PCB的设计流程分析(ppt 144页).ppt

华南农业大学应用物理系刘勇 光电信息系统基础 e mail huanongly 综合练习 本章先介绍印制电路板的设计流程 然后通过一个双面印制电路板设计的综合实例 结合了原理图绘制 原理图库操作以及PCB设计等内容 详细讲解PCB的设计过程 教学内容 教学目标 通过实例的练习 回顾并巩固前面所学的知识 提高对Protel2004软件的基本操作和运用的技能 领会PCB设计合理规划的必要性 重要性和一般原则 强化对封装形式合理选用或正确制订的重要性 锻炼并提升实际设计能力 在进行PCB设计之前 有必要了解一下PCB设计的过程 通常先设计好原理图 然后创建一个空白的PCB文件 再设置PCB的外形和尺寸 接着根据自己的习惯设置环境参数 向空白的PCB文件导入网络表及元件的封装等数据 然后再设置工作参数 通常包括板层的设定和布线规则的设定 在上述准备工作完成后 就可以对元器件进行布局 接下来的工作是自动布线 手工调整不合理的图件 对电源和接地线进行敷铜 最后进行设计校验 在印制电路板设计完成后 应把与该设计有关的文件进行导出和存盘 具体的PCB设计流程如图1所示 图1PCB的设计流程 下面以 声控变频电路 PrjPCB 为例 介绍双面PCB的设计方法 声控变频电路的原理图如图2所示 PCB的尺寸为2400mil 2000mil 电阻采用Res2 无极性电容Cap 电解电容CapPol1 电位器Rpot 麦克风Mic2 三极管NPN NE555P在 TIAnalogTimerCircuit Intlib 库中 准备原理图 1 新建一个名字为综合练习的工作区文件 在这工作区文件下新建一个名为声控变频电路的工程文件 2 在声控变频电路的工程文件中新建一个名为声控变频电路的空白原理图文件 并在此原理图文件中按要求绘制声控变频电路的原理图 3 对声控变频电路的原理图进行编译 生成网络表文件 图1新建一个名为 综合练习 的工作区文件 图2新建一个工程文件 图3把新建的工程文件改名保存 图4新建的工程文件改名为 声控变频电路 图5在新建的工程文件下新建一个原理图文件 图6对新建的原理图文件改名另存 图7新建的原理图文件改名为 声控变频电路 图8根据要求绘制声控变频电路的原理图 图9对声控变频电路的原理图进行编译 图10查看错误和警告信息并对错误的地方进行修改 图11生成网络表文件 图12显示生成的网络表文件 规划印制电路板 1 在 声控变频电路 工程文件下 新建一个空白的PCB文件 2 把新建的PCB文件另存为 声控变频电路 PcbDoc 3 在该PCB文件中设置当前原点 4 根据题目要求绘制物理边界 5 绘制电气边界 即设置印制电路板禁止布线区 导入数据 把原理图文件中的信息导入到PCB文件 图13在声控变频电路的工程文件中新建一个空白的PCB文件 图14新建的PCB文件另存为 声控变频电路 PcbDoc 图15在PCB文件的编辑窗口中设置当前原点 图16设置当前原点的效果图 图17把当前层设置为机械层 图18绘制物理边界 图19绘制物理边界的效果图 图20把当前层设置为禁止布线层 图21绘制电气边界 图22电气边界的效果图 图23把声控变频电路 SchDoc文件中的信息导入到PCB文件 图24校验改变 图25执行改变 图26执行改变后的效果图 图27导入数据后的PCB文件 设定环境参数 环境参数包括单位制式 光标形式 栅格样式和工作面层颜色等 适当设置这些参数对PCB电路板设计非常重要 1 设置参数 执行 Design BoardOptions 命令 即可进入环境参数设置对话框 如图28所示 在对话框进行参数设定 如图29所示 一般情况下 将捕捉栅格 电气栅格设成相近值 如果捕捉栅格和电气栅格相差过大 在手工布线的时候 光标将会很难捕获到用户所需的电气连接点 2 设置工作层面显示 颜色 执行 Design BoardLayers Colors 命令 即可进入工作层面的显示 颜色设置对话框 如图30所示 在对话框中 可以进行工作层面的显示 颜色设置 有6个区域分别设置在PCB编辑区要显示的层及其颜色 其中 SystemColors 区域中的设置包含可见栅格 焊盘孔 过孔和PCB工作层面的颜色及其显示等 初学者建议这个区域使用默认设置 如图31所示 图28进入环境参数设置对话框 