PCB电路设计原理与概念

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1、PCB电路设计本章介绍印刷电路板 (PCB 板 ) 设计的一些基本概念，如电路板、导线、元件封装、多层板等，并介绍印刷电路板的设计方法和步骤。通过这一章的学习，使读者能够完整地掌握电路板设计的全部过程。 5.1 PCB 电路 板的基本概念 5.1.1 P CB 电路板的概念 在学习 PCB 电路板设计之前，首先要了解一些基本的概念，对 PCB 电路板有一些了解。 一般所谓的 PCB 电路板有 Single Layer PCB （单面板）、 Double Layer PCB （双面板）。 四层板、多层板等。 单面板是一种单面敷铜，因此只能利用它敷了铜的一面设计电路导线和元件的焊接。 双面板是包括

2、 Top （顶层）和 Bottom （底层）的双面都敷有铜的电路板，双面都可以布线焊接，中间为一层绝缘层，为常用的一种电路板。 如果在双面板的顶层和底层之间加上别的层，即构成了多层板，比如放置两个电源板层构成的四层板，这就是多层板。 通常的 PCB 板，包括顶层、底层和中间层，层与层之间是绝缘层，用于隔离布线层。它的材料要求耐热性和绝缘性好。早期的电路板多使用电木为材料，而现在多使用玻璃纤维为主。 在 PCB 电路板布上铜膜导线后，还要在顶层和底层上印刷一层 Solder Mask （防焊层），它是一种特殊的化学物质，通常为绿色。该层不粘焊锡，防止在焊接时相邻焊接点的多余焊锡短路。防焊层将铜膜

3、导线覆盖住，防铜膜过快在空气中氧化，但是在焊点处留出位置，并不覆盖焊点。 对于双面板或者多层板，防焊层分为顶面防焊层和底面防焊层两种。 电路板制作最后阶段，一般要在防焊层之上印上一些文字符号，比如元件名称、元件符号、元件管脚和版权等，方便以后的电路焊接和查错等。这一层为 Silkscreen Overlay （丝印层）。多层板的防焊层分 Top Overlay （顶面丝印层）和 Bottom Overlay （底面丝印层）。 5.1.2 多层板概念 般的电路系统设计用双面板和四层板即可满足设计需要，只是在较高级电路设计中，或者有特殊需要，比如对抗高频干扰要求很高情况下才使用六层及六层以上的多层

4、板。多层板制作时是一层一层压合的，所以层数越多，无论设计或制作过程都将更复杂，设计时间与成本都将大大提高。 如果在 PCB 电路板的顶层和底层之间加上别的层，即构成了多层板，比如放置两个电源板层构成多层板。 多层板的 Mid-Layer （中间层）和 Internal Plane （内层）是不相同的两个概念，中间层是用于布线的中间板层，该层均布的是导线，而内层主要用于做电源层或者地线层，由大块的铜膜所构成，其结构如图 5 1 所示。 图 5 1 多层板剖面图 在图 5 1 中的多层板共有 6 层设计，最上面为 Top Layer （顶层）；最下为 Bottom Layer( 底层 ) ；中间

5、4 层中有两层内层，即 InternalPlane1 和 InternalPlane2, 用于电源层；两层中间层，为 MidLayerl 和 MidLayer2 ，用于布导线。 5.1.3 过孔 过孔就是用于连接不同板层之间的导线。过孔内侧一般都由焊锡连通，用于元件的管脚插入。 过孔分为 3 种：从顶层直接通到底层的过孔称为 Thnchole Vias （穿透式过孔）；只从顶层通到某一层里层，并没有穿透所有层，或者从里层穿透出来的到底层的过孔称为 Blind Vias （盲过孔）；只在内部两个里层之间相互连接，没有穿透底层或顶层的过孔就称为 Buried Vias （隐藏式过孔）。过孔的形状一

6、般为圆形。过孔有两个尺寸，即 Hole Size （钻孔直径）和钻孔加上焊盘后的总的 Diameter （过孔直径），如图 5 2 所示。 图 5 2 过孔的形状和尺寸 5.1.4 铜膜导线 电路板制作时用铜膜制成铜膜导线（ Track ），用于连接焊点和导线。铜膜导线是物理上实际相连的导线，有别于印刷板布线过程中的预拉线（又称为飞线）概念。预拉线只是表示两点在电气上的相连关系，但没有实际连接。 5.1.5 焊盘 焊盘用于将元件管脚焊接固定在印刷板上完成电气连接。焊盘在印刷板制作时都预先布上锡，并不被防焊层所覆盖。 通常焊盘的形状有以下三种，即圆形（ Round ）、矩形（ Rectangle

7、 ）和正八边形（ Octagonal ） ，如图 5 3 所示。图 5 3 圆形、矩形和正八边形焊盘 5.1.6 元件的封装 元件的封装是印刷电路设计中很重要的概念。元件的封装就是实际元件焊接到印刷电路板时的焊接位置与焊接形状，包括了实际元件的外型尺寸，所占空间位置，各管脚之间的间距等。 元件封装是一个空间的概念，对于不同的元件可以有相同的封装，同样一种封装可以用于不同的元件。因此，在制作电路板时必须知道元件的名称，同时也要知道该元件的封装形式。 1 元件封装的分类 普通的元件封装有针脚式封装和表面粘着式封装两大类。 针脚式封装的元件必须把相应的针脚插入焊盘过孔中，再进行焊接。因此所选用的焊盘

