電子產(chǎn)品設(shè)計案例教程（微課版）-基于嘉立創(chuàng)EDA（專業(yè)版） 課件 第3章 多諧振蕩器的PCB設(shè)計

第3章多諧振蕩器PCB圖的設(shè)計任務(wù)描述

本章利用第2章所畫的多諧振蕩器電路原理圖，完成多諧振蕩器印制電路板（PCB）的設(shè)計如圖所示。介紹如何把原理圖的設(shè)計信息更新到PCB文件中以及如何在PCB中布局、布線，如何設(shè)置PCB的設(shè)計規(guī)則，PCB的3D顯示等內(nèi)容。它將涵蓋以下主題：PCB板的基礎(chǔ)知識用封裝管理器檢查元件的封裝PCB設(shè)計3.1印制電路板的基礎(chǔ)知識1．印制電路板的種類

根據(jù)層數(shù)分類，印制電路板可分為單面板、雙面板和多層板。

（l）單面板。單面印制電路板只有一面有導(dǎo)電銅箔，另一面沒有。在使用單面板時，通常在沒有導(dǎo)電銅箔的一面安裝元器件，將元器件引腳通過插孔穿到有導(dǎo)電銅箔的一面，導(dǎo)電銅箔將元器件引腳連接起來就可以構(gòu)成電路或電子設(shè)備。單面板成本低，但因為只有一面有導(dǎo)電銅箔，不適用于復(fù)雜的電子設(shè)備。3.1印制電路板的基礎(chǔ)知識

（2）雙面板。雙面板包括兩層：頂層（TopLayer）和底層（BottomLayer）。與單面板不同，雙面板的兩層都有導(dǎo)電銅箔，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。雙面板的每層都可以直接焊接元器件，兩層之間可以通過穿過的元器件引腳連接，也可以通過過孔實現(xiàn)連接。過孔是一種穿透印制電路板并將兩層的銅箔連接起來的金屬化導(dǎo)電圓孔。3.1印制電路板的基礎(chǔ)知識

（3）多層板。多層板是具有多個導(dǎo)電層的電路板。多層板的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-4所示。它除了具有雙面板一樣的頂層和底層外，在內(nèi)部還有導(dǎo)電層，內(nèi)部層一般為電源或接地層，頂層和底層通過過孔與內(nèi)部的導(dǎo)電層相連接。多層板一般是將多個雙面板采用壓合工藝制作而成的，適用于復(fù)雜的電路系統(tǒng)。2．元器件的封裝

印制電路板是用來安裝元器件的，而同類型的元件，如電阻，即使阻值一樣，也有大小之分。因而在設(shè)計印制電路板時，就要求印制電路板上大體積元件焊接孔的孔徑要大、距離要遠(yuǎn)。為了使印制電路板生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出來的印制電路板可以安裝大小和形狀符合要求的各種元件，要求在設(shè)計印制電路板時，用銅箔表示導(dǎo)線，而用與實際元件形狀和大小相關(guān)的符號表示元件。這里的形狀與大小是指實際元件在印制電路板上的投影，這種與實際元件形狀和大小相同的投影符號稱為元件封裝。例如，電解電容的投影是一個圓形，那么其元件封裝就是一個圓形符號。2．元器件的封裝

元器件封裝的分類。按照元器件安裝方式，元器件封裝可以分為直插式和表面粘貼式兩大類。典型直插式元件封裝外型及其PCB板上的焊接點如圖所示。直插式元件焊接時先要將元件引腳插入焊盤通孔中，然后再焊錫。由于焊點過孔貫穿整個電路板，所以其焊盤中心必須有通孔，焊盤至少占用兩層電路板。穿孔安裝式器件外型及其PCB焊盤2．元器件的封裝

典型表面粘貼式封裝的PCB圖如下所示。此類封裝的焊盤只限于表面板層，即頂層或底層，采用這種封裝的器件的引腳占用板上的空間小，不影響其他層的布線，一般引腳比較多的器件常采用這種封裝形式，但是這種封裝的器件手工焊接難度相對較大，多用于大批量機器生產(chǎn)。表面粘貼式封裝的器件外型及其PCB焊盤3．銅箔導(dǎo)線

