《PCB设计与制作》 学习项目7:电路图的综合设计 任务7-2：单片机试验板电路图的综合设计

学习目标 掌握各种直插、贴片元件封装的绘制、双面PCB版图的设置

电容器外框高度和宽度按默认，直接点“NEXT”

电容器封装名命名为“RB.1/.2”，再点“NEXT”

在下面的窗口中点“完成”

在封装编辑窗口将表示正极性的”+”移动到焊盘1上方！

主菜单点选“编辑\设置参考\中心”，可以将参考点设置在器件中心，在PCB里用鼠标左键点中该封装时将定位在中心位置（当然也可以按默认位置就在1脚）！

现在创建键盘的封装“KEY”，右键在元件栏空白处点选“元件向导”

进入向导的“器件图案”选择窗口选择双列直插封装

进入下一步的“焊盘尺寸”定义窗口定义焊盘的外径和孔径

进入下一步的“焊盘间距”定义窗口分别定义焊盘的横向间距和纵向间距

进入下一步的“外框宽度”定义窗口，直接“下一步”

在“设置焊盘总数数值”窗口设定焊盘为4个

给封装取名“KEY”，再点击“下一步”

完成后的按键封装如下图，显然还应该手动修改

首先将4个焊盘的标号分别改为两个“1”，两个“2”，然后删去黄色丝印层外框，点选“放置\走线”

得到下图所示的键盘开关的封装，就表示封装绘制正确，当然可以不用向导创建封装，利用工具栏的“放置”工具，也可以完成封装的创建，注意设置参考点

画原理图和画元件、封装的常见问题 1、创建PCB工程、原理图文件、PCB文件、元件库文件、封装库文件没有保存到同一文件夹内或者直接将工程和文件放到桌面和硬盘的根目录下； 2、没有把各文件添加到PCB工程； 3、画原理图时把CD40110的左侧9、7、5、4、6等不能直接相连的引脚连在一起（有节点）； 4、画原理图时一根未与其它导线相交的导线上出现很多节点；（该问题主要出现在Protel99se软件的画原理图中！） 5、画交叉线本该是圆弧跨越的效果，结果导线短路且有节点； 6、画原理图摆放元件缺乏“距离”概念，要么器件间亲密无间导致标号和说明重叠混乱，要么因崇尚“距离产生美”而使整个电路图“大而无当”； 7、创建元件库画元件时把名称和标识弄反以及元件画得过大； 8、在库元件编辑窗口不起眼的角落遗留下数根引脚； 9、画封装时测量焊盘间距不准确，公制和英制不熟悉； 10、没有把原点放在封装的1脚、中心或者靠近封装的位置。

原理图画完以后进行编译检查，点“工程\Compile Document xxx.SchDoc”

在窗口靠近边框的快捷工具栏点选“System\Messages”

理想的情况是工程编译后既没有警告也没有错误，这表明原理图没有任何“语法”上的问题，但有的警告是源于在设计原理图时对软件自带库的元件引脚进行修改所致，比如W1这个器件我们进行了修改但不够彻底，有的警告是因为某些元器件的引脚定义了电气属性，而某些元器件的引脚却没有定义，它们在相连时就会出现警告。如果我们能确认这些引脚的连接是正确的，是不会影响画PCB并加工制作实物的调试效果的，这时候可以对警告无视，可以进入下一步工作，否则就应设法消除警告！

如何在编译后消除相关警告？ （1）打开电位器W1的属性编辑窗口，把图形模式切换到“Normal” 再点左下角的“Edit Pins”，进入引脚编辑窗口。

把电位器的三个引脚排列由原来的“132”改为“123”，确定后再重新把电位器的图形模式改为“Alternate 1”即可。

如何在编译后消除相关警告？ （2）打开元件NE555的“元件管脚编辑器”，把第2脚TRG和第6 脚THR的电气属性“Input”修改为“passive”，点“确定”。

