第4章印制電路板設計

1、第4章 印制電路板設計初步印制電路板（Printed Circuit Board，簡稱PCB）編輯、設計是電子產(chǎn)品設計過程中的關鍵環(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（如穩(wěn)定性、可靠性、抗震強度等）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進行印制板設計，所以說在Protel DXP電路設計中印制板設計才是最終目的。41印制板設計基礎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線、焊盤及金屬化過孔、覆銅區(qū)等導電圖形實現(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)的常見結構可以分為單層板（SingleLayer PCB）、雙層板（Double Layer PCB）和多層板（Multi Layer PCB）3種，下面分別進行介紹：（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，但是元件只能

3、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志都是用絕緣材料印制到電路板上的，不具有導電特性，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。從表中可以看

4、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計布通率電磁干擾應用領域單面板低少難低，常用飛線不易達標收錄機、電視機、計算機顯示器等雙面板中較多相對容易高較好VCD機、單片機控制板等多面板高很多方便高很好主機板、內(nèi)存條、顯卡等出在電路簡單的情況下，使用單面板；電路較復雜，而電磁干擾要求一般的話，使用雙面板；電路復雜，而電磁干擾要求嚴格的時候，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設計界面43 PCB編輯器的特

5、點Protel DXP的PCB設計能力非常強，能夠支持復雜的32層PCB設計。但是在每一個設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的信號層以及對應的機械層、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)境將手動設計和自動化設計完美融合。PCB的底層數(shù)據(jù)結構最大限度地考慮了用戶對速度的要求，通過對功能強大的設計法則的設置，用戶可以有效到控制印制電路板的設計過程。對于特別復雜的、有特

6、殊布線要的、計算機難以自動完成的布線工作，可以選擇手動布線?？傊?，Protel DXP的PCB設計系統(tǒng)功能強大而方便，它具有以下的特點：（1） 豐富的設計法則。電子工業(yè)的飛速發(fā)展對印制電路板的設計人員提出了更高的要求。為了能夠成功設計出一塊性能良好的電路板，用戶需要仔細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強大的設計法則定義極大地方便了用戶。Protel DXP提供超過25種設計法則類別，覆蓋了設計過程中的方方面面。這些定義的法則可以應用于某個網(wǎng)絡，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合法則，使用戶迅速地完成印制電路板的設

7、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應用程序風格，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，計算機將根據(jù)原理圖生成的網(wǎng)絡抱表對元件進行初步布局。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上有了長足的進步。在自動布線的過程中，計算機將根據(jù)原理圖生成的網(wǎng)絡報表對元件進行初步布局。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線

8、。對于有特殊布線要求的網(wǎng)絡或者特別復雜的電路設計Protel DXP提供了易用的手動布線功能。電氣格點的設置使得手動布線時能夠快速定位連線點，操作起來簡單而準確。（6）強大的封裝繪制功能。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，使得在一個設計項目中繪制的封裝，在其他的設計項目中能夠得到引用。（7）恰當?shù)囊曈X縮放功能。Protel DXP提供了強大的視覺縮放功能，方便了大型的PCB繪制。（8）強大的編輯繪制。Protel DXP的PCB

9、設計系統(tǒng)有標準的編輯功能，用戶可以方便地使用編輯功能，提供工作效率。（9）萬無一失的設計檢驗。PCB文件作為電子設計的最終結果，是絕對不能出錯的。Protel DXP提供了強大的設計法則檢驗器（DRC），用戶可以定義通過對DRC的規(guī)則進行設置，然后計算機自動檢測整個PCB文件。此外，Protel DXP還能夠給出各種關于PCB的報表文件，方便隨后的工作。（10）高質(zhì)量的輸出。Protel DXP支持標準的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)設置在用Protel DXP設計印制電路前，需要設置電路板的板層參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等。441 設置工作層面及顏色PC

10、B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 M

11、anager命令打開。圖4-2Layer 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）、機械層（Mechanical Layers）、其他輔助設計層（Other

12、Layer）以及系統(tǒng)顏色層（System Colors）。除機械層外，其他類型的層都具有顏色（Color）、是否顯示（Show）的選項，機械層則有激活(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，可以設置是否在板上顯示該層，以及各層的顏色。442 設置電路板的環(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)設置對話

13、框，在其中可以設置當前PCB文件的電路板板級環(huán)境參數(shù)。(2) 設置系統(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)設置對話框，該對話框包含Options（選項）、Display(顯示)、Show/Hide(設置圖元的顯示模式)、Defaults（設置圖元的系統(tǒng)默認值）4個標簽，利用4個標簽可完成系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)設置。圖4-4 電路板板級環(huán)境參數(shù)設置圖4-5 系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)設置45PCB編輯器的畫面管理利用PCB印制電路板編輯設計PCB電路板時，首先要學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、銅箔導

14、線等，讀者在編輯的時候，有時要查看一些細節(jié)（如某個過孔、某根導線、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、方便地設計一塊電路板，達到事半功倍的效果。451 畫面的移動在設計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 把光標放到編輯窗口的滾動條上，按住鼠標不放，上下或左右拖動滾動條，則畫面將跟著移動。松開鼠標，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，它顯示的就是整個

15、電路板，如圖4-6所示，在它上面有一個雙虛線框，用鼠標拖動該虛線況，就可以使當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節(jié)時，需要放大畫面，而當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PageUp鍵和PageDown鍵，把光標放置在欲放大或縮小區(qū)域的位置，利用PageUp和PageDown鍵放大或縮小，將使畫面以光標位置為中心顯示電路板。u 執(zhí)行菜單命令ViewZoom In和ViewZoom Out對當前畫面進行放大或縮小。u 單擊工具欄上的放大

