AD(altium designer)15原理图与PCB设计教程（六）——印制电路板设计的基础知识

目录

 

序言

印制电路板的基础知识

印制电路板的结构和种类

印制电路板设计流程

新建PCB文件

PCB设计环境

将原理图信息同步到PCB

网络表的编辑

声明：该文只适用于学习，其内容包含来自书本的摘抄和总结，欢迎大家补充，共同学习进步。

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序言

设计印制电路板(PCB)是整个工程设计的最终目的。原理图设计得再完美，如果电路板设计的不合理，性能将大打折扣，严重时甚至不能正常工作。电路板在设计往往有很多的规则要求，如要考虑到史记中的散热和干扰问题。

 

印制电路板的基础知识

印制电路板的结构和种类

PCB的种类

根据PCB的制作板材不同，印制电路板可以分为纸质版、玻璃布板、玻纤板、挠性塑料板。其中挠性塑料板由于可以承受的变形较大，常用于制作印制电缆：玻纤板可靠性高、透明性较好，常用作实验电路板，易于检查；纸质版的价格便宜，适用于大批量生产要求不高的产品。

PCB的结构

根据印制电路板的结构，PCB可以分成单面板、双面板和多层板3种。

1. 单面板

    单面板是指仅有一面腹痛的电路板。用户只能在该版的一面布置元器件和布线。单面板由于只能使用一面，所以在布线是有很多限制。因此功能有限，现在基本上已经很少采用。

     2. 双面板

    双面板包括顶层和底层。顶层一般为元器件面，底层一般为焊层面。但是现在也有贴片元器件可以焊接在焊层上。双面板的两面都有覆铜，均可以布线。两面的导线也可以互相接，但是需要一种特殊的连接方式，即过孔。双面板的布线面积比单面板更大，不限也可以通过上下相互交错、因此他比较适合更复杂的电路。

     3. 多层板

多层板是指定包含了多个工作层的电路板。一般4层及以上的PCB可称为多层板。除了顶层和底层之外，还包括了中间层、内部电源层和接地层。随着电子技术的高速发展，电路的制作水平和工艺越来越高，多层电路板的应用也越来越广泛。

多层电路板大大增加了可不显得面积。多层板用数片双面板，并在每层板间放进一层绝缘层后压合在一起，多层板的层数一般都是偶数，并且由于压合的很紧密，所以肉眼一般不易查看出他的实际层次。

 

印制电路板设计流程

 

准备原理图与网络->电路板的规划->参数的设置->网络表的导入->元器件的布局->布线->检查与手工调整->保存及输出文件

 

1. 准备原理图与网络表

    原理图与网络表的设计和生成是电路板设计的前期工作，但有时也可以不用绘制原理图，而直接进行印制电路板的设计。

     2. 电路板的规划

    电路板的规划包括了电路板的规格、功能、成本限制、工作环境等诸多要素。在这一步要去确定板材的物理尺寸、元器件的封装和电路板的层次，这是极其重要的工作，只有确定了这些，才能确定电路板的具体框架。

     3. 参数的设置

    参数的设置可以影响印制电路板的布局和布线的效果。需要设置的参数包括元器件的不知参数、板层参数、布线参数等。

     4. 网络表的导入

    网络标识印制电路板自动布线的灵魂，是原理图和印制电路板之间连接纽带。在导入网络表时，要尽量随时保持原理图和印制电路板的一致，减少出错的可能。

     5. 元器件的布局

    网络表导入后，所有元器件都会重叠在工作取得零点处，需要把这些元器件分开，按照一些规则进行排列。元器件布局可由系统自动完成，也可以手动完成。

     6. 布线

    不显得方式有两种。即手动布线和自动布线。AD的自动布线采用了Altium公司的Situs技术，通过生成拓扑图的方式来解决自动布线时遇到的困难。其自动布线的功能十分强大，只要把相关参数设置的当，元器件位置布置合理，自动布线的成功率几乎为100%。不过自动布线也会有布线错误的情况，一般都要进手动调整。

     7. 检查与手工调整

    检查的项目包括线间距、连接性、电源层等，如果在检查中出现了错误，则必须手动对布线进行调整。

     8. 保存及输出文件

在完成印制电路板的不限制后退出设计之前，要保存印制电路板文件。需要时，可以利用图形输出设备，输出电路的布线图。如果是多层板，还可以进行分成打印。

 

新建PCB文件

使用菜单命令创建新的PCB文件

1. 启动AD，在集成设计环境中执行“文件”->“New”->“PCB”命令。
2. 系统在当前工程新建了一个默认名为“PCB.PcbDoc”的PCB文件，同时启动了“PCB Editor”，进入了PCB设计环境中。

