第九讲第六章protel印制电路板(PCB)设计基础资料

1、第九讲第六章protel印制电路板(PCB)设计基础资料第九讲-第六章-protel印制电路板(PCB)设计基础资料主要内容o概述oPCB管理器界面o主要绘图工具o元件库加载和元件放置6.1 概述o印制电路板PCB，英文全称Printing Circuit Board，缩写PCB。o在电子设备中，几乎所有的元器件都安装在大小不同的PCB板上。oPCB基板是由绝缘隔热、有一定韧性的材料制成，最后，表面电镀上一层铜箔。通过照相制版，蚀刻掉不需要的部分，留下的部分就成为电路板，上面的细小铜箔线就成为导线，从而构成元器件之间的连接线路。1 现实中的印制电路板电路2 Protel中画好的印制电路板6.2

2、 印制电路板o印制电路板的结构o有关印制电路板的一些基本概念1 印制电路板的结构o按导电层数来分，印制电路板可分为：n单层板；n双层板；n多层板。a. 单层板o单层板是仅一面有导电图形的印制板，适用于较简单的电路或元件分布密度不高的印制板，如一般的小型电气产品、小型家电产品电路等。b. 双层板o双层板的顶层和底层上都含有导电图形，两层间的电气连接由金属化过孔实现，适于对布线要求较高的复杂电路，如一般工控机电路、较复杂的电子产品、家电产品电路等。c.多层板o多层板由导电图形层和绝缘材料层交替黏合而成。导电图形层数超过2层，层间的电气连接由金属化过孔实现。多层板适用于含有超大规模集成电路、布线精度

3、要求很高、元件排布密集、电路板尺寸要求较小的电路系统，如电脑主板、内存条、显示卡等采用的都是48层板。典型的四层板结构o整个印制板主要包括顶层（Top Layer）、底层（Bottom Layer）和2个中间层（Mid Layer）等，导电层之间由绝缘材料隔离。2 有关印制电路板的一些基本概念o板层(Layers)o焊盘（Pad）o过孔（Via）o元件封装（Footprint）o连线（Track）o网络（Net）和网络表（Netlist）o栅格（Grid）o飞线（预拉线）o金属镀敷层o非金属涂敷层a. 板层(Layers)o板层就是在Protel PCB中可分层显示的电路板层结构图。o1. 顶

4、层（Top Layer），也称元件层，主要用来放置元器件，对于双层板和多层板可以用来布线。o2. 中间层（Mid Layer），最多可以30层，在多层板中用于布信号线。o3. 底层（Bottom Layer），也称焊接层，主要用于布线及焊接，有时也可放置元器件。板层（续一）o4. 顶部丝印层（Top Overlayer），用于标注元器件的投影轮廓、元器件的标号、标称值或型号及各种注释字符。o5. 底部丝印层（Bottom Overlayer），与顶部丝印层作用相同。一般作为顶部丝印层的补充，或者底部放置有元器件时的标注与注释等。板层（续二）o6. 内部电源/接地层（Internal Plane

5、s），最多可有16层，主要用来布置电源线和接地线。o7. 机械层（Mechanical Layers），最多可有16层，主要用来标注电路板在制造或组合时所需的标记，如尺寸线、对齐标记、数据标记、螺丝孔、组合指示和其他电路板实体标示。板层（续三）o8. 助焊膜（Solder Mask），有顶部助焊膜（Top Solder Mask）和底部助焊膜（Bottom Solder Msak）两层，是Protel 99SE PCB 对应于电路板文件中的焊盘部分，代表电路板上不铺阻焊漆的区域，也就是可以进行焊接的部分。o9. 阻焊膜（Past Mask），有顶部阻焊膜(Top Past Mask)和底部阻焊

6、膜（Bottom Past Mask）两层，和助焊膜功能相反，板层上显示的焊盘以外部分代表电路板上不铺锡膏的区域，也就是不可以进行焊接的部分。是为了适应波峰焊的需要。板层（续四）o10. 禁止布线层（Keep Out Layer），用于定义板框，也就是限制布局、布线的合法区域。o11. 多层（Multi Layer），是一个抽象的层，主要放置焊盘、过孔等元件，通过焊盘和过孔可与各个导电层连接。o12. 钻孔板层（Drill），有钻孔指引板层(Drill Guide)和钻孔图板层（Drill drawing）两层。板层（续五）o13.显示用的板层，包括以下几种：n连接板层（Connections

