Protel电子电路设计

实验指导与典型电子教案模块名称ProtelDXP电子电路设计模块级别高级模块简介通过本阶段的学习，使学生熟练掌握PROTEL工具软件的使用和原理图、印刷板图的设计与制作并掌握SMT系统的操作技术。模块目标1、熟练掌握原理图绘制输出方法；2、掌握调用和建立库元件的方法；3、掌握模块化原理图设计方法；4、掌握复杂的PCB设计方法；5、掌握PCB设计中的规则和技巧。实训内容1、原理图绘制技术；2、原理图编辑技巧；3、电路原理图后期处理；4、复杂PCB图的编辑设计；5、网表转换与自动布局；6、混合布线及其规则设计。评价标准1、是否能够熟练掌握原理图绘制输出方法2、是否能够掌握调用和建立库元件的方法3、是否能够掌握模块化原理图设计方法4、是否能够掌握复杂的PCB设计方法；5、是否对测试过程中的其它相关知识具有一定的掌握或了解6、掌握PCB设计中的规则和技巧7、是否能够掌握混合布线及其规则设计评价方法1、培训对象按照要求，用ProtelDXP软件熟练绘制原理图、原理图库文件、PCB、以及PCB库文件。2、培训对象按照要求，在PCB高级设计中能完成电气规则设计，以及合理布局布线。印刷电路板(PCB)设计实训一、实训目的1、学习PCB设计基础知识。2、学习掌握高速PCB设计方法。3、学习掌握PCB的加工、制作方法。二、实训理论基础电子技术基础、元件工艺基础、电路CAD、PCB设计相关理论知识三、实训内容四、实训考核办法实训成绩考核内容有实训表现与态度（20%）、实训操作过程和实训内容掌握程度（50%）、实训报告的内容与文字表达（30%）组成，成绩分为优、良、中、及格、不及格五等，具体实训成绩评定标准参见附件。五、实训报告格式格式必须包括实训目的、实训准备、实训要求、实训内容、实施方案、实训结果、实训心得等。实训报告统一用实训报告纸书写，具体实训报告样表参见实训报告纸。六、参考资料《印刷电路板（PCB）设计与制作》，曾峰，电子工业出版社一、PCB设计基本概念1、“层(Layer)”的概念与字处理或其它许多软件中为实现图、文、色彩等的嵌套与合成而引入的“层”的概念有所不同，Protel的“层”不是虚拟的，而是印刷板材料本身实实在在的各铜箔层。现今，由于电子线路的元件密集安装。防干扰和布线等特殊要求，一些较新的电子产品中所用的印刷板不仅有上下两面供走线，在板的中间还设有能被特殊加工的夹层铜箔，例如，现在的计算机主板所用的印板材料多在4层以上。这些层因加工相对较难而大多用于设置走线较为简单的电源布线层（如软件中的GroundDever和PowerDever），并常用大面积填充的办法来布线（如软件中的ExternaIP1a11e和Fill）。上下位置的表面层与中间各层需要连通的地方用软件中提到的所谓“过孔（Via）”来沟通。有了以上解释，就不难理解“多层焊盘”和“布线层设置”的有关概念了。举个简单的例子，不少人布线完成，到打印出来时方才发现很多连线的终端都没有焊盘，其实这是自己添加器件库时忽略了“层”的概念，没把自己绘制封装的焊盘特性定义为“多层”（Mulii一Layer）的缘故。要提醒的是，一旦选定了所用印板的层数，务必关闭那些未被使用的层，免得惹事生非走弯路。2、过孔(Via)为连通各层之间的线路，在各层需要连通的导线的文汇处钻上一个公共孔，这就是过孔。工艺上在过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属，用以连通中间各层需要连通的铜箔，而过孔的上下两面做成普通的焊盘形状，可直接与上下两面的线路相通，也可不连。一般而言，设计线路时对过孔的处理有以下原则：（1）尽量少用过孔，一旦选用了过孔，务必处理好它与周边各实体的间隙，特别是容易被忽视的中间各层与过孔不相连的线与过孔的间隙，如果是自动布线，可在“过孔数量最小化”（ViaMinimiz8tion）子菜单里选择“on”项来自动解决。（2）需要的载流量越大，所需的过孔尺寸越大，如电源层和地层与其它层联接所用的过孔就要大一些。