《电子CAD》教案2016年(48学时)—李院林(项目五)

一、 授课内容：

认识印制电路板；

进入PCB编辑器工作环境及参数设置； 印制电路板设计的基本操作 二、教学目的要求： 认识认识印制电路板；

熟悉PCB编辑器工作环境及参数设置; 了解印制电路板设计的基本操作； 三、教材分析：

教学重难点：掌握PCB编辑器工作环境及参数设置;

掌握印制电路板设计的基本操作； 四、教学设想：

1）教学方法设想：讲授、演示与上机操作相结合，使之更具有说服力和及时巩固的效果。

2）教具运用设想：计算机、投影仪。 五、教学过程：

任务一认识印制电路板 【任务目标分析】

主要是明确设计印制电路板所必需的知识，如什么是印制电路板、怎么样进行印制电路板设计；印制电路板上组件的一些基本知识，如元件封装、铜膜走线、焊盘、过孔、禁止布线层等。

【基本讲解及指导】

一、印制电路板的结构和分类 二、印制电路板上的组件

1、元件封装（Footprint） 2、铜膜走线（Track）

铜膜走线就是用于连接各个焊盘的导线，也简称走线。它是印制电路板中最重要的部分，几乎所有的印制电路板的设计工作都是围绕如何走线进行的。一般铜膜走线在顶层走水平线，在底层走垂直线。而顶层与底层走线之间的连接采用过孔连接。另外，还有一种与铜膜走线密切相关的线叫飞线。飞线是系统在引入网络表以后，根据电路原理图中网络的连接情况生成的用来指示布置铜膜走线的一种连接。

3、焊盘（Pad）：焊盘的作用是放置焊锡，连接铜膜走线和元器件引脚。 4、过孔（也称为金属化孔）

过孔（Via）的作用是用于连接不同板层间的铜摸走线。

过孔有三种类型：即穿透式过孔、半隐藏式过孔和隐藏式过孔， 5．禁止布线层（Keep Out Layer）

禁止布线层用于确定电路板的尺寸和布线的范围。 6．丝印层（Overlay）

丝印层用于书写文字、元件参数说明等。丝印层又分为顶层丝印层（Top Overlay）和底层丝印层（Bottom Overlay）。

7．机械层（Mechanical）

机械层用于放置指示性文字，如电路板尺寸。

三、如何设计印制电路板

在计算机上利用Protel 99来设计印制电路板有以下两种方法： 1、手工布线法：

（1 ）进入（PCB ）编辑环境，人工确定电路板的层面和尺寸； （2 ）人工放置元件的封装； （3 ）调整元件封装的布局；

（4 ）根据原理图，人工放置铜膜走线和标注； （5 ）存盘或打印文件。

2、自动布线法（利用原理图自动设计印制电路板）

（1）使用原理图编辑器设计电路原理图，产生网络表（Netlist）； （2）进入（PCB ）编辑器，确定电路板的层数、尺寸等参数； （3）加载网络表；

（4）自动布局元件与人工调整元件相结合，将元件合理地分布在电路板上； （5）设置自动布线规则，进行自动布线； （6）手工修改走线以及调整元件标注； （7）存盘或打印文件。

任务二进入PCB编辑器工作环境及参数设置 【任务目标分析】

主要对PCB编辑器界面有了一个基本的认识，掌握了如何设置PCB编辑器工作环境，例如窗口的缩放、印制电路板板层和栅格的设置、环境参数对话框的设置等。

【基本操作讲解及指导】 一、进入PCB编辑器工作环境

1．菜单栏：包含了“File”（文件）、“Edit”（编辑）、“View”（浏览）、“Place”（放置）、“Design”（设计）、“Tools”（工具）、“Auto Route”（自动布线）等菜单。

2．主工具栏：与原理图编辑器相似，在印制电路板编辑、设计过程中，除了可以使用菜单命令操作外，PCB编辑器也将一系列常用的菜单命令以工具按钮形式罗列在“主工具栏”内，用鼠标单击“主工具栏”上的某一“工具”按钮，即可迅速执行相应的操作。

3、 PCB管理器（Browse PCB）该管理器用于电路板中元件封装库（Library）、网络（Nets）、网络分类（Net Classes）、元件、元件分类（Component Classes）的管理。