印制電路板以銅箔作為導(dǎo)線將安裝在電路板上的元器件連接起來，所以銅箔導(dǎo)線簡稱為導(dǎo)線。印制電路板的設(shè)計主要是布置銅箔導(dǎo)線。與銅箔導(dǎo)線類似的還有一種線，稱為飛線，又稱預(yù)拉線。飛線主要用于表示各個焊盤的連接關(guān)系，指引銅箔導(dǎo)線的布置，它不是實際的導(dǎo)線。導(dǎo)線飛線4．焊盤

焊盤的作用是在焊接元件時放置焊錫，將元件引腳與銅箔導(dǎo)線連接起來。焊盤的形式有圓形、方形和八角形，常見的焊盤如下圖所示。焊盤有針腳式和表面粘貼式兩種，表面粘貼式焊盤無須鉆孔；而針腳式焊盤要求鉆孔，它有過孔直徑和焊盤直徑兩個參數(shù)。常見焊盤5．助焊膜和阻焊膜

為了使印制電路板的焊盤更容易粘上焊錫，通常在焊盤上涂一層助焊膜。另外，為了防止印制電路板不應(yīng)粘上焊錫的銅箔不小心粘上焊錫，在這些銅箔上一般要涂一層絕緣層（通常是綠色透明的膜），這層膜稱為阻焊膜。綠色阻焊膜6．過孔

雙面板和多層板有兩個以上的導(dǎo)電層，導(dǎo)電層之間相互絕緣，如果需要將某一層和另一層進(jìn)行電氣連接，可以通過過孔實現(xiàn)。過孔的制作方法為：在多層需要連接處鉆一個孔，然后在孔的孔壁上沉積導(dǎo)電金屬（又稱電鍍），這樣就可以將不同的導(dǎo)電層連接起來。過孔主要有穿透式和盲過式兩種形式，如下圖所示。穿透式過孔從頂層一直通到底層，而盲過孔可以從頂層通到內(nèi)層，也可以從底層通到內(nèi)層。7．絲印層

除了導(dǎo)電層外，印制電路板還有絲印層。絲印層主要采用絲印印刷的方法在印制電路板的頂層和底層印制元件的標(biāo)號、外形和一些廠家的信息。白色絲印層3.2創(chuàng)建一個新的PCB文件

3.2.1打開PCB文件

在將原理圖設(shè)計轉(zhuǎn)換為PCB設(shè)計之前，需要創(chuàng)建一個有最基本的板子輪廓的空白PCB。

由于在第2章新建一個工程（多諧振蕩器）時，就自動建立了Board1（板1）的Schematic1（原理圖1）及PCB1（印制電路板1），所以在屏幕左邊導(dǎo)航的“圖頁”頁面雙擊PCB1，即打開PCB1圖，如右圖所示。PCB編輯器3.2.2自定義繪制板框

一些比較常見、簡單的圓形或者矩形規(guī)則板框，可以通過執(zhí)行菜單命令完成，例如建立一個邊長5cm的正方形（倒圓角）。（1）在菜單欄，將單位切換為公制（mm）。（2）執(zhí)行“放置”→“板框”→“矩形”命令，或者單擊工具欄上的

圖標(biāo)，鼠標(biāo)上懸浮一個板框，在合適的位置單擊，確定板框的一個起點，移動鼠標(biāo)顯示板框的寬、高尺寸，尺寸大概合適后，再次單擊確定邊框的第2個點。板框的準(zhǔn)確尺寸可以通過屬性面板修改，如右圖所示。板框的尺寸也可在放置板框時，單擊Tab鍵修。屬性面板修改邊框尺寸3.2.2自定義繪制板框

（3）修改板框為圓角正方形，選中板框，單擊右鍵，彈出下拉菜單，如圖3-11所示，選擇添加圓角，彈出輸入倒角半徑對話框，如圖3-12所示，輸入3mm，單擊“確定”按鈕即可。邊框繪制完畢，如圖3-13所示。圖3-11添加圓角圖3-12添加倒角半徑圖3-13

