PCB制版毕业设计

前 言

电子设计自动化EDA （Electronic Design Automation）

EDA如今已成为不可逆转的时代潮流。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在计算机上自动处理完成。

Protel设计系统就是一套建立在IBM兼容PC环境下的 EDA电路集成设计系统，Protel设计系统是世界上第一套将EDA环境引入Windows环境的EDA开发工具，是具有强大功能的电子线路设计CAD软件，它一向以其高度的集成性和扩展性著称于世。本论文介绍的Protel 99 SE是澳大利亚Protel Technology公司推出的EDA综合设计环境，它是一个基于Windows平台的32位EDA设计系统。该软件功能强大，它具有丰富多样的编辑功能、强大便捷的自动化设计能力、完善有效的检测工具、灵活有序的设计管理手段，它提供了及其丰富的原理图元器件库、PCB元器件库以及出色的在线库编辑和库管理，良好的开放性还使它可以兼容多种格式的设计文件。使用该软件设计者可以容易地设计电路原理图、画元件图、设计电路板图、画元件封装图和电路仿真等，是业界人士首选的电路图设计工具。

电解铜箔是制作印制电路板(PCB)的主要原料。PCB主要用于计算机及辅助设备和电子工业等领域。随着电子、信息产业的迅猛发展,我国对印制电路板的需求量也日益增长,这为电解铜箔行业带来了良好的市场前景。作为一种重要的铜加工产品,铜箔在工业、国防现代化建设中的重要性。国内外专家对未来电路板生产制造技术发展趋势的论述基本是一致的，在性能上向高密度、高精度、细孔径、细导线、小间距、高可靠、多层化、高速传输，轻量、薄型方向发展。

全论文的特点是“易懂、实用”，主要介绍了Protel 99 SE的各种基本功能和一些应用技巧。论文共分为4章，详细介绍了印制电路板的设计规则与制作要点，Protel 99 SE印制电路板设计系统，人工设计印制电路板的基本流程，并详细讲解了实例的设计过程和布局、布线全过程。全论文内容编排合理、逻辑性强，通俗易懂，图文并茂，本论文的核心是突出针对性和实用性。本论文是结合理论知识，按照业界布板布线标准完成的。

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摘 要

在现代电子设备中,印刷电路板(Printed Circuit Board)发挥着越来越重要的作用,其质量的好坏在一定程度上决定了电子产品的性能。印刷电路板（Printing Circuit Board, PCB）是电子产品中电路元件的支撑件，它提供了电路元件和元件之间的电气连接。印刷电路板(Printed Circuit Board)在电子领域中有着广泛的应用，是电子信息制造业的重要基础和组成部分。近年来,PCB的制作层数越来越多、密度越来越高,性能越来越强，其发展趋势也越来越可观。本文对印刷电路板的发展趋势、印刷电路板的基础知识介绍、印刷电路板的功能及基本使用、人工作电路板及基本制作流程、手工制板过程中的注意事项作出了较全面的介绍，本文最后通过实例制作电子技术实验板，总结了制作过程中出现的问题。同时具体介绍了电路板的功能及使用。该电路板是一块多功能的双面电路板，其功能包括232、485串行口通信、1602、128液晶显示、4*4按键、单片机进行控制、18B20温度传感器、红外传输功能，1302定时功能等几大部分，增加了排针外扩展功能。该电路板的每部分都是的，即可单独使用，也可同时工作实现更多功能。

关键字：发展趋势 性能要求 制作流程 串口通信 单片机控制 I2C总线 SPI总线 红外传输

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目录

前 言 …………………………………………………………………………………….I 摘 要 .................................................................................................................................... II 目录 ...................................................................................................................................... III 第1章 PCB印刷电路板基础知识 ....................................................................................... 1 1.1 印刷电路板概述 ........................................................................................................ 1

1.1.1 PCB介绍 ............................................................................................................. 1 1.1.2 电路板的发展及功能 ........................................................................................ 1 1.2印制电路板的分类 ..................................................................................................... 2 1.3印刷电路板的发展趋势 ............................................................................................. 4 1.3.1印制电路板要求 ................................................................................................. 4 1.3.2 国内外电路板的发展趋势 ................................................................................ 4 第2章 PCB印刷电路设计基础 ........................................................................................... 6 2.1.1布局、布线设计的基本原则 ............................................................................. 6 2.2 印刷电路板设计要求 ................................................................................................ 8 2.2.1电路板设计的基本要求及走线要求 ................................................................. 8 2.2.2印制导线间距及接地的设置 ............................................................................. 8 2.3 PCB设计流程 ............................................................................................................. 9 2.3.1电路原理图的设计 ........................................................................................... 10 2.3.2 布线的原则 ...................................................................................................... 11 2.4 设置电路板的工作层面和栅格 .............................................................................. 12 2.4.1电路板层的设置 ............................................................................................... 12 2.4.2电路板栅格的设置 ........................................................................................... 13 第3章 人工设计PCB电路板 ............................................................................................ 15 3.1如何设计一款好的电路板 ....................................................................................... 15 3.2定义电路板 ............................................................................................................... 15 3.2.1设置电路板层及电路板边缘尺寸 ................................................................... 16 3.3 人工制PCB电路板设计指导 .................................................................................. 17 3.4 手工布线规则设置 .................................................................................................. 18 3.4.1安全间距及走线 ............................................................................................... 18 3.4.2敷铜设置 ........................................................................................................... 19 3.5 EMC和EMI ................................................................................................................ 19 第4章 PCB电路板设计实例 ............................................................................................. 20 4.1电路板工作原理分析 ............................................................................................... 20

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4.1.1电路板原理图分析（电路图画法采用的是层次原理图） ........................... 20 4.1.2 PCB电路板实例 ............................................................................................... 24 总结 ...................................................................................................................................... 26 附录 ...................................................................................................................................... 28 附录A 常用元器件封装 ................................................................................................ 28 附录B PROTEL 99SE快捷键大全 ................................................................................... 29 致谢 ...................................................................................................................................... 30 参考文献 .............................................................................................................................. 31

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第1章 PCB印刷电路板基础知识

1.1 印刷电路板概述

印刷电路板（Printed Circuit Board, 简称PCB）又称印制板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。印制电路板的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。这才是有价值的印刷电路板。

1.1.1 PCB介绍

PCB是电子产品的重要部件之一，几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机、通信电子设备、自动化控制系统，只要存在电子元器件、它们之间的电气互连就要使用PCB。在电子产品的研发过程中，影响电子产品成功的最基本因素之一是该产品的PCB的设计和制造，PCB的设计和制造质量直接影响到整个电子产品的质量和成本，甚至影响电子产品在市场竞争中的竞争力。

在电子技术发展早期，元件都是用导线连接的，而元件的固定是在空间中立体进行的。电路由电源、导线、开关和元器件构成，就像实验室里电工实验电路那样。

随着电子技术的发展，电子产品的功能、结构变得很复杂，元件布局、

互连布线都不能像以往那样随便，否则检查起来就会眼花缭乱；因此，人们对元件和线路进行了规划。用一块板子为基础，在板上分配元件的布局，确定元件的接点，使用铆钉、接线柱作为接点，用导线把接点按照电路要求，在板的一面布线，另一面装元件，这就是最原始的电路板。这种类型的电路板在真空电子管时代非常盛行。线路的接法有直线连接（接点到接点的连线拉直）和曲线连接。后来，大多数人采用曲线连接，尽量减少使用直线连接。线路都在同一个平面分布，没有太多的遮盖点，检查起来容易。这时电路板已初步形成了“层”的概念。

