615任务21.docx
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615任务21
项目二智能广播控制器的印制板设计
项目综述
印制线路板设计是电子专业学生必须掌握的技能，作为研发助理和研发工程师不可或却的能力。
本项目以智能广播控制器为载体，设置了三个学习型工作任务，涵盖单面板和双面的设计，自动设计到手动设计，引导你如何去胜任印制板设计岗位的工作，并为今后走向研发工程师打下基础。
在进行任务实施之前，我们先来了解一下印制电路板及其结构。
印制电路板是以一定尺寸的绝缘板为基材，以铜箔为导线，经特定工艺加工，用一层或若干层导电图形（铜箔的连接关系）以及设计好的孔（如元件孔、机械安装孔、金属化过孔等）来实现元件间的电气连接关系，在电子产品中，印制板是电子元器件的支撑体，也是电子元器件电气连接的提供者。
由于它是采用电子印制技术制作而成，所以成为“印制”线路板（PrintedCircuitBoard，简称PCB），印制电路板的结构有单面板、双面板和多层板三种。
●单面板
单面板是一种一面有敷铜，另一面没有敷铜的电路板，使用者只可以在敷铜的一面布线。
单面板由于其成本低，不用打过孔而被广泛应用。
由于单面板走线只能在一面上进行，因此，它的设计往往比双面板或多层板困难。
因为单面板结构简单，没有过孔，生产成本低，所以适用于线路相对简单、工作频率较低的电子产品。
●双面板
双面板包括顶层（TopLayer）和底层（BottomLayer）两层，双面板的双面都有敷铜，都可以布线，两面的导线通过金属化过孔（Via）相导通。
由于两面均可走线，布线设计相对容易，也能较好地解决电磁干扰问题，在复杂的电路系统，如单片机系统中广泛使用双面板。
●多层板
多层板就是包含了多个工作层的电路板，电路板包含多个独立布线层，除了顶层、底层外，还包括中间层、内部电源/接地层等。
多层板适用于复杂的集成电路，如计算机主机板、内存条、显卡等。
如图4-0（a）为一实际单面印制电路板实物图，图4-0（b）为双面印制电路板实物图。
图4-0（a）
图4-0（b）
印制板的材料目前以环氧板居多，如FR-4是目前使用最广的一种。
任务2-1话筒放大器印制板自动设计
一、任务目标
1．能力目标：
能正确导入网络表、排除封装导入时错误；能正确进行设计参数设置，运用自动设计功能进行印制线路板的设计。
2．知识目标：
能清楚表述网络表的结构与作用，说出导入时的错误原因及排除方法，能熟练说出自动设计的过程以及参数设置要点。
3．素质目标：
能培养仔细做事的习惯；培养与设计人员协作意识。
二、工作任务
本项工作任务是利用Protel的自动设计功能来完成“话筒放大器电路”的印制线路板设计。
通过本任务的具体实施，读者将熟悉自动设计的基本步骤和过程，熟悉PCB环境下的基本操作，并能实施一般电路的自动设计，为复杂电路设计打下基础。
三、任务实施
本次任务实施的流程为：
绘制／编辑电路原理图—〉生成网络表文件—〉建立印制板文件—〉规划印制板边框（尺寸）—〉从网络表文件导入封装、封装错误修改—〉元件布局—〉焊盘设定—〉布线参数设置—〉布线—〉检查与修改。
步骤1绘制／编辑电路原理图
原理图的绘制这里不再重复，编辑这里主要是指填写元件封装。
在前面的原理图绘制中，我们对元件的封装没有过多的说明和关注，但在设计印制板时，封装是一个极其重要的概念，在自动设计过程中封装的填写是非常重要，也不能出错的，否则设计后会造成瑕疵甚至元件无法安装。
什么是封装呢？
封装就是印制板中元件的符号，它兼有元件外形和元件尺寸的属性，一个元件的封装主要包含焊盘和元件外形，封装不仅要求形似（外形与实物相似），更要求神似。
常用元件封装已经在系统中存在，如果Protel99SE软件安装在C盘驱动器中，则元件封装库位于C:
\ProgramFiles\DesignExplorer99SE\Library\PCB目录下。
常用的元件封装库文件是位于GenericFootprint文件夹中的
（常用封装请参见附录2）。
在元件封装库中，每个元件封装都有一个名字。
如：
电阻的封装名为AXIAL+数字，其中数字是代表管脚（焊盘）的距离，比如AXIAL0.3代表电阻的两个管脚（焊盘）距离为300mil，AXIAL0.5代表电阻的两个管脚（焊盘）距离为500mil，同样二极管元件的封装名为DIODE+数字，双列直插式的集成电路元件的封装名为DIP+数字，其中的数字是代表管脚数目，比如DIP14代表双列直插14脚。
元件封装形式可以分为两大类：
插针式元件封装（又称DIP）和表面安装式元件封装（又称SMD）。
图4-1（a）所示的是插针式元件封装，其焊盘中心有孔，图4-1（b）所示的是表面安装式元件封装，其焊盘没有孔。
图4-1（b）
图4-1（a）
在原理图中，同类的元件其电气符号往往是相同的，仅仅是元件的型号/参数不同，如电阻不管阻值是否相同，其电气符号是一样的。
而在PCB中，同种元件可以有不同的封装，如不同功率的电阻，其尺寸不同，所用的封装也就不同，电阻的封装可以用AXIAL0.3，也可以用AXIAL0.4等，设计时关键是选用封装的尺寸必须与实际元件的尺寸匹配。
另外，不同的元件可以有相同的元件封装，如78xx系列稳压集成块、中功率三极管、可控硅等元件，其外形和尺寸一样，所以可以用同一封装。
数字集成电路中更是如此，数字集成块74LS00、74LS02、74LS04等管脚数目一样都可以用DIP14的封装形式。
在填写封装时，我们必须熟悉原理图中每个元件实际采用的器件形状及管脚等情况，也就是必须要确切知道元件的实际封装，如有不明白，必须向设计工程师咨询，比如，本任务中电位器W1、W2，如果是直接安装在板子上面，那么就必须用电位器实际的封装填写，如果是安装在面板上，则电位器的封装其实就是一个插座的封装就可以，话筒孔也是如此，我们这里用一个插座代替。
所以设计PCB板，我们必须跟产品本身联系起来。
为了能进行以下设计，我们先给出话筒放大器中所有元件的封装，大家按照此表格将封装填入图纸中。
表2-1
元件序号（Designator）
元件标称值（PartType）
元件封装（Footprint）
元件序号（Designator）
元件标称值（PartType）
元件封装（Footprint）
R1
10K
AXIAL0.3
C3
331
RAD0.1
R2
10K
AXIAL0.3
C4
331
RAD0.1
R3
1K
AXIAL0.3
C5
47μF
RB.2/.4
R4
56K
AXIAL0.3
C6
10μF
RB.2/.4
R5
1K
AXIAL0.3
C7
10μF
RB.2/.4
R6
56K
AXIAL0.3
C8
100μF
RB.2/.4
R7
3K
AXIAL0.3
C9
104
RAD0.1
R8
3K
AXIAL0.3
C10
104
RAD0.1
R9
100Ω
AXIAL0.3
C11
10μF
RB.2/.4
R10
10K
AXIAL0.3
C12
10μF
RB.2/.4
R11
470K
AXIAL0.3
C13
10μF
RB.2/.4
R12
100K
AXIAL0.3
C14
47μF
RB.2/.4
R13
82K
AXIAL0.3
2CZ1
20K
VR5
R14
720Ω
AXIAL0.3
2CZ2
20K
VR5
R15
47K
AXIAL0.3
D1
4148
DIODE0.4
R16
47K
AXIAL0.3
D2
4148
DIODE0.4
R17
47K
AXIAL0.3
U1
