《EDA技术》实验指导(Protel_3)

实验三 Protel 99SE电路板图设计

一、例题

例1 试人工设计一块原理图如图3-1所示的单极放大电路PCB板，要求：

（1）采用单层电路板，顶层为元件面，底层为焊接面；

（2）电路板长2000mil，宽1000mil；

（3）一般布线的宽度为20mil，电源地线为30mi1；

（4）添加适当的文字标注；

（5）生成3D预览。

图3-1

该电路中用到的元件封装和元件名称如表3-1所示。

表1-1 单极放大电路元件表

元件标号 元件值/型号 元件封装 元件名称 说 明 R1 18K AXIAL0.3 RES2 Resistance R2 675 AXIAL0.3 RES2 Resistance R3 3.3K AXIAL0.3 RES2 Resistance R4 200 AXIAL0.3 RES2 Resistance C1 0.01uF RAD0.1 CAP Capacitor C2 0.01uF RAD0.1 CAP Capacitor C3 0.01uF RAD0.1 CAP Capacitor

Transistor Q1 2N2222A TO-92A NPN NPN

J1 CON4 SIP4 CON4 Connector J2 CON2 SIP2 CON2 Connector 解：（1）建立设计数据库和PCB文件

①执行File/New菜单命令（如Protel 99SE中已经存在其它的设计数据库，则须执行

File/New Design…菜单命令），打开New Design Database对话框，如图3-2所示。在Database

File Name栏内输入“单极放大电路.ddb”，从而建立起对应的数据库文件；点击该对话框

的Database Locations栏中的Browse按钮，设置数据库文件存放位置，如“C:\例题1”，本例中的所有设计文件均会存放在此文件夹中。

图3-2

②再次执行File/New菜单命令，将打开New Document对话框，选择其中的PCB Document文件编辑器，并将其更名为“单极放大电路.PCB”，如图3-3所示。

图3-3

③双击“单极放大电路.PCB”，打开如图3-4所示的PCB编辑器窗口。

放置工具栏

（2）定义电路板

定义电路板，即定义印制电路板的工作层面和大小。

①定义工作层面执行菜单命令Design／Options，弹出如图3-5所示的Document

Options对话框，这里有许多与PCB布线的参数需要设置。

图3-5

在Layers选项卡中，信号层（Signal Layers）主要是用于放置与信号有关的电气元素。其中顶层（Top Layer），也就是元器件层。设计单面板时，元器件层是不能布线的，因而取消对这一层的勾选。在双面板设计中，元器件层是可以布线的，但是元器件层布线时需要考虑一个问题：在发热比较严重的元器件下(例如散热片)，不要在元器件层走线，以免烫坏阻焊层，导致短路。底层（Bottom Layer），也就是焊接层。单面板中焊接层是惟一可以布线的工作层。

另外，在Layers选项卡中，机械层（Mechanical Layer）是用于放置一些与电路板的机械特性有关的标注尺寸信息和定位孔。在PCB板层数不多的情况下，通常只使用一个机械层。

②设置电路的电气边界

电路板的电气边界是指在电路板上设置的元件布局和布线的范围。电气边界一般定义在禁止布线层（Keep Out Layer）上。禁止布线层用于定义在电路板上能够有效放置元件和布线的区域。在该层绘制一个封闭区域作为布线有效区，在该区域以外是不能自动布局和布线的。

点击工作层面选项卡中的Keep Out Layer，切换到禁止布线层面，执行菜单命令Place

／Keepout/Track，或使用放置工具栏Placement Tools中的放置连线工具，画一个闭合的2000mil×1000mil的区域，如图3-6所示。

图3-6

图中放置了尺寸标注。在PCB设计中，出于方便印制电路板制造的考虑，通常要标注某些尺寸的大小，如电路板的尺寸、特定元件外形之间的距离等，一般尺寸标注放在机械层

或丝网层上。点击工作层面选项卡中的Mechanical Layer切换到机械层面，单击放置工具栏（PlacementTools）中的按钮，或执行菜单命令Place /Dimension，光标变成十字形，移

动光标到尺寸的起点，单击鼠标左键，再移动光标到尺寸的终点，再次单击鼠标左键，即完成了两点之间尺寸标注的放置，而两点之间距离由程序自动计算得出。

定义电路板也可以借助于Protel提供的印制电路板生成向导（Printed Circuit Board Wizard）来完成。方法是执行File/New命令，在打开的New Document对话框中选择Wizards 选项卡，再选择Printed Circuit Board Wizard图标，根据向导提示，一步一步地进行设置。

