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第5章印制电路板的设计5.1印制电路板的设计步骤5.2创建PCB图文件5.3装载元件库5.4设置电路板工作层面5.5规划电路板5.6装入网络表与元件5.7元件布局5.8自动布线5.9给电路板添加标注5.10三维视图5.11PCB图的打印输出5.12PCB图的报表生成5.1印制电路板的设计步骤设计印制电路板的大致步骤可以用下面的流程图图5-1来表示。开始先期准备工作环境设置电路板设置引入网络表、修改封装元件布局自动布线手工调整布线整体编辑输出打印结束图5-1印制电路板的设计步骤5.2创建PCB图文件新建一个PCB图文件可以进入设计文件夹“【Document】”，执行菜单命令【File】/【New】或在工作区内单击鼠标右键，选择【New】选项，会弹出如图5-2所示的选择文件类型的对话框。双击该对话框中的【PCBDocument】图标，即可创建一个新的印制板电路图文件，默认的文件名为“PCB1.PCB”。在工作窗口中该文件的图标上单击、或在设计浏览器中该文件的文件名上双击鼠标左键，即可进入如图5-3所示的印制电路板编辑器。5.3装载元件库在浏览器的组合框中，选择库【Libraries】，如图5-4所示。用鼠标左键单击【Add/Remove】按钮，将出现如图5-5所示的关于引入库文件的对话框。5.4设置电路板工作层面5.4.1有关电路板的几个基本概念铜膜线：简称导线，是敷铜经腐蚀后形成的用于连接各个焊点的导线。印刷电路板的设计都是围绕如何布置导线来完成的。飞线：用来表示连接关系的线。它只表示焊盘之间有连接关系，是一种形式上的连接，并不具备实质性的电气连接关系。飞线在手工布线时可起引导作用，从而方便手工布线。飞线是在引入网络表后生成的，而飞线所指的焊盘间一旦完成实质性的电气连接，则飞线自动消失。当同一网络中，部分电气连接断开导致网络不能完全连通时，系统就又会自动产生飞线提示电路不通。利用飞线的这一特点，可以根据电路板中有无飞线来大致判断电路板是否已完成布线。焊盘、过孔：焊盘（Pad）的作用是放置、连接导线和元件引脚。过孔（Via）的主要作用是实现不同板层间的电气连接。过孔主要有3种。穿透式过孔（Through）：从顶层一直打到底层的过孔。半盲孔（Blind）：从顶层遇到某个中间层的过孔，或者是从某个中间层通到底层的过孔。盲孔（Buried）：只在中间层之间导通，而没有穿透到顶层或底层的过孔。单面板：电路板一面敷铜，另一面没有敷铜，敷铜的一面用来布线及焊接，另一面放置元件。单面板成本低，但只适用于比较简单的电路设计。双面板：电路板的两面都敷铜，所以两面都可以布线和放置元件，顶面和底面之间的电气连接是靠过孔实现的。由于两面都可以布线，所以双面板适合设计比较复杂的电路，应用也最为广泛。多层板：不但可以在电路板的顶层和底层布线，还可以在顶层和底层之间设置多个可以布线的中间工作层面。用多层板可以设计更加复杂的电路。长度单位及换算：Protel99SE的PCB编辑器支持英制（mil）和公制（mm）两种长度计量单位。它们的换算关系是：100mils=2.54mm（其中1000mils=1Inches）。执行菜单命令【View】/【ToggleUnits】就能实现这两种单位之间的相互转换。也可以按快捷键Q进行转换。转换后工作区坐标的单位和其他长度信息的单位都会转换为mm（或mil）。安全间距：进行印刷电路板的设计时，为了避免导线、过孔、焊点及元件的相互干扰，必须使它们之间留出一定的距离，这个距离称之为安全间距（Clearance）。5.4.2工作层面的类型Protel99SE提供了若干不同类型的工作层面，包括信号层（Signallayers）、内部电源/接地层（Internalplanelayers）、机械层（Mechanicallayers）、阻焊层（Soldermasklayers）、锡膏防护层（Pastemasklayers）、丝印层（Silkscreenlayers）、钻孔位置层（DrillLayers）和其他工作层面（Others）。下面介绍各工作层面的功能。1．信号层（Signallayers）信号层主要是用来放置元件（顶层和底层）和导线的。2．内部电源/接地层（Internalplanelayers）内部电源/接地层主要用来放置电源线和地线。3．机械层（Mechanicallayers）机械层一般用于放置有关制板和装配方法的信息。4．阻焊层（Soldermasklayers）阻焊层有2个TopSolderMask（顶层阻焊层）和BottomSolder（底层阻焊层），用于在设计过程中匹配焊盘，并且是自动产生的。5．锡膏防护层（Pastemasklayers）锡膏防护层的作用与阻焊层相似，但在使用“hotre-flow”（热对流）技术安装SMD元件时，锡膏防护层用来建立阻焊层的丝印。6．丝印层（Silkscreenlayers）丝印层主要用于绘制元件的轮廓、放置元件的编号或其他文本信息。7．钻孔层（Drilllayer）钻孔层主要是为制造电路板提供钻孔信息，该层是自动计算的。Protel99SE提供Drillguide和Drilldrawing两个钻孔层。8．禁止布线层（KeepOutLayer）禁止布线层用于定义放置元件和布线区域的。9．多层（Multilayers）多层代表信号层，任何放置在多层上的元件会自动添加到所在信号层上，所以可以通过多层，将焊盘或穿透式过孔快速地放置到所有的信号层上。10．DRC错误层（DRCErrors）用于显示违反设计规则检查的信息。11．连接层（Connection）该层用于显示元件、焊盘和过孔等对象之间的电气连线。5.4.3设置工作层面设置方法可以执行菜单命令【Design】/【Option】，出现【DocumentOption】对话框，选择其中的【Layers】标签即可进入工作层面设置对话框，如图5-7所示。