JR4558
DIP8
C1
104
RAD0.1
U2
LM358
DIP8
C2
104
RAD0.1
MIC1、MIC2
SIP3
说明：
电阻、电容、二极管、集成块的封装比较容易，话筒插座的封装暂时系统中没有，这里暂时用SIP3取代。
封装的填写可以采用双击原理图中元件打开元件属性对话框后输入，见任务1-1中图1-27所示，其特点是逐个填写，不易出错，但如果元件过多则可能遗漏，且效率很低；对于同类的器件（如同样封装的电阻）可以进行“批量”处理，其特点是效率相对较高。
下面介绍这一方法：
打开“话筒放大器.sch”原理图，双击其中一个电阻如R1，并将其封装AXIAL0.4填入，如图4-2（a）所示，点按
进入“批量”处理窗口，如图4-2（b）所示。
图4-2（a）
图4-2（b）
这一窗口相对比较复杂，我们可以这样来理解它：
其中左边是代表目前R1的属性，包括标号、参数、封装等；中间
是代表要批量处理的属性匹配条件，也就是说符合什么条件的元件要进行这一处理，因为我们要处理的是所有电阻，也就是匹配调件是“元件符号名称为RES2”，所以在
中填入“RES2”；右边
是代表处理后的结果，如图4-2（b）所示，将封装AXIAL0.4填入即可。
点
就完成了所有电阻的封装填入。
这一方法效率明显比单个输入高，当然在实际操作时也存在个别元件封装遗漏的问题。
下面介绍利用电子表格统一输入的方法，其特点是所有器件的标号、参数、封装在同一张表格中，可以比较，不易遗漏，另外在填写时同类的封装可以采用复制的办法，提高填写数度。
下面具体来介绍这一方法：
⏹进入原理图编辑状态。
⏹
图4-3
执行Edit下的
命令，进入电子表格向导，图4-3。
⏹按
，选择
，如图4-4所示（前面小方框中有“x”代表选中）。
图4-4
⏹按
，选择
（元件标号）、
（元件封装）、
（元件型号/参数），如图4-5所示。
图4-5
⏹再按
，我们得到话筒放大器所对应的元件标号、型号/参数以及封装的表格，如图4-6（a）所示，我们将电阻R1的封装填入Axial0.4，如图4-6（b）所示，然后选中Axial0.4，点右键，选择复制（copy），接着粘贴到R2、R3…等所有电阻的封装栏，如图4-6（c）所示。
同样的办法，将电容、插座等利用复制、粘贴等方法填入表格。
图4-6（a）
图4-6（b）
图4-6（c）
⏹到此我们已经完成所有封装的填写，而且所有内容一目了然，但这些信息是在表格中。
接下去我们将他们导入到原理图中，如图4-7所示，执行File下面的Update命令，就可以将所有信息导入到原理图中。
（打开原理图，我们可以双击任意元件检查封装是否填写完成！
）
图4-7
步骤2网络表（Netlist）生成
电脑之所以能将原理图自动转换成印制板，其关键是依靠了一个特殊的文件，即网络表文件，它记载了原理图中的所有元件信息以及元件之间的电气关系的信息，在自动设计过程中，网络表起纽带和桥梁作用。
网络表的产生比较简单，执行网络表生成命令：
Design\CreatNetlist…命令（如图4-8所示），或使用键盘快捷键D-N，执行后出现图4-9所示对话框：
图4-9
图4-8
图4-9对话框中各个选项的含义如下：
●OutputFormat：
设置生成网络表的格式。
有Protel、Protel2等多种格式。
一般选Protel即可。
NetIdentifierScope：
设置项目电路图网络标识符的作用范围，本项设置只对层次电路原理图有效。
●SheetstoNetlist：
设置生成网络表的电路图范围。
有如下三种选项：
ActiveSheet：
只对当前打开的电路图文件产生网络表。
ActiveProject：
对当前打开电路图所在的整个项目产生网络表。