8、必须为穿透式过孔，设计时焊盘板层的属性要设置成 Multi Layer ，如图 5 4 和图 5 5 所示。 图 5 4 针脚式封装 图 5 5 针脚式封装元件焊盘属性设置 SMT （表面粘着式封装）。这种元件的管脚焊点不只用于表面板层，也可用于表层或者底层，焊点没有穿孔。设计的焊盘属性必须为单一层面，如图 5 6 和图 5 7 所示。 图 5 6 表面粘着武元件的封装 图 5 7 表面粘着式封装焊盘属性设置 2 常见的几种元件的封装 常用的分立元件的封装有二极管类、晶体管类、可变电阻类等。常用的集成电路的封装有 DIP XX 等。 Protel DXP 将常用的封装集成在 Miscellan

9、eous Devices PCB PcbLib 集成库中。 二极管类 常用的二极管类元件的封装如图 5 8 所示。 电阻类 电阻类元件常用封装为 AXIAL XX ，为轴对称式元件封装。如图 5 9 所示就是一类电阻封装形式。 图 5 8 二极管类元件封装 图 5 9 电阻类元件封装 晶体管类 常见的晶体管的封装如图 5 10 所示， Miscellaneous Devices PCB PcbLib 集成库中提供的有 BCY W3 H.7 等。 集成电路类 集成电路常见的封装是双列直插式封装，如图 5 11 所示为 DIP 14 的封装类型。 图 5 10 晶体管的封装 图 5 11 DIP

10、14 封装 电容类 电容类分为极性电容和无极性电容两种不同的封装，如图 5 12 和图 5 一 13 所示。 图 5- 12 极性电容封装 图 5 13 无极性电容封装 Miscellaneous Devices PCB PcbLib 集成库中提供的极性电容封装有 RB7. 6 15 等，提供的无极性电容的封装有 RAD 0.1 等。 5.2 PCB 电路板的设计流程 PCB 电路板设计的流程如图 5 14 所示。 图 5 14 PCB 板设计流程图 1 设计原理图 这是设计 PCB 电路的第一步，就是利用原理图设计工具先绘制好原理图文件。如果在电路图很简单的情况下，也可以跳过这一步直接进人

11、PCB 电路设计步骤，进行手工布线或自动布线。 2 定义元件封装 原理图设计完成后，元件的封装有可能被遗漏或有错误。正确加入网表后，系统会自动地为大多数元件提供封装。但是对于用户自己设计的元件或者是某些特殊元件必须由用户自己定义或修改元件的封装。 3 PCB 图纸的基本设置 这一步用于 PCB 图纸进行各种设计，主要有：设定 PCB 电路板的结构及尺寸，板层数目，通孔的类型，网格的大小等，既可以用系统提供的 PCB 设计模板进行设计，也可以手动设计 PCB 板。 4 生成网表和加载网表 网表是电路原理图和印刷电路板设计的接口，只有将网表引人 PCB 系统后，才能进行电路板的自动布线。 在设计好

12、的 PCB 板上生成网表和加载网表，必须保证产生的网表已没有任何错误，其所有元件能够很好的加载到 PCB 板中。加载网表后系统将产生一个内部的网表，形成飞线。 元件布局是由电路原理图根据网表转换成的 PCB 图，一般元件布局都不很规则，甚至有的相互重叠，因此必须将元件进行重新布局。 元件布局的合理性将影响到布线的质量。在进行单面板设计时，如果元件布局不合理将无法完成布线操作。在进行对于双面板等设计时，如果元件布局不合理，布线时。将会放置很多过孔，使电路板走线变得复杂。 5 布线规则设置 飞线设置好后，在实际布线之前，要进行布线规则的设置，这是 PCB 板设计所必须的一步。在这里用户要定义布线的

13、各种规则，比如安全距离、导线宽度等。 6 自动布线 Protel DXP 提供了强大的自动布线功能，在设置好布线规则之后，可以用系统提供的自动布线功能进行自动布线。只要设置的布线规则正确、元件布局合理，一般都可以成功完成自动布线。 7 手动布线 在自动布线结束后，有可能因为元件布局或别的原因，自动布线无法完全解决问题或产生布线冲突时，即需要进行手动布线加以设置或调整。如果自动布线完全成功，则可以不必手动布线。 在元件很少且布线简单的情况下，也可以直接进行手动布线，当然这需要一定的熟练程度和实践经验。 8 生成报表文件 印刷电路板布线完成之后，可以生成相应的各类报表文件，比如元件清单、电路板信息

14、报表等。这些报表可以帮助用户更好的了解所设计的印刷板和管理所使用的元件。 9 文件打印输出 生成了各类文件后，可以将各类文件打印输出保存，包括 PCB 文件和其他报表文件均可打印，以便永久存档。 5.3 建立 SCH 文档 前面章节已经着重介绍了原理图的创建，这里不再详细介绍创建方法，具体设计参见第 2 、 3 、 4 章相关内容。 1 创建原理图 在这里创建一份简单的时钟发生器原理图，并以此为例，在本章后面章节中介绍如何设计相应的 PCB 电路板。设计的主要步骤如下： （ 1 ）从 Protel DXP 的主菜单下执行命令 File/New PCB Project ，建立一份 PCB 设计项

