北京勞動(dòng)保障職業(yè)學(xué)院 萬(wàn) 捷

印制板設(shè)計(jì)是理工類職業(yè)院校學(xué)生應(yīng)具備的基本技能之一。為幫助學(xué)生掌握這項(xiàng)技能，提高自身就業(yè)及實(shí)際工作能力，本文給出相關(guān)具體指導(dǎo)，詳述創(chuàng)建印制板項(xiàng)目文件、繪制原理圖及設(shè)計(jì)印制板等方法，望對(duì)學(xué)生有所助益。

1.印制電路板英文全稱Printed Circuit Board（簡(jiǎn)稱PCB）

在學(xué)校教學(xué)中，電子電路的制版軟件常見(jiàn)有兩種：Ultiboard和Altium Designer（簡(jiǎn)稱AD）。Ultiboard軟件單獨(dú)使用，只能實(shí)現(xiàn)印制電路板PCB的手動(dòng)布局及手動(dòng)布線功能，功能單一、效率低。

AD軟件將電路原理圖繪制與PCB圖設(shè)計(jì)集成在一起，既能實(shí)現(xiàn)PCB手動(dòng)布局和手動(dòng)布線功能又能完成自動(dòng)布局和自動(dòng)布線任務(wù)，功能多樣、效率高，因此在學(xué)校教學(xué)中獲得了廣泛使用。本文所涉及的迷你音響系統(tǒng)的印制板就是用AD軟件設(shè)計(jì)出來(lái)的，下面介紹設(shè)計(jì)方法。

2.創(chuàng)建PCB項(xiàng)目文件

啟動(dòng)AD軟件，先后按快捷鍵F、N打開(kāi)新建菜單，執(zhí)行菜單命令【Project】/【PCB Project】，新建一PCB項(xiàng)目文件PCB Project1.PrjPCB，該文件名是系統(tǒng)給出的默認(rèn)名稱，若對(duì)該名稱不滿意，則將其修改為中文真實(shí)名稱，如“迷你音響.PrjPCB”，方法是先后按快捷鍵F、S打開(kāi)文件保存對(duì)話框，在該對(duì)話框中輸入文件名“迷你音響”，單擊保存按鈕，項(xiàng)目文件即以名稱“迷你音響.PrjPCB”保存在默認(rèn)文件夾Examples中。

3.繪制原理圖

3.1 在PCB項(xiàng)目下創(chuàng)建原理圖文件

單擊，選中項(xiàng)目文件“迷你音響.PrjPCB”，依次按快捷鍵F、N、S，系統(tǒng)在“迷你音響.PrjPCB”項(xiàng)目下新建一默認(rèn)名稱為“Sheet1.SchDoc”的原理圖文件。

依次按快捷鍵F、S，在彈出的對(duì)話框中文件名一欄輸入“迷你音響”，單擊保存按鈕，原理圖文件即以名稱“迷你音響.SchDoc”保存在文件夾Examples中。

3.2 放置元器件

在原理圖圖紙上放置元器件前，必須先加載元器件庫(kù)。常用分立元件庫(kù)Miscellaneous Device.Intlib中存放著迷你音響電路的電阻、電容等元件，畫(huà)圖時(shí)必須加載，執(zhí)行菜單命令【Design】/【Browse Library】，打開(kāi)Libraries面板，如圖1所示。

在Libraries面板中，選擇“Miscellaneous Device.Intlib”為當(dāng)前元器件庫(kù)。在當(dāng)前庫(kù)的元器件列表區(qū)右側(cè)用鼠標(biāo)向下拖動(dòng)滑塊找到所需元件，如電阻Res2、無(wú)極性電容Cap或極性電容Cap Pol2等，雙擊它，該元件隨十字光標(biāo)一起移動(dòng)，移動(dòng)光標(biāo)到圖紙的適當(dāng)位置單擊鼠標(biāo)左鍵，該元件即放置到圖紙上。連續(xù)單擊鼠標(biāo)左鍵，可將多個(gè)相同元件放置在圖紙上。單擊鼠標(biāo)右鍵則退出元器件放置狀態(tài)。