4．放置工具栏；

5、板层切换标签；在编辑区下方显示了目前已打开的工作层和当前所处的工作层（用鼠标单击板层切换标签可以切换板层）。

6．印制板编辑区：

印制板编辑区内显示的栅格线是第二栅格线，大小为1000mil，即25.4mm。在Protel 99SE PCB编辑器中，可以选择英制（单位为mil）或公制（单位为mm）两种长度计量单位，彼此之间的换算关系如下：

1mil=0.02mm 10mil=0.2mm 100mil=2.mm 1000mil(1英寸)=25.4mm 二、电路板参数的设置

1、电路板板层和栅格的设置

使用Design/Options菜单命令进入电路板板层和栅格的设置。

（1）Layers页面：

（2）Options页面：该页面主要是用于栅格的设置。 2、电路板环境参数的设置

执行Tools/Preferences命令，屏幕显示如图5-14所示设置环境。可以看出共有6个页面：Options（选项设置）、Display（显示内容设置）、Color（工作层颜色设置）、Show/Hide（显示/隐藏设置）、Defaults（默认设置）、Signal Integrity信号完整检查设置）。

实训6、555定时器应用电路的印制电路板设计（4学时）

一、 授课内容：

二、教学目的要求：通过学习手工布线设计“555定时器应用电路”的印制电路板，来掌握手工设计印制电路板的一般设计方法和技巧。

三、教材分析：

教学重难点： 四、教学设想：

1）教学方法设想：上机操作，加强练习。 2）教具运用设想：计算机、投影仪。 五、教学过程：

【基本操作讲解及指导】

一、手工设计印制板

手工设计印制板就是用手动操作的方法完成布局和布线工作。 1、准备工作

(1) 熟悉原理图。电路板是根据原理图进行设计的，因此在设计前对原理图中的连接关系、元件及其对应的封装形式应该做到心中有数。图5-21所示原理图中元件的有关参数如表5-2所示。

(2) 进入PCB编辑器状态。执行File/New...菜单命令，在选择文件类型对话框中双击“PCB Document”图标建立PCB文档（例如：555定时器应用电路），打开该文档进入PCB编辑器状态。

(3) 设置工作层。执行Design/Option...菜单命令，在调出的“Document Options”对话框中的“Layer” 页中设置需要打开的层。通常在设计双面板时，采用默认设置即可。设计单面板时，在打开双面板所需的层之中，还应关闭顶层（Top）和底层丝印层（Bottom Screen Layer）。

(4) 设置栅格和计量单位。在“Document Options”对话框中的“Options”页中设置栅格的尺寸和种类(默认值)，打开电气栅格功能并设置搜索半径（5mil），选择度量单位制（英制）。

(5) 调入元件库。执行Design/ Add/Remove Library...菜单命令，在调出的对话框中选择设置“Advpcb.ddb”元件库，按“OK”按钮，关闭对话框。 (6) 调整显示比例。反复按“Page Up”键，将显示比例调至合适（能看清第2栅格线）。 2、手工布局

(1) 绘制电路板轮廓线。执行Place/Track命令进入放置走线状态，在“Keep Out Layer”（禁止布线层）画出印制板的轮廓线（2000×2000mil）。若轮廓尺寸不合适，可执行Edit/Move/Drag命令用拖动移动走线的方法进行调整。

(2) 放置元件。执行Place/Components菜单命令，在调出的对话框中输入元件（封装形式）名称、标号和注释（参数型号等），按“OK”按钮关闭对话框，移动元件到合适位置后单击鼠标左键将该元件放置。所有元件放置完毕后，单击鼠标右键或对话框中的“Cancel”按钮关闭对话框。参照表5-2放置元件后的印制板如图5-22所示。原理图中的电源和接地符号没有对应的封装形式，在印制板图中放置了3个带有相应标注的焊盘与其相对应。

图5-22 放置了元件的情况

(3) 调整元件布局。执行Edit/Move/Component命令，选择元件后单击鼠标左键使其处于可移动状态。移动元件到合适位置后，单击鼠标左键放置元件。将所有元件重新布局后，单击鼠标右键或按“Esc”键退出移动元件状态。调整布局后印制板如图5-23所示。

图5-23 调整元件布局图5-24 调整元件标注

(4) 调整元件标注位置。执行Edit/Move/Move命令，移动光标选择标注，单击鼠标左键使其处于可移动状态。移动标注到合适的位置后，单击鼠标左键将其固定。将所有标注移动到合适的位置后，单击鼠标右键盘或按“Esc”键退出移动状态。以上方法也可以用来移动其他对象。调整标注后的印制板如图5-24所示。 3．手工布线

