第9章數碼管顯示電路的PCB設計

1、第第9章章 數碼管顯示電路的數碼管顯示電路的PCB設計設計l 任務描述l 在第7章完成了數碼管顯示電路的原理圖繪制后，本章完成數碼管顯示電路的PCB板設計。在該PCB板中，調用第5章建立的封裝庫內的兩個器件：DIP20(AT89C2051單片機的封裝)、LED-10(數碼管的封裝)。通過該PCB圖驗證建立的封裝庫內的兩個器件的正確性，并進行新知識的介紹。他將涵蓋以下主題：l 設置PCB板l 設計規(guī)則介紹l 自動布線的多種方法l 數碼管顯示電路的PCB板設計教學目的及要求：l 1.掌握在項目中新建PCB文檔l 2.熟練掌握設置PCB板l 3.熟練掌握導入元件、元件布局 l 4.了解PCB的設計規(guī)

2、則l 5.熟練掌握檢查綠色高亮顯示l 6.熟練掌握自動布線、驗證PCB的設計 l 教學重點：導入元件、元件布局 l 教學難點：檢查綠色高亮顯示 9.1 創(chuàng)建創(chuàng)建PCB板板l 9.1.1 在項目中新建PCB文檔l 在第3章的3.2中介紹了用PCB向導產生空白PCB板子輪廓的方法。本節(jié)將介紹另一種方法產生空白的PCB板。l （1）啟動Altium Designer，打開“數碼管顯示電路.PrjPCB”的項目文件，再打開“數碼管顯示電路.SchDoc”的原理圖。l （2）產生一個新的PCB文件。方法如下：選擇主菜單中的“File”“New”“PCB”命令，在“數碼管顯示電路.PrjPcb”項目中新建

3、一個名稱為“PCB1.PcbDoc”的PCB文件。l （3）在新建的PCB文件上單擊鼠標右鍵，在彈出的下拉菜單中選擇“Save”命令，打開“SavePCB1.PcbDocAs”對話框。l （4）在“SavePCB1.PcbDocAs”對話框的“文件名”編輯框中輸入“數碼管顯示電路”，單擊“保存”按鈕，將新建的PCB文檔保存為“數碼管顯示電路.PcbDoc”文件。9.1.2 設置設置PCB板板l （1）在主菜單中選擇“Design”“Board Options”命令，打開如圖9-1所示的“Board Options”對話框。 圖9-1 “Board Options”對話框（2）在如圖9-1所示的

4、“Board Options”對話框的“Measurement Unit”區(qū)域中設置“Unit”為“Metric”；勾選“Sheet Position”區(qū)域中的“Display Sheet”復選項，表示在PCB圖中顯示白色的圖紙；設置Snap Grid X、Y：1mm，單擊“OK”按鈕。l （3）在主菜單中選擇“Design”“Board Sharp”“Redefine Board Sharp”命令，重新定義PCB板的形狀。l （4）移動光標按順序分別在工作區(qū)內坐標為（100 mm，30 mm）、（190 mm，30 mm）、（190 mm，106 mm）和（100 mm，106 mm）的點上

5、單擊，最后單擊鼠標右鍵，繪制一個矩形區(qū)域。重新定義的PCB板區(qū)域如圖9-2所示。圖9-2 重新定義的PCB板區(qū)域（5）單擊工作區(qū)下部的“Keep-Out Layer”層標簽，選擇“Keep Out Layer”層，重新定義PCB板的邊框。（6）單擊“Utilities”工具欄中的繪圖工具按鈕“”，在彈出的工具欄中選擇線段工具按鈕“”，移動光標按順序連接工作區(qū)內坐標為（103，33）、（187，33）、（187，103）和（103，103）的四個點，然后光標回到（103，33）處，光標處出現一個小方框，按鼠標左鍵，即繪制“Keep Out”布線的矩形區(qū)域（如圖9-3所示），按鼠標右鍵，退出布線狀

