升压式DC-DC变换实验系统设计.docVIP

吉林化工学院毕业设计说明书升压式DC-DC变换实验系统设计Design of Boost DC-DC Converter Experiment System学生学号： 08550227 学生姓名： 王索成 专业班级： 电气0802 指导教师： 孙黎、刘刚 职 称： 讲师、副教授 起止日期： 2012.2.27-2012.6.12 吉 林 化 工 学 院Jilin Institute of Chemical Technology吉林化工学院毕业设计说明书摘 要论述了升压式DC-DC变换实验系统设计及制作的过程，经理论分析及实验调整设计出了以单片机为核心的控制电路，编制了C430语言控制程序，使用Protel 绘制了印刷电路版图，制作出了原理样机。升压式DC-DC变换实验系统主要由MSP430F169单片机系统、LCM12864显示模块、键盘电路、整流滤波电路、升压式DC-DC变换电路、PWM驱动电路和输出电压检测电路等构成。该系统将220V交流电经降压变压器变换后转换成18V交流电，通过整流滤波转换成为直流电作为升压式DC-DC变换电路的，然后单片机会根据操作者设定的电压值来调整PWM的脉宽来调节输出电压，同时单片机也会根据输出电压检测电路对输出电压的采样值来进一步调整输出电压，从而保证系统在电源电压波动或者负载变化时能及时调整输出电压的稳定。本系统电压输出范围20-40V，同时能够在液晶显示器上显示设定值电压和实际的输出电压值。通过对原理样机进行检验，达到了设计的要求。关键词：DC-DC变换；MSP430F169；PWM- I -AbstractThis paper discusses the design and production process of boost DC-DC converter system design. Through theoretical analysis and experimental adjusted, designing control circuit based on single-chip microcomputer as the core components, and C430 language of control procedures, mapping the printed circuit diagram by Protel and making a prototype. The boost DC-DC converter system design is made of MSP430F169, LCM 12864display, keyboard circuit, resistance of rectifier-filter circuits, boost chopper circuit, PWM driving circuit, out voltage detection circuit and so on. The system will be 220V AC by the transform of the step-down transformer to convert 18V AC rectifier filter to convert DC as a step-up DC-DC conversion circuit, and then the microcontroller according to the voltage value set by the operator to adjust the PWM pulse width to regulate the output voltage, the microcontroller will be based on the output voltage detection circuit to adjust the output voltage sampling value of the output voltage, thus ensuring the system time to adjust the output voltage stable power supply voltage fluctuations or load changes. The voltage output range of the system is 20-40V, at the same time it makes set value and the actual value of the output voltage display on the LCM 12864display. It meets the design requirements after the inspection of the prototype.Key Words：DC-DC converter；MSP430F169；PWM- 31 -目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景和意义11.2 DC-DC变换器的定义及分类11.3 DC-DC变换器的基本工作原理11.3.1 