单面敷铜板的发明，成为电路板设计与制作新时代的标志。布线设计和制作技术都已发展成熟。先在敷铜板上用模板印刷防腐蚀膜图，然后再腐蚀刻线，这种技术就像在纸上印刷那么简便，“印刷电路板”因此得名，英文Printed Circuit Board,简称PCB。印刷电路板的应用大幅度降低了生产成本，从晶体管时代到现在，这种单面印刷电路板一直得到了广泛的应用。随着技术进步，人们又发明了双面板，即在板子两面都敷铜，两面都可腐蚀刻线。

1.1.2 电路板的发展及功能

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一、电路板的发展

由于电路的复杂性，有时也用到“飞线”。但电路的布线不是把元件按电路原理简单连接起来就可以，电路工作时电磁感应、电阻效应、电容效应的都会影响电路的性能，甚至会引起严重的质量问题，如自激、信号不完整传输、电磁干扰等问题。飞线的方法只能解决少量的信号交错问题，数量太多是不可取的。而且，硬要把所有线路都排在有限的两个面上，又要降低电磁感应、电阻效应、电容效应，使得布线设计的任务十分艰巨。线太细太密，不但加工困难、干扰大，而且容易烧断和发生断路故障。若保证了线宽和线间距，电路板的面积就可能太大，不利于精密设备的小型化。这些问题的出现促使了印制电路板设计和制作工艺的发展。

随着电子产品生产技术的发展，开始在双面电路板的基础上发展夹层，其实就是在双面板的基础上叠加上一块单面板，这就是多层电路板。起初，夹层多用做大面积的地线、电源线的布线，表层都用于信号布线。后来，要求夹层用于信号布线的情况越来越多，这要求电路板的层数也要增加。但夹层不能无限增加，主要原因是成本和厚度问题。电子产品设计要考虑性价比这个矛盾的综合体，而最实际的设计方法仍然是以表层做信号布线层为首选。高频电路的元件也不能排的太密，否则元件本身的辐射会直接对其他元件产生干扰。层与层之间的布线应错开成十字走向，以减少布线电容和电感。

二、印刷电路板的功能

印制电路板在电子设备中具有如下功能：提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑；实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘；提供所要求的电气特性，如特性阻抗等；为自动焊锡提供阻焊图形，为元件插装、检查、维修提供识别字符和图形。

有关印制板的一些基本术语如下；在绝缘基材上，按预定设计，制成印刷线路、印制元件或由两者结合而成的导电图形，称为印刷线路，它不包括印制元件。印制电路或者印制线路的成品板称为印制电路板或印制线路板，也称印制板。

电子设备采用印制板后，由于同类印制板的一致性，避免了人工接线的差错，并可实现电子元器件自动插装或贴装、自动焊锡、自动监测，保证了电子产品的质量，提高了劳动生产率、降低了成本，且便于维修。

1.2印制电路板的分类

根据电路层数分类：分为单面板、双面板和多层板。常见的多层板一般为4层板或6层板，复杂的多层板可达十几层。

1.2.1印制电路板分类

一、单面板

单面板（Single-Sided Boards） 在最基本的PCB上，零件集中在其中一面，导线

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则集中在另一面上。因为导线只出现在其中一面，所以这种PCB叫作单面板（Single-sided）。因为单面板在设计线路上有许多严格的（因为只有一面，布线间不能交叉而必须绕独自的路径），所以只有早期的电路才使用这类的板子。

单面板结构比较简单，制作成本较低，因此通常批量生产的电子产品会采用单面板，例如电视机、显示器的电路板。但是对于复杂的电路，由于只能在一个面上走线并且不允许交叉，单面板布线难度很大，布通率往往较低，当然如果剩下的未布通的导线不多，可以通过焊接飞线来连接。不过如果飞线太多，不但焊接印制电路板的工作量加大，而且焊接飞线本来就是一种隐患，时间久了，飞线容易脱落。因此，通常只有电路比较简单时才采用单面板的布线方案。

二、双面板与多层板

双面板（Double-Sided Boards） 这种电路板的两面都有布线，不过要用上两面的导线，必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的“桥梁”叫做导孔（via）。导孔是在PCB上，充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍，而且因为布线可以互相交错（可以绕到另一面），它更适合用在比单面板更复杂的电路上。

目前，表面贴装（不钻孔，直接焊接在PCB表面上）的使用越来越广泛，在使用表面贴装时，可以根据需要将元器件焊接在任意一面上，这时候元器件面和焊接面的区别就不是很明显了，但是作为一种标识，PCB仍然会区分元器件面和焊接面。

多层板（Multi-Layer Boards） 为了增加可以布线的面积，多层板用上了更多单或双面的布线板。用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的印刷线路板，通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印刷线路板就成为四层、六层印刷电路板了，也称为多层印刷线路板。板子的层数就代表了有几层的布线层，通常层数都是偶数，并且包含最外侧的两层。大部分的主机板都是4到8层的结构，不过技术上理论可以做到近100层的PCB板。大型的超级计算机大多使用相当多层的主机板，不过因为这类计算机已经可以用许多普通计算机的集群代替，超多层板已经渐渐不被使用了。因为PCB中的各层都紧密的结合，一般不太容易看出实际数目，不过如果仔细观察主机板，还是可以看出来。

三、其他电路板

根据制作材料的不同，PCB可以分为刚性印制板和挠性印制板

刚性印制板包括酚醛纸质层压板、环氧纸质层压板、聚酯玻璃毡层压板、环氧玻璃布层压板等；挠性印制板包括聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、氟化乙丙烯（FEP）薄膜等。

挠性印制板又称软件印制电路板，即FPC, 软性电路板是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高可靠性和较高曲挠性的印制板。挠性印制板散热性能好，具有可弯曲、折叠、卷绕等优点，也可在三维空间随意移动和伸缩。可利用FPC缩小体积，实现轻量化、小型化、薄型化，从而实现元器件装置和导线连接一体化。FPC广泛应用于计算机、通信、航天及家电等行业。

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1.3印刷电路板的发展趋势

印制电路板从单层板发展到双面板、多层板和挠制板，并不断地向高精度、高密度和高可靠性方向发展。不断缩小体积、减少成本、提高性能，使得印制板在未来电子产品的发展过程中，仍然保持强大的生命力。

1.3.1印制电路板要求

对于双面板和多层板而言，印制板技术水平的标志是把大批量生产的印制板在2.50mm或2.mm标准网格交点上的两个焊盘之间，能布设导线的根数作为标志。在两个焊盘之间布设一根导线，为低密度印制板，其导线宽度大于0.3mm。在两个焊盘之间布设2根导线，为中密度印制板，其导线宽度约为0.2mm。在两个焊盘之间布设3根导线，为高密度印制板，其导线宽度为0.1~0.15mm。在两个焊盘之间布设4根导线，可算超高密度印制板，线宽度为0.05~0.08mm。对于多层板来说，还应以孔径大小、层数多少作为综合衡量标志。

密集组装板面打线（WireBond）盛行，镀镍镀金越来越重要，柱状溴化镍将兴起，PCB设计与制作技术难度加大，薄板、大尺寸排板、小孔剧增，纵横比（AspeetRatio）加大，水平反脉冲与垂直反脉冲供电方式被广泛应用，盲孔镀铜则以垂直自走涡流搅拌方式为宜，如UCON。

细线制作困难，特性阻抗要求也越来越严格，对线边齐直度要求也逐渐苛求。方式如：采用薄铜皮、平行光曝光、湿膜薄光阻、部分蚀刻法（PartialEtching）或砂带削薄法等进行批量生产。

