电路原理第4章 印制电路板设计.docx

1、电路原理第4章 印制电路板设计电路原理第4章 印制电路板设计 电路原理第4章 印制电路板设计 第4章 印制电路板设计初步 印制电路板（Printed Circuit Board，简称PCB）编辑、设计是电子产品设计过程中的关键环节之一。 电子产品的功能由原理图决定，但是许多性能指标（如稳定性、可靠性、抗震强度等）很大程度上取决于印制电路板的布局、布线是否合理。 编辑原理图的目的也是为了能够使用计算机进行印制板设计，所以说在Protel DXP电路设计中印制板设计才是最终目的。 41印制板设计基础 印制板是印制线路板或印制电路板的简称，通过印制板上的印制导线、焊盘及金属化过孔、覆铜区等导电图形实

2、现元器件引脚之间的电气连接。 由于印制板上的导电图形（如元件引脚焊盘、印制连线、过孔、覆铜区等）以及说明性文字（如元件轮廓、序号、型号）等均通过印制方法实现，因此称为印制电路板。 印制电路板(PCB)的常见结构可以分为单层板（Single Layer PCB）、双层板（Double Layer PCB）和多层板（Multi Layer PCB）3种，下面分别进行介绍： （1） 单层板 单层板是只有一个面敷铜，另一面没有敷铜的电路板。 元器件一般情况是放置在没有敷铜的一面，因此该面板称为“元件面”。 而敷铜的一面用于布线和元件焊接，所以该面称为“焊锡面”。 （2） 双层板 双层板是一种双面敷铜的

3、电路板，两个敷铜层通常称为顶层（Top Layer）和底层（Bottom Layer）。 两个敷铜面都可以布线，但是元件只能安装在其中一个面上，所以同样把该面叫为“元件面”，另一面称为“焊锡面”。 （3） 多层板 多层板就是包括多个工作层的电路板，除了有顶层和底层之外，还有中间层。 中间层可以是导线层、信号层、电源层或接地层，层与层之间是相互绝缘的，通过金属化过孔来连接。 印制电路板上需要印上一些必要的说明文字必须设计在丝印层（Silkscreen Overlay），丝印层在电路板上分为顶层丝印层（Top Overlay）和底层丝印层（Bottom Overlay），在丝印层做的所有标志都是用

4、绝缘材料印制到电路板上的，不具有导电特性，不会影响到电路的连接。 不同层数的印制电路板有不同的优缺点，比较如表4-1所示。 从表中可以看 表4-1 单、双和多层电路板优缺点比较 加工成本 工艺流程 布线设计 布通率 电磁干扰 应用领域 单面板 低 少 难 低，常用飞线 不易达标 收录机、电视机、计算机显示器等 双面板 中 较多 相对容易 高 较好 VCD机、单片机控制板等 多面板 高 很多 方便 高 很好 主机板、内存条、显卡等 出在电路简单的情况下，使用单面板；电路较复杂，而电磁干扰要求一般的话，使用双面板；电路复杂，而电磁干扰要求严格的时候，使用多层板。 42 PCB界面介绍 PCB编辑器

5、的界面如图4-1所示，该界面包括4个部分：主菜单、主工具栏、左边的工作面板和右边的工作窗口。 与原理图编辑器不同的是，PCB编辑器的工作窗口以黑色为底色。 图4-1 PCB设计界面 43 PCB编辑器的特点 Protel DXP的PCB设计能力非常强，能够支持复杂的32层PCB设计。 但是在每一个设计中无须使用所有的层次。 例如，如果项目的规模较小时，双面走线的PCB板就能够提供走线空间，此时只需要启动Top Layer和Bottom Layer的信号层以及对应的机械层、丝印层等层次即可，无须任何其他的信号层和内部电源层。 Protel DXP的PCB编辑器提供了一条设计印制电路板的快捷途径。

6、 PCB编辑器通过它的交互性编辑环境将手动设计和自动化设计完美融合。 PCB的底层数据结构最大限度地考虑了用户对速度的要求，通过对功能强大的设计法则的设置，用户可以有效到控制印制电路板的设计过程。 对于特别复杂的、有特殊布线要的、计算机难以自动完成的布线工作，可以选择手动布线。 总之，Protel DXP的PCB设计系统功能强大而方便，它具有以下的特点： （1） 丰富的设计法则。 电子工业的飞速发展对印制电路板的设计人员提出 了更高的要求。 为了能够成功设计出一块性能良好的电路板，用户需要仔细考虑电路板阻抗匹配、布线间距、走线宽度、信号反射等各项因素，而Protel DXP强大的设计法则定义极