7、），主要用于显示飞线；n错误板层（DRC Errors），主要用于显示电路板上违反DRC的检查标记；n焊盘板层（Pad Holes），主要用于显示焊盘通孔；n过孔板层（Via Holes），主要用于过孔通孔；n可视栅格点板层（Visible Grid1），主要用于显示可视栅格点；n可视栅格线板层（Visible Grid2），主要用于显示可视栅格线。b. 焊盘（Pad）o焊盘用于固定元器件引脚或引出线、测试线等，有圆形、长方形、八角形等多种形状。焊盘的尺寸有X方向尺寸、Y方向尺寸、钻孔孔径尺寸等。c. 过孔（Via）o过孔又称金属化孔，是在钻孔后的基材孔壁上淀积金属层以实现不同导电层之间的电气

8、连接。其参数主要有孔的外径和钻孔尺寸，形状只有圆形。o过孔有三种类型：n通孔-从顶层到底层穿透型；n埋孔-从顶层或底层到内层的埋入型；n盲孔-内层之间的看不见型。过孔类型d.元件封装（Footprint）o元件封装由元器件的投影轮廓、引脚或引线对应的焊盘、元件标号及注释字符（元件型号或标称值）等组成。e. 连线（Track）o连线指印制板上焊盘（或过孔）与焊盘（或过孔）之间起电气连接的铜箔导线。f. 网络（Net）和网络表（Netlist）o从一个元器件的某一引脚到其他引脚或其他元器件引脚的电气连接关系称作网络。每个网络均有唯一的网络名称，有的网络名是人为添加的，有的是计算机自动生成的。计算机

9、自动生成的网络名由该网络内两个连接点的引脚名称构成。o将一个完整电路设计的所有网络综合在一起，再加上对设计中所采用元器件的描述就构成网络表，它是原理图SCH和PCB设计之间的纽带。g. 栅格（Grid）o栅格用于PCB设计时的位置参考和光标定位。其中可视栅格（Visible Grid）是屏幕上显示的栅格间距，锁定栅格（Snap Grid）是光标移动的基本单位。o栅格的制式有英制（Imperial）和公制（Metric）两种。英制的单位是mil, mils为复数形式。英制和公制的换算关系如下：n1英寸（in） n1mm 40 milsn1mil 0.0254 mmh.飞线（又称预拉线）o自动布线

10、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器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，不断调整元器件的位置使这种交叉最少，以获取最大的自动布线的布通率。此外，还可以检查自动布线结束后存在哪些网络尚未布通，找出后手动修改。o飞线的第二层含义，连不通时作为在将来的印制板上用导线连通这些网络。i.金属镀敷层o敷铜板（Copper Clad Laminate）大量应用于PCB，或直接用于多层印制板的制作。金属箔的好处是易于和基材板贴合。j. 非金属涂敷层o除了需要焊锡的焊盘等部分外，PCB其余部分的表面有一层阻焊膜。阻焊膜大多数为绿色，少数黑色或蓝色等，其作用

11、是防止波峰焊时产生桥接现象，提高焊接质量和节约焊料等。另外一个作用，就是作为印制板的永久保护层，可起到防潮、耐腐、防霉与机械擦伤等作用。3.印制电路板的一般设计步骤o(1)前期工作。准备原理图电路，生成网络表文件；o(2)启动PCB设计界面和参数设置；o(3)规划电路板。电路板尺寸，层数；o(4)装入网络表。只有装入网络表后，才能进行自动布局和自动布线，并能在PCB设计过程中显示个元件之间的连接关系，也便于手工布局和布线；o(5)元件布局。定义板框并装入网络表后，就可以由系统自动装入元件。自动布局后如果不很满意，还可以手工调整。o(6)自动布线。自动布线前印设置好相关参数，主要是线型要求和间距