繪制PCB邊框3.2.2自定義繪制板框注意：PCB板的單位有英制（英寸、mil），公制（米m、厘米cm、毫米mm）兩種。1英寸=1000mil=2.54cm3.3用封裝管理器檢查所有元件的封裝

在原理圖編輯器內(nèi)，執(zhí)行“工具”→“封裝管理器”命令，彈出封裝管理器對話框，如圖3-14所示。在該對話框的元件列表區(qū)域，顯示原理圖內(nèi)的所有元件。用左鍵選擇每一個元件，當(dāng)選中一個元件時，在對話框的右邊的封裝管理編輯框內(nèi)顯示該元件的封裝，如果所有元件的封裝檢查完全正確，單擊“取消”按鈕關(guān)閉對話框。圖3-14封裝管理器對話框3.4原理圖信息導(dǎo)入PCB

在第2章已經(jīng)對原理圖進(jìn)行了設(shè)計規(guī)則檢查（DRC），確認(rèn)在原理圖中沒有任何錯誤，則可以執(zhí)行“設(shè)計”→“更新/轉(zhuǎn)換原理圖到PCB”命令，把原理圖信息導(dǎo)入到目標(biāo)PCB文件。（1）打開原理圖文件，執(zhí)行“設(shè)計”→“更新/轉(zhuǎn)換原理圖到PCB”命令，彈出“確認(rèn)導(dǎo)入信息”對話框，如圖3-15所示。圖3-15“確認(rèn)導(dǎo)入信息”對話框3.4原理圖信息導(dǎo)入PCB

（2）在圖3-15中，單擊“應(yīng)用修改”按鈕，原理圖信息導(dǎo)入PCB，如圖3-16所示。圖3-16原理圖信息導(dǎo)入PCB3.5印刷電路板（PCB）設(shè)計

3.5.1布局傳遞

布局傳遞，是一個非常實用的功能。設(shè)計者在手動布局的時候，其實大部分情況下，都會按照原理圖的各個單元電路擺放位置在PCB中放置元器件。布局傳遞命令，就可以實現(xiàn)一鍵把原理圖中的布局傳遞到PCB中，使得單元電路的元器件都按照原理圖中的相對位置擺放，不用設(shè)計者一個一個元器件尋找和拖拽，大大提高了布局效率。3.5.1布局傳遞

在原理圖中，選中所有你要布局傳遞的元器件，這里選擇除電阻以外的其他元器件，然后執(zhí)行主菜單中“設(shè)計”→“布局傳遞”命令（快捷鍵：Ctrl+Shift+X），此時，界面自動切換到PCB編輯器界面，剛剛被選中的元器件，已經(jīng)按照原理圖中的位置附著在了光標(biāo)上，如圖3-17所示，在合適位置單擊，就可以把元器件放到PCB中。圖3-17布局傳遞3.5.2手動布局

一塊PCB板設(shè)計成功否，元器件的布局是關(guān)鍵。

手動布局，需要設(shè)計者用鼠標(biāo)一個一個地把元器件拖放到合適的位置。

（1）調(diào)整Q1、Q2的位置，將光標(biāo)放在Q1輪廓的中部，按下鼠標(biāo)左鍵不放，移動鼠標(biāo)拖動元件，到合適位置，放開左鍵即可移動元件，如圖3-18所示。

（2）移動連接器H1，選擇H1，拖動連接時，按下空格鍵將其旋轉(zhuǎn)90°，然后將其定位在板子的左邊，如圖3-18所示。圖3-18布好元件的PCB板3.5.2手動布局

（3）參照圖3-18所示位置放置其余的元件。當(dāng)設(shè)計者拖動元件時，如有必要，使用空格（Space）鍵來旋轉(zhuǎn)元件，讓該元件與其他元件之間的飛線距離最短，交叉線最少，這樣布局比較合理，方便布線，如圖3-18所示。