图29在环境参数设置对话框进行参数设定 图30进入工作层面的显示 颜色设置对话框 图31在对话框进行工作层面的显示 颜色设置 元件的自动布局 元件的布局有自动和手工布局两种方式 一般先利用PCB的编辑器所提供的自动布局功能自动布局 在自动布局后再进行手工调整 1 设置元器件布局规则 执行菜单命令 Design Rules 系统弹出 PCBRulesandConstraintsEditor 对话框 分别对ComponentClearance 安全间距 ComponentOrientations 元器件放置角度 和PermittedLayers 允许元器件放置工作层 等进行设置 2 清除布局空间 Room 在PCB编辑器中 执行 Tools ComponentPlacement AutoPlacer 命令 打开元件自动布局对话框 在该对话框中选择元件自动布局的方式 见图35 自动布线对话框中各选项的含义 ClusterPlacer 成组布局方式 这种基于 组 的元件自动布局方式 将根据连接关系将元件划分为组 然后按照几何关系放置元件组 该方式较为适合元件较少的电路 StatisticalPlacer 统计布局方式 这种基于 统计 的元件自动布局方式 将根据统计算法放置元件 以使元件之间的连线长度最短 该方式较为适合元件较多的电路 QuickComponentPlacement 设置元件快速布局 该选项只有在选择成组布局方式时 选中才有效 2 当选中统计布局方式时 对话框发生变化 见图36 统计布局方式的部分选项功能含义为 GroupComponents 组合元件 该选项的功能是 将当前PCB设计中网络连接密切的元件归为一组 排列时该组元件将作为整体考虑 RotateComponents 旋转元件 该选项的功能是 根据当前网络连接与排列的需要使元件或元件组旋转方向 3 本例选成组布局方式 在设置好元件自动布局后 单击 OK 按钮 元件自动布局完成后的效果图如图37所示 图32显示布局空间 图33显示布局空间 图34打开元件自动布局对话框 图35在自动布局对话框中选择元件自动布局的方式 图36在自动布局对话框中选中元件自动统计布局的方式 3 这里选成组布局方式 在设置好元件自动布局后 单击 OK 按钮 元件自动布局完成后的效果图如图37所示 图37元件自动布局的效果图 调换元件封装 Protel2004系统中进行电路板设计时 元件封装的选配或更换 无论在原理图还是PCB的编辑过程中均可进行 只是在PCB的编辑过程中选配或更换元件封装会相对方便一些 下面以三极管Q1和Q2封装的更换来介绍元件封装的调换 1 双击需要调换封装的元件 如Q1 打开元件参数对话框 如图38所示 2 单击对话框封装栏中元件名称后的浏览按钮 打开如图39所示的浏览库对话框 3 在元件封装浏览库对话框中选取所需的封装形式 4 在元件参数对话框中确认改变的封装形式 5 同理更换Q2的封装形式 其效果图见图43 图38打开元件参数对话框 图39元件封装浏览库对话框 图40在元件封装浏览库对话框中选取所需的封装形式 图41在元件参数对话框中确认改变的封装形式 图42调换Q1元件的封装 图43调换Q1和Q2元件的封装 PCB和原理图文件的双向更新 Protel2004系统中 用户可以很方便地由PCB文件更新原理图文件 或由原理图文件更新PCB文件 1 由PCB文件更新原理图文件 象刚才在PCB编辑窗口中对Q1和Q2进行元件封装的更换 就是对声控变频电路PCB文件的局部修改 在修改后 需要更新声控变频电路的原理图文件 具体操作为 在PCB编辑区执行 Design UpdateSchematicin声控变频电路 PrjPCB 命令 启动更改确认对话框 如图45所示 单击 Yes 打开更改文件ECO对话框 如图46所示 单击 ValidateChanges 校验按钮 检查改变是否有效 如果所有改变均有效 则 Status 栏中的 Check 均选中 见图47 单击 ExecuteChanges 执行改变按钮 将有效的修改发送到原理图 完成后 Done 列出现完成状态显示 如图48所示 单击 ReportChanges 按钮 系统生成更改报告 如图49所示 2 由原理图文件更新PCB文件 由原理图文件更新PCB文件的操作方法同上述 导入数据 的操作 图44执行 Design