12、；o(7)复杂线路自动布线后，一般多少会存在个别未布通的或者不合理的现象，此时还需手工调整；o(8)文件保存和输出。便于机器制作和照相制版。4 印制电路板布局与布线的一般原则o布局一般原则o布线一般原则a. 布局一般原则o元器件尽量放置在一面，通常为元件面。分布均匀，排列紧凑，以缩短连线长度和降低引线电阻。o板上元器件应按信号走向逐个安排，以核心元件为中心，进行布局。o元器件在印制板上的重量应分布均匀，元器件不允许交叉和重叠放置。o过于笨重元件应考虑专用机架安装和固定。o发热元器件应放在便于通风之处，或单独放置，或加装散热元件。o对于辐射电磁波较强的元件，或者高度电磁敏感元器件，应加大间距或加

13、屏蔽罩，元件放置方向与相邻的印制导线要交叉。布局一般原则（续）o对于电位器、可变电容器、可调电感或微动开关等可调节元件布局，应考虑整机的结构要求。若机外调节，其位置设置应合理；若机内调节，应考虑便于调节的位置和方向。o元器件形状差不多大小的，为了整体美观，方向最好一致，间隔均匀整齐有序。o印制板边缘与元器件间距应不小于2 mm。o印制板的形状一般取矩形，长宽比3：2或4：3。o单板尺寸不要大于300 mm200 mm。o印制板上应留有固定支架、定位螺孔和连接插件的位置。b.布线一般原则o布线应首选单层板，其次是双层板，最后多层板。o布线力求路径短捷，以减少连接电阻。o公共地线一般应布置在印制板

14、最边缘，或螺钉安装孔处，便于与机架地相连。o印制板上应尽量多地保留铜箔做地线。o高低电平相差悬珠的信号线尽可能短一些，或间距大一些。o导线拐角处不要出现锐角，为圆弧或135角。布线一般原则（续）o输入输出导线尽量避免相邻或平行，最好加线间地线。两面导线方向错开交叉，避免相互影响。o模拟电路和数字电路的地线因分开布线以减少相互干扰。o高频电路中的导线避免相邻导线平行过长，或加大间距。o导线宽度应小于焊盘尺寸。o元件尺寸较大，布线密度较低时，适当加宽导线和相邻间距。6.3 PCB窗口管理器o1 启动PCB设计编辑器o2 PCB设计编辑器的界面管理o3 编辑器界面的缩放o4 PCB设计编辑器的参数设

15、置1 启动PCB设计编辑器o双击桌面上Protel 99 SE的图标，启动Protel 99 SE。执行File/Open命令，打开需要设计PCB图的项目设计数据库。o执行File/New命令，屏幕上弹出对话框。单击PCB设计文档PCB Document图标后单击OK，或双击PCB设计文档图标，就可建立PCB文件。用户可在文档图标上单击鼠标右键修改文件名。o在右边Documents窗口中双击PCB文档图标，就可进入PCB设计环境界面。创建PCB文档PCB设计编辑器管理界面 2 PCB设计编辑器的界面管理o在进行PCB设计过程中，往往需要对PCB设计编辑器的管理器、状态栏和工具栏进行打开和关闭的

16、切换操作。同时，为方便设计者进行编辑和调整PCB图，往往需要对编辑区进行缩放操作。a. 管理器的打开和关闭o执行菜单命令View/Design Manager，即可对管理器进行打开和关闭的切换。b. 状态栏的打开和关闭o执行View/Status Bar，即可对状态栏进行打开和关闭的切换。c. 工具栏的打开和关闭o工具栏主要包括：n主工具栏、n放置工具栏、n元件位置调整工具栏。（1）主工具栏的打开和关闭o执行菜单命令View/Toolbars/Main Toolbar，即可对主工具栏进行打开和关闭的切换。 主要图标功能 选择一块矩形区域为新窗口添加或删除元器件封装库全部已选图元显示在窗口封装库

