曾 智

(衡陽技師學(xué)院電氣工程系,湖南 衡陽 421007)

當(dāng)今,電子電路輔助設(shè)計(jì)都離不開計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用,OrCad、Protel等常用 EDA軟件的廣泛應(yīng)用使得現(xiàn)代電子工業(yè)取得了長足的進(jìn)步.大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的使用,使印制電路板(軟件中常稱為 PCB)的走線愈精密和復(fù)雜.由于 Protel 99 SE能讓設(shè)計(jì)者在具有最完整的功能環(huán)境下提高設(shè)計(jì)效率、提升設(shè)計(jì)品質(zhì),而成為諸多軟件中的杰出代表.結(jié)合筆者教學(xué)中的體會(huì)和感受,介紹Protel 99 Se在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,包括電路原理圖的設(shè)計(jì)過程、PCB的設(shè)計(jì)過程,同時(shí)對設(shè)計(jì)過程中的常見問題及解決方法作了分析.

1 protel 99 SE設(shè)計(jì)步驟和方法

1.1 電路原理圖設(shè)計(jì)的基本步驟

繪制出一張正確的能滿足生產(chǎn)實(shí)際要求的電路原理圖極為重要.一般而言,電路原理圖的設(shè)計(jì)有如下步驟[1]:

(1)設(shè)置原理圖的設(shè)計(jì)環(huán)境;

(2)查找、放置元件;

(3)元件屬性的編輯;

(4)元件的布局和調(diào)整;

(5)原理圖布線;(6)檢查原理圖;(7)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)表.

1.2 印制電路板設(shè)計(jì)的步驟

PCB的設(shè)計(jì)是將一張電路原理圖轉(zhuǎn)變成一個(gè)電子產(chǎn)品的必由之路.俗話說“條條道路通羅馬”,這“路”設(shè)計(jì)的好壞將直接影響電子設(shè)備的質(zhì)量、成本和市場競爭力等.因此,PCB的設(shè)計(jì)是電路設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵、最重要的一步.通常,印制電路板設(shè)計(jì)的具體步驟如下[2]:

2 實(shí) 例

以紅外線遙控開關(guān)的設(shè)計(jì)為例(見圖1),簡述用 Protel 99 SE進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的過程.其設(shè)計(jì)要求:

(1)制做單面板;

(2)電源線、接地線的布線寬度均為 1.52 mm;

(3)信號線的布線寬度為 1.14 mm;

2.1 電路原理圖的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)和繪制電路原理圖的基本要求是正確性、元件布局合理.這樣,最終設(shè)計(jì)出來的原理圖才完整、美觀.用 Protel 99 SE進(jìn)行電路原理圖設(shè)計(jì)過程如下:

(1)打開原理圖設(shè)計(jì)編輯器.首先進(jìn)入 Protel 99 SE創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫,接著按下快捷鍵 F/N,從彈出的對話框中選擇原理圖服務(wù)器(Schematic Document)圖標(biāo),然后雙擊該圖標(biāo),建立原理圖設(shè)計(jì)文檔,雙擊該文檔圖標(biāo),進(jìn)入原理圖設(shè)計(jì)服務(wù)器操作界面.

(2)設(shè)置原理圖設(shè)計(jì)環(huán)境.對圖紙尺寸、圖紙樣式,捕捉柵格等設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置.只需按快捷鍵 D/N和 T/P后,進(jìn)行選擇、修改即可完成設(shè)置.

(3)加載所需的元件庫.在編輯器中選擇Browse Sch頁面,在 Browse區(qū)域中的下拉框中選擇 Library,并單擊[Add/Remove]按鈕,選擇路徑Protel 99 SELibrarySch,再選擇如:Miscellaneous devices.ddb、Protel DOSSchematic Libraries庫等常用元件庫,單擊[Add]按鈕,就完成了元件庫的加載.