3、丝印层（Overlay）为方便电路的安装和维修等，在印刷板的上下两表面印刷上所需要的标志图案和文字代号等，例如元件标号和标称值、元件外廓形状和厂家标志、生产日期等等。不少初学者设计丝印层的有关内容时，只注意文字符号放置得整齐美观，忽略了实际制出的PCB效果。他们设计的印板上，字符不是被元件挡住就是侵入了助焊区域被抹赊，还有的把元件标号打在相邻元件上，如此种种的设计都将会给装配和维修带来很大不便。正确的丝印层字符布置原则是：“不出歧义，见缝插针，美观大方”。4、SMD的特殊性Protel封装库内有大量SMD封装，即表面焊装器件。这类器件除体积小巧之外的最大特点是单面分布元引脚孔。因此，选用这类器件要定义好器件所在面，以免“丢失引脚（MissingPlns）”。另外，这类元件的有关文字标注只能随元件所在面放置。5、网格状填充区（ExternalPlane）和填充区(Fill)正如两者的名字那样，网络状填充区是把大面积的铜箔处理成网状的，填充区仅是完整保留铜箔。初学者设计过程中在计算机上往往看不到二者的区别，实质上，只要你把图面放大后就一目了然了。正是由于平常不容易看出二者的区别，所以使用时更不注意对二者的区分，要强调的是，前者在电路特性上有较强的抑制高频干扰的作用，适用于需做大面积填充的地方，特别是把某些区域当做屏蔽区、分割区或大电流的电源线时尤为合适。后者多用于一般的线端部或转折区等需要小面积填充的地方。6、焊盘(Pad)焊盘是PCB设计中最常接触也是最重要的概念，但初学者却容易忽视它的选择和修正，在设计中千篇一律地使用圆形焊盘。选择元件的焊盘类型要综合考虑该元件的形状、大小、布置形式、振动和受热情况、受力方向等因素。Protel在封装库中给出了一系列不同大小和形状的焊盘，如圆、方、八角、圆方和定位用焊盘等，但有时这还不够用，需要自己编辑。例如，对发热且受力较大、电流较大的焊盘，可自行设计成“泪滴状”，在大家熟悉的彩电PCB的行输出变压器引脚焊盘的设计中，不少厂家正是采用的这种形式。一般而言，自行编辑焊盘时除了以上所讲的以外，还要考虑以下原则：（1）形状上长短不一致时要考虑连线宽度与焊盘特定边长的大小差异不能过大；（2）需要在元件引角之间走线时选用长短不对称的焊盘往往事半功倍；（3）各元件焊盘孔的大小要按元件引脚粗细分别编辑确定，原则是孔的尺寸比引脚直径大0.2-0.4毫米。7、各类膜（Mask）这些膜不仅是PCB制作工艺过程中必不可少的，而且更是元件焊装的必要条件。按“膜”所处的位置及其作用，“膜”可分为元件面（或焊接面）助焊膜（ToporBottom和元件面（或焊接面）阻焊膜（ToporBottomPasteMask）两类。顾名思义，助焊膜是涂于焊盘上，提高可焊性能的一层膜，也就是在绿色板子上比焊盘略大的各浅色圆斑。阻焊膜的情况正好相反，为了使制成的板子适应波峰焊等焊接形式，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，用于阻止这些部位上锡。可见，这两种膜是一种互补关系。由此讨论，就不难确定菜单中类似“solderMaskEn1argement”等项目的设置了。8、飞线飞线有两重含义：（1）自动布线时供观察用的类似橡皮筋的网络连线，在通过网络表调入元件并做了初步布局后，用“Show命令就可以看到该布局下的网络连线的交叉状况，不断调整元件的位置使这种交叉最少，以获得最大的自动布线的布通率。（2）布线结束，还有哪些网络尚未布通，也可通过该功能来查找。找出未布通网络之后，可用手工补偿，实在补偿不了就要用到“飞线”的第二层含义，就是在将来的印板上用导线连通这些网络。要交待的是，如果该电路板是大批量自动线生产，可将这种飞线视为0欧阻值、具有统一焊盘间距的电阻元件来进行设计.二PCB设计的一般方法本节的目的在于说明如何使用印制板设计工具进行印制板流程的设计和一些注意事项，为项目组的设计人员提供设计规范，方便设计人员之间进行交流和相互检查。2．