要考虑印制电路板尺寸大小，如果尺寸过大会使印制线条长，阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，成本也高；但尺寸过小，则散热不好，同时易受临近线条干扰。要求其尺寸要适中。因此，设计电路板首先对PCB的大小和外形，给出一个合理的定位。再确定特殊元件的位置和单元电路等，要按电路的流程把整个电路分为几个单元电路或模块，并以每个单元电路的核心元件(如集成电路)为中心，其它的元件要按一定的顺序均匀、整齐紧凑地排列在PCB板上，但不要太靠近这些大的元件，要有一定的距离，特别一些比较大、比较高的元件周围要保持一定的距离，这样有助于焊接和返修。一些开关、微调元件等应该放在易于操作的地方。同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列，发热量小或耐热性差的器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)放在冷却气流的最上流(入口处)，发热量大或耐热性好的器件放在冷却气流最下游。在同频电路中应考虑元器件之间的分布参数，一般高频电路中应考虑元器件之间的分布参数，一般电路尽可能使元器件平行排列，这样不但美观，而且易于装焊，同时易于批量生产。

1.3.2 国内外电路板的发展趋势

目前，全球PCB产业产值占电子元件产业总产值的四分之一以上，是各个电子元

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件细分产业中比重最大的产业，产业规模达400亿美元。同时，由于其在电子基础产业中的独特地位，已经成为当代电子元件业中最活跃的产业，2003和2004年，全球PCB产值分别是344亿美元和401亿美元，同比增长率分别为5.27%和16.47%。

我国的PCB研制工作始于1956年，1963-1978年，逐步扩大形成PCB产业。改革开放后20多年，由于引进国外先进技术和设备，单面板、双面板和多层板均获得快速发展，国内PCB产业由小到大逐步发展起来。2002年，成为第三大PCB产出国。2003年，PCB产值和进出口额均超过60亿美元，成为世界第二大PCB产出国。我国PCB产业近年来保持着20%左右的高速增长，并预计在2010年左右超过日本，成为全球PCB产值最大和技术发展最活跃的国家。

从产量构成来看，中国PCB产业的主要产品已经由单面板、双面板转向多层板，而且正在从4～6层向6～8层以上提升。随着多层板、HDI板、柔性板的快速增长，我国的PCB产业结构正在逐步得到优化和改善。

在北美的许多印制板制造商们企盼着美国电子工业衰退的终结，但未见明显回升，美国的印制板制造商们除了采取在本土裁员或关厂等应急措施外，为了长远的发展，他们将战略重点转移到亚洲。西方厂商看重东方市场，电子制造业在亚洲获得空前发展，尤其是在中国。目前，中国已经成为电子制造业大国。

随着改革开放的深入，以及中国的长治久安和社会的稳定，吸引了越来越多的境外厂商。这是中国企业难得的机遇，只有牢牢抓住这个机遇，寻找差距，迅速提高自己，才能使中国的电子电路行业真正攀登世界高峰。

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第2章 PCB印刷电路设计基础

2.1印刷电路板设计的基本原则

印制电路板的设计，要从确定板的尺寸大小开始，印制电路板的尺寸因受机箱大小，以能恰好放入机箱为宜。其次，应考虑印制电路板与外接元器件（如电位器、按键、插口或其他印制电路板）的连接方式。印制电路板与外接元器件一般是通过塑料导线或金属隔离线进行连接，有时也设计成插座形式连接。在设备内安装插入式印制板时要留出充当插口的接触位置。对于安装印制电路板上较大的元器件时，要加金属附件固定，以提高耐震、耐冲击性能。

2.1.1布局、布线设计的基本原则

首先需要完全了解所选用元器件及各种插座的规格、尺寸、面积等。合理地、仔细地考虑各部件的位置安排（从电磁兼容性、抗干扰性、走线要短、交叉要少、电源和地线的路径及去耦等发明考虑。），各部件位置定出后，就是各部件的连线，按照电路图连接有关引脚。布局和布线两者都很重要。

一、印制电路板板上各元器件的布局应遵循以下基本原则:

1. 按电路模块进行布局，实现同一功能的相关电路称为一个模块，电路模块中的元件应采用就近集中原则，同时数字电路和模拟电路分开。

2.定位孔、标准孔等非安装孔周围1.27mm 内不得贴装元、器件，螺钉等安装孔周围3.5mm（对于M2.5）、4mm（对于M3）内不得贴装元器件。

3. 电阻、二极管、管状电容器等元器件有“立式”和“卧式”两种安装方式。立式指的是元器件体垂直于电路板安装、焊接，其优点是节省空间；卧式指的是元器件体平行并紧贴于电路板安装、焊接，其优点是元器件安装的机械强度较好。这两种不同的安装元器件，印制电路板上的元器件孔距是不一样的。 卧装电阻、电感（插件）、电解电容等元件的下方避免布过孔，以免波峰焊后过孔与元件壳体短路。

4. 元器件的外侧距板边的距离为5mm。

5. 贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm。

6. 金属壳体元器件和金属件（屏蔽盒等）不能与其它元器件相碰，不能紧贴印制线、焊盘，其间距应大于2mm。定位孔、紧固件安装孔、椭圆孔及板中其它方孔外侧距板边的尺寸大于3mm。

7. 发热元件不能紧邻导线和热敏元件；高热器件要均衡分布。 8. 电源插座要尽量布置在印制板的四周，电源插座与其相连的汇流条接线端应布置在同侧。特别应注意不要把电源插座及其它焊接连接器布置在连接器之间，以利于这些插座、连接器的焊接及电源线缆设计和扎线。电源插座及焊接连接器的布置间距应考虑方便电源插头的插拔；

9. 其它元器件的布置：所有IC 元件单边对齐，有极性元件极性标示明确，同一

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印制板上极性标示不得多于两个方向，出现两个方向时，两个方向互相垂直。

10.贴片焊盘上不能有通孔，以免焊膏流失造成元件虚焊。重要信号线不准从插座脚间穿过。

11.贴片单边对齐，字符方向一致，封装方向一致。

12.有极性的器件在以同一板上的极性标示方向尽量保持一致。 13.同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。特别是本级三极管基极、发射极的接地点不能离的太远，否则因两个接地点间的铜箔太长会引起干扰和自激，采用这样“一点接地法”的电路，工作较稳定，不易自激。

二、印制电路板板上各元器件之间的布线应遵循以下基本原则:

1．印制电路板中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决。即让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去，在特殊情况下如果电路很复杂，为简化设计也允许用导线跨接，解决交叉电路的问题。

2．画定布线区域距PCB板边≤1mm的区域内，以及安装孔周围1mm内，禁止布线。

3、电源线尽可能的宽，不应低于18mil；信号线宽不应低于12mil；cpu入出线不应低于10mil（或8mil）；线间距不低于10mil。

4、正常过孔不低于30mil。

5、双列直插：焊盘60mil，孔径40mil； 1/4W电阻： 51*55mil（0805表贴）；直插时焊盘62mil，孔径42mil； 无极电容： 51*55mil（0805表贴）；直插时焊盘50mil，孔径28mil。

6、注意电源线与地线应尽可能呈放射状，以及信号线不能出现回环走线。

7、总地线必须严格按高频—中频—低频一级级地按弱电到强电的顺序排列原则，切不可随便乱接，级与级间的接线可长一些，特别是变频头、再生头、调频头的接地线的安排要求更为严格，如有不当就会产生自激以致无法工作。调频头等高频电路常采用大面积包围式地线，以保证有良好的屏蔽效果。

8、强电流引线（公共地线，功放电源引线等）应尽可能宽些，以降低布线电阻及其电压降，可减小寄生耦合而产生的自激。

9、阻抗高的走线尽量短，阻抗低的走线可长一些，因为阻抗高的走线容易发射和吸收信号，引起电路不稳定。电源线、地线、无反馈元器件的基极走线、发射极引线等均属低阻抗走线，射级跟随器的基极走线、收录机两个声道的地线必须分开，各自成一路，一直到功效末端再合起来，如两路地线连接，极易产生串音，使分离下降。