15、目，命名为 ClocK PRJPCB 。 （ 2 ）在该设计项目下新建一份 SCH 原理图，相应的菜单执行命令为 File/New/Schematic, 将其命名为 CLOCK SCHDOC 。 2 定义元件封装 在设计项目中，加人集成库 Miscellaneous Devices IntLib 。从中选择元件进行放置，并放置导线，完成它们之间的连接。设计完成后的效果如图 5 15 所示。 图 5 15 时钟发生器原理图 时钟发生器原理图中使用到的各元件封装如表 5 1 所示。 Designator DescriptionFootprint Comment C1 Capacitor c1005

16、-0402 10n C2 Capacitor RAD-0.3 60p C3 Capacitor c1005-0402 1n C4 Capacitor c1005-0402 100p C5 Capacitor c1005-0402 100p Q1 NPN Bipolar Transistor BCY-W3 QNPN Q2 NPN Bipolar Transistor BCY-W3 QNPN Q3 NPN Bipolar Transistor BCY-W3 QNPN Q4 NPN Bipolar Transistor BCY-W3 QNPN Q5 PNP Bipolar Transistor BC

17、Y-W3 QPNP Designator Description Footprint Comment R1 Resistor AXIAL-0.4 1k R2 Resistor AXIAL-0.4 47k R3 Resistor AXIAL-0.4 56k R4 Resistor AXIAL-0.4 33k R5 Resistor AXIAL-0.4 1.2k R6 Resistor AXIAL-0.4 17k R7 Resistor AXIAL-0.4 22k X1 Crystal Oscillator BCY-W2/D3.1 14.31818MHz 所有元件放置和连线完成后保存文档，进人下一

18、步设计。 5 4 新建 PCB 设计文档 Protel DXP 是以一个设计项目文档来管理 PCB 的设计，在这个设计项目中，包含了单个的设计文档和它们之间的有关设置，便于文件的管理和文件的同步。 一般情况下 PCB 文档总是和原理图设计文档放在同一个设计项目文档中。如果此时没有 PCB 设计项目文档，则可以在文件工作面板中选择 Blank Project （ PCB ）选项，新建一个设计项目文档。 在已经有设计项目文档的情况下，则可以进人下一步，开始设计 PCB 文档。 在进行印刷板电路设计时，必须建立一个 PCB 文档。通常建立 PCB 文档的方法有两种，一种是手动创建空白 PCB 图纸，

19、再指定 PCB 文档的属性，规划大小；另一种是采用 PCB 模板创建 PCB 文档。 1 手动创建 PCB 文档 这种方法是先建立一个空白的 PCB 图纸。方法是在文件工作面板中单击 PCB File 选项，创建一份空白的 PCB 图纸，如图 5 16 所示。 系统自动把该 PCB 图纸加人当前的设计项目文档中，文件名为 PCB1 PcbDoc ，图纸中带有栅格，如图 5 一 17 所示。 图 5 16 建立 PCB 空白图纸 图 5 17 空白 PCB 图纸 如果原来没有建立设计项目 PCB 文档建立后则是自由文档，系统也会自动为其建立一个设计项目来管理该文档。新建空白图纸后，可以手动设置图

20、纸的尺寸大小、栅格大小、图纸颜色等。 2 使用 PCB 模板创建 PCB 文档 Protel DXP 提供了 PCB 设计模板向导，图形化的操作使得 PCB 的创建变得非常简单。它提供了很多工业标准板的尺寸规格，也可以用户自定义设置。这种方法适合于各种工业制板，其操作步骤如下。 ? 单击文件工作面板中 New from template 选项下的 PCB Board Wizard 选项，如图 5 18 所示。启动的 PCB 电路板设计向导如图 5 19 所示。图 5 18 PCB Board Wizard 选项 （ 2 ）单击 Next 按钮，出现如图 5 20 所示界面，要求对 PCB 板进

21、行度量单位设置。 系统提供两种度量单位，一种是 Imperial （英制单位），在印刷板中常用的是 Inch （英寸）和 mil （千分之一英寸），其转换关系是 1Inch 1000 mil 。另一种单位是 Metric （公制单位），常用的有 cm （厘米）和 mm （毫米）。两种度量单位转换关系为 1 Inch 25.4 mm 。系统默认使用是英制度量单位。 图 5 19 启动的 PCB 向导 图 5 20 PCB 电路板度量单位设定 （ 3 ） 单击 Next 按钮，出现如图 5 21 所示界面，要求对设计 PCB 板的尺寸类型进行指定。 Protel DXP 提供了很多种工业制板的规格

22、，用户可以根据自己的需要，选择 Custom ，进人自定义 PCB 板的尺寸类型模式，在这里选择 Custom 项。 （ 4 ）单击 Next 按钮，进人下一界面，设置电路板形状和布线信号层数，如图 5 22 所示。 图 5 21 指定 PCB 板尺寸类型 图 5 22 设置电路板形状和布线信号层数 在图 5 22 中， Outline Shape 选项区域中，有三种选项可以选择设计的外观形状， Rectangular 为矩形， Circular 为圆形； Custom 为自定义形状，类似椭圆形。常用设置如下： 本例中选择 Rectangular 矩形板。 Board Size 为板的长度和宽

