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：

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1 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

2 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

3 9.1 创建PCB板 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“Save[PCB1.PcbDoc]As”对话框。 （4）在“Save[PCB1.PcbDoc]As”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。

4 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。

5 （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

6 （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)。 （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。 图9-3 绘制布线区域的PCB板

7 9.2 PCB板布局 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

8 （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

9 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。
（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。

10 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。

11 图9-7 移动元器件 图9-8 “Component U3”对话框 （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）。

12 （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。

13 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。

14 9.2.3 检查绿色高亮显示 运行设计规则检查：Tools→Design Rule Check给出错误报告如图9-10所示。
检查绿色高亮显示 运行设计规则检查：Tools→Design 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。

15 现在PCB板上就没有绿色的高亮显示了，如图9-15所示。

16 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

17 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。

18 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。

19 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

20 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。

21 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

22 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

23 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。
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)。

24 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。

25 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。

26 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。

27 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。

28 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。

29 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 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

30 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。