usb20接口频谱分析电路开发板设计.docx

1、usb20接口频谱分析电路开发板设计课 程 设 计 课程名称 PCB设计与制备工艺 题目名称 USB2.0接口频谱分 析电路开发板设计 学生学院 材料与能源学院 专业班级 学 号 3000007000 学生姓名 东京电车男 指导教师 2016年 12 月 15 日1目的与任务 本课程PCB设计与制备工艺课程设计是PCB设计与制备工艺理论课相配套的综合性课程，其主要目的是使本专业学生复习和巩固所学的PCB设计与制备工艺的基础理论知识，熟悉PCB设计与制备工艺过程；训练学生的基础理论与专业知识的综合运用能力，训练学生的EDA软件的实际运用能力；使学生掌握多层PCB板的设计方法，学习多层PCB板的可

2、制造性设计和可测试性设计；在此基础上，进行多层PCB板的制备工艺设计、可测试性设计、可制造性设计及可安装性设计。通过这次设计制备过程训练学生的多层PCB的实际工艺设计能力、可测试性设计能力、可制造性设计能力及可安装性设计能力，培养学生综合运用已掌握的知识结合实际条件解决实际问题的能力。设计任务：1）USB2.0接口频谱分析电路开发板的设计； 2）自选复杂程度与此相当的其他电路进行PCB板的设计。2课程设计内容及基本要求2.1课程设计内容(1)USB2.0频谱分析仪开发板PCB的层次原理图及版图设计。(2)四层 PCB板的制备性设计(3)自选复杂程度与此相当的其他电路进行多层PCB的设计。2.2

3、课程设计过程 电路层次原理图设计（创建元件库 创建封装库 母电路图设计 子电路设计） 多层版图设计 多层PCB制备性设计（材料的选择工艺参数的确定PCB结构设计安装性设计DFT设计DFM设计） 多层PCB制备工艺设计（总主工艺设计各子工艺设计） 质量及性能检测 撰写实验报告 答辩3.绘制原理图3.1创建一个电路板工程(1)执行菜单命令【File】/【New】/【PCB Project】。(2)执行菜单命令【File】/【Save Project】后，在弹出的对话框中，将存储位置定位到指定的文件夹，在文件夹键入合适的文件名后，按“保存”按钮。3.2新建原理图(1)执行菜单命令【File】/【Ne

4、w】/【Schematic】，启动原理图编辑器。(2)执行菜单命令【File】/【Save】，在弹出的对话框中，选择合适的路径并输入文件名后，按“保存”按钮。（采用层次原理图的设计方法）3.3原理图参数设置原理图参数都按默认值设置，如图3-1所示。 图3-1 原理图设置对话框3.4绘图前准备3.4.1创建原理图元件库（以CY7C68013为例）(1)执行菜单命令【File】/【New】/【Library】/【Schematic library】，进入元器件库编辑器。(2)执行菜单命令【Place】/【Rectangle】，绘制一个大小适合的直角矩形（本设计的芯片CY7C68013和MC56F8

5、323都需要自己制作，故画出的矩形应该足够放置这两个元器件的引脚）如图3-2所示。 图3-2 放置矩形 图3-3 放置引脚(3)执行菜单命令【Place】/【Pins】，为元器件添加引脚，引脚添加后如图3-3所示。(4)按照规定引脚属性表1，编辑元器件引脚属性，双击需要修改的引脚，将弹出如图3-4所示的引脚属性设置对话框，属性编辑完成后如图3-5。表1 CY7C68013A芯片引脚属性设置标识符 显示名称电气类型标识符显示名称电气类型1PD5/FD13I/O29PB4/FD4I/O2PD6/FD14I/O30PB5/FD5I/O3PD7/FD15I/O31PB6/FD6I/O4GNDPower

6、32PB7/FD7I/O5CLKOUTPassive33GNDPower6VCCPower34VCCPower7GNDPower35GNDPower8RDY0/SLRDPassive36CTL0/FLAGAPassive9RDY1/SLWRPassive37CTL1/FLAGBPassive10AVCCPower38CTL2/FLAGCPassive11XTALOUTPassive39VCCPower12XTALINPassive40PA0/INT0#I/O13AGNDPower41PA1/INT1#I/O14AVCCPower42PA2/SLOEI/O15DPLUSPassive43PA3/

