《計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)》課件第8章

8.1Protel2004設(shè)計(jì)流程介紹8.2簡易無線電遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.3U盤電路設(shè)計(jì)習(xí)題第8章綜合實(shí)例8.1Protel2004設(shè)計(jì)流程介紹通過前面7章的學(xué)習(xí)，讀者已經(jīng)了解了Protel2004的基本使用方法，掌握了原理圖的繪制、印制電路板的設(shè)計(jì)以及電路仿真的基本方法，但前面的章節(jié)只是把Protel2004的使用方法分解成很多知識點(diǎn)進(jìn)行介紹，所以還需要用一些綜合實(shí)例將這些知識點(diǎn)貫穿起來，使讀者對于印制電路板設(shè)計(jì)流程有一個整體認(rèn)識。本章將以直流穩(wěn)壓電源、霓虹燈、U盤等電路為例，介紹印制電路板設(shè)計(jì)的全過程，使讀者進(jìn)一步熟練地掌握Protel2004的使用方法。8.1.1電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程

在學(xué)習(xí)Protel2004設(shè)計(jì)流程之前，可以先了解一下電路板的設(shè)計(jì)在整個產(chǎn)品的研發(fā)環(huán)節(jié)中所占的位置。

1.確定規(guī)格

企業(yè)根據(jù)市場需求或其客戶的要求，調(diào)查搜集有關(guān)資料加以消化，并與相關(guān)人員協(xié)商出此產(chǎn)品的最終規(guī)格，再將電子部分的規(guī)格交給電子工程師，確定設(shè)計(jì)方案。為了突破復(fù)雜關(guān)鍵技術(shù)，減小產(chǎn)品預(yù)研的技術(shù)風(fēng)險,尋求最佳方案，應(yīng)進(jìn)行一系列的試驗(yàn)，要做好原始記錄,并加以整理分析。

2.繪制線路圖

電子工程師根據(jù)收到的詳細(xì)規(guī)格，進(jìn)行線路圖(Schematic或稱Entry)的繪制工作，待完成后，交給布局工程師(LayoutEnginer)進(jìn)行電路板的設(shè)計(jì)工作。

3.電路板設(shè)計(jì)

布局工程師根據(jù)電子工程師提供的線路圖及設(shè)計(jì)規(guī)范，并在電子工程師的參與下，協(xié)同進(jìn)行電路板的設(shè)計(jì)工作。待完成后，產(chǎn)生相關(guān)的設(shè)計(jì)資料(即底片檔案，GerberFiles或稱ArtworkFiles)，交給下游的電路板工廠。

4.試做電路板

電路板工廠根據(jù)收到的相關(guān)設(shè)計(jì)資料，立即快速試做少量的電路板。

5.插件及焊接

電子工程師收到電路板樣本(PCBSample)后，立即自行或交由工廠進(jìn)行零件的插接及焊接作業(yè)。

6.除錯及驗(yàn)證

電子工程師取得插好零件的電路板，進(jìn)行功能的除錯及驗(yàn)證；若找到問題，則進(jìn)行下一次的修改作業(yè)，直到?jīng)]有錯誤為止；若無錯誤，則可進(jìn)行下一步工廠試產(chǎn)或量產(chǎn)作業(yè)。8.1.2電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程

在計(jì)算機(jī)上，利用Protel2004進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的過程如下：

(1)編輯原理圖。原理圖編輯是電路CAD設(shè)計(jì)的前提，因此原理圖編輯(SchematicEdit)是電路CAD軟件必備的功能。

(2)必要時利用Protel2004軟件的電路仿真功能，對電路功能、性能指標(biāo)進(jìn)行仿真測試。電路功能、性能主要由原理圖決定。

(3)生成網(wǎng)絡(luò)表文件，創(chuàng)建PCB文件并將原理圖中的元件序號、封裝形式以及連接關(guān)系裝入PCB文件內(nèi)。

(4)不正確則返回(1)，修改原理圖。

(5)執(zhí)行“UpdatePCB…”命令，或啟動Protel2004PCB編輯器，并裝入從原理圖文件中提取的網(wǎng)絡(luò)表文件。

(6)設(shè)計(jì)元件封裝，Protel2004不可能提供所有元件的封裝。如果發(fā)現(xiàn)元件封裝庫中沒有所需要的元件，這時候可以自己動手設(shè)計(jì)元件封裝。