(1) 放置走线。执行Place/Track命令进入放置走线状态，（或用画线工具）移动光标到欲放置走线的起点端，单击鼠标左键开始放置。在放置过程中按“Shift + 空格键”可以改变走线的方式；若改变当前层时，将会自动在当前层位置放置一个过孔。一段走线放置完毕后，单击鼠标左键后可继续放置走线，单击鼠标右键，可以重新选择起点，按上述方法继续画线。再次单击鼠标右键或按“Esc”键退出放置走线状态。布线后的印制板如图5-25所示。

图5-25 放置走线后的结果(单面板)

(2) 布线的调整。当手工布线的结果不太理想时，就需要对布线进行调整，实际上就是对不理想的设计对象（走线、过孔、焊盘等）进行删除、移动或重新布线等操作。 执行Edit/Delete命令进入删除状态，移动光标选择需要删除的设计对象，单击鼠标左键或按下回车键即可将选中的设计对象删除。若选中的焊盘或过孔与走线相连，则会出现类似于如图5-26所示的对话框，列出过孔及相连走线的有关信息，在其中选择需要删除的对象并单击鼠标左键进行删除。删除完毕后单击鼠标右键或按“Esc”键退出删除状态。 需要移动走线时执行Edit/Move/Drag命令进入拖动移动状态，选择走线后单击鼠标左键使其可随光标移动，移动走线到合适位置后再次单击鼠标左键将其固定。单击鼠标右键或按“Esc”键退出拖动移动状态。

(3) 对象属性的修改。电路板中设计对象（元件、焊盘、过孔、走线、字符串等）的属性不合适时，可双击该对象调出其属性对话框，然后在其对话框中进行设置修改。

(4) 保存文件。绘制完成后，执行File/Save命令将绘制好的电路板图保存起来。

项目五单管放大器电路印制电路板的设计2（2学时） 一、 授课内容：

调入网络表 自动布局元器件

布线规则设置与自动布线 印制电路板设计实例 印制电路板的输出打印 二、教学目的要求：

巩固电路板的设计流程

了解自动布局元器件及自动布线的操作 掌握印制电路板设计的操作

三、教材分析：

教学重难点：自动布局元器件及自动布线的操作 四、教学设想：

1）教学方法设想：讲授、演示与上机操作相结合，使之更具有说服力和及时巩固的效果。

2）教具运用设想：计算机、投影仪。 五、教学过程：

图6-1 单管放大器电路原理图

任务一调入网络表 【任务目标分析】

图6-1为单管放大器原理图，任务目标是把原理图设计产生的网络表调入到PCB编辑器之中。网络表是印制电路板自动布线的灵魂，也是原理图设计与印制电路板设计之间的桥梁，其主要作用是支持印制电路板设计系统中的自动布线。

【基本操作讲解及指导】 一、认识网络表 1、概念：

网络表是描述电路元件的编号、封装和元件管脚之间连接关系的列表。 2、网络表结构说明：

图6-1所示电路的网络表如下： [ C1

rad0.2 0.01uF ] 中括号中描述了C1元件，它的FootPrint是rad0.2，它的Part Type是0.01uF.

[ Q1 to-92b

2N2222A

] 中括号中描述了Q1元件，它的FootPrint是to-92b，它的Part Type

是2N2222A.

(

GND ------------- 网络名（相当于一个节点） C3-1 -------------元件C3和它的引脚1 R3-1 -------------元件R3和它的引脚1 R4-1 -------------元件R4和它的引脚1 J1-1 ------------元件J1和它的引脚1 J2-2 ------------元件J2和它的引脚2