7、WU2I/O16DMINUSPassive44PA4/FIFOADR0I/O17AGNDPower45PA5/FIFOADR1I/O18AVCCPower46PA6/PKTENDI/O19GNDPower47PA7/FLAGD/SLI/O20IFCLK/T0OUTPassive48GNDPower21RESERVEDPassive49RESET#Passive22SCLPassive50VCCPower23SDAPassive51WAKEUPPassive24VCCPower52PD0/FD8I/O25PB0/FD0I/O53PD1/FD9I/O26PB1/FD1I/O54PD2/FD10I/

8、O27PB2/FD2I/O55PD3/FD11I/O28PB3/FD3I/O56PD4/FD12I/O 图3-4 引脚属性设置对话框 图3-5 引脚属性编辑完成后 (5)执行菜单命令【Tools】/【Rename Component】,按照要求吧元器件命名为CY7C68013。(6)执行菜单命令【File】/【Save】，保存库文件，命名为“CY7C68013-56PIN.SchLib”。MC56F8323的原理图封装制作与上述步奏一致，这里不赘述。3.4绘制总图(1)执行菜单命令【Place】/【Sheet Symbol】，绘制方块电路，按Tab键，根据电路要求设置属性，设置完成后如下图3-

9、6所示。图3-6 方块电路属性设置对话框(2)设置属性后，根据原理图的整体布局放置方块电路图。全部放置完成后，如图3-7所示。图3-7 方块放置完成后截图(3)执行菜单命令【Place】/【Sheet Entry】，放置方块电路图的电路端口，按Tab键，根据电路要求设置属性，设置完成后如图3-8所示。全部放置后，如图3-9所示。图3-8 电路端口属性设置对话框图3-9 电路端口全部放置完成(4)使用Place wire、Place BUS、Place BUS Entry等按键将电路端口连接在一起，连接完成后如图3-10所示。另外需要使用网络标号Place Net Label,对各导线标号。如果

10、导线上没有网络标号，编译后会有导线没有连接的警告。图3-10 母图绘制完毕分析：本图对电源模块进行了改进，即添加了+3.3V的电路端口，其它子图也添加了+3.3V的电路端口，并用导线使他们有电气连接。3.5绘制子图3.5.1生成子图执行菜单命令【Design】/【Create Sheet From Symbol】，此时光标将变成十字形状，将其移植方块电路图上方，单击左键，将生成带有I/O端口的新建原理图，如图3-11所示。图3-11 生成子图截图3.5.2放置元器件从装入的元器件库中选定所需的各种元器件，逐一放置到原理图上，然后调整位置和方向，并设置元器件参数。3.5.3原理图布线将放置好的元

11、器件的管脚用具有电气意义的导线、网络标号等连接起来，使整个元器件之间具有用户所设计的电气连接关系，并放置好电源与接地符号。根据上述步骤，绘制出四张子图，如图3-123-15所示。图3-12子图CYUSB图3-13 子图MCSYSTEM图3-14 子图AD图3-15 子图POWER3.5.4更新元器件流水号用上述方法画好四个子图后，执行菜单命令【Tools】/【Annotate】，弹出如图3-16所示的元器件流水号设置对话框，把五张原理图全选，单击，更新元器件列表，弹出如图3-17所示的元器件序号变更信息；单击按钮，系统自动更新元器件序号；单击按钮，元器件变更列表；单击按钮，确认元器件变更的有效

12、性；最后，单击按钮，实现元器件的自动编号，如图3-18所示。图3-16 元器件流水号设置对话框图3-17 元器件序号变更信息、图3-18 元器件序号变更完成3.6编译工程执行菜单命令【Project】/【Compile PCB Project PCB_Project.PrjPCB】,编译工程后，一般会出现一些错误和警告，这些错误和警告要去很好的解决，不然会影响接下来PCB版图绘制。由于参考书上原理图的接法造成的错误会无法修改，这个错误就是：原理图上的网络标号只对本原理图有效，而无法在所有的原理图中联通，例如+3.3V和+5V网络，现在对原理图进行小范围的修改。对+3.3V网络标号的修改：在各个