ActiveSheetPlusSubSheets：
对当前打开的电路图及其子电路图产生网络表。
●Appendsheetnumberstolocalnets：
生成网络表时，自动将原理图编号附加到网络名称上。
●Descendintosheetparts：
对电路图式元件的处理方法。
●Includeun-namedsinglepinnets：
确定对电路图中没有命名的单个元件，是否将其转换为网络。
在本任务中，按照图4-9所示设置，然后点击OK按钮，系统就会自动产生网络表文件。
网络表是一种特殊的文本文件，它也可以理解成特殊的“原理图”，只是“阅读”起来很不直观。
双击后可以打开网络表文件，Protel中网络表由两个部分组成，第一部分为元件描述段，以“［”和“］”将每个元件单独归纳为一项，每项包括元件标号、参数（型号）和封装形式；第二部分为电路的网络连接描述段，以“（”和“）”把电气上相连的元件管脚归纳为一项，并定义一个网络名。
我们打开刚产生的网络表文件，并且截取一段加以说明：
[：
元件描述开始符号
R4：
元件标号（Designator）
AXIAL0.3：
元件封装（Footprint）
56K：
元件型号或参数（PartType）
]：
元件描述结束符号
……
（：
网络描述开始符号
Net2CZ3_1：
网络名称
2CZ3-1：
网络连接点：
2CZ3的第1脚
2CZ3-2：
网络连接点：
2CZ3的第2脚
R14-1：
网络连接点：
R14的第1脚
）：
网络描述结束符号
……
步骤3建立印制板文件
参照任务1-1文件创建的过程，我们在F盘下面“话筒放大器.ddb”的Documents中建立“话筒放大器.PCB”文件，如图4-10所示。
双击此文件，我们进入PCB的编辑环境，如图4-11所示。
图4-10
工作层选择标签
在PCB设计工作区下方，有一排标签
，这是用来切换PCB的不同工作层面（Layer）的。
印制电路板设计时，层是十分重要的概念，Protel99SE中提供了多个工作层面，在此介绍几个常用的工作层。
顶层（TopLayer）：
对应实际印制板的上面层。
设计单面印制板时，用来放置元件封装，对于双面板，还可以布线（即铜膜），默认布线颜色为红色。
底层（BottomLayer）：
对应印制板的下面层，一般用来布线（即铜膜）。
随着贴片元件的使用，也同时用来放置贴片元件。
顶层丝印层（TopOverly）：
在实际印制板中表现为白色的油漆层，元件的外形轮廓、元件标号和元件注释等文字、图形信息一般都在该层上。
底层丝印层（BottomLayer）：
与顶层丝印层一样，主要是底层贴片元件的外形轮廓、元件标号和元件注释等文字、图形信息。
禁止布线层（KeepOutLayer）：
用于定义放置元件和布线的范围，实际就是板子的边框。
多层（MultiLayer）：
用于放置电路板上所有的穿透式焊盘和过孔。
在一般的设计中，打开这些层已经够用了，在图4-11状态下，按键盘“L”可以选择这些层是否打开，如图4-12所示，将相应层前面钩上代表这些层打开，否则这些层关闭。
图4-12
步骤4规划印制板边框（尺寸）
作为一个产品，印制板的设计要考虑诸多因素，其中之一就是印制板的形状、尺寸，我们假设话筒放大器印制板的尺寸约为85mmx48mm，下面我们来绘制这个边框。
板子的规划有两种方法，一种是利用软件提供的“印制电路板向导”，然后按照系统的提示和引导完成板子的规划，对于像计算机中板、卡具有标准结构的板子设计是非常方便（如果自己来规划显卡等中的金手指是十分困难也容易出错的，向导中已经有了这些“标准件”的模版）。
操作如下：
⏹打开“话筒放大器.DDB”文件，双击Documents文档，在空白处单击鼠标右键，在出现的菜单中选择选择New…，启动新建文件对话框，如图4-13（a）所示。