圖1 Libraries面板

采用相同的辦法，將常用接插件庫(kù)“Miscellaneous Connectors.Intlib”設(shè)為當(dāng)前庫(kù)，放置接插件，如Header5、LED1等。需要指出，放置元器件時(shí)如果對(duì)其方向不滿意，可使用若干快捷鍵進(jìn)行調(diào)整，其中每按一次X鍵和Y鍵，元器件將分別左右翻轉(zhuǎn)和上下翻轉(zhuǎn)一次，而每按空格鍵一次，則元器件將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。

AD軟件雖然提供了100多個(gè)庫(kù)文件，而且每個(gè)庫(kù)文件又包含眾多元器件，但是在繪圖時(shí)還經(jīng)常會(huì)遇到一些特殊元器件在這些庫(kù)文件中找不到的情況，這就需要對(duì)其進(jìn)行繪制。以直流插座DC JACK為例，在項(xiàng)目文件“迷你音響.PrjPCB”中新建一原理圖庫(kù)文件“迷你音響.SchLib”，然后在打開(kāi)的原理圖庫(kù)編輯界面利用實(shí)用工具欄的各種工具進(jìn)行繪制，繪制時(shí)要保證元器件放置在圖紙十字光標(biāo)右下方，放置元器件引腳時(shí)，要保證具有電氣特性的一端方向向外便于布線，最后添加元器件封裝形式，這樣元器件就繪制完成，繪制好的元器件符號(hào)及封裝如圖2所示。繪制完成后保存此文件在項(xiàng)目文件中，打開(kāi)原理圖文件，就可以放置該元件了。

圖2 繪制好的DC JACK符號(hào)及封裝形式

3.3 設(shè)置元器件屬性

所有元器件放到原理圖上并完成布局后，雙擊元器件打開(kāi)其屬性對(duì)話框，對(duì)編號(hào)Designator、注釋Comment、參數(shù)值Value、封裝形式Footprint等必要屬性進(jìn)行設(shè)置。其中，編號(hào)就是元器件在原理圖中的序號(hào)如R2、C2等，注釋就是對(duì)元器件類型、型號(hào)和參數(shù)等的說(shuō)明，參數(shù)值是指電阻值、電容值等，封裝形式就是元器件在印制電路板PCB上呈現(xiàn)出來(lái)的形狀和名稱。此外，元器件屬性的設(shè)置還可在元器件放置過(guò)程中進(jìn)行，方法是元器件處于浮動(dòng)狀態(tài)時(shí)，按鍵盤(pán)“Tab”鍵，可打開(kāi)元器件屬性窗口，進(jìn)行屬性設(shè)置。

3.4 繪制原理圖

3.4.1 用導(dǎo)線連接元器件

（1）先后按快捷鍵P、W，圖紙上出現(xiàn)十字光標(biāo)。

（2）移動(dòng)光標(biāo)到元器件的引腳端時(shí)，光標(biāo)中心的“×”號(hào)變成紅“米”字符號(hào)，單擊鼠標(biāo)左鍵將導(dǎo)線起點(diǎn)與元器件的引腳端連接起來(lái)。移動(dòng)光標(biāo)，在光標(biāo)與導(dǎo)線起點(diǎn)之間會(huì)出現(xiàn)一條線，這就是所要放置的導(dǎo)線。導(dǎo)線每次拐彎時(shí)都要單擊一次鼠標(biāo)左鍵。

（3）將光標(biāo)移到另一個(gè)要連接的元器件引腳端上，當(dāng)出現(xiàn)紅“米”字符號(hào)時(shí)單擊鼠標(biāo)左鍵將導(dǎo)線終點(diǎn)與元器件引腳端連接起來(lái)，這樣通過(guò)一條導(dǎo)線將分屬于兩個(gè)不同元器件的引腳就連接在一起了。

3.4.2 放置電氣節(jié)點(diǎn)

