第 9 章 Proteus ARES 的 PCB 设计

1. 第9章 Proteus ARES的PCB设计

2. 9.1 Proteus ARES编辑环境 9.1.1 Proteus ARES工具箱图标按钮 9.1.2 Proteus ARES菜单栏 9.2 印制电路板(PCB)设计流程 9.3 为元件指定封装 9.4 元件封装的创建 9.4.1 放置焊盘 9.4.2 分配引脚编号 9.4.3 添加元件边框 9.5 网络表的导入 9.6 系统参数设置 9.6.1 设置电路板的工作层 9.6.2 环境设置 9.6.3 栅格设置 9.6.4 路径设置 9.7 编辑界面设置 9.4.4 元件封装保存 9.8 布局与调整 9.8.1 自动布局 9.8.2 手工布局 9.8.3 调整元件标注 9.9 设计规则的设置 9.9.1 设置设计规则 9.9.2 设置默认设计规则 9.10 布线 9.10.1 手工布线 9.10.2 自动布线 9.10.3 自动整理 9.11 设计规则检测 9.12 后期处理及输出 9.12.1 PCB敷铜 9.12.2 PCB的三维显示 9.12.3 PCB的输出 9.13 多层PCB电路板的设计

3. Proteus不仅可以实现高级原理图设计、混合模式SPICE仿真，还可以进行PCB(Printed Circuit Board)系统特性设计以及手动、自动布线，以此来实现一个完整的电子系统设计。本章将举例(以\SAMPLES\Schematic & PCB Layout\Cpu.DSN为例)讲述怎样针对一个完成了的原理图进行PCB设计。内容基本按照PCB的设计顺序来安排。

4. 基于高性能网表的ARES PCB(ARES，Advanced Routing and Editing Software)设计软件完全补足了ISIS。ARES PCB设计系统是一个具有32位数据库，能够进行元件自动布局、撤销和重试的，具有自动布线功能的超强性能的PCB设计系统，其自动布局和自动布线工具使PCB的设计尽可能地简便，复杂的工作尽量都由计算机来完成。同时，ARES也支持手动布线，系统限制相对较少。

5. ARES PCB设计系统的主要特性表现在以下几个方面： 有16个铜箔层，2个丝印层和4个机械层； 能够将元件进行任意角的布置； 在放置元件时能够自动生成飞线(Ratsnest)和力向量； 具有理想的基于网表的手工布线系统；

6. 物理设计规则检测功能可以保证设计的完整性； 具有超过1000种标准封装的元件库； 具有完整的CADCAM输出以及嵌板工具； 当用户修改了原理图并重新加载网表，ARES将更新相关联的元件和连线。同理，ARES中的变化也将自动地反馈到原理图中。

7. 9.1Proteus ARES编辑环境 运行“开始”→“程序”→“Proteus 7 Professional”→“ARES 7 Professional”，出现如图9-1所示的Proteus ARES编辑环境。 点状的栅格区域为编辑窗口，左上方为预览窗口，左下方为元器件列表区，即对象选择器。其中，编辑窗口用于放置元器件，进行连线等；预览窗口可显示选中的元件以及编辑区。同Proteus ISIS编辑环境相似，在预览窗口中有两个框，蓝框表示当前页的边界，绿框表示当前编辑窗口显示的区域。在预览窗口上单击，并移动鼠标指针，可以在当前页任意选择当前编辑窗口。 下面分类对编辑环境作进一步介绍

8. 9.1.1 Proteus ARES工具箱图标按钮Proteus ARES编辑环境当中提供了很多可使用的工具，如图9-1左侧所示，选择相应的工具箱图标按钮，系统可提供相应的操作工具。

