1、第第9章章 數(shù)碼管顯示電路的數(shù)碼管顯示電路的PCB設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)l 任務(wù)描述l 在第7章完成了數(shù)碼管顯示電路的原理圖繪制后，本章完成數(shù)碼管顯示電路的PCB板設(shè)計(jì)。在該P(yáng)CB板中，調(diào)用第5章建立的封裝庫(kù)內(nèi)的兩個(gè)器件：DIP20(AT89C2051單片機(jī)的封裝)、LED-10(數(shù)碼管的封裝)。通過(guò)該P(yáng)CB圖驗(yàn)證建立的封裝庫(kù)內(nèi)的兩個(gè)器件的正確性，并進(jìn)行新知識(shí)的介紹。他將涵蓋以下主題：l 設(shè)置PCB板l 設(shè)計(jì)規(guī)則介紹l 自動(dòng)布線的多種方法l 數(shù)碼管顯示電路的PCB板設(shè)計(jì)教學(xué)目的及要求：l 1.掌握在項(xiàng)目中新建PCB文檔l 2.熟練掌握設(shè)置PCB板l 3.熟練掌握導(dǎo)入元件、元件布局 l 4.了解PCB的設(shè)計(jì)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(dòng)布線、驗(yàn)證PCB的設(shè)計(jì) l 教學(xué)重點(diǎn)：導(dǎo)入元件、元件布局 l 教學(xué)難點(diǎn)：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(xiàng)目中新建PCB文檔l 在第3章的3.2中介紹了用PCB向?qū)Мa(chǎn)生空白PCB板子輪廓的方法。本節(jié)將介紹另一種方法產(chǎn)生空白的PCB板。l （1）啟動(dòng)Altium Designer，打開(kāi)“數(shù)碼管顯示電路.PrjPCB”的項(xiàng)目文件，再打開(kāi)“數(shù)碼管顯示電路.SchDoc”的原理圖。l （2）產(chǎn)生一個(gè)新的PCB文件。方法如下：選擇主菜單中的“File”“New”“PCB”命令，在“數(shù)碼管顯示電路.PrjPcb”項(xiàng)目中新建

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

4、“Board Options”對(duì)話框的“Measurement Unit”區(qū)域中設(shè)置“Unit”為“Metric”；勾選“Sheet Position”區(qū)域中的“Display Sheet”復(fù)選項(xiàng)，表示在PCB圖中顯示白色的圖紙；設(shè)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(dòng)光標(biāo)按順序分別在工作區(qū)內(nèi)坐標(biāo)為（100 mm，30 mm）、（190 mm，30 mm）、（190 mm，106 mm）和（100 mm，106 mm）的點(diǎn)上

5、單擊，最后單擊鼠標(biāo)右鍵，繪制一個(gè)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(biāo)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(dòng)光標(biāo)按順序連接工作區(qū)內(nèi)坐標(biāo)為（103，33）、（187，33）、（187，103）和（103，103）的四個(gè)點(diǎn)，然后光標(biāo)回到（103，33）處，光標(biāo)處出現(xiàn)一個(gè)小方框，按鼠標(biāo)左鍵，即繪制“Keep Out”布線的矩形區(qū)域（如圖9-3所示），按鼠標(biāo)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(kāi)“Layer Stack Manager”對(duì)話框。（8）在“Layer Stack Manager”對(duì)話框中勾選“Top Dielectric”復(fù)選項(xiàng)和“Bottom Dielectric”復(fù)選項(xiàng)，設(shè)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(shù)就設(shè)置完畢了。9.2 PCB板布局板布局l 9.2.1 導(dǎo)入元件l （1）在原理圖編輯器下，用封裝管理器檢查每個(gè)元件的封裝是否正確（3.3節(jié)中已介紹），打開(kāi)封裝管理器Too

7、ls Footprint Manager。l （2）在主菜單中選擇“Design”“Import Changes From 數(shù)碼管顯示電路.PrjPcb”命令，打開(kāi)如圖9-4所示的“Engineering Change Order”對(duì)話框。圖9-4 “Engineering Change Order”對(duì)話框l （3）單擊“Execute Changes”按鈕，應(yīng)用所有已選擇的更新，“Engineering Change Order”對(duì)話框內(nèi)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(jié)果，如果執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題將會(huì)顯示“ ”符號(hào)，若執(zhí)行成功則會(huì)顯示“

