電路原理第4章印制電路板設(shè)計

1、第4章 印制電路板設(shè)計初步印制電路板（Printed Circuit Board，簡稱PCB）編輯、設(shè)計是電子產(chǎn)品設(shè)計過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。電子產(chǎn)品的功能由原理圖決定，但是許多性能指標(biāo)（如穩(wěn)定性、可靠性、抗震強(qiáng)度等）很大程度上取決于印制電路板的布局、布線是否合理。編輯原理圖的目的也是為了能夠使用計算機(jī)進(jìn)行印制板設(shè)計，所以說在Protel DXP電路設(shè)計中印制板設(shè)計才是最終目的。41印制板設(shè)計基礎(chǔ)印制板是印制線路板或印制電路板的簡稱，通過印制板上的印制導(dǎo)線、焊盤及金屬化過孔、覆銅區(qū)等導(dǎo)電圖形實現(xiàn)元器件引腳之間的電氣連接。由于印制板上的導(dǎo)電圖形（如元件引腳焊盤、印制連線、過孔、覆銅區(qū)等）以及說明性

2、文字（如元件輪廓、序號、型號）等均通過印制方法實現(xiàn)，因此稱為印制電路板。印制電路板(PCB)的常見結(jié)構(gòu)可以分為單層板（Single Layer PCB）、雙層板（Double Layer PCB）和多層板（Multi Layer PCB）3種，下面分別進(jìn)行介紹：（1） 單層板單層板是只有一個面敷銅，另一面沒有敷銅的電路板。元器件一般情況是放置在沒有敷銅的一面，因此該面板稱為“元件面”。而敷銅的一面用于布線和元件焊接，所以該面稱為“焊錫面”。（2） 雙層板雙層板是一種雙面敷銅的電路板，兩個敷銅層通常稱為頂層（Top Layer）和底層（Bottom Layer）。兩個敷銅面都可以布線，但是元件只

3、能安裝在其中一個面上，所以同樣把該面叫為“元件面”，另一面稱為“焊錫面”。（3） 多層板多層板就是包括多個工作層的電路板，除了有頂層和底層之外，還有中間層。中間層可以是導(dǎo)線層、信號層、電源層或接地層，層與層之間是相互絕緣的，通過金屬化過孔來連接。印制電路板上需要印上一些必要的說明文字必須設(shè)計在絲印層（Silkscreen Overlay），絲印層在電路板上分為頂層絲印層（Top Overlay）和底層絲印層（Bottom Overlay），在絲印層做的所有標(biāo)志都是用絕緣材料印制到電路板上的，不具有導(dǎo)電特性，不會影響到電路的連接。不同層數(shù)的印制電路板有不同的優(yōu)缺點，比較如表4-1所示。從表中可以

4、看表4-1 單、雙和多層電路板優(yōu)缺點比較加工成本工藝流程布線設(shè)計布通率電磁干擾應(yīng)用領(lǐng)域單面板低少難低，常用飛線不易達(dá)標(biāo)收錄機(jī)、電視機(jī)、計算機(jī)顯示器等雙面板中較多相對容易高較好VCD機(jī)、單片機(jī)控制板等多面板高很多方便高很好主機(jī)板、內(nèi)存條、顯卡等出在電路簡單的情況下，使用單面板；電路較復(fù)雜，而電磁干擾要求一般的話，使用雙面板；電路復(fù)雜，而電磁干擾要求嚴(yán)格的時候，使用多層板。42 PCB界面介紹PCB編輯器的界面如圖4-1所示，該界面包括4個部分：主菜單、主工具欄、左邊的工作面板和右邊的工作窗口。與原理圖編輯器不同的是，PCB編輯器的工作窗口以黑色為底色。圖4-1 PCB設(shè)計界面43 PCB編輯器的