(7)編輯PCB，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，繪出PCB的輪廓，按照網(wǎng)絡(luò)表和設(shè)計(jì)規(guī)則要求布局和布線，最后進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查。8.2簡易無線電遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.2.1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)無線電遙控發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，其原理示意圖如圖8-1所示。設(shè)計(jì)要求如下。

1.基本要求

工作頻率：f0取6～10MHz中任選一種頻率。

調(diào)制方式：AM、FM、FSK任選一種。

輸出功率：不大于20mW(在標(biāo)準(zhǔn)75歐姆假負(fù)載上)。

遙控對象：8個，被控設(shè)備用LED分別代替，LED發(fā)光表示工作。

接收機(jī)距離發(fā)射機(jī)不小于10m。圖8-1簡易無線電遙控系統(tǒng)示意圖(a)發(fā)射機(jī)；(b)接收機(jī)

2.發(fā)揮部分

8路設(shè)備中的一路為電燈，用指令控制電燈亮度，亮度分為8級并用數(shù)碼管顯示級數(shù)。

在一定的發(fā)射功率下(不大于20mW)，盡量增大接收距離。

盡量降低電源功耗。

增加信道抗干擾措施。8.2.2設(shè)計(jì)方案

此設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)部分的電路原理圖如圖8-2所示。

振蕩器的頻率為8MHz。采用變?nèi)荻O管調(diào)頻。諧振功率放大器的輸出功率不大于20mW。編碼電路由10-4線優(yōu)先編碼器CD40147與遙控專用集成電路編碼器MC145026構(gòu)成。CD40147對8個開關(guān)按鍵先編碼，輸出為4位二進(jìn)制數(shù)；MC145026對并行輸入的4位二進(jìn)制數(shù)后編碼，進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，并加入一定冗余信息以提高可靠性。MC145026輸出的串行碼元作為調(diào)制信號加到變?nèi)荻O管。按鍵S有兩種狀態(tài)，一種狀態(tài)指定被控對象是調(diào)亮度的電燈，另一種狀態(tài)指定被控對象是7只發(fā)光二極管LED。電燈的8級亮度以及7只LED管的控制均由8個按鍵開關(guān)控制。圖8-2發(fā)射機(jī)部分的電路原理圖8.2.3原理圖繪制

1.新建工程和原理圖

啟動Protel2004，進(jìn)入主界面后，新建工程文件，執(zhí)行【File】/【New】/【PCBProject】命令，如圖8-3所示。圖8-3新建工程文件

保存新建的工程文件，執(zhí)行【File】/【SaveProject】命令，如圖8-4所示。執(zhí)行上述命令后，將彈出如圖8-5所示的對話框，按圖中所示輸入工程文件名“transmiter.Prj”，然后單擊按鈕，文件保存在ch8文件夾內(nèi)。圖8-4保存工程文件圖8-5保存工程文件對話框

新建原理圖文件，在主界面左邊工程管理器(如圖8-6所示)中transmiter.PRJ處單擊右鍵，選擇【transmiter.Prj】/【AddNewToProject】/【Schematic】命令，如圖8-7所示。

保存新建的原理圖文件，執(zhí)行【File】/【Save】菜單命令。原理圖文件命名為transmiter.SchDoc。圖8-6工程管理器圖8-7新建原理圖文件

2.加載元件庫

加載元件庫MiscellaneousDevices.Intlib。

3.放置元件

發(fā)射機(jī)電路中主要的元件有電阻、電容、二極管、天線、電感和三極管等，這些元件大部分存放在MiscellaneousDevices.Intlib庫中。下面以電阻為例，介紹元件的放置和元件參數(shù)的修改。

在如圖8-8所示的Libraries面板中，“*”前面輸入res2，單擊按鈕，即可將電阻元件從庫中取出，如圖8-9所示。此時按下鍵盤上的Tab鍵，系統(tǒng)將彈出如圖8-10所示的元件屬性對話框，按照原理圖的要求設(shè)置元件屬性。圖8-8Libraries面板

