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实验项目4 印刷电路板的设计
一、 实验目的和要求
1、掌握通过手工方式和系统内置的向导，新元件封装的制作方法与操作步骤。 2、掌握对元件封装库进行管理的基本操作。 3、掌握由原理图生成网络表
4、理解电路板的物理边界和电气边界的区别及绘制方法，了解由向导生成电路板的过程。 5、重点掌握自动布线规则的设置及自动布线有关命令的使用，理解DRC校验的功能。 6、掌握几种手工调整布线的操作技巧，如将焊盘或元件接入到网络内的操作步骤，对导线、焊盘或字符串进行全局编辑的操作方法等。
二、实验仪器和设备
已安装Protel 99se软件的PC一台 三、实验内容
1、给出发光二极管的SCH元件，如图4.1所示。请绘制出其对应的元件封装，如图4.2所示。两个焊盘的X-Size和Y-Size都为60mil，Hole Size为30mil，阳极的焊盘为方形，编号为A，阴极的焊盘为圆形，编号为K，外形轮廓为圆形，半径为120mil，并绘出发光指示。
图4.1 发光二极管的SCH元件 图4.2 发光二极管的PCB元件
2、NPN型三极管的SCH元件，如图4.3所示，其对应元件封装选择TO-5，如图4.4所示。由于在实际焊接时，TO-5的焊盘1对应发射极，焊盘2对应基极，焊盘3对应集电极，它们之间存在引脚的极性不对应问题，请修改TO-5的焊盘编号，使它们之间的保持一致，并重命名为TO-5A。
图4.3 SCH元件 图4.4 PCB元件
3、通过封装制作导向，绘制出实验二中元件ICS512对应的封装SOP-8，如图4.5所示。焊盘的X-Size为80mil, Y-Size为24mil。第一引脚的焊盘为矩形，其余焊盘的两端为半圆形。纵向相邻焊盘之间的距离为50mil，横向相邻焊盘之间的距离为220mil。
图4.5 SOP-8封装
4、通过封装制作导向，绘制出实验二中开关DIPSW8对应的封装DIP-16，如图4.6所示。焊盘的X-Size和Y-Size均为50mil，Hole Size为30mil。第一引脚焊盘为方形，其余焊盘为圆形。纵向相邻焊盘之间的距离为100mil，横向相邻焊盘之间的距离为300mil。
图4.6 DIP-16封装
5、手工绘制二极管IN4007的封装RAD-0.2。如图4.7所示。两个焊盘的X-Size和Y-Size都为60mil，Hole Size为30mil，二极管阳极的焊盘为方形，阴极的焊盘为圆形，外形轮廓为距形，并绘出方向指示。
图4.7 二极管的封装RAD-0.2
6、使用电路板生成向导，新建一个边长为1500mil的正方形电路板，在电路板的四角开口，尺寸为100mil×100mil，无内部开口，双层板，过孔不电镀，使用针脚式元件，元件管脚间只允许一条导线穿过，最小走线宽度为10mil，走线间距15mil。所使用元件如表4.1所示。电气原理图和PCB布局如图4.8所示。操作练习内容如下：
1) 分别使用直接装载和利用设计同步器两种方法装入网络表和元件。
2) 分别使用群集式和统计式两种方法进行自动布局，并使用手工方法对布局进行调整。 3) 采用全局自动布线。
4) 在电路板上添加三个焊盘，标注为VCC、GND和CLK，并把他们连入相应的网络。
表4.1 元件一览表
元件名称 RES2 CAP CRYSTAL 74LS00 元件标号 R1、R2 C1 Y1 U1A、U1B、U1C 元件所属SCH库 Miscellaneous Devices.ddb Miscellaneous Devices.ddb Miscellaneous Devices.ddb Protel DOS Schematic Libraries.ddb 元件封装 AXIAL0.4 RAD0.1 XTAL1 DIP14 元件所属PCB库 Advpcb.Ddb Advpcb.Ddb Advpcb.Ddb Advpcb.Ddb
图4.8 电气原理图和PCB布局图
7、使用电路板生成向导，新建一个边长为1800mil的正方形电路板，在电路板的四角开口，尺