13、子图的方块电路添加命名为+3.3V的电路端口，并进行连接，如图shangmian所示，所生成的子电路的电路端口也按照本来的电气连接进行布线，这样，所有子原理图的+3.3V都有了电气连接。对+5V网络标号的修改：取消网络标号，并以+5V电源替代之，这样这个错误也消失了。3.7 层次化原理图之间的切换 3.7.1从主原理图切换到方框电路图对应的子原理图执行菜单命令【Tools】/【Up/Down Hierarchy】后，鼠标变成十字形状。将其移至主原理图的某个方块电路符号端口上，缓慢单击鼠标左键两次，就可以切换到改方块电路符号所对应的子原理图上。3.7.2从子原理图切换到主原理图执行菜单命令【To

14、ols】/【Up/Down Hierarchy】后，鼠标变成十字形状。将其移至子原理图的某个输入输出端口上，单击鼠标左键。系统会自动切换到主原理图上。如果切换失败，请注意主原理图中各模块的名字是否与子图名字一样。3.8确定和添加元件封装3.8.1设计USB接口管脚封装 (1)执行菜单命令【File】/【New】/【Library】/【PCB Library】，进入元器件库编辑器。 (2)根据图3-19的距离要求，执行菜单命令【Place】/【Pad】，放置矩形焊盘与圆焊盘。焊盘大小可以自行定义。使用快捷键ctrl+M,点击两个焊盘中心点，可以查看焊盘之间的距离。(3)选定Top Overlay

15、层，执行菜单命令【Place】/【Line】，绘制元器件轮廓，绘制后该封装如图3-20所示。 （4）设置封装参考点，执行菜单命令【Edit】/【Set Reference】/【pin 1】,最后封装如图3-5所示(5)命名封装为“USB接口管脚封装”，命名封装库为“USB接口管脚封装.PcbLib”。 图3-19 USB接口JP1的管脚封装 图3-20 USB接口封装3.8.2载入所需元器件库查阅有关资料可知，芯片CY7C68013A采用的是SSO-G56封装形式，芯片MC56F8323采用的是SO-G64封装形式。与上面画的两个原理图封装和一个PCB封装一并载入，其他元器件如表2所示，载入后

16、如图3-21所示。表2 USB2.0开发板元件封装形式元件类型元件封装封装库电阻RR2012-0805Miscellaneous Devices.IntLib电容CCR3216-1206Miscellaneous Devices.IntLib发光二极管DSDSO-F2/D6.1Miscellaneous Devices.IntLibUSB接头JP1图3-5自己设计三端稳压器VRSIP-G3/Y2Miscellaneous Devices.IntLib开关SSPST-2Miscellaneous Devices.IntLib晶振YBCY-W2/D3.1Miscellaneous Devices.

17、IntLib二极管DDSO-C2/X3.3Miscellaneous Devices.IntLib运算放大器UCDFP-G14/X.6LT Operational Amplifier.IntLib晶振XTALBCY-W2/D3.1Miscellaneous Devices.IntLib图3-21 已安装文件库3.8.3更改元件封装形式根据表2所述的元件封装形式，使用相似工具查找相同封装形式的元件，一并更改。选定元件右键选择Find Similar Objects在Object Specific栏中Current Footprint中选same点击OKCtrl A全部选定在Inspector框中

18、Object Specific栏下Current Footprint更改元件封装形式。如图3-22图3-25。双击元件，找到 Footprint，双击查看是否导入了封装。如图3-26、图3-27。更改完成后，对元件选择Find Similar Objects，最上一栏选择ANY，即可恢复对所有元件的显示。如图3-28。图3-22 右键选定Find Similar Objects图3-23 在Current Footprint栏中选same图3-24 选same点OK后的图形 图3-25 Object Specific栏下Current Footprint更改元件封装形式 图3-26 右下部分F