1设计流程PCB的设计流程分为设计准备、网表输入、规则设置、元器件布局、布线、检查、复查、输出八个步骤。1．PCB设计准备（1）标准元件的建立物理元件可看成是电子器件的封装尺寸在PCB上的一个平面映像，设计前要考虑布线及生产工艺的可行性。由于布线时需要在两引脚之间走线，这要求焊接元件引脚的焊盘有一个合适的尺寸。焊盘过小，金属化孔的孔径就小，如果元器件是表面安装的话，金属化孔作为导通孔，孔径小问题不大，但若元器件是通孔安装（THM）的，如DIP双列直插封装的元器件，孔径过小，在装配时，器件引脚的插入就有困难，也可能导致器件的焊接困难，这必将影响整个PCB的可靠性。但焊盘过大布线时将降低布通率。所以，给焊盘设计一个合理的尺寸是十分重要的。（2）特殊元件的建立对于特殊元件尺寸即非标准物理元件上的尺寸，必须查阅有关资料或对电子器件进行实际测量，它包括外形尺寸、焊盘的大小、引脚序号排列等。有时为了需要，可以把一个定型的电路建成一个库元件，也可以把相同电路模块建成一个库元件来使用，这样在PCB设计中能省时省事，得到事半功倍的效果。（3）具体印制板设计文件的建立有了逻辑图（或网络表）、物理元件库和PCB板形的描述，就可对某一块PCB板进行具体设计了，主要包括以下事项：①门分配，将门电路分配到具体的元器件上，同时也初步确定元件的数量与空间位置。②可交换封装形式的信息的建立。③网络表的建立。④检查各种描述的数据。这一过程往往出错较多，在种种描述之中有互相矛盾冲突发生，需根据反馈信息进行修正，再重复建立设计文件，直至完全正确为止。2．网表输入网表输入有两种方法，一种是使用PowerLogic的OLEPowerPCBConnection功能，选择SendNetlist，应用OLE功能，可以随时保持原理图和PCB图的一致，尽量减少出错的可能。另一种方法是直接在PowerPCB中装载网表，选择File→Import，将原理图生成的网表输入进来。3．规则设置如果在原理图设计阶段就已经把PCB的设计规则设置好的话，就不用再设置这些规则了，因为输入网表时，设计规则已随网表输入到PowerPCB中了。如果修改了设计规则，必须保证原理图和PCB的一致。除了设计规则和层定义外，还有一些规则需要设置，比如PadStacks，需要修改标准过孔的大小。如果设计者新建了一个焊盘或过孔，一定要加上Layer25。注意，PCB设计规则、层定义、过孔设置、CAM输出设置已经做成默认启动文件，名称为Default．stp，网表输入进来以后，按照设计的实际情况，把电源网络和地分配给电源层和地层，并设置其他高级规则。在所有的规则都设置好以后，在PowerLogic中，使用OLEPowerPCBConnection的RulesFromPCB功能，更新原理图中的规则设置，以保证原理图和PCB图的规则一致。4．元器件布局网表输入以后，所有的元器件都会在工作区的零点，重叠在一起，下一步的工作就是把这些元器件分开，按照一些规则摆放整齐，即元器件布局。PowerPCB提供了两种方法，手工布局和自动布局。（1）手工布局①根据工具印制板的结构尺寸画出极边（BoardOutline）。②在板边的周围放置元器件。③把元器件一个一个地移动、旋转，放到板边以内，按照一定的规则摆放整齐。（2）自动布局PowerPCB提供了自动布局，但对大多数的设计来说，效果并不理想，不推荐使用。（3）注意事项①布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起。②数字器件和模拟器件要分开，尽量远离。③去耦电容尽量靠近器件的VCC。④放置器件时要考虑以后的焊接，不要太密集。⑤多使用软件提供的Anny和Union功能，以提高布局的效率。5．布线布线的方式有两种，手工布线和自动布线。PowerPCB提供的手工布线功能十分强大，包括自动推挤、在线设计规则检查（DRC），自动布线由布线引擎进行，通常这两种方法配合使用，常用的步骤是手工—自动—手工。（1）手工布线自动布线前，先用