如何在编译后消除相关警告？ （3）打开U5（CD40110）的“元件管脚编辑器”，把第10脚Qco的电气属性“passive”修改为“output”， “确定”后重新编译就OK了。

7、通过向导生成PCB文件 当然可以通过给工程添加新的PCB文件的方式来创建新的PCB，这里采用另一种方式。在用向导生成PCB文件的过程中可以设置PCB板的各项参数，这样生成的PCB板文件可以作为一个模板保存下来。

弹出如下所示的对话框，即可以通过向导生成PCB文件，单击“下一步”进入下一界面。

如图界面中可以设置PCB板采用的单位（英制或公制） ，单击“下一步”进入下一界面

如图界面中可以设置PCB板的类型 ，选择“Custom”后单击“下一步”进入下一界面

如图界面中可以设置PCB板的形状和尺寸等几何参数 ，如红色标注所示设置后单击“下一步”

如图界面中可以设置PCB板的信号层和电源平面 ，如红色标注所示设置后单击“下一步”

如图界面中可以设置PCB板的过孔类型 ，按默认设置后可直接单击“下一步”

如图界面中可以设置PCB板上的组件和布线工艺，如图设置后，单击“下一步”

如图界面中可以设置PCB板上所使用导线和过孔的属性以及PCB板上走线的线间距要求，如图设置后，单击“下一步”

如图界面中单击“完成” ，即可完成PCB板的设置

如图为新生成的PCB文件，单击“文件/保存”，文件命名为“Counter”，后辍“PcbDoc”，将文件添加到工程

8、用封装管理器检查所有元件的封装 方法：在主菜单中点选“工具/封装管理器”对话框，检查完毕，单击“关闭”。

9、将原理图导入到PCB 方法：在主菜单中点选“设计/Update PCB Document Counter.PcbDoc”

将弹出“工程更改命令”对话框，单击“生效更改”按钮

如果执行成功，将在检测栏中显示“√”，错误为“×”，无错则点“执行更改”，有错应返回原理图修改！

“执行更改”完毕，单击“关闭”按钮，打开PCB文件，可以看到由原理图生成的PCB元件已位于板边框外面！

按住器件的棕色框，将所有元器件移至PCB作图区（黑色区域），然后点一下棕色框，点“Delete”键删除

PCB工作环境的设置 （1）PCB板层设置——右键在PCB编辑窗口点选“选项\板层颜色”

在弹出窗口中只保留顶层、底层、丝印层、禁止布线层和机械层1、4等，使焊盘和通孔可以显示！点“确定”后设置完毕。

因不需要的板层不再显示，元件的封装和焊盘颜色都会有所改变

如果是用“新建”方式创建的PCB板，不会象用“向导”方式创建的PCB那样将电路板边框线画出来（注意：向导方式创建的PCB边框线是在KeepOut Layer层画的！），这时需要我们自画边框线，可以只在KeepOut Layer层画边框（结果和“向导”方式生成的PCB边框线类似）。但严格说来，KeepOut Layer并不是边框，Mechanical Layer才是PCB板确定边框的物理层。因此建议大家如果是用“新建”方式创建PCB，请按下图分别在Mechanical Layer层和Keepout Layer层画两个矩形框，其中外边框在Mechanical Layer层，大小为15cmX10cm,在距边框Mechanical 层0.5mm距离所画的矩形框在KeepOut Layer层。根据经验：机械层建议选“Mechanical 4”！

PCB工作环境的设置 （2）栅格设置——右键在PCB编辑窗口点选“跳转\栅格属性”