7、大地方便了用户。 Protel DXP提供超过25种设计法则类别，覆盖了设计过程中的方方面面。 这些定义的法则可以应用于某个网络，某个区域，以至整个PCB板上，这些法则互相组合能够形成多方面的复合法则，使用户迅速地完成印制电路板的设计。 （2）易用的编辑环境。 和Protel DXP的原理图编辑器一样，Protel DXP的PCB编辑器完成符合Windows应用程序风格，操作起来非常简单，编辑工作非常自然直观。 （3）合理的元件自动布局功能。 Protel DXP提供了用的元件自动布局功能，通过元件自动布局，计算机将根据原理图生成的网络抱表对元件进行初步布局。 用户的布局工作仅限于元件位置的调

8、整。 （4）高智能的基于形状的自动布线功能。 Protel DXP在印制电路板的自动布线技术上有了长足的进步。 在自动布线的过程中，计算机将根据原理图生成的网络报表对元件进行初步布局。 用户的布局工作仅限于元件位置的调整。 （5）易用的交互性手动布线。 对于有特殊布线要求的网络或者特别复杂的电路设计Protel DXP提供了易用的手动布线功能。 电气格点的设置使得手动布线时能够快速定位连线点，操作起来简单而准确。 （6）强大的封装绘制功能。 Protel DXP提供了常用的元件封装，对于超出Protel DXP自带元件封装库的元件，在Protel DXP的封装编辑器中可以方便地绘制出来。 此外

9、，Protel DXP采用库的形式来管理新建封装，使得在一个设计项目中绘制的封装，在其他的设计项目中能够得到引用。 （7）恰当的视觉缩放功能。 Protel DXP提供了强大的视觉缩放功能，方便了大型的PCB绘制。 （8）强大的编辑绘制。 Protel DXP的PCB设计系统有标准的编辑功能，用户可以方便地使用编辑功能，提供工作效率。 （9）万无一失的设计检验。 PCB文件作为电子设计的最终结果，是绝对不能出错的。 Protel DXP提供了强大的设计法则检验器（DRC），用户可以定义通过对DRC的规则进行设置，然后计算机自动检测整个PCB文件。 此外，Protel DXP还能够给出各种关于P

10、CB的报表文件，方便随后的工作。 （10）高质量的输出。 Protel DXP支持标准的Windows打印输出功能，其他PCB输出质量无可挑剔。 4.4 PCB电路板参数设置 在用Protel DXP设计印制电路前，需要设置电路板的板层参数、环境参数等。 441 设置工作层面及颜色 PCB编辑器是一种“层”的环境，Protel DXP提供了多个不同类型的工作层面，包括32个信号层、16个内层电源/接地层和16个机械层。 用户可以在不同的工作层上执行不同的操作，通过在这些层上放置对象来完成PCB板设计。 这些层或许是物理层，用于生成制造信息；或许是系统层，例如连接层，用于显示没有实行布线的网络连

11、接飞线。 物理层包括信号层、内部电源层、丝网层、阻焊层和阻粘层，其中每一层都配给唯一的可以区分的颜色。 信号层和内电层可以通过如图4-2所示的层堆栈管理器（Layer Stack Manager）来添加或删除。 Layer Stack Manager对话框通过DesignLayer Stack Manager命令打开。 图4-2 Layer Stack Manager对话框 执行DesignBoard Layers命令后，在打开的如图4-3所示的Board Layers对话框中可以控制各层的显示与否，以及层的颜色等属性设置。 图4-3 Board Layers对话框 通过这个对话框可以看到，板

12、层总共分为6类，有信号层（Signal Layers）、内部电源层（Internal Planes Layers）、丝网层（Silkscreen Layers）、阻焊层（Solder Layers）和阻粘层（Mask Layers）、机械层（Mechanical Layers）、其他辅助设计层（Other Layer）以及系统颜色层（System Colors）。 除机械层外，其他类型的层都具有颜色（Color）、是否显示（Show）的选项，机械层则有激活(Enable)、单层模式（Single Layer Mode）以及连接到图纸（Linker To Sheet）等选项。 可以选择只显示在层

