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1、第六章、PCB设计基础：,电路设计的最终目的是生成印刷电路板的PCB文件，根据原理图设计的结果将产生网络表文件，在PCB设计中引入网络表文件将引入电路元器件之间的连接。在设计印刷电路板之前，首先要了解印刷电路板的相关知识。因此本节的目的是讲解一些印制电路板的基本概念以便于以后章节的学习。,6.1 认识印刷电路板,重点内容：印刷电路板的结构：以多谐振荡器为例 印刷电路板板层及板框 印刷电路板上的元器件 元器件封装 课堂例题练习,一、印刷电路板的结构：,印刷电路板(PrintedCircuitBoard，PCB)是架构电路系统的基础，其作用是将计电路中各元器件间的电气连接线做成铜膜走线，在一层或多
2、层绝缘板子上绘制信号板层，并在适当的位置放置元器件外形封装来安装各个电子元器件。简单地说，印刷电路板按照结构划分为单面板、双面板和多面板3种。(1)单面板 单面板是指只有一面敷铜的电路板，即所有的铜膜走线都在一个板层上面，因此设计人员只能在其敷铜的一面进行电路设计和放置元器件。它的优点在于结构简单，成本低廉，适用于相对简单的电路设计。但是对于稍复杂的电路而言，由于其只能一面走线的局限性使得布线困难，容易造成无法布线的局面。,(2)双面板 双面板顾名思义就是印刷电路板的两面都可以布线，分为顶层（topLayer）和底层（bottomLayer）（如图1所示）。建议设计人员一般只在顶层放置元器件，
3、当然在顶层和底层都放置元器件也是可以的，但尽量不要这样做，只有在使用贴片元器件的时候建议采用。底层一般为焊锡层面，用于焊接元器件引脚。双面板的制作工艺比单面板的制作工艺复杂的多，但采用双面板可以设计比较复杂的电路，由于它的双面都可以走线，所以铜膜走线的布通率可以达到100%。双面板是使用最广泛的印制电路板结构。,图1 双面板结构,(3)多层板 多层板是指由三层或三层以上的电路板，它是在双面板的顶层和底层的基础上，还包含若干中间层、电源层和地线层（如图2所示）。双面板的制作工艺非常的复杂，因此成本较高。但采用多层板可以设计复杂的电路，另外板层越多，则布线的区域也就越多，布线就变得更加容易简单，并
4、且具有一定的保密能力。随着电子技术的快速发展，电子产品越来越小巧精密，电路板的制作也越来越复杂，因此多层板的应用也日趋广泛。,图2 多层板结构,二、印刷电路板板层及板框：,板层 板层就是在印刷电路板设计过程中可分层显示的电路板结构图。PCB最多可以使用七十多个板层，其中可以有32个信号板层、16个内层板层、16个机构板层、2个防焊板层、2个锡膏板层、2个丝印板层、2个钻孔板层、1个禁制板层、1个多任务板层和多个显示用途板层。每一类有其具体的使用意义，例如信号板层（如顶层和底层）对应电路板实体铜膜走线的分布图；丝印板层没有电气性质，纯粹是为了在电路板上标注说明文字或用于屏幕窗口显示。下面就各类板
5、层的作用做一个简单的介绍。,信号板层最多可以有32层，32层具体是顶层板层、底层板层和30个中间板层。信号板层通常用来定义PCB铜膜走线、焊点和导孔等具有实体对象，是对应到实体电路板中最重要的板层，基本体现了整个电路的电气特性。本板层上放置的任何走线和对象都是代表电路板上有铺置铜膜的区域。内层板层最多可以有16层，通常作为电源(VCC、VDD)或接地(GND)信号的板层，当然有些情况允许采用内层分割方式来连接一般信号。使用内层板层的优点是可以降低布线复杂度。本板层放置的走线与对象代表线路板上不铺铜膜的区域。只要将内层板层指定好网络名称，系统会自动地将相同名称的网络走线通过导孔与内层板层连接起来
6、。机构板层最多可以有16层，只是一些表示层，通常用来标示电路板在制造或组合时所需要的标记，如尺寸线、对齐标记、数据标记、螺丝孔、组合指示和其它电路板实体标示。,防焊板层可以有顶层与底层两层，是印刷电路板对应电路板文件中的焊点和导孔数据自动生成出来的板层，主要用于涂刷阻焊漆。阻焊漆顾名思义就是一种无法在上面进行焊接操作的油漆材料，一般是绿色的。本板层上显示的焊点和导孔部分就是代表电路板上不铺阻焊漆的区域，也就是可以进行焊接的部分。锡膏板层最多可以有顶层和底层两层。它和防焊板层很相似，不过它们是用来对应表面粘着式元器件焊点的（何谓表面粘着式元器件在本章后面小节介绍）。丝印板层共有顶层和底层两层，不