降压斩波电路11.3.2 升压斩波电路31.4 课题要求及系统框图设计5第2章MSP430F169单片机系统设计62.1 MSP430F169单片机的简介62.1.1 MSP430 单片机的发展62.1.2 MSP430F169单片机结构及特点72.1.3 MSP430F169单片机引脚说明82.2 单片机小系统设计92.3 显示器LCM12864简介102.3.1 中文图形液晶显示模块主要特性102.3.2 模块的硬件说明112.3.3 操作时序112.3.4 初始化流程132.4 键盘电路设计14第3章 升压式DC-DC变换电路设计153.1 整流滤波电路的设计153.2 升压式DC-DC转换电路的设计153.3 PWM驱动电路163.4 输出电压检测电路17第4章 软件流程设计184.1 IAR Embedded Workbench IDE软件使用184.1.1 IAR Embedded Workbench IDE 简介184.1.2 IAR Embedded Workbench IDE 操作步骤184.2 反馈调节设计184.3 主程序184.4 看门狗中断子程序194.5 定时器A中断子程序20第5章 印刷电路板设计215.1 印刷电路板基本概念215.2 印刷电路板布线235.3 印刷电路板图设计255.3.1 电路原理图设计255.3.2 印刷电路板设计26结 论28参考文献29致 谢30第1章 绪论1.1 课题背景和意义DC-DC直流变换作为开关电源的一个重要组成部分，广泛应用于工业生产、家用电器、计算机、航天卫星、军事科研等领域中，用于对电能进行转换、加工和调节。因此，近年来DC-DC变换器的研究倍受关注。随着软开关技术的发展，新颖的控制方法不断采用，DC-DC变换器也不断的朝着高效率、高可靠性的模块化开关电源方向发展。传统直流稳压电源中的DC-DC变换是通过粗调波段开关及细调电位器来调节的，这种变换稳压精度不高、电路结构复杂、不易校准，而采用单片机的数字式控制能使DC-DC变换较好地解决了以上问题。1.2 DC-DC变换器的定义及分类直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也成为DC-DC变换器。DC-DC变换器的种类较多，包括6种基本的斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路1。1.3 DC-DC变换器的基本工作原理降压斩波电路和升压斩波电路的应用最为广泛，理解了这两种电路对理解其它类型的斩波电路有很大的帮助，下面分别对这两种斩波电路的工作原理进行介绍。1.3.1 降压斩波电路降压斩波电路（Buck Chopper）的电路结构如图1-1所示。该电路中V是全控型器件；VD是续流二极管；L是储能电感；EM是负载出现的反电动势。典型的用途之一是拖动直流电机，也可带蓄电池负载。图1-1 降压斩波电路图1-2 降压斩波电路工作波形图1工作作原理（1）t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压，负载电流io按指数曲线上升。（2）t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压Uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。降压斩波电路波形图如图1-2所示。2数量关系（1）电流连续时负载电压平均值设连续电流为Io，根据能量守恒定律，一个周期输出能量为，负载和蓄电池吸收能量为，得： （1-1）其中，tonV通的时间；toffV断的时间；a导通占空比。A小于等于1，可将降压斩波器看作直流降压变压器。负载电流平均值： （1-2）（2）电流断续开关电源不允许出现状态，Uo被抬高，可通过加大电感或提高PWM控制信号频率方法解决。1.3.2 升压斩波电路降压斩波电路（Boost Chopper）如图1-3所示。该电路中L是储能电感；V是全控型器件；VD是二极管；C是储能电容。图1-3 升压斩波电路1工作原理：假设L和C值很大。V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。升压斩波电路的工作波形如图1-4所示。图1-4 升压斩波电路工作波形2数量关系：（1）设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为；（2）设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为；（3）稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等。即 （1-3）化简得： （1-4），输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路，T/toff为升压比；升压比的倒数记作，即 （1-5）和的关系： （1-6）因此，上式可表示为 （1-7）电压升高的原因：电感L储能起到使电压泵升的作用，电容C可将输出电压保持住如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即 。 （1-8） 其中I1是假设的电源电流平均值。与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。输出电流的平均值Io为： （1-9）电源电流的平均值I1为： （1-10）1.4 课题要求及系统框图设计本课题要求的是设计一个升压式DC-DC变换实验系统，本系统能根据操作者的设定值输出相应的直流电压，电压输出范围20-40V，并能够在显示屏上显示输出电压的数值。系统主要由整流滤波电路、DC-DC升压斩波电路、PWM驱动电路及输出电压检测电路等构成。升压式DC-DC变换实验系统的基本工作原理是利用MSP430F169单片片内的TimerA发出一路PWM信号经驱动电路后使升压式DC-DC变换电路工作，然后通过输出电压检测电路将采集到的输出电压值反馈给MSP430F169单片机中进行闭环控制，系统结构框图如图1-5所示。图1-5 系统结构框图第2章MSP430F169单片机系统设计MSP430F169单片机系统是由单片机芯片、时钟电路、复位电路、显示电路构成。2.1 MSP430F169单片机的简介2.1.1 MSP430 单片机的发展 MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在1996 年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已得到广泛应用。MSP430系列单片机的发展过程，可以分为三个阶段： 开始阶段从1996年推出MSP430系列开始到2000年初这个阶段，首先推出33X、 32X、31X等几个系列，而后于2000年初又推出了11X和11X1系列。MSP430的33X、 32X、31X等系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度较有利。每一系列有ROM型（C）、OTP型（P）和EPROM型（E）等芯片。EPROM型的价格昂贵，运行环境温度范围窄，主要用于样机开发。这也表明了这几个系列的开发模式，即：用户可以用 EPROM型开发样机；用OTP型进行小批量生产；而ROM型适合大批量生产的产品2。 2000 年推出了11X/11X1系列。这个系列采用20脚封装，内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少，但是价格比较低廉。这个时期的MSP430已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点，但也有不尽如人意之处。它的许多重要特性，如：片内串行通信接口、硬件乘法器、足够的 I/O 引脚等，只有33X系列才具备。33X系列价格较高，比较适合于较为复杂的应用系统。当用户设计需要更多考虑成本时，33X并不一定是最适合的。而片内高精度A/D转换器又只有32X系列才有。 寻找突破，引入了Flash技术随着Flash技术的迅速发展，TI公司也将这一技术引入MSP430系列中。在2000年7月推出F13X/F14X系列，在2001年7月到2002年又相继推出F41X、F43X、F44X这些全部是Flash型单片机。 F41X单片机是目前应用比较广的单片机，它有48个I/O口，96段LCD驱动。F43X、 F44X系列是在13X、14X的基础上，增加了液晶驱动器，将驱动LCD的段数由3XX系列的最多120段增加到160段。并且相应地调整了显示存储器在存储区内的地址，为以后的发展拓展了空间3。 MSP430系列由于具有Flash存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。这时TI公司推出具有Flash型存储器及JTAG边界扫描技术的廉价开发工具MSP-FET430X110，将国际上先进的JTAG技术和Flash在线编程技术引入 MSP43045。引进新技术和内部进行调整之后，为MSP430的功能扩展打下了良好的基础。于是 TI 公司在2002年底和2003年期间又陆续推出了F15X和F16X系列的产品。2.1.2 MSP430F169单片机结构及特点 MSP430F169单片机结构图如图2-1所示。MSP430F169单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT等）。MSP430F169单片机的中断源较多，使用时灵活方便。当系统处于省电的低功耗状态时，用中断请求将它唤醒只用6us。由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0LPM4）。在等待方式下，耗电为0.7uA，在低功耗方式下，最低可达0.1uA。上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。