) 小括号中描述了网络GND, 有5个元件的引脚连接在一起,它们是C3元件的1脚，R3元件的1脚，R4元件的1脚，J1元件的1脚，J2元件的2脚。

( B -------------- 网络名（相当于一个节点） C1-2 元件C1和它的引脚2

Q1-2 元件Q1和它的引脚2（基极b） R1-1 元件R1和它的引脚1 R3-2 元件R3和它的引脚2

) 小括号中描述了网络B, 有4个元件的引脚连接在一起,它们是C1元件的2脚，Q1元件的2脚（基极b），R1元件的1脚，R3元件的2脚。

知道了网络表的结构，就可以在文本编辑器中编辑网络表，例如封装名错误，可以将它改正，若原理图引脚号与封装焊盘号不一致，也可以将它改正。

二、调入网络表（即将原理图生成的网络表调入印制电路板设计环境） （1）在印制板编辑环境状态下,执行Design/Netlist...命令，

（2）在如图6-2所示对话框输入需要调入的网络表文件名；或者按“Brows”按钮， （3）加载后的网络表编辑器对话框，如图6-4所示。

图6-4 加载后的网络表编辑器对话框

系统自动调入并分析指定网络表文件，分析结果在图6-4下方的列表框中列出，并且在状态说明栏中显示运行结果，在错误提示栏中显示发现的错误或警告信息，双击该行可显示错误或警告的完整信息。出现以“Warning:”打头的警告信息，一般是因为某些元件有悬

空的管脚，这时可根据实际情况确定是否修改，出现以“Error:”打头的错误信息，一般是由于元件没有定义封装形式或定义的封装形式不正确，有可能导致某些元件不能调入到布局区域中，这时应该按“Cancel”按钮关闭对话框并回到原理图编辑状态下检查并修改存在的错误。

(4) 修改后重复上述步骤重新调入网络表，当没有错误提示时按“Execute”按钮，系统将把网络表中所有元件和连接关系放置到光标当前位置上，如图6-5所示。

图6-5 调入网络表后的印制板

三、网络宏错误的处理 一旦选择好网络表文件，编辑器就首先将网络表变成可执行的宏命令，同时将错误也显示在窗口中，如图6-6所示。

1、宏错误类型：网络表中的宏错误分两种情况：错误（Error ）或警告（Warning） （1）Footprint not found in Library：

错误：宏命令使用了当前元件封装库中不存在的元件封装。 （2）Component not found：

错误：宏命令企图删除、修改或引用不存在的元件。 （3）Component already exists： 错误：宏命令企图增加已经存在的元件。 （4）Net not found：

错误：宏命令企图删除、修改或引用不存在的网络。

（5）Net already exists：

错误：宏命令企图增加已经存在的网络。

（6）Altemative footprint used instead(warning)： 2、处理方法：

（1）双击上图6-6对话框中的错误提示行：出现编辑所选择的宏命令的对话框，如图6-7所示。

这个宏命令的错误是J2的封装错误，只要在Footpirnt编辑框中：把“SIP-2”修改为“SIP2”，修改后单击OK按钮退出该对话框

（2）用鼠标右键单击该错误行：弹出如图6-8所示菜单。

Add…：增加宏命令。

Delete：删除所选择的宏命令。 Clear List：删除所有宏命令。 Validate：重新检验宏命令是否有错误。

Regenerate：重新产生宏命令。就象开始调入网络表。 Report：有关宏命令的报告。

Properties：编辑所选择的宏命令。窗口见图6-7。

（3）单击Validate命令，会发现错误已经排除，如图6-4所示。 任务二自动布局元器件 【任务目标分析】

元器件布局的好坏直接影响到布线工作和印制板的性能，一般来说，自动布局的效果并

不理想，需要进行手工调整，尽量减少网络飞线之间的交叉。

【基本操作讲解及指导】

在印制电路板（PCB）编辑器中，调入网络表之后，便是布局元器件的工作：其操作方法如下：

1、设置布局参数

(1) 设置元件之间的安全距离 (2) 设置元件放置方向 (3) 设置不需要布线的网络 (4) 设置哪一层放置元件 2、自动布局元件

执行Tools/Auto Place菜单命令， (1) 选择布局方式 (2) 自动布局元件 (3) 停止自动布局元件

如果在布局过程中想终止布局，可以执行Tools/Stop Auto Place菜单命令。 3、手工调整布局

手工移动元件的方法有：

（1）设置拉开元件的拉开次数：

（2）单击Tools（工具）/Align Components（排齐元件）/ Shove命令，光标变成十字，用十字光标单击要拉开的元件，元件就会被均匀拉开。

（3）如果元件排列不尽如人意，可以采用拖拽的方式，分别将元件一个个拖出来，在选中元件时，按空格键可以将该元件旋转，每按一次空格键，该元件就逆时针旋转90º。

图6-13(b)经手工调整后的布局如图6-15所示。

图6-15 手工调整后的布局结果

【练一练】

在任务一【练一练】的两个练习题（调入网络表）基础之上，完成以下内容： 1、打开“单管放大器”设计数据库，打开相应的PCB文件，确定印制板大小（50mm×40mm）,调入正确无误的网络表，然后对元器件进行自动布局和手工调整布局（结果参考图6-15）。

