《印刷电路板设计》PPT课件.ppt

3.5 印刷电路板（PCB）设计,教学目的及要求：,3.5 熟悉印刷电路板的PCB设计 3.5.1 了解PCB设计的规则 3.5.2 熟练掌握在PCB中放置元件、修改封装，手动布线、自动布线3.6 熟练掌握验证用户的PCB板设计教学重点：印刷电路板的PCB设计教学难点：验证用户的PCB板设计,复习并导入新课,3.1印制电路板的基础知识3.2创建一个新的PCB文件 使用PCB向导来创建PCB。在Files面板的底部的New from template单元单击PCB Board Wizard创建新的PCB。3.3用封装管理器检查所有元件的封装 在原理图编辑器内，执行ToolsFootprint Manager命令3.4导入设计 在原理图编辑器选择Design Update PCB Document Multivibrator.PcbDoc命令。,现在设计者可以开始在PCB上放置元件并在板上布线。在开始设计PCB板之前有一些设置需要做，本章只介绍设计PCB板的必要设置，其它的设置使用缺省值，详细的介绍将在第8章完成。,3.5.1设置新的设计规则,Altium Designer的PCB编辑器是一个规则驱动环境。这意味着，在设计者改变设计的过程中，如放置导线、移动元件或者自动布线，Altium Designer都会监测每个动作，并检查设计是否仍然完全符合设计规则。如果不符合，则会立即警告，强调出现错误。在设计之前先设置设计规则以让设计者集中精力设计，因为一旦出现错误，软件就会提示。设计规则总共有10个类，包括电气、布线、制造、放置、信号完整性等的约束。,现在来设置必要的新的设计规则，指明电源线、地线的宽度。具体步骤如下：,1激活PCB文件，从菜单选择Design Rules。2PCB Rules and Constraints Editor 对话框出现。每一类规则都显示在对话框的设计规则面板的左边Design Rules文件夹的下面，如图3-17所示。双击Routing展开显示相关的布线规则，然后双击Width显示宽度规则。,图3-17 设计规则对话框,3单击选择每条规则。当设计者单击每条规则时，右边的对话框的上方将显示规则的范围（设计者想要的这个规则的目标）如图3-18所示，下方将显示规则的限制。这些规则都是默认值，或在新的PCB文件创建时在PCB Board Wizard(PCB板向导)中设置的信息。,图3-18 设置Width规则,4单击Width规则，显示它的范围和约束，如图3-18所示，本规则适用于整个板。,Altium Designer的设计规则系统的一个强大功能是：同种类型可以定义多种规则，每个规则有不同的对象，每个规则目标的确切设置是由规则的范围决定的，规则系统使用预定义优先级，来确定规则适用的对象。例如，设计者可以有对接地网络（GND）的宽度约束规则，也可以有一个对电源线(+12V)的宽度约束规则（这个规则忽略前一个规则），可能有一个对整个板的宽度约束规则（这个规则忽略前两个规则，即所有的导线除电源线和地线以外都必须是这个宽度），规则依优先级顺序显示。,现在设计者要为+12V和GND网络各添加一个新的宽度约束规则，要添加新的宽度约束规则，完成以下步骤：,（1）在Design Rules规则面板的Width类被选择时，右击并选择New Rule，一个新的名为Width_1的规则出现；然后鼠标再右击并选择New Rule，一个新的名为Width_2的规则出现，如图3-19所示。图3-19 添加Width_1、Width_2线宽规则（2）在Design Rules面板单击新的名为Width_1的规则以修改其范围和约束，如图3-20所示。（3）在名称（Name）栏键入+12V，名称会在Design Rules栏里自动更新。,（4）在Where The First Object Matches栏选择单选按钮Net，在选择框内单击向下的箭头，选择+12V，如图3-20所示。,图3-20 选择+12V网络,（5）在Constraints栏，单击旧约束文本（10mil）并键入新值，将最小线宽（Min Width）、首选线宽（Preferred Width）和最大线宽(Max Width)均改为18mil。注意必须在修改Min Width 值之前先设置Max Width宽度栏，如图3-21所示。,图3-21 修改线的宽度,（6）用以上的方法,在Design Rules面板单击名为Width_2的规则以修改其范围和约束。