(4)調(diào)用、放置元件.通常,原理圖的元件符號都分門別類地存放在不同的原理圖元件庫中.調(diào)用元件時(shí),先到 Sch元件庫里查找原理圖中所需元件,然后左鍵單擊[Place]按鈕將所需元件放置在圖紙上,并對元件放置的位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)動(dòng)和布局.

(5)編輯和調(diào)整.按空格鍵 Space可以對元件放置的位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、翻轉(zhuǎn).另外,鼠標(biāo)雙擊某元件還可以對元件的屬性如:標(biāo)號、封裝名、標(biāo)稱值等進(jìn)行定義與修改.

(6)布線.左鍵點(diǎn)擊“連線工具條”上的連線圖標(biāo),鼠標(biāo)變成帶黑點(diǎn)的十字架形狀.然后將原理圖紙上的元器件用具有電氣意義的導(dǎo)線連接起來,即可完成該電路原理圖的繪制.

(7)檢查原理圖

執(zhí)行菜單命令[Tool]/[ERC]對已繪制好的原理圖進(jìn)行電氣法則檢查.若有錯(cuò)誤,根據(jù)警告和錯(cuò)誤情形進(jìn)行修正.若沒有錯(cuò)誤,將進(jìn)入下一步的設(shè)計(jì)工作.

(8)生成網(wǎng)絡(luò)表文件

網(wǎng)絡(luò)表作為連接電路原理圖設(shè)計(jì)和印制電路板設(shè)計(jì)之間的紐帶,在原理圖設(shè)計(jì)完成后就要?jiǎng)?chuàng)建網(wǎng)絡(luò)表.執(zhí)行菜單命令[Design]/[Create Netlist]可以自動(dòng)生成一張?jiān)撛韴D的網(wǎng)路表文件.該文件給出的信息:元件名、元件封裝名、標(biāo)稱值及各元件之間連接關(guān)系.綜上所述,便完成了該電路原理圖的設(shè)計(jì),它為印制電路板的設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).CD4017元件管腳圖如圖1所示,該實(shí)用電路的原理圖如圖2所示.

圖1 CD 4017元件管腳圖Fig.1 Component pin ofCD4017

2.2 印制電路板的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)、生產(chǎn)出電子產(chǎn)品是電路設(shè)計(jì)的最終目標(biāo).電路的設(shè)計(jì)尤其是印制電路板設(shè)計(jì)的水準(zhǔn)對整機(jī)體積的大小、質(zhì)量高低、成本等起著關(guān)鍵作用.一般而言,用該軟件設(shè)計(jì)印制電路板的步驟如下:

(1)打開 PCB設(shè)計(jì)編輯器.執(zhí)行菜單[File]/[New]命令,或按下快捷鍵 F/N,從彈出的對話框中選擇 PCB設(shè)計(jì)服務(wù)器,然后再利用“向?qū)А眮斫?PCB設(shè)計(jì)文檔.

(2)規(guī)劃電路板.根據(jù)電路中元件的數(shù)目來確定電路板的尺寸,即電路板的長、寬.另還要確定電路板的物理邊界和電氣邊界,即電路板的邊框.執(zhí)行菜單命令[Design]/[Options],在“信號層”中選擇“底層”.滿足了設(shè)計(jì)要求(1).

(3)設(shè)置參數(shù).設(shè)置參數(shù)是印制板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性一步.參數(shù)設(shè)置主要包括:布線工作層的設(shè)置、布線線寬的設(shè)置等.使用快捷鍵“D/R”,左鍵單擊[Routing]按鈕,根據(jù)設(shè)計(jì)要求(2)、(3),在規(guī)則類中對參數(shù)進(jìn)行如下設(shè)置:

①選擇[Routing Layer],設(shè)置布線層,左鍵單擊[Properties],在“布線工作層設(shè)置”對話框的“Rule Attributes”選項(xiàng)中將頂層設(shè)置為 “Not Used”,而底層設(shè)置為“Any”,即可完成單層板的設(shè)置.