5、特點Protel DXP的PCB設(shè)計能力非常強(qiáng)，能夠支持復(fù)雜的32層PCB設(shè)計。但是在每一個設(shè)計中無須使用所有的層次。例如，如果項目的規(guī)模較小時，雙面走線的PCB板就能夠提供走線空間，此時只需要啟動Top Layer和Bottom Layer的信號層以及對應(yīng)的機(jī)械層、絲印層等層次即可，無須任何其他的信號層和內(nèi)部電源層。Protel DXP的PCB編輯器提供了一條設(shè)計印制電路板的快捷途徑。PCB編輯器通過它的交互性編輯環(huán)境將手動設(shè)計和自動化設(shè)計完美融合。PCB的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最大限度地考慮了用戶對速度的要求，通過對功能強(qiáng)大的設(shè)計法則的設(shè)置，用戶可以有效到控制印制電路板的設(shè)計過程。對于特別復(fù)雜的、有

6、特殊布線要的、計算機(jī)難以自動完成的布線工作，可以選擇手動布線。總之，Protel DXP的PCB設(shè)計系統(tǒng)功能強(qiáng)大而方便，它具有以下的特點：（1） 豐富的設(shè)計法則。電子工業(yè)的飛速發(fā)展對印制電路板的設(shè)計人員提出了更高的要求。為了能夠成功設(shè)計出一塊性能良好的電路板，用戶需要仔細(xì)考慮電路板阻抗匹配、布線間距、走線寬度、信號反射等各項因素，而Protel DXP強(qiáng)大的設(shè)計法則定義極大地方便了用戶。Protel DXP提供超過25種設(shè)計法則類別，覆蓋了設(shè)計過程中的方方面面。這些定義的法則可以應(yīng)用于某個網(wǎng)絡(luò)，某個區(qū)域，以至整個PCB板上，這些法則互相組合能夠形成多方面的復(fù)合法則，使用戶迅速地完成印制電路板的

7、設(shè)計。 （2）易用的編輯環(huán)境。和Protel DXP的原理圖編輯器一樣，Protel DXP的PCB編輯器完成符合Windows應(yīng)用程序風(fēng)格，操作起來非常簡單，編輯工作非常自然直觀。（3）合理的元件自動布局功能。Protel DXP提供了用的元件自動布局功能，通過元件自動布局，計算機(jī)將根據(jù)原理圖生成的網(wǎng)絡(luò)抱表對元件進(jìn)行初步布局。用戶的布局工作僅限于元件位置的調(diào)整。（4）高智能的基于形狀的自動布線功能。Protel DXP在印制電路板的自動布線技術(shù)上有了長足的進(jìn)步。在自動布線的過程中，計算機(jī)將根據(jù)原理圖生成的網(wǎng)絡(luò)報表對元件進(jìn)行初步布局。用戶的布局工作僅限于元件位置的調(diào)整。（5）易用的交互性手動布

8、線。對于有特殊布線要求的網(wǎng)絡(luò)或者特別復(fù)雜的電路設(shè)計Protel DXP提供了易用的手動布線功能。電氣格點的設(shè)置使得手動布線時能夠快速定位連線點，操作起來簡單而準(zhǔn)確。（6）強(qiáng)大的封裝繪制功能。Protel DXP提供了常用的元件封裝，對于超出Protel DXP自帶元件封裝庫的元件，在Protel DXP的封裝編輯器中可以方便地繪制出來。此外，Protel DXP采用庫的形式來管理新建封裝，使得在一個設(shè)計項目中繪制的封裝，在其他的設(shè)計項目中能夠得到引用。（7）恰當(dāng)?shù)囊曈X縮放功能。Protel DXP提供了強(qiáng)大的視覺縮放功能，方便了大型的PCB繪制。（8）強(qiáng)大的編輯繪制。Protel DXP的PC

9、B設(shè)計系統(tǒng)有標(biāo)準(zhǔn)的編輯功能，用戶可以方便地使用編輯功能，提供工作效率。（9）萬無一失的設(shè)計檢驗。PCB文件作為電子設(shè)計的最終結(jié)果，是絕對不能出錯的。Protel DXP提供了強(qiáng)大的設(shè)計法則檢驗器（DRC），用戶可以定義通過對DRC的規(guī)則進(jìn)行設(shè)置，然后計算機(jī)自動檢測整個PCB文件。此外，Protel DXP還能夠給出各種關(guān)于PCB的報表文件，方便隨后的工作。（10）高質(zhì)量的輸出。Protel DXP支持標(biāo)準(zhǔn)的Windows打印輸出功能，其他PCB輸出質(zhì)量無可挑剔。4.4 PCB電路板參數(shù)設(shè)置在用Protel DXP設(shè)計印制電路前，需要設(shè)置電路板的板層參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等。441 設(shè)置工作層面及顏色P