7、过底层并不常用。它们主要在于记录电路板上供人观看的信息。印刷线路板设计软件会自动地将PCB文件内的元器件外形符号、序号和批注字段的设置值送入这些板层内。钻孔板层有两层，分别是钻孔指引板层和钻孔图板层。它们都是由印刷电路设计软件自动生成的板层，记录了制作流程中所需要的钻孔数据。禁制板层只有一层，通常用来定义板框，也就是规范元器件布置与布线的合法区域。我们可以使用板框向导来协助生成板框，也可以直接在该板层用铜膜走线绘制出封闭的板框区域；必要时，也可以生成或绘制出中心有封闭缺口的板框。因用来提供电线、马达之类的机械对象从电路板中穿过的信道。在后面章节具体介绍在禁制板层上设计板框。,多任务板层只有一层
8、，放置在该板层中的对象在设计输出时将自动地附加到所有信号板层中。该板层最主要的用途在于快速地将跨信号板层的对象(尤其是焊点和导孔)一次就放置妥当。显示用途板层只供显示消息，不允许摆置PCB对象。以下简单介绍这些显示用途板层的使用目的。连接板层(Connect)主要显示对象间的预拉线情况。DRC错误板层(DRCErrors)主要显示电路板上违反DRC的检查标记。可视格点板层(VisibleGridl&2)主要显示可视格点或网格线，共有2层，可同时显示，也可以个别显示。焊点板层(PadHoles)与导孔板层(ViaHoles)分别显示焊点与导孔的钻孔外观。,2.板框 板框就是为了规范元器件自动布置
9、、自动布线和设计规则检查操作功能所定义出来的合法区域。对印刷电路板而言，板框就是在禁制板层上用铜膜走线绘制出来的封闭区域。当然我们可以使用手工绘制的方式来定义板框，这样比较有灵活性。不过在大部分场合中，我们都是使用印刷电路板设计软件提供的板框向导来定义板框。至于如何利用向导或直接人工定制板框会在后面章节介绍。,三、印刷电路板上的元器件：,印刷电路板中所使用的电子元器件，根据其实体外观大致可分为针脚式元器件与表面粘着式元器件两大类。针脚式元器件的体积较大并带有直针式的接脚，这是比较常用的元器件，如实验室利用面包板接线做实验时使用的双列直插芯片、电阻和电容等元器件都是属于针脚式元器件。制作针脚式元
10、器件的电路板必须先在板上钻孔才能够摆放电路元器件，但是可以方便的在普通的铜膜板上验证自己的设计是否正确。工业界利用锡炉或喷锡流程来完成针脚直插式元器件焊接操作；当然在学校或是个人开发制作方面，就得靠手工进行焊接操作。如图3所示的是一些常见针脚式元器件的例子。,表面粘着式元器件焊点只限于表面板层，可以是顶层也可以是底层，两层之间使用过孔连接实现电路的完整性。使用表面粘着式元器件的电路板就不需要经过钻孔的手续，工业上焊接方法是将锡膏倒在电路板上，然后配合锡膏板层清理出焊点，接着倒上液体状的焊锡，再将元器件摆上去就可以完成焊接的步骤了。由于制作流程较简易，成本低廉，加上SMD元器件体积较小，电路板的
11、密度可以提高，所以现在商品化产品几乎都是这种形式的电路板。由于表面粘着式元器件的接线引脚间距十分紧密（焊点间距和铜膜走线间距很小），而且使用的铜箔面至少是双面板的原因，如果是个人做开发实验不建议采用这种表面粘着式元器件，因为个人焊接过程中容易造成虚焊、漏焊等一系列问题，从而浪费了大量的人力物力，延长了开发周期。如果非要采用表面粘着式元器件，那么建议要配合表面粘着式元器件转针脚式的引脚插座一起使用。如图4所示是一些常见表面粘着式元器件的例子。比较图3和4可以容易的得出表面粘着式元器件的优点。,四、元器件封装：,元器件封装是指元器件放置到印刷电路板中所表示的外框和焊点位置的一种标准符，即元器件的外