10.板面布线应疏密得当，当疏密差别太大时应以网状铜箔填充，网格大于8mil(或0.2mm)

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2.2 印刷电路板设计要求

2.2.1电路板设计的基本要求及走线要求

一、印制电路板设计中的基本要求:

1． 印制线路板上的元器件放置的通常顺序：

（1） 放置与结构有紧密配合的固定位置的元器件，如电源插座、指示灯、开关、连接件之类。器件放置好后用软件的LOCK 功能将其锁定，使之以后不会被误移动。

（2）放置线路上的特殊元件和大的元器件，如发热元件、变压器、IC 、集成电路等；

（3） 放置小器件，例如阻容器件、二极管等。

2． 元器件离板边缘的距离：可能的话所有的元器件均放置在离板的边缘3mm以内或至少大于板厚，这是由于在大批量生产的流水线插件和进行波峰焊时，要提供给导轨槽使用，同时也为了防止由于外形加工引起边缘部分的缺损，如果印制线路板上元器件过多，不得已要超出3mm范围时，可以在板的边缘加上3mm的辅边，辅边开V 形槽，在生产时用手掰断即可。

二、印制电路板的布线：

1. 印制导线的线长：印制导线的布设应尽可能的短，在高频回路中更应如此；印制导线的拐弯应成圆角，而直角或尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气性能；当两面板布线时，两面的导线宜相互垂直、斜交、或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生耦合；作为电路的输入及输出用的印制导线应尽量避免相邻平行，以免发生回授，在这些导线之间最好加接地线。

2.印制导线的宽度：铜膜线的宽度应以能满足电气性能要求而便于生产为准则，它的最小值取决于流过它的电流，但是一般不宜小于0.2mm.只要板面积足够大，铜膜线宽度和间距最好选择0.3mm。一般情况下1～1.5mm的线宽，能够流过2A的电流，例如地线和电源线最好选用大于1mm的线宽。在集成电路座焊盘之间走两根线时，焊盘直径为50mil,线宽和线间隔都是10mil，当焊盘之间走一根线时，焊盘之间为mil，线宽与线距都为12mil（1mil=0.02mm）.

2.2.2印制导线间距及接地的设置

一、印制导线的间距

相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压。这个电压一般包括工作电压、附加波动电压以及其它原因引起的峰值电压。如果有关技术条件允许导线之间存在某种程度的金属残粒，则其间距就会减小。因此设计者在考虑电压时应把这种因素考虑进去。在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距。

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二、印制导线的屏蔽与接地

印制导线的公共地线，应尽量布置在印制线路板的边缘部分。在印制线路板上应尽可能多地保留铜箔做地线，这样得到的屏蔽效果，比一长条地线要好，传输线特性和屏蔽作用将得到改善，另外起到了减小分布电容的作用。印制导线的公共地线最好形成环路或网状，这是因为当在同一块板上有许多集成电路，特别是有耗电多的元件时，由于图形上的产生了接地电位差，从而引起噪声容限的降低，当做成回路时，接地电位差减小。另外，接地和电源的图形尽可能要与数据的流动方向平行，这是抑制噪声能力增强的秘诀；多层印制线路板可采取其中若干层作屏蔽层，电源层、地线层均可视为屏蔽层，一般地线层和电源层设计在多层印制线路板的内层，信号线设计在内层和外层。

三、 焊盘的直径和内孔尺寸

焊盘的内孔尺寸必须从元件引线直径和公差尺寸以及搪锡层厚度、孔径公差、孔金属化电镀层厚度等方面考虑，焊盘的内孔一般不小于0.6mm，因为小于0.6mm的孔开模冲孔时不易加工，通常情况下以金属引脚直径值加上0.2mm作为焊盘内孔直径，如电阻的金属引脚直径为0.5mm时，其焊盘内孔直径对应为0.7mm，焊盘直径取决于内孔直径，如表2-1：

表2-1 孔直径(mm) 00001112.4 .5 .6 .8 .0 .2 .6 .0 焊盘直径(mm) 1.5 222334 .0 .0 .5 .0 .5 四、跨接线的使用

在单面的印制线路板设计中，有些线路无法连接时，常会用到跨接线，在初学者

中，跨接线常是随意的，有长有短，这会给生产上带来不便。放置跨接线时，其种类越少越好，通常情况下只设6mm，8mm，10mm三种，超出此范围的会给生产上带来不便。

2.3 PCB设计流程

印制电路板的设计主要为六个步骤： 1、原理图绘制与参数的精确计算。 2、网络表的生成与调入。

3、确定好板形尺寸、板间结构及定位安装。 4、PCB板的布局设计，并注意板上线的调配。

5、PCB的布线设计，关键信号线的画法及接地、铺铜处理。 6、PCB的检查、评审和输出。

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2.3.1电路原理图的设计

1.电路原理图的设计是印制电路板设计中三大步骤的第一步，也是非常重要的一步，电路原理图设计的好坏将直接影响到后面的工作。首先原理图的正确性是最基本的要求，因为在一个错误的基础上所进行的工作是没有意义的。其次，原理图应该布局合理，这样不仅可以尽量避免出错，也便于读图、便于查找和纠正错误，当元器件较多时，可以考虑采用层次原理图画图；最后，在满足正确性和布局合理的前提下应力求原理图的美观。同时要确保电路原理图元件图形与实物相一致和电路原理图中网络连接的正确性。

2..对于所设计的电子设备能有效地工作，要求电子设备既能抑制各种外来的干扰，使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作，同时又能减少电子设备本身对其它电子设备的电磁干扰。

在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。在设计印制电路板时，为了提高电路的抗干扰能力，增强系统的可靠性，往往需要将电源和接地线加宽。如果地线采用很细的导线，接地电位随电流的变化，使抗噪性能降低。因此加粗接地线，在模拟电路和模/数混合电路中尤为重要。同时也要选择合适的接地电路，单点接地和多点接地；将接地线构成闭环路，这样也可以提高抗噪声能力。若能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。

在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声，配置去耦电容就可以抑制因负载变化而产生的噪声。因此，PCB的设计中一般常规在印制电路板上配置适当的去耦电容。例如对于抗干扰能力弱、关断电源变化大的元件应在该元件的电源线和地线之间接入去耦电容。去耦电容的引线不能过长，特别是高频旁路电容不能带引线。

3.印制电路板的布局是设计印制电路板的关键，它直接影响到整个印刷电路板的安装、可靠性、通风散热、布线的成功率以及电路板的性能。

如高频元件应尽量按照电路图结构紧凑地放置，使得连线缩短，以减小分布参数的影响；数字器件应远离模拟器件，以减小数字信号对模拟信号的干扰。

优先要考虑印制电路板尺寸大小，如果尺寸过大会使印制线条长，阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，成本也高；但尺寸过小，则散热不好，同时易受临近线条干扰。要求其尺寸要适中。因此，设计电路板首先对PCB的大小和外形，给出一个合理的定位。再确定特殊元件的位置和单元电路等，要按电路的流程把整个电路分为几个单元电路或模块，并以每个单元电路的核心元件(如集成电路)为中心，其它的元件要按一定的顺序均匀、整齐紧凑地排列在PCB板上，但不要太靠近这些大的元件，要有一定的距离，特别一些比较大、比较高的元件周围要保持一定的距离，这样有助于焊接和返修。一些开关、微调元件等应该放在易于操作的地方。同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列，发热量小或耐热性差的器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)放在冷却气流的最上流(入口处)，发热量大或耐热性好的器件放在冷却气流最下游。在同频电路中应考虑元器件之间的分布参数，一般高频电路中应考虑元器件之间的分布参数，一般电路尽可能使元器件平行排列，这样不但美观，而且易于装焊，同时易于批量生产。