10、CB編輯器是一種“層”的環(huán)境，Protel DXP提供了多個不同類型的工作層面，包括32個信號層、16個內(nèi)層電源/接地層和16個機(jī)械層。用戶可以在不同的工作層上執(zhí)行不同的操作，通過在這些層上放置對象來完成PCB板設(shè)計。這些層或許是物理層，用于生成制造信息；或許是系統(tǒng)層，例如連接層，用于顯示沒有實行布線的網(wǎng)絡(luò)連接飛線。物理層包括信號層、內(nèi)部電源層、絲網(wǎng)層、阻焊層和阻粘層，其中每一層都配給唯一的可以區(qū)分的顏色。信號層和內(nèi)電層可以通過如圖4-2所示的層堆棧管理器（Layer Stack Manager）來添加或刪除。Layer Stack Manager對話框通過DesignLayer Stack

11、Manager命令打開。圖4-2 Layer Stack Manager對話框執(zhí)行DesignBoard Layers命令后，在打開的如圖4-3所示的Board Layers對話框中可以控制各層的顯示與否，以及層的顏色等屬性設(shè)置。圖4-3 Board Layers對話框通過這個對話框可以看到，板層總共分為6類，有信號層（Signal Layers）、內(nèi)部電源層（Internal Planes Layers）、絲網(wǎng)層（Silkscreen Layers）、阻焊層（Solder Layers）和阻粘層（Mask Layers）、機(jī)械層（Mechanical Layers）、其他輔助設(shè)計層（Othe

12、r Layer）以及系統(tǒng)顏色層（System Colors）。除機(jī)械層外，其他類型的層都具有顏色（Color）、是否顯示（Show）的選項，機(jī)械層則有激活(Enable)、單層模式（Single Layer Mode）以及連接到圖紙（Linker To Sheet）等選項?？梢赃x擇只顯示在層堆棧中用到的層或激活的層，也可以都在列表中顯示，可以設(shè)置是否在板上顯示該層，以及各層的顏色。442 設(shè)置電路板的環(huán)境參數(shù)電路板的環(huán)境參數(shù)分為兩部分：電路板板級環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)級環(huán)境參數(shù)。(1) 設(shè)置電路板的環(huán)境參數(shù)執(zhí)行Design/Board Options命令，系統(tǒng)彈出如圖4-4所示的電路板板級環(huán)境參數(shù)設(shè)置

13、對話框，在其中可以設(shè)置當(dāng)前PCB文件的電路板板級環(huán)境參數(shù)。(2) 設(shè)置系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)執(zhí)行Tools/Preferences命令后，系統(tǒng)彈出如圖4-5所示的系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)設(shè)置對話框，該對話框包含Options（選項）、Display(顯示)、Show/Hide(設(shè)置圖元的顯示模式)、Defaults（設(shè)置圖元的系統(tǒng)默認(rèn)值）4個標(biāo)簽，利用4個標(biāo)簽可完成系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)設(shè)置。圖4-4 電路板板級環(huán)境參數(shù)設(shè)置圖4-5 系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)設(shè)置45 PCB編輯器的畫面管理利用PCB印制電路板編輯設(shè)計PCB電路板時，首先要學(xué)會使用編輯窗口觀看所繪制的印制電路板。一塊實際的印制電路板上有許多形式不一的元器件，如過孔、焊盤、

14、銅箔導(dǎo)線等，讀者在編輯的時候，有時要查看一些細(xì)節(jié)（如某個過孔、某根導(dǎo)線、某個元器件上的焊盤等），有時又需要觀察整個印制電路板的全貌，有時需要查看電路板 上的某一個指定的區(qū)域。因此，熟練掌握PCB編輯器的畫面管理，將有助于快速、方便地設(shè)計一塊電路板，達(dá)到事半功倍的效果。451 畫面的移動在設(shè)計PCB電路板時，常常需要移動畫面來觀察電路板的其他部分。一般有以下方法移動畫面。（1） 利用編輯窗口的滾動條 把光標(biāo)放到編輯窗口的滾動條上，按住鼠標(biāo)不放，上下或左右拖動滾動條，則畫面將跟著移動。松開鼠標(biāo)，畫面停止移動。（2） 利用印制電路板面板（PCB）在印制電路板面板（PCB）的下部有個小窗口，它顯示的就