9. 图9-1 Proteus ARES编辑环境 图9-1 Proteus ARES编辑环境

10. (1) 放置和布线工具按钮Selection按钮 ：光标模式，可选择或编辑对象。Component按钮 ：放置和编辑元件。Package按钮 ：放置和编辑元件封装。Track按钮 ：放置和编辑导线。Via按钮 ：放置和编辑过孔。Zone按钮 ：放置和编辑敷铜。Ratsnest按钮 ：输入或修改连线。Connectivity Highlight按钮 ：以高亮度显示连接关系。

11. (2) 焊盘类型图标按钮Round Through-hole Pad按钮 ：放置圆形通孔焊盘。Square Through-hole Pad按钮 ：放置方形通孔焊盘。DIL Pad 按钮 ：放置椭圆形通孔焊盘。Edge Connector Pad按钮 ：放置板插头(金手指)。Circular SMT Pad按钮 ：放置圆形单面焊盘。Rectangular SMT Pad按钮 ：放置方形单面焊盘，具体尺寸可在对象选择器中选。Polygonal SMT Pad按钮 ：放置多边形单面焊盘。Padstack按钮 ：放置测试点。

12. (3) 二维图形(2D graphics)模式图标按钮2D Graphics Line按钮 ：直线按钮，用于绘制线。2D Graphics Box按钮 ：方框按钮，用于绘制方框。2D Graphics Circle按钮 ：圆形按钮，用于绘制圆。2D Graphics Arc按钮 ：弧线按钮，用于绘制弧线。2D Graphics Closed Path按钮 ：任意闭合形状按钮，用于绘制任意闭合图形。2D Graphics Text按钮 ：文本编辑按钮，用于插入各种文字说明。2D Graphics Symbols按钮 ：符号按钮，用于选择各种二维符号元件。2D Graphics Markers按钮 ：标记按钮，用于产生各种二维标记图标。Dimension按钮 ：测距按钮，用于放置测距标识。

13. 9.1.2 Proteus ARES菜单栏Proteus ARES主菜单栏如图9-2所示。图9-2 Proteus ARES菜单栏各菜单说明如下。“文件”菜单用于新建、保存、导入文件等。“输出”菜单用于将设计好的PCB文件输出到图纸或保存为其他格式的文件。“查看”菜单用于查看界面元素及缩放视图等。“编辑”菜单用于撤销或重复操作、复制粘贴元件、新建及编辑元件。 图9-2 Proteus ARES菜单栏

14. “库”菜单用于从库中选择元件/图形或将元件/图形保存到库。“工具”菜单提供了多个用于对元件/图形元素进行调整和编辑的命令，如自动轨迹选择、自动元件名管理、自动布线、断线检查等。“系统”菜单提供了多个属性设置命令，如设置层颜色、环境设置、板层设置、模板设置、绘图设置等。“帮助”菜单提供了众多帮助内容和条目，读者在学习过程中遇到问题时，可从中查找相应的解决方法。“库”菜单用于从库中选择元件/图形或将元件/图形保存到库。“工具”菜单提供了多个用于对元件/图形元素进行调整和编辑的命令，如自动轨迹选择、自动元件名管理、自动布线、断线检查等。“系统”菜单提供了多个属性设置命令，如设置层颜色、环境设置、板层设置、模板设置、绘图设置等。“帮助”菜单提供了众多帮助内容和条目，读者在学习过程中遇到问题时，可从中查找相应的解决方法。

15. 9.2 印制电路板(PCB)设计流程印制电路板设计的一般步骤如下：1. 绘制原理图这是电路板设计的先期工作，主要是完成原理图的绘制，包括生成网络表。当然，有时也可以不进行原理图的绘制，而直接进入PCB设计系统。原来用于仿真的原理图需将信号源及测量仪表的接口连上适当的连接器。另外，要确保每一个元器件都带有封装信息。

16. 2. 规划电路板在绘制印制电路板之前，用户要对电路板有一个初步的规划，比如说电路板采用多大的物理尺寸，采用几层电路板(单面板、双面板或多层板)，各元件采用何种封装形式及其安装位置等。这是一项极其重要的工作，是确定电路板设计的框架。