（3）加载PCB元件库

确定电路板的外形尺寸后，就可以开始向电路板中放置元件。放置元件前，先加载PCB 元件库。在PCB管理器中选择Browse PCB选项卡，在Browse下拉列表框中选择Libraries，将其设置为元件库浏览器。

Protel 99 SE在C：＼Program File＼Design Explorer 99 SE＼Library＼Pcb 路径下有3个文件夹，提供3类PCB元件，即Connector（连接器元件封装库）、Generic Footprints（普通元件封装库）和IPC Footprints（IPC元件封装库）。在3个文件夹下各有若干元件封装库，比较常用的元件封装库主要在Generic Footprints（普通元件封装库）文件夹中，常用元件封装库有、General IC.1ib、International Rectifiers.1ib、Miscellaneous.1ib、Transistors.1ib等。

加载、移除与浏览PCB元件库的操作方法与原理图元件库基本一致。

本例中所用的元器件除晶体管的封装TO-92A在PCB Footprints. Lib外，其余都放置在Miscellaneous.1ib中。

（4）放置元器件

放置元器件的方式有：

①通过放置工具栏或菜单放置

单击放置工具栏的按钮，或执行菜单命令Place/Component来放置元件的封装形式。

在打开的Place Component对话框中的Footprint栏目内输入元件封装的名称，如果不知道可单击Browse按钮在元件封装库中浏览；并可在Designator栏中输入元件的标号，在Comment 栏中输入元件的型号或标称值。单击OK按钮放置元件。

放置元件后，系统再次弹出放置元件的对话框，可继续放置元件。单击Cancel退出放置状态。

② 通过元件库直接放置

从绘图工作区左边的元件浏览器中选中元件后，单击右下角的Place按钮，光标便会跳到绘图工作区中，同时还带着该元件的封装图，将光标移到合适位置后，单击鼠标左键，放置该元件。这种方法较为常用，但必须知道所要放置的元件在哪一个元件库中。

在放置元件的命令状态下，按下Tab键，或用鼠标左键双击已放置的元件，将出现元件的属性对话框Component，可以设置元件属性，如图3-7所示。

图3-7

其中，Properties选项卡的主要设置参数有： Designator（设置元件的标号）、Comment （设置元件的型号或标称值）、Footprint（设置元件的封装）、Layer（设置元件所在的层，通常单面板元器件放置在Top Layer）、Rotation（设置元件的旋转角度）、X-Location和Y-Location（元件所在位置的X和Y方向的坐标值）、LockPrires（选中此项，该元件封装图形不能被分解开）、Locked（选中此项，该元件被锁定，不能进行移动、删除等操作）、Selection （选中此项，该元件处于被选取状态，呈高亮显示）。而打开Designator与Comment选项卡则可分别对元器件的标号和元器件型号或标称值的字体大小、方向等进行适当设置处理。

本例设置好元器件的图形如图3-8所示，其中由于默认的文字标注部分字体过大，已在元件属性的Designator与Comment选项卡中作了如下设置处理：Height（40mil）、Width （6mil）、Rotation（0.000）。

图3-8

注：在放置元器件及后续的布线操作中如注意使用如下快捷键,会给设计操作带来极大方便：

PgUp：放大视图。

PgDn：缩小视图。

End：刷新画面。

Tab：在元件浮动状态时，编辑元件属性

Spacebar：旋转元件或变更走线方式。

X：元件水平镜像。

Y：元件垂直镜像。

Esc：结束当前操作。

（5）布线

布线的一般原则：

① 相邻导线之间要有一定的绝缘距离。

② 信号线在拐弯处不能走成直角。

③ 电源线和地线的布线要短、粗且避免形成回路。

单面板布线只能在Bottom Layer进行，单击绘图工作区下方的Bottom Layer，将布线层

设置为底层。再单击放置工具栏（PlacementTools）中的按钮，或执行菜单命令

Place/Interactive Routing（交互式布线），当光标变成十字形，将光标移到导线的起点，单击鼠标左键；然后将光标移到导线的终点，再单击鼠标左键，一条直导线就被绘制出来，单击鼠标右键，结束本次操作。

由于通常Protel 99SE默认的布线宽度为10mil，本例要求的布线宽度为20mil和30mil，（当然可以每一段线打开属性对话框进行分别设置，但较麻烦）。处理的方法是：当布线光标变成十字形时按住左健，同时按下Tab键弹出如图3-9所示的Interactive Routing对话框，首先得修改布线一规则，点击该对话框左下角的Menu按钮，出现一个下拉菜单，选择Edit Width Rule，弹出如图3-10所示的Max-Min Width Rule对话框，修改其中的Maximum Width 为100mil，然后回到Interactive Routing对话框，修改Trace Width为20mil或30mil，则以后的导线就以新设置的宽度绘出，直至重新修改Trace Width值。