23、度，输人 3000 mil 和 2000 mil ，即 3 Inch 2 Inch 。 Dimension Layer 选项用来选择所需要的机械加工层，最多可选择 16 层机械加工层。设计双面板只需要使用默认选项，选择 Mechanical Layer 。 Keep Out Distance From Board Edge 选项用于确定电路板设计时，从机械板的边缘到可布线之间的距离，默认值为 50 mil 。 Corner Cutoff 复选项，选择是否要在印制板的 4 个角进行裁剪。本例中不需要。如果需要，则单击 Next 按钮后会出现如图 5 23 所示界面要求对裁剪大小进行尺寸设计。 I

24、nner Cutoff 复选项用于确定是否进行印刷版内部的裁剪。本例中不需要。如果需要，选中该选项后，出现如图 5 24 所示的界面，在左下角输人距离值进行内部裁剪。 图 5 23 对印刷板边角进行裁剪 图 5 24 PCB 板内部裁剪 本例中不使用 Corner Cutoff 和 Inner Cutoff 复选项，应取消两复选项的选择。 （ 5 ）单击 Next 按钮进人下一个界面，对 PCB 板的 Signal Layer （信号层）和 Power Planes （电源层）数目进行设置，如图 5 25 所示。本例设计双面板，故信号层数为 2 ，电源层数为 0 ，不设置电源层。 （ 6 ）单

25、击 Next 按钮进人下一下界面，设置所使用的过孔类型，这里将前面 5.1.3 节所述的 3 种过孔归为两类可供选择，一类是 Thruhole Vias （穿透式过孔），另一类 是 Blind and Buried Vias （盲过孔和隐藏过孔），本例中使用穿透式过孔，如图 5 26 所示。 图 5 25 PCB 板信号层和电源层数目设置 图 5 26 PCB 过孔类型设置 (7) 单击 Next 按钮，进人下一个界面，设置元件的类型和表面粘着元件的布局，如图 5 27 所示。 在 The board has mostly 选项区域中，有两个选项可供选择，一种是 Surface 一 mount

26、 components, 即 表面粘 着式元件；另一种是 Through hole components 即针脚式封装元件。 如果选择了使用表面粘着式元件选项，将会出现 Do you put components on both sides of the board? 提示信息，询问是否在 PCB 的两面都放置表面粘着式元件。 本例中使用的是针脚式封装元件，选中此项后出现如图 5 28 的选择框，在此可对相邻两过孔之间布线时所经过的导线数目进行设定。这里选择 One Track 单选项，即相邻焊盘之间允许经过的导线为 1 条。 图 5 27 PCB 板使用元件类型设定 图 5 28 相邻过孔之

27、间通过导线数目 （ 8 ）单击 Next 按钮，进人下一个界面，在这里可以设置导线和过孔的属性，如图 5 29 所示。 图 5 29 导线和过孔属性设置对话框 在图 5 29 中的导线和过孔属性设置对话框中的选项设置及功能如下： Minimum Track Size ：设置导线的最小宽度，单位为 mil 。 Minimum Via Width ：设置焊盘的最小直径值。 Minimum Via HoleSize ：设置焊盘最小孔径。 Minimum Clearance ：设置相邻导线之间的最小安全距离。 这些参数可以根据实际需要进行设定，用鼠标单击相应的位置即可进行参数修改。这里均采用默认值。

28、（ 9 ）单击 Next 按钮，出现 PCB 设置完成界面，单击 Finish 按钮，将启动 PCB 编辑器， 至此完成了使用 PCB 向导新建 PCB 板的设计。 新建的 PCB 文档将被默认命名为 PCB1 PCbDeC ，编辑区中会出现设定好的空白 PCB 纸。 在文件工作面板中右击鼠标，在弹出的菜单中选择 Save As 选项，将其保存为 CLOCK PcbDoc ，并将其加人到 CLOCK PRJPCB 项目中。 5.5 PCB 电路板编辑环境 在使用 PCB 设计向导进行 PCB 文件的创建之后，即启动了 PCB 板编辑器，如图 5 30 所示。 PCB 编辑环境界面与 Wndow

29、s 资源管理器的风格类似。主要由以下几个部分构成： 主菜单栏 PCB 编辑环境的主菜单与 SCH 环境的编辑菜单风格类似，不同的是提供了许多用于 PCB 编辑操作的功能选项。 常用工具栏：以图标的方式列出常用工具。这些常用工具都可以从主菜单栏中的下拉菜单里找到相应命令。 图 5 30 PCB 编辑环境 文件工作面板：文件工作面板显示当前所操作的项目文件和设计文档。 图纸区域：图纸的大小。颜色和格点大小等都可以进行用户个性化设定。 编辑区：用于所有元件的布局和导线的布线操作。 层次标签：单击层次标签页，可以显示不同的层次图纸，每层元件和走线都用不同颜色区分开来，便于对多层电路板进行设计。 5.6