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4.完成元件布局工作后，接下来就是布线，导线的布置是设计PCB板的主要工作

在印制电路板设计中，根据所在板层的不同所布线意义也有所不同，例如，在信号板层和电源/接地层的线，就是铜膜导线，具有连接电气信号的功能。而在非布线板层里的线，则为说明或指示性质的线，通常是用油墨印在PCB板上的，不具有导电功能。

2.3.2 布线的原则

一、元件的位置确定了，根据它们的距离进行布线，要遵守以下的原则： 1.选择合理的导线宽度，导线宽度主要由导线与绝缘层基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。导线宽度不要突变。不过，我们尽可能的用宽线，特别是PCB板上的电源线和地线，提高抗干扰性。

2.尽量减少印制导线的不连续性，但导线的拐角应大于90度且禁止环状走线。 3.差分对布线要平行等距。总线要大体等长，尤其是数据线。 4.电源去耦电容要用导线连接到需要去耦电源的管脚上。 5.相领层间的走线不要平行。

6.同一信号的输入与输出线不要相邻平行。 7.避免布出电源环路和地环路或线环路。

8.模拟地与数字地要分开布，采用一点相连接。 9.注意线宽，线间路与最小过孔及其孔径比。 二、连接地线的方法

在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点：

1.正确选择单点接地与多点接地

在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。

2. 数字电路与模拟电路的共地处理

现在有许多PCB不再是单一功能电路(数字或模拟电路),而是由数字电路和模拟电路混合构成的.因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题,特别是地线上的噪音干扰.数字电路的频率高,模拟电路的敏感度强,对信号线来说,高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件,对地线来说,整人PCB对外界只有一个结点,所以必须在PCB内部进行处理数、模共地的问题,而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连,只是在PCB与外界连接的接口处(如插头等).数字地与模拟地有一点短接,请注意,只有一个连接点.也有在PCB上不共地的,这由系统设计来决定.。

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3.尽量加粗接地线

若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三位于印制电路板的允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于3mm。

4.将接地线构成闭环路

设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。其原因在于：印制电路板上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的，会在地结上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降，若将接地结构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。

5.同一级电路的接地点应该尽可能靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应该接在本级的接地点上。

6. 大面积导体中连接腿的处理

在大面积的接地(电)中,常用元器件的腿与其连接,对连接腿的处理需要进行综合的考 虑,就电气性能而言,元件腿的焊盘与铜面满接为好,但对元件的焊接装配就存在一些不良 隐患如:①焊接需要大功率加热器.②容易造成虚焊点.所以兼顾电气性能与工艺需要,做 成十字花焊盘,称之为热隔离(heat shield)俗称热焊盘(Thermal),这样,可使在焊接时因截面过分散热而产生虚焊点的可能性大大减少.多层板的接电(地)层腿的处理相同。

2.4 设置电路板的工作层面和栅格

2.4.1电路板层的设置

在电路板设计环境中需要对电路板层的设置，使用Design/Options菜单命令，如图2-1所示，在Layers页面中可以对正在使用的板层进行设置。

1.SignalLayers:信号层。Protel99SE设计的电路板有32个信号层，其中Top是顶层，Mid是中间层，Bottom是底层。

2.mechanicallayers:机械层。共有16个机械层，机械层用于放置各种指示和说明性文字，例如，电路板尺寸。

3.Silkscreen:丝网层。丝网层有2层层叠叠用于印刷标识元件的名称。 4.Keepout:禁止布线层。该层设置布线范围和电路板尺寸。 5.MultiLayer:穿透层。该层放置所有穿透式焊盘和过孔。

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图2-1 Layers页面

2.4.2电路板栅格的设置

一、在Options页面可以对如下内容进行设置如图2－2所示：

图 2－2

1．Grids:用于设置栅格的间距和形状。 Snap X:设置捕捉栅格X方向尺寸。 Snap Y:设置捕捉栅格Y方向尺寸。

Component X:设置元件放置时使用的X方向栅格尺寸。

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Component Y:设置元件放置时使用的Y方向栅格尺寸。 2．Electrical Grid：电气栅格 Range:设置吸引距离。

Visible Kind:选择可视栅格的种类。 3．Measurement Unit：切换测量单位 Metric:公制，单位为mm。1mm=40mil。

Imperial:英制，单位为mil。1mil=0.02mm。 二、电路板画图环境设置

启动Tool/Preferences菜单，如图2－3所示:

图2－3

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第3章 人工设计PCB电路板

3.1如何设计一款好的电路板

首先要说明的是，任何一种东西都有其灵魂的，电路板的灵魂就是我们给他灌注多少我们的设计思想，电路板的优劣也与我们费了多少的功夫有关系，真正的一款好的设计，应该是一幅艺术作用，让人看了后赏心悦目。这才能说到位。

对于设计来讲，设计者的设计思想十分关键，换句话说，你要了解这个板要干什么用及你想通过这个板给使用者传递什么信息，想让人家看到什么，学到什么。如果你都不知道一个板的设计意图是什么，那可能设计不出一款好的电路板。想设计出一款好的电路板还要对整个电路图把握好，就是电路图一定不能出错，一旦电路图出错，那电路板画得再好，也成了废品，因此电路图需要设计者必须精确到位，这就需要他们有很好的电路功底，这点可能很多人都不够，就需要好好研究、学习和积累。

还有就是电路图需要自己画出来，这样在电路板布局上，你就对每个部件了然于胸，也就自然知道他是谁的元件，应该和谁最近，放置的好坏能否影响电路板的电气特性。

再有就是布局，这是整个电路板美观好看的最关键点，当然装在壳中的电路板，可能对布局的美观不要求那么完美，但有些板卡类的东西，就需要在布局上秀秀了，布局的讲究是很多的，我这里想说的是，如果你是个设计者，布局怎么看都难看，你该怎么办？你是不是需要考虑一下自己的设计在那里出了点什么问题，是没有考虑到什么东西，你了解这板电路想给使用者展示什么吗，根据这个前提可不可以适当增减些电路哪？因为你是个设计者，自主权是还是很多的。

因此，还可以说，能不能设计出一款好的电路板，一是与我们不知道电路板想给使用者展示什么东西，这就能展示出来的东西就是电路板的真正的灵魂；二是我们对待这份设计工作的态度，也就是责任心的问题，如果把他当成一项工作或是任务来完成的话，电路图画出来的就去画电路板，完事一交差就感觉完成了任务，多办也设计不出什么好的电路板。如果以上几点能把握好，再加上扎实的理论知识，那么你将设计出一款优秀的电路板。你将是一个优秀的设计工程师。在工程师的道路上，你比其他人都要灿烂，获得的更多。

3.2定义电路板

在实际设计电路板的过程中，经常要直接定义电路板的板层和尺寸大小。板层一般设置成单层、双层、四层、六层…双数层。板层是成对出现的。电路板的最佳形状是矩形，长度比为3：2或4：3。当电路板的尺寸大于200mm×150mm时，应该考虑电路板机械强度。

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3.2.1设置电路板层及电路板边缘尺寸

一、设置电路板层

首先建立一个设计数据库文件，使用菜单File/New,建立新的电路板文件，这样建立的电路板文件是具有如下板层属性的双层板。板层的增减可以使用Design/Layer Stack Manager菜单操作。

Silk Screen (Top/Bottom Overlay):丝网层。用于印刷标识元件的名称、参数和形状。 Solder Mask (Top/Bottom):阻焊层。

Paste Mask (Top/Bottom):锡膏层。用于把表面元件（SMD）粘贴到电路板上。 Top:顶层，又称元件层。 Bottom:底层，又称焊接层。。

Drill Guide(Drill Drawing):钻孔层。用于标识钻孔的位置和尺寸类型。 Keep Out Layer:禁止布线层，用于设置电路板边缘。 Mechanical Layer1:机械层，用于放置电路板尺寸。 Multi Layer:多层。