15、是整個電路板，如圖4-6所示，在它上面有一個雙虛線框，用鼠標(biāo)拖動該虛線況，就可以使當(dāng)前工作窗口在整個電路板上移動。用這種方法移動畫面，既快捷又方便。圖4-6 印制電路板面板下部的觀察窗口452 畫面的放大和縮小觀看電路板的某個細(xì)節(jié)時，需要放大畫面，而當(dāng)需要觀看整個電路板或某個較大區(qū)域時，就要縮小畫面。(1) 整個畫面的放大和縮小u 利用Page Up鍵和Page Down鍵，把光標(biāo)放置在欲放大或縮小區(qū)域的位置，利用Page Up和Page Down鍵放大或縮小，將使畫面以光標(biāo)位置為中心顯示電路板。u 執(zhí)行菜單命令ViewZoom In和ViewZoom Out對當(dāng)前畫面進(jìn)行放大或縮小。u 單擊

16、工具欄上的放大和縮小按鈕，也可放大或縮小當(dāng)前畫面。（2） 選定區(qū)域放大執(zhí)行菜單命令ViewArea，光標(biāo)變成十字形狀。把光標(biāo)移到欲放大的電路區(qū)域的一端，單擊確定放大區(qū)域的一個角，然后，拖出一個矩形框，框選欲放大的區(qū)域，再次單擊鼠標(biāo)，確定放大區(qū)域的了另一個角，這時所框定的區(qū)域就會被放大，充滿在當(dāng)前窗口中。(3) 中心放大執(zhí)行菜單命令ViewAround Point，光標(biāo)變成十字形狀。把光標(biāo)移到欲放大的電路區(qū)域的中心位置。單擊鼠標(biāo)確定選擇框的中心位置，然后拖動鼠標(biāo)，確定選擇框的某個角，即可放大該選擇框內(nèi)的元器件，充滿到當(dāng)前窗中。453 總體觀察畫面在具體繪制印制電路板時，需要放大整個電路板，但是有

17、時需要從總體上觀察電路板。特別是在電路板即將繪制完畢時，經(jīng)常需要從總體上觀察整個電路板，用來判斷各個元件是否布局合理。(1) 顯示以光標(biāo)為中心的區(qū)域執(zhí)行菜單命令ViewPan，或者使用快捷鍵V-N,或者直接按Home鍵，當(dāng)前畫面將以光標(biāo)為中心顯示。(2) 顯示整個文件執(zhí)行菜單命令ViewFit Document，即可顯示當(dāng)前整個PCB文件(3) 顯示整張圖紙執(zhí)行菜單命令ViewFit Sheet，即可顯示當(dāng)前整張圖紙。該命令和顯示整個文件差別不大。(4) 顯示整個電路板執(zhí)行菜單命令ViewFit Board，即可顯示當(dāng)前整個電路板。454 各種面板的管理在PCB印制電路板編輯器中，工具欄、狀態(tài)

18、欄、命令行的打開與關(guān)閉如同電路原理圖編輯器中一樣，只需通過View菜單設(shè)定即可。PCB的的Placement(放置工具欄)可以通過執(zhí)行菜單命令View-Toolbars-Placement來打開或關(guān)閉。Placement欄如圖4-7所示。圖4-7 PCB放置工具欄其他各種面板可以通過工作區(qū)右下角的面板控制按鈕來切換，如圖4-8所示。圖4-8 各種面板按鈕46 放置工具欄介紹在進(jìn)行各種PCB印制電路板的設(shè)計中，需要在電路板上添加導(dǎo)線、焊盤、元器件等，這些都可以通過Protel DXP的Placement欄或相應(yīng)的菜單命令來完成。461 放置元器件封裝放置元器件封裝形式的步驟如下：（1）單擊Pla