圖1 紅外線遙控開關(guān)電路原理圖Fig.1 Circuit diagram of infrared remote control switch

②選擇 Width Constraint,對接地線線寬進(jìn)行設(shè)置:左鍵單擊[Add]按鈕,進(jìn)入線寬規(guī)則設(shè)置界面,首先在 Rule Scope區(qū)域的 Filter Kind選擇框中選擇 Net,然后在 Net下拉框中選擇 GND,再在Rule Attribute區(qū)域的 Minimum width、Maximum width和 Preferred三個(gè)輸入框內(nèi)均輸入數(shù)字 1.52mm;

③電源線寬度的設(shè)置:在 Net下拉框中選擇VCC,其它與接地線線寬設(shè)置相同;

④整板信號線寬度設(shè)置:在 Filter Kind選擇框中選擇 Whole Board,然后在 Minimum width、Maximum width和 Preferred三個(gè)輸入框內(nèi)均輸入數(shù)字1.14mm;

(4)加載元件封裝庫.選擇路徑 Protel 99 SELibraryPCB,再添加常用元件封裝庫:PCB Footprint、International Rectifiers等,為網(wǎng)絡(luò)表的導(dǎo)入、調(diào)用元件的封裝作好準(zhǔn)備.

(5)裝入網(wǎng)絡(luò)表.裝入網(wǎng)絡(luò)表使用快捷鍵“D/N”,再在彈出的窗口中選擇并導(dǎo)入一個(gè)擴(kuò)展名為Net的網(wǎng)絡(luò)表文件.在無誤的情況下,單擊[Execute]執(zhí)行,所需元件的封裝被調(diào)用放在 PCB文檔紙面上.若出現(xiàn)警告或錯(cuò)誤提示,必須更改錯(cuò)誤.因有些元件的封裝在對應(yīng)的封裝庫里面找不到,就需要設(shè)計(jì)者根據(jù)元件尺寸自行設(shè)計(jì)這些元件所對應(yīng)的封裝.

(6)元器件布局.一般而言,元器件的布局有自動(dòng)布局和手工布局兩種方法.通常都是將這兩種方法結(jié)合起來使用,使之互補(bǔ).執(zhí)行菜單命令[Tool]/[Auto Placement/Auto Placer]進(jìn)行自動(dòng)布局.布局的合理與否將影響整板布線的美觀、整齊.為了使布局更加合理,盡量采用手工布局的方式,將最核心的元件放置在板中央.

(7)自動(dòng)布線.Protel 99 SE采用最先進(jìn)的無網(wǎng)格、基于形狀的對角線自動(dòng)布線技術(shù).執(zhí)行菜單命令[AutoRouting]/[All],并在彈出的窗口中單擊[Route all]按鈕,軟件程序?qū)τ≈齐娐钒暹M(jìn)行自動(dòng)布線.如果參數(shù)設(shè)置無誤、元件布局合理的話,自動(dòng)布線的布通率幾乎能達(dá)到 100%,而且布線所用的時(shí)間也很短[3].如圖2所示.

圖2 紅外線遙控開關(guān)電路印制電路板圖Fig.2 Printed circuit board of infrared remote control switch

(8)手工調(diào)整.自動(dòng)布線結(jié)束后,可能存在一些布線不盡人意的地方,比如:某些網(wǎng)絡(luò)布線過長,銅膜導(dǎo)線有相互交叉.對于這些問題,可以對部分線路進(jìn)行手工調(diào)整.(9)PCB圖的保存、打印.執(zhí)行菜單命令[File]/[Print/Preview],生成一個(gè) PPC文件并保存,然后直接打印印制電路板圖.它將為印制板的洗板、鉆孔,焊裝電路作好前期準(zhǔn)備,這也是焊裝、調(diào)試該電路的指導(dǎo)性文件.如圖3所示:

3 設(shè)計(jì)中的問題及解決方法

利用 Protel99 SE來設(shè)計(jì)電路,雖然有功能強(qiáng)大、人機(jī)界面友好等優(yōu)點(diǎn),但在進(jìn)行實(shí)際電路的繪制、電路 PCB設(shè)計(jì)過程中往往也會(huì)碰到一些比較棘手的問題.