二、设置电路板边缘尺寸

将板层切换到Keep Out Layer，使用画线工具或使用快捷键P、T画一个框，该框的大小就是电路板的大小。

若是没有确切的电路板尺寸，随便画一个框就可以了。等布完线再重新画框定义电路板边缘。需要注意的是电路板的电气外形尺寸一定得在Keep Out层中定义。

而机械外形尺寸应该在Mechanical Layer层中定义。

三、定义单层电路板

使用Design/Layer Stack Manager菜单，然后单击左下脚的Menu按钮，在弹出的菜单中选择Example Layer Stacks子菜单，然后选择Single Layer,这时可以应该在屏幕底层观察到Top Layer标签变换成Component Side标签，而Bottom Layer标签变成了Solder Side标签。

四、定义多层电路板

使用Design/Layer Stack Manager菜单，然后单击左下脚的Menu按钮，在弹出的菜单中选择Example Layer Stacks子菜单，然后选择你想要定义的层数，或者等你导入网络表后，再在Design/Layer Stack Manager状态栏中单击Add layer增加信号层层数，单击Add plane增加内层（电源层/地层）层数。利用Move up和Move down按钮将某一层上下移动。已达到将电路板设计成最适合的布板布线状态。点中某一层，可以单击Delete按钮，删除该选中层。这些功能的设置也可以通过Design/Layer Stack Manager菜单，然后单击左下脚的Menu按钮进行设置。然后选择OK即可。这样多层电路板设置就完成了。

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3.3 人工制PCB电路板设计指导

1. 电源部分设计时，一定要在电源入口加100uF或以上的电解/钽电容，及0.1uF的陶瓷电容。

2.铜膜线与板边最小距离为0.5mm,元件与板边最小距离为5.0mm。

3.一般通孔安装元件的焊盘的大小(直径)为的两倍, 制作焊盘时，孔径的大小一般为元件的引脚直径加0.2mm,（如有标准元件库，则以标准元件库为准）。

4.电解电容不可触及发热元件,如大功率电阻,热敏电阻,变压器,散热器等.电解电容与散热器的间隔最小为10.0mm,其它元件到散热器的间隔最小为2.0mm。

5.螺丝孔半径5.0mm内不能有铜箔(除要求接地外)及元件。(或按结构图要求). 6.每一个三极管必须在丝印上标出e,c,b脚。

7.布线方向为水平或垂直，由垂直转入水平要走45度进入。元件的安放为水平或垂直。

8.若与焊盘连接的铜膜较细时，则需加泪滴可使焊盘不易剥离。如图3-1所示：

图 3-1

9.布线尽可能短，特别注意时钟线、低电平信号线及所有高频回路布线要更短。 10.模拟电路及数字电路的地线及供电系统要完全分开。

11.PCB板上的保险管、保险电阻、交流220V的滤波电容、变压器等元件位置附

近,面丝印上应有 符号及该元件的标称值.

12. 时钟线，要遵守3W原则，其它线要离时钟线3倍的线宽。晶振走线，如果能在一层完成，最好不要换层。

13. 布线先走总线再走VCC,GND.布线时，电源线、地线、晶振线要尽量粗些，

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串口线、距离远的线可以稍粗一些。同一芯片上的线要一样粗。

14.器件间保持合理的间距，实际器件不要出现安装不上、或相碰。

15.电源转换器要放在靠近电源的边缘处，使之能良好散热而不影响其他电路。放置于底层的元器件、字应做镜像处理,以免混淆层面。

3.4 手工布线规则设置

布线规则是设置布线的各个规范（例如：使用层面、安全间距、过孔间距、各组线宽等部分的规则，可通过Design/Rules 的Menu 处从其它板导出后，再导入这块板,还可以根据电路板自行规定其值）这个步骤不必每次都要设置，按个人的习惯，设定一次就可以。

3.4.1安全间距及走线

一、安全间距(Routing标签的Clearance Constraint)

它规定了板上不同网络的走线焊盘过孔等之间必须保持的距离。一般双层板子最小间距可设为8mil，推荐值为8mil,而对于多层电路板：线与线之间的间距可设置范围5mil～6mil，推荐值为6mil。请使用以上推荐值，推荐值为绝大多数制版厂家的推荐值，这些值仅供参考，若要使用更小的值，请先咨询制版厂家。0.1mm 以下是绝对禁止的。

走线层面和方向（Routing标签的Routing Layers）

此处可设置使用的走线层和每层的主要走线方向。请注意贴片的单面板只用顶层，直插型的单面板只用底层，但是多层板的电源层不是在这里设置的（可以在Design-Layer Stack Manager中，点顶层或底层后，用Add Plane 添加，用鼠标左键双击后设置，点中本层后用Delete 删除），机械层也不是在这里设置的（可以在Design-Mechanical Layer 中选择所要用到的机械层，并选择是否可视和是否同时在单层显示模式下显示）。

1．机械层1 一般用于画板子的边框；

2．机械层3 一般用于画板子上的挡条等机械结构件；

3．机械层4 一般用于画标尺和注释等，具体可自己用PCB Wizard 中导出一个PCAT结构的板子看一下

二、过孔形状及走线线宽

过孔形状（Routing标签的Routing Via Style）

它规定了手工和自动布线时自动产生的过孔的内、外径，均分为最小、最大和首选值，其中首选值是最重要的。过孔外径﹕内径比值一般为2﹕1，对于双层板：内径设置范围15mil～18mil,外径设置范围30mil～35mil,推荐值内径为16mil,外径为32mil. 对于多层板：过孔内径设置范围8mil～10mil,外径设置范围10mil～20mil,推荐值内径为10mil,外径为20mil.其值仅供参考，可咨询制版厂家获取厂家值。

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走线线宽（Routing标签的Width Constraint）

它规定了手工和自动布线时走线的宽度。对于双层板：最小线宽可设置成6mil,对于多层板：最小线宽可设置成3mil.其值均为推荐值，如若想使用更小值，请联系制版厂咨询。另添加一些网络或网络组（Net Class）的线宽设置，如地线、+5 伏电源线、交流电源输入线、功率输出线和电源组等。网络组可以事先在Design-Netlist Manager中定义好，地线一般可选40mil宽度，各种电源线一般可选20~40mil 宽度，印板上线宽和电流的关系大约是每毫米线宽允许通过1安培的电流，具体可参看有关资料。当线径首选值太大使得SMD 焊盘在自动布线无法走通时，它会在进入到SMD 焊盘处自动缩小成最小宽度和焊盘的宽度之间的一段走线，其中Board 为对整个板的线宽约束，它的优先级最低，即布线时首先满足网络和网络组等的线宽约束条件。

3.4.2敷铜设置

在Placement Tools菜单栏中单击

按钮，弹出对话框后，进行如下设置：Connect

to Option选项中选择GND，说明所铺铜膜与GND网络相连；在Pour Over Same Net

和Remove Dead Copper两项中打对勾，铺铜覆盖与该网络相同的网络并且删除死铜；在Place Setting区域中将Grid Size（铺铜密度）设置为8mil.铺铜形式为倾斜45°交叉格；以上内容设置完成后，单击OK即可。鼠标变成十字，移动鼠标到要放置铺铜的位置的一个角单击鼠标左键，然后移动鼠标确定铺铜的其他角，逐一单击鼠标左键，直至形成封闭面积结束铺铜的放置。

3.5 EMC和EMI

EMI（Electronic—Magnetic Interference）即电磁干扰，EMC（Electronic—Magnetic Compatibility）即电磁兼容。

