总发高职基于altium designer10的电子线路cad设计资源包02教案第4章pcb基础

1、第4章PCB 设计基础一、教学目标1.了解印制电路板的基本知识。2.熟悉 PCB 编辑器的设计环境及参数设置。3.掌握 PCB 的设计步骤和方法。二、分配本章共 8 节，安排 9。三、教学重点通过学习使学生了解印制电路板的基本知识以及熟悉 PCB 编辑器的设计环境及参数设置。四、教学难点1. 了解电路板的物理结构及参数设置。2. 了解元器件的布局。五、教学内容4.1 印制电路板设计基础4.1.1 印制电路板的结构（1）单层板单层板是一面敷铜，另一面没有敷铜的电路板。在设计时，一般将导线和焊盘放在敷铜的一面，而元器件则插在没有敷铜的一面。单层板成本低、不用打过孔，因此，常用于布线简单的 PCB

2、设计中，但由于只能单面布线，在复杂电路的设计上比双面板和多层板要一些。（2）双面板双面板包括顶层（Top Layer）和底层（Bottom Layer）两个信号层。两面都有敷铜，中间为绝缘层，因此板的两面都可以布线，两层之间的走线一般由过孔或焊盘连通。上将顶层设为元器件面，底层设为焊接面。相对于多层板，双面板成本低、布线容易，因此被广泛应用，是目前最常用的一种印制电路板。（2）多层板（3）多层板是包含了多个工作层面的电路板。它在双面板的基础上增加了电源层、接地层和多个中间信号层。各层之间的电气连接通过半盲孔、盲孔和过实现。随着电子产品越来越精密，多层板的应用也越来越广泛。但其主要缺点是制作成本

3、较高。4.1.2 元器件封装（1）元器件封装的分类根据元器件的不同，将封装分为分立元器件的封装和集成电路元器件的封装。（2）元器件封装的元器件封装的一般为：“元器件类型焊盘距离（或焊盘数）元器件外形尺寸”。根据元器件封装的可以判断元器件封装的规格。4.1.3 层印制板分为单层板、双层板、多层板的结构。Altium Designer 的“层”不是虚拟的，而是印制板材料本身实际存在的各铜箔层。由于电子线路的元器件安装、和布线等特殊要求，在一些较新的电子产品中，所用的印刷板不仅可以上、下两面走线，中间还存在夹层铜箔。例如，现在的计算机主板所用的印制板材料多在 4 层以上，这些层因加工相对较难，大多用

4、做走线较为简单的电源布线层，并常用大面积填充的办法来布线。处于上下位置的表面层与中间各层需要连通的地方常用过孔（Via）来连通。4.1.4 铜膜导线铜膜导线由一层铜膜组成，故又称为铜膜走线，简称导线。它是敷铜板经过腐蚀加工后在 PCB 上的走线，用于连接各焊盘和引脚，导通信号，是印制电路板最重要的部分。印制电路板的设计主要任务就是围绕如何布置导线来进行的。4.1.5 焊盘焊盘在 PCB 上起到信号连接导通的作用，选择元器件的焊盘类型要综合考虑该元器件的形状、大小、布置形式、振动、受热情况和受力方向等4.1.6 过孔。为连通各层之间的线路，在各层需要连通的导线交汇处钻一个公共孔，这就是过孔（Vi

5、a）。过孔有三种，即从顶层贯通到底层的式过孔、从顶层通到内层或从内层通到底层的盲过孔以及内层之间的隐藏过孔。一般而言，设计线路时对过孔的处理遵循以下原则。（1）尽量少用过孔，一旦选用了过孔，务必处理好它与周边各元器件的间隙，特别是容易被忽视的中间各层与过孔不相连的线或过孔的间隙。（2）载流量越大时，所需的过孔尺寸也越大，如电源层和地层与其他层连接所用的过孔就要大一些。4.1.7 各类膜膜（Mask）是 PCB 制作工艺和元器件焊接过程中必不可少的涂层材料。按膜所处的位置及其作用，膜可分为元器件面助焊膜和元器件面阻焊膜两类。其中，助焊膜是涂在焊盘上，提高可焊性能的一层膜；阻焊膜的情况正好相反，为