图3-9

图3-10

本例布线之后的PCB板图如图3-11所示。

图3-11

（6）添加文字标注

文字标注是指对电路板进行标示的字符串，有助于使用者对电路板的理解和使用。文字标注通常只放置在丝印层。如本例，首先将当前工作层切换为Top Overlay（顶层丝印层）。然后执行菜单命令Place/String，光标变成十字形，按下Tab键，在弹出的字符串属性对话框中，对字符串的内容、大小等参数进行设置。设置完毕后，移动光标到合适的位置，单击鼠标左键，放置一个文字标注。再单击鼠标右键，结束命令状态。图1-12是加了+Vcc、GND 和2006-6-2 字符串后的PCB板图。

图3-12

（7）PCB的3D预览

Protel 99SE系统提供了3D预览功能。使用该功能，可以很方便地看到加工成型之后的印刷电路板和在电路板焊接元件之后的效果，使设计者对自己的作品有一个较直观的印象。

执行菜单命令View/Board in 3D，或用左键单击主工具栏的按钮，在工作窗口生成了本例的印刷电路板的三维视图，同时生成3D预览文件，如图3-13所示，预览文件名3D 单极放大电路.PCB。在生成三维视图的同时，在PCB管理器中出现Browse PCB3D选项卡，单击该选项卡，将光标放到左下方浏览器的小窗口，光标变成带箭头的十字形，按住鼠标左键并旋转，三维视图也随之旋转，可从各个角度观察印刷电路板，观察元件布局是否合理。

图 3-13

例2试根据图3-14所示的波形发生电路原理图采用自动布线技术制作一个3100mil×1640mil的双层印制电路板，其电路元器件见表3-1。

C1

图3-14

表3-1 波形发生电路元件表

元件标号 元件封装 元件名称 说 明

Rl、R2、R3、R4

AXIAL0.3 RES2 电阻

R5、R6、R7

POT2

R8 VR2

电位器

C1、C2 RB-.2/.4 CAP 电容

CON4

Jl SIP-4

连接器

Dl、D2 DIODE0.4 1N4001 二极管

运放集成电路

U1A、U1B DIPl4 1M324

解：PCB自动布线技术一般步骤为：

1） 绘制电路原理图

绘制电路原理图目的是为了设计印制电路板，绘制电路原理图时，注意每个元件必须有封装，而且封装的焊盘号与电路原理图中元件引脚之间必须有对应关系。

2） 生成网络表

对电路原理图进行电气规则检查（ERC）后，生成网络表。

3） 建立PCB文件，定义电路板

可以用直接定义电路板的方法，也可使用向导定义电路板。同时进行PCB设计环境的设置，确定工作层等。

4） 加载PCB元件库

常用PCB元件库有PCB Footprint.1ib、General IC.1ib、International Rectifiers.1ib、Miscellaneous.1ib、Transistors.1ib等。

5）加载网络表

加载网络表实际上是将元件封装放入电路板图之中，元件之间的连接关系以网络飞线的形式体现。在加载网络表过程中，注意形成的宏命令是否有错，若有错，查明原因，返回电路原理图并修改电路原理图。一般遇到的问题是无元件封装或元件引脚和封装焊盘不对应。

6）元件的布局

采用自动布局和人工调整布局相结合的方式，将元件合理地放置在电路板中，在考虑电气性能的前提下，尽量减少网络飞线之间的交叉，以提高布线的布通率。

7） 设计规则设置

在自动布线前，根据实际需要设置好常用的布线参数，以提高布线的质量。

8） 自动布线

对某些特殊的连线可以先进行手工预布线，然后再进行自动布线。

9） 人工布线调整

利用3D立体图观察电路板，若对元件布置或布线不满意，可以去掉布线，恢复到预拉线（即飞线）状态，重新布置元件后再自动布线。对部分电路连线可以人工调整与布线。

10） PCB电气规则检查及标注文字调整

对电路板进行电气规则检查后，对丝网层上的标注文字进行调整，然后写上电路板制作的日期等文字。

11）PCB报表的生成

生成报表文件的功能可以产生有关设计内容的详细资料，主要包括电路板状态、管脚、元件、网络表、钻孔文件和插件文件等。

12）PCB输出

采用打印机或绘图仪输出电路板图。也可以将所完成的电路板图存盘，发E-mail给电路板制造商生产电路板。

下面就按这样的过程来设计本例的PCB板图。

（1）新建一个设计数据库，命名为“波形发生电路.ddb”，数据库文件存放位置，如“C:\例题2”。并建立名称为“波形发生电路.Sch”的电路原理图文件，根据图3-14所示的电路来绘制电路原理图。在电路原理图编辑器下，执行菜单命令Design/Create Netlist生成名为“波形发生电路.net”的网络表文件。