当数字系统家电运行时，会对周围环境辐射电磁波，这种电磁波会对系统的其他电路或者其他系统产生干扰。电磁兼容是对电子系统电磁干扰 特性方面的要求：不干扰其他系统；对其他系统的电磁发射不敏感；对系统本身不产生干扰。减小EMI的方法有：屏蔽、滤波、消除电流环路，可能时降低器件速度。

EMI的抑制方法：避免人造环路，确保各信号线路上任意两点之间只有一个路径。尽可能情况下采用电源层方案。地层会自动生成最小的自然电流环路。采用地线层时，一定要保证信号返回线路路径的通畅。一般不推荐在信号线上使用滤波，只有在无法消除信号噪音时，才在信号线上考虑滤波。滤波有三种选择：旁路电容、EMI滤波器和磁珠。在满足系统速度要求的情况下尽量选用跳变沿速度较慢的器件可以减少信号的高频能量辐射。

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第4章 PCB电路板设计实例

4.1电路板工作原理分析

该电路板是基于ATmega16单片机的多功能实验电路板，其中包括232、485通信、I2C总线、SPI总线、液晶显示、4*4按键、单片机控制、温度传感器、红外功能等几部分。该电路的设计作用主要是让使用者练习这些功能：串口通信、I2C总线、SPI总线、温度采集、红外传输、液晶显示等。掌握这些总线的设置、解码、控制等。

4.1.1电路板原理图分析（电路图画法采用的是层次原理图）

一、实现I2C总线功能，主要用AT24C04芯片,单片机及各个芯片需要的5V工作电压，如图4-1：

图4-1 I2C总线

I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此，互不相关。

I2C总线在传送数据过程有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、结束信

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号和应答信号。目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C接口，有了这个板的练习，其他的半导体集成电路你就能更好的掌握与控制。

二、485通信、MAX232通信如图4-2通信接口电路

图4-2串行接口电路

RS485是采用平衡式（差分式）线路，是半双工的，是串行数据接口标准，可采用二线和四线传输方式，RS485的共模输出电压是－7V和 ＋12V之间RS485接收器最小输入阻抗为12K。RS485的最大传输距离为1219米，最大传输速率为10Mb/sRS484可对同时出现在两条信号线DATA+和DATA-的干扰有较强的抑制能力，当两条线绞在一起时，对通讯各种分布参数耦合过来的干扰信号则可平均地分配到这两条线上，因此对RS485的平衡式线路而言，用双绞线可获得抗干扰能力。因此，建议采用无屏蔽的双绞线，如果有条件可采用屏蔽双绞线，但屏蔽线两端要接好地，才有屏蔽效果。如果距离较短，可采用一般的电话线。如果线中有多股双绞线，应采用其中一对双绞线；如果距离较长时，网线的电阻不容忽视，网线存在的电阻会使信号衰减，降低网络通讯的可靠性。

三、SPI总线电路如图4-3：

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图4-3SPI电路

同步外设接口(SPI)是由摩托罗拉公司开发的全双工同步串行总线，该总线大量用在与EEPROM、ADC、FLASH和显示驱动器之类的慢速外设器件通信。

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种串行同步通讯协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通讯，从而完成数据的交换。通讯时，数据由MOSI 输出，MISO 输入，数据在时钟的上升或下降沿由MOSI 输出，在紧接着的下降或上升沿由MISO 读入，这样经过8/16 次时钟的改变，完成8/16 位数据的传输。在一次数据传输过程中，接口上只能有一个主机和一个从机能够通信。并且，主机总是向从机发送一个字节数据，而从机也总是向主机发送一个字节数据。该总线通信基于主-从配置。它有4个信号：

MOSI:主出/从入 ；MISO:主入/从出；SCK:串行时钟 ；SS:从属选择。 即CS（从使能信号），CS 决定了唯一的与主设备通信的从设备，如果没有CS 信号，则只能存在一个从设备，主设备通过产生移位时钟来发起通讯。在SPI传输中，数据是同步进行发送和接收的。数据传输的时钟基于来自主处理器的时钟脉冲，摩托罗拉没有定义任何通用SPI的时钟规范。然而，最常用的时钟设置基于时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)两个参数，CPOL定义SPI串行时钟的活动状态，而CPHA定义相对于SO-数据位的时钟相位。CPOL和CPHA的设置决定了数据取样的时钟.

四、温度采集电路如4-4图

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图4-4单总线电路

DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

五、红外传输电路

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图4-5红外传输电路

红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。发送端采用脉时调制（PPM）方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送出去；接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。

简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器

红外通信协议单片机本身并不具备红外通信接口，但可以利用单片机的串行接口与片外的红外发射和接收电路，组成一个应用于单片机系统的红外串行通信接口。传统的红外设备传输数据时，可以采用38kHz的载波进行调制和解调。采用调幅的方式对数据进行调制，通过发光二极管将数据发送出去；采用专门的解调芯片接受红外发送来的数据。

4.1.2 PCB电路板实例

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图4-6 PCB板

图4-6视图为Protel 99SE中3D预览视图，现在的产品都在趋向于小型化、智能化，所以我设计时阻容器件采用了贴片式封装，这样既减小了板材面积，又减小了元件和板子的成本。将复位按键放在板边上的位置，有利于操作者操作。主芯片ATMEGA16选择横放在板子中，这样有利于走线，有利于整体布局。4*4按键的放置是十分重要的。他要考虑到操作者操作的方便性，还要考虑到对液晶的相对位置。放置关系如图所示，方便操作者一边按键输入，一边观察液晶显示正误。

本电路板规则参数设置如下： Clearance Constraint （安全间距）：10mil Width Constraint (线宽) ：

GND网络最小值为15mil,最大值为100mil,使用值为30mil; VCC 网络最小值为15mil,最大值为100mil,使用值为30mil;

Board网络(信号线线宽)最小值为10mil,最大值为100mil,使用值为15mil。

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总结

PCB电路版图设计的常见问题：

1.调网络表时，网络表出错主要原因是：

（1）在原理图中未定义元件封装形式 错误描述：Footprint not found in Library

错误原因：(1)在电路原理图中，元件没有指定封装形式；(2)在PCB编辑器中没有添加含有所需封装元件的元件库；

处理方式：(1)打开网络表文件查看哪些元件未定义封装，并直接在网络表中对该元件增加封装，或者在原理图中找到相应的元件，双击该元件，在弹出的属性对话框中的Footprint栏中填入相应的元件封装；(2)在PCB编辑器中，执行菜单命令Design／Add／Remove Library…，在弹出的对话框中，指定所需的PCB元件库，将它添加到当前的PCB编辑器中。

（2）PCB封装定义的名称不存在

错误描述：Footprint××not found in Library

错误原因：(1)PCB元件库中没有对应元件的封装图。如PCB Footprint．Lib中就没有小型发光二极管LED可用的元件封装；(2)原理图中将元件的封装形式写错了。如将极性电容Electrol的封装形式写作“RB0．2／0．4”。

处理方式：(1)编辑PCB Footprint．Lib文件，创建LED的元件封装，然后执行更新PCB命令；(2)返回原理图，仔细核对原理图中元件封装名称是否和PCB元件库中的名称一致。

（3）没有找到元件

错误描述：Component not found

错误原因：Advpcb．ddb文件包内的PCB Footprint．Lib文件中包含了绝大多数元件封装，但如果原理图中某个元件封装形式特殊，PCB Footprint．Lib文件库找不到，需装入非常用元件封装库