19、cement欄上的放置元器封裝形式的按鈕。（2）放置元器件封裝。執(zhí)行該命令后，會彈出如圖4-9所示的放置元器件封裝的對話框，在該對話框中，可以在Placement Type選項區(qū)域中選擇Footprint單選按鈕還是Component單選按鈕。圖4-9 放置元器件封裝對話框若選擇Footprint單選按鈕，則可以在Component Details選項區(qū)域中輸入元器件的封裝形式；若選擇Component單選按鈕，則可以在Component Details選項區(qū)域中輸入元器件在集成庫中的名字。如果不知道元器件的封裝形式或名字，則可單擊對話框中的。按鈕，會彈出如圖4-10所示的瀏覽元器件封裝的對話

20、框?？梢栽谶@對話框中選擇所需的元器件封裝形式。圖4-10 瀏覽元器件封裝對話框例如，現(xiàn)在放置集成芯片TMS320F206PZ，則可在圖4-10所示的瀏覽元器件封裝對話框中選擇該芯片。單擊OK按鈕，在圖4-9所示的放置元器件對話框中確認(rèn)該封裝形式。再次單擊OK按鈕，這時，光標(biāo)變成十字形狀，并帶有元器件的虛影，如圖4-111所示。把十字光標(biāo)移到印制電路板的適當(dāng)位置，單擊即可放置該元器件封裝。右擊或按Esc鍵即可退出放置元器件封裝的命令狀態(tài)。（3） 設(shè)置元器件封裝的屬性。在印制電路板上雙擊需要設(shè)置屬性的元器件圖4-11 放置元器件封裝的命令狀態(tài)或者在命令狀態(tài)下按Tab鍵，將彈出如圖4-12所示的設(shè)置

21、元器件封裝屬性對話框，可以在此對話框內(nèi)設(shè)置元器件封裝的有關(guān)參數(shù)。 圖4-12 設(shè)置元器件封裝形式的屬性462放置銅膜導(dǎo)線銅膜導(dǎo)線是繪制PCB印制電路板時最常用的圖元，它就是印制電路板上的實際連接導(dǎo)線。下面我們就在PCB文件中放置銅膜導(dǎo)線。（1）單擊Placement上的放置銅末導(dǎo)線按鈕。（2）放置銅膜導(dǎo)線。執(zhí)行命令后，光標(biāo)變?yōu)槭中螤?，把十字光?biāo)移到電阻器右端（如圖4-13所示），就會出現(xiàn)一個選中標(biāo)志，它表示系統(tǒng)找到一個電氣節(jié)點。按下鼠標(biāo)確定銅膜導(dǎo)線的起點，拖動鼠標(biāo)形成一個導(dǎo)線，到適當(dāng)位置再次按下鼠標(biāo)確定銅膜導(dǎo)線的終點。圖4-13 畫銅膜導(dǎo)線在繪制銅膜導(dǎo)線時，需要單擊確定銅膜導(dǎo)線的拐彎位置，同

22、時可以通過Shift+Space鍵來切換選擇銅膜導(dǎo)線的拐彎模式。有五種拐彎模式，即直線450、弧線450、直線900 、弧線900和任意斜線。也可以通過Space鍵來切換選擇銅膜導(dǎo)線的起始和結(jié)束模式。右擊或按Ese鍵結(jié)束銅膜導(dǎo)線的繪制，再次單擊或按Esc鍵即可退出放置銅膜導(dǎo)線的命令狀態(tài)。（3）設(shè)置銅膜導(dǎo)線的屬性。在PCB圖上雙擊需要設(shè)置屬性的銅膜導(dǎo)線，或者在命令狀態(tài)下按Tab鍵，將彈出如圖4-14所示。圖4-14 設(shè)置銅膜導(dǎo)線屬性（4）修改銅膜導(dǎo)線的形狀。畫完一段導(dǎo)線后，如果需要延長某段導(dǎo)線或改變某段導(dǎo)線的位置，可以直接單擊該段導(dǎo)線，這時在導(dǎo)線的各個轉(zhuǎn)彎點和起點、終點都會出現(xiàn)選中的小方塊，將光