在名称栏键入GND；在Where The First Object Matches栏选择单选按钮Net，在选择框内单击向下的箭头，选择GND；将Min Width、Preferred Width和 Max Width宽度改为25mil。注意导线的宽带由设计者自己决定，主要取决于设计者PCB板的大小与元器件的疏密。（7）最后，单击最初的板子范围宽度规则名Width，将Min Width、Preferred Width和 Max Width宽度栏均设为12mil。（8）单击图3-18的 按钮,弹出图3-22所示的优先级对话框，优先级(Priority)列的数字越小，优先级越高。可以按“Decrease Priority”按钮减少选中对象的优先级，按“Increase Priority”按钮增加选中对象的优先级，图3-18所示的GND的优先级最高，Width的优先级最低，单击Close按钮，关闭Edit Rule Priorities对话框，单击OK按钮，关闭PCB Rules and Constraints Editor 对话框。,当设计者用手工布线或使用自动布线器时，GND导线为25mil，+12V导线为18mil，其余的导线均为12mil。,图3-22 线宽的优先级,3.5.2在PCB中放置元件,现在设计者可以放置元件了。1按快捷键V、D将显示整个板子和所有元件。2现在放置连接器Y1，将光标放在连接器轮廓的中部上方，按下鼠标左键不放。光标会变成一个十字形状并跳到元件的参考点。3不要松开鼠标左键，移动鼠标拖动元件。4拖动连接时，按下Space键将其旋转90，然后将其定位在板子的左边，如图3-23所示。,5元件定位好后，松开鼠标左键将其放下，注意元件的飞线将随着元件被拖动。6参照图3-23所示放置其余的元件。当设计者拖动元件时，如有必要，使用Space键来旋转元件，让该元件与其它元件之间的飞线距离最短，这样飞线就如图3-23所示。元器件文字可以用同样的方式来重新定位按下鼠标左键不放来拖动文字，按Space键旋转。,图3-23 放置元件,Altium Designer具有强大的而灵活的放置工具，让设计者使用这些工具来保证四个电阻正确地对齐和间隔。,（1）按住Shift键，分别单击4个电阻进行选择，或者拖拉选择框包围4个电阻。（2）光标放在被选择的任一个电阻上，变成带箭头的黑色十字光标，单击右键并选择Align Align Bottom（如图3-24所示），那么四个电阻就会沿着它们的下边对齐；单击右键并选择Align Distribute Horizontally（如图3-24所示），那么四个电阻就会水平等距离摆放好。,图3-24 排列对齐元件,（3）如果设计者认为这4个电阻偏左，也可以整体向右移动（4）在设计窗口的其它任何地方左击鼠标取消选择所有的电阻，这四个电阻现在就对齐了并且等间距。（5）把PCB板边框以外的“Multivibrator”Room块删除，如图3-23所示，选中要删除的块，按Delete键即可。,3.5.3修改封装,现在已经将封装都定位好了，但电容的封装尺寸太大，需要改作更小尺寸的封装。1首先设计者要找到一个新的封装。单击Libraries面板，从库列表中选择Miscellaneous Deivices.IntLibFootprint View，设计者要的是一个小一些的radial类型的封装，因此在过滤器栏键入rad，单击封装名就会看见与这名字相联系的封装，其中封装RAD-0.1就是设计者需要的，如图3-25所示。2在PCB板上双击电容C1，弹出Component C1对话框,在Footprint 栏将Name处改为RAD-0.1或者单击Name处的如图3-26所示，弹出Browse Libraries对话框如图3-27所示，选择RAD-0.1,按OK按钮即可。,图3-25 显示元件的封装 图3-26 Component C1对话框,图3-27 Browse Libraries对话框 图3-28 布好元件的PCB板每个对象都定位放置好后，就可以开始布线了！,3.5.4手动布线,布线是在板上通过走线和过孔以连接元件的过程。Altium Designer通过提供先进的交互式布线工具以及Situs拓扑自动布线器来简化这项工作，只需轻触一个按钮就能对整个板或其中的部分进行最优化布线。自动布线器提供了一种简单而有效的布线方式。但在有的情况下，设计者将需要精确地控制排布的线，或者设计者可能想享受一下手动布线的乐趣！在这些情况下可以手动为部分或整块板布线。在这一节的例子中，将手动对单面板进行布线，将所有线都放在板的底部。在PCB上的线是由一系列的直线段组成的。