PCB 印制电路板设计入门

1. PCB印制电路板设计入门 汽车与机电教研室　　陈海燕

2. [课 题] PCB印制电路板设计入门 [教学目的] 1.了解PCB编辑器画面的常用操作及快捷键 2.了解PCB电路版图设计的中常见问题 [教学重点] PCB编辑器画面的常用操作 [教学难点] 　　　用PROTEL99制作印刷电路版

3. [教学方法] 　　　讲授提问法、演练法 [课　　型] 　　　新课 [教　　具] 　　　三角板 [课　　时] 2小时 Ⅰ导入 　从今天开始，我们将学习用PCB印制电路板。

4. PCB印制电路板设计入门 Ⅱ教学步骤 建立一个新的印制电路板文件 执行菜单命令“File/New”将弹出数据类型对话框如图1所示。

5. PCB编辑器画面的常用操作及快捷键 一、画面的移动 PCB浏览器中有一个成为观察窗口的小窗口，其中显示的是 当前正在编辑的整张印制电路板图纸的缩略图。图中看到一个 虚线框，这个虚线框就代表了当前的编辑窗口，移动这个虚线框 就可移动当前的编辑画面。

6. 二、画面的放大、缩小及相关操作 1、当前窗口画面的放大和缩小 　　（1）菜单命令:放大—“View/Zoom In”，缩小—“View/Zoom Out”； 　　（2）键盘上的快捷键：放大—[PageUp]，缩小—[PageDown]； 　　（3）主工具栏中的按钮：放大——，缩小——。 2、在当前窗口中显示整张图纸 　　（1）菜单命令：“View/Fit Document”； 　　（2）先后击键盘上的V、D键； 　　（3）主工具栏中的按钮：。 3、选择画面的一个矩形区域放大 　　（1）菜单命令：“View/Area”； 　　（2）先后击键盘上的V、A键； 　　（3）主工具栏中的按钮：。 4、以当前的光标为中心显示画面 　　（1）菜单命令：“View/Pan”； 　　（2）键盘上的快捷键：[Home]。

7. PCB工作窗口的绘图层面 Protel99的PCB工作窗口提供了多达32层的绘图平面，通常可以 完成16层印制电路板自动布线，用手工布线时甚至可达到20层以上 ，可以在任何层面上绘图。Protel99把32层的绘图平面 加上8个其它辅助层，分成几个不同类型的专用工作层面。

8. 一、Signal Layers(信号层) Protel99提供了16个信号层：Top(顶层)、Bottom(底层) 和Mid1-Mid14(14个中间层）。 　　信号层就是用来完成印制电路板铜箔走线的布线层。 在设计双面板时，一般只使用Top(顶层)和Bottom(底层)两层， 当印制电路板层数超过4层时，就需要使用Mid(中间布线层)。 二、Internal Planes(内部电源/接地层) Protel99提供了Plane1-Plane4(4个内部电源/接地层)。 内部电源/接地层主要用于4层以上印制电路板作为电源和 接地专用布线层，双面板不需要使用。 三、Mechanical Layers(机械层) 　　机械层一般用来绘制印制电路板的边框(边界)， 通常只需使用一个机械层。有Mech1-Mech4(4个机械层)。 四、Drkll Layers(钻孔位置层) 　　共有2层：“Drill Drawing”和“Drill Guide”。 用于绘制钻孔孔径和孔的定位。 五、Solder Mask(阻焊层) 　　共有2层：Top(顶层)和Bottom(底层)。 阻焊层上绘制的时印制电路板上的焊盘和过孔周围的保护区域。