30、 PCB 图纸基本设置和元件放置 本节介绍 PCB 图纸的布线板层和非电层的设置、图纸显示颜色的设置和网格等设置，以及元件库的添加、元件的放置和元件封装的修改。 5.6.1 定义布线板层和非电层 印刷电路板的构成有单面板、双面板和多面板之分。电路板的物理构造有两种类型即布线板层和非电层。 布线板层：即电气层。 Protel DXP 可以提供 32 个信号层（包括顶层和底层，最多可设计 30 个中间层）和 16 个内层。 非电层：分成两类，一类是机械层，另一类为特殊材料层。 Protel DXP 可提供 16 个机械层，用于信号层之间的绝缘等。特殊材料层包括顶层和底层的防焊层、丝印层、禁止布线层

31、等。 ? 设置布线板层 Protel DXP 提供了一个板层管理器对各种板层进行设置和管理，启动板层管理器的方法有两种：一是执行主菜单命令 Design Layer Stack Manager 。二是在右侧 PCB 图纸编辑区内，右击鼠标，从弹出的右键菜单中执行 Option Layer Stack Manager 命令。均可启动板层管理器。启动后的界面如图 5 31 所示。 图 5 31 板层管理器板层管理器默认双面板设计，即给出了两层布线层即顶层和底层。板层管理器的设置及功能如下： Add Layer 按钮，用于向当前设计的 PCB 板中增加一层中间层。 Add Plane 按钮，用于向当

32、前设计的 PCB 板中增加一层内层。新增加的层面将添加在当前层面的下面。 Move Up 和 Move Down 按钮将当前指定的层进行上移和下移操作。 Delete 按钮可以删除所选定的当前层。 Properties 按钮将显示当前选中层的属性。 Configure Drill Pairs 按钮用于设计多层板中，添加钻孔的层面对，主要用于盲过孔的设计中。单击 OK 按钮将关闭板层管理器对话框。 2 图纸颜色设置 颜色显示设置对话框用于图纸的颜色设置，打开颜色显示设置对话框的方式如下： 执行主菜单命令 Design Board Layers ，即可打开颜色显示设置对话框。 在右边 PCB 图纸

33、编辑区内，右击鼠标，从弹出的右键菜单中选择 Option/Board Layers Colors ，即可打开颜色显示设置对话框，如图 5 32 所示。 颜色显示设置对话框中共有 7 个选项区域，分别对 Signal Layers （信号层）、 Internal Planes ( 内层 ) 、 Mechanical Layers （机械层）、 Mask Layers （阻焊层）、 Silk 一 Screen Layers （丝印层）、 Other Layers （其他层）和 System Colors （系统颜色）用于颜色设置。每项设置中都有 Show 复选项，决定是否显示。单击对应颜色图标，将

34、弹出 Choose Color （颜色选择）对话框，可在其中进行颜色设定。 图 5 32 颜色显示设置对话框 5.6.2 图使用环境设置和格点设置 PCB 板的使用环境设置和格点设置可以在设置对话框中进行，打开该对话框的方法有如下两种： ? 在主菜单栏中，执行命令 Design/Board Options, 即可打开格点设置对话框。 在右边 PCB 图纸编辑区内右击鼠标，从弹出的右键菜单中选择 Option/Grids. 命令，打开的格点设置对话框，如图 5 33 所示。 图 5 33 格点设置对话框 格点设置对话框中共有 6 个选项区域，分另用于电路板的设计，其主要设置及功能如下： Meas

35、urement Unit （度量单位）：用于更改使用 PCB 向导模板建立 PCB 板时，设置的度量单位。单击下拉菜单，可选择英制度量单位（ Imperial ）或公制单位（ Metric ）。 Snap Grid ( 可捕获格点 ) ：用于设置图纸捕获格点的距离即工作区的分辨率，也就是鼠标移动时的最小距离。此项根据需要进行设置，对于设计距离要求精确的电路板，可以将该值取得较小，系统最小值为 1mil 。可分别对 X 方向和 Y 方向进行格点设置。 Electrical Grid （电气格点）：用于系统在给定的范围内进行电气点的搜索和定位，系统默认值为 8mil 。 Visible Grid

36、( 可视格点 ) ：选项区域中的 Markers 选项用于选择所显示格点的类型，其中一种是 Lines （线状），另一种是 Dots （点状）。 Grid 1 和 Grid 2 分别用于设置可见格点 1 和可见格点 2 的值，也可以使用系统默认的值。 Sheet Position 图纸位置）：选项区域中的 X 和 Y 用于设置从图纸左下角到 PCB 板左下角的 x 坐标和 y 坐标的值； Width 用于设置 PCB 板的宽度； Height 用于设置 PCB 板的高度。用户创建好 PCB 板后，如果不需要对 PCB 板大小进行调整，这些值可以不必更改。 Component Grid( 元件格

37、点）：分别用于设置 X 和 Y 方向的元件格点值，一般选择默认值。 5.6.3 元件库的加载和元件放置 Protel DXP 提供了元件库管理器进行元件的封装管理，方便用户加载元件库，同时用于查找元件和放置元件。 第 4 章中已经介绍过在 SCH 原理图中对于元件所在库的添加和删除，同样对应到 PCB 电路板设计时也要添加相应的 PCB 元件封装库。 1 元件封装库的加载 元件库管理器的窗口如图 5 34 所示。 元件库管理器提供了 Components （元件）和 Footprints （封装）两种查看方式，单击其中某一单选按钮，即可进相应的查看方式。 其中 Miscellaneous De

