电子产品设计与制作项目教程-基于嘉立创EDA 课件 项目五 单片机最小系统板的设计与制作

五项目单片机最小系统板的设计与制作智能产品开发团队电子产品设计与制作项目教程——基于嘉立创EDA010302工作任务1认识元器件封装工作任务3利用向导完成STM32单片机器件绘制工作任务2电阻元件符号及封装绘制目录04工作任务4利用个人库绘制单片机最小系统板学习内容与学习目标素养目标1.培养电路设计的规范意识，确保符号与封装绘制符合行业标准2.提升系统思维，能统筹单片机最小系统各部分的关联与布局3.增强工具应用素养，熟练运用嘉立创EDA高效完成设计任务4.形成问题解决素养，在原理图与PCB绘制中能排查并处理技术问题主要学习和训练内容1.不同元件的封装分类以及不同封装的特点2.绘制电阻的符号以及封装3.通过嘉立创EDA向导完成单片机符号以及封装绘制4.单片机最小系统板原理图和PCB的绘制知识目标1.掌握元件封装的分类标准及各类封装的核心特点2.掌握电阻符号绘制规范、封装绘制要素及符号与封装的对应逻辑3.掌握嘉立创EDA绘制单片机符号的规范、封装设计要点及绘制流程4.掌握单片机最小系统组成，并进一步掌握原理图绘制规范、PCB布局布线原则及原理图到PCB的转化流程能力目标1.能正确分类元件封装，并依据其特点在电路设计过程中选用合适封装2.能按规范绘制电阻符号与封装，清晰梳理两者对应关系3.能运用嘉立创EDA向导，按规范完成单片机符号及封装绘制4.能设计单片机最小系统原理图与PCB，遵循布局布线原则并完成转化工作任务1认识元器件封装01工作任务1认识元器件封装任务描述封装是元器件在PCB上的物理体现,是连接原理图符号与实物之间的桥梁。本任务要求通过实物观察、卡尺测量、数据手册查阅与嘉立创EDA封装库调用对比等方法,直观认知单片机最小系统板中核心元器件的常见封装类型,并记录关键数据,建立正确的封装概念。知识链接1.元件封装和封装技术元件封装(Footprint)或称为元件外形名称,是电子元件在电路板上的物理结构,即元件的外形和引脚布局。元件封装起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用。同时,通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接,从而实现内部芯片与外部电路的连接。图1芯片封装效果图知识链接1.元件封装和封装技术封装技术的好坏还直接影响到元件自身性能的发挥和与之连接的PCB的设计和制造,因此它是至关重要的。衡量一个元件封装技术先进与否的重要指标是元件面积与封装面积之比,这个比值越接近1∶1越好。封装时主要考虑的因素:(1)为提高封装效率,元件面积与封装面积之比尽量接近1∶1;(2)引脚要尽量短以减少延迟,也能降低寄生参数;(3)引脚间的距离尽量远,以保证互不干扰,提高性能;(4)基于散热的要求,封装越薄越好。知识链接2.元器件封装类型元件的封装类型繁多,主要分为通孔插装元件(THT)和表面贴装器件(SMD)两大类。封装技术的发展历程可概括如下:结构方面:TO→DIP→PLCC→QFP→BGA→CSP;材料方面:金属、陶瓷→陶瓷、塑料→塑料;引脚形状:长引线直插→短引线/无引线贴装→球状凸点;装配方式:通孔插装→表面组装→直接安装知识链接2.元器件封装类型第一种:TO(TransisitorOutline)封装最早的封装类型,TO代表的是晶体管外壳,TO封装现在仍然是常用的封装。图2TO封装晶体管还有贴片的SOT类型,SOT-23是常用的三极管封装形式。图3SOT-23封装知识链接2.元器件封装类型第二种:DIP(DoubleIn-linePackage)封装

DIP,即双列直插式封装,早期的51单片机经常用的就是这类封装。这类封装的芯片面积大,非常好焊接,适合初学者使用。图4DIP封装知识链接2.元器件封装类型第三种:SOP(SmallOutlinePackage)封装

SOP,即小外形封装,基本采用塑料封装。引脚从封装两侧引出呈L字形。SOP封装在封装芯片的周围做出很多引脚,封装操作方便,可靠性比较高,是目前的主流封装方式之一。图5SOP封装知识链接2.元器件封装类型第四种:QFP(QuadFlatPackage)封装