6、了使制成的板子适应波峰焊等焊接技术，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，用于这些部位上锡。可见，这两种膜是一种互补关系。4.1.8 丝印层为方便电路板的安装和维修，通常在印制板的上下两表面印刷所需要的标志图案和文字符号，如元器件标识、标称值、元器件外形轮廓、厂家标志、生产日期等，这就是丝印层（Silkscreen Tottom Overlay）。4.1.9 网格状填充区和填充区对要求比较高的印制电路板，通常要在 PCB 上敷铜。其敷铜方式有网格状填充和实心式填充两种。网络状填充区（External Plane）是把大面积的铜箔处理成网状，而填充区（Fill

7、）仅是完整保留铜箔。网络状填充区在电路性能上有较强的抑制高频干扰的作用，适用于大面积填充的地方，特别是把某些区域当作区、分割区或大电流的电源线时尤为合适。填充区多用于一般的导线端部或转折区等需要小面积填充的地方。4.1.10PCB 图的设计流程要设计出完整的 PCB 图,一般按照的流程进行。PCB 设计流程4.1.11PCB 设计的一般原则PCB 设计的一般原则包括：电路板的选用、电路板尺寸、元器件布局、布线、焊盘、填充、跨接线等。PCB 编辑器的界面菜单栏在 PCB 设计过程中，各项操作都可以使用菜单栏中相应的菜单命令来完成，各菜单项的具体作用如下。File（文件）菜单：主要用于文件的打开、

8、关闭、保存与打印等操作。Edit（编辑）菜单：用于对象的选取、粘贴与查找等编辑操作。View（视图 ）菜单：用于视图的各种管理，如工作窗口的放大与缩小，各种工具、面板、状态栏及节点的显示与隐藏等。Project（项目）菜单：用于与项目有关的，如项目文件的打开与关闭、工程项目的编译与比较等。Place（放置）菜单：包含了在 PCB 中放置对象的各种菜单项。Design（设计）菜单：用于添加或删除元器件库、导入网络报表、原理图与PCB 间的同步更新及印制电路板的定义等操作。Tools（工具）菜单：可为 PCB 设计提供各种工具，如 DRC 检查，元器件的手动和自动布局，PCB 图的密度分析以及信号

9、完整性分析等操作。Auto Route（自动布线）菜单：可进行与 PCB 布线相关的操作。Reports（）菜单：可进行生成 PCB 设计报表及 PCB 的测量操作。Window（窗口）菜单：可对窗口进行。Help（帮助）菜单：提供使用信息帮助。4.2.2（1)标准PCB 的标准，该大部分工具与原理图的标准相同，在此不再重述，只有以下 2 个按钮不同：按钮：放大显示过滤元器件。按钮：快速定位文件中的错误。标准（2）常用菜单项Filter（过滤器）菜单项：控制的打开与关闭，用于快速定位各种对象。Utilities（功能）菜单项：控制的打开与关闭。Wiring（布线）菜单项：控制布线的打开与关闭。

10、Navigation（导航）菜单项：控制导航的打开与关闭，通过这些按钮，可以实现不同界面之间的快速跳转。Customize（自定义）菜单项：用户自定义设置。4.3 电路板的物理结构及参数设置4.3.1 电路板物理边框的设置电路板的物理边界就是 PCB 的实际大小和形状，板形的设置是在工作层面Mechanical 1 上进行的，根据所设计的 PCB 在产品中的位置、空间的大小、形状以及与其他的配合来确定 PCB 的外形与尺寸。（1）执行【File】【Project】【PCB Project】菜单命令，新建一个项目文件。右击该项目文件，在快捷菜单上执行【Add New to Project】【PC

11、B】菜单命令，新建一个 PCB 文件，使之处于当前的工作窗口中，。新建一个 PCB 文件在当前窗口中，包含 6 个工作层面，具体如下：信号层和：主要用来建立用于电气连接的铜箔层。机械层：用于路板的印制材料层。丝印层：用于添加电路板的说明文字。布线层：用于设立布线框，支持系统的自动布局和自动布线功能。层：用于使用的信号板层。（2）单击工作窗口下方的，使该层面处于当前的工作窗口中。（3）执行【Place】【Line】菜单命令，光标将变成“形。将光标移到工作窗口的合适位置，单击鼠标左键即可进行线的放置操作，每单击左键一次就确定一个固定点。通常将板的形状定义为矩形。但在特殊的情况下，为了满足电路的某种