13、堆栈中用到的层或激活的层，也可以都在列表中显示，可以设置是否在板上显示该层，以及各层的颜色。 442 设置电路板的环境参数 电路板的环境参数分为两部分：电路板板级环境参数和系统级环境参数。 (1) 设置电路板的环境参数 执行Design/Board Options命令，系统弹出如图4-4所示的电路板板级环境参数设置对话框，在其中可以设置当前PCB文件的电路板板级环境参数。 (2) 设置系统环境参数 执行Tools/Preferences命令后，系统弹出如图4-5所示的系统环境参数设置对话框，该对话框包含Options（选项）、Display(显示)、Show/Hide(设置图元的显示模式)、D

14、efaults（设置图元的系统默认值）4个标签，利用4个标签可完成系统环境参数设置。 图4-4 电路板板级环境参数设置 图4-5 系统环境参数设置 45 PCB编辑器的画面管理 利用PCB印制电路板编辑设计PCB电路板时，首先要学会使用编辑窗口观看所绘制的印制电路板。 一块实际的印制电路板上有许多形式不一的元器件，如过孔、焊盘、铜箔导线等，读者在编辑的时候，有时要查看一些细节（如某个过孔、某根导线、某个元器件上的焊盘等），有时又需要观察整个印制电路板的全貌，有时需要查看电路板 上的某一个指定的区域。 因此，熟练掌握PCB编辑器的画面管理，将有助于快速、方便地设计一块电路板，达到事半功倍的效果。

15、 451 画面的移动 在设计PCB电路板时，常常需要移动画面来观察电路板的其他部分。 一般有以下方法移动画面。 （1） 利用编辑窗口的滚动条 把光标放到编辑窗口的滚动条上，按住鼠标不放，上下或左右拖动滚动条， 则画面将跟着移动。 松开鼠标，画面停止移动。 （2） 利用印制电路板面板（PCB） 在印制电路板面板（PCB）的下部有个小窗口，它显示的就是整个电路板， 如图4-6所示，在它上面有一个双虚线框，用鼠标拖动该虚线况，就可以使当前工作窗口在整个电路板上移动。 用这种方法移动画面，既快捷又方便。 图4-6 印制电路板面板下部的观察窗口 452 画面的放大和缩小 观看电路板的某个细节时，需要放大

16、画面，而当需要观看整个电路板或某个较大区域时，就要缩小画面。 (1) 整个画面的放大和缩小 u 利用Page Up键和Page Down键，把光标放置在欲放大或缩小区域的位置，利用Page Up和Page Down键放大或缩小，将使画面以光标位置为中心显示电路板。 u 执行菜单命令ViewZoom In和ViewZoom Out对当前画面进行放大或缩小。 u 单击工具栏上的放大和缩小按钮，也可放大或缩小当前画面。 （2） 选定区域放大 执行菜单命令ViewArea，光标变成十字形状。 把光标移到欲放大的电路区域的一端，单击确定放大区域的一个角，然后，拖出一个矩形框，框选欲放大的区域，再次单击鼠

17、标，确定放大区域的了另一个角，这时所框定的区域就会被放大，充满在当前窗口中。 (3) 中心放大 执行菜单命令ViewAround Point，光标变成十字形状。 把光标移到欲放大的电路区域的中心位置。 单击鼠标确定选择框的中心位置，然后拖动鼠标，确定选择框的某个角，即可放大该选择框内的元器件，充满到当前窗中。 453 总体观察画面 在具体绘制印制电路板时，需要放大整个电路板，但是有时需要从总体上观察电路板。 特别是在电路板即将绘制完毕时，经常需要从总体上观察整个电路板，用来判断各个元件是否布局合理。 (1) 显示以光标为中心的区域 执行菜单命令ViewPan，或者使用快捷键V-N,或者直接按H

18、ome键，当前画面将以光标为中心显示。 (2) 显示整个文件 执行菜单命令ViewFit Document，即可显示当前整个PCB文件 (3) 显示整张图纸 执行菜单命令ViewFit Sheet，即可显示当前整张图纸。 该命令和显示整个文件差别不大。 (4) 显示整个电路板 执行菜单命令ViewFit Board，即可显示当前整个电路板。 454 各种面板的管理 在PCB印制电路板编辑器中，工具栏、状态栏、命令行的打开与关闭如同电路原理图编辑器中一样，只需通过View菜单设定即可。 PCB的的Placement(放置工具栏)可以通过执行菜单命令View-Toolbars-Placement来