圖8-9電阻元件圖8-10電阻元件屬性對話框基本元件的標(biāo)識：

電阻：res2 電容：cap電感：inductor

二極管：diode 三極管：NPN或PNP

變壓器：trans 天線：antenna

其他元件的放置過程這里不再敘述。

4.制作元件

我們可以發(fā)現(xiàn)，原理圖中有兩個元件CD40147和MC145026(如圖8-11所示)在庫中無法找到，下面以CD40147為例介紹元件的制作過程。

執(zhí)行菜單命令【File】/【New】/【Library】/【SchematicLibrary】，新建原理圖庫文件，并保存為Mylib.SCHLIB。圖8-11元件CD40147、MC145026

新建元件，執(zhí)行【Tools】/【NewConpent】菜單命令，彈出如圖8-12所示對話框。將新建元件命名為CD40147。圖8-12新建元件對話框

在元件庫編輯環(huán)境中，單擊圖8-13所示繪圖工具欄的

按鈕執(zhí)行繪制矩形命令。圖8-13繪圖工具欄

執(zhí)行繪制矩形命令后，在工作區(qū)中將出現(xiàn)一個隨著十字光柵移動的矩形，將光柵移至坐標(biāo)原點(diǎn)處(坐標(biāo)為X:0，Y:0)，單擊鼠標(biāo)左鍵將原點(diǎn)設(shè)為矩形的左上角，再將鼠標(biāo)移到坐標(biāo)(50，90)處，單擊鼠標(biāo)左鍵確定矩形右下角，如圖8-14所示。圖8-14繪制矩形

放置元件引腳，執(zhí)行菜單命令【Place】/【Pin】，如圖8-15所示。執(zhí)行命令后，在工作區(qū)中將出現(xiàn)一個隨著鼠標(biāo)光柵移動的引腳，如圖8-16所示。圖8-15放置引腳命令

圖8-16放置引腳

按下鍵盤上的Tab鍵，彈出元件引腳屬性對話框，按圖8-17所示設(shè)置元件引腳屬性，然后按照圖8-11中CD40147所示順序放置引腳，就可以得到圖8-11所示的元件。放置引腳時應(yīng)當(dāng)注意引腳的方向。

給元件添加封裝形式，在SCHLibrary(圖8-18所示)管理器中，單擊按鈕，彈出如圖8-19所示對話框。圖8-17元件引腳屬性對話框圖8-18SCHLibrary管理器圖8-19元件屬性對話框單擊該對話框中下方的按鈕，彈出如圖8-20所示的對話框，單擊按鈕，系統(tǒng)將彈出如圖8-21所示的對話框，為元件添加封裝形式(DIP16)。

以上介紹了繪制元件CD40147的基本步驟，請讀者自行繪制元件MC145026。圖8-20AddNewModel

圖8-21PCBModel

5.元件布局和連接導(dǎo)線

一幅好的電路原理圖應(yīng)該布局合理、連線清晰、模塊分明，所以在繪制原理圖的過程中，元件布局和連接導(dǎo)線是非常重要的環(huán)節(jié)。

1)元件布局

在對元件進(jìn)行整體布局時，首先，必須從大體上將電路中的一些核心元件擺放好，放置好核心元件后，針對各個核心元件逐個添加其周邊的小元件，接著將這些小元件與核心元件的位置進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整好后再進(jìn)行連線。

發(fā)射機(jī)的電路布局如圖8-22所示。

2)連接導(dǎo)線

連接導(dǎo)線的方法在前面的章節(jié)已經(jīng)敘述，這里不再贅述。圖8-22發(fā)射機(jī)的電路布局

6.生成報(bào)表

完成原理圖設(shè)計(jì)操作后，下面就可以生成原理圖相關(guān)報(bào)表文件了。

執(zhí)行菜單命令【Project】/【CompileDocumenttransmiter.SchDoc】，對工程進(jìn)行編譯操作。編譯結(jié)束后，在Message窗口中可以查看工程的錯誤信息，根據(jù)Message窗口中的錯誤信息對原理圖進(jìn)行修改，如圖8-23所示。圖8-23Message窗口