MSP430F169单片机集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A、定时器B、USART、硬件乘法器、10位/12位ADC、DAC、端口 16（P1P6）、基本定时器（Basic Timer）等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出 A/D 转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/ 比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口，可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，最多达48条I/O口线；P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；D/A转换器可实现两路的12位D/A转换；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（DMA）模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。这也是本方案选择MSP430F169单片机的原因所在。图2-1 MSP430F169单片机结构图2.1.3 MSP430F169单片机引脚说明 MSP430F169单片机外形图如图2-2所示。图2-2 MSP430F169单片机外形图由图2-2可知MSP430F169单片机为64引脚封装，48个数字I/O，其中大部分引脚有复用功能。 2.2 单片机小系统设计MSP430F169单片机小系统电路如图2-3所示。由MSP430F169芯片、复位电路、低速时钟电路（32768Hz）和高速时钟电路（8MHz）等元件构成6。图2-3 MSP430F169单片机小系统电路2.3 显示器LCM12864简介LCM12864显示器是一款功能强大的液晶显示器，可以显示汉字、数字、字符以及图形，只要在相关软件中输入想要显示的数字、字符和汉字，就可生成相应的数字编码，将该编码通过单片机按照一定的时序送入显示器，即可实现显示功能。2.3.1 中文图形液晶显示模块主要特性LCM12864系列产品软件特性如下： 1文字与图形混合显示功能 ；2画面清除功能 ；3光标归位功能 ；4. 显示开/关功能 ；5光标显示/隐藏功能； 6显示字体闪烁功能 ；7光标移位功能； 8显示移位功能； 9垂直画面旋转功能； 10反白显示功能； 11休眠模式 。2.3.2 模块的硬件说明各引脚的功能如图2-4所示。图 2-4 各引脚功能2.3.3 操作时序对LCM12864液晶显示器可以进行读写操作，从而实现控制器件与显示器的通信，完成信息显示的功能。LCM12864液晶显示器有一套完整的控制时序，现介绍如下：18 位并口写操作时序图8 位并口写操作时序图如图2-5所示。图2-5 8位并口写操作时序图2 8 位并口读操作时序图8位并口读操作时序图如图2-6所示。图2-6 8位并口读操作时序图3. 4 位并口时序图4位并口读操作时序图如图2-7所示。图2-7 4位并口时序图图4串口时序图串口时序图如图2-8所示。图2-8 串口时序图5外部复位时序图外部复位时序图如图2-9所示。 图2-9 外部复位时序图2.3.4 初始化流程上电后LCM12864按图2-12所示顺序进行初始化即可完成初始化。图2-12 LCM12864初始化流程2.4 键盘电路设计本系统能根据操作者的设定值输出相应的直流电压，所需按键数量很少，可使用按键与单片机的I/O口直接连接的方法构成，具体电路如图2-13所示。本设计通过程序的手段消除和减小按键按下和按键放开过程中所产生的波动信号对系统的影响。图2-13 键盘电路第3章 升压式DC-DC变换电路设计3.1 整流滤波电路的设计本设计的电源输入为交流220V的电网电压（即市电），通过交流变压器将其转换为18V的交流电，经桥式整流电路和滤波电路后把交流电转换为直流电，如图3-1所示。桥式整流与半波整流相比，输出电压的脉动小很多7。由于要进行DC-DC变换，对直流的要求不是很高，所以在整流后进行LC滤波，以减小整流后直流电中的脉动成分。图3-1 整流滤波电路3.2 升压式DC-DC转换电路的设计升压式DC-DC转换电路由电感L2、电力场效应管Q1（IRF540）、二极管D2以及电容C3组成，具体电路如图3-2所示。图3-2 升压式转换电路IRF540是IR公司采用先进的技术生产的N沟道场效应管，具有先进的技术工艺、超低的通电阻（）、快速的转换速率以及耐高温（工作温度可达）等特性。其导通电流，漏源电压，满足本设计的要求。IRF540一般采用TO-220的封装形式，如图3-3所示。图3-3 T0-220封装形式3.3 PWM驱动电路由于MSP430单片机IO引脚产生的PWM信号的驱动能力弱，如直接作为IRF540正常工作的驱动信号，将使IO引脚损坏8。本设计将单片机产生的PWM信号经三极管电平转换后与IR2101芯片连接驱动IRF540，使其正常工作，具体电路如图3-4所示。图3-4 PWM驱动电路IRF2101是高电压、高速度的电力MOSFET和IGBT的驱动器，其输入电压与标准的CMOS或者LSTTL电平相兼容，输出驱动电压范围10V-20V，满足本设计的要求。