 

使用模板

通过“File”面板可创建带有PCB设计模板的PCB文件，与使用菜单命令创建的PCB文件有所不同。

1. 打开“File”面板，在“从模板新建文件”栏中，选择“PCB Templates”或“PCB Project”选项。
2. 打开的对话画框提供了一些常用的工业PCB模板库，选择其中名为“PCI short card 3.3V - 32BIT.PrjPCB”文件，单击“打开”按钮。
3. 系统即为用户生成了一个默认名为“PCB_Project1.SchDOC”的原理图文件和一个名为“PCI short card 3.3V - 32BIT.PCBDOC”的PCB文件。
4. 双击新建的PCB文件：“PCI short card 3.3V - 32BIT.PCBDOC”，则系统自动进入了PCB设计环境中，在编辑窗口显示了一个标准的PCI办卡外形的PCB图。
5. 执行“文件”->“保存为”命令，可以将工程另存为自己喜欢或者与设计相关的名字。

之后，就可以在现成的PCI模板中开始PCB设计了。

 

使用新版向导

除了上述两种方法以外，还可以使用AD系统提供的新版想到来创建自己需要的PCB文件，在此创建过程中可便捷地设置PCB的有关所需参数。

1. 打开“File”面板，在“从模板新建文件”栏中，单击“PCB Board Wizard”。

 

     2. 系统弹出了“PCB向导”对话框。

 

     3. 单击“下一步”按钮，进入“选择版单位”对话框，提示用户选择设置PCB上使用的尺寸单位，系统默认是英制。用户也可以选择公制尺寸单位，这在布画板子外形及尺寸时，对使用公制量具的用户比较有利，不用再经过公制到英制单位的转换。在此，使用默认的英制尺寸单位即可。在后续的使用过程中英制单位和公制单位的转换快捷键。

 

     4. 单击“下一步”，进入“选择剖面”对话框。如果需要设计一款符合“AT Shoot Bus”总线工业标准的7*4.2inches大小的PCB，可以在左侧栏中单击选择配置文件：“AT Shoot Bus 7*4.2inches”，在右侧窗口中即可预览该配置文件的PCB外观。

     5. 多数情况用户准备射击的PCB形状是AD库中没有的，这时就需要用户自定义电路板尺寸，此时应选择版型配置窗口中最上端的“Custom”选项。

     6. 选择“Custom”选项后单击“下一步”按钮，则进入“选择版详细信息”对话框。

在这个对话框中，用户可以自行设置PCB的各项参数。

 

·“外形形状”：有3个单选按钮，即“矩形”“圆形”和“习惯的”，这里选择“矩形”。

·“板尺寸”：定义PCB轮廓外形尺寸。这里“宽度”和“高度”均使用系统的没默认值。

·“尺寸层”：设置放置版则外形尺寸标准信息所在的层面。单击游标的按钮进行展开选择，一般设置在“Mechanical Layer 1”机械层。

·“边界线宽”：禁止布线标示线的线宽，不具特殊意义，默认即可。

·“尺寸线宽”：机械层标注尺寸的尺寸线宽度，默认即可。

·“与板子边缘保持距离”：此选项非常关键，确定最外层布线与PCB边缘的安全距离。在可能的情况下，这个距离越远越好，系统默认为50mil。

·“标题快和比例”：选中该复选框，系统将在PCB图纸上添加标题栏，并显示比例刻度栏。

·“图例串”：选中该复选框，系统将在PCB图中加入图例字符串，放置在钻孔视图层，在PCB文件输出是自动转换成钻孔列表信息。

·“尺寸线”：选中该复选框，工作区内将显示PCB的尺寸标注线。

·“切掉拐角”：选中该复选框，单击“下一步”按钮后会进入“选择板切角加工”对话框。在该对话框中，可以根据产品对PCB的要求对PCB进行特殊形状加工，此处不必选中。

·“切掉内角”：选中该复选框，单击“下一步”按钮，将进入“选择板内角加工”对话框。此处不必选中。

 

     7. 单击“下一步”按钮，进入“选择板层”对话框，可以根据需要对PCB进行板层设置。这里，对PCB分别设定了2层信号层和2层内电层（电源平面）。

 

     8. 单击“下一步”按钮，进入“选择过孔类型”对话框。有两个选项，分别是“仅通孔的过孔”和“仅盲孔和埋孔”，一般情况下应选择“仅通孔的过孔”选项，除非有特殊要求时使用盲孔和埋孔。