UpdateSchematicin声控变频电路 PrjPCB 图45弹出更改确认对话框 图46打开ECO对话框 图47校验后的ECO对话框 图48执行改变后的ECO对话框 图49生成更改报告 元件布局的交互调整 所谓交互调整就是手工调整与自动排列 设计者先用手工方法大致调整一下布局 再利用元件的自动排列功能 按需要对元件的布局进行调整 1 手工调整 手工调整布局的方法 与原理图编辑时调整元件位置的方法是相同的 包括移动元件 旋转元件和元件标注的调整等 经过手工调整后的效果如图50所示 图50手工调整后的效果 2 自动排列 选择排列的元件 执行 Edit Select InsideArea 命令 或单击菜单栏中的按钮 执行后 光标变成十字 画一个虚框把待选元件都包在该虚线框中 在 Alignmenttools 下拉菜单中 根据实际需要 选择元件自动排列的不同方式 调整元件排列 自动排列后的效果如图54所示 图51元件自动排列的快捷图标 图52打开元件自动排列的对话框 图53可在元件自动排列的对话框中进行自动排列的设定 图54自动排列后的效果 电路板的3D效果图 设计者可以通过3D效果图看到PCB的实际效果和全貌 执行 View Boardin3D 命令 PCB编辑器内的工作窗口变成3D仿真图形 如图55所示 在PCB3D操作面板上调整 可看到制成后的PCB全方位图 图55执行 Boardin3D 命令显示3D效果 图56电路的3D效果图 图57电路的3D效果图 设置布线规则 Protel2004系统中 设计规则有10个类别 覆盖了电气 布线 制造 放置 信号完整性要求等 其中大部分采用系统默认的设置 用户需要设置的规则并不多 1 设置双面板布线方式 如果要求设计一般的双面印制电路板 就没必要去设置布线板层规则 因为系统默认双面布线 这里作为例子进行介绍 其操作步骤为 在PCB编辑中执行 Design Rules 命令 即可启动PCB规则和约束编辑对话框 如图58所示 界面的左侧显示设计规则的类别 右侧显示对应规则的设置属性 布线层的查看 单击左侧设计规则 DdsignRules 中的布线 Routing 类 该类所包含的布线规则以树结构展开 单击布线层 RoutingLayers 规则 顶层和底层允许布线已被选中 如图59所示 走线方式的设置 单击布线层 RoutingTopology 规则 界面如图60所示 在此将双面印制板顶层设置为水平走线方式 Horizontal 使用同样的方法将双面印制板底层设置为垂直走线方式 Vertical 图58PCB规则和约束编辑对话框 图59查看布线层 图60走线方式设置 图61顶层设置为水平走线方式 图62底层设置为垂直走线方式 2 设置一般导线宽度 所谓一般导线是指流过的电流较小的信号线 单击 DesignRules 中的布线宽度 Width 类 显示布线宽度的约束特性和范围 如图63所示 这个规则应用到整个电路板 将一般导线宽度设定为10mil 在修改最小尺寸前应先设置最大尺寸 3 设置电源线的宽度 所谓电源线是指电源线 VCC 和地线 GND 这里设定电源线的宽度为20mil 具体步骤是 增加新规则 右击 Width 在弹出的菜单中选中 NewRule 命令 在 Width 中添加一个名为 Width 1 的规则 设置电源布线宽度 单击 With 1 在对话框的顶部名称栏里输入网络名称 Power 在底部的宽度约束特性中 将宽度改为 20mil 在 WheretheFirstobjectmatches 中选中Net 在其下拉菜单中选中VCC 如图66所示 同理设置新的规则 然后设置地线的布线宽度 如图66所示 4 设置优先权 单击 Width 点击左下角的优先权按钮 重排优先权 把电源线排在第一优先位 地线次之 其它线最后 如图68和图69所示 其他布线规则采用默认设值 图63设置一般导线的线宽 图64新增布线宽度规则 图65打开新增的布线规则 图66设置电源的布线宽度 图67设置地线的布线宽度 图68设置优先权 图69重排优先权 自动布线 1 执行 AutoRoute All 命令 如果所选的是默认的双层电路板布线 则打击 RouteAll 按钮即可进入自动布线状态 如图70所示 图70选择自动布线 图71自动布线的效果 手工调整布线 自动布线主要是实现电气网络间的连接 很少考虑到特殊的电气 