17. 3. 设置参数参数的设置是电路板设计中非常重要的步骤。设置参数主要是设置元件的布置参数、层参数、布线参数等。一般说来，有些参数采用其默认值即可。4. 装入网络表及元件封装网络表是电路板自动布线的灵魂，也是原理图设计系统与印制电路板设计系统的接口，因此这一步也是非常重要的环节。只有将网络表装入之后，才可能完成对电路板的自动布线。元件的封装就是元件的外形，对于每个装入的元件必须有相应的外形封装，才能保证电路板设计的顺利进行。

18. 5. 元件的布局元件的布局可以让软件自动布局。规划好电路板并装入网络表后，用户可以让程序自动装入元件，并自动将元件布置在电路板边框内。当然，也可以进行手工布局。元件布局合理后，才能进行下一步的布线工作。6. 自动布线如果相关的参数设置得当，元件的布局合理，自动布线的成功率几乎是100%

19. 7. 手工调整自动布线结束后，往往存在令人不满意的地方，需要手工调整。8. 文件保存及输出完成电路板的布线后，保存完成的电路线路图文件。然后利用各种图形输出设备，如打印机或绘图仪输出电路板的布线图。

20. 9.3 为元件指定封装为正确完成PCB设计，原理图的每一个元件，必须带有封装信息。在ISIS软件中添加元器件时，多数已自动为元件配置了一个封装，但这个封装并不一定很适合你的设计。另外，有部分元件可能没有封装信息，因此就需要重新为元件添加合适的封装。下面以\SAMPLES\Schematic & PCB Layout\Cpu.DSN(如图9-3所示)中元件C1为例来说明。

21. 图9-3 原理图Cpu.DSN

22. 打开C1的属性对话框，如图9-4所示。单击“PCB Package”后面的按钮，打开封装选择对话框(前提是已经安装了ARES)，如图9-5所示。把“Keywords”中内容删掉，在右边封装列表中选择一个合适的内容，单击“OK”按钮完成。 图9-4 元件属性对话框

23. 图9-5 封装选择对话框

24. 采用同样的方法，对原理图中所有元件定义或修改封装信息。调整好元件的封装后，选择菜单【Tools】→【Netlist Compiler】，接着打开“Netlist Compiler”设置对话框，上面的设置保持默认就行了，单击“OK”生成网表文件。

25. 9.4 元件封装的创建系统提供的封装库包含了较丰富的内容，有通用的IC、三极管、二极管等大量的穿孔元件封装库，有连接器类型封装库，还有包含所有分立元器件和集成电路的SMT类型封装库。但是对于系统元件库中没有的封装，就需要自行创建新的元件封装。下面以如图9-6所示封装为例，来介绍元件封装的创建方法。

26. 图9-6 八段LED数码显示器封装及安装尺寸(单位：th)

27. 9.4.1 放置焊盘(1) 在Proteus ISIS编辑环境下，选择【Tools】→【Netlist to ARES】(“Alt+A”)，或是单击ARES图标，进入PCB设计软件ARES界面。当然也可以直接运行Proteus ARES，进入其编辑界面。(2) 在ARES窗口左侧的工具箱中选择“Square Through-hole Pad”图标，这时对象选择器中列出了

28. 所有正方形焊盘的内径和外径尺寸，这里选择S-70-30(其中S表示正方形焊盘，70为其外径尺寸，30为其内径尺寸)，将其摆放于原点处，作为引脚1的焊盘。单击列表框上面的，弹出如图9-7所示对话框，设置完成后单击“OK”，可建立新的焊盘；选中列表中其中一焊盘尺寸，单击按钮，弹出如图9-8所示对话框，可对选中的焊盘进行修改。