在步进值一栏把输入栅格的步进值暂改为10mil，以后在布局和布线的过程中还要根据情况修改该值

本例PCB的元件布局的分析 在画PCB的步骤中，各元件的布局对于后续的布线起着至关重要的作用，布局和布线的先后顺序并非不可更改，很多时候需要在不断地布线的尝试中最终确定最佳的布局； 本例中器件只有20个，电路实现的功能较为简单，不宜采用成本较高的双面电路板制作，要求使用单面板布线，由于制板工艺的限制，布线的宽度不宜太细，所以线宽有限制。布局不合适会降低布通线的成功率； 本例中布局要考虑的因素有： （1）一定要将模拟电路和数字电路完全隔离开来进行布局，这也是以后画其它电路的基本原则； （2）布局不能只考虑布线的成功率，还要考虑作为成品的实际使用效果（比如数码管的摆放方向和摆放位置不能随意处理、指示灯、接插器件、按键、电位器一般放在电路板边缘），如果是一个产品，还必须考虑器件摆放的美观效果！

元件自动布局的功能试用 方法：主菜单栏点选“工具\器件布局\自动布局”

在“自动放置”栏选择“成群的放置项”，并钩选“快速元件放置”，点“确定”

这就是元件自动布局的效果！直接把平铺排开的元件给挤到一堆！

如下图所示“设置推挤深度”

将推挤深度设为3，点“确定”。选中全部元件移到电路板中间，选推挤命令后出现一个大光标，选中心器件为基准元件，左键点中完成推挤。（画外音：这时我们不禁要发问：敢情设置推挤命令就是因为“自动布局”的功能就是把元件挤成一团？）

从Protel99se到Altium Designer，软件的自动布局永远都只是“听起来很美”的效果！手动布局才是王道！ 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。 元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在 PCB 上。 尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。 可以把电路板上的元器件按电路原理图上的走线分割为几个单元，各个单元实现的是这个电路的一部分功能，每个单元确立一个核心器件，一般以集成块为核心，比如NE555构成的时钟电路就应该以NE555作为核心进行布局； 在布局的时候为了确立最佳布局效果，可以边布局边走线，走线不好删除后重新布局; 布局时要充分利用好“空格键”、“Delete”、“E+J+C组合键”、“PgUp”、“PgDn”，会大大提高效率； 布局时为了达到元器件摆放整齐美观的效果，要善于运用主菜单编辑栏的“对齐”命令。

应该在布局前对电路进行焊盘统一设置以及规则设置 （1）将所有元件的焊盘统一设置成外径80mil,孔径20mil。方法是在任一焊盘上右键选择“查找相似对象”

在弹出窗口中直接点“确定”

在“PCB Inspector”作如红色标记所示修改! 有同学提出疑问了：为什么要把孔径设为20mil？元件引脚插不进去怎么办？所以这里我们有必要解释一下——20mil的焊盘过孔只是给焊盘确定一个定位孔，实际孔径是由实验室的制板工艺来确定的，我们在钻孔时用0.8mm或者1mm的钻头来钻孔，实际焊盘孔径就是32mil或者40mil，钻孔时图纸上所设置的20mil的孔径相当于给打印出来的PCB图确定了一个圆心，从而提高手动钻孔质量。如果是把图纸给PCB制造商，就必须把焊盘孔径设定为实际大小尺寸了！

（2）规则设置——右键在编辑窗口点选“设计\规则”