執(zhí)行菜單命令【Reports】/【BillofMaterials】，生成元件清單報(bào)表。元件清單報(bào)表如圖8-24所示。圖8-24元件清單報(bào)表

執(zhí)行【Design】/【NetlistsForProject】/【Project】命令，軟件將在該工程文件下生成一個與該工程文件同名的網(wǎng)絡(luò)表文件。打開網(wǎng)絡(luò)表文件，如圖8-25所示。

在網(wǎng)絡(luò)表文件中可以很方便地查看該原理圖中的元件類型、序號、封裝形式以及各元件之間的連接關(guān)系，并可以對其中的連線進(jìn)行修改。圖8-25網(wǎng)絡(luò)表文件8.2.4PCB電路板制作

1.規(guī)劃電路板

在設(shè)計(jì)PCB板之前，首先需要規(guī)劃電路板，下面就進(jìn)行電路板的規(guī)劃操作。根據(jù)元件的數(shù)量和體積，可以大約估算電路板的面積，確定電路板的長、高尺寸。

新建PCB文件，執(zhí)行【Project】/【AddNewToProject】/【PCB】菜單命令。

執(zhí)行【File】/【Saveas】命令，將新建的PCB文件保存，命名為“transmiter.PCBDoc”。

打開transmiter.PCBDoc文件，執(zhí)行【Design】/【LayerStackManager】菜單命令，在系統(tǒng)彈出的PCB層設(shè)置對話框中將該電路板設(shè)置為雙面板，如圖8-26所示。圖8-26PCB層設(shè)置對話框

執(zhí)行菜單命令【Design】/【BoardOptions】，將彈出如圖8-27所示圖紙?jiān)O(shè)置對話框，按圖8-27所示進(jìn)行設(shè)置。

繪制機(jī)械層和禁止布線層。

在PCB工作區(qū)的下方單擊Mechanicall標(biāo)簽，將當(dāng)前工作層設(shè)置為機(jī)械層1。進(jìn)入Mechanicall工作層后，在繪圖工具欄單擊工具，如圖8-28所示，執(zhí)行繪制導(dǎo)線命令，在該工作層中繪制電路板矩形邊框，圖8-27PCB圖紙?jiān)O(shè)置對話圖8-28繪圖工具欄在PCB工作區(qū)的下方單擊Keep-OutLayer標(biāo)簽，將當(dāng)前工作層設(shè)置為禁止布線層。依次按P鍵和L鍵，激活繪制導(dǎo)線命令，在該工作層中繪制電路板矩形邊框，繪制的電路板邊框如圖8-29所示。

電路板規(guī)劃完成。圖8-29PCB板邊框

2.原理圖載入

電路板規(guī)劃完成后，就需要將原理圖中的元件封裝和網(wǎng)絡(luò)表載入到PCB編輯器中，進(jìn)行電路板的設(shè)計(jì)。

執(zhí)行菜單命令【Design】/【ImportChangesFromtransmiter.PRJPcb】，載入網(wǎng)絡(luò)表和元件封裝，彈出如圖8-30所示對話框。圖8-30網(wǎng)絡(luò)表載入對話框

在對話框中單擊“ValidateChanges”按鈕，確定元件的載入，并檢查載入過程中是否有元件封裝或網(wǎng)絡(luò)存在錯誤，確認(rèn)無誤后，單擊“ExecuteChanges”按鈕，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)表和元件封裝的載入，如圖8-31所示。

載入網(wǎng)絡(luò)表之后的工作區(qū)如圖8-32所示。圖8-31執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)表載入圖8-32載入網(wǎng)絡(luò)表和元件后的工作區(qū)

3.元件布局

下面進(jìn)行元件的手工布局。根據(jù)原理圖中各元件的關(guān)系，對元件進(jìn)行布局，如圖8-33所示。圖8-33元件布局

4.布線規(guī)則設(shè)置及布線

在PCB編輯器中，執(zhí)行菜單命令【Design】/【Rules】，軟件將彈出如圖8-34所示的布線規(guī)則設(shè)置對話框。

設(shè)置安全間距，打開Electrical(電氣特性設(shè)置)中的Clearance(安全間距設(shè)置)子項(xiàng)，如圖8-35所示，將安全間距設(shè)置為10mil。