9. 六、Paste Mask(锡膏防护层) 共有2层：Top(顶层)和Bottom(底层)。 锡膏防护层主要用于有表面贴元器件的印制电路板，这时表帖 元器件的安装工艺所需要的，无表帖元器件时不需要使用该层。 七、Silkscreen(丝印层) 共有2层：Top(顶层)和Bottom(底层)。 丝印层主要用于绘制文字说明和图形说明， 如元器件的外形轮廓、标号和参数等。 八、Other(其它层) 共有8层：“Keep Out(禁止布线层)”、“Multi Layer(设置多层面)”、 “Connect(连接层)”“DRC Error(错误层)”、2个“Visible Grid (可视网格层)”、“Pad Holes(焊盘孔层)”和“Via Holes(过孔孔层)”。 其中有些层是系统自己使用的，如Visible Grid(可视网格层)就是 为了设计者在绘图时便于定位。而Keep Put(禁止布线层)是在自动 布线时使用，手工布线不需要使用。 对于手工绘制双面印制电路板来说，使用最多的是Top Layers (顶层铜箔布线)、Bottom Layers（底层铜箔布线）和Top Silkscreen (顶层丝引层)。一般顶层用红色、底层用蓝色、文字及符号用绿色 或白色、焊盘和过孔用黄色。

10. PCB绘图工具 绘图工具是由一系列“放置命令”所组成。 在工作窗口中的层面上绘图，其实就是 放置各种图形对象，这些图形对象有： 焊盘、过孔和文本等。 一、铜膜走线的放置与属性编辑 1、绘制线条(铜箔走线） 　　单击放置工具栏中的放置线条图标或执行菜单命令“Place/Track” 或键盘的P、T键，系统进入线条绘制状态。 移动十字光标到所需的位置，单击 鼠标左键确定线条的起点，然后移 动光标，这时屏幕上会出现将要画 出线条的提示样式，提示线如橡皮 筋一样可以伸缩，确认线段终点后， 单击左键就画出了一端线条。 线条只有单层属性，只能绘制在当前层面上，所以绘制前应注意选择所绘制的层面。

11. 走线的切换： （1）走线方式（长短线）切换按空格键。 （2）走线模式切换按[Shift]+空格键。其切换顺序为45度走线-90度 走线-圆弧走线-任意角走线。 走线方式的切换 走线模式的切换

12. 2、走线的属性 　当我们要编辑走线的属性时，可在走线状态下按[Tab]键，或指向 已固定的走线上，双击鼠标左键，即可开启其属性对话框， ◆Width 　　设定铜膜走线的粗细。 ◆　Layer 　　设定铜膜走线所在的板层。 ◆　Net 　　设定该铜膜走线所连接的网络。 ◆　Locked 　　设定搬移铜膜走线时是否要确认。 如果设定本选项的话，移动该铜膜 走线时，程序将出现确认对话框。 如果按 否，将不会被移动；而按是 ，即可带着该铜膜走线移动。 ◆　Selection 　　设定放置该铜膜走线后，该铜膜 走线是否为被选取状态。如果设定 选项的话，则铜膜走线放置后， 该铜膜走线将为选取状态（黄色）。

13. 二、焊盘放置与属性编辑 1、放置焊盘： 　　单击工具栏的放置焊盘图标或执行菜单命令“Place/Pad” 或按键盘上的P、P键，系统进入放置焊盘状态，光标变成十字 形状，并带着一个焊盘（若画面放大倍数太大，焊盘可能看不见）。 移动带着焊盘的光标到所需的位置，单击鼠标左键，就可在该 位置绘制一个焊盘。 焊盘是Protel99提供的一种图形属性， 因此在多个层面上有图形放置时不需要 选择当前层面，属于哪一层的图形就 自动绘制在哪一层。 关闭“Multi Layer”层，焊盘就被隐藏起来。

14. 2、编辑焊盘属性： (1)开启焊盘属性对话框①在放置焊盘状态下，按[Tab]键； ②对于已放置的焊盘，直接指向该焊盘，双击左键。 (2) 属性对话框中各项说明如下： 其中包括三页，Properties页中各项说明如下： ◆　Use Pad Stack 　　设定使用堆栈式焊盘(多层板才有的)， 指定本项后，才可以在Pad Stack页中设定 同一个焊盘，在不同板层有不同形状与尺寸。 ◆ Shape 　　设定该焊盘的形状，包括圆形(Round)、 矩形(Rectangle)及八角型(Octagonal)。 ◆　Designator 　　设定该焊盘的序号。 ◆　Hole Size 　　设定该焊盘的钻孔大小。 ◆　Layer 　　设定该焊盘所在的板层。