3.4 输出电压检测电路本设计的输出电压为20V-40V，而MSP430单片机的A/D转换基准电压为2.5V，因此需要把输出电压分压后送给单片机的A/D转换器，以供电片机采集数据进行处理。选取，因此当系统输出电压为40V时，单片机A/D转换器的输入电压为2.0V左右，将获得的2.0V电压送给运放的同相端，运放的反相直接与输出相连，构成电压跟随器9。分压电路和输出电压检测电路分别如图3-5和图3-6所示。图3-5 分压电路图3-6 输出电压检测电路第4章 软件流程设计4.1 IAR Embedded Workbench IDE软件使用4.1.1 IAR Embedded Workbench IDE 简介嵌入式IAR Embedded Workbench适用于大量8位、16位以及32位的微处理器和微控制器,使用户在开发新的项目时也能在所熟悉的开发环境中进行。它为用户提供一个易学和具有最大量代码继承能力的开发环境，以及对大多数和特殊目标的支持。MSP430单片机可以通过IAR编辑、编译C程序并下载到目的单片机以实现对单片机的控制10。4.1.2 IAR Embedded Workbench IDE 操作步骤1创建一个workspace。2创建一个project。3创建并编辑一个C文件并加载到创建的workspace。4设置目的芯片型号。5设置仿真器类型。6编译并下载到目的单片机。4.2 反馈调节设计反馈调节流程图如图4-2所示，单片机根据电压给定值和电压采样值进行电压差值计算，然后通过PI控制程序去调节PWM的输出。图4-1 调节流程图4.3 主程序主程序流程图如图4-2所示，单片机的主程序主要完成系统片内功能模块的初始化，包括打开看门狗、系统时钟初始化、IO端口初始化、定时器A初始化、AD转换模块初始化和显示模块初始化。系统各模块初始化完毕后，单片机进入低功耗模式休眠等待定时器A和看门狗定时器唤醒执行相应的子程序11。图4-2 主程序流程图4.4 看门狗中断子程序看门狗定时器中断程序流程图如图4-3所示，看门狗定时器定时时间为250ms，扫描是否有按键按下并更新屏幕显示；若检测到有按键被按下则执行相应程序，可完成设定电压输出值等设置。图4-3 看门狗定时器中断程序4.5 定时器A中断子程序定时器A中断程序流程图如图4-4所示，定时器中断时间约为24.4ms，主要处理AD转换和闭环调节的相应程序。图4-4 定时器A中断程序第5章 印刷电路板设计5.1 印刷电路板基本概念印刷电路板在电器中主要起到以下几方面功能：1焊接固定电子器件；2用铜箔导线按电路原理图连接各个元器件；3利用敷铜形成屏蔽保护。电路板中大面积敷铜的目的，就是为了消除电磁干扰和地线干扰11。为了更好的了解电路板功能和设计电路板，首先介绍印刷电路板中的几个概念：1层(Layer)Protel中的“层”不是虚拟的，而是印刷板材料本身实实在在的各铜箔层。现今，由于电子线路的元件密集安装和防干扰和布线等特殊要求，一些较新的电子产品中所用的印刷板不仅有上下两面供走线用，在板的中间还设有能被特殊加工的夹层铜箔。例如，现在的计算机主板所用的材料多在4层以上。这些层因加工相对较难而大多用于设置成走线较为简单的电源、地线布线层，并常用大面积填充的办法来布线。上下位置的表面层与中间各层需要连通的地方用所谓“过孔（Via）”来连通。2过孔(Via）为连通各层之间的线路，在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔，这就是过孔。工艺上在过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属，用以连通中间各层需要连通的铜箔，而过孔的上下两面做成普通的焊盘形状，可直接与上下两面的线路相通，也可不连。一般而言，设计线路时对过孔的处理有以下原则：（1）尽量少用过孔，一旦选用了过孔，务必处理好它与周边各实体的间隙，特别是容易被忽视的中间各层与过孔不相连的线与过孔的间隙。（2）需要的载流量越大，所需的过孔尺寸越大，如电源层和地层与其它层联接所用的过孔就要大一些。3丝印层（Overlay）为方便电路的安装和维修等，在印刷板的上下两表面印刷上所需要的标志图案和文字代号等。例如，元件标号和标称值、元件外廓形状和厂家标志、生产日期等等。丝印层字符布置原则是：“不出歧义，见缝插针，美观大方”。4SMD的特殊性Protel封装库内有大量SMD封装，即表面焊装器件。这类器件除体积小巧之外的最大特点是单面分布元件引脚孔。因此，选用这类器件要定义好器件所在面，以免“丢失引脚（MissingPlns）”。另外，这类元件的有关文字标注只能随元件所在面放置。5网格状填充区（ExternalPlane）和填充区(Fill)正如两者的名字那样，网络状填充区是把大面积的铜箔处理成网状的，填充区仅是完整保留铜箔。要强调的是，前者在电路特性上有较强的抑制高频干扰的作用，适用于需做大面积填充的地方，特别是把某些区域当做屏蔽区、分割区或大电流的电源线时尤为合适。后者多用于一般的线端部或转折区等需要小面积填充的地方。6焊盘(Pad）焊盘是PCB设计中最常接触也是最重要的概念，选择元件的焊盘类型要综合考虑该元件的形状、大小、布置形式、振动和受热情况、受力方向等因素。Protel在封装库中给出了一系列不同大小和形状的焊盘，如圆、方、八角、圆方和定位用焊盘等。