23、標(biāo)移到起點或終點的小方塊上，光標(biāo)形狀為雙箭頭，按下并拖動鼠標(biāo)，則可延長或縮短某段導(dǎo)線，當(dāng)光標(biāo)在小方塊變成十字箭頭時，可改變某段導(dǎo)線的位置。463 放置直線在繪制PCB印制電路板時，直線與銅膜導(dǎo)線是有區(qū)別的，這是Protel DXP所特有的。銅膜導(dǎo)線具有實際的電氣連接意義，并且具有網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，它的屬性由設(shè)計規(guī)則決定，而直線雖然也具有實際的電氣連接意義，但是它不具有網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，且它的書香也不由設(shè)計規(guī)則決定。常用放置直線來繪制印制電路板的外形、元器件的輪廓和禁止布線層的邊界等。464 放置焊盤焊盤也是繪制PCB印制電路板時常用的圖元之一。（1） 單擊Placement欄上的放置焊盤按鈕。（2） 放置焊盤

24、。執(zhí)行該命令后，光標(biāo)變?yōu)槭中螤睿в幸粋€焊盤，如圖4-15所示。圖4-15 放置焊盤的命令狀態(tài)（3）放置焊盤的屬性。在印制電路板上雙擊需要設(shè)置屬性的焊盤，或者在命令狀態(tài)下按Tab鍵，將彈出如圖4-16所示的設(shè)置焊盤屬性對話框Pad。圖4-16 設(shè)置焊盤屬性(4)重復(fù)上述步驟，可以在印制電路板上放置其他焊盤，單擊或按Esc鍵即可退出放置焊盤的狀態(tài)。465 放置過孔過孔也是繪制PCB印制電路板時常用的圖元之一。（1） 單擊Placement欄上的放置過孔按鈕（2） 放置過孔。執(zhí)行該命令后，光標(biāo)變?yōu)槭中螤?，并帶有一個過孔，如圖4-22所示。把十字光標(biāo)移到印制電路板的適當(dāng)位置，單擊確定過孔的位置

25、，即可放置該過孔。重復(fù)上述步驟，可以在印制電路板上放置其他過孔，單擊或按Esc鍵即可退出放置過孔的命令或狀態(tài)。（3）設(shè)置過孔的屬性，在印制電路板上雙擊需要設(shè)置屬性的過孔，或者在命令狀態(tài)下按Tab鍵，將彈出如圖4-17所示的設(shè)置過孔屬性對話框Via，可以在此對話框內(nèi)設(shè)置過孔的有關(guān)參數(shù)。圖4-17 設(shè)置過孔的屬性466 放置字符串為了使制作的印制電路板便于安裝和調(diào)試，需要在電路板上加一些文字性的標(biāo)注，用以增加可讀性，Protel DXP提供了放置字符串工具。（1） 單擊Placement欄上的放置字符串按鈕。（2） 放置字符串。執(zhí)行該命令后，光標(biāo)變成十字形狀，并帶有一個字符串。（3） 設(shè)置字符串的

26、屬性。在印制電路板上雙擊需要設(shè)置屬性的字符串，或者在命令狀態(tài)下按Tab鍵，將彈出如圖4-18所示的設(shè)置字符串屬性對話框String，可以在此對話框內(nèi)設(shè)置字符串的有關(guān)參數(shù)。 圖4-18 設(shè)置字符串屬性4.6.7 放置位置坐標(biāo)下面我們就在PCB文件中放置位置坐標(biāo)：（1） 單擊Placement欄上的放置位置坐標(biāo)按鈕。（2） 放置位置坐標(biāo)。執(zhí)行該命令后，光標(biāo)變成十字形狀，并帶有一個位置坐標(biāo)，如圖4-19所示。把十字光標(biāo)移到印制電路板的適當(dāng)位置，單擊確定坐標(biāo)的位置，即可放置該位置坐標(biāo)。重復(fù)上述步驟，可以在印制電路板上放置其他位置坐標(biāo)。右擊或按Esc鍵即可退出放置位置坐標(biāo)的命令狀態(tài)。真正要放置準(zhǔn)確的位置坐標(biāo)還需要設(shè)置其