6、態(tài)。(單位：mm)。圖9-3 繪制布線區(qū)域的PCB板（7）在主菜單中選擇“Design”“Layer Stack Manager”命令，打開“Layer Stack Manager”對話框。（8）在“Layer Stack Manager”對話框中勾選“Top Dielectric”復選項和“Bottom Dielectric”復選項，設置電路板為有阻焊層的雙層板，單擊“Ok”按鈕。至此，PCB板的形狀、大小，布線區(qū)域和層數就設置完畢了。9.2 PCB板布局板布局l 9.2.1 導入元件l （1）在原理圖編輯器下，用封裝管理器檢查每個元件的封裝是否正確（3.3節(jié)中已介紹），打開封裝管理器Too

7、ls Footprint Manager。l （2）在主菜單中選擇“Design”“Import Changes From 數碼管顯示電路.PrjPcb”命令，打開如圖9-4所示的“Engineering Change Order”對話框。圖9-4 “Engineering Change Order”對話框l （3）單擊“Execute Changes”按鈕，應用所有已選擇的更新，“Engineering Change Order”對話框內列表中的“Status”下的“Check”和“Done”列將顯示檢查更新和執(zhí)行更新后的結果，如果執(zhí)行過程中出現問題將會顯示“ ”符號，若執(zhí)行成功則會顯示“

8、”符號。如有錯誤檢查錯誤，然后從（2）開始重新執(zhí)行，沒有錯誤后，應用更新后的“Engineering Change Order”對話框如圖9-5所示。圖9-5 應用更新后的“Engineering Change Order”對話框l （4）單擊“Engineering Change Order”對話框中的“Close”按鈕，關閉該對話框，至此，原理圖中的元件和連接關系就導入到PCB板中了。 圖9-6 PCB工作區(qū)內容導入原理圖信息的PCB板文件的工作區(qū)如圖9-6所示，此時PCB板文件的內容與原理圖文件“數碼管顯示電路.SchDoc”就完全一致了。9.2.2 元件布局元件布局l Altium D

9、esigner提供了自動布局功能。方法：選擇主菜單Tools Component Placement Auto Placer彈出Auto Place對話框。在該對話框內可以選擇Cluster Placer和Statistical Placer兩種布局方式，目前這兩種布局方式布局的效果不盡人意，所以用戶最好還是采用手動布局。方法如下：l （1）單擊PCB圖中的元件，將其一一拖放到PCB板中的“Keep-Out”布線區(qū)域內。單擊元件U1,將它拖動到PCB板中靠左邊靠上的區(qū)域；在拖動元件到PCB板中的“Keep-Out”布線區(qū)域時，可以一次拖動多個元件，如選擇3個元件DS1-DS3（鼠標單擊DS1元

10、件的左下角，然后單擊DS3元件的右上角），按住鼠標左鍵將它拖動到PCB板中部用戶需要的位置時放開鼠標左鍵；如圖9-7所示。在導入元件的過程中，系統(tǒng)自動將元件布置到PCB板的頂層（Top Layer），如果需要將元件放置到PCB板的底層（Bottom Layer）按（2）步驟進行操作。圖9-7 移動元器件（2）雙擊元件“U3”，按Tab鍵，打開如圖9-8所示的“Component U3”對話框。在“Component U3”對話框中“Component Properties”區(qū)域內的“Layer”下拉列表中選擇“Bottom Layer”項，單擊“OK”按鈕，關閉該對話框。此時，元件“U3”連同

11、其標志文字都被調整到PCB板的底層，把“U3”放在DS1元件位置的底層（DS1的元件放在頂層）。圖9-8 “Component U3”對話框l （3）放置其它元件布置到PCB板頂層，然后調整元件的位置。調整元件位置時，最好將光標設置成大光標，方法：單擊鼠標右鍵，彈出菜單，選擇Options Preferences，彈出Preferences對話框，光標類型（Cursor Type）處：選擇Large 90即可。l （4）放置元件時，選擇于其它元件連線最短，交叉最少的原則，可以按Space鍵，讓元件旋轉到最佳位置，才放開鼠標左鍵。l （5）如果電阻R2、R3、R10-R16排列不整齊，可以選中這