QFP,即小型方块平面封装,。该封装的显著特点是在芯片四周布置海鸥翼(L)型的引脚,并从四个侧面引出。这种独特的引脚布局使得QFP封装在外观上非常容易识别。在QFP的基础上发展起来的还有TQFP(ThinQuadFlatPackage)封装、PQFP(PlasticQuadFlatPackage)封装、TSOP(ThinSmallOutlinePackage)封装等等。图6QFP封装知识链接2.元器件封装类型第五种:PLCC(PlasticLeadedChipCarrier)封装

PLCC,即塑料有引线芯片载体,封装采用正方形外形,四周均匀分布有J形引脚,其外形尺寸相较于DIP封装显著减小。该封装适用于SMT表面贴装技术,可高密度地实现在PCB上的安装与布线,具有尺寸小、可靠性高的优点。与QFP封装的海鸥翼形外侧引脚不同,PLCC的引脚向内弯曲呈钩状,机械强度更高,更不易发生变形。图7PLCC封装知识链接2.元器件封装类型第六种:BGA(BallGridArrayPackage)封装

BGA,即球栅阵列封装,如图5-8所示,与TSOP封装相比,具有体积更小,散热性更好和电性能更优的特点。该封装技术显著提高了单位面积内的存储容量——在相同容量下,BGA封装的内存体积仅为TSOP封装的三分之一。此外,BGA还提供了更为高效的热管理途径。不过,BGA封装的焊接难度也远高于传统TSOP封装方式图8BGA封装知识链接2.元器件封装类型第七种:CSP(ChipScalePackage)封装

CSP封装是一种先进的芯片封装技术,其芯片面积与封装面积之比超过1∶1.14,几乎达到了理想的1∶1状态,被业界评为单芯片封装的最高实现形式。

CSP衍生出的封装有CSPBGA(球栅阵列)、LFCSP(引脚架构)、LGA(栅格阵列)、WLCSP(晶圆级)等。图9CSPBGA封装工作任务1认识元器件封装任务实施步骤1:实物观察与感知步骤2:关键参数测量步骤3:数据手册查阅与验证步骤4:嘉立创EDA封装库调用与比对步骤5:归纳总结与错误案例分析备注：具体操作步骤及内容请参考教材任务实施部分工作任务2电阻元件符号及封装绘制02工作任务2电阻元件符号及封装绘制任务描述本任务要求遵循电子元件符号绘制规范与封装设计规范,以电路设计中最基础的0603贴片电阻为对象,独立创建该电阻的原理图符号及其对应的PCB封装,并加入到个人元件库中。知识链接1.嘉立创EDA器件库介绍嘉立创EDA专业版创建器件的逻辑顺序为:器件=符号+封装+3D模型。在此前项目中均采用嘉立创EDA内置器件库中丰富的元件资源来进行原理图和PCB的设计。虽然嘉立创EDA提供了非常丰富的元件库,但掌握元器件符号与封装的绘制技能,仍是电子工程师的核心素养。符号是元器件在原理图上的表现形式,它表示了器件的管脚及信号定义,元器件的符号不反应器件的实际大小以及管脚排列方式。元器件封装是用于绘制PCB的,它表示了器件的尺寸结构、安装方式、管脚排列方式等。元器件的封装反映出元器件在PCB中的实际形状和大小。3D模型一般用专业的3D软件创建,然后导入到嘉立创EDA即可,本教材中不讲解3D模型的创建,请读者自行学习。符号、封装和3D模型都创建好后,还需要将它们绑定起来,从而形成一个可以用于设计的器件。知识链接2.常见位号标注符号封装位号标注符号作为电子设计的标准化标识体系,意义主要体现在三方面:

首先,构建元器件“身份系统”——以标准化字母前缀(如R、C、U)按国际标准划分元件类型,搭配数字序号确保同一电路中元件的唯一性,形成清晰的类别与个体标识。其次,充当跨环节“数据纽带”——在原理图中关联符号与参数,在PCB布局中指引装配位置,在BOM中匹配型号与位置,保障从设计到制造全流程的一致性。最后,作为工程实践“效率工具”——助力快速定位故障元件以缩短调试维修周期,在复杂场景中通过位号追溯对应关系,同时降低团队协作成本,是电子工程标准化运作的重要基石知识链接3.常见贴片电阻封装尺寸在选用器件的封装时,首先就要根据电性能选择合适的封装,每种元件也会因为不同封装可以承受的电压等级、功率等级不同。贴片电阻的封装尺寸是标准的,常见的贴片电阻封装有9种,一般用尺码来表示,一种尺寸代码是由4位数字表示的代码,前两位和后两位分别表示电阻的长与宽,以英寸(inch)为单位,如我们常说的0603表示的就是长为0.06inch,宽为0.03inch。英制(inch)公制(mm)长(L)(mm)宽(W)(mm)高(t)(mm)焊盘长(mm)焊盘宽(mm)020106030.60±0.050.30±0.050.23±0.050.10±0.050.15±0.05040210051.00±0.100.50±0.100.30±0.100.20±0.100.25±0.10060316081.60±0.150.80±0.150.40±0.100.30±0.200.30±0.20080520122.00±0.201.25±0.150.50±0.100.40±0.200.40±0.20120632163.20±0.201.60±0.150.55±0.100.50±0.200.50±0.20121032253.20±0.202.50±0.200.55±0.100.50±0.200.50±0.20181248324.50±0.203.20±0.200.55±0.100.50±0.200.50±0.20201050255.00±0.202.50±0.200.55±0.100.60±0.200.60±0.20251264326.40±0.203.20±0.200.55±0.100.60±0.200.60±0.20表1常见贴片电阻封装尺寸工作任务2电阻元件符号及封装绘制任务实施步骤1:新建元件库步骤2:新建R_0603电阻符号步骤3:新建R_0603电阻封装步骤4:关联电阻符号和封装备注：具体操作步骤及内容请参考教材任务实施部分工作任务3利用向导完成STM32单片机器件绘制03工作任务3利用向导完成STM32单片机器件绘制任务描述本任务要求从STM32单片机数据手册(Datasheet)中提取关键元件参数信息,利用嘉立创EDA向导功能高效、准确地创建STM32G030K6T6器件的原理图元件符号与封装。知识链接

STM32G030K6T6是意法半导体推出的一款高性能单片机,基于ArmCortex-M0+32位RISC内核构建,工作频率高达64MHz。该芯片集成度高,广泛应用于消费电子、工业控制和家电领域,且可满足各种物联网(IoT)解决方案的需求。工作环境温度范围为-40~85℃,供电电压范围为2.0~3.6V。优化的动态功耗与全面的省电模式相结合,使其能够高效支持低功耗应用设计。该系列单片机提供从8至48引脚等多种封装选项供设计者选用。知识链接创建STM32G030K6T6器件的原理图元件符号与封装

STM32G030K6T6是意法半导体推出的一款高性能单片机,基于ArmCortex-M0+32位RISC内核构建,工作频率高达64MHz。该芯片集成度高,广泛应用于消费电子、工业控制和家电领域,且可满足各种物联网(IoT)解决方案的需求。工作环境温度范围为-40~85℃,供电电压范围为2.0~3.6V。优化的动态功耗与全面的省电模式相结合,使其能够高效支持低功耗应用设计。该系列单片机提供从8至48引脚等多种封装选项供设计者选用。知识链接创建STM32G030K6T6器件的原理图元件符号与封装

STM32G030K6T6采用LQFP32封装,有32个引脚。图10STM32G030K6T6焊盘尺寸图图11STM32G030K6T6引脚定义工作任务3利用向导完成STM32单片机器件绘制任务实施步骤1:向导完成STM32G030K6T6单片机符号步骤2:向导完成STM32G030K6T6单片机封装备注：具体操作步骤及内容请参考教材任务实施部分工作任务4利用个人库绘制单片机最小系统板04工作任务4利用个人库绘制单片机最小系统板任务描述本任务要求使用在工作任务2和工作任务3中自主创建的个人元件库(R_0603、STM32G030K6T6),在嘉立创EDA中完整绘制STM32单片机最小系统板的原理图和PCB,并进行PCB和SMT下单,最后在面包板上完成最小系统板基本输入输出功能的验证测试。知识链接1.单片机最小系统单片机最小系统是指能使单片机正常工作所必需的最基本电路组成,是任何STM32应用项目的硬件基石。它通常包含以下四个核心模块:(1)电源电路

(2)复位电路

(3)时钟电路

(4)程序下载与调试接口知识链接2.最小系统板PCB布局的核心原则2.最小系统板PCB布局的核心原则布局决定了最小系统板电路的性能和抗干扰能力,应遵循以下优先级顺序:(1)核心优先:首先放置主控芯片STM32,将其放置在板框中心或略偏位置。

(2)“时钟优先,信号流”原则:放置好主控芯片后,紧接着放置晶振,且必须靠近芯片的对应时钟引脚,走线最短,并包地处理。其他元件按信号流向依次放置,形成清晰、流畅的路径。

(3)模块化布局:将功能相关的元件(如复位电