每一次改变方向即是一条新线段的开始。此外，默认情况下，Altium Designer会限制走线为纵向、横向或45角的方向，让设计者的设计更专业。这种限制可以进行设定，以满足设计者的需要，但对于本例，将使用默认值。,1用快捷键 L以显示View Configurations对话框。在Signal Layers区域中选择在 Bottom Layer旁边的Show选项，单击 OK按钮，底层标签就显示在设计窗口的底部了。在设计窗口的底部单击Bottom Layer标签，使PCB板的底部处于激活状态。2在菜单中单击Place Interactive Routing（快捷键：P，T）或者单击放置（Placement）工具栏的按钮，光标变成十字形状，表示设计者处于导线放置模式。3检查文档工作区底部的层标签。如果Top Layer标签是激活的，按数字键盘上的“*”键，在不退出走线模式的情况下切换到底层。“*”键可用在信号层之间切换。4将光标定位在排针Y1较低的焊盘（选中焊盘后，焊盘周围有一个小框围住）。左击鼠标或按Enter按钮，以确定线的起点。,5将光标移向电阻R1底下的焊盘。注意：线段是如何跟随光标路径来在检查模式中显示的。状态栏显示的检查模式表明它们还没被放置。如果设计者沿光标路径拉回，未连接线路也会随之缩回。在这里，设计者有两种走线的选择。Ctrl十左击鼠标，使用AutoComplete功能，并立即完成布线（此技术可以直接使用在焊盘或连接线上）。起始和终止焊盘必须在相同的层内布线才有效，同时还要求板上的任何的障碍不会妨碍AutoComplete的工作。对较大的板，AutoComplete路径可能并不总是有效的，这是因为走线路径是一段接一段地绘制的，而从起始焊盘到终止焊盘的完整绘制有可能根本无法完成。使用Enter键或左击鼠标来接线，设计者可以直接对目标R1的引脚接线。在完成了一条网络的布线，右击或按ESC键表示设计者已完成了该条导线的放置。光标仍然是一个十字形状，表示设计者仍然处于导线放置模式，准备放置下一条导线。用上述方法就可以布其它导线。要退出连线模式（十字形状）再按鼠标右键或按ESC键。按End键重画屏幕，这样设计者能清楚地看见已经布线的网络。,6未被放置的线用虚线表示，被放置的线用实线表示。7使用上述任何一种方法，在板上的其他元器件之间布线。在布线过程中按Space键将线段起点模式切换到水平/450/垂直。8如果认为某条导线连接得不合理，可以删除这条线：方法选中该条线，按Delete键来清除所选的线段，该线变成飞线。然后重新布这条线。9完成PCB上的所有连线后，如图3-29所示，右击或者按ESC键以退出放置模式。10保存设计（快捷键为F,S 或者CtrlS）。,图3-29 完成手动布线的PCB板,布线的时候请记住以下几点。,单击或按Enter键，来放置线到当前光标的位置。状态栏显示的检查模式代表未被布置的线，已布置的线将以当前层的颜色显示为实体。在任何时候使用Ctrl键十单击来自动完成连线。起始和终止引脚必须在同一层上，并且连线上没有障碍物。使用ShiftSpace来选择各种线的角度模式。角度模式包括：任意角度，450，弧度450，900和弧度900。按Space键切换角度。在任何时间按End键来刷新屏幕。在任何时间使用V，F键重新调整屏幕以适应所有的对象。在任何时候按Page UP或 Page Down键，以光标位置为核心，来缩放视图。使用鼠标滚轮向上边和下边平移。按住Ctrl键，用鼠标滚轮来进行放大和缩小。当设计者完成布线并希望开始一个新的布线时，右击或按ESC键。为了防止连接了不应该连接的引脚。Altium Designer将不断地监察板的连通性，并防止设计者在连接方面的失误。重布线是非常简便的，当设计者布置完一条线并右击完成时，冗余的线段会被自动清除。祝贺！设计者已经手工布线完成了PCB板设计。,3.5.5自动布线,请完成以下步骤，设计者会发现使用Altium Designer软件是如此方便。1首先，从菜单选择Tools Un-Route All（快捷键U，A）取消板的布线。2从菜单选择Auto Route All（快捷键A，A），弹出 Situs Routing Strategies对话框，单击Route All按钮。Messages显示自动布线的过程。Situs autorouter提供的布线结果可以与一名经验丰富的设计师相比，如图3-30所示。这是因为Altium Designer在PCB窗口中对设计者的板进行直接布线，而不需要导出和导入布线文件。,图3-30 自动布线结果（3）单击FileSave命令（快捷键：F，S）来储存设计者设计的板。