A. 最小间隔的设置——设置所有网络最小间隔20mil

B. 导线线宽的设置——设置电源线宽50mil，地线线宽60mil，其它线宽40mil，注意电源和地分别包括两个网络

C. 板层的设置——将“Top Layer”允许布线的“√”去掉

参考布局效果

元件自动布线的功能试用 方法：主菜单栏点选“自动布线\全部”，弹出窗口勾选“布线后消除冲突”，再点选“Route All”即开始自动布线。

从自动布线的结果来看，很多导线无法布通，而且线路比较凌乱，修改不易！一定要考虑手动布线！

为什么一定要手动布线？如何手动布线？ 对PCB进行布线是个复杂过程，需要考虑多方面的因素，包括美观、散热、抗干扰等——这些对于软件的智能布线器来说实在太复杂，对自动布线是无法苛求其承担大任的！因此手动布线成为了布线的主要方式，而自动布线器一般只能作为手动布线的辅助工具； 手动布线和手动修改布局将在手动布线的过程中交互动作，首先按电路的功能将电路板图分割为几个单元模块，然后再对各单元模块进行连线，电源VCC和地GND最后布线，这将大大增加除电源和地以外的其它线路全部布通的可能性； 单面电路板在满足布局合理、外观整齐美观的前提下要完全布通所有线有时候是很困难的，如果实在无法布通时，将断开的两端尽量把线拉近然后在两端各放置一个焊盘，从TopLayer层拉线走通！焊接安装时就从安装面用导线短接焊盘形成跳线！跳线的个数尽量减少，既不能因走线困难就随意放置跳线，也不能为了减少跳线而违反原理图图纸上的“走线最近”原则进行布线！

关于手动布线时印制导线走线与形状 布线应注意尽量走135度角或直角，应避免锐角出现，另外走线应平滑、简捷。导线宽度应合适，地线应尽可能宽，以减小地线阻抗。

按单元电路分块布线——（1）模拟电路的布线

模拟电路全部线路布通！应用了一点小技巧 因为在布线的时候发现仅靠翻转器件改变其方向并不能消除交叉的线路，比如JP1这个器件必须保证VCC和GND靠右，+5V和AGND靠左，这样就不能随意翻转器件！但我们发现可以调换JP1部分焊盘的网络名称，比如其左侧和右侧上下的焊盘可以互换！注意这种技巧仅适用于那些没有极性、没有方向的器件，比如电阻、无极性电容和部分接插元件，必须在充分熟悉电路原理的情况下才可以使用，最好是在原理图上重新改变连线再导入PCB来修改，以实现原理图和PCB图的同步！

按单元电路分块布线——（2）555定时器电路部分的布线

按单元电路分块布线——（2）秒个位计数电路部分的布线

按单元电路分块布线——（2）秒十位计数电路部分的布线

按单元电路分块布线——LED指示灯电路的连线

按单元电路分块布线——进行电源VCC和GND网络的连接 注意：在单面PCB最后布线的过程中，相同网络无论怎么努力也无法连接上是比较常见的问题，任何有经验的工程师布这种单面板的线对于走不通的线也会束手无策！处理方法如下图示例：比如接R2一个焊盘的VCC网络要连接到U4集成块的VCC网络上，从R2的VCC网络上拉出一根导线，在无法布线的一端放置一个80mil外径和20mil内径的焊盘，再从U2的VCC 网络也拉出一根导线，在无法布线的另一端也放置相同属性的焊盘，从TopLayer层拉线接通！

按照这样的思路完成整个PCB布线，共有5个跳线

布线结果并非唯一，改变网络走线方向可能就得到不同的PCB布线图！下图走线就减少了一个跳线！

本例PCB所确定的电路板边框尺寸可以改变吗？ （1）大家在画图的过程中可能注意到，我们已经指定了电路板的边框尺寸为——长15cm，宽10cm！这个尺寸是根据实验室学生批量进行电路板制作为节省电路板剪裁而设定的，还有个原因是初学者设计电路板可能尺寸特别大会造成加工困难！因此的确有必要指定尺寸，这个长15cm宽10cm的尺寸严格来说应该作为最大尺寸的限制； （2）为了提高同学们电路板布局和布线的水平，在不违反布线所设定的线宽、线距等规则和散热空间总体要求的情况下，电路板的布局能调整到越小越好，本例显然是可以继续缩小尺寸的！