由于系統(tǒng)設(shè)置的原因，兩條導(dǎo)線的交叉點(diǎn)上一般不放置電氣節(jié)點(diǎn)，如果需要放置可手動(dòng)操作。執(zhí)行菜單命令【Place】/【Manual Junction】，十字光標(biāo)帶著一棕色電氣節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在圖紙上，移動(dòng)光標(biāo)到放置處并單擊鼠標(biāo)左鍵，電氣節(jié)點(diǎn)即可完成放置。連續(xù)單擊鼠標(biāo)左鍵可實(shí)現(xiàn)多個(gè)電氣節(jié)點(diǎn)的放置。

3.4.3 放置接地符號(hào)

除連接導(dǎo)線和電氣節(jié)點(diǎn)外，在迷你音響電路原理圖上還需要放置接地符號(hào)。執(zhí)行菜單命令【Place】/【Power Port】，十字光標(biāo)即帶有一棕色接地符，移動(dòng)光標(biāo)到放置處并單擊鼠標(biāo)左鍵，接地符即可完成放置。連續(xù)單擊鼠標(biāo)左鍵可實(shí)現(xiàn)多個(gè)接地符的放置。繪制好的迷你音響電路原理圖如圖3所示。

圖3 迷你音響電路原理圖

3.4.4 編譯原理圖

編譯原理圖就是系統(tǒng)根據(jù)用戶的設(shè)置參數(shù)對(duì)原理圖進(jìn)行檢查并生成網(wǎng)絡(luò)（即元器件之間的連接關(guān)系）和錯(cuò)誤等報(bào)告的過(guò)程。編譯之前需要設(shè)置參數(shù)，包括錯(cuò)誤報(bào)告類型、工程更新指令ECO生成、比較器設(shè)置、電氣連接矩陣等，本文采用默認(rèn)設(shè)置。編譯時(shí)執(zhí)行菜單命令【Project】/【Compile Document迷你音響.SchDoc】，彈出信息面板Messages。如果該面板是空白的，則說(shuō)明原理圖是符合預(yù)先設(shè)置的檢查規(guī)則的，是沒(méi)有錯(cuò)誤的。但如果該面板中顯示出原理圖的錯(cuò)誤信息，就需要對(duì)原理圖錯(cuò)誤的地方進(jìn)行修改，然后重新編譯直到正確為止。

4.規(guī)劃和設(shè)計(jì)PCB

4.1 在PCB項(xiàng)目下新建PCB文件

依次按快捷鍵F、N、P，將在當(dāng)前項(xiàng)目下新建一個(gè)PCB文件，該文件的默認(rèn)名稱為“PCB1.PcbDoc”。選中這個(gè)文件，在右鍵菜單中選擇執(zhí)行【Save As】命令，將其更名為“迷你音響.PcbDoc”。

4.2 設(shè)置工作層面

設(shè)置工作層面包括選擇印制電路板的類型和工作層顏色。本文電路印制板的類型選單面板即印制板只有一層銅箔，執(zhí)行菜單命令【Design】/【Layer Stack Manager】，在彈出的對(duì)話框中單擊按鈕打開(kāi)“電路板模版”菜單，在菜單中選“Single Layer”單層電路板選項(xiàng)。印制版工作層顏色的設(shè)置可通過(guò)在右鍵菜單中執(zhí)行命令【Options】/【Board Layers and Colors】打開(kāi)對(duì)話框完成。本文電路工作層顏色使用默認(rèn)設(shè)置。

4.3 定義電路板的邊界

定義電路板的邊界包括定義物理邊界和電氣邊界兩項(xiàng)內(nèi)容，前者通過(guò)第一機(jī)械層設(shè)置，后者通過(guò)禁止布線層實(shí)現(xiàn)。

具體如下：

（1）單擊板層標(biāo)簽中的“Mechanical1”，將當(dāng)前工作層切換到第一機(jī)械層，執(zhí)行畫(huà)線命令【Place】/【Line】確定物理邊界。

（2）再單擊板層標(biāo)簽中的“Keep-Out Layer”，將當(dāng)前工作層設(shè)為禁止布線層，執(zhí)行畫(huà)線命令【Place】/【Line】畫(huà)出電氣邊界。

本文電路板的邊界尺寸定義為52×50mm。

4.4 導(dǎo)入原理圖設(shè)計(jì)文件

所謂導(dǎo)入原理圖設(shè)計(jì)文件是指將原理圖中的元器件封裝及網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入到PCB編輯器中，為PCB的布局和布線做準(zhǔn)備。