任务三布线规则设置与自动布线 【任务目标分析】

印制电路板自动布线前必须先设置好布线的规则和参数，自动布线后的结果，一般有一

些不尽如人意的地方，需要进行手工调整、修改其布线。

【基本操作讲解及指导】 一、布线规则的设置

1．设置一般布线规则 (1) 进入布线规则设置状态 (2) 设置安全间距约束

①在规则选择栏中选择“Clearance Constraint”项后按“Add”按钮，调出如图6-18所示安全间距设置对话框。

②设置规则适用范围、适用网络类型和最小间距，按“OK”按钮关闭对话框。 (3) 设置走线转折方式 (4) 设置布线层

①在规则选择栏中选择“Routing Layer”项后按“Add”按钮，调出如图6-20所示布线层设置对话框。

②设置规则适用范围和布线层。 (5) 设置布线优先顺序 (6) 设置走线模式 (7) 设置过孔模式 (8) 设置走线宽度

2．设置影响电路板制作的设计规则 二、自动布线

1．设置自动布线参数

执行Auto Route/Setup命令，调出如图6-30所示自动布线参数设置对话框。 2．自动布线

自动布线命令都集中在Auto Route菜单中，执行某一命令后，选择布线对象单击鼠标左键即可对其布线。单击鼠标右键或者按Esc键退出布线状态。各命令功能如下：

Aoto Route/All 对整个电路板布线 Auto Route/Net 对选中网络布线

Auto Route/Connection 对选中连线关系布线 Auto Route/Component 对选中元件布线 Auto Route/Area 对选中区域布线 Auto Route/Stop 停止布线 Auto Route/Pause 暂停布线

Auto Route/Restart 重新开始布线

采用Aoto Route/All命令完成的布线，图6-16经自动布线之后如图6-31所示。

图6-31 练习题图6-16经自动布线的结果

【练一练】

在任务二【练一练】的两个练习题（布局好元件）基础之上，完成以下内容：

1、打开“单管放大器”设计数据库，打开相应的PCB文件，根据元器件自动布局和手工调整布局图（参考图6-15），完成布线规则的设置、自动布线和手工调整布线。

实训七开关电源电路印制电路板的设计（4学时）

一、授课内容： 1、网络表的调入 2、自动布局 3、人工调整

4、自动布线规则设置 5、人工调整布线

6、生成PCB板的3D图 二、教学目的要求：

巩固印制电路版的设计流程操作 三、教材分析：

教学重难点：自动布局；人工调整；自动布线规则设置；人工调整布线 四、教学设想：

1）教学方法设想：上机操作练习。 2）教具运用设想：计算机、投影仪。 五、教学过程：

设计好印制电路板的基本环境，调入已经做好的开关电源电路的网络表，完成自动布局，手工调整，自动布线，手工调整，最终完成PCB板的设计。

[ C1

RAD-0.3 Cap ] [ C2

POLAR0.8 Cap Pol2 ] [ D1

DIODE-0.7 D Zener ] [ D2 SMC Diode ] [ L1 0402-A Inductor

] [ R1

AXIAL-0.4 Res2 ] [ R2

AXIAL-0.4 Res2

] [ R3

AXIAL-0.4 Res2 ] [ R4

AXIAL-0.4 Res2 ]

[ R5

AXIAL-0.4 Res2 ] [ R6

AXIAL-0.4 Res2 ] [ R7

AXIAL-0.4 2N3904 U1-2 Res2 U1-6 ) ] (

] ( NetD1_1 ] [ GND D1-1 [ VT2 C1-2 VT1-2 U1 TO-92A C2-2 ) DIP8 2N3904 D2-1 (

NE555N U1-1 NetD1_2 VT1-1 D1-2 VT2-1 R3-2 ] ) ) ] [ (

(

[ VT3 NetC1_1 NetR2_2 VT1 TO-92A C1-1 R2-2 TO-92A 2N3906 R2-1 R4-2

六、布置作业

课后完成实验报告七（开关电源电路的印制电路板的设计）

U1-7 ) (

NetR5_1 R5-1 VT2-2 ) (

NetR7_1 R6-2 R7-1 VT3-2 ) (

NetU1_3