8、”符號(hào)。如有錯(cuò)誤檢查錯(cuò)誤，然后從（2）開(kāi)始重新執(zhí)行，沒(méi)有錯(cuò)誤后，應(yīng)用更新后的“Engineering Change Order”對(duì)話框如圖9-5所示。圖9-5 應(yīng)用更新后的“Engineering Change Order”對(duì)話框l （4）單擊“Engineering Change Order”對(duì)話框中的“Close”按鈕，關(guān)閉該對(duì)話框，至此，原理圖中的元件和連接關(guān)系就導(dǎo)入到PCB板中了。 圖9-6 PCB工作區(qū)內(nèi)容導(dǎo)入原理圖信息的PCB板文件的工作區(qū)如圖9-6所示，此時(shí)PCB板文件的內(nèi)容與原理圖文件“數(shù)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(dòng)布局功能。方法：選擇主菜單Tools Component Placement Auto Placer彈出Auto Place對(duì)話框。在該對(duì)話框內(nèi)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(dòng)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(nèi)。單擊元件U1,將它拖動(dòng)到PCB板中靠左邊靠上的區(qū)域；在拖動(dòng)元件到PCB板中的“Keep-Out”布線區(qū)域時(shí)，可以一次拖動(dòng)多個(gè)元件，如選擇3個(gè)元件DS1-DS3（鼠標(biāo)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(biāo)左鍵將它拖動(dòng)到PCB板中部用戶需要的位置時(shí)放開(kāi)鼠標(biāo)左鍵；如圖9-7所示。在導(dǎo)入元件的過(guò)程中，系統(tǒng)自動(dòng)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(jìn)行操作。圖9-7 移動(dòng)元器件（2）雙擊元件“U3”，按Tab鍵，打開(kāi)如圖9-8所示的“Component U3”對(duì)話框。在“Component U3”對(duì)話框中“Component Properties”區(qū)域內(nèi)的“Layer”下拉列表中選擇“Bottom Layer”項(xiàng)，單擊“OK”按鈕，關(guān)閉該對(duì)話框。此時(shí)，元件“U3”連同

11、其標(biāo)志文字都被調(diào)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(duì)話框l （3）放置其它元件布置到PCB板頂層，然后調(diào)整元件的位置。調(diào)整元件位置時(shí)，最好將光標(biāo)設(shè)置成大光標(biāo)，方法：?jiǎn)螕羰髽?biāo)右鍵，彈出菜單，選擇Options Preferences，彈出Preferences對(duì)話框，光標(biāo)類型（Cursor Type）處：選擇Large 90即可。l （4）放置元件時(shí)，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(zhuǎn)到最佳位置，才放開(kāi)鼠標(biāo)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(biāo)，彈出下拉工具，選“”圖標(biāo)，再選“ ”圖標(biāo)后，即可把電阻布置整齊。l (6)在放置元件的過(guò)程中，可以按G鍵，設(shè)置元件的Snap Grid以及Component Grid，以方便元件擺放整齊。也可以設(shè)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(dòng)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(shù)碼管顯示電路”的room框，按鍵盤(pán)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(gè)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(nèi)，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(shè)計(jì)和多通道設(shè)計(jì)中。由于本項(xiàng)目未使用層次設(shè)計(jì)，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(yùn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查：ToolsDesign Rule Check給出錯(cuò)誤報(bào)告如圖9-10所示。圖9-10 設(shè)計(jì)規(guī)則檢查后的錯(cuò)誤報(bào)告從錯(cuò)誤報(bào)告看出有2個(gè)地方出錯(cuò)：Silkscreen Over Component Pads與Minimum Solder Mask Sliver。可以用第3章介紹的方法，從菜單選擇Design Rules（快捷鍵D，R）打開(kāi)PCB

14、 Rules and Constraints Editor 對(duì)話框。雙擊Manufacturing類在對(duì)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(fù)選框的“”去掉即可,表示關(guān)閉這2個(gè)規(guī)則，不進(jìn)行該2項(xiàng)的規(guī)則檢查。l 現(xiàn)在PCB板上就沒(méi)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(shí)放元器件的缺省值，C1-C4的元件封裝與實(shí)際元件有差異，所以需要

15、修改這4個(gè)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(shè)計(jì)規(guī)則介紹設(shè)計(jì)規(guī)則介紹l AltiumDesigner提供了內(nèi)容豐富、具體的設(shè)計(jì)規(guī)則，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則的適用范圍共分為如下10個(gè)類別，下面把要經(jīng)常要使用的規(guī)則作簡(jiǎn)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(nèi)部電源層規(guī)則類。l “Tes