19、打开或关闭。 Placement栏如图4-7所示。 图4-7 PCB放置工具栏 其他各种面板可以通过工作区右下角的面板控制按钮来切换，如图4-8所示。 图4-8 各种面板按钮 46 放置工具栏介绍 在进行各种PCB印制电路板的设计中，需要在电路板上添加导线、焊盘、元器件等，这些都可以通过Protel DXP的Placement栏或相应的菜单命令来完成。 461 放置元器件封装 放置元器件封装形式的步骤如下： （1）单击Placement栏上的放置元器封装形式的按钮。 （2）放置元器件封装。 执行该命令后，会弹出如图4-9所示的放置元器件封装的对话框，在该对话框中，可以在Placement Ty

20、pe选项区域中选择Footprint单选按钮还是Component单选按钮。 图4-9 放置元器件封装对话框 若选择Footprint单选按钮，则可以在Component Details选项区域中输入元器件的封装形式；若选择Component单选按钮，则可以在Component Details选项区域中输入元器件在集成库中的名字。 如果不知道元器件的封装形式或名字，则可单击对话框中的。 。 按钮，会弹出如图4-10所示的浏览元器件封装的对话框。 可以在这对话框中选择所需的元器件封装形式。 图4-10 浏览元器件封装对话框 例如，现在放置集成芯片TMS320F206PZ，则可在图4-10所示的浏

21、览元器件封装对话框中选择该芯片。 单击OK按钮，在图4-9所示的放置元器件对话框中确认该封装形式。 再次单击OK按钮，这时，光标变成十字形状，并带有元器件的虚影，如图4-111所示。 把十字光标移到印制电路板的适当位置，单击即可放置该元器件封装。 右击或按Esc键即可退出放置元器件封装的命令状态。 （3） 设置元器件封装的属性。 在印制电路板上双击需要设置属性的元器件 图4-11 放置元器件封装的命令状态 或者在命令状态下按Tab键，将弹出如图4-12所示的设置元器件封装属性对话框，可以在此对话框内设置元器件封装的有关参数。 图4-12 设置元器件封装形式的属性 462放置铜膜导线 铜膜导线是

22、绘制PCB印制电路板时最常用的图元，它就是印制电路板上的实际连接导线。 下面我们就在PCB文件中放置铜膜导线。 （1）单击Placement上的放置铜末导线按钮。 （2）放置铜膜导线。 执行命令后，光标变为十字形状，把十字光标移到电阻器右端（如图4-13所示），就会出现一个选中标志，它表示系统找到一个电气节点。 按下鼠标确定铜膜导线的起点，拖动鼠标形成一个导线，到适当位置再次按下鼠标确定铜膜导线的终点。 图4-13 画铜膜导线 在绘制铜膜导线时，需要单击确定铜膜导线的拐弯位置，同时可以通 过Shift+Space键来切换选择铜膜导线的拐弯模式。 有五种拐弯模式，即直线450、弧线450、直线9

23、00 、弧线900和任意斜线。 也可以通过Space键来切换选择铜膜导线的起始和结束模式。 右击或按Ese键结束铜膜导线的绘制，再次单击或按Esc键即可退出放置铜膜导线的命令状态。 （3）设置铜膜导线的属性。 在PCB图上双击需要设置属性的铜膜导线，或者在命令状态下按Tab键，将弹出如图4-14所示。 图4-14 设置铜膜导线属性 （4）修改铜膜导线的形状。 画完一段导线后，如果需要延长某段导线或改变某段导线的位置，可以直接单击该段导线，这时在导线的各个转弯点和起点、终点都会出现选中的小方块，将光标移到起点或终点的小方块上，光标形状为双箭头，按下并拖动鼠标，则可延长或缩短某段导线，当光标在小方

24、块变成十字箭头时，可改变某段导线的位置。 463 放置直线 在绘制PCB印制电路板时，直线与铜膜导线是有区别的，这是Protel DXP所特有的。 铜膜导线具有实际的电气连接意义，并且具有网络标识，它的属性由设计规则决定，而直线虽然也具有实际的电气连接意义，但是它不具有网络标识，且它的书香也不由设计规则决定。 常用放置直线来绘制印制电路板的外形、元器件的轮廓和禁止布线层的边界等。 464 放置焊盘 焊盘也是绘制PCB印制电路板时常用的图元之一。 （1） 单击Placement栏上的放置焊盘按钮。 （2） 放置焊盘。 执行该命令后，光标变为十字形状，并带有一个焊盘，如 图4-15所示。 图4-1