处理方式：在设计文件管理器窗口内，单击PCB文件图标，进入PCB编辑状态，通过“Add／Remove”命令装入相应元件封装库。

（4）没有找到结点

错误描述：Node not found

错误原因：(1)指定网络中多了并不存在的节点；(2)元件管脚名称和PCB库中封装的管脚名称不同；(3)原理图中给定的元件封装和对应的PCB封装名称不同。

处理方式：对于(1)、(3)可回到原理图中删除多余节点、将原理图中的元件封装修改成和对应的PCB封装名称一致。对于(2)由于原理图中元件库定义的元件管脚名称与PCB封装定义的管脚名称不同，导致装入错误。回到原理图库中重新编辑元件的封装，使元件管脚数与PCB中封装管脚数、管脚名一致或者直接编辑PCB库中元件的

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管脚名称，使之与原理图中一致；如Miscellaneous Devices．1ib库中的二极管和三极管，其管脚的定义与PCB库中相应封装的管脚的定义不一致而导致出错。如二极管中管脚定义为：A、K，若使用PCB通用库PCB Footpdnts．1ib封装Diode0．4、Diode0．7，而封装焊盘号定义却为：1、2，所以装入此元件时就会发生二极管连接关系丢失现象。解决办法：修改原理图库的管脚号或PCB库中的元件的焊盘号，使之相互对应。

（5）网络已经存在

错误描述：Net already exists

错误原因：(1)某个宏操作试图添加的网络名与PCB网络表中已有的网络名重名；(2)原理图中隐藏的管脚信息网络点和其他网络点命名重复。

处理方式：对于(1)可打开原理图文件，对照原理图修改重复的网络名或删除多余的网络名；针对(2)，可打开原理图文件，找到出错的网络连接点，然后打开元件属性对话框，选中其中的Hidden Pin，这时可观察到隐藏元件管脚信息网络点，然后调整与之相同的网络连接点，使其属于不同的节点即可。

3.导线、飞线和网络的区别

导线也称铜膜走线，简称导线，用于连接各个焊点，是印刷电路板最重要的部分，印刷电路板设计都是围绕如何布置导线来进行的。

与导线有关的另外一种线，常称之为飞线也称预拉线。飞线是在引入网络表后，系统根据规则生成的，用来指引布线的一种连线。

飞线与导线是有本质的区别的。飞线只是一种形式上的连线，它只是形式上表示出各个焊点间的连接关系，没有电气的连接意义。导线则是根据飞线指示的焊点间连接关系布置的，具有电气连接意义的连接线路。

4.敷铜的作用

敷铜的主要作用是提高电路板的抗干扰能力，如果要对线路进行包导线或补泪滴，那么敷铜应该放在最后进行。

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附录

附录A 常用元器件封装

元件封装是元件在电路板是存在的形势，Footprint那栏是元件封装栏，要自己输入，比如电阻可以用AXIAL0.3等等

protel99常用元件的电气图形符号和封装形式

1.标准电阻：RES1、RES2；封装：AXIAL-0.3到AXIAL-1.0

两端口可变电阻：RES3、RES4；封装：AXIAL-0.3到AXIAL-1.0

三端口可变电阻：RESISTOR TAPPED，POT1，POT2；封装：VR1-VR5

2.电容：CAP（无极性电容）、ELECTRO1或ELECTRO2（极性电容）、可变电容CAPVAR

封装：无极性电容为RAD-0.1到RAD-0.4，有极性电容为RB.2/.4到RB.5/1.0.

3.二极管：DIODE（普通二极管）、DIODE SCHOTTKY（肖特基二极管）、DUIDE TUNNEL（隧道二极管）

DIODE VARCTOR（变容二极管）ZENER1~3（稳压二极管）

封装：DIODE0.4和DIODE 0.7;（注意做PCB时别忘了将封装DIODE的端口改为A、K）

4.三极管：NPN，NPN1和PNP，PNP1；引脚封装：TO18、TO92A（普通三极管）TO220H（大功率三极管）TO3（大功率达林顿管）

以上的封装为三角形结构。T0-226为直线形，我们常用的9013、9014管脚排列是直线型的，所以一般三极管都采用TO-126

5.效应管：JFETN（N沟道结型场效应管），JFETP（P沟道结型场效应管）MOSFETN（N沟道增强型管）MOSFETP（P沟道增强型管）引脚封装形式与三极管同。

6.电感：INDUCTOR、INDUCTOR1、INDUCTOR2（普通电感），INDUCTOR VAR、INDUCTOR3、INDUCTOR4（可变电感）

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7.整流桥原理图中常用的名称为BRIDGE1和BRIDGE2，引脚封装形式为D系列，如D-44，D-37，D-46等。

8.单排多针插座原理图中常用的名称为CON系列，从CON1到CON60，引脚封装形式为SIP系列，从SIP-2到SIP-20。

9..双列直插元件原理图中常用的名称为根据功能的不同而不同，引脚封装形式DIP系列，

10.串并口类原理图中常用的名称为DB系列，引脚封装形式为DB和MD系列。

11.晶体振荡器：CRYSTAL；封装：XTAL1

12.发光二极管：LED；封装可以才用电容的封装。（RAD0.1-0.4）

附录B PROTEL 99SE快捷键大全

PgUp：放大视图 PgDn：缩小视图

Home：以光标为中心重画视图 End：刷新

Tab：当被放置的现象在悬浮状态时，进行属性设置。 Spacebar：被放置的对象在悬浮状态时，旋转“90°” X：被放置的对象在悬浮状态时，水平镜像翻转 Y：被放置的对象在悬浮状态时，垂直镜像翻转 V+F：将所有对象都显示在屏幕上 V+A：区域放大

ESC：结束正在执行的操作 Ctrl+Delecte：删除

鼠标左键双击：编辑对象属性 Q：切换测量单位

+和﹣：在所有电路板层之间切换（小键盘） * 印制板层间切换

Shift+Space：画铜膜线时，更换各种线模式；在放置对象时，顺时针旋转对象 Shift+S：去掉丝印层，电路板单层显示

按住鼠标右键：鼠标变成手型，可以移动屏幕 E+D：光标变成十字后，单击删除的项 X+A：取消所有被选取图件的选取状态

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致谢

在论文完成之际，这也意味着我在大庆石油学院应用技术学院的三年的学习生活即将结束。回首过去，自己一生最宝贵的大学时光能于这样的校园之中，能在众多学富五车、才华横溢的老师们的熏陶下度过，实在是荣幸之极。在这三年的岁月里，我在学习和思想上都受益匪浅。这除了自己的努力外，与各位老师和同学们的关心、支持和鼓励是分不开的。

在此，我要特别感谢我的指导老师李爱雪老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是她广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。

另外，我还要特别感谢同学给我的宝贵建议，她们为我完成这篇论文提供了巨大的帮助，使我得以顺利完成论文。同时张利国老师也时常帮助我，在此我也衷心的感谢他。

最后，由于时间的仓促及自身专业水平有限，整篇论文肯定存在尚未发现的缺点和错误。向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位领导和老师表示衷心地感谢！

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参考文献

[1] 清源科技编著. Protel 99 SE电路原理图与PCB设计及仿真. 机械工业出版社 2007年1月

［2］郭勇，董志刚编著. Protel 99 SE印制电路板设计教程. 机械工业出版社 2004年6月

［3］徐峥颖主编. Protel 99 SE EDA技术及应用. 机械工业出版社 2005年1月 ［4］赵广林编著. Protel 99 SE电路设计与制作.电子工业出版社 2005年2月 ［5］Protel 99 SE电路设计教程. 清华大学出版社 2002年9月

［6］张锡鹤，盛鸿宇主编.印制电路板电路设计实训教材.科学出版社 2005年1月 ［7］夏路易，石宗义编著.电路原理图与电路板设计教程Protel 99 SE 北京希望电子出版社 2002年6月

［8］曾峰，巩海洪，曾波编著.印刷电路板（PCB）设计与制作 电子工业出版社 2005年8月

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