进入【Option】选项卡，结果如图5-8所示。在该选项卡中可对【Grid】（栅格）、【ElectricalGrid】（电气栅格）、【Measurement】（计量单位）等选项进行设定。1．设置信号层和内部电源/接地层执行菜单命令【Design】/【LayerStackManager】，在屏幕上弹出如图5-9所示的工作层面管理对话框。2．设置Mechanicallayers执行菜单命令【Design】/【MechanicalLayers】，弹出如图5-11所示的机械层设置对话框，单击【Mechanical】复选框，可打开机械层，并可设置机械层名称等参数。设置完信号层、内部电源/接地层和机械层后，设置工作层面对话框变为如图5-12所示。5.5规划电路板所谓规划电路板，就是根据电路的规模以及公司或制造商的要求，具体确定所需制作电路板的物理外形尺寸和电气边界。电路板规划的原则是在满足公司或制造商的要求的前提下，尽量美观且便于后面的布线工作。首先设定当前的工作层面为【KeepOutLayer】。单击下方的【KeepOutLayer】标签即可将当前的工作层面切换到KeepOutLayer层面，如图5-13所示。在该层面上确定电路板的电气边界位置。5.6装入网络表与元件规划好电路板后，接着就是要装入网络表和元件。网络表和元件是同时装入的。网络表与元件的装入过程，实际上就是将原理图设计的数据装入印制电路板的设计系统PCB的过程。一、利用设计同步器装入网络表和元件的具体操作步骤如下。在原理图编辑器中执行菜单命令【Design】/【UpdatePCB】，出现如图5-17所示的对话框。二、利用原理图生成的网络表文件装入网络表和元件。生成网络表的方法，可以在原理图的设计的工作环境下，执行菜单命令【Design】/【CreateNetlist…】，可以看到随后会出现网络表文件“*.net”。在利用网络表文件装入网络表和元件时，可以在PCB编辑器中执行菜单命令【Design】/【LoadNets】，出现如图5-22所示的装入网络表的对话框。5.7元件布局5.7.1元件的自动布局Protel99SE提供了强大的元件自动布局的功能，可以通过程序算法自动将元件分开，放置在规划好的电路板电气范围内。元件自动布局的实现方法可以执行菜单命令【Tppls】/【AutoPlacement】/【AutoPlacer…】，出现如图5-27所示的对话框。对话框中选项的定义如下。【CluserPlacer】：成组布局方式。【StatisticalPlacer】：统计布局方式。【QuickComponentPlacement】：快速元件布局。【GroupComponents】：该选项的功能是将当前网络中连接密切的元件归为一组。排列时该组的元件将作为整体考虑，默认状态为选中。【RotateComponent】：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。若未选中该选项则元件将按原始位置放置。默认状态为选中。【PowerNets】：电源网络名称。这里将网络设定为“VCC”。【GroundNets】：接地网络名称。这里将接地网络设定为“GND”。【GridSize】：设置元件自动布局时格点的间距大小。5.7.2元件的手工布局与调整元件的布局要考虑以下几个方面的问题。（1）元件布局应便于用户的操作使用。（2）尽量按照电路的功能布局。（3）数字电路部分与模拟电路部分尽可能分开。（4）特殊元件的布局要根据不同元件的特点进行合理布局。（5）应留出电路板的安装孔和支架孔以及其他有特殊安装要求的元件的安装位置等。5.7.3元件标注的调整对元件进行一系列的调整后，元件的标注过于杂乱，影响了电路板的美观。所以，需要对元件标注进行调整。用户可以对元件的标注进行移动、旋转和编辑等操作。5.8自动布线自动布线是指Protel99SE程序根据用户设定的有关布线参数和布线规则，按照一定的算法，依照网络表所指定的连接关系，自动在各个元件之间进行连线，从而完成印刷电路板的布线工作。5.8.1网络的分类执行菜单命令【Design】/【Classes】打开网络分类窗口，如图5-35所示。Net页面用于网络分类，Component页面用于元件分类，From-To页面用于点到点网络的分类，Pad用于焊盘的分类。Add：增加新的分类。Edit：编辑已存在的分类。Delete：删除已存在的分类。Select：按指定的分类选择电路板图中属于该分类的对象。5.8.2设置布线规则在进行自动布线之前，一项非常重要的工作就是根据设计要求设定自动布线的参数。如果参数设置不当，可能导致自动布线失败。自动布线的参数包括布线层面、布线优先级别、布线的宽度、布线的拐角模式、过孔孔径类型、尺寸等，这些参数设定后，自动布线就会依据这些参数进行自动布线。因此，自动布线的成败在很大程度上与参数的设置有关。1．设置布线宽度（WidthConstraint）在前面，已经把网络分成两类：一类是电源线，另一类是信号线。在这里要把电源线的布线宽度设置为50mil，而信号线的布线宽度设置为15mil。2．选择布线工作层面（RoutingLayers）在【Routing】选项卡中，选中【RulesClasses】选项列表框中的【RoutingLayers】选项，该项用于设置布线的工作层面以及各个布线层面上的走线的方向。此时出现如图5-45所示的窗口。3．设置布线优先级别（RoutingPriority）布线优先级别，是指程序允许用户设定各个网络布线的顺序。4．孔径尺寸限制规则设置（HoleSizeConstraint）在【DesignRules】窗口中，选择【Manufacturing】选项卡。再从【RuleClass】栏中选择【HoleSizeConstraint】选项，就会得到一个定义孔尺寸规则的对话框。单击【Add…】按钮进入如图5-47所示的对话框。5．自动布线器的参数设定自动布线器的参数设定的方法，可以执行菜单命令【Aut