压缩元件布布局，减小电路板尺寸的方法：（1）删掉LED指示灯和两个数码显示管和其它元件连接的中间的连线

（2）用鼠标左键从LED灯和两个数码管下部的所有器件的左上方按住不动，拉出一个矩阵方框选中下面所有器件

（3）用鼠标左键按住所选区域任意位置，向上移动所有器件

（4）按照前述步骤，将秒的个位计数器和秒发生器电路部分（如白色阴影所示）整体向左移动

（5）按照前述步骤，将模拟电路部分（含LED指示灯电路，如白色阴影所示）整体向右移动

（6）对阴影部分进行手动布线，主要是对删除的线进行重新连接，在连线的过程中仍能继续整体压缩布局

经过压缩和重新布线的PCB线路图如下所示

删除自定义的禁布线层的尺寸矩形框，分别在禁止布线层和机械层4画两个矩形框（间距合适即可）

在主菜单栏点选“设计\板子形状\重新定义板形状”，用十字光标在机械层矩形框上画一遍，点右键退出，即已重新定义了板边框尺寸

添加泪滴——适用于导线密度高、线径细的PCB板 方法：在主菜单栏点选“工具\滴泪”，弹出窗口直接“确定”即可。注意：本例导线较粗，泪滴效果不明显，但泪滴的作用和方法须掌握

添加敷铜——提高电路板的抗干扰能力的作用 方法：在主菜单栏点选“放置\多边形敷铜” 。

在弹出的窗口中如下图所示进行设置后点“确定”

用十字光标画出PCB数字电路区域的多边形

再次点选主菜单“放置\多边形敷铜”，如下图设置

用十字光标画出PCB模拟电路区域的多边形

在PCB窗口点数字键“3”，可观察PCB图的3D效果，点数字键“2”恢复2D视图

布线结果的检查——点选“工具\设计规则检查”命令

在弹出的“设计规则检查器”对话框左侧选中“Rules To Check”，按红色标注将选择框的“√”去掉！再点“运行ERC”

在弹出的Messages窗口如果没有任何提示，表示PCB没有违反设计规则的布线，否则应对布线进行修改！

通过PCB文件生成元件报表文件 方法：在主菜单栏点选“报告\Bill of Materials”

在弹出的“报表输出格式”窗口中选“输出”，然后弹出“报表文件保存路径”窗口，设置文件名后点“保存”

可以在保存路径的文件夹下面打开这个EXCEL文件

在加工PCB时需要将所画PCB图保存为Protel99se可以打开的“PCB 4.0 Bianary File”格式的文件

在Protel99se中，PCB图设置成如下图片文档即可加工

在Altium Designer 10中，带敷铜的已完全画好的PCB图在设置成如下所示的图片文档后即可打印并加工

三、画双面的单片机开发板实现精通 本例的特点是采用自下而上的层次化方法画电路原理图，因而电路逻辑清楚、输入输出 端口明确，层次化设计方法比较适用于元器件种类较多、功能模块较复杂的电路； 本例综合性较强，介绍了典型的画双面PCB的方法，通过不断积累经验就可以开始进行一些电子产品的设计和开发； 本例的重点和难点是层次化方法画电路原理图的操作步骤。层次化设计既是一种方法，其实更是一种思想，超越了一般层面的操作步骤。

单片机系统实例：层次式原理图设计方法 （1）将单片机系统的电路原理图按照功能划分为主控芯片、电源、串口通信、键盘、液晶、串行AD/DA、EEPROM存储器、数字温度传感器、蜂鸣器以及扩展接口电路10个功能模块。将这10个功能模块作为层次式原理图中的层次式子图； （2）利用“新建原理图”的步骤创建层次式母图，执行“设计”菜单中的“HDL文件或图纸生成图表符”命令，分别选择10个层次式子图的图纸符号到原理图编辑窗口，调整图纸符号中的端口到合适位置，进行电气连线； （3）统一分配各元件的序列号后进行工程编译，编译后工程面板中的原理图文件由原先的并列显示变为层次化显示状态；如果编译没有错误和警告则可以将原理图导入到PCB，画PCB的步骤与“数模混合电路实例”近似。

1、层次式子图的创建和绘制 （1）MCU主控芯片电路子图绘制（注意：层次式原理图设计时子图间的线路连接不能通过“网络标号”完成，子图接出的端口选取是在主菜单或工具栏选取“放置端口”命令，如下图黄色符号！）