（4）元器件文字可以用同樣的方式來重新定位—按下鼠標(biāo)左鍵不放來拖動文字，按Space鍵旋轉(zhuǎn)。圖3-18布好元件的PCB板3.5.3設(shè)置新的設(shè)計規(guī)則

嘉立創(chuàng)EDA的PCB編輯器是一個規(guī)則驅(qū)動環(huán)境。設(shè)計規(guī)則是PCB設(shè)計中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，可以通過PCB設(shè)計規(guī)則，保證PCB符合電氣要求和機械加工（精度）要求，為布局、布線提供依據(jù)，也為DRC提供依據(jù)。

這意味著，在設(shè)計者改變設(shè)計的過程中，如放置導(dǎo)線、移動元件或者自動布線，嘉立創(chuàng)EDA都會監(jiān)測每個動作，并檢查設(shè)計是否完全符合設(shè)計規(guī)則。如果不符合，則會立即警告，強調(diào)出現(xiàn)錯誤。在設(shè)計之前先設(shè)置設(shè)計規(guī)則以讓設(shè)計者集中精力設(shè)計，因為一旦出現(xiàn)錯誤，軟件就會提示。3.5.3設(shè)置新的設(shè)計規(guī)則

現(xiàn)在來設(shè)置必要的新的設(shè)計規(guī)則，指明電源線、地線的寬度。具體步驟如下：

（1）激活PCB文件，從菜單執(zhí)行“設(shè)計”→“設(shè)計規(guī)則”命令，彈出“設(shè)計規(guī)則”對話框，如圖3-20所示，每一類規(guī)則都顯示在對話框的左側(cè)的欄中，右邊欄顯示選中規(guī)則的信息。圖3-20設(shè)計規(guī)則對話框3.5.3設(shè)置新的設(shè)計規(guī)則

（2）單擊選擇每條規(guī)則。當(dāng)設(shè)計者單擊每條規(guī)則時，對話框右邊的上方將顯示規(guī)則的名稱、單位，下方將顯示規(guī)則的限制。

（3）單擊trackWidth規(guī)則，右邊欄上顯示它的名稱、單位和約束，如圖3-21所示，本規(guī)則適用于整個板。圖3-21設(shè)置trackWidth規(guī)則3.5.3設(shè)置新的設(shè)計規(guī)則

嘉立創(chuàng)EDA的設(shè)計規(guī)則系統(tǒng)的一個強大功能是：同種類型可以定義多種規(guī)則，每個規(guī)則有不同的對象，每個規(guī)則目標(biāo)的確切設(shè)置是由規(guī)則的范圍決定的。

例如，讀者可以有對接地網(wǎng)絡(luò)（GND）的寬度約束規(guī)則，也可以有一個對電源線（+12V）的寬度約束規(guī)則，可能有一個對整個板的寬度約束規(guī)則，即所有的導(dǎo)線除電源線和地線以外都必須是這個寬度。3.5.3設(shè)置新的設(shè)計規(guī)則

現(xiàn)在讀者要為“+12V”、“GND”網(wǎng)絡(luò)各添加一個新的寬度約束規(guī)則，要添加新的寬度約束規(guī)則，完成以下步驟：

（1）在“設(shè)計規(guī)則”對話框的“導(dǎo)線”右邊，單擊

圖標(biāo)，一個新的名為TrackWidth1的規(guī)則出現(xiàn)；然后再單擊

圖標(biāo)，一個新的名為TrackWidth2的規(guī)則出現(xiàn)，如圖3-22所示。圖3-22

添加TrackWidth1、TrackWidth2線寬規(guī)則3.5.3設(shè)置新的設(shè)計規(guī)則

（2）在“設(shè)計規(guī)則”對話框單擊新的名為TrackWidth1的規(guī)則以修改其范圍和約束，如圖3-23所示。

（3）在名稱欄輸入GND，名稱會在“設(shè)計規(guī)則”欄里自動更新，將默認(rèn)線寬改為25mil，如圖3-23所示。

（4）在“設(shè)計規(guī)則”對話框單擊名為TrackWidth2的規(guī)則，在名稱欄輸入+12V，名稱會在“設(shè)計規(guī)則”欄里自動更新，將默認(rèn)線寬改為18mil。圖3-23選擇GND網(wǎng)絡(luò)修改線的寬度3.5.3設(shè)置新的設(shè)計規(guī)則