15. 左图为Pad stack页， 这一页是设定多层板的焊盘，必须在前一页 (Properties页)中，指定了Use Pad Stack选项， 这一页才可以设定，其中包括三个区域， 分别是设定该焊盘在顶层(Top区)、中间层 (Middle区)及底层(Bottom区)的大小及形状。 Advanced页中的各项说明如下： ◆　Net　　设定该焊盘所要使用的网络。 ◆　Electrical Type 　 设定该焊盘的电气种类，包括Source(起点) 、 Load(中间点)及Terminator(终点)。 ◆　Plated 　　设定该焊盘钻孔是否要电镀导通， 指定这个选项将会电镀导通。

16. Protel99自动布线的常用规则 一、布线的层面  Protel99的PCB编辑器，可以在16个“Signal Layer（信号层面）” 上实现布线，每个都可以单独设置布线属性。 对双面板的自动布线来说，应该让系统仅“在Top（顶层）”和“Bot (底层）”两个层面布线；对单面板则只能在“Bot（底层）”布线。 其他的信号层应该处于禁止自动布线状态，否则系统会自动使用 任何可用的信号层。 设定层面的布线属性， 执行菜单命令“Design/Rules...”， 单击“Routing”选项卡， 选中“Rule Classes”列表框 中的“Routing Layers”项， 这时显示的对话框如左图所示。

17. 然后单击按钮“Properties...”后， 将弹出“Routing Layers Rule”对话框 对话框中的“Rule Attributes”项，就是双面板常用的层面布线属性。其中水平布线T=“Horizontal”,底层设置成垂直布线B=“Vertical”， 14个中间信号层都设置成不使用1-14=“Not Used”。制作单面板时 因为只有底层是实际布线层，所以要把Bottom Layer的布线方向 设定为任意，即B=“Any”,其他都设置成不使用，即“Not Used”。

18. 二、布线的区域 　 自动布线时必须划定一个区域，让系统在限定的区域内进行布线 操作。如果没有明确规定布线区域，Protel99的PCB编辑器将有可能 （根据电路的复杂程度）使用全部图纸空间来布线，这肯定是不允许的。 　设定自动布线的区域，需要使用“Keep Out Layer（禁止布线层）”。 因为Protel99在信号层自动布线的同时，将不停地检索与布线位置对应 的禁止布线层，如果禁止布线层的对应位置为空，表示给位置可以布线， 否则表示该位置禁止布线，这时系统将改变布线的方向，向其他方向搜 索可布线的位置。根据这个原理，可以任意规定布线的区域。 例如：通常把印制电路板边界的边框线画在“Keep Out Layer（ 禁止布线层）”上，这样被限定在印制电路板的边界内。因此， 可以把绘制在“Keep Out Layer”上的图形称为“电气边界”。

19. 用PROTEL99制作印刷电路版的基本流程 一、电路版设计的先期工作 1、利用原理图设计工具绘制原理图，并且生成对应的网络表。 当然，有些特殊情况下，如电路版比较简单，已经有了网络表等情况 下也可以不进行原理图的设计，直接进入PCB设计系统，在PCB设计 系统中，可以直接取用零件封装，人工生成网络表。 2、手工更改网络表将一些元件的固定用脚等原理图上没有的焊盘 定义到与它相通的网络上，没任何物理连接的可定义到地或保护地等。 将一些原理图和PCB封装库中引脚名称不一致的器件引脚名称改成和 PCB封装库中的一致，特别是二、三极管等。