,注：线的放置由Autorouter通过两种颜色来呈现。红色，表明该线在顶端的信号层；蓝色，表明该线在底部的信号层。要用于自动布线的层在PCB Board Wizard中的 Routing Layer 设计规则中指定。设计者也会注意到连接到连接器的两条电源网络导线要粗一些，这是由设计者所设置的两条新的Width设计规则所指明的。如果设计中的布线与图3-29不完全一样，也是正确的，因为手动布线时，布的是单面板，而自动布线时，布的是双面板，再加上元器件摆放位置不完全相同，布线也会不完全相同。图3-30为自动布线的结果。因为最初在PCB Board Wizard中确定的板是双面印刷电路板，所以设计者可以使用顶层和底层来手工将设计者的板布线为双面板。要这样做，从菜单选择Tools Un-Route All（快捷键U，A）取消板的布线。象以前那样开始布线，但要在放置导线时用“*”键在层间切换。Altium Designer软件在切换层的时候会自动地插入必要的过孔。,3.6验证设计者的板设计,Altium Designer提供一个规则驱动环境来设计PCB，并允许设计者定义各种设计规则来保证PCB板设计的完整性。比较典型的做法是，在设计过程的开始设计者就设置好设计规则，然后在设计进程的最后用这些规则来验证设计。在本例中设计者已经添加了二个新的宽度约束规则。设计者也注意到已经由PCB板向导创建了许多规则。为了验证所布线的电路板是符合设计规则的，现在设计者要运行设计规则检查Design Rule Check(DRC)。选择Design Board Layers&Colors（快捷键L），确认System Colors 单元的DRC Error Markers 选项旁的Show复选框被勾选，这样DRC错误标记（DRC error markers）才会显示出来。,从图3-30可以看出，三极管Q1、Q2和4个电阻R1R4的焊盘呈现绿色高亮，表示它们违反了设计规则，因为规则是实时检查的。下面检查违反设计规则的原因：,1从菜单选择Tools Design Rule Check（快捷键T，D）,弹出Design Rule Checker对话框如图3-31所示，保证Design Rule Checker 对话框的实时和批处理设计规则检测都被配置好。点一个类查看其所有原规则，如单击Electrical,可以看到属于那个种类的所有规则。,图3-31 设计规则检查对话框2保留所有选项为默认值，单击Run Design Rule Check按钮。DRC就开始运行，Design Rule Verification Report将自动显示，如图3-32所示，并在该文件夹Project Outputs for Multivibrator下，产生了Design Rule CheckMultivibrator.drc文件。,图3-32 设计规则检查报告,从Multivibrator.drc文件看出有三个地方出错，错误如下：,1Processing Rule:Clearance Constraint(Gap=13mil)(All),(All)2Processing Rule:Silkscreen Over Component Pads(Clearance=10mil)(All),(All)3Processing Rule:Minimum Solder Mask Sliver(Gap=10mil)(All),(All)错误结果也将显示在Messages面板。打开Messages面板，鼠标双击Messages面板中的一个错误，可以跳转到对应的PCB中的位置。下面依次解决3个违反设计规则的地方，现在检查第1个违反设计规则的地方：Clearance Constraint(Gap=13mil)(All),(All)。指出三极管Q1和Q2的焊盘违反了13mil安全间距规则。,一、找出三极管焊盘间的实际间距：,1在PCB文档激活的情况下，将光标放在一个三极管的中间按PageUp键来放大视图。2选择Reports Measure Primitives（快捷键R，P），光标变成十字形状。3将光标放在Q1三极管中间的一个焊盘的中心，左击或按ENTER。因为光标是在焊盘和与其连接的导线上，所以会有一个选择框弹出来让设计者选择需要的对象（如图3-33），从选择框中选择三极管的焊盘。图3-33 选择框选择需要的对象4将光标放在Q1三极管右边焊盘的中心，左击或按ENTER,再一次从弹出选择框中选择焊盘，一个信息框将打开显示两个焊盘的边缘之间的最小距离是10.63mil，如图3-34所示。