图4-13（a）
⏹选择图4-13（a）左上角的
标签，进入图4-13（b）所示界面，选择印制板向导图标，并按
进入设计向导，如图4-13（c）所示。
图4-13（b）
图4-13（c）
⏹接下去按照系统提示进行板子大小、形状.等的设置工作，见图4-11（d），其余步骤在此省略，读者按照提示进行相关设置即可。
图4-13（d）
这种方法适合形状规则或者标准结构的电路板设计。
在实际工作中大多采用另外一种规划方式，即设计者自己手工规划，在非标准件以及特殊形状的板子设计中大多是这样。
在手工规划以及今后的印制板设计过程中，坐标数据将会是非常有用的，元件的位置、线的长度确定等，最简单的方法就是利用坐标的数据，而所有坐标的数据都是相对于坐标系中原点为参照的。
Protel给定的坐标原点称为绝对坐标原点，是在整个屏幕的左下角，如图4-14所示，实际设计时用绝对坐标有诸多不便（图必须放在左下角的区域中），设计人员常常自己设定一个坐标原点，称之为相对坐标原点。
绝对坐标
设置相对坐标的方法是点击工具条中
，然后在工作区中某位置点一下鼠标左键，这样就设置了新的坐标原点（相对坐标原点），默认状态下系统不显示坐标原点，通过以下操作将显示相对坐标原点的位置。
执行Tools/Preferences…/，如图4-15所示，在上面选择
项，在
下的
前的打钩，这时相对坐标原点就会有标志显示，如图4-16所示。
图4-15
相对坐标
有了相对坐标我们接下去来绘制板子的边框：
⏹首先，我们用鼠标左击工作区下面的KeepOutLayer标签，切换到禁止布线层。
⏹执行菜单Place\Line或工具条中的
按钮来放置连线。
此时光标变成“十”字状，如图4-17所示，按组合键“Ctrl+End”（“Ctrl+Home”光标跳到绝对坐标原点）使光标自动跳到相对坐标原点（可以同时观测左下角的坐标状态数据），如图4-18所示，按鼠标左键，确定线的起点，移动鼠标，拉出一条85mm长的线条。
⏹
图4-17
图4-18
提示1：
Ｐrotel中表示线条、焊盘等尺寸的单位有两种，一种是英制单位mil，另外一种是公制单位cm，两者之间的关系是1mil=0.0254mm。
在操作中单位可以通过按键盘“Q”来切换，也可通过执行菜单View\ToogleUnits在英制（Imperial）和公制（Metric）来选择。
提示2：
如果拉线时对线的长度不能很好把握的话，可以先大致拉一条。
然后双击这条线，出现图4-19（a）所示的线属性框，从这里可以看出，这条线起点是（0，0），终点是（111.76，0），将终点数据修改为（85，0），这样线的长度（根据坐标可知线长为85mm）就绘制完毕，在此大家可以体会坐标数据在这里的作用。
图4-19（b）
用同样的方法，从原点绘制一条长度为48mm的垂直边。
如图4-20所示。
图4-20
在绘制长方形的另外两条边时，读者可以自己拉线绘制，得到一个完整的矩形边框。
但在操作时，由于操作不熟练或移动过程中操作失误等因素，往往可能会造成矩形的边不能很好地对齐，以下二种方法可以解决这一问题，而且可以提高效率。
方法一：
⏹用拉框的办法将已经绘制的两条边选中（此时线条显示为白色），如图4-21（a）所示，按组合键“Ctrl+C”，然后在其中的一端点用鼠标点一次（确认端点为参考点，非常重要！
），按组合键“X+Ａ”，撤消选中（线条恢复为紫色）。
⏹按组合键“Ctrl+Ｖ”进行粘贴，此时出现刚才要复制的两条线，按空格键两次调整方向，并移动位置，如图4-21（b）所示，使其正好能与原来的两条线对接成矩形，如图4-21（c）所示，此时矩形边框就生成。
图4-21（b）
图4-21（a）
图4-21（c）
方法二：