38、vices IntLib 一栏下拉菜单显示了当前已经加载的元件集成库。 在元件搜索区域可以输人元件的关键信息，对所选中的元件集成库进行查找。如果输人“ * ”号则表示显示当前元件库下所有的元件，并可将所有当前库提供的元件都在元件测览框中显示出来，包括元件的 Footprint Name （封装信息）。 如图 5 34 中所示，当在元件浏览框中选中一个元件时，该元件的封装形式就会显示在元件显示区域中。 单击 Libraries 按钮，打开 Add Remove Libraries （添加删除元件库）对话框，如图 5 35 所示。在该对话框中可以对元件库进行添加和删除操作。 该对话框中列出了当前已

39、经加载的元件库。 Type 一项的属性为 Integrated ，表示是 Protel DXP 的整合集成库，后缀名为 IntLib 。 选中一个元件库，可以单击 Move down 或 Move Up 按钮将它们排序。单击 Remove 按钮，可以将该集成库移出当前的项目。 图 5 34 元件库管理器窗口 图 5 35 添加删除元件库对话框 单击 Add Library 按钮，将弹出如图 5 36 所示的添加元件库对话框。该对话框列出了 Protel DXP 安装目录下的 Library 中的所有元件库。 Protel DXP 的元件库以公司名分类，因此对一个特定元件的封装时，即可要知道它的

40、提供商。 对于常用的元件库，如电阻、电容等元器件， Protel DXP 提供了常用杂件库： Miscellaneous Devices IntLib 。对于常用的接插件和连接器件， Protel DXP 提供了常用接插件库： Miscellaneous Connectors IntLib 。 如果不知道某一元件的提供商时，可以回到元件库管理器，使用元件库的查找功能进行搜索，取得元件的封装形式。在元件库管理器上，单击 Search 按钮，将弹出如图 5 37 的 Search Libranries （元件搜索）对话框。 图 5 36 添加元件库对话框。 图 5 37 元件搜索对话框 在 Sco

41、pe 选项区域中，选定 Available Libraries 单选项，即对已经添加到设计项目的库进行元件的搜索。选定 Libraries on Path 单选项，可以指定对一个特定的目录下的所有元件库进行搜索。 Path 选项区域中的 Include Subdirectories 复选项，选中该选项则对所选目录下的子目录进行搜索。 例如，在不知道 DIP 16 形式封装的元件位于哪个库中的情况下，可以在 Search Criteria 选项区域的 Name 文本框中输人要搜索的信息名。在这里输人 DIP 16 ，然后单击 Search 按钮，系统将在指定的库里搜索。 元件搜索的结果即出现在

42、Results 选项卡里，如图 5 38 所示。 在元件搜索结果对话框中，显示出搜索的元件名、元件所在库的名称，并且显示该元件的封装图示。 图 5 38 元件搜索结果对话框 单击 Select 按钮，可以选中该元件，直接在 PCB 设计图纸上进行元件放置。 2 元件的放置 元件放置有如下两种方法： 在元件库管理器中选中某个元件，单击 Place 按钮，即可在 PCB 设计图纸上放置元件。 在元件搜索结果对话框中选中某个元件，单击 Select 按钮，即可在 PCB 设计图上进行元件的放置。进行元件放置时，系统将弹出如图 5 39 所示的 Place Component （元件放置）对话框，显示

43、放置的元件信息。 图 5 39 元件放置设置对话框 Place Component 设置对话框中，可为 PCB 元件选择 Placement Type （放置类型）选项区域的 Footprint 单选项。 Component Details 选项区域的常用设置及功能如下： Footprint 文本框：为元件的封装形式。 Designator 文本框：为元件名。 Component 文本框：为对该元件的注释，可以输人元件的数值大小等信息。 单击 OK 按钮后，鼠标将变成十字光标形状。在 PCB 图纸中移动鼠标到合适位置、单击左键，完成元件的放置。 5.6.4 元件封装的修改 元件封装的修改有如下

44、两种方式： 在元件放置状态下，按 Tab 键，将会弹出 Component Designator 2 （元件属性）对话框。 对于 PCB 板上已经放置好的元件，可直接双击该元件，即可打开元件属性对话框，如图 5 40 所示。 图 5 40 元件属性对话框 元件属性对话框中设有 Component Properties 、 Designator 、 Comment 、 Source Reference Links 等 4 个选项区域。 Component Properties 选项区域的设置及功能如下： FootPrint 文本框：用于设置元件的封装形式。 Layer 下拉列表框：用于设置元件的

45、放置层。 Rotation 文本框：用于设置元件的放置角度。 X Location 文本框：用于设置元件放置的 X 坐标。 Y Location 文本框：用于设置元件放置的 y 坐标。 Type 下拉列表框：用于设置元件放置的形式，可以为标准形式或者图形方式。 Lock Prints 复选项：该选项即选择将元件做为整体使用，即不允许将元件和管脚拆开使用。 Locked 复选项：选中此项即将元件放置在固定位置。 Designator 选项区域的设置及功能如下： Text 文本框：用于设置元件的序号。 Height 文本框：用于设置元件文字的高度。 Width 文本框：用于设置元件文字的宽度。 L