12、些元件，在工具欄上按“ ”圖標，彈出下拉工具，選“”圖標，再選“ ”圖標后，即可把電阻布置整齊。l (6)在放置元件的過程中，可以按G鍵，設置元件的Snap Grid以及Component Grid，以方便元件擺放整齊。也可以設置PCB板是采用公制（Metric）或英制(Imperial)單位，最好采用英制單位。布置完成后的PCB板如圖9-9所示。 圖9-9 手動布局完成后的PCB板l 至此，元件布局完畢。l （7）單擊工作區(qū)中的名稱為“數碼管顯示電路”的room框，按鍵盤的“del”鍵，將其刪除。l room框用于限制單元電路的位置，即某一個單元電路中的所有元件將被限制在由room框所限定的

13、PCB范圍內，便于PCB電路板的布局規(guī)范，減少干擾，通常用于層次化的模塊設計和多通道設計中。由于本項目未使用層次設計，不需要使用到room邊框的功能，為了方便元件布局，可以先將該room框刪除。9.2.3 檢查綠色高亮顯示檢查綠色高亮顯示l 運行設計規(guī)則檢查：ToolsDesign Rule Check給出錯誤報告如圖9-10所示。圖9-10 設計規(guī)則檢查后的錯誤報告從錯誤報告看出有2個地方出錯：Silkscreen Over Component Pads與Minimum Solder Mask Sliver?？梢杂玫?章介紹的方法，從菜單選擇Design Rules（快捷鍵D，R）打開PCB

14、 Rules and Constraints Editor 對話框。雙擊Manufacturing類在對話框的右邊顯示所有制造規(guī)則，找到Silkscreen Over Component Pads和Minimum Solder Mask Sliver兩行，把Enabled欄的復選框的“”去掉即可,表示關閉這2個規(guī)則，不進行該2項的規(guī)則檢查。l 現在PCB板上就沒有綠色的高亮顯示了，如圖9-15所示。圖9-15 清除了綠色高亮的PCB板9.2.4 更改元件封裝更改元件封裝l 由于圖9-15所示PCB板上元器件的封裝用的是繪制原理圖時放元器件的缺省值，C1-C4的元件封裝與實際元件有差異，所以需要

15、修改這4個元件的封裝。用第3章介紹的方法將C1、C2元件的封裝修改為：RAD-0.1，C3元件的封裝修改為：CAPPR5-5X5，C4元件的封裝修改為：RB5-10.5。修改封裝后的PCB板如圖9-16所示。圖9-16 修改封裝后的PCB板9.3 設計規(guī)則介紹設計規(guī)則介紹l AltiumDesigner提供了內容豐富、具體的設計規(guī)則，根據設計規(guī)則的適用范圍共分為如下10個類別，下面把要經常要使用的規(guī)則作簡單介紹。l “Electrical”電氣規(guī)則類。l “Routing”布線規(guī)則類。l “SMT”SMT元件規(guī)則類。l “Mask”阻焊膜規(guī)則類。l “Plane”內部電源層規(guī)則類。l “Tes

16、tpoint”測試點規(guī)則類。l “Manufacturing”制造規(guī)則類。l “High Speed”高速電路規(guī)則類。l “Placement”布局規(guī)則類。l “Signal Integrity”信號完整性規(guī)則類。9.3.2 “Routing”規(guī)則類規(guī)則類l 1“Width”設計規(guī)則l “Width”設計規(guī)則用于限定布線時的銅箔導線的寬度范圍。已在第3章介紹，在此將接地線（GND）的寬度設為：30mil，電源線（VCC）的寬度設為：20mil，其它線的寬度：最小值（Min Width）10mil、首選寬度（Preferred Width）15 mil、最大值（Max Width）20mil。如

17、圖9-19所示。l 注意：銅箔導線寬度的設定要依據PCB板的大小、元器件的多少、導線的疏密、印制板制造廠家的生產工藝等多種因素決定。9.4 PCB板布線板布線l 9.4.1 自動布線l 1網絡自動布線l 在主菜單中執(zhí)行“Auto Route”“Net”命令，光標變成十字準線，選中需要布線的網絡即完成所選網絡的布線，繼續(xù)選擇需要布線的其他網絡，即完成相應網絡的布線按鼠標右鍵或“Esc”鍵退出該模式。l 可以先布電源線，然后布其它線。先布電源線“VCC”的電路如圖9-38所示。圖9-38布電源線“VCC”的PCB板2單根布線單根布線l 在主菜單中執(zhí)行“Auto Route”“Connection”