12、特殊要求，也可以将板形定义为圆形、椭圆形或者不规则的多边形。这些都可以通过 Place（放置）菜单来完成。（4）当绘制的线组成了一个封闭的边框时，即可结束边框的绘制。单击鼠标右键或者按下 Esc 键即可退出该操作，绘制结束后的 PCB 边框。绘制 PCB 边框（5）设置边框线属性。双击任一边框线，即可打开该线的编辑框，。为了确保 PCB 图中边框线为封闭状态，可以在此框中设置线的起始和结束点，使一根线的终点为下一根线的起点。下面介绍具体选项的含义。Track框Layer（图层）下拉列表：设置该线所在的工作层面。因此用户开始画线时可以不选择“Mechanical 1”，在此处进行工作层面的修改也

13、可达到步骤中同样的效果，只是这样需要对每条线进行设置，操作起来比较麻烦。Net（网络）下拉列表：设置边框线所在的网络。通常边框线不属于任何网络，即不存在任何的电气特性。Locked（锁定）复选框：选中该复选框时，边框线被锁定，无法对该线进行移动等操作。Keepout（板外对象）复选框：选中该复选框时，边框线属性为“Keepout”。具有该属性的对象被定义为板外对象，将不出现在系统生成的 Gerber 文件中。（6）最后单击 OK 按钮，完成边框线属性的编辑操作。4.3.2 电路板图纸的设置（1）通过 Board Options 命令进行设置（2）通过 PCB 模板进行设置4.3.3 电路板的层

14、面设置Altium Designer 10 提供了图层堆栈管理器来定义电路板的板层结构。执行【Design】【Layer Stack Manager】菜单命令，可打开“图层堆栈管理器”框。4.3.4 工作层面与颜色设置打开的 Board Layers and Colors框。该框有 6 个功能区，用来设置 PCB 各层是否显示和颜色选择。在每个功能区中有一个“Show”复选框，若勾选，则 PCB 编辑器的栏中将显示该层；单击“Color”下的颜色条，将弹出颜色框，可对 PCB 层的颜色进行编辑。在 System Colors 区域，除了可设置颜色外，还可选择显示飞线、VisibleGrid（可

15、视栅格）、PadHoles（焊盘孔）、ViaHoles（导孔）和 DRC 检测等。Board Layersand Colors框4.3.5PCB 布线框的设置（1）单击 Keep-Out Layer（布线层），使该层处于当前的工作窗口。（2）执行【Place】【Line】线菜单命令，此时，光标变成“形，移动光标到工作窗口，在布线层上创建一个封闭的多边形，。这里使用的“Keepout”布线与对象属性编辑框中的“Keepout”布线复选框的作用是相同的，即表示不属于板内的对象。PCB 布线框（3）完成布线框的设置后，单击鼠标右键或者按下 Esc 键，即可退出布线框的操作。布线框设置完毕，进行自动布

16、局操作时元器件自动导入到该布线框中。有关自动布局的内容将在后面的章节介绍。4.3.6Preferen（属性）设置在 Preferen（属性）框中，可以对一些与 PCB 编辑器相关的系统参数进行设置。设置后的系统参数将用于这个工程的设计环境，并不随 PCB 文件的改变而改变。执行【Tools】【Preferen】属性菜单命令，即可打开 Preferen框，选择 PCB Editor。该框中，需要设置的主要有 5 个设置项：General（常规）、Display（显示）、Show/Hide（显示/隐藏）、Defaults（默认）和 PCB 3D。Preferen（属性）框4.4 网络表的编辑和导入

17、4.4.1 设置同步比较规则在 PCB 编辑器，执行【Project】【Project Options】菜单命令，进入 Optionsfor PCB Project.(可供选择的电路板项目.)框。选择 Comparator（比较），在该选项卡中可以对同步比较规则进行设置，。同步器的主要作用是完成原理图与 PCB 图之间的同步更新，即可以完成任何两个文件之间的同步更新，可以是两个 PCB 文件之间，网络表文件和 PCB 文件之间，也可以是两个网络表文件之间的同步更新。同步比较器设置框4.4.2 导入网络表（1）打开第 3 章所设计的“防盗器.PrjPCB”项目文件，“防盗器电路.SchDoc”原

