第1718讲第9章数码管显示的PCB设计.ppt

第9章 数码管显示电路的PCB设计,任务描述在第7章完成了数码管显示电路的原理图绘制后，本章完成数码管显示电路的PCB板设计。在该PCB板中，调用第5章建立的封装库内的两个器件：DIP20(AT89C2051单片机的封装)、LED-10(数码管的封装)。通过该PCB图验证建立的封装库内的两个器件的正确性，并进行新知识的介绍。他将涵盖以下主题：设置PCB板设计规则介绍自动布线的多种方法数码管显示电路的PCB板设计,教学目的及要求：,1.掌握在项目中新建PCB文档2.熟练掌握设置PCB板3.熟练掌握导入元件、元件布局 4.了解PCB的设计规则5.熟练掌握检查绿色高亮显示6.熟练掌握自动布线、验证PCB的设计 教学重点：导入元件、元件布局 教学难点：检查绿色高亮显示,9.1 创建PCB板,9.1.1 在项目中新建PCB文档在第3章的3.2中介绍了用PCB向导产生空白PCB板子轮廓的方法。本节将介绍另一种方法产生空白的PCB板。（1）启动Altium Designer，打开“数码管显示电路.PrjPCB”的项目文件，再打开“数码管显示电路.SchDoc”的原理图。（2）产生一个新的PCB文件。方法如下：选择主菜单中的“File”“New”“PCB”命令，在“数码管显示电路.PrjPcb”项目中新建一个名称为“PCB1.PcbDoc”的PCB文件。（3）在新建的PCB文件上单击鼠标右键，在弹出的下拉菜单中选择“Save”命令，打开“SavePCB1.PcbDocAs”对话框。（4）在“SavePCB1.PcbDocAs”对话框的“文件名”编辑框中输入“数码管显示电路”，单击“保存”按钮，将新建的PCB文档保存为“数码管显示电路.PcbDoc”文件。,9.1.2 设置PCB板,（1）在主菜单中选择“Design”“Board Options”命令，打开如图9-1所示的“Board Options”对话框。,图9-1“Board Options”对话框（2）在如图9-1所示的“Board Options”对话框的“Measurement Unit”区域中设置“Unit”为“Metric”；勾选“Sheet Position”区域中的“Display Sheet”复选项，表示在PCB图中显示白色的图纸；设置Snap Grid X、Y：1mm，单击“OK”按钮。,（3）在主菜单中选择“Design”“Board Sharp”“Redefine Board Sharp”命令，重新定义PCB板的形状。（4）移动光标按顺序分别在工作区内坐标为（100 mm，30 mm）、（190 mm，30 mm）、（190 mm，106 mm）和（100 mm，106 mm）的点上单击，最后单击鼠标右键，绘制一个矩形区域。重新定义的PCB板区域如图9-2所示。,图9-2 重新定义的PCB板区域,（5）单击工作区下部的“Keep-Out Layer”层标签，选择“Keep Out Layer”层，重新定义PCB板的边框。（6）单击“Utilities”工具栏中的绘图工具按钮“”，在弹出的工具栏中选择线段工具按钮“”，移动光标按顺序连接工作区内坐标为（103，33）、（187，33）、（187，103）和（103，103）的四个点，然后光标回到（103，33）处，光标处出现一个小方框，按鼠标左键，即绘制“Keep Out”布线的矩形区域（如图9-3所示），按鼠标右键，退出布线状态。(单位：mm)。,图9-3 绘制布线区域的PCB板,（7）在主菜单中选择“Design”“Layer Stack Manager”命令，打开“Layer Stack Manager”对话框。（8）在“Layer Stack Manager”对话框中勾选“Top Dielectric”复选项和“Bottom Dielectric”复选项，设置电路板为有阻焊层的双层板，单击“Ok”按钮。至此，PCB板的形状、大小，布线区域和层数就设置完毕了。,9.2 PCB板布局,9.2.1 导入元件（1）在原理图编辑器下，用封装管理器检查每个元件的封装是否正确（3.3节中已介绍），打开封装管理器Tools Footprint Manager。