19、ootprint图3-27 元件封装形式 图3-28 恢复对所有元件的显示3.9生成元器件清单执行菜单命令【Reports】/【Bill of Materials】，生成元器件清单，元器件清单如图3-29所示。图3-29 Bill of Materials4绘制PCB版图4.1生成网络报表文件执行菜单命令【Design】/【Netlist for project】/【Protel】，生成网络报表文件，网络报表如图4-1所示。图4-1 网络报表4.2创建PCB文档与设置（1）在工程项目下新建一个PCB文档并保存。（2）设置PCB版图参数，如图4-2所示，按默认值设置。图4-2 环境参数设置对话框

20、4.3规划电路板（1）执行菜单命令【Edit】/【Origin】/【Set】，设置坐标原点。（2）单击PCB编辑器窗口下方的“Keep Out Layer”层面标签，将当前工作层面设置为“Keep Out Layer”。（3）执行菜单命令【Place】/【Keep Out】/【Track】，以设置的坐标原点为原点，绘制电气边界。（4）双击直线，出现如图所示的直线属性设置对话框，根据坐标原点，设置成长4000mil，宽2000mil的矩形。该矩形为电路板的电气边界。（5）选中上述步骤绘制的矩形，执行菜单命令【Design】/【Board Shape】/【Define From Selected

21、Objects】，则电路板的外形也是长4000mil，宽2000mil的矩形。4.4设置板层（1）执行菜单命令【Design】/【Layer Stack Manger】，出现如图4-3所示的图层堆栈管理对话框。图4-3 图层堆栈管理对话框(2)单击双层板的基板“Core”，表示要从双层板的中间加入层，单击“Add Plane”添加电源层和地层，双击新添加的层，弹出图层设置对话框，把电源层和地层分别命名为“POWER”,“GND”。参数设置完毕后，图层堆栈管理对话框如图4-4所示。图4-4 图层堆栈管理对话框（设置完毕后）4.5导入数据（1）在PCB编辑器，执行【Design】/【Import

22、Changes From pcb_project1.prjpcb】，弹出如图4-5所示的工程网络变化对话框。图4-5 工程网络变化对话框（2）单击按钮，弹出如图4-6所示的对话框，在状态栏“Check”一列中出现说明转入的元器件正确。图4-6 设计项目修改对话框检查报告（3）单击按钮，将网络表和元件封装加载到PCB文件中。生成如图4-7所示的PCB版图。图4-7 元器件导入后的PCB版图4.6布局元器件（1）对元器件采用手动布局的方法逐个布局，将有电气连接的元气件放在一起，模拟电路与数字电路分开，芯片周围有留有较大空间以方便接下来的布线，将不同电源的元器件分隔开。布局后的结果如图4-8所示。图

23、4-8 CIN1手动布局后截图4.7内电层定义及分割因为该电路有两个不同电源，分别是+3.3V和+5V，所以需要把电源层进行分割，具体做法是将PCB版图切换到“POWER”层，用直线工具把+5V区域围成一个多边形，此时板上就有两块区域，分别是+3.3V和+5V，分别双击+3.3V和+5V区域，进行电源层的定义，分别定义成+3.3V和+5V，分割定义后的电源层如图4-9所示。由于地层性质一样，所以地层只需要定义为GND即可。图4-9 电源层分割后截图4.8规则设置（1）Clearance。PCB里面所有的焊盘、 过孔、走线、 覆铜间距都可以在这里设置，根据工艺条件，设置为10mil(0.254m

24、m)。设置界面如图4-10所示。图4-10 短路间距设置对话框（2）Width。根据工艺条件，设置最小线宽8mil（0.2mm），最大线宽50mil（1.27mm），优先线宽10mil（0.25mm）。设置界面如图4-11所示。图4-11 线宽设置对话框（3）RoutingVias。根据工艺条件，设置过孔最小内径15mil（0.38mm），最大内径30mil（0.76mm），优先内径15mil（0.38mm）；过孔最小外径25mil（0.64mm），最大外径50mil（1.27mm），优先外径25mil（0.64mm）设置界面如图4-12所示。图4-12 过孔大小设置对话框（4）Polygon