先大致绘制任意四条线，然后逐条双击这四条线，将线的起点、终点数据填入，这样可以保证矩形的四条边精确对齐。
对于非矩形的印制板边框，如图4-22所示。
可以借助直线、圆弧等方法来绘制，在操作过程中有时会发现光标移动的步长太以致图形绘制不够精致，可以按键盘“G”，这时出现光标步长选择清单，如图4-23所示，我们可以选择1mil，这样不同形状的板子都能绘制了。
图4-23
图4-22
提示：
在操作过程中，以下功能键会提高你的工作效率，也会使操作变得得心应手。
空格键：
使选中的对象逆时针旋转90度。
Ｘ键：
使对象做水平方向镜像调整。
Ｙ键：
使对象做垂直方向镜像调整。
PageUp：
放大工作窗口。
PageDown：
缩小工作窗口。
End：
刷新工作窗口。
Ｖ－Ｆ：
全屏显示
步骤５从网络表文件导入封装、封装错误修改
规划好PCB外形和尺寸之后，就可以把创建好的网络表文件导入到PCB编辑环境中了，其实质就是将原理图中元件对应的封装和各个元件之间的连接关系装入到PCB设计系统中，用来实现电路板中元件的自动放置、自动布局和自动布线。
系统提供两种网络表的装入方法。
一种是直接装入网络表文件，另一种是利用同步器（Synchronizer）。
下面分别来介绍：
１）直接装入网络表
⏹在PCB编辑器中，执行菜单Design\LoadNets…，或使用键盘快捷键D-N来导入网络表，弹出如图4-24所示的对话框。
在该对话框中有两个复选框，如选取
（Deletecomponentsnotinnetlist）项，则系统将会在加载网络表之后，与当前电路板中存在的元件做比较，将网络表中没有的元件而在当前电路板中存在的元件删除掉。
如选取
（Updatefootprint）项，则会自动用网络表中存在的元件封装替换当前电路板上的相同元件的封装。
这两个选项，适合于原理图修改后的网络表重新装入。
图4-24
⏹在Netlistfile文本框中输入加载的网络表文件名。
也可以单击
按钮，弹出如图4-25所示的对话框，查找网络表文件。
如选择“话筒放大器.NET”文件后，单击OK按钮，系统开始自动生成网络宏（NetlistMacros），并将有关信息在装入网络表的对话框中列出，如图4-26所示。
图4-25
图4-26
⏹生成网络宏时有可能会出错，图4-26中列表框右面Error栏处会列出相关的错误或警告信息。
如出现错误或警告，应该返回到原理图编辑器中修改错误，并重新生成网络表，然后再切换到PCB文件中进行操作。
下面来介绍如何排除典型的错误。
错误一：
，后面未显示的英文是“NotFound”。
提示信息：
代表封装DIP-8没有找到。
错误原因：
该封装所在库未加载，或者封装名称填写错误。
解决方法：
若是前者的话要加载封装库，如图4-27所示。
若是后者，则重新核实封装名称，本例中是填写错误，正确的应该是DIP8（所有插针式集成电路的封装软件会自动填写，但全部是错误的，中间多了“-”，去掉后即可）。
添加库文件
错误二：
提示信息：
代表节点没找到，所谓节点这里指焊盘。
错误原因：
封装已找到，但封装中焊盘编号与原理图中元件引脚号没有对应，如：
原理图中的二极管其管脚编号为1，2，在印制板中其封装DIODE0.4的焊盘编号却是A，K，如图4-28所示，这样两者不能对应。
提示：
原理图中一般不显示元件的管脚号，若要显示，只要双击某元件，在元件属性窗HiddenPin后面打钩就可，见任务1-1中图1-27（a）所示。
解决方法：
将封装中焊盘编号A，K分别改为1，2就可，当然修改原理图中元件引脚号也可以，但要进入元件符号编辑环境修改，一般我们建议修改封装。
修改时注意管脚的对应关系，因为二极管有极性的
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