(1)生成、轉(zhuǎn)換的印制電路板圖與電路原理圖相差甚遠(yuǎn)、不相符,出現(xiàn)如下幾種現(xiàn)象:

①連線超過元、器件的斷點(diǎn),需連線元件的兩部分有重復(fù);

②部分焊盤沒有網(wǎng)絡(luò)、沒能連上.

解決方法是:在進(jìn)行電路原理圖連線時(shí),應(yīng)盡量做到以下幾點(diǎn):

①放置導(dǎo)線時(shí),當(dāng)光標(biāo)移至元件引腳端點(diǎn)時(shí),光標(biāo)中心將出現(xiàn)一個(gè)大黑點(diǎn).因此,在連線時(shí)總結(jié):“從黑點(diǎn)(電氣節(jié)點(diǎn))始,到黑點(diǎn) (電氣節(jié)點(diǎn))終”;

②進(jìn)行元器件連線時(shí),盡量避免反復(fù)連線、盡量做到不要將元件某兩端點(diǎn)直接對接上.

(2)在設(shè)計(jì)印制電路板導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表時(shí),元、器件不能完全調(diào)入.分析原因有:

①在對元件屬性進(jìn)行編輯時(shí)漏填元件封裝名;裝入網(wǎng)絡(luò)表時(shí),出現(xiàn) “Component not found、Footprint not found in Library”;

②印制電路板的封裝名不存在,致使在封裝庫里找不到;

③原理圖中元件管腳的名稱和元件封裝庫中元件封裝管腳名稱不一致,二者不兼容;

④在已有的元件封裝庫中找不到合適的元件封裝,或根本不存在該元件的封裝.

解決方法:

①在原理圖中對應(yīng)元件屬性對話框的 Footprint欄中輸入相應(yīng)的封裝名,然后重新產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表.或者直接在網(wǎng)絡(luò)表中對未指定封裝的元件添加封裝,并保存該網(wǎng)絡(luò)表文件.

②添加相應(yīng)的元件封裝庫,在 PCB編輯器中,通過 Design→Add/Remove Library菜單命令加載包含所需元件封裝的元件封裝庫.

③將 PCB板元件封裝庫中的元件管腳號修改成與原理圖中定義的一致,使他們相匹配.如三極管的管腳名稱在原理圖中定義為 1,2,3,而在 PCB封裝庫中焊盤的名稱則定義為 E,B,C,此時(shí),將封裝庫中三極管管腳名稱改為 1,2,3.使他們相匹配[3].

④對已有元件封裝進(jìn)行修改,或者自行創(chuàng)建新的元件封裝.如實(shí)例中發(fā)光二極管 VD7、繼電器J的封裝[3].

4 結(jié)束語

初學(xué) Protel軟件的職校學(xué)生,由于相關(guān)知識的缺乏和一些不良的操作習(xí)慣,容易出現(xiàn)操作效率低、出現(xiàn)錯(cuò)誤后無法排除等問題.針對這些情況,一方面,對這些問題分類進(jìn)行總結(jié),反復(fù)強(qiáng)調(diào);另一方面,在學(xué)生實(shí)際操作時(shí)注意觀察,及時(shí)糾正他們的不良習(xí)慣,指出錯(cuò)誤.這樣才能使學(xué)生盡快上手,提高學(xué)習(xí)興趣,獲得較好的教學(xué)效果.

[1] 趙 晶.Protel 99高級應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2000.

[2] 夏路易,石宗義.電路原理圖與電路板設(shè)計(jì)教程Protel 99SE[M].北京:希望電子出版社,2002.

[3] 及 力.Protel 99 SE原理圖與 PCB設(shè)計(jì)教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[4] 王青萍.Protel 99 SE網(wǎng)絡(luò)宏錯(cuò)誤及排除[J].湖北教育學(xué)院學(xué)報(bào),2007,(24):43-44.