（2）电源电路子图绘制 注：如图所示S1、S2两个器件是带自锁的按键开关。这个器件在软件自带的库里面不能直接调取到，只有选用“Miscellaneous Devices.Lntlib”库里的“SW DIP-3” 元件并复制到自建的元件库里面进行元件外观修改（因为SW DIP-3元件是个拨码开关，不是自锁开关，通过外观修改，如图左所示，可以绘制合适的元件！），注意修改后的自锁开关元件的封装要在元件属性窗口根据实物尺寸重新导入。

（3）串口编程电路子图绘制

（4）独立/矩阵键盘电路子图绘制

（5）YJD12864液晶模块接口电路子图绘制

（6）串行AD-DA（PCF8591）电路子图绘制

（7）I2C存储器AT24C08电路子图绘制

（8）智能温度传感器DS18B20电路子图绘制

（9）蜂鸣器电路子图绘制

（10）外部扩展接口电路子图绘制

2、层次式母图的创建和绘制 方法：点选主菜单栏“设计/HDL文件或图纸生成图表符”。

3、给所有子图的元件重新分配序列号后，如图进行编译

4、编译无误后将元件导入到新建的“FULL.PcbDoc”

由于部分封装焊盘只有底层，可以“全局修改”为双层，方法是：选中任一只有“Bottom Layer”的焊盘，右键点选“查找相似对象”

在“发现相似目标”窗口的“Object Specific”的“Layer”栏选中“Same”模式，窗口下方点选“确定”

在弹出的“PCB Inspector”窗口将“Layer”栏选项改为“Muti-Layer”

5、大体布局——布局前首先考虑的是整个电路板完成后的大致外形，这块单片机开发板很显然键盘模块和液晶模块作为单片机的输入设备和输出设备占用了最大区域，可以优先布局，键盘在右液晶在左，符合“人机界面友好”原则，以此布局为基础根据连线将单片机、电源模块、串口模块摆放到合适位置，可以把电源电路的贴片元件全部设置到“Bottom Layer”层，摆放电源接口和9针串口一定要在电路板边缘而且要注意摆放的方向！

6、基本可以确定电路板的大小——开发板的特点是接插元件和直插器件占空间较大，而贴片器件因体积小，布局相对容易可以最后考虑！根据前面的大致布局，摆放好外部扩展电路的接插件以及在电路板四周摆放4个放螺丝的焊盘（外径200mil，孔径160mil）后开发板的大小基本就已经确定了，如下图所示。

7、为进一步节省电路板空间进行封装修改——原理图元件导入到PCB后发现封装不合适仍可以修改封装！谁能保证自己在画原理图时就已经把所有封装考虑周全了呢？比如这块开发板电路中的AT24C08、PCF8591以及两个三极管S9012四个元件的直插封装是可以修改为贴片封装的！修改方法是在原理图改变元件封装，再更新到PCB！

8、该开发板仍有增加扩展电路的空间！—增加DS1302电路

增加红外接收器接口电路

修改原外部接口电路图，外部可增加两个电路模块

修改层次式母图如下所示

增加电路模块后的布局结果（注意外部扩展电路有调整！）

可通过“3D”效果图大体看一下布局结果

将规则设置为线宽13mil，最大间距13mil，进行MCU和键盘布线；键盘布线可以使用小技巧：因为每个键盘的4个焊盘每两个内部是导通的，就可以不用外部再连接，修改焊盘的网络，可以使键盘的布线更简捷，符合布线最短原则。

完成8路ADC接口电路、无线模块接口电路、串口电路、PCF8591电路、AT24C08电路和MCU间除电源和地的连线

完成整块PCB板的布线结果

再通过“3D”效果图看一下布线结果

运行DRC检查，如果确认所有网络全部连通，则进行添加泪滴和敷铜的工作。效果图如下所示（正面敷铜效果）

添加泪滴和敷铜后的效果图如下所示（背面敷铜效果）

敷铜后的“3D”效果图

The End!