     9.单击“下一步”按钮，进入“选择元件和布线工艺”对话框。此对话框用于设置所涉及的PCB是以表贴元器件为主还是通孔元器件为主，以及是否要将元器件放置在电路板的两面。

目前大多数PCB使用标贴元器件，但部分用户在使用标贴元器件进行PCB设计时，往往会在上下两个板层都布满表贴元器件。这样的PCB在焊接和装配式都是不合适的，因上下两面都需要分别进行焊接。特别是当存在大面积元器件时，使用波峰焊会是另一层的元器件掉下来造成废品。另外，两面都有元器件的PCB在装配成产品时还需要特别考虑装配问题。

     10. 单击“下一步”按钮，进入“选择默认线和过孔尺寸”对话框，用于设置PCB的最小导线尺寸、过孔尺寸以及导线之间的间距。

 

     过孔在保证电气性能安全的前提下应尽可能设置小一些，效地国控能够节省更多的布线空间。

     11. 单击“下一步”按钮，进入电路板想到完成对话框，表示所创建的PCB文件的各项设置已经完成。

 

     12. 单击“完成”按钮后，系统根据前面的设置已经生成了一个默认名为“PCB1.PcbDoc”的PCB文件，同时进入PCB设计环境，在编辑窗口内显示一个默认尺寸的空白图纸一个空白的PCB形状。

 

     13. 执行“文件”->“保存为”命令，选择适当位置将其另存为“New.PcbDoc”。至此，使用新建电路板向导，完成了空白PCB文件的创建。

PCB设计环境

如前所述，在创建了一个新的PCB文件，或者打开一个现有的PCB文件之后，就会启动了AD系统的PCB编辑器，进入了PCB的设计环境。如下图所示。

菜单栏

AD的菜单栏包含了各种基本的PCB操作命令，通过执行菜单栏内相应的命令，可为用户提供设计环境个性化设置、PCB设计、帮助等功能。

工具栏

工具栏是AD为方便用户操作，提高PCB设计速度而专门设计的快捷按钮组。在PCB设计环境中系统默认的工具栏有组，其中在PCB设计中常用的工具栏如下

·“PCB标准”工具栏：在这个工具栏中为用户提供了一些基本操作命令。如文件打开、保存、打印、缩放、快速定位、浏览元器件等。

·“应用程序”工具栏：该工具栏中每个按钮都另有下拉工具栏或菜单栏，分别提供了不同类型的绘图和实用操作，如放置走线、放置原点、调准、查找选择、放置尺寸、放置room空间、网格设置等，用户可直接使用相关的按钮进行PCB设计工作。

·“布线”工具栏：提供了在PCB设计中常用图元的快捷放置命令，这是在交互式布线时最常使用的工具栏，这些命令包括放置焊盘、过孔、元器件、铜模导线、覆铜等。

·“过滤器”工具栏：该工具栏根据用户正在设计的PCB中的网络标号、元器件号或者属性等作为过滤参数，对全部PCB进行过滤显示，是符合设置条件的图元在编辑窗口内高亮显示。

过滤器是一个比较实用的工具栏，除了能够以网络标号、元器件作为条件进行过滤外，还可以在此工具栏最后的选项中以特定的规则进行过滤。在复杂的大规模的PCB布线中使用此工具能够快速定位到用户所要找的结果。

编辑窗口

编辑窗口即进行PCB设计的工作平台，它像一张画板，用于进行元器件的布局和布线的有关操作。在编辑窗口中使用鼠标的左右按键及滚轮可以灵活地查看、放大、拖动PCB图，方便用户进行编辑。

 

板层标签

板层标签位于编辑窗口的下方，用于切换PCB当前显示的板层，选中的板层的颜色将显示在最前端。表示此板层被激活，用户的操作均在当前板层进行。

用户可以使用鼠标进行板层间的切换。放光标移动到“板层标签”前端的“LS”处停留，可以看到系统提示单击“LS”可进行板层的管理，包括板层激活设置以及板层激活显示等。

 

状态栏

编辑窗口的最下方是系统状态栏，用于显示光标指向的坐标值、所指向元器件的网络位置、所在板层和有关的参数一击败你机器当前的工作状态。

 