46、ayer 下拉列表框：用于设置元件文字的所在层。 Rotation 文本框：用于设置元件文字放置的角度。 X 一 Location 文本框：用于设置元件文字的 X 坐标。 Y 一 Location 文本框：用于设置元件文字的 y 坐标。 Font 下拉列表框：用于设置元件文字的字体。 Hide 复选项：用于设置是否隐藏元件的文字。 Autoposition 下拉列表框：用于设置元件文字的布局方式。 Mirror 复选项：用于设置元件封装是否反转。 Comment 选项区域的设置用于对元件注释文字的设置。 Source Reference Links 选项区域中的设置用于所有文件库的相关设置。

47、5.7 生成网表和更新 PCB 板 在原理图设计完成后，可以生成网络表供 PCB 使用。 5.7.1 网表的生成 Netlist( 网表）分为 External Netlist （外部网络表）和 Internal Netlist （内部网络表）两种。从 SCH 原理图生成的供 PCB 使用的网络表就叫做外部网络表，在 PCB 内部根据所加载的外部网络表所生成表称为内部网表，用于 PCB 元件之间飞线的连接。一般用户所使用的也就是外部网络表，所以不用将两种网络表严格区分。 为单个 SCH 原理图文件创建网络表的步骤如下： （ 1 ）双击文件工作面板中对应的 SCH 原理文件，打开要创建网表的原理

48、图文档。 （ 2 ）执行主菜单命令 Design Netlist Protel ，如图 5 41 所示。 所产生的网络表与原项目文件同名，后缀名为 net ，这里生成的网络表名称即为 CLOCK NET 。图标位于文件工作面板中该项目的 Generated Protel Netlist 选项下，文件保存在 Generated Protel Netlist 文件夹下，如图 5 42 所示。 图 5 41 从 SCH 图生成网表操作 图 5 42 网表的生成 双击 CLOCK NET 图标，将显示网表的详细内容。 5.7.2 P rotel 的网表格式 Protel 网表的格式由两部分组成，一部分

49、是元件的定义，另一部分是网络的定义。 1 元件的定义 网络表第一部分是对所使用的元件进行定义，一个典型的元件定义如下： ；元件定义开始 C1 ；元件标志名称 RAD 0 3 ；元件的封装 10n ；元件注释 ；元件定义结束 每一个元件的定义都以符号“ ”开始，以符号“ ”结束。第一行是元件的名称，即 Designator 信息；第二行为元件的封装，即 Footprint 信息；第三行为元件的注释。 2 网络的定义 网络表的后半部分为电路图中所使用的网络定义。每一个网络意义就是对应电路中有电气连接关系的一个点。一个典型的网络定义如下： （ ；网络定义开始 NetC2_2 ；网络的名称 C2 一

50、2 ；连接到此网络的所有元件的标志和引脚号 X1 1 ；连接到此网络的元件标志和引脚号 ） ；网络定义结束 每一个网络定义的部分从符号“（”开始，以符号“）”结束。“（”符号下第一行为网络的名称。以下几行都是连接到该网络点的所有元件的元件标识和引脚号。如 C2 一 2 表示电容 C2 的第 2 脚连接到网络 NetC2_2 上； X1 1 表示还有晶振 X1 的第 1 脚也连接到该网络点上。 5.7.3 更新 PCB 板 生成网表后，即可将网表里的信息导人印刷电路板，为电路板的元件布局和布线做准备。 Protel 提供了从原理图到 PCB 板自动转换设计的功能，它集成在 ECO 项目设计更改管

51、理器中。启动项目设计更改管理器的方法有两种。 在 SCH 原理图编辑环境下，本例先打开 CLOCK SCHDOC 文件。执行主菜单命令 Design Update PCB CLOCK PCBDOC ，如图 5 43 所示。 先进人 PCB 编辑环境下，本例中打开 CLOCK PCBDOC 文件，执行主菜单命令 Design Irnport Changes From CLOCK PRJPCB ，如图 5 44 所示。 图 5 43 SCH 原理图编辑环境下更新 PCB 图 图 5 44 PCB 编辑环境下更新 PCB 图 执行以上相应命令后，将弹出 Engineering Change Orde

52、r （更改命令管理）对话框，如图 5 45 所示。 图 5 45 更改命令管理对话框 更改命令管理对话框中显示出当前对电路进行的修改内容，左边为 Modifications （修改）列表，右边是对应修改的 Status （状态）。主要的修改有 Add Component 、 Add Nets 、 Add Components Classes 和 Add Rooms 几类。 单击 Validate Changes 按钮，系统将检查所有的更改是否都有效，如果有效，将在右边 Check 栏对应位置打勾，如果有错误， Check 栏中将显示红色错误标识。 一般的错误都是由于元件封装定义不正确，系统找不

53、到给定的封装，或者设计 PCB 板时没有添加对应的集成库。此时则返回到 SCH 原理图编辑环境中，对有错误的元件进行更改，直到修改完所有的错误即 Check 栏中全为正确内容为止。 单击 Execute Changes 按钮，系统将执行所有的更改操作，如果执行成功， Status 下的 Done 列表栏将被勾选，执行结果如图 5 46 所示。图 5 46 显示所有修改过的结果 在更改命令管理对话框中，单击 Report Changes 按钮，将打开 Report Preview （报告预览）对话框，在该对话框中可以预览所有进行修改过的文件，如图 5 47 所示。 图 5 47 报告预览对话框

