电路设计案例教程》-第17-18讲 第9章 数码管显示电路的PCB设计_

第9章数码管显示电路的PCB设计任务描述在第7章完成了数码管显示电路的原理图绘制后，本章完成数码管显示电路的PCB板设计。在该PCB板中，调用第5章建立的封装库内的两个器件：DIP20(AT89C2051单片机的封装)、LED-10(数码管的封装)。通过该PCB图验证建立的封装库内的两个器件的正确性，并进行新知识的介绍。他将涵盖以下主题：设置PCB板设计规则介绍自动布线的多种方法数码管显示电路的PCB板设计教学目的及要求：1.掌握在项目中新建PCB文档2.熟练掌握设置PCB板3.熟练掌握导入元件、元件布局4.了解PCB的设计规则5.熟练掌握检查绿色高亮显示6.熟练掌握自动布线、验证PCB的设计教学重点：导入元件、元件布局教学难点：检查绿色高亮显示9.1创建PCB板9.1.1在项目中新建PCB文档在第3章的3.2中介绍了用PCB向导产生空白PCB板子轮廓的方法。本节将介绍另一种方法产生空白的PCB板。（1）启动AltiumDesigner，打开“数码管显示电路.PrjPCB”的项目文件，再打开“数码管显示电路.SchDoc”的原理图。（2）产生一个新的PCB文件。方法如下：选择主菜单中的“File”→“New”→“PCB”命令，在“数码管显示电路.PrjPcb”项目中新建一个名称为“PCB1.PcbDoc”的PCB文件。（3）在新建的PCB文件上单击鼠标右键，在弹出的下拉菜单中选择“Save”命令，打开“Save[PCB1.PcbDoc]As”对话框。（4）在“Save[PCB1.PcbDoc]As”对话框的“文件名”编辑框中输入“数码管显示电路”，单击“保存”按钮，将新建的PCB文档保存为“数码管显示电路.PcbDoc”文件。9.1.2设置PCB板（1）在主菜单中选择“Design”→“BoardOptions…”命令，打开如图9-1所示的“BoardOptions”对话框。图9-1“BoardOptions”对话框（2）在如图9-1所示的“BoardOptions”对话框的“MeasurementUnit”区域中设置“Unit”为“Metric”；勾选“SheetPosition”区域中的“DisplaySheet”复选项，表示在PCB图中显示白色的图纸；设置SnapGridX、Y：1mm，单击“OK”按钮。（3）在主菜单中选择“Design”→“BoardSharp”→“RedefineBoardSharp”命令，重新定义PCB板的形状。（4）移动光标按顺序分别在工作区内坐标为（100mm，30mm）、（190mm，30mm）、（190mm，106mm）和（100mm，106mm）的点上单击，最后单击鼠标右键，绘制一个矩形区域。重新定义的PCB板区域如图9-2所示。图9-2重新定义的PCB板区域（5）单击工作区下部的“Keep-OutLayer”层标签，选择“KeepOutLayer”层，重新定义PCB板的边框。（6）单击“Utilities”工具栏中的绘图工具按钮“”，在弹出的工具栏中选择线段工具按钮“”，移动光标按顺序连接工作区内坐标为（103，33）、（187，33）、（187，103）和（103，103）的四个点，然后光标回到（103，33）处，光标处出现一个小方框，按鼠标左键，即绘制“KeepOut”布线的矩形区域（如图9-3所示），按鼠标右键，退出布线状态。(单位：mm)。图9-3绘制布线区域的PCB板（7）在主菜单中选择“Design”→“LayerStackManager”命令，打开“LayerStackManager”对话框。（8）在“LayerStackManager”对话框中勾选“TopDielectric”复选项和“BottomDielectric”复选项，设置电路板为有阻焊层的双层板，单击“Ok”按钮。至此，PCB板的形状、大小，布线区域和层数就设置完毕了。9.2PCB板布局9.2.1导入元件（1）在原理图编辑器下，用封装管理器检查每个元件的封装是否正确（3.3节中已介绍），打开封装管理器Tools→FootprintManager。（2）在主菜单中选择“Design”→“ImportChangesFrom数码管显示电路.PrjPcb”命令，打开如图9-4所示的“EngineeringChangeOrder”对话框。图9-4“EngineeringChangeOrder”对话框（3）单击“ExecuteChanges”按钮，应用所有已选择的更新，“EngineeringChangeOrder”对话框内列表中的“Status”下的“Check”和“Done”列将显示检查更新和执行更新后的结果，如果执行过程中出现问题将会显示“”符号，若执行成功则会显示“”符号。如有错误检查错误，然后从（2）开始重新执行，没有错误后，应用更新后的“EngineeringChangeOrder”对话框如图9-5所示。图9-5应用更新后的“EngineeringChangeOrder”对话框（4）单击“EngineeringChangeOrder”对话框中的“Close”按钮，关闭该对话框，至此，原理图中的元件和连接关系就导入到PCB板中了。图9-6PCB工作区内容导入原理图信息的PCB板文件的工作区如图9-6所示，此时PCB板文件的内容与原理图文件“数码管显示电路.SchDoc”就完全一致了。9.2.2元件布局AltiumDesigner提供了自动布局功能。方法：选择主菜单Tools→ComponentPlacement→AutoPlacer弹出AutoPlace对话框。在该对话框内可以选择ClusterPlacer和StatisticalPlacer两种布局方式，目前这两种布局方式布局的效果不尽人意，所以用户最好还是采用手动布局。方法如下：（1）单击PCB图中的元件，将其一一拖放到PCB板中的“Keep-Out”布线区域内。