（5）選擇名為TrackWidth線寬，將默認(rèn)線寬改為12mil。

（6）在“設(shè)計規(guī)則”對話框，選擇“網(wǎng)絡(luò)規(guī)則”標(biāo)簽，單擊“導(dǎo)線”，在右邊欄名稱為“+12V”的規(guī)則欄，選擇“+12V”的線寬規(guī)則；同樣方法，名稱為“GND”的規(guī)則欄，選擇“GND”的線寬規(guī)則，如圖3-24所示；單擊“確認(rèn)”退出設(shè)計規(guī)則面板。圖3-24綁定相應(yīng)的線寬規(guī)則3.5.4自動布線

在3.5.3中讀者把導(dǎo)線的規(guī)則設(shè)置好了，無論是手動布線還是自動布線，都可以按設(shè)計好的線寬進(jìn)行布線（當(dāng)然也可以進(jìn)行修改）。

自動布線器提供了一種簡單而有效的布線方式。通過以下步驟進(jìn)行自動布線：

（1）從菜單執(zhí)行“布線”→“自動布線”命令，彈出自動布線對話框，如圖3-25所示。圖3-25自動布線對話框3.5.4自動布線

（2）可以對該對話框的選項進(jìn)行設(shè)置，把布線拐角設(shè)為900，其它選默認(rèn)值，單擊“運行”按鈕，自動關(guān)閉自動布線對話框，彈出PCB板，顯示所有線全部布通，布線效果如圖3-26所示。圖3-26自動布線結(jié)果（布線拐角900）3.5.4自動布線

（3）從菜單執(zhí)行“布線”→“清除布線”→“全部”命令，取消板的布線。

重新自動布線，把布線拐角設(shè)為450，其它選默認(rèn)值，單擊“運行”按鈕，布線效果如圖3-27所示。

注意：線的放置由自動布線通過兩種顏色來呈現(xiàn)。紅色，表明該線在頂端的信號層；藍(lán)色，表明該線在底部的信號層。圖3-27自動布線結(jié)果（布線拐角450）3.5.5手動布線

從以上自動布線結(jié)果看出，還不能把自動布線結(jié)果直接用于生產(chǎn)文件，當(dāng)自動布線滿足不了讀者的要求，就需要讀者手動布線了。在自動布線的基礎(chǔ)上進(jìn)行手動布線，可以減輕讀者的工作量。

下面在自動布線（布線拐角450）的基礎(chǔ)上進(jìn)行手動布線（1）單擊PCB工具中的

按鈕，或按快捷鍵W，在畫布上單擊開始繪制，再次單擊確認(rèn)布線；單擊鼠標(biāo)右鍵取消布線，再次單擊鼠標(biāo)右鍵即可退出布線模式。3.5.5手動布線

（2）布線時要選擇正確的層，在界面右側(cè)的“圖層”面板鼠標(biāo)單擊頂層（激活頂層）把角度為90o的布線重新繪制，原來的導(dǎo)線自動刪除。

（3）如果頂層標(biāo)簽是激活的，按數(shù)字鍵盤上的“*”鍵，在不退出走線模式的情況下切換到底層。“*”鍵可用于在信號層之間進(jìn)行切換，在切換層的時候會自動地插入必要的過孔。

（4）修改導(dǎo)線屬性。首先選擇待修改屬性的一段導(dǎo)線，然后在PCB設(shè)計環(huán)境右側(cè)的“導(dǎo)線屬性”面板中修改即可。3.5.5手動布線

（5）移動導(dǎo)線線段。單擊選中一段導(dǎo)線，拖動即可調(diào)節(jié)其位置。

（6）切換布線角度。在布線過程中，按L鍵可以切換布線角度。布線角度有4種：90o布線、45布線、任意角度布線和弧形布線。按空格鍵可以切換當(dāng)前布線的角度。