（2）在主菜单中选择“Design”“Import Changes From 数码管显示电路.PrjPcb”命令，打开如图9-4所示的“Engineering Change Order”对话框。,图9-4“Engineering Change Order”对话框,（3）单击“Execute Changes”按钮，应用所有已选择的更新，“Engineering Change Order”对话框内列表中的“Status”下的“Check”和“Done”列将显示检查更新和执行更新后的结果，如果执行过程中出现问题将会显示“”符号，若执行成功则会显示“”符号。如有错误检查错误，然后从（2）开始重新执行，没有错误后，应用更新后的“Engineering Change Order”对话框如图9-5所示。,图9-5 应用更新后的“Engineering Change Order”对话框,（4）单击“Engineering Change Order”对话框中的“Close”按钮，关闭该对话框，至此，原理图中的元件和连接关系就导入到PCB板中了。,图9-6 PCB工作区内容导入原理图信息的PCB板文件的工作区如图9-6所示，此时PCB板文件的内容与原理图文件“数码管显示电路.SchDoc”就完全一致了。,9.2.2 元件布局,Altium Designer提供了自动布局功能。方法：选择主菜单Tools Component Placement Auto Placer弹出Auto Place对话框。在该对话框内可以选择Cluster Placer和Statistical Placer两种布局方式，目前这两种布局方式布局的效果不尽人意，所以用户最好还是采用手动布局。方法如下：（1）单击PCB图中的元件，将其一一拖放到PCB板中的“Keep-Out”布线区域内。单击元件U1,将它拖动到PCB板中靠左边靠上的区域；在拖动元件到PCB板中的“Keep-Out”布线区域时，可以一次拖动多个元件，如选择3个元件DS1-DS3（鼠标单击DS1元件的左下角，然后单击DS3元件的右上角），按住鼠标左键将它拖动到PCB板中部用户需要的位置时放开鼠标左键；如图9-7所示。在导入元件的过程中，系统自动将元件布置到PCB板的顶层（Top Layer），如果需要将元件放置到PCB板的底层（Bottom Layer）按（2）步骤进行操作。,图9-7 移动元器件,（2）双击元件“U3”，按Tab键，打开如图9-8所示的“Component U3”对话框。在“Component U3”对话框中“Component Properties”区域内的“Layer”下拉列表中选择“Bottom Layer”项，单击“OK”按钮，关闭该对话框。此时，元件“U3”连同其标志文字都被调整到PCB板的底层，把“U3”放在DS1元件位置的底层（DS1的元件放在顶层）。,图9-8“Component U3”对话框,（3）放置其它元件布置到PCB板顶层，然后调整元件的位置。调整元件位置时，最好将光标设置成大光标，方法：单击鼠标右键，弹出菜单，选择Options Preferences，弹出Preferences对话框，光标类型（Cursor Type）处：选择Large 90即可。（4）放置元件时，选择于其它元件连线最短，交叉最少的原则，可以按Space键，让元件旋转到最佳位置，才放开鼠标左键。（5）如果电阻R2、R3、R10-R16排列不整齐，可以选中这些元件，在工具栏上按“”图标，弹出下拉工具，选“”图标，再选“”图标后，即可把电阻布置整齐。(6)在放置元件的过程中，可以按G键，设置元件的Snap Grid以及Component Grid，以方便元件摆放整齐。也可以设置PCB板是采用公制（Metric）或英制(Imperial)单位，最好采用英制单位。布置完成后的PCB板如图9-9所示。,图9-9 手动布局完成后的PCB板至此，元件布局完毕。（7）单击工作区中的名称为“数码管显示电路”的room框，按键盘的“del”键，将其删除。room框用于限制单元电路的位置，即某一个单元电路中的所有元件将被限制在由room框所限定的PCB范围内，便于PCB电路板的布局规范，减少干扰，通常用于层次化的模块设计和多通道设计中。