18、理图也随项目文件一起进入 Project 面板中，在“防盗器.PrjPCB”项目文件中新添加一个 PCB 文件，并命名为“防盗器电路.PcbDoc”，使之处于当前的工作窗口中。(2)在原理图编辑界面中，执行【Design】【Update PCB防盗器电路.PcbDoc】更新 PCB 文件菜单命令，系统将对原理图和 PCB 图的网络报表进行比较，并弹出一个 Engineering Change Order（工程变更顺序）框，。“工程变更顺序”框（3）单击按钮，系统将扫描所有的改变，看能否在 PCB 文件上执行所有的改变。若能执行，所对应的 Check（检查）栏中将显示标记。标记说明这些改变都是合

19、法的，标记说明此改变是不可执行的，需要返回到以前的步骤中进行修改，然后重新进行更新。（4）进行校验后单击按钮，系统将完成网络表的导入，同时在每一项的Done（完成）栏中显示标记，提示导入成功，。扫描设计改变及校验（5）单击按钮关闭该框，这时可以看到在 PCB 图布线框的右侧出现了导入的所有元器件的封装模型。在导入网络表时，原理图中的元器件并不直接导入到用户绘制的布线框中，而是位于布线框的外面。可通过自动布局操作，系统将自动将元器件放置在布线框内。当然，用户也可以手工拖动元器件到布线框内。4.4.3 原理图与 PCB 图的同步更新（1）打开上一节的“防盗器电路.PcbDoc”文件，使之处于当前的

20、工作窗口中。（2）执行【Design】【Update Schematics in 防盗器.PrjPCB】更新原理图菜单命令，系统将对原理图和 PCB 图的网络报表进行比较，并弹出一个框，显示比较结果并提示用户确认是否查看二者的区别。（3）单击 Yes 按钮，进入“查看比较结果”框。在该框中，可以查看详细的比较结果，了解二者的区别。（4）单击 Continue 按钮，系统将弹出一个比较结果窗口，。用户可以单击 Yes 按钮更新 PCB 图。单击No 按钮或Cancel 按钮关闭该框而不进行任何更新操作。比较更新结果（5）选择按钮之后，将弹出一个 Engineering Change Order（

21、工程变更顺序）框，先后单击按钮和按钮，系统将完成网络表的更新导入。PCB 元器件的布局自动布局约束参数自动布局的参数设计在 PCB Rules and Constras Editor（PCB 规则和约束编辑器）框中进行。在主菜单中，执行【Design】【Rules】菜单命令，打开PCB Rules and Constras Editor框，单击规则列表中的 Placement 布局，对其中的子规则逐项进行参数设置。4.5.2 元器件的自动布局（1）在已经导入了网络表和元器件封装的“防盗器.PcbDoc”PCB 编辑器内，。通过后面步骤设定好自动布局参数。导入的网络表和元器件封装（2）在 Kee

22、p-Out Layer（布线层）设置布线框。（3）执行【Tools】【Component Placement】【AutoPlace.】自动布局菜单命令，系统弹出的 Auto Place（自动布局）框。“自动布局”框自动布局有两种方式：Clustlacer（成组布局）方式和 Sistical Placer（统计布局）方式。4.5.3 推挤式自动布局（1）在进行推挤式布局前，首先要设定推挤式布局的深度参数。执行【Tools】【Component Placement】【Set Shove Depth.】设置推挤深度菜单命令，即可打开 Shove Depth（推挤深度）框，。设置完成后单击按钮关闭该框

23、。推挤深度框（2）执行【Tools】【Component Placement】【Shove】推挤菜单命令，即可开始推挤式布局操作。这时光标会变成“形，选择基准元器件，移动光标到所选元件上，然后单击鼠标左键，系统将根据用户设置的 Shove Depth 推挤基准元器件周围的元器件，使之处于安全间距之外。（3）此时光标仍处于激活状态，单击其他的元件可继续进行推挤式布局操作。（4）单击鼠标右键或者按下 Esc 键，退出推挤式布局操作。此外，对于元器件数目比较少的 PCB，无须对元器件进行推挤式自动布局操作。4.5.4 导入自动布局文件进行布局对元器件的布局还可以采用导入自动布局文件来完成，其实质是导