（1）執(zhí)行菜單命令【Project】/【Compile PCB Project迷你音響.PrjPCB】編譯PCB項(xiàng)目文件并保存項(xiàng)目。

（2）在PCB編輯環(huán)境下先后按快捷鍵D、I打開(kāi)“Engineering Change Order”對(duì)話框，在該對(duì)話框中列出了對(duì)PCB文件加載網(wǎng)表的一些具體操作。

（3）依次單擊對(duì)話框中左下角的兩個(gè)按鈕Validate Changes和Execute Changes，若“Check”欄和“Done”欄均出現(xiàn)對(duì)勾，則說(shuō)明導(dǎo)入無(wú)錯(cuò)誤，此時(shí)單擊按鈕，關(guān)閉對(duì)話框。加載項(xiàng)目后PCB編輯界面如圖4所示。

圖4 加載項(xiàng)目后的PCB編輯界面

4.5 元器件的布局

在AD中，用戶對(duì)元器件的布局可選用自動(dòng)布局和手動(dòng)布局，本文選用手動(dòng)布局。用鼠標(biāo)拖動(dòng)各個(gè)器件將其擺放至合適的位置，在拖動(dòng)過(guò)程中每按一次空格鍵，均可使被拖動(dòng)的器件逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。擺放元器件時(shí)，可以執(zhí)行菜單【Design】/【Options】，在彈出的對(duì)話框中可進(jìn)行捕獲柵格、可視柵格、電氣柵格等的設(shè)置。擺放好的元器件如圖5所示。

圖5 擺放好的元器件

4.6 布線

經(jīng)過(guò)多次布線發(fā)現(xiàn)，本文電路印制板采用自動(dòng)布線總會(huì)有一兩處布線沖突的地方，因此這里采用手動(dòng)布線。

首先要設(shè)置布線規(guī)則，執(zhí)行菜單命令【Design】/【Rules】，在PCB規(guī)則設(shè)置對(duì)話框的“Width”設(shè)置窗口中，將“Min Width”、“Preferred Width”和“Max Width”三項(xiàng)分別設(shè)置為0.254mm、0.7mm、2.54mm；“Routing Layers”設(shè)為“Solder Side”；“Component Clearance”設(shè)為0.254mm。

布線時(shí)，單擊將板層標(biāo)簽切換成焊錫層“Solder Side”，再單擊布線工具欄中的按鈕，當(dāng)鼠標(biāo)指針上出現(xiàn)十字交叉線時(shí)，在需要布線處進(jìn)行導(dǎo)線繪制。在布線過(guò)程中可隨時(shí)按Tab鍵修改導(dǎo)線的寬度。本文電路電源線BAT+、BAT-和接地線GND的布線寬度設(shè)為1mm。

迷你音響印制板的最終布線結(jié)果如圖6所示。

圖6 迷你音響印制板最終布線結(jié)果

4.7 設(shè)計(jì)規(guī)則檢查DRC

布線完畢后，依次按快捷鍵T、D，打開(kāi)設(shè)計(jì)規(guī)則檢測(cè)對(duì)話框。本電路的設(shè)計(jì)規(guī)則采用默認(rèn)設(shè)置。單擊圖中左下角鈕，則系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查DRC，其結(jié)果將顯示在報(bào)告文件界面中，如果檢查結(jié)果沒(méi)有錯(cuò)誤，則一塊PCB設(shè)計(jì)就基本完成了。

5.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文介紹的方法具有三項(xiàng)特性：一是實(shí)用性，只要按照本文介紹的方法，每位學(xué)生都能設(shè)計(jì)出合格的印制電路板，具有一定的教學(xué)推廣價(jià)值。二是普適性，可推廣到其他電路印制板的設(shè)計(jì)中。三是針對(duì)性，在印制板的設(shè)計(jì)過(guò)程中，常常需要對(duì)元器件的封裝進(jìn)行制作，按照元器件的實(shí)際尺寸來(lái)繪制其封裝大小是一種高效的方法。

總之，希望高職學(xué)生用心體會(huì)，多加實(shí)踐。