20. 二、设置PCB设计环境和绘制印刷电路的版框含中间的镂空等二、设置PCB设计环境和绘制印刷电路的版框含中间的镂空等 1、进入PCB系统后的第一步就是设置PCB设计环境， 包括设置格点大小和类型，光标类型，版层参数，布线 参数等等。大多数参数都可以用系统默认值，而且这 些参数经过设置之后，符合个人的习惯，以后无须再去修改。 2、规划电路版，主要是确定电路版的边框，包括电路版 的尺寸大小等等。在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘。 对于3mm 的螺丝可用6.5~8mm 的外径和3.2~3.5mm 内径的 焊盘对于标准板可从其它板或PCB izard 中调入。 注意： 在绘制电路版地边框前，一定要将当前层设置成Keep Out层，即禁止布线层。

21. 三、打开所有要用到的PCB 库文件后，调入网络表文件和修改零件封装 　　这一步是非常重要的一个环节，网络表是PCB自动布线的灵魂， 也是原理图设计与印象电路版设计的接口，只有将网络表装入后， 才能进行电路版的布线。 在原理图设计的过程中，ERC检查不会涉及到零件的封装问题。 因此，原理图设计时，零件的封装可能被遗忘，在引进网络表 时可以根据设计情况来修改或补充零件的封装。 当然，可以直接在PCB内人工生成网络表，并且指定零件封装。 四、布置零件封装的位置，也称零件布局 Protel99可以进行自动布局,也可以进行手动布局。 如果进行自动布局，运行"Tools"下面的"Auto Place", 用这个命令，你需要有足够的耐心。布线的关键是布局， 多数设计者采用手动布局的形式。用鼠标选中一个元件， 按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键， 将该元件固定。 注意：零件布局，应当从机械结构散热、电磁干扰、将来布线的方便 性等方面综合考虑。先布置与机械尺寸有关的器件，并锁定这些器件 ，然后是大的占位置的器件和电路的核心元件，再是外围的小元件。

22. 五、自动布线和手工调整 1、点击菜单命令Auto Route/Setup 对自动布线功能进行设置 　　选中除了Add Testpoints 以外的所有项，特别是选中其中的 Lock All Pre-Route 选项，Routing Grid 可选1mil 等。自动布线开始 前PROTEL 会给你一个推荐值可不去理它或改为它的推荐值， 此值越小板越容易100%布通，但布线难度和所花时间越大。 2、点击菜单命令Auto Route/All 开始自动布线 　　假如不能完全布通则可手工继续完成或UNDO 一次（千万不要 用撤消全部布线功能，它会删除所有的预布线和自由焊盘、过孔） 后调整一下布局或布线规则，再重新布线。完成后做一次DRC，有错则改正。布局和布线过程中，若发现原理图有错则应及时更新原理图和网络表，手工更改网络表（同第一步），并重装网络表后再布。 3、对布线进行手工初步调整 需加粗的地线、电源线、功率输出线等加粗，某几根绕得太多的 线重布一下，消除部分不必要的过孔，再次用VIEW3D 功能察看 实际效果。手工调整中可选Tools-Density Map 查看布线密度， 红色为最密，黄色次之，绿色为较松，看完后可按键盘上的End 键刷新屏幕。红色部分一般应将走线调整得松一些，直到变成黄色 或绿色。

23. 印刷板图设计中应注意下列几点 １．布线方向：从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图 相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通 常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查， 调试及检修 （注：指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下）。 ２．各元件排列，分布要合理和均匀，力求整齐，美观，结构严谨 的工艺要求。 ３．电阻，二极管的放置方式：分为平放与竖放两种： （１）平放：当电路元件数量不多，而且电路板尺寸较大的情况下， 一般是采用平放较好；对于1/4W以下的电阻平放时,两个焊盘间的距离 一般取4/10英寸，1/2W的电阻平放时,两焊盘的间距一般取5/10英寸； 二极管平放时，1N400X系列整流管,一般取3/10英寸;1N540X系列整流管, 一般取4～5/10英寸。 （２）竖放：当电路元件数较多，而且电路板尺寸不大的情况下， 一般是采用竖放，竖放时两个焊盘的间距一般取1～2/10英寸。