16、和縮小按鈕，也可放大或縮小當前畫面。（2） 選定區(qū)域放大執(zhí)行菜單命令ViewArea，光標變成十字形狀。把光標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，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，充滿在當前窗口中。(3) 中心放大執(zhí)行菜單命令ViewAround Point，光標變成十字形狀。把光標移到欲放大的電路區(qū)域的中心位置。單擊鼠標確定選擇框的中心位置，然后拖動鼠標，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，但是有時需要從總體上

17、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，當前畫面將以光標為中心顯示。(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)欄、命令行的打

18、開與關閉如同電路原理圖編輯器中一樣，只需通過View菜單設定即可。PCB的的Placement(放置工具欄)可以通過執(zhí)行菜單命令View-Toolbars-Placement來打開或關閉。Placement欄如圖4-7所示。圖4-7PCB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行各種PCB印制電路板的設計中，需要在電路板上添加導線、焊盤、元器件等，這些都可以通過Protel DXP的Placement欄或相應的菜單命令來完成。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Placement欄上

19、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PlacementType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ComponentDetails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ComponentDetails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框?？梢栽谶@對話框中選

20、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該封裝形式。再次單擊OK按鈕，這時，光標變成十字形狀，并帶有元器件的虛影，如圖4-111所示。把十字光標移到印制電路板的適當位置，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） 設置元器件封裝的屬性。在印制電路板上雙擊需要設置屬性的元器件圖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所示的設置元器件封裝屬性對話框，

21、可以在此對話框內(nèi)設置元器件封裝的有關參數(shù)。圖4-12 設置元器件封裝形式的屬性462放置銅膜導線銅膜導線是繪制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線。下面我們就在PCB文件中放置銅膜導線。（1）單擊Placement上的放置銅末導線按鈕。（2）放置銅膜導線。執(zhí)行命令后，光標變?yōu)槭中螤?，把十字光標移到電阻器右端（如圖4-13所示），就會出現(xiàn)一個選中標志，它表示系統(tǒng)找到一個電氣節(jié)點。按下鼠標確定銅膜導線的起點，拖動鼠標形成一個導線，到適當位置再次按下鼠標確定銅膜導線的終點。圖4-13 畫銅膜導線在繪制銅膜導線時，需要單擊確定銅膜導線的拐彎位置，同時可以通過Shift+S

22、pace鍵來切換選擇銅膜導線的拐彎模式。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線的起始和結束模式。右擊或按Ese鍵結束銅膜導線的繪制，再次單擊或按Esc鍵即可退出放置銅膜導線的命令狀態(tài)。（3）設置銅膜導線的屬性。在PCB圖上雙擊需要設置屬性的銅膜導線，或者在命令狀態(tài)下按Tab鍵，將彈出如圖4-14所示。圖4-14 設置銅膜導線屬性（4）修改銅膜導線的形狀。畫完一段導線后，如果需要延長某段導線或改變某段導線的位置，可以直接單擊該段導線，這時在導線的各個轉(zhuǎn)彎點和起點、終點都會出現(xiàn)選中的小方塊，將光標移到起點或終點的小方塊

23、上，光標形狀為雙箭頭，按下并拖動鼠標，則可延長或縮短某段導線，當光標在小方塊變成十字箭頭時，可改變某段導線的位置。463 放置直線在繪制PCB印制電路板時，直線與銅膜導線是有區(qū)別的，這是Protel DXP所特有的。銅膜導線具有實際的電氣連接意義，并且具有網(wǎng)絡標識，它的屬性由設計規(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)絡標識，且它的書香也不由設計規(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。執(zhí)行該命令后，光標變?yōu)?/p>

24、十字形狀，并帶有一個焊盤，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所示的設置焊盤屬性對話框Pad。圖4-16 設置焊盤屬性(4)重復上述步驟，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，光標變?yōu)槭中螤?，并帶有一個過孔，如圖4-22所示。把十字光標移到印制電路板的適當位置，單擊確定過孔的位置，即可放置該過孔。重復上

25、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）設置過孔的屬性，在印制電路板上雙擊需要設置屬性的過孔，或者在命令狀態(tài)下按Tab鍵，將彈出如圖4-17所示的設置過孔屬性對話框Via，可以在此對話框內(nèi)設置過孔的有關參數(shù)。圖4-17 設置過孔的屬性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，光標變成十字形狀，并帶有一個字符串。（3） 設置字符串的屬性。在印制電路板上雙擊需要設置屬性的字符串，或者在命令狀態(tài)下按Tab鍵，將彈出如圖4-18所示的設置字符串屬性對話框String，可以在此對話框內(nèi)設置字符串的有關參數(shù)。圖4-18 設置字符串屬性4.6.7放置位置坐標下面我們就在PCB文件中放置位置坐標：（1） 單擊Placement欄上的放置位置坐標按鈕。（2） 放置位置坐標。執(zhí)行該命令后，光標變成十字形狀，并帶有一個位置坐標，如圖4-19所示。把十字光標移到印制電路板的適當位置，單擊確定坐標的位置，即可放置該位置坐標。重復上述步驟，可以在印制電路板上放置其他位置坐標。右擊或按Esc鍵即可退出放置位置坐標的命令狀態(tài)。真正要放置準確的位置坐標還需要設置其