但有时这还不够用，需要自己编辑。一般而言，自行编辑焊盘应考虑以下原则：（1）形状上长短不一致时，要考虑连线宽度与焊盘特定边长的大小差异不能过大；（2）需要在元件引脚之间走线时，选用长短不对称的焊盘往往事半功倍；（3）各元件焊盘孔的大小要按元件引脚粗细分别编辑确定，原则是孔的尺寸比引脚直径大02-04毫米。7各类膜（Mask)这些膜不仅是PCB制作工艺过程中必不可少的，而且更是元件焊装的必要条件。按“膜”所处的位置及其作用，“膜”可分为元件面（或焊接面）助焊膜和元件面（或焊接面）阻焊膜两类。顾名思义，助焊膜是涂于焊盘上，提高可焊性能的一层膜，也就是在绿色板子上比焊盘略大的各浅色圆斑。阻焊膜的情况正好相反，为了使制成的板子适应波峰焊等焊接形式，要求板子上非焊盘处的铜箔不能粘锡，因此在焊盘以外的各部位都要涂覆一层涂料，用于阻止这些部位上锡。可见，这两种膜是一种互补关系。8飞线飞线有两层含义。第一层含义，自动布线时供观察用的类似橡皮筋的网络连线，在通过网络表调入元件并做了初步布局后，用“Show”命令就可以看到该布局下的网络连线的交叉状况，不断调整元件的位置使这种交叉最少，以获得最大的自动布线的布通率。另外，自动布线结束，还有哪些网络尚未布通，也可通过该功能来查找。找出未布通网络之后，可用手工补偿，实在补偿不了就要用到“飞线”的第二层含义，就是在将来的印板上用导线连通这些网络。要交待的是，如果该电路板是大批量自动线生产，可将这种飞线视为0欧阻值、具有统一焊盘间距的电阻元件来进行设计。5.2 印刷电路板布线PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的，在整个PCB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线。布线的方式也有两种：自动布线及交互式布线，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。1要有合理的走向：如输入/输出，交流/直流，强/弱信号，高频/低频，高压/低压等，它们的走向应该是呈线形的(或分离)，不得相互交融。其目的是防止相互干扰。最好的走向是按直线，但一般不易实现，最不利的走向是环形。对于是直流，小信号，低电压PCB设计的要求可以低些。所以“合理”是相对的。上下层之间走线的方向基本垂直。2电源、地线的处理：既使在整个PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。所以对电、地线的布线要认真对待，把电源、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线电源线信号线，通常信号线宽为：0.20.3mm,最细宽度可达0.050.07mm,电源线为1.22.5mm对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路,即构成一个地网来使用(模拟电路的地不能这样使用)用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板，电源，地线各占用一层。3数字电路与模拟电路的共地处理：现在有许多PCB不再是单一功能电路（数字或模拟电路），而是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题，特别是地线上的噪音干扰。数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件。对地线来说，整个PCB对外界只有一个结点，所以必须在PCB内部进行处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连，只是在PCB与外界连接的接口处（如插头等）。数字地与模拟地有一点短接，请注意，只有一个连接点。也有在PCB上不共地的，这由系统设计来决定。4合理布置电源滤波/退耦电容：一般在原理图中仅画出若干电源滤波/退耦电容，但未指出它们各自应接于何处。其实这些电容是为开关器件(门电路)或其它需要滤波/退耦的件而设置的，布置这些电容就应尽量靠近这些元部件，离得太远就没有作用了。在贴片器件的退耦电容最好在布在板子另一面的器件肚子位置，电源和地要先过电容，再进芯片。5线条有讲究：有条件做宽的线决不做细；高压及高频线应圆滑，不得有尖锐的倒角，拐弯也不得采用直角。地线应尽量宽，最好使用大面积敷铜，这对接地点问题有相当大的改善。6信号线布在电（地）层上：在多层印制板布线时，由于在信号线层没有布完的线剩下已经不多，再多加层数就会造成浪费也会给生产增加一定的工作量，成本也相应增加了，为解决这个矛盾，可以考虑在电（地）层上进行布线。首先应考虑用电源层，其次才是地层。因为最好是保留地层的完整性。7大面积导体中连接腿的处理：在大面积的接地（电）中，常用元器件的腿与其连接，对连接腿的处理需要进行综合的考虑，就电气性能而言，元件腿的焊盘与铜面满接为好，但对元件的焊接装配就存在一些不良隐患如：（1） 焊接需要大功率加热器。（2） 容易造成虚焊点。