24. ４．电位器：IC座的放置原则  （１）电位器：在稳压器中用来调节输出电压，故设计电位器应 满中顺时针调节时输出电压升高，反时针调节器节时输出电压降低 ；在可调恒流充电器中电位器用来调节充电电流折大小，设计电位 器时应满中顺时针调节时，电流增大。  电位器安放位轩应当满中整机结构安装及面板布局的要求， 因此应尽可能放轩在板的边缘，旋转柄朝外。 （２）IC座：设计印刷板图时，在使用IC座的场合下，一定要特 别注意IC座上定位槽放置的方位是否正确，并注意各个IC脚位是 否正确，例如第1脚只能位于IC座的右下角线或者左上角，而且 紧靠定位槽（从焊接面看）。 ５．进出接线端布置 （１）相关联的两引线端不要距离太大，一般为2～3/10英寸左右较合适。 （２）进出线端尽可能集中在1至2个侧面，不要太过离散。

25. ６．设计布线图时要注意管脚排列顺序，元件脚间距要合理。６．设计布线图时要注意管脚排列顺序，元件脚间距要合理。 ７．在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求走线合理， 少用外接跨线，并按一定顺充要求走线，力求直观，便于安装， 高度和检修。 ８．设计布线图时走线尽量少拐弯，力求线条简单明了。 ９．布线条宽窄和线条间距要适中，电容器两焊盘间距应尽可能 与电容引线脚的间距相符； １０．设计应按一定顺序方向进行，例如可以由左往右和由上而下 的顺序进行。

26. PCB电路版图设计的常见问题 问题1：什么是零件封装，它和零件有什么区别？ 答： (1)零件封装是指实际零件焊接到电路板时所指示的外观和焊点位置。 (2)零件封装只是零件的外观和焊点位置，纯粹的零件封装仅仅是 空间的概念，因此不同的零件可以共用同一个零件封装；另一方面， 同种零件也可以有不同的封装，如RES2代表电阻，它的封装形式有 AXAIL0.4 、AXAIL0.3 、AXAIL0.6等等，所以在取用焊接零件时， 不仅要知道零件名称还要知道零件的封装。 (3) 零件的封装可以在设计电路图时指定，也可以在引进网络表 时指定。设计电路图时，可以在零件属性对话框中的Footprint设置 项内指定，也可以在引进网络表时也可以指定零件封装。

27. 问题2：导线、飞线和网络有什么区别？ 答：导线也称铜膜走线，简称导线，用于连接各个焊点，是印刷电 路板最重要的部分，印刷电路板设计都是围绕如何布置导线来进行的。 　　与导线有关的另外一种线，常称之为飞线也称预拉线。 飞线是在引入网络表后，系统根据规则生成的，用来指引布线 的一种连线。 　　飞线与导线是有本质的区别的。飞线只是一种形式上的连线， 它只是形式上表示出各个焊点间的连接关系，没有电气的连接意义。 导线则是根据飞线指示的焊点间连接关系布置的，具有电气连接意 义的连接线路。 　　网络和导线是有所不同的，网络上还包括焊点，因此在提到 网络时不仅指导线而且还包括和导线相连的焊点。

28. 问题3：内层和中间层有什么区别？ 答：中间层和内层是两个容易混淆的概念。 中间层是指用于布线的中间板层，该层中布的是导线； 内层是指电源层或地线层，该层一般情况下不布线，它是由整片铜膜构成。 问题4：什么是内部网络表和外部网络表，两者有什么区别？ 　 答：网络表有外部网络表和内部网络表之分。 外部网络表指引入的网络表，即Sch或者其他原理图设计软件生成 的原理图网络表； 内部网络表是根据引入的外部网络表，经过修改后，被PCB系统 内部用于布线的网络表。 严格的来说，这两种网络表是完全不同的概念，但可以不必严格区分。

29. PCB编辑器画面的常用操作及快捷键 PCB工作窗口的绘图层面 PCB绘图工具 Protel99自动布线的常用规则 用PROTEL99制作印刷电路版的基本流程 印刷板图设计中应注意下列几点 PCB电路版图设计的常见问题 Ⅲ本节小结

30. 　　　　　复习本节内容！ Ⅳ本节作业