17、元器件预览PCB3D效果显示光标移动栅格调整（2）放置工具栏o执行菜单命令View/Toolbars/Placement Tools，即可对放置工具栏进行打开和关闭的切换。 主要图标功能 交互式布线放置坐标值放置线段标注尺寸放置焊盘放置元件放置过孔放置填充块（3）元件位置调整工具栏o执行菜单命令View/Toolbars/Component Placement，即可对元件位置调整工具栏进行打开和关闭的切换。 元件位置调整工具栏 d. 工作层面切换o鼠标单击PCB设计编辑器窗口下部相应层面文字，即可切换到当前工作层面；或者在左边设计管理器窗口下部的当前层下拉菜单中选择。 编辑层面的切换标签 3

18、编辑器界面的缩放o在编辑和调整PCB图时，设计者可根据需要对编辑区进行缩放。o操作方法有三种：使用热键；执行菜单命令；点击主工具栏上的图标。a. 使用热键o当处于其他命令状态时，鼠标无法移出编辑区去执行其他命令，此时必须使用热键才能对编辑区进行缩放的操作。o放大，按PageUp键可放大编辑区的显示；o缩小，按PageDown键可缩小编辑区的显示；o刷新，当编辑区的显示出现杂点或变形时，可按End键来恢复正常的显示。b.执行菜单命令或点击相应图标o执行菜单命令View/Fit Document可将整个电路板文件显示在编辑区上，若板外有图件，也一并显示，点击主工具栏上的图标也可达到此目的；o执行菜

19、单命令View/Fit Board可将板框内的电路板文件显示在编辑区上，若板外有元件，则不显示；o执行菜单命令View/Area，然后在编辑区内用鼠标左键拖动一个矩形区域，即可放大显示所选区域，点击主工具栏上的图标也可达到此目的；o执行菜单命令Around Point，在编辑区内用鼠标左键单击中心点再拖动一个矩形区域，即可放大显示所选区域；执行菜单命令或点击相应图标（续）o在编辑区内用鼠标左键拖动一个矩形区域，然后执行菜单命令View/Selected Objects，即可放大显示所选区域中的对象群。点击主工具栏上的图标也可达到此目的；o执行菜单View/Zoom In或点击主工具栏上的图标可

20、将编辑区放大显示；o执行菜单命令View/Zoom Out或点击主工具栏上的图标可将编辑区缩小显示；o执行菜单命令View/Zoom Last可回到编辑区的上一次的显示；o执行菜单命令View/Pan可将当前光标位置定为编辑区的显示中心点。要实现此功能，可先移动光标到目的地，按V键后再按N键即可；o执行菜单命令View/Refresh可刷新屏幕。4 PCB设计编辑器的参数设置oPCB设计编辑器的参数设置包括工作层的管理和设置、板框的定义以及环境参数的设置等。a. 电路板工作层的管理o执行菜单命令Design/Layer Stack Manager后，系统弹出层管理器对话框。PCB层管理器 基本

21、操作o添加工作层：单击要添加的工作层位置后，再单击Add Layer按钮可添加信号层，而单击Add Plane按钮可添加内层电源/接地层。o删除工作层：单击要删除的工作层后，按Delete按钮可删除不需要的工作层。o调整中间的工作层位置：当需要调整某中间工作层的位置时，可先单击该工作层，然后根据需要单击Move Up按钮或Move Down按钮。基本操作（续）o编辑工作层：当某工作层的层名或厚度需要修改时，可先单击该工作层，然后单击Properties按钮，在弹出的工作层属性对话框中进行修改。o添加绝缘层：当选择Top Dielectric复选框时，可在顶层添加绝缘层；当选中Bottom Di

22、electric复选框时，可在底层添加绝缘层。通过多层板样例选取o在层管理器空白处单击鼠标右键，从弹出的Exle Layer Stack的子菜单中可以直接选取所需的多层板。b. 工作层的设置o（1）工作层的设置o（2）参数的设置Layer选项卡（1）工作层的设置 o执行菜单命令Design/Options后，系统弹出Document Options对话框。o单击Layers选项卡可进入工作层设置对话框：n将需要打开的工作层相应的复选框选中；n单击All On (或All Off)按钮，则将所有工作层打开（或关闭）；n单击Used On按钮，则打开设计者已使用的层面。（2）参数的设置o单击Opt