单击元件U1,将它拖动到PCB板中靠左边靠上的区域；在拖动元件到PCB板中的“Keep-Out”布线区域时，可以一次拖动多个元件，如选择3个元件DS1-DS3（鼠标单击DS1元件的左下角，然后单击DS3元件的右上角），按住鼠标左键将它拖动到PCB板中部用户需要的位置时放开鼠标左键；如图9-7所示。在导入元件的过程中，系统自动将元件布置到PCB板的顶层（TopLayer），如果需要将元件放置到PCB板的底层（BottomLayer）按（2）步骤进行操作。图9-7移动元器件（2）双击元件“U3”，按Tab键，打开如图9-8所示的“ComponentU3”对话框。在“ComponentU3”对话框中“ComponentProperties”区域内的“Layer”下拉列表中选择“BottomLayer”项，单击“OK”按钮，关闭该对话框。此时，元件“U3”连同其标志文字都被调整到PCB板的底层，把“U3”放在DS1元件位置的底层（DS1的元件放在顶层）。图9-8“ComponentU3”对话框（3）放置其它元件布置到PCB板顶层，然后调整元件的位置。调整元件位置时，最好将光标设置成大光标，方法：单击鼠标右键，弹出菜单，选择Options→Preferences，弹出Preferences对话框，光标类型（CursorType）处：选择Large90即可。（4）放置元件时，选择于其它元件连线最短，交叉最少的原则，可以按Space键，让元件旋转到最佳位置，才放开鼠标左键。（5）如果电阻R2、R3、R10-R16排列不整齐，可以选中这些元件，在工具栏上按“”图标，弹出下拉工具，选“”图标，再选“”图标后，即可把电阻布置整齐。(6)在放置元件的过程中，可以按G键，设置元件的SnapGrid以及ComponentGrid，以方便元件摆放整齐。也可以设置PCB板是采用公制（Metric）或英制(Imperial)单位，最好采用英制单位。布置完成后的PCB板如图9-9所示。图9-9手动布局完成后的PCB板至此，元件布局完毕。（7）单击工作区中的名称为“数码管显示电路”的room框，按键盘的“del”键，将其删除。room框用于限制单元电路的位置，即某一个单元电路中的所有元件将被限制在由room框所限定的PCB范围内，便于PCB电路板的布局规范，减少干扰，通常用于层次化的模块设计和多通道设计中。由于本项目未使用层次设计，不需要使用到room边框的功能，为了方便元件布局，可以先将该room框删除。9.2.3检查绿色高亮显示运行设计规则检查：Tools→DesignRuleCheck给出错误报告如图9-10所示。图9-10设计规则检查后的错误报告从错误报告看出有2个地方出错：SilkscreenOverComponentPads与MinimumSolderMaskSliver。可以用第3章介绍的方法，从菜单选择Design→Rules（快捷键D，R）打开PCBRulesandConstraintsEditor对话框。双击Manufacturing类在对话框的右边显示所有制造规则，找到SilkscreenOverComponentPads和MinimumSolderMaskSliver两行，把Enabled栏的复选框的“√”去掉即可,表示关闭这2个规则，不进行该2项的规则检查。现在PCB板上就没有绿色的高亮显示了，如图9-15所示。图9-15清除了绿色高亮的PCB板9.2.4更改元件封装由于图9-15所示PCB板上元器件的封装用的是绘制原理图时放元器件的缺省值，C1-C4的元件封装与实际元件有差异，所以需要修改这4个元件的封装。用第3章介绍的方法将C1、C2元件的封装修改为：RAD-0.1，C3元件的封装修改为：CAPPR5-5X5，C4元件的封装修改为：RB5-10.5。修改封装后的PCB板如图9-16所示。图9-16修改封装后的PCB板9.3设计规则介绍AltiumDesigner提供了内容丰富、具体的设计规则，根据设计规则的适用范围共分为如下10个类别，下面把要经常要使用的规则作简单介绍。“Electrical”——电气规则类。“Routing”——布线规则类。“SMT”——SMT元件规则类。“Mask”——阻焊膜规则类。“Plane”——内部电源层规则类。“Testpoint”——测试点规则类。“Manufacturing”——制造规则类。“HighSpeed”——高速电路规则类。“Placement”——布局规则类。“SignalIntegrity”——信号完整性规则类。9.3.2“Routing”规则类1．“Width”设计规则“Width”设计规则用于限定布线时的铜箔导线的宽度范围。已在第3章介绍，在此将接地线（GND）的宽度设为：30mil，电源线（VCC）的宽度设为：20mil，其它线的宽度：最小值（MinWidth）10mil、首选宽度（PreferredWidth）15mil、最大值（MaxWidth）20mil。如图9-19所示。注意：铜箔导线宽度的设定要依据PCB板的大小、元器件的多少、导线的疏密、印制板制造厂家的生产工艺等多种因素决定。9.4PCB板布线9.4.1自动布线1．网络自动布线在主菜单中执行“AutoRoute”→“Net”命令，光标变成十字准线，选中需要布线的网络即完成所选网络的布线，继续选择需要布线的其他网络，即完成相应网络的布线按鼠标右键或“Esc”键退出该模式。可以先布电源线，然后布其它线。先布电源线“VCC”的电路如图9-38所示。图9-38布电源线“VCC”的PCB板2．单根布线在主菜单中执行“AutoRoute”→“Connection”命令，光标变成十字准线，选中某根线，即对选中的连线进行布线，继续选择下一根线，则对选中的线自动布线，要退出该模式，按鼠标右键或“Esc”键。他与“Net”的区别是一个是单根线，一个是多跟线。3．面积布线执行