54、在报告预览对话框中，单击 Export 按钮，将弹出文件保存对话框，如图 5 48 所示。在该对话框中，允许将所有的更改过的文件以 Excel 文件格式保存。 图 5 48 ECO 报告保存对话框 保存输出文件后，系统将返回到更改命令管理对话框，单击 Close 按钮，将关闭该对话框，进人 PCB 编辑界面。此时所有的元件都已经添加到 CLOCK PCBDOC 文件中，元件之间的飞线也已经连接。 但是所有元件几乎都重叠在一起，如图 5 49 所示，超出 PCB 图纸的编辑范围，因此必须对元件进行重新布局。图 5 49 更新后生成的 PCB 图 5.8 元件布局 在以上步骤中，所有元件已经更新到

55、 PCB 板上，但是元件布局过密，甚至出现重叠现象。 合理的布局是 PCB 板布线的关键。如果单面板设计元件布局不合理，将无法完成布线操作；如果双面板元件布局不合理，布线时将会放置很多过孔，使电路板导线变得非常复杂。合理的布局要考虑到很多因素，比如电路的抗干扰等，在很大程度上取决于用户的设计经验。 Protel DXP 提供了两种元件布局的方法，一种是自动布局，一种是手动布局。这两种方法各有优劣，用户应根据不同的电路设计需要选择合适的布局方法。 5.8.1 元件自动布局 元件的自动布局（ Auto Place ）适合于元件比较多的时候。 Protel DXP 提供了强大的自动布局功能，定义合理

56、的布局规则，采用自动布局将大大提高设计电路板的效率。 自动布局的操作方法是在 PCB 编辑环境下，执行主菜单命令 Tools Auto Placement Auto Placer ，如图 5 50 所示，在弹出的 Auto Place （自动布局）对话框中，有两种布局规则可以供选择，如图 5 51 所示。 图 5 50 元件自动布局 图 5 一 51 自动布局对话框 选中 Cluster Placer （集群方法布局）选项，系统将根据元件之间的连接性，将元件划分成一个个的集群（ Cluster ），并以布局面积最小为标准进行布局。这种布局适合于元件数量不太多的情况。选中 Quick Compo

57、nent Placement 复选项，系统将以高速进行布局。 选中 Statistical Placer （统计方法布局）选项，系统将以元件之间连接长度最短为标准进行布局。这种布局适合于元件数目比较多的情况（比如元件数目大于 100 ）。选择该选项后，对话框中的说明及设置将随之变化，如图 5 52 所示。 图 5 52 统计方法布局对话框 统计方法布局对话框中的设置及功能如下： Group Components 复选项：用于将当前布局中连接密切的元件组成一组，即布局时将这些元件作为整体来考虑。 Rotate Components 复选项：用于布局时对元件进行旋转调整。 Au tomatic P

58、CB Update 复选项：用于在布局中自动更新 PCB 板。 Power Nets 文本框：用于定义电源网络名称。 Ground Nets 文本框：用于定义接地网络名称。 Grid Size 文本框：用于设置格点大小。 如果选择 Statistical Placer 单选项的同时，选中 Automatic PCB Update 复选项，将在布局结束后对 PCB 板进行自动元件布局更新。 所有选项设置完成后，单击 OK 按钮，关闭设置对话框，进人自动布局。布局所花的时间根据元件的数量多少和系统配置高低而定。布局完成后，系统出现布局结束对话框，单击 OK 按钮结束自动布局过程，此时所需元件将布置

59、在 PCB 板内部，如图 5 53 所示。 图 5 53 自动布局结果 图 5 53 中的布局结果只是将元件布置在 PCB 板中，但是飞线却没有布置。执行菜单命令 Design Netlist Clean All Nets 或者执行 Clean Nets 命令，将清除所有的网络，然后再撤销一次该操作，将在 PCB 图纸上显示飞线连接。 在布局过程中，如果想中途终止自动布局的过程，可以执行主菜单命令 Tools Auto Placement Stop Auto Placer ，即可终止自动布局。从图 5-54 中可以看到 , 使用 Protel 的元件自动布局功能 , 虽然布局的速度和效率都很高

60、 , 但是布局的结果并不令人满意。元件之间的标志都有重叠的情况 , 有时布局后元件非常凌乱。因此 , 很多情况下必须对布局结果进行局部的调整 , 即采用手动布局 , 按用户的要求进一步进行设计。 5.8.2 元件手动布局 在系统自动布局后，手动对元件布局进行调整，自动布局功能，直接进入元件的手工布置。 手动调整元件的方法和 SCH 原理图设计中使用的方法类似，即将元件选中进行重新放置。使用左键选中元件后拖动，此过程中元件之间的飞线不会断开。本例采用自动布局后的结果和又进行了手动调整后的效果比较，如图 5 54 和图 5 55 示。 图 5 54 自动布局后 PCB 图 图 5 55 手动调整后的 PCB 图 5 9 布线规则设置 Protel DXP 提供了 10 种不同的设计规则，包括导线放置、导线布线方法、元件放置、布线规则、元件移动和信号完整性等。 电路可以根据需要采用不同的设计规则，如果设计双面板，其很多规则可以采用系统默认值，这是因为系统默认就是针对双面板布线而设置的。 进人设计规则设置对信框的方法是在 PCB 电路板编辑环境下，执行主菜单命令 Design Rul