由于本项目未使用层次设计，不需要使用到room边框的功能，为了方便元件布局，可以先将该room框删除。,9.2.3 检查绿色高亮显示,运行设计规则检查：ToolsDesign Rule Check给出错误报告如图9-10所示。,图9-10 设计规则检查后的错误报告,从错误报告看出有2个地方出错：Silkscreen Over Component Pads与Minimum Solder Mask Sliver。可以用第3章介绍的方法，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，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,表示关闭这2个规则，不进行该2项的规则检查。,现在PCB板上就没有绿色的高亮显示了，如图9-15所示。,图9-15 清除了绿色高亮的PCB板,9.2.4 更改元件封装,由于图9-15所示PCB板上元器件的封装用的是绘制原理图时放元器件的缺省值，C1-C4的元件封装与实际元件有差异，所以需要修改这4个元件的封装。用第3章介绍的方法将C1、C2元件的封装修改为：RAD-0.1，C3元件的封装修改为：CAPPR5-5X5，C4元件的封装修改为：RB5-10.5。修改封装后的PCB板如图9-16所示。,图9-16 修改封装后的PCB板,9.3 设计规则介绍,AltiumDesigner提供了内容丰富、具体的设计规则，根据设计规则的适用范围共分为如下10个类别，下面把要经常要使用的规则作简单介绍。“Electrical”电气规则类。“Routing”布线规则类。“SMT”SMT元件规则类。“Mask”阻焊膜规则类。“Plane”内部电源层规则类。“Testpoint”测试点规则类。“Manufacturing”制造规则类。“High Speed”高速电路规则类。“Placement”布局规则类。“Signal Integrity”信号完整性规则类。,9.3.2“Routing”规则类1“Width”设计规则“Width”设计规则用于限定布线时的铜箔导线的宽度范围。已在第3章介绍，在此将接地线（GND）的宽度设为：30mil，电源线（VCC）的宽度设为：20mil，其它线的宽度：最小值（Min Width）10mil、首选宽度（Preferred Width）15 mil、最大值（Max Width）20mil。如图9-19所示。注意：铜箔导线宽度的设定要依据PCB板的大小、元器件的多少、导线的疏密、印制板制造厂家的生产工艺等多种因素决定。,9.4 PCB板布线,9.4.1 自动布线1网络自动布线在主菜单中执行“Auto Route”“Net”命令，光标变成十字准线，选中需要布线的网络即完成所选网络的布线，继续选择需要布线的其他网络，即完成相应网络的布线按鼠标右键或“Esc”键退出该模式。可以先布电源线，然后布其它线。先布电源线“VCC”的电路如图9-38所示。,图9-38布电源线“VCC”的PCB板,2单根布线,在主菜单中执行“Auto Route”“Connection”命令，光标变成十字准线，选中某根线，即对选中的连线进行布线，继续选择下一根线，则对选中的线自动布线，要退出该模式，按鼠标右键或“Esc”键。他与“Net”的区别是一个是单根线，一个是多跟线。3面积布线执行“Auto Route”“Area”命令，则对选中的面积进行自动布线。4元件布线执行“Auto Route”“Component”命令，光标变成十字准线，选中某个元件，即对该元件管脚上所有连线自动布线；继续选择下一个元件，即对选中的元件布线，要退出该模式，按鼠标右键或“Esc”键。5选中元件布线先选中一个或多个元件，执行“Auto Route”“Connections On Selected Component”命令，则对选中的元件进行布线。6选中元件之间布线先选中一个或多个元件，执行“Auto Route”“Connections Between Selected Component”命令，则在选中的元件之间进行布线，布线不会延伸到选中元件的外面。,7自动布线,在主菜单中选择“Auto Route”“All”命令，打开如图9-39所示的“Situs Routing Strategies”对话框。