29. 图9-7 创建新焊盘对话框 图9-8 修改方形焊盘对话框

30. (3) 在ARES窗口左侧的工具箱中选择“Round Through-hole Pad”图标，在坐标(150，0)处单击摆放焊盘C-70-30。(4) 单击工具栏，切换为光标操作，再单击放置的圆形焊盘使其处于选中状态，选择【Edit】→【Replicate】菜单项，弹出复制对话框，具体设置如图9-9所示。在图9-9中，“X-Step”为X方向步进尺寸，这里设置为150th；“Y-Step”为Y方向步进尺寸，这里设置为0；“No. of Copies”为复制的数目，这里选为3个；“Re-Annotation”为重新标注设置，当复制元器件时使用此项，如果设为1，可使复制的元件标注增1。

31. 单击“OK”后系统自动复制出两个圆形焊盘，在第一个圆形焊盘的基础上以此间距150th，如图9-10所示。单击“OK”后系统自动复制出两个圆形焊盘，在第一个圆形焊盘的基础上以此间距150th，如图9-10所示。 图9-9 复制对话框 图9-10 复制焊盘

32. (5)单击最右侧的圆形焊盘，使其被选中，选择【Edit】→【Replicate】菜单项，弹出“Replicate”对话框，“X-Step”设为0，“Y-Step”设为800th，“No. of Copies”设为1，单击“OK”按钮，摆放右上角焊盘，如图9-11所示。 图9-11 复制出右上角焊盘

33. (6) 按照同样的方法选中图9-11中右上角焊盘，选择【Edit】→【Replicate】菜单项，按照图9-12(a)设置“Replicate”对话框，即可复制出上面左边的四个焊盘，如图9-12(b)所示。 (a) Replicate对话框 (b) 复制出左上角的四个焊盘 图9-12 放置上面左边的焊盘

34. 9.4.2 分配引脚编号如图9-12所示，放置焊盘之后，各个引脚没有编号，下面为各引脚分配编号。(1) 右键单击方形焊盘，选择快捷菜单中的“Edit Properties”选项，弹出“Edit Single Pin”对话框，按如图9-13进行设置。其中，“Layers”表示所在的层，“Style”表示焊盘类型，“Relief”为热风焊盘尺寸，“Net”为网络标号，“Number”为引脚标号，“Lock Position”为锁定位置。(2) 单击“OK”按钮，完成第一个引脚的编号分配。(3) 按照同样方法，为其他引脚分配编号。分配好编号的焊盘如图9-14所示。 图9-13 编辑引脚编号对话框 图9-14 分配好编号的焊盘

35. 9.4.3 添加元件边框 完成了焊盘的放置，接着需要为元件添加边框。 (1) 在ARES工具栏中选中 ，并将左下角当前层设为丝印层 ，在编辑区内按照图9-6所示尺寸画一个元件边框，如图9-15所示。 图9-15 添加丝印层边框 图9-15 添加丝印层边框

36. 注意：编辑区的下方，中间是X方向坐标， 靠右边是Y方向坐标。 (2) 单击工具栏中 按钮，在左侧“MARKERS”列表框中选择“ORIGIN”，单击方形焊盘(或元件的第一个引脚)，确定封装原点。 (3) 在“MARKERS”列表框中选择“REFERENCE”，在丝印框中单击添加“REF”。 (4) 在“MARKERS”列表框中选择“VALUE”，在丝印框中单击添加“VAL”。

37. 9.4.4 元件封装保存 完成一个元器件的封装设计之后，需要将其保存起来以便今后调用。(1) 单击右键并拖动鼠标指针， 选中设计完成的封装，选择 【Library】→ 【Make Package】菜单项， 弹出“Make Package”对话框， 按如图9-16所示进行相应设置。 图9-16 保存封装对话框

38. 其中，“New Package Name”为新封装名称，“Package Category”为封装类别，“Package Type”为封装类型，“Package Sub-category”为封装子类别，“Package Description”为封装描述，“Advanced Mode(Edit Manually)”为高级模式(手工编辑)，“Save Package To Library”为保存封装到指定库中。(2) 单击“OK”按钮，将该封装保存于“USERPKG”库中。(3) 在拾取封装的窗口中即可找到此元件，如图9-17所示。这时此元件封装就可以正常使用了。