物理和散热要求 因此需要手工调整 对不合理的布线采取先拆线 后手工布线的方法 1 拆线功能 执行 Tools Un Route 命令 打开拆线功能菜单 进行以下情况的拆线 All 拆除全部布线 Net 拆除指定网络布线 Connection 拆除指定连接布线 Component 拆除指定元器件布线 2 手工布线 在默认的情况下 Protel2004会使导线走向垂直 水平或45 角 单击放置工具栏的放置导线按钮 光标变成十字形状 在要画线的位置单击鼠标左键 确定导线的第一个点 移动光标到合适位置点击成一段导线 同样方法画其它线段 1 执行 Tools Teardrops 命令 打开加不泪滴操作对话框 如图72所示 2 设置完成之后 单击 OK 按钮 即可进行补泪滴操作 加补泪滴 在导线与焊盘的连接处 通常添加有一泪滴状的过渡段 形象地称为加补泪滴 其主要作用是在钻孔的时候 避免在导线与焊盘的接触点因出现应力集中而使接触处断裂 加补泪滴的步骤为 图72打开补加泪滴的对话框 图73在补加泪滴的对话框中设定选项 图74补加泪滴后的效果 放置敷铜 放置敷铜是将电路板空白的地方用铜膜铺满 主要是提高电路板的抗干扰能力 通常与地相接 1 执行命令 Design Rules 打开 PCBRulesandConstraintsEditor 设计规则对话框 选择 PolygonConnectStyle 选项 设置有关参数 如图75所示 2 关闭对话框执行菜单命令 Place PolygonPour 打开如图76所示的对话框进行参数设置 先顶层接地敷铜 3 单击 OK 按钮 光标变成十字状 在电路板空余的空间绘制GND的闭合多边形 完成之后系统自动进行敷铜 其效果见图77 图75 PolygonConnectStyle 选项 图76打开 PolygonPour 设置对话框 图77在 PolygonPour 设置对话框中进行参数设置 图78在PCB的顶层进行接地敷铜 用同样的方法设置在底层上敷铜的参数 如图78所示 得到底层敷铜后的效果如图79所示 放置敷铜是将电路板空白的地方用铜膜铺满 主要是提高电路板的抗干扰能力 通常与地相接 图79设置在PCB的底层进行接地敷铜 图80PCB的底层接地敷铜的效果 图81打开3D视图 可用进行鼠标翻转 图82底层的3D视图 图83顶层的3D视图 网络的高亮检查 自动布线完成后 可通过PCB3D面板用高亮检查方法对各个网络进行查验 其操作方法为 1 执行 View Boardin3D 命令 PCB编辑器内的工作窗口变成3D仿真图形 打开左边的PCB3D控制面板 2 在面板的BrowseNets区 选择一个连线网络 然后按 HighLight 按键 在立体图中 相应的网络连线就会变色 可通过鼠标翻转PCB进行查验 如图85和图86所示 图84打开PCB3D控制面板 图85高亮3D显示所选连接网络 图86可翻转看底面的高亮连接网络 设计规则DRC检查 对布线完毕后的电路板进行DRC检验 可保证PCB完全符合设计者的要求 即所有的网络均正确连接 这一步对初学者非常重要 建议在完成PCB的布线后 千万不要遗漏这一步 DRC检验的具体步骤为 1 执行 Tools DesignRuleCheck 命令 即启动设计规则检查对话框 如图87所示 图87执行DRC检查命令 图88DRC设置对话框 图89选择在线检查或一并检查 在线检查 一并检查 图90在Messages中显示错误信息 图91在报告中也显示错误信息 图92在板图中有颜色显示错误信息 图93打开PCB规则和约束编辑对话框 图94把地线最小线宽改为10mil 图95板图中显示错误的颜色消失 图96重新进行DRC检查 图97Messages中没有错误信息 图98报告中没有问题 文件的打印输出 文件的打印输出可参考上一章节 PCB文档的打印及交付 多层电路板的设计 Protel2004系统除了顶层和底层之外 还提供30个信号布线层 16个电源地线层 能满足多层印制电路板设计需要 本节以四层电路板设计为例 介绍多层电路板的设计 四层电路板是在双面板的基础上增加电源层和地线层 其中电源层和地线层用一个覆铜层面连通 而不是铜膜线 四层电路板的设计方法和步骤和前面双面板的设计相类似 所不同的是在电路板层规划中必需增加两个内层 具体操作步骤为 1 在已双面布线的声控变频电