（7）高亮顯示網(wǎng)絡(luò)。單擊選中待高亮顯示的網(wǎng)絡(luò)的其中一段導(dǎo)線，按H鍵可以高亮顯示該網(wǎng)絡(luò)的所有導(dǎo)線，再次按H鍵，可以取消高亮顯示。3.5.5手動布線

（8）布線沖突。在PCB設(shè)計過程中，需要打開布線沖突中的“阻擋”功能，在PCB畫布空白處單擊，在界面右側(cè)的屬性面板，如圖3-28所示。這樣在布線過程中，不同網(wǎng)絡(luò)之間將不相連。

（9）布線吸附。在布線過程中，需要打開“吸附”功能，如圖3-28所示，這樣布線時導(dǎo)線將自動吸附在焊盤的中心位置。

圖3-28布線沖突3.5.5手動布線

（10）調(diào)整完P(guān)CB上的所有連線后，如圖3-29所示，右擊或者按ESC鍵以退出放置模式。

（11）保存設(shè)計的PCB板。圖3-29完成手動布線的PCB板3.6驗證PCB板設(shè)計

嘉立創(chuàng)EDA提供一個規(guī)則驅(qū)動環(huán)境來設(shè)計PCB，并允許讀者定義各種設(shè)計規(guī)則來保證PCB板設(shè)計的完整性。比較典型的做法是，在設(shè)計過程的開始讀者就設(shè)置好設(shè)計規(guī)則，然后在設(shè)計進(jìn)程的最后用這些規(guī)則來驗證設(shè)計。

在前述例子中讀者已經(jīng)添加了二個新的線寬度約束規(guī)則。為了驗證所布線的電路板是符合設(shè)計規(guī)則的，現(xiàn)在讀者要運行設(shè)計規(guī)則檢查DRC(DesignRuleCheck)命令。3.6驗證PCB板設(shè)計

在前述例子中設(shè)計者已經(jīng)添加了二個新的線寬度約束規(guī)則。為了驗證所布線的電路板是符合設(shè)計規(guī)則的，現(xiàn)在設(shè)計者要運行設(shè)計規(guī)則檢查DRC(DesignRuleCheck)。

（1）從菜單執(zhí)行“設(shè)計”→“實時DRC”命令，彈出信息對話框，如圖3-30所示，提示是否立即執(zhí)行一次DRC檢查，單擊“是”按鈕，彈出檢查結(jié)果對話框如圖3-31所示。圖3-30提示信息3.6驗證PCB板設(shè)計

（2）在圖3-31中的DRC面板，顯示錯誤的信息，顯示三極管焊盤到導(dǎo)線的距離小于設(shè)計規(guī)則6mil。

（3）PCB板編輯界面上，有黃色叉的地方就是出錯點。如果PCB板元器件太多，不方便查看，也可單擊錯誤提示信息上的“對象1”或“對象2”欄的導(dǎo)線或焊盤，光標(biāo)就自動跳到出錯的信息處。圖3-31實時DRC檢查到的錯誤3.6驗證PCB板設(shè)計

（4）移動出錯點的導(dǎo)線，讓導(dǎo)線離焊盤有合適的位置，如圖3-32所示。再執(zhí)行“設(shè)計”→“實時DRC”命令，彈出檢查結(jié)果對話框如圖3-32所示，在下面的DRC面板，沒有檢查到錯誤。

（5）設(shè)計規(guī)則檢查也可以從菜單執(zhí)行“設(shè)計”→“檢查DRC”命令，直接在編輯界面下面的DRC面板，顯示錯誤的信息，效果與執(zhí)行“實時DRC”命令一樣，在此不贅述。圖3-32實時DRC檢查沒有錯誤設(shè)置坐標(biāo)原點

執(zhí)行“放置”→“畫布原點”→“從光標(biāo)”命令，鼠標(biāo)在PCB板的左下角單擊即可。圖3-1多諧振蕩器的PCB圖調(diào)整位