”对话框，如图5-29所示。45图5-29“BoardOptions”对话框46（1）单位设置。在“MeasurementUnit”区域中进行单位设置。

PCB文件中共有两种单位，即Imperial（英制）和Metric（公制），单击Unit右侧的下拉按钮，从中进行选择。

PCB文件的当前单位可在屏幕左下角的状态栏中显示出来，如图5-30所示。图5-30PCB文件中的状态栏47（2）栅格类型设置。在“VisibleGrid”区域的“Markers”中进行设置。

PCB文件中共有两种栅格类型，即Lines（线状）和Dots（点状）。用鼠标左键单击“Markers“右侧的下拉按钮，从中进行选择。

（3）显示栅格设置。在“VisibleGrid”区域的“Grid1”和“Grid2”中进行设置，注意要分别设置X和Y值。

（4）捕获栅格设置。在“SnapGrid”区域中进行设置。要分别设置注意X和Y值。

482）快捷设置

（1）栅格类型转换。执行菜单命令“View”→“Grids”→“ToggleVisibleGridKind”，可在两种栅格之间转换。

或在“Utilities”工具栏中单击“Grids（栅格）”图标旁的下拉按钮，从中选择“ToggleVisibleGridKind”，如图5-31所示。图5-31栅格类型快速转换49（2）单位转换。执行菜单命令“View”→“ToggleUnits”或直接按“Q”键，可在两种单位中进行转换。

（3）捕获栅格设置。执行菜单命令“View”→“Grids”→“SetSnapGrid”，在弹出的对话框中直接输入捕获栅格数值即可，如图5-32所示。图5-32“SnapGrid（1..1000）（捕获栅格）”对话框502．PCB文件中各对象的显示方式

执行菜单命令“Tools”→“Preferences”，系统弹出“Preferences”对话框→用鼠标左键单击对话框左侧“ProtelPCB”前的“+”图标，使其变为“－”→单击“ProtelPCB”文件夹下的“Show/Hide”，“Preferences”对话框变为如图5-33所示。图5-33Show/Hide显示方式设置51•Final：精细显示，是默认选择。

•Draft：轮廓显示，选择该项，相应对象只显示符号的轮廓，如图5-34所示。

•Hidden：隐藏。（a）Final（精细）显示（b）AllDraft（全部轮廓）显示图5-34电阻封装的两种显示方式52（a）Final（精细）显示（b）Draft（轮廓）显示图5-35焊盘封装的两种显示方式533．显示原点标记

执行菜单命令“Tools”→“Preferences”，系统弹出“Preferences”对话框→用鼠标左键单击对话框左侧“ProtelPCB”前的“+”图标，使其变为“－”→单击“ProtelPCB”文件夹下的“Display”选项→在对话框右侧的“Show”区域中选中“OriginMarker”（原点标记）复选框→单击“OK”按钮即可。显示的原点标记如图5-36所示。图5-36显示的原点标记

电路板的轮廓由两个轮廓组成，电路板的机械轮廓和电路板的电气轮廓。电路板的机械轮廓指电路板的物理外形和尺寸，需要根据电子电路板的安放位置及元件的数目等条件进行相应的规划。电路板的机械轮廓应定义在机械层上。

电路板的电气轮廓，是指在电路板上元件及铜膜导线的放置范围。电气轮廓要定义在禁止布线层上。禁止布线层是定义电路板上元件及铜膜导线的放置区域的特殊层面，所有信号层上的元件及铜膜导线都被限制在该区域之内。在没有定义电路板的机械轮廓时，一般情况此区域也就认为是电路板的物理轮廓大小。（一）电路板的轮廓

执行菜单命令：Design→LayerStackManager，打开对应对话框。（二）层管理器图5-37对话框

在打开的层管理器中练习添加/删除信号层，添加/删除内部电源/接地层，改变层的层叠次序，编辑层的属性，使用电路板模板等操作。1.显示、关闭工作层执行菜单命令：Design→BoardLayersandColors，打开对应对话框。选中每个需要显示（打开）的工作层名前的复选框，方框内出现“√”表示显示或打开，反之表示关闭。如下图所示。（三）PCB环境参数设置信号层内部电源层机械层只显示层管理器中的层防护层丝印层其他层系统对象颜色图5-38显示、关闭工作层2.DocumentOptions设置参数执行菜单命令：Design→Options图5-39参数设置执行菜单命令Tools→Preference，由5个选项卡组成。3.PCB工作参数设置图5-40选项卡编辑选项移动模式（7种）其他设置移动速度单位交互布线模式多边形填充绕过焊盘方式图5-41参数设置设置内部板层的显示模式显示极限导线显示极限字符串显示极限各信号层显示的次序图5-42参数设置Final：精细显示Draft：草稿（简单）显示Hidden：隐藏图5-43参数设置圆弧元件坐标尺寸线填充焊盘多边形图5-44参数设置填充焊盘多边形字符串导线过孔图5-45参数设置66任务4：生成PCB

要求：绘制如图5-46所示的原理图，熟悉具体电路板的设计步骤。

电路板尺寸：宽2000mil，高1200mil。图5-46可控多谐振荡器电路原理图67681电路板图设计流程图5-47一般印制电路板图的设计流程692规划印制电路板