39. (4) 退出ARES编辑界面。 图9-17 拾取封装对话框

40. 9.5 网络表的导入 生成网表文件之后紧接的工作就是将网表文件导入到ARES。具体有以下两种方法。 方法一：单击菜单【Tools】→【Netlist to ARES】，这样系统会自动启动ARES(也可以利用工具栏的相应按钮来完成这一操作)，同时将网络表导入。如图9-18所示。

41. 如果在ISIS中存在未指定封装类型的元件，在导入ARES时会出现一个“Package Selector”对话框，允许为未指定封装的元件选择封装。例如，将上例图9-13中电容C1的封装属性删除，则在导入网络表时会出现如图9-19所示元件封装选择对话框。图中，“Package”为封装类型，“Libraries”为封装所在的库，“Component”为元器件的参数，“Abort”为不指定封装类型，“Skip”为忽略指定某个元器件的封装。用户可以在“Libraries”中选择一个合适的库，然后在“Package”的封装类型列表中选择一个封装类型，单击“OK”即可为该元件指定一个封装，如图9-19所示。

42. 图9-18 ARES界面

43. 方法二：在为原理图生成网络表文件时，如果已将网络表保存为“*.TXT”文件或是“*.SDF”文件，则导入网络表的方法也可以按照下面步骤操作。 选择“开始→程序→Proteus 7 Professional→ARES 7 Professional”，打开ARES系统，然后选择【File】→【Load Netlist】，出现一个“Load Netlist”对话框，如图9-20所示。 图9-19 元件封装选择对话框

44. 在图9-20中找到所保存的网络表文件(“*.TXT”文件或“*.SDF”文件)，即可导入网络表，同样可以得到如图9-18所示界面。 图9-20 Load Netlist对话框

45. 9.6 系统参数设置 9.6.1 设置电路板的工作层 进入ARES并导入网络表之后，需要对PCB的工作层面进行设定。 1. 设置电路板层数选择【System】→【Set Layer Usage】菜单项，弹出“Set Layer Usage”对话框，如图9-21所示。

46. 图9-21 设置板层对话框

47. 这里显示了电路板的14个内部层(不包括电路板的顶层(Top Copper)和底层(Bottom Copper))和4个机械层，可根据需要进行勾选。比如我们需要设计一个双层板，则图9-21中的内部层都不用选择，机械层可以选择一个(如图9-21所显示那样)。 然后，单击“OK”确定，并关闭对话框。

48. 2. 设置层的颜色 选择【System】→【Set Colours】菜单项，弹出“Set Colours”对话框，如图9-22所示。 图9-22 板层颜色设置

49. 这里给出了所有工作层的默认颜色。单击颜色块，可出现一个选择颜色的显示框，用于改选其他颜色，不过这里建议用户一般还是使用默认颜色比较好，这样可增加图的易读性。这里给出了所有工作层的默认颜色。单击颜色块，可出现一个选择颜色的显示框，用于改选其他颜色，不过这里建议用户一般还是使用默认颜色比较好，这样可增加图的易读性。 3. 定义板层对 ARES系统可以将两个板层定义为一对，例如顶层(Top Copper)和底层(Bottom Copper)，这样在设计Top Copper时，可以用空格键将系统切换到Bottom Copper，反之亦然。具体步骤如下： 选择【System】→【Set Layer Pairs】菜单项，弹出“Edit Layer Pairs”对话框，如图9-23所示。

50. 图9-23 Edit Layer Pairs对话框 在“Top”后面的方框内可选择与“Top”成对的工作层，默认为“Bottom Copper”，在“Bottom”后面的方框内可选择与“Bottom”成对的工作层，默认为“Top Copper”。其他选择方法一样。