,图3-34 显示焊盘边缘的距离5单击OK按钮关闭信息框，然后右击或按ESC退出测量模式，在且V、F快捷键重新缩放文档。,二、设计者看看当前安全间距设计规则。,1从菜单选择Design Rules（快捷键D，R）打开PCB Rules and Constraints Editor 对话框。双击Electrical类在对话框的右边显示所有电气规则。双击Clearance类型展开该行，然后单击展开Clearance打开它。对话框底部区将包括一个单一的规则，指明整个板的最小安全间距（Minimum Clearance）是13mil，如图3-35所示。而三极管焊盘之间的间距小于这个值，这就是为什么当运行DRC规则检查的时候，它们弹出了违反规则的信息。,图3-35 Electrical类设计规则,现在知道两个三极管焊盘之间的最小距离是10.63mil，建立一个针对三极管焊盘之间的设计规则，大小为10mil。2在PCB Rules and Constraints Editor 对话框中选择Clearance类型（左列），右击并选择New Rule添加一个新的安全间距约束规则Clearance_1。3双击新的安全间距规则Clearance_1，在Constraints单元设置Minimum Clearance为10mil，如图3-36所示。,图3-36 设置最小间距10mil,4由于该规则是一个二元规则（既有2个对象：导线、焊盘）。选择第一个对象（where The First Object Matches），单击Advanced(Query)选项，然后单击Query Helper按钮(如图3-35所示)，弹出Query Helper的对话框(如图3-37所示)，在Categories栏选择Membership Checks,然后在Name栏双击HasFootprintPad，“HasFootprint(,)”就出现在query栏，在“(,)”内输入三极管封装的名字：TO-92A并在逗号后输入：*，如图3-37所示，设置好后，单击OK关闭对话框；或在图3-35的Full Query栏直接键入：HasFootprintPad(TO-92A,*)。“*”表示名为TO-92A的“任何焊盘”。,图3-37 Query Helper的对话框5在步骤4设置好规则Clearance_1的约束范围后，单击OK按钮关闭对话框。6设计者现在可以从Design Rules Checker 对话框（Tools Design Rule Check）单击Run Design Rule Check按钮重新运行DRC。就不会有“1.Clearance Constraint(Gap=13mil)(All),(All)”的提示信息了。,现在来检查第二第三个错误提示：,Silkscreen Over Component Pads(Clearance=10mil)(All),(All)Minimum Solder Mask Sliver(Gap=10mil)(All),(All),1从菜单选择Design Rules（快捷键D，R）打开PCB Rules and Constraints Editor 对话框。双击Manufacturing类在对话框的右边显示所有制造规则（如图3-38所示），现在看出第2、3个错误提示信息都属于制造规则类，现在的主要任务是设计PCB板，与制造的关系不大，所以可以关闭这2个规则。方法：在图3-38对话框的右边，找到Silkscreen Over Component Pads和Minimum Solder Mask Sliver两行，把Enabled栏的复选框的“”去掉即可,表示不进行该2项的规则检查。,图3-38 PCB 设计规则编辑对话框2单击图3-38的OK按钮，PCB板上就没有绿色的高亮显示了，如图3-1所示。保存已经完成的PCB和项目文件。,3.7 在3D模式下查看电路板设计,如果设计者能够在设计过程中使用设计工具直观地看到自己设计板子的实际情况，将能够有效的帮助他们的工作。Altium Designer软件提供了这方面的功能，下面研究一下它的3D模式。在3D模式下可以让设计者从任何角度观察自己设计的板。Altium Designer软件的3D环境的要求支持DirectX9.0C及相关技术，并使用一块独立的显卡。对于如何测试系统，以及让Altium Designer可以使用DirectX，单击菜单Tools Preferences打开 Preferences对话框中如图3-39所示，选择PCB Editor的Display选项，按“Test DirectX”按钮，测试显卡是否支持DirectX，以下按提示做，如果显卡支持DirectX，就可进行如下操作。