寸为100mil×100mil，无内部开口，双层板，过孔电镀，使用针脚式元件，元件管脚间只允许一条导线穿过，最小走线宽度为20mil，走线间距15mil。加载Advpcb.ddb元件封装库，所使用元件如表4.2所示。电气原理图和PCB布局如图4.9所示。 操作练习内容如下：
1）利用设计同步器装入网络表和元件。
2）先对集成电路555进行预布局（以555为布局的中心），再使用群集式方法进行自动布局，并使用手工方法对布局进行调整。
3）先对电阻R1进行手工预布线，然后再采用自动布线完成其它布线任务。 4）采用全局编辑，对电源和接地的走线线宽变为30mil。
表4.2 元件一览表
元件名称 RES1 CAP UA555 4HEADER 元件标号 R1、R2 C1、C2 U1 JP1 元件所属SCH库 Miscellaneous Devices.ddb Miscellaneous Devices.ddb Protel DOS Schematic Libraries.ddb Miscellaneous Devices.ddb 元件封装 AXIAL0.3 RAD0.1 DIP8 POWER4 元件所属PCB库 Advpcb.Ddb Advpcb.Ddb Advpcb.Ddb Advpcb.Ddb
图4.9 电气原理图和PCB分布
8、利用设计同步器或网络表文件，装入实验二原理图2.2的网络表和元件，绘制PCB板框，设置为板长1800mil，宽1200mil，按照电路的功能进行元件的手工布局与调整，可参照图4.10的布局
四、实验结果与分析
五、思考题：
1、SCH元件库与PCB元件库有何区别？如何解决Protel中存在的元件引脚编号不一致的问题？ 答：SCH元件库是电子元器件的一种标识，而PCB元件库里的是电子元器件的封装，SCH元件库里存放的是原理图所需要的器件标识图，与实际器件尺寸无关；双击元件进行编号更改。 2、在进行PCB设计中，装入网络表和元件发生网络宏错误时，应如何解决？ 答：如果出现宏错误，应道先改正错误，再执行网络表和元件的封装的载入。
3、简述 Protel 99 SE提供了哪些元件布局的规则？群集式和统计式布局方式各适用于什么场合？
答：元件间距限制规则；元件放置方向规则；忽略网络设置；允许元件放置板层设置；定义对象范围。群集式布局方式适合于元件数目较少的情况，而统计式布局方式适合于元件数较多的情况。
4. 印刷电路板根据导电图形的层数，一般分为哪几类，各有何特点？
答：可以分为三种类型：单面板，双面板，多层板。单面板是只在一面覆铜的印刷电路板，成本低，适合比较简单的印刷电路板设计；双面板两层都可以覆铜，顶层和底层之间的电气连接通过过孔实现；多面板有多个板层，适用于复杂的电路板设计。 5. 原理图与电路板图中的元件有何不同？元件的封装方式分几类？
答：电路板上的元件与原理图中的元件之间的连接都是对应的，但原理图中的连接关系是一种逻辑关系，而电路板是反映这种逻辑关系的实际器件。 元件封装包含插针式和贴片式。 6. 在印刷电路板中，焊盘与过孔的作用有何不同？
答：焊盘是用来焊接元件的，过孔是用来连接不同层上的导线的。 7. 绘制印刷电路板图一般包括哪些步骤？在各步中主要完成什么工作？
答：1）规划印刷电路板：手工规划印刷电路板或利用印刷电路板向导绘制；（2）网络表与元件封装的载入：载入元件封装库，载入网络表；（3）元件布局：参数设置，自动布局和手工布局；（4）布线：布局规则的设置，自动布线和手工调整 8. PCB编辑器的工作界面主要由哪几部分组成？ 答：PCB管理器，工作区，板层切换标签。
五、参考文献 1、《电子线路CAD》实验指导书 电工电子实验室自编 2、《Protel 99 se原理图和印刷电路板设计》 朱定华 黄松 蔡苗 清华大学出版社 3、《Protel99SE电路设计与仿真教程》 胡烨 机械工业出版社4、《Protel99 电路设计与应用》 孙江宏 机械工业出版社
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