23、ions选项卡，系统进入Options设置对话框。o主要有：格点设置和电气栅格设置。Options选项卡格点设置（Grids）oSnap X(Y)用于设置在X(Y)方向上每次移动光标的最小间距，该功能项的快捷键是CtrlG。oComponent X(Y)用于设置在X (Y)方向上每次移动元件的最小间距。电气栅格设置（Electrical Grid）oRange用于设置系统自动捕捉焊盘的捕捉半径。在布置导线时，系统会以当前光标为中心，以Range设置值为半径，一旦捕捉到焊盘，光标自动移动到该焊盘上。oVisible Kind用于设置显示格点的类型，系统提供了线状（Lines）和点状（Dots）两

24、种格点类型。oMeasurement Unit用于设置系统的度量单位，系统提供了英制（Imperial）和公制（Metric）两种度量单位，系统默认的是英制单位。c. 系统参数设置o系统参数（Preferences）包括光标显示、板层颜色、系统默认设置、PCB设置等。o执行菜单命令Tools/Preferences后。系统弹出Preferences设置对话框，它包括：Options、Display、Colors、Show/Hide、Defaults、Signal Integrity 6个选项卡，我们仅介绍前5个选项卡的设置。Options选项卡Options选项卡的设置o点击Options标签

25、可进入Options选项卡，它的设置包括Editing、Autopan、Undo/Redo、Draw Order等功能。Editing区o用于设置编辑操作时的一些特性。oOnline DRC：在布线过程中，系统自动根据设定的设计规则进行检查；oSnap To Center：当设计者在移动元件或字符串时，光标自动移到元件或字符串的参考点上。系统默认选中此项；oExtend Selection：在选取当前电路组件时，系统不会取消原来选取的组件。系统默认选中此项；oRemove Duplicates：系统自动删除重复的组件。系统默认选中此项；oConfirm Global Edit：当进行整体修改时

26、，会出现整体修改结果提示对话框。系统默认选中此项；oProtect Locked Objects：将无法移动当前进入锁定状态的对象。Autopan区：o用于设置自动移动功能。oStyle：用于设置自动移动模式，系统提供了7种移动模式，其中系统默认的是Fixed Size Jump模式。在该模式下，当光标移动到编辑区的边缘时，系统将以Step项的设定值为移动量向未显示的部分移动；当按下Shift键后，系统将以Shift Step项的设定值为移动量向未显示的部分移动；oStep Size：编辑框用于设置单步移动的距离；oShift Step Size：编辑框用于设置按下Shift键时，每步移动的距

27、离。Autopan区（续）oStyle其它几种主要模式为：nAdaptive：自适应模式，系统根据当前图形的位置自动选择移动方式；nDisable：取消移动功能；nRe-Center：当光标移动到编辑区边缘时，系统自动将其设置为新的编辑区中心；nBallistic：当光标移动到编辑区边缘时，越往边缘移动速度越快。Polygon Repour区o用于设置交互布线中的避免障碍和推挤布线方式。若Repour编辑框中选为Always，则可在已敷铜的PCB中修改走线，敷铜会自动重铺。Other区oRotation Step：用于设置组件的旋转角度，即在放置或移动组件时，每按一次空格键组件的旋转角度。系统

28、默认值为90；oUndo/Redo：用于设置撤销操作或重复操作的次数；oCursor Type：用于设置光标的类型，有三种可选。Interactive Routing区oMode：用于设置交互布线模式，共3种。分别是Ignore Obstacle（忽略障碍）、Avoid Obstacle（避开障碍）、Push Obstacle（推挤障碍）；oPlow Through Polygons：在多边形填充域敷铜区布线；oAutomatically Remove Loops：在绘制一条导线后，若系统发现存在另一条回路，则自动删除原来的回路。Component Drag区oMode：用于设置组件的移动模式，有两种方式供选择。nNone，在移动组件时，不牵拉与组件相连的导线；n选中Connected Tracks，在移动组件时，牵拉与组件相连的导线。Disp