同樣的，打開Rounting(布線規(guī)則設(shè)置)中的Width(布線寬度設(shè)置)子項(xiàng)，將MinWidth設(shè)置為10mil，MaxWidth設(shè)置為20mil，PreferredWidth設(shè)置為10mil，如圖8-36所示。圖8-34布線規(guī)則設(shè)置對話框圖8-35安全間距設(shè)置圖8-36線寬設(shè)置

在Width子項(xiàng)上單擊右鍵，選擇彈出菜單中的NewRule命令，添加新的布線寬度子項(xiàng)。打開此子項(xiàng)，將子項(xiàng)名稱Name設(shè)置為GND，選擇Net選項(xiàng)，并在其右邊的下拉列表中選擇GND，將PreferredWidth設(shè)置為20mil，如圖8-37所示。

其他規(guī)則設(shè)置這里不再做介紹。圖8-37布線寬度子項(xiàng)

5.自動布線

執(zhí)行菜單命令【AutoRoute】/【All】，彈出如圖8-38所示對話框，單擊按鈕，開始自動布線。

執(zhí)行完自動布線后，接下來對其布線結(jié)果進(jìn)行手工調(diào)整，調(diào)整后的PCB電路板如圖8-39所示。

至此本設(shè)計(jì)完成。圖8-38自動布線對話框圖8-39PCB板布線結(jié)果8.3U盤電路設(shè)計(jì)8.3.1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求圖8-40所示為U盤的電路，該電路采用了IC1114作為U盤控制器，K9F5608U0B作為閃存，可以通過IC1114從USB接口中讀入數(shù)據(jù)存儲于K9F5608U0B中，也可以通過IC1114從K9F5608U0B中讀數(shù)據(jù)，利用USB接口傳送到計(jì)算機(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)了U盤存儲功能。圖8-40U盤電路8.3.2原理圖繪制

1.新建工程和原理圖

啟動Protel2004，進(jìn)入主界面后，新建工程文件，執(zhí)行【File】/【New】/【PCBProject】命令。

保存新建的工程文件，執(zhí)行【File】/【SaveProject】命令，在彈出的對話框中輸入工程文件名“FlashDisk.Prj”，然后單擊按鈕。

新建原理圖文件，在主界面左邊工程管理器(如圖8-6所示)中的FlashDisk.Prj處單擊右鍵，選擇【FlashDisk.Prj】/【AddNewToProject】/【Schematic】命令。

保存新建的原理圖文件，執(zhí)行【File】/【Save】菜單命令，原理圖文件命名為FlashDisk.SchDoc。

2.加載元件庫

加載元件庫MiscellaneousDevices.Intlib、MiscellaneousConnectors.Intlib。

3.制作元件

我們可以發(fā)現(xiàn)，電路原理圖中元件AT1201、K9F5608U0B和IC1114三個元件(如圖8-41所示)在庫中無法找到，下面開始制作元件。圖8-41需要制作的元件

執(zhí)行菜單命令【File】/【New】/【Library】/【SchematicLibrary】，新建原理圖庫文件，并保存為FlashDisk.SCHLIB。

新建元件，執(zhí)行【Tools】/【NewConpent】菜單命令，將新建元件命名為IC1114。

在元件庫編輯環(huán)境中，單擊繪圖工具欄的按鈕執(zhí)行繪制矩形命令。

執(zhí)行繪制矩形命令后，在工作區(qū)中將出現(xiàn)一個隨著十字光柵移動的矩形，將光柵移至坐標(biāo)原點(diǎn)處(坐標(biāo)為X:0，Y:0)，單擊鼠標(biāo)左鍵將原點(diǎn)設(shè)為矩形的左上角，再將鼠標(biāo)移到坐標(biāo)(170，-190)處，單擊鼠標(biāo)左鍵確定矩形右下角。