16、tpoint”測(cè)試點(diǎn)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(hào)完整性規(guī)則類。9.3.2 “Routing”規(guī)則類規(guī)則類l 1“Width”設(shè)計(jì)規(guī)則l “Width”設(shè)計(jì)規(guī)則用于限定布線時(shí)的銅箔導(dǎo)線的寬度范圍。已在第3章介紹，在此將接地線（GND）的寬度設(shè)為：30mil，電源線（VCC）的寬度設(shè)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(dǎo)線寬度的設(shè)定要依據(jù)PCB板的大小、元器件的多少、導(dǎo)線的疏密、印制板制造廠家的生產(chǎn)工藝等多種因素決定。9.4 PCB板布線板布線l 9.4.1 自動(dòng)布線l 1網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)布線l 在主菜單中執(zhí)行“Auto Route”“Net”命令，光標(biāo)變成十字準(zhǔn)線，選中需要布線的網(wǎng)絡(luò)即完成所選網(wǎng)絡(luò)的布線，繼續(xù)選擇需要布線的其他網(wǎng)絡(luò)，即完成相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的布線按鼠標(biāo)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(biāo)變成十字準(zhǔn)線，選中某根線，即對(duì)選中的連線進(jìn)行布線，繼續(xù)選擇下一根線，則對(duì)選中的線自動(dòng)布線，要退出該模式，按鼠標(biāo)右鍵或“Esc”鍵。他與“Net”的區(qū)別是一個(gè)是單根線，一個(gè)是多跟線。l 3面積布線l 執(zhí)行“Auto Route”“Area”命令，則對(duì)選中的面積進(jìn)行自動(dòng)布線。l 4元件布線l 執(zhí)行“Auto Route”“Component”命令，光標(biāo)變成十字準(zhǔn)線，選中某個(gè)元件，即對(duì)該元件管腳上所有連線自動(dòng)布線；繼續(xù)選擇下一個(gè)元件，即對(duì)選中的元件布線，要退出該模式，按鼠標(biāo)右鍵或“Esc”鍵。l 5選中元件布線l 先選中一個(gè)或多個(gè)元件，執(zhí)行“Auto Route”“Connections

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

20、ult 2 Layer Board”項(xiàng)，單擊“Route All”按鈕，啟動(dòng)Situs自動(dòng)布線器。圖9-39 “Situs Routing Strategies”對(duì)話框l 自動(dòng)布線結(jié)束后，系統(tǒng)彈出“Message”工作面板，顯示自動(dòng)布線過(guò)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(dòng)布線后的PCB板圖如圖9-41所示。 圖9-41 自動(dòng)布線生成的PCB板圖如果PCB顯示如上圖，有的導(dǎo)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(diào)整布線調(diào)整布線l 如果用戶覺(jué)得自動(dòng)

21、布線的效果不令人滿意，可以重新調(diào)整元件的布局。如：仔細(xì)看數(shù)碼管DS1的元件封裝的底層（Bottom Layer）上放了一個(gè)元件U3，在DS1元件內(nèi)有4個(gè)過(guò)孔，U1元件內(nèi)的布線太多了，需要調(diào)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(xiāo)，變成了飛線；如果選擇Tools Un-Route Net，就可用鼠標(biāo)點(diǎn)擊需要撤銷(xiāo)的網(wǎng)絡(luò)，這樣就可以撤銷(xiāo)選中的網(wǎng)絡(luò)；如果選擇Tools Connection，就可以撤銷(xiāo)選中的連線；如果選擇Tools Un-Route Component，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊元件，相應(yīng)元件上的線就全部變?yōu)榉蔷€。l 現(xiàn)在執(zhí)行Tools

22、 Un-Route All命令，撤銷(xiāo)所有已布的線。然后移動(dòng)元件，調(diào)整元件布局后的電路如圖9-42所示。l 圖9-42 重新調(diào)整布局后的PCB板 圖9-43 重新自動(dòng)布線后的PCB板l 執(zhí)行“Auto Route”“All”命令，布線結(jié)果如圖9-43所示。l 從操作過(guò)程可以看出，PCB板的布局對(duì)自動(dòng)布線的影響很大，所以用戶在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)一定要把元件的布局設(shè)置合理，這樣自動(dòng)布線的效果才理想。l 調(diào)整布線是在自動(dòng)布線的基礎(chǔ)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(dòng)前的布線 b.手動(dòng)改動(dòng)后的布線 圖9-44 手動(dòng)布線前后的布線觀察自動(dòng)布線的結(jié)果可知，對(duì)于比較簡(jiǎn)單的電路，當(dāng)元件布局合理，布線規(guī)則設(shè)置完善時(shí)，Altium Designer中的Situs布線器的布線效果相當(dāng)令人滿意。單擊保存工具按鈕“ ”，保存PCB文件。9.4.