将原理图信息同步到PCB

要将原理图中的设计信息转换到即将准备设计的PCB文件中，首先应完成如下几项准备工作。

·对工程所绘制电路原理图进行编译检查，以安政设计，确保电器联机的正确性和对元器件封装的正确性。

·确认与电路原理图和PCB文件相关联的所有元器件库均已加载，抱枕原理图文件中所指定的封装形式在可用库文件中都能找到并可以使用。

·新建的空白PCB文件应在当前设计的工程中。

AD系统提供了在原理图编辑环境和印制电路板编辑环境之间的双向信息同步能力：在原理图中执行“设计”->“Update PCB Document”命令，或者在PCB编辑器中执行“设计”->“Import Change From”命令均可完成原理图信息和PCB设计文件的同步。这两种命令的操作过程基本相同，都是通过启动工程变化订单(ECO)来完成的，可将原理图中的网络关系顺利同步到PCB设计环境中。

1. 打开工程，并打开工程中的原理图文件，进入原理图编辑环境中。
2. 执行“工程”->“Compile Document PhaseOTDR_SyncInOut.SchDoc”命令，对原理图进行编译。编译后的结果在“Message”面板中有明确的显示，若“Message”面板显示为空白，则表明所绘制的电路图以通过电器检查。
3. 参照前面介绍的新板向导方式建立一个空白的双层PCB文件，保存在工程文件夹中。

 

     4. 在原理图环境中，执行“设计”->“Update PCB Document PCB1,PcbDoc”命令，系统打开“工程更改顺序”对话框。该对话框显示参与PCB设计受影响的元器件、网络、Room等，以及受影响的文档信息。

 

     5. 单击“工程更改顺序”对话框中的“生效更改”按钮，则在“工程更改顺序”对话框的右侧“检测”“信息”栏中显示出受影响元素检查后的结果。检查无误的信息以绿色的“√”表示，检查出错的信息以红色“❌”表示，并在“信息”栏中详细描述了检测不能通过的原因。

 

     6. 根据检查的结果重新更改原理图中存在的缺陷，知道检查结果全部通过为止。单击“执行更改”按钮，将元器件、网络表装载到PCB文件中，实现了将原理图信息同步到PCB设计文件中。

 

     7. 关闭“工程更改顺序”对话框，系统跳转到PCB设计环境中，可以看到，装载的元器件和网络表格集中在一个名为“PhaseOTDR_SyncInOut”的ROOM的空间内，放置在PCB电器边界以外。装载的元器件间的连接关系以预拉线的形式显示，这种连接关系就是元器件网络表的一种具体体现。

     Room空间只是一个逻辑空间，用于将元器件进行分组放置，同一个Room空间内的所有元器件将作为一个整体被移动、放置或编辑。执行“设计”->“Room”命令，会打开系统提供的Room空间操作命令菜单。

网络表的编辑

在AD的PCB编辑器内提供了多项网络表编辑功能。用户在需要时，可以方便地对网络表进行编辑及优化。

 

比如，在将原理图中的网络与元器件封装同步到PCB编辑环境中之后，由于设计需要，在PCB设计中要增加一个连接器或者摸一个元器件，此时就需要为增加的元器件建立网络连接，甚至需要建立一个或多个新的网络。这些工作，就可以使用相应的编辑命令来完成。

在将原理图中的网络与元器件封装同步到PCB编译环境中之后，由于设计需要，在PCB设计中要增加一个连接器或者某一元器件，此时就需要为增加的元器件建立网络连接，甚至需要建立一个或多个新的网络。这些工作，就可以使用相应的编制命令来完成。

为添加的元器件建立网络连接

本例中，将为PCB文件中添加一个新的电容元器件“ C 130”建立网络连接。

1. 执行“设计”->“网络表”->“编辑网络”命令，打开“网表管理器”对话框。

 

     2. 在“板中的网络栏”列出当前PCB文件中所有的网络名称，选中“1.2V”，此时右边的“属于聚焦的网络上的引脚”栏列出了该网络内连接的所有元器件引脚。

     3. 单击“板中的网络”下面的“编辑”按钮，打开“编辑网络”对话框。

     4. 在“其他网络内pin”栏中选中“ C 130-1.”，单击按钮，加入到右侧的“该网络Pin”栏中。

 

   

    5. 单击“确定”按钮，关闭“编辑网络”对话框，返回“网表管理器”对话框，此时“ C 130.”的引脚已加入到网络“1.2V”中。

    若单机“网表管理器”对话框中的“添加”按钮，再次打开“编辑网络”对话框。在该对话框中建立一个名为“NetC130_2”的新网络，并将元器件引脚“ C 130-2.”和“D1-1”加入到该网络中。

    6. 单击“确定”按钮返回，关闭“网表管理器”对话框。此时编辑窗口中的元器件“ C 130.”建立起了相应的网络连接，以预拉线的形式显示出来。

声明：该文只适用于学习，其内容包含来自书本的摘抄和总结，欢迎大家补充，共同学习进步。