在“Situs Routing Strategies”对话框内的“Available Routing Strategies”列表中选择“Default 2 Layer Board”项，单击“Route All”按钮，启动Situs自动布线器。,图9-39“Situs Routing Strategies”对话框,自动布线结束后，系统弹出“Message”工作面板，显示自动布线过程中的信息，如图9-40所示。,图9-40“Messages”工作面板,本例，先布电源线“VCC”，然后再自动布线后的PCB板图如图9-41所示。,图9-41 自动布线生成的PCB板图如果PCB显示如上图，有的导线显示是断的，把屏幕重新刷新一下就好了。方法：View Refresh(快捷键V，R或End键)。,9.4.2 调整布线,如果用户觉得自动布线的效果不令人满意，可以重新调整元件的布局。如：仔细看数码管DS1的元件封装的底层（Bottom Layer）上放了一个元件U3，在DS1元件内有4个过孔，U1元件内的布线太多了，需要调整。如果想重新布线，方法：选择主菜单Tools Un-Route All，就把所有已布的线路全部撤销，变成了飞线；如果选择Tools Un-Route Net，就可用鼠标点击需要撤销的网络，这样就可以撤销选中的网络；如果选择Tools Connection，就可以撤销选中的连线；如果选择Tools Un-Route Component，用鼠标点击元件，相应元件上的线就全部变为非线。现在执行Tools Un-Route All命令，撤销所有已布的线。然后移动元件，调整元件布局后的电路如图9-42所示。,图9-42 重新调整布局后的PCB板 图9-43 重新自动布线后的PCB板执行“Auto Route”“All”命令，布线结果如图9-43所示。从操作过程可以看出，PCB板的布局对自动布线的影响很大，所以用户在设计PCB板时一定要把元件的布局设置合理，这样自动布线的效果才理想。,调整布线是在自动布线的基础上完成的，如C2和Y1之间的连线不是很好如图9-44a所示。用Place Interactive Routing命令重新绘线如图9-44b所示。,a.改动前的布线 b.手动改动后的布线 图9-44 手动布线前后的布线观察自动布线的结果可知，对于比较简单的电路，当元件布局合理，布线规则设置完善时，Altium Designer中的Situs布线器的布线效果相当令人满意。单击保存工具按钮“”，保存PCB文件。,9.4.3 验证PCB设计,（1）在主菜单中选择Tools Design Rule Check命令，打开如图9-45所示的“Design Rule Checker”对话框。,图9-45“Design Rule Checker”对话框（2）单击“Run Design Rule Check”按钮，启动设计规则测试。,设计规则测试结束后，系统自动生成如图9-46所示的检查报告网页文件。,图9-46 检查报告网页查看检查报告，系统设计中不存在违反设计规则的问题，系统布线成功。在下一章将介绍介绍PCB板设计的一些技巧。,小结：,9.1 创建PCB板 9.1.1 在项目中新建PCB文档 9.1.2 设置PCB板9.2 PCB 板布局 9.2.1 导入元件 9.2.2 元件布局 9.2.3 检查绿色高亮显示9.3 设计规则介绍9.4 PCB板布线 9.4.1 自动布线 9.4.2 调整布线 9.4.3 验证PCB设计,习题,1.设计规则检查Design Rule Check(DRC)检查的作用是什么？2.在PCB板的设计过程中，是否随时在进行DRC检查？3.设计规则总共有多少个类？具体有哪些？4.在设计PCB板时，自动布线前，是否必须把设计规则设置好？5.自动布线的方式有几种？6.请完成第7章绘制的“高输入阻抗仪器放大器电路的电路原理图”的PCB设计。PCB板的尺寸根据所选元器件的封装自己决定，要求用双面板完成，电源线的宽度设置为18mil,GND线的宽度设置为28mil，其他线宽设置为13mil，元器件布局要合理，设计的PCB板要适用。7.请完成第7章绘制的“铂电阻测温电路的电路原理图”的PCB设计，具体要求同第6题。,