18、命令，光標變成十字準線，選中某根線，即對選中的連線進行布線，繼續(xù)選擇下一根線，則對選中的線自動布線，要退出該模式，按鼠標右鍵或“Esc”鍵。他與“Net”的區(qū)別是一個是單根線，一個是多跟線。l 3面積布線l 執(zhí)行“Auto Route”“Area”命令，則對選中的面積進行自動布線。l 4元件布線l 執(zhí)行“Auto Route”“Component”命令，光標變成十字準線，選中某個元件，即對該元件管腳上所有連線自動布線；繼續(xù)選擇下一個元件，即對選中的元件布線，要退出該模式，按鼠標右鍵或“Esc”鍵。l 5選中元件布線l 先選中一個或多個元件，執(zhí)行“Auto Route”“Connections

19、On Selected Component”命令，則對選中的元件進行布線。l 6選中元件之間布線l 先選中一個或多個元件，執(zhí)行“Auto Route”“Connections Between Selected Component”命令，則在選中的元件之間進行布線，布線不會延伸到選中元件的外面。7自動布線自動布線l 在主菜單中選擇“Auto Route”“All”命令，打開如圖9-39所示的“Situs Routing Strategies”對話框。l 在“Situs Routing Strategies”對話框內的“Available Routing Strategies”列表中選擇“Defa

20、ult 2 Layer Board”項，單擊“Route All”按鈕，啟動Situs自動布線器。圖9-39 “Situs Routing Strategies”對話框l 自動布線結束后，系統(tǒng)彈出“Message”工作面板，顯示自動布線過程中的信息，如圖9-40所示。 圖9-40 “Messages”工作面板l 本例，先布電源線“VCC”，然后再自動布線后的PCB板圖如圖9-41所示。 圖9-41 自動布線生成的PCB板圖如果PCB顯示如上圖，有的導線顯示是斷的，把屏幕重新刷新一下就好了。方法：View Refresh(快捷鍵V，R或End鍵)。9.4.2 調整布線調整布線l 如果用戶覺得自動

21、布線的效果不令人滿意，可以重新調整元件的布局。如：仔細看數碼管DS1的元件封裝的底層（Bottom Layer）上放了一個元件U3，在DS1元件內有4個過孔，U1元件內的布線太多了，需要調整。l 如果想重新布線，方法：選擇主菜單Tools Un-Route All ，就把所有已布的線路全部撤銷，變成了飛線；如果選擇Tools Un-Route Net，就可用鼠標點擊需要撤銷的網絡，這樣就可以撤銷選中的網絡；如果選擇Tools Connection，就可以撤銷選中的連線；如果選擇Tools Un-Route Component，用鼠標點擊元件，相應元件上的線就全部變?yōu)榉蔷€。l 現在執(zhí)行Tools

22、 Un-Route All命令，撤銷所有已布的線。然后移動元件，調整元件布局后的電路如圖9-42所示。l 圖9-42 重新調整布局后的PCB板 圖9-43 重新自動布線后的PCB板l 執(zhí)行“Auto Route”“All”命令，布線結果如圖9-43所示。l 從操作過程可以看出，PCB板的布局對自動布線的影響很大，所以用戶在設計PCB板時一定要把元件的布局設置合理，這樣自動布線的效果才理想。l 調整布線是在自動布線的基礎上完成的，如C2和Y1之間的連線不是很好如圖9-44a所示。用Place Interactive Routing命令重新繪線如圖9-44b所示。 a.改動前的布線 b.手動改動后的布線 圖9-44 手動布線前后的布線觀察自動布線的結果可知，對于比較簡單的電路，當元件布局合理，布線規(guī)則設置完善時，Altium Designer中的Situs布線器的布線效果相當令人滿意。單擊保存工具按鈕“ ”，保存PCB文件。9.4.