注意：DirectX9.0C软件可以从网上下载，然后进行安装。,图3-39 参数设置对话框,3.7.1 设计时的3D显示状态,要在PCB编辑器中切换到3D，只需单击ViewSwitch To 3D命令（快捷键：3）或者从列表中PCB标准工具栏中选择一个3D视图配置，如图3-40所示。,图3-40 选择3D显示,进入3D模式时，一定要使用下面的操作来显示3D，否则就要出错，提示：“Action not available in 3d view”。1.缩放按Ctrl键十鼠标右拖，或者Ctrl十鼠标滚轮，或者Page UpPage Down键。2.平移按鼠标滚轮：向上向下移动，Shift十鼠标滚轮：向左右移动，向右拖动鼠标来向任何方向移动。3.旋转按住Shift键不放，再按鼠标右键，进人3D旋转模式。光标处以一个定向圆盘的方式来表示如图3-41。该模型的旋转运动是基于圆心的，使用以下方式控制。,图3-41 PCB板的3D显示用鼠标右键拖拽圆盘中心点Center Dot，任意方向旋转视图。用鼠标右键拖拽圆盘水平方向箭头（Horizontal Arrow），关于Y轴旋转视图。用鼠标右键拖拽圆盘垂直方向箭头（Vertical Arrow），关于X轴旋转视图。,3.7.2 3D显示设置,使用上述的操作命令，设计者可以非常方便的在3D显示状态实时查看正在设计板子的每一个细节。使用板层和颜色设置对话框可以修改这些设置，通过菜单DesignBoard Layers&Colors或者快捷键L来访问此对话框如图3-42所示。用该对话框，设计者根据板子的实际情况设置相应的板层颜色，或者调用已经存储的板层颜色设置。这样，3D显示的效果会更加逼真。,图3-42 板层和颜色设置对话框,3.7.3 3D模型介绍,如果需要把板子紧密的放在特殊形状的壳体中，通常要把板子的文件转换到M-CAD系统的格式。您也可以在PCB元件库的封装中导入STEP模型，从而产生了一个完整的从E-CAD 到M-CAD的3D解决方案。元件形状的建模可以使用Altium Designer的3D body对象（后面章节进行介绍）或通过导入STEP格式的元件模型来实现，这两种模式都可以输出到板子的STEP文件。,3.7.4 为元器件封装导入3D实体,Altium Designer软件的3D环境提供了一个逼真的检查PCB组装的环境。元器件封装本身存储有3D模型，用于在3D环境下渲染该元件。这里设计的板已经包含了器件的3D模型，板和元器件的3D模型可以在Altium Designer软件安装中的ExamplesTutorialsmultivibrator_step文件夹中找到。方法：单击菜单FileOpen选择 ExamplesTutorialsmultivibrator_step/multivibrator_step.PcbDoc文件，导入3D实体的PCB如图3-43所示：,图3-43 导入3D实体PCB图1.按快捷键：3，显示如图3-44的3D实体PCB图。,图3-44 PCB板3D实体图,2按住Shift键不放，再按鼠标右键，进人3D旋转模式，用鼠标右键拖拽圆盘中心点，任意方向旋转视图（如图3-45）。,图3-45 任意旋转的PCB板3D实体图,3.设计者可以将3DSTEP格式模型导入到元器件的封装和PCB设计中并创建自己的3D物体，也可以以STEP和DWGDXF格式来输出PCB文件，以便用于其他程序中。The legacy 3D viewer(方法：Tools Legacy Tools Legacy 3D View)可以导人VRML1.0IGESSTEP格式的3D物体（如图3-46所示），也可以导出IGES和STEP格式的3D物体。,图3-46 VRML1.0IGESSTEP格式的3D物体注：任何时候在3D模式下，设计者都可以以各种分辨率创建实时“快照”，使用CtrlC快捷键复制，这样就可以将图像（Bitmap格式）存储在Windows剪贴板中，用于其他应用程序。,小结：,3.1印制电路板的基础知识3.2创建一个新的PCB文件3.3用封装管理器检查所有元件的封装3.4导入设计 3.5印刷电路板（PCB）设计 3.5.1设置新的设计规则 3.5.2在PCB中放置元件 3.5.3修改封装 3.5.4手动布线 3.5.5自动布线3.6验证设计者的板设计 3.7 在3D模式下查看电路板设计,习题,P54 1-5,