24、入自动布局策略。执行【Tools】【Component Placement】【Place From File】导入布局文件菜单命令，弹出的框，从中选择自动布局文件（后缀为 PIK），然后单击按钮，即可导入此文件进入自动布局。导入自动布局文件动布局框4.5.5 元器件元器件动布局是指手动调整元器件的位置。在元器件自动布局时，虽然设置了自动布局的参数，但是只是对元件进行初步的设置，自动布局后元件的摆放并不整齐，走线的长度也不是最短，PCB 布线效果也不够完美，因此需要对元器件的布局进一步调整。在 PCB 上，可以通过对元器件的移动来完成手动布局的操作，但是单纯动移动不够精确，不能非常整齐地放置元件

25、。为此 PCB 编辑器提供了专门动布局操作，可以通过 Edit 菜单下 Align 子菜单中令来完成，。Align 子菜单PCB 布线设置 PCB 自动布线规则Altium Designer 10 在 PCB 编辑器中，为用户提供了 10 大类 49 种设计规则，包括元器件的电气特性、走线宽度、走线拓扑布局、表贴焊盘、阻焊层、电源层、测试点、电路板制作、元器件布局、信号完整性等设计过程中的方方面面。在进行自动布线之前，用户首先应对自动布线规则进行详细的设置。执行【Design】【Rules】规则菜单命令，即可打开 PCB Rules and ConstrasEditor（印制电路板的规则和约束

26、编辑器）框，。“印制电路板的规则和约束编辑器”框1.Electrical（电气类）规则该类规则主要用于 DRC 电气校验。当布线过程中电气特性规则时，DRC 校验器将自动提示用户。该类规则包括 4 种设计规则。单击“Electrical”电气选项，框右侧将只显示该类的设计规则，如图 4-50 所示。2.Clearance（安全间距）规则安全间距规则是设置具有电气特性对象之间间距的规则，。在 PCB 上，具有电气特性的对象包括导线、焊盘、过孔和铜箔填充区等，在规则设置时可以选择规则的对象和具体的间距值，对象可以是导线与导线之间、导线与焊盘之间、焊盘与焊盘之间。Clearance 安全间距规则3.

27、Width（走线宽度限制）栏框走线宽度限制栏的布线宽度分为 Max Width（最大线宽）、Min Width（最小线宽）和 Preferred Width（首选线宽）3 种，主要是为了方便修改布线宽度。选中 Characteristic Impedance Driven Width 复选框时，将显示其阻抗驱动属性：pedance（最大阻抗）、Min Impedance（最小阻抗）和 Preferred Impedance（首选阻抗）。4.Routing Topology（走线拓扑布局）规则走线拓扑布局规则用来选择走线的拓扑，。在设置该项规则时，可以设置一个网络中走线采用的拓扑。走线拓扑布局规

28、则5.Routing Priority（走线优先级）规则走线优先级规则用来设置布线优先级，。在该框中，可以设置每一个网络走线的优先级。在 PCB 上空间有限，通过设置走线的优先级可以决定导线占用空间的先后。设置规则时可以针对单个网络设置优先级。Altium Designer1 10提供了 0100 共 101 种优先级选择，其中“0”表示优先级最低，“100”表示优先级最高，默认的布线优先级规则为所有网络的优先级为“0”。走线优先级规则6.Routing Layers（板层布线）规则板层布线规则主要设置允许该布线规则的层，。板层布线规则框7.Routing Corners（导线拐角）规则导线拐

29、角规则用于对导线拐角形式进行设置，。PCB 上有 3 种拐角方式，通常情况下会采用 45的拐角形式。设置规则时可以针对每个连接、每个网络或整个 PCB 定义拐角形式。导线拐角规则8.Routing Via Style（布线过孔）规则布线过孔规则用于设置走线时采用的过孔的尺寸参数，。过孔直径和过孔孔径都有 3 种定义方式um（最大尺寸）um（最小尺寸）和 Preferred（首选尺寸）。默认的过孔直径为 50mil，过孔孔径为 28mil。在 PCB 的编辑过程中，可以根据不同的元器件设置不同的过孔大小，过孔尺寸应参考元件引脚的实际粗细来进行设置。布线过孔规则9.Fanoontrol（走线扇出控