所以兼顾电气性能与工艺需要，做成十字花焊盘，称之为热隔离（heatshield）俗称热焊盘（Thermal），这样，可使在焊接时因截面过分散热而产生虚焊点的可能性大大减少。多层板的接电（地）层腿的处理相同。8布线中网络系统的设置：在许多CAD系统中，布线是依据网络系统决定的。网格过密，通路虽然有所增加，但步进太小，图场的数据量过大，这必然对设备的存贮空间有更高的要求，同时也对象计算机类电子产品的运算速度有极大的影响。而有些通路是无效的，如被元件腿的焊盘占用的或被安装孔、定位孔所占用的等。网格过疏，通路太少对布通率的影响极大。所以要有一个疏密合理的网格系统来支持布线的进行。标准元器件两腿之间的距离为0.1英寸(2.54mm),所以网格系统的基础一般就定为0.1英寸(2.54mm)或小于0.1英寸的整倍数，如：0.05英寸、0.025英寸、0.02英寸等。9设计规则检查（DRC）：布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则，同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求，一般检查有如下几个方面：（1） 线与线，线与元件焊盘，线与贯通孔，元件焊盘与贯通孔，贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。（2）电源线和地线的宽度是否合适，在PCB中是否还有能让地线加宽的地方。（3）对于关键的信号线是否采取了最佳措施，如长度最短，加保护线，输入线及输出线被明显地分开。（4）模拟电路和数字电路部分，是否有各自独立的地线。（5）后加在PCB中的图形（如图标、注标）是否会造成信号短路。对一些不理想的线形进行修改。在PCB上是否加有工艺线，阻焊是否符合生产工艺的要求，阻焊尺寸是否合适，字符标志是否压在器件焊盘上，以免影响电装质量。多层板中的电源地层的外框边缘是否缩小，如电源、地层的铜箔露出板外露容易造成短路。10有些问题虽然发生在后期制作中，但却是PCB设计中带来的，它们是：过线孔太多，沉铜工艺稍有不慎就会埋下隐患。所以，设计中应尽量减少过线孔。同向并行的线条密度太大，焊接时很容易连成一片。所以，线密度应视焊接工艺的水平来确定。焊点的距离太小，不利于人工焊接，只能以降低工效来解决焊接质量。否则将留下隐患。所以，焊点的最小距离的确定应综合考虑焊接人员的素质和工效。焊盘或过线孔尺寸太小，或焊盘尺寸与的钻孔尺寸配合不当。前者对人工钻孔不利，后者对数控钻孔不利。容易将焊盘钻成“c”形，重则钻掉焊盘。导线太细，而大面积的未布线区又没有设置敷铜，容易造成腐蚀不均匀。即当未布线区腐蚀完后，细导线很有可能腐蚀过头，或似断非断，或完全断。所以，设置敷铜的作用不仅仅是增大地线面积和抗干扰。以上诸多因素都会对电路板的质量和将来产品可靠性大打折扣。5.3 印刷电路板图设计5.3.1 电路原理图设计印刷电路板设计是从绘制原理图开始的，在整个设计过程中这一步有着举足轻重的作用，一张正确、美观、清晰的电路原理图不但可以准确表达电路设计者的设计思路，同时也可为以后印刷电路板的设计工作打下好的基础。在Protel DXP软件中，常用的分立元件和接插件都在软件分目录Library下Miscellaneous Device.Intlib和Miscellaneous Connectors.Intlib两个集成元件库中。其他的元件ProtelDXP按元器件生产厂商分类，提供了数量庞大的集成库13。对于某些不常用的不清楚在哪个元件库中的元器件，最有效的办法是进行元器件的查询：ToolsFind ComponentSearch命令下，在Name项中填入元器件的名称，若对元器件的名称不能完全确认，可以使用通配符“*”进行查询。对于元器件库中没有的元器件，可以创建自己的元器件库，进行新元件的制作。掌握所有所需的元器件名称后，即可加载所需元器件库，放置元器件，进行原理图布线等，完成原理图的绘制。系统原理图如图5-1所示。图5-1 系统原理图5.3.2 印刷电路板设计在电路设计中，印刷电路板的设计质量直接关系到后续的电路焊接装配是否方便，调试是否顺利，整机的技术指标是否符合设计要求。使用Protel DXP进行印刷电路板的设计，可以用两种方式实现，一种是利用Protel DXP自动生成印刷电路版图。其前提是电路原理图绘制准确无误，每个元器件都有自己的封装。由于Protel DXP实现了真正的双向同步设计，在PCB设计过程中，用户可以不生成网络文件，直接通过单击原理图编辑器内更新PCB文件按钮，实现元件网络表和元件封装的载入；也可以从PCB编辑器内由原理图导入按钮来实现网络表与元件封装的载入，非常方便快捷，需要注意的是，电路板的规划、环境参数和工作参数的设定直接影响PCB板的设计质量。另一种是半自动或手动制板，它先对特殊元器件进行定位，这些元器件包括与机械尺寸有关的元件、与装配相关的元件、体积较大的元件、较重的元件、发热元件、热敏元件、核心元件、高频的时钟元件、有电磁干扰的元件等。将这些特殊元件锁定，在进行一般元器件的布局。在进行自动布线时，对PCB板布线规则的设置是否合理，将直接影响到自动布线的质量和成功率。最后，对PCB板中地线网络的覆铜、对焊盘泪滴处理、对重要信号线进行“包地”处理、涉及规则检查DRC等操作对提高PCB