25、Connect。根据工艺条件和看干扰效果设置覆铜连接方式，设置结果如图4-13所示。图4-13 敷铜连接设置对话框4.9自动布线（1）执行【Auto Placement】/【All】，弹出如图4-14所示的布线策略对话框。单击按钮进行自动布线。图4-14 布线策略对话框（2）删掉“Room”，对一些没有布上的线用手动布线，布线完成的PCB版图如图4-15所示。图4-15 自动布线后截图4.10手工调整自动布线完成后，有些布线会不合理，例如过孔与元器件引脚距离过近，这就需要手工进行相应的调整，一般是执行菜单命令【Tools】/【Un-Route】/【Connection】拆除导线，然后进行手工重

26、连。4.11加宽电源线，地线为了提高电路的抗干扰能力，增强系统的可靠性，往往需要将印刷电路板上的电源和接地线加宽，使用查找相似的功能，找出所有的电源线、地线，把他们的线框加宽到20mil（0.5mm）。4.12加泪滴泪滴是焊盘与导线或者是导线与导孔之间的滴装连接过度， 设置泪滴的目的是在电路板受到巨大外力的冲撞时， 避免导线与焊盘或者导线与导孔的接触点断开， 另外， 设置泪滴也可使PCB电路板显得更加美观。执行菜单命令【Tools】/【Teardrops】，勾选All Vias和Add，点击OK即可。添加后效果如图4-16所示。图4-16 放置泪滴后截图4.13放置安装孔定位孔在Keep-Ou

27、t层放置放置安装孔定位孔，安装孔采用直径为3mm的圆，定位孔孔采用短直径为3mm的椭圆，由于需要较为准确是装空，所以这一放置了钻孔中心，采用先钻小孔在钻大孔的方法，放置安装孔和定位孔后如图4-17所示。图4-17 安装孔/定位孔截图4.14放置敷铜【Place】/【Place Polygon Plane】放置敷铜可减小地线阻抗， 提高抗干扰能力；降低压降， 提高电源效率；分别在顶层和底层放置敷铜，敷铜后效果如图4-18，4-19所示。图4-18 顶层敷铜截图图4-19 底层敷铜截图4.15拼版4.15.1 Ctrl+a选择全部，按下Ctrl+C组合键，此时出现十字图形，用来选择基准点，这里们将

28、其中心对准左下角，单击鼠标左键。如图4-20.然后按照图4-21操作。4-20 选择基准点 图4-21 特殊粘贴4.15.2 点击Paste Special（特殊粘贴）之后会出现如图4-22下对话框，第一个复选框不能勾选，如果勾选只能复制你所在的当前层，例如：你现在在Toplayer层，那么你复制的只是Toplayer上的东西，其他层的东西将不会被复制。第二个也不能选，如果选上，会出现如相同名称的电气节点没有连接的提醒，这里我们直接将第三个复选框选上就好。我们点击的Paste Array,出现如图4-23所示对话框。 图4-22 Paste Special选项4-23 Place Variab

29、les选项4.15.3 Place Variables选项中的Item Count是设置粘贴的个数，Array Type是用来设置粘贴PCB板的排列类型，有2种，Circular是环形排列，linear是线型排列，根据自己的需要选择，这里我们选择Linear，Linear Array是用来设置粘贴的每块PCB板之间的相对位置，参考点是步骤4.15.1点下去的那一点，这里我们选择X坐标为4025mil，y坐标为0mil设置好后我们点击OK，这时出现十字图形，这个十字图形的中心对应与特殊粘贴后的PCB板位置就相当于步骤2中点下去的哪一点相对于原PCB板的位置，点击左键，如图4-24，即可放置1块PCB板，根据自己的需要放置PCB板，放置时出现需不需要从新敷铜，这里点击选择NO不需要。 4-24 对应原始板的基准点，设置复制板的起始点。4.15.4 重复上述操作，此时完成2行2列的拼板现象如图4-25，最后需要重新定义工艺板边(工艺板边加在线路板的长边)，切换到Keep-Out-Layer绘制，【Design】【Board Shape】【Refine Board Shape】。框中边界即可。如图4-26所示。 4-25 2行2列的拼板图4-26 拼版后截图5模板的设计5.1定位模板/钻孔模板由于所有的过孔都采用打通孔然后加隔离环的方式，故只需一个模