30、制）规则走线扇出控制规则用于对走线时使用的扇出输出形式进行设置，。在设置规则时，可以针对每一个引脚、每一个元件或整个 PCB 设置扇出输出形式。走线扇出控制规则10.Differential Pairs Routing（布线对设计规则）布线对设计规则用来设置走线对的形式，。布线对设计规则4.6.2 设置 PCB 自动布线策略（1）执行【Auto Route】【Setup】建立菜单命令，即可打开的 SitusRouting Strategies（布线策略）框，在该框中可以设置 PCB 的自动布线策略。“布线策略”框所谓布线策略，是指在进行 PCB 的自动布线时所采取的方法，如探索式布线、迷宫式布

31、线、推挤式拓扑布线等。自动布线的布通率依赖于良好的布局。框中列出了默认的 5 种自动布线策略，对默认的布线策略不可以进行编辑和删除操作。Cleanup：清除策略。Default 2 Layer Board：默认的双面板布线策略。Default 2 Layer With Edge Connectors：默认的具有边缘连接器的双面布线策略。Default Multi layer Board：默认的多层板布线策略。Via Miser:在多层板中尽量减少过孔使用的策略。（2）选中 Lock All Preroutes 复选框后，所有先前的布线将被锁定，重新自动布线时将不改变这部分的布线。（3）单击 A

32、dd 按钮，系统将弹出的框，在该框中可以添加新的布线策略。添加新布线策略框（4）在 StrategyName 文本框中填写新建布线策略的名称，在 StrategyDescription 文本框中填写对该布线策略的描述。在这个文本框的下面可以拖动滑块改变此布线策略允许的过孔数目，过孔数目越多自动布线越快。（5）选中左边的 PCB 布线策略列表中的一项，然后单击按钮，此布线策略将被添加到右侧当前的 PCB 布线策略列表中，被作为新创建的布线策略中的一项。如果想要删除右栏中的某一项，单击选中该项后，单击按钮即可删除。单击按钮或按钮可以改变各个布线策略的优先级，位于最上方的布线策略优先级最高。在 Al

33、tium Designer 10 布线策略列表中，主要有以下几种布线方式。Adjacent Memory：表示 U 形走线的布线方式，采用这种布线方式时，自动布线器对相邻的元器件引脚采用U 形走线方式。Clean Pad Entries：表示清除焊盘冗余走线的布线方式，采用这种布线方式可以优化 PCB 的自动布线，清除焊盘上多余的走线。Completion：表示竞争推挤式拓扑的布线方式，采用该布线方式时，布线器对布线完全进行推挤操作，以避开不在同一网络中的过孔和焊盘。Fan out Signal：扇出布线方式，当表贴型元件的布线不同的工作层面时，采用该布线方式可以先从该元件的焊盘引出一段导线，

34、然后通过过孔与其他的工作层面连接。Fan out to Plane：表贴型元器件焊盘采用扇出形式连接到电源层和接地网络中。Globally Optimized Main：全局最优化拓扑布线方式。Hug：包围式布线方式，采用该布线方式时，自动布线器将采取环绕的布线方式。Layatterns：采用该布线方式将决定同一工作层面的布线是否采用布线拓扑结构进行自动布线。Main：主推挤式拓扑驱动布线，采用该布线方式时，自动布线器对布线主要进行推挤操作，以避开不在同一网络中的过孔和焊盘。Memory：启发式并行模式布线，采用该布线方式将对器元器件上的走线方式进行最佳的评估，对地址线和数据线一般采用有规律的并行走线方式。Multilayer Main：多层板拓扑驱动布线方式。Spread：采用这种布线方式时，自动布线器自动使位于两个焊盘之间的走线处于正中间的位置。Straighten：采用这种布线方式时，自动布线器布线时将尽量走直线。单击按钮，可以进行布线规则的设置。单击按钮，即可完成布线策略的设置。4.6.3 电路板自动布线（1）执行【Auto Route】【All.】菜单命令，