12、形。元器件封装是印刷电路板设计的重要概念，因为元器件封装的统一，使所取用的元器件的引脚和印刷电路板的焊点位置对应，从而保证整个印刷电路板按照电路设计的方式连接和工作，元器件封装是连接原理图和PCB元器件的工具。元器件封装既可以在原理图设计时指定，也可在引进网络表时指定，建议设计人员采用前面一种方式设定元器件的封装。元器件封装的定义规则为元器件类型+焊点距离(或焊点数)+元器件外形。例如DIPl4表示该元器件为双列直插式元器件，共有14个焊点；VRl表示可变电阻元器件；AXIAL0.4表示该元器件为轴状元器件焊点间的距离为400mil(毫英寸)。,注意：Protel DXP系统采用两种单位，公制
13、和英制。英制用mil表示，单位是毫英寸。公制用mm表示，单位是毫米。1mil=0.0254mm,1mm=39.37mil。在实际设计的时候我们有时候会遇到元器件与元器件封装的搭配发生了问题，这些问题多数是由以下这几种情况所造成的：(1)并未设置元器件外形属性或是设置为不存在的元器件封装，Protel DXP如果没有查找到相符合的元器件封装就会生成错误信息。(2)未加载对应的元器件封装库在进行线路板设计之前，必须先将可能用到的元器件封装数据库与对应的元器件封装库文件加载到内存中，否则会找不到该元器件封装。要找某个元器件外形所对应元器件封装库的名称，可以利用Protel DXP系统所提供的浏览功能
14、。(3)新旧元器件外形的引脚名称或脚位号码不一致通常发生在放置好PCB元器件外形之后，又去修改元器件的设置属性对话框中的Footprint属性的情况下。(4)元器件与元器件外形的引脚名称不一致这是因为系统提供的封装的引脚名称未必与元器件外形相应的引脚名称定义完全吻合所致。设计人员必须特别注意元器件和元器件外形与系统提供的实体是否一致。,上面提到如果元器件与元器件外形的引脚名称不同，会造成数据转换上的错误。如三极管的基极、集电极和发射极和实际晶体管元器件封装是不同的。然而这样的对应错误却不能够通过网络列表检查出来，所以稍微不小心，在设计线路板时就会使用到错误的转换数据。所以在调用网络表数据的时候
15、必须小心。解决元器件与元器件外形引脚与实际引脚不一致的问题时候可以采用一下三种方式来处理，此处结合一个PNP的实例来具体解说：第一种做法是考虑元器件引脚封装已有的焊点序号定义，然后修改电路图元器件的引脚的名称，或者新建一个元器件。具体修改的步骤如下：,(1)双击原理图上的元器件，打开参数设置对话框，双击右下角Models for Q1-PNP栏中的Footprint，将会弹出如图5所示的电路图元器件参数修改对话框。,图5 元器件参数修改对话框,(2)点击图5中右上角的Pin Map.按钮，就会弹出如图6所示的元器件引脚设置对话框。在没有修改元器件引脚参数之前对应的印刷线路板连线如图7所示。,图
16、6 元器件引脚设置对话框,(3)修改图6中原理图对应引脚和实际引脚之间的关系，如将1和3对调，就会获得如图7所示的印刷线路板连线。第二种做法是结合元器件已有的引脚的名称，然后修改印刷电路板元器件引脚封装的焊点序号名称，或者新建一个元器件外形。如果现在要将图7中的三极管中的2，3引脚对调，那么直接双击图7中印刷线路板上的引脚3，在弹出属性设置对话框中，将Properties中的Designator中的3改为2，同样的操作用于2号引脚，然后重新调用网络表，就会获得如图9的印刷线路板连线。以上所提的两种做法可以保持自动化设计流程的顺畅，但是必须要学会如何修改元器件或元器件外形的操作方法，操作技术要求
17、比较高。下面介绍一种比较简单的做法，但是不是经常使用，只是在某些场合使用。第三种做法既不需要修改元器件也不需要更改元器件引脚封装，而只需手工在网络列表中作修改。这种做法(称之为半自动设计方式，参考后面章节的介绍)，只要会操作文字处理程序就可以了，不过整个设计流程中会在此中断一下，而且每转换过一次网络列表文件就得重新修改一次才行。这种方式很简单，在此处就不再赘述了，请同学们自己琢磨一下。,图7 未修改差数之前的连线,图8 在原理图中修改参数后的连线,图9 在印刷线路板上修改参数后的连线,【学 习 小 结：】,本节介绍了印刷线路板的一些基础知识和在设计印刷线路板时应该注意的问题。让设计人员从整体去把握如何进行印刷线路板的设计，为后面章节的展开做好准备。这些基本知识是后面章节展开的核心，设计人员必须很好的把握。,