单面印制电路板所使用的工作层共有以下6层。

（1）顶层（TopLayer）：放置元器件。

（2）底层（BottomLayer）：布线。

（3）顶层丝印层（TopOverLayer）：标注符号、文字等。

（4）机械层（MechanicalLayer）：绘制电路板物理边界以及其他一些尺寸标注等。

（5）禁止布线层（Keep-OutLayer）：绘制电路板电气边界。

（6）多层（MultiLayer）：放置焊盘。703准备原理图

（1）所有元器件都要有标号，而且不能重复不能为空。

（2）元器件之间使用导线连接，在具有总线结构的电路图中，总线、总线分支线、网络标号缺一不可。

（3）电源、接地符号绘制正确，连接正确无遗漏。

（4）所有元器件都要有封装，而且封装要根据实际元器件确定。

4绘制电路板边界

1．设置当前原点

（1）在原理图所在的工程项目中新建一个PCB文件，并进行保存。

71（2）显示原点标记。执行菜单命令“Tools”→“Preferences”，系统弹出“Preferences”对话框→单击对话框左侧“ProtelPCB”前的“+”图标，使其变为“－”→单击“ProtelPCB”文件夹下的“Display”选项→在对话框右侧的“Show”区域中选中“OriginMarker（原点标记）”复选框→单击“OK”按钮显示原点标记。（3）设置当前原点。执行菜单命令“Edit”→“Origin”→“Set”或在“Utilities”工具栏中用鼠标左键单击“SetOrigin（设置当前原点）”图标，如图5-48所示。图5-48单击“SetOrigin”图标72（4）在工作窗口左下角的任意位置单击鼠标左键，则此点变为当前原点。当光标放在原点位置时，屏幕左下角的坐标值为0，0。

2．绘制物理边界

（1）单击“Mechanical1Layer”工作层标签，将Mechanical1Layer设置为当前层。（2）执行菜单命令“Place”→“Line”或在“Utilities”工具栏中单击“PlaceLine”图标，如图5-49所示。图5-49单击“PlaceLine”图标73（3）以当前原点为起点，按尺寸要求绘制物理边界（宽为2000mil，高为1200mil），如图5-50所示。图5-50绘制完成的物理边界743．绘制电气边界

（1）单击“KeepOutLayer”工作层标签，将KeepOutLayer设置为当前层。

（2）执行菜单命令“Place”→“Line”或在“Utilities”工具栏中单击“PlaceLine”图标，如图5-51所示。

物理边界（外侧）电气边界（内侧）图5-51绘制完成的物理边界和电气边界（3）在物理边界内侧距物理边界20mil的位置绘制电气边界，如图5-51所示。

（4）单击“保存”图标，对文件进行保存。755导入数据

（1）打开原理图文件。（2）执行菜单命令“Design”→“UpdatePCBDocumentPCB1.PcbDoc”，其中，PCB1.PcbDoc是PCB文件的文件名，系统弹出如图5-52所示的“EngineeringChangeOrder”对话框。图5-52“EngineeringChangeOrder”对话框76（3）图5-51中列出了所有要加载到PCB文件中的元器件标号和网络连接。单击图5-51中的“ValidateChanges”按钮，图5-51变为如图5-52所示。图5-52单击“ValidateChanges”按钮后的“EngineeringChangeOrder”对话框77（4）在如图5-52所示的“EngineeringChangeOrder”对话框中，检查后全部正确（如图5-52所示），进行下一步。

（5）单击图5-52中的“ExecuteChanges”按钮，将元器件和网络连接装入到PCB文件中。此时，“EngineeringChangeOrder”对话框的“Done”一列中全部显示“√”，说明所有元器件和网络连接均被装入PCB文件，如图5-53所示。78图5-53单击“ExecuteChanges”按钮后的“EngineeringChangeOrder”对话框79（6）单击“Close”按钮，关闭“EngineeringChangeOrder”对话框。此时，所有元器件封装均出现在PCB文件中，如图5-54所示。图5-54装入元器件后的PCB文件80任务5：元器件自动布局

一、元器件布局规则介绍

执行菜单命令“Design”→“Rules”，系统弹出“PCBRulesandConstraintsEditor”对话框。81图5-55“PCBRulesandConstraintsEditor”对话框821）ComponentClearance（安全间距）规则

该规则用于设置元器件、铜膜导线、过孔、焊盘等导电对象之间的最小间距。

在图5-55中，单击Placement下一级ComponentClearance规则中的ComponentClearance，如图5-56所示。图5-56选择ComponentClearance规则832）ComponentOrientations（元器件放置角度）规则

（1）在“PCBRulesandConstraintsEditor”对话框的ComponentOrientations规则名上单击鼠标右键→在弹出的快捷菜单中选择“NewRule”，则建立了一个新规则，如图5-57所示。图5-57建立元器件放置角度新规则84（2）单击ComponentOrientations下一级新建的规则名，“PCBRulesandConstraintsEditor”对话框的右侧显示ComponentOrientations规则设置画面，如图5-58所示。图5-58设置元器件放置角度规则图5-58的“WheretheFirstobjectmatches”区域用于设置规则使用的范围，在Constraints区域设置旋转角度。853）PermittedLayers（允许元器件放置工作层）规则

该规则用于设置允许元器件放置的电路板层。建立该规则的方法同“2）”。

图5-59设置允许元器件放置工作层规则862本例的元器件布局规则设置

由于本例中的元器件都是针脚式封装，可以都放置在顶层（TopLayer），所以要在自动布局前设置PermittedLayer（允许元器件放置工作层）规则。设置方法是在图5-59中去掉“BottomLayer”前的“√”，设置完毕单击“OK”按钮即可。

3自动布局

执行菜单命令“Tools”→“ComponentPlacement”→“AutoPlacer”，弹出“AutoPlace（自动布局方式设置）”对话框，如图5-60所示。87图5-60“AutoPlace（自动布局方式设置）”对话框88（1）ClusterPlacer：群集式布