25、5 放置焊盘的命令状态 （3）放置焊盘的属性。 在印制电路板上双击需要设置属性的焊盘，或者在命令状态下按Tab键，将弹出如图4-16所示的设置焊盘属性对话框Pad。 图4-16 设置焊盘属性 (4)重复上述步骤，可以在印制电路板上放置其他焊盘，单击或按Esc键即可退出放置焊盘的状态。 465 放置过孔 过孔也是绘制PCB印制电路板时常用的图元之一。 （1） 单击Placement栏上的放置过孔按钮 （2） 放置过孔。 执行该命令后，光标变为十字形状，并带有一个过孔，如 图4-22所示。 把十字光标移到印制电路板的适当位置，单击确定过孔的位置，即可放置该过孔。 重复上述步骤，可以在印制电路板上放

26、置其他过孔，单击或按Esc键即可退出放置过孔的命令或状态。 （3）设置过孔的属性，在印制电路板上双击需要设置属性的过孔，或者在命令状态下按Tab键，将弹出如图4-17所示的设置过孔属性对话框Via，可以在此对话框内设置过孔的有关参数。 图4-17 设置过孔的属性 466 放置字符串 为了使制作的印制电路板便于安装和调试，需要在电路板上加一些文字性的标注，用以增加可读性，Protel DXP提供了放置字符串工具。 （1） 单击Placement栏上的放置字符串按钮。 （2） 放置字符串。 执行该命令后，光标变成十字形状，并带有一个字符串。 （3） 设置字符串的属性。 在印制电路板上双击需要设置属

27、性的字符串，或 者在命令状态下按Tab键，将弹出如图4-18所示的设置字符串属性对话框String，可以在此对话框内设置字符串的有关参数。 图4-18 设置字符串属性 4.6.7 放置位置坐标 下面我们就在PCB文件中放置位置坐标： （1） 单击Placement栏上的放置位置坐标按钮。 （2） 放置位置坐标。 执行该命令后，光标变成十字形状，并带有一个位置 坐标，如图4-19所示。 把十字光标移到印制电路板的适当位置，单击确定坐标的位置，即可放置该位置坐标。 重复上述步骤，可以在印制电路板上放置其他位置坐标。 右击或按Esc键即可退出放置位置坐标的命令状态。 真正要放置准确的位置坐标还需要设

28、置其属性。 图4-19 放置位置坐标的命令状态 （3）设置位置坐标的属性。 在印制电路板上双击需要设置属性的位置坐标，或者在命令状态下按Tab键，将弹出如图4-20所示的设置坐标属性对话框Coordinate,可以在此对话框内设置位置坐标的有关参数。 图4-20 设置位置坐标属性 468 放置尺寸标注 （1）单击Placement栏上的放置尺寸标注按钮。 （2） 放置尺寸标注。 执行该命令后，光标变为十字形状，并带有一个尺寸标注，如图4-21所示。 把十字光标移到印制电路板的适当位置，单击确定尺寸标注的起点位置，拖动鼠标并在适当的位置再次单击确定尺寸标注的终点位置，即可放置该尺寸标注。 重复上

29、述步骤，可以在印制电路板上放置其他尺寸标注，右击或按Esc键可退出放置尺寸标注的命令状态。 图4-21 放置尺寸标注的命令状态 （3）设置尺寸标注的属性。 在印制电路板上双击需要设置属性的尺寸标注，或者在命令状态下按Tab键，将弹出如图4-22所示的设置尺寸标注属性对话框Dimension,可以在此对话框内设置尺寸标注的有关参数。 图4-22 设置尺寸标注的属性 4.6.9 设置坐标原点 在印制电路板编辑系统中，Protel DXP软件自动提供了一个称为绝对坐标 的坐标系，它的原点就是绝对原点（Absolute Origin）;同时读者也可根据需要设置另外一个称为当前相对坐标的坐标系，它的原点

30、就是当前原点（Current Origin）。 （1） 单击Placement栏上的放置坐标原点按钮。 （2） 放置坐标原点。 执行该命令后，光标变为十字形状，把十字光标移到 印制电路板的适当位置，单击即可确定本印制电路板的当前坐标原点。 （3） 撤消刚才放置的坐标原点。 执行菜单命令Edit-Origin-Reset，即可 以撤消当前坐标原点，使印制电路板的原点恢复为绝对原点。 习题 本例要设计的是整体厨房的一个控制电路，其中电路原理图如图4-23所示。 在本例中，通过手工布线得到的PCB图，如图4-24所示。 图4-23 整体厨房控制电路原理图 图4-23 整体厨房控制电路单面PCB图 16