放置元件引腳。

執(zhí)行菜單命令【Place】/【Pin】，依照圖8-41中U盤控制器IC1114所示放置引腳，放置引腳時應(yīng)當(dāng)注意引腳的方向。按下鍵盤上的Tab鍵，彈出元件引腳屬性對話框，對元件進(jìn)行屬性設(shè)置，如圖8-42所示，放置好的引腳如圖8-43所示。

給元件添加封裝形式，在Schlib管理器中單擊按鈕，彈出如圖8-44所示對話框。

圖8-42引腳屬性設(shè)置對話框圖8-43放置好的引腳圖8-44元件屬性設(shè)置對話框單擊該對話框中下方的按鈕，在彈出的對話框中單擊按鈕，系統(tǒng)將彈出如圖8-45所示的對話框，單擊按鈕，彈出圖8-46所示對話框，再單擊按鈕，查找封裝形式QFP12x12-G48/N，最后單擊按鈕，將QFP12x12-G48/N設(shè)置為IC1114的封裝。

以上介紹了繪制元件IC1114的基本步驟，其余兩個元件請讀者自行繪制。圖8-45PCBModel圖8-46瀏覽元件封裝庫

4.放置元件

U盤電路中主要的元件有電阻、電容、發(fā)光二極管、石英晶體振蕩器、控制器IC1114、存儲器K9F5608U0B和開關(guān)等；基本元件的標(biāo)識有電阻res2、res3，電容cap2、capsemi，接頭header，發(fā)光二極管LED3，石英晶體振蕩器XTAL。

5.元件布局和連接導(dǎo)線

由于這個電路比較復(fù)雜，在繪制電路圖時應(yīng)當(dāng)分成幾個部分進(jìn)行，逐步完成對整個電路的布局和連線。第一部分電路如圖8-47所示。圖8-47第一部分電路第二部分電路如圖8-48所示。

第三部分電路如圖8-49所示。

第四部分電路如圖8-50所示。圖8-48第二部分電路圖8-49第三部分電路圖8-50第四部分電路

6.生成報(bào)表

完成原理圖設(shè)計(jì)操作后，下面就可以生成原理圖相關(guān)報(bào)表文件了。

執(zhí)行菜單命令【Project】/【CompileDocumenttransmiter.SchDoc】，對工程進(jìn)行編譯操作。編譯結(jié)束后，在Message窗口中可以查看工程的錯誤信息，根據(jù)Message窗口中的錯誤信息對原理圖進(jìn)行修改。

執(zhí)行菜單命令【Reports】/【BillofMaterials】，生成元件清單報(bào)表。

執(zhí)行【Design】/【NetlistsForProject】/【Project】命令，軟件將在該工程文件下生成一個與該工程文件同名的網(wǎng)絡(luò)表文件。打開網(wǎng)絡(luò)表文件。8.3.3PCB電路板制作

1.規(guī)劃電路板

新建PCB文件，執(zhí)行【Project】/【AddNewToProject】/【PCB】菜單命令。

執(zhí)行【File】/【Saveas】命令，將新建的PCB文件保存，命名為“FlashDisk.PCBDoc”。

打開FlashDisk.PCBDoc文件，執(zhí)行【Design】/【LayerStackManager】菜單命令，在系統(tǒng)彈出的PCB層設(shè)置對話框中將該電路板設(shè)置為雙面板。

執(zhí)行菜單命令【Design】/【BoardOptions】，彈出圖紙?jiān)O(shè)置對話框，按圖8-51所示進(jìn)行設(shè)置。圖8-51圖紙?jiān)O(shè)置對話框

繪制機(jī)械層和禁止布線層。

在PCB工作區(qū)的下方單擊Mechanicall標(biāo)簽，將當(dāng)前工作層設(shè)置為機(jī)械層1。進(jìn)入Mechanicall工作層后，在繪圖工具欄單擊工具，執(zhí)行繪制導(dǎo)線命令，在該工作層中繪制電路板矩形邊框，

在PCB工作區(qū)的下方單擊Keep-OutLayer標(biāo)簽，將當(dāng)前工作層設(shè)置為禁止布線層，然后在繪圖工具欄單擊工具，執(zhí)行繪制導(dǎo)線命令，在該工作層中繪制電路板矩形邊框，繪制的電路板邊框如圖8-52所示，寬2600mil、高11