（2）定义电路板

该电路板采用双层板，有如下工作层：顶层（Top Layer，主要用于放置电路元器件，也可以布线）、底层（Bottom Layer，主要用于布线）、机械层4（Mechanical 4，用于放置一些与电路板有关的标注尺寸信息和定位孔）、顶层丝印层（Top Overlay，用于放置元器件标号、说明文字等）、禁止布线层（Keep Out Layer，用于绘制印制电路板的边框。用禁止布线层选定一个区域非常重要，自动布局和自动布线都需要预先设定好禁止布线层。确切地说，禁止布线区域应该是允许布线区域）和多层（Multi Layer，包括焊盘和过孔这些在每一层都可见的电气符号）。

定义电路板除了例1中介绍的直接定义方式外，还可以使用印制电路板生成向导进行定义（注意：该电路板向导不支持单层板），过程如下：

①启动电路板向导

执行File/New命令，在弹出的对话框中选择Wizards选项卡，如图3-15所示。

图3-15

②选择Printed Circuit Board Wizard（印制电路板向导）图标，单击OK按钮，将弹出如图3-16所示的Board Wizard对话框。

图3-16

③ 选择预定义标准板

单击Next按钮，将弹出如图3-17所示的选择预定义标准板对话框。在列表框中可以选择系统已经预先定义好的板卡类型。如选择Custom Made Board，则用户自行定义电路板的尺寸等参数。选择其他选项，则直接采用现成的标准板。同时可以选择电路板的尺寸单位（Units），系统提供Metric（公制）和Imperial（英制）两种计量单位，默认为英制。

图 3-17

④定义电路板基本信息

选择Custom Made Board项，单击Next按钮，系统弹出设定电路板相关参数的对话框，如图3-18所示。

图3-18

对话框的参数设置如下：

Width：设置电路板的宽度，本例设为3100mil。

Height：设置电路板的高度，本例设为1640mil。

Rectangular：设置电路板的形状为矩形，需确定宽和高两个参数，本例选择此项。

Circular：设置电路板的形状为圆形，需确定半径参数。

Custom：自定义电路板的形状。

Boundary Layer：设置电路板边界所在层，默认为Keep Out Layer。

Dimension Layer：设置电路板的尺寸标注所在层，默认为Mechanical Layer 4。

Track Width：设置电路板边界走线的宽度。

Dimension Line Width：设置尺寸标注线宽度。

Keep Out Distance From Board Edge：设置从电路板物理边界到电气边界之间的距离尺寸（物理边界是指电路板的机械外形和尺寸，一般在Mechanical 1或Mechanical 4上绘制电路

板的物理边界。电路板的电气边界是指在电路板上设置的元件布局和布线的范围。电气边界一般定义在禁止布线层（KeepOut Layer）上。为了防止元件的位置和布线过于靠近电路板的边框，电路板的电气边界要小于物理边界，如电气边界距离物理边界50mil。有时也可以不定义物理边界，而用电路板的电气边界来替代物理边界）。

Title Block：设置是否显示标题栏。本例不选。

Legend String：设置是否显示图例字符。本例不选。

Dimension Line：设置是否显示电路板的尺寸标注。

Corner Cutoff：设置是否在电路板的四个角的位置开口（该项只有在电路板设置为矩形板时才有效）。本例不选。

Inner Cut off：设置是否在电路板内部开口（该项只有在电路板设置为矩形板时才有效）。本例不选。

Scale：设置是否显示刻度尺。当Title和Scale两个复选框同时无效时，将不再显示标题栏和刻度尺。本例不选。

设置完成后，系统将弹出有关电路板尺寸参数设置的对话框，对所定义的电路板的形状、尺寸加以确认或修改，如图3-19所示。

图3-19

⑤ 定义电路板工作层

单击Next按钮，将弹出如图3-20所示对话框，可设置信号层的数量和类型，以及电源／接地层的数目。

图3-20

各项含义如下：

Two Layer-Plated Through Hole：两个信号层，过孔电镀。本例选择。

Two Layer-Non Plated：两个信号层，过孔不电镀。

Four Layer：4层板。

Six Layer：6层板。

Eight Layer：8层板。

Specify the number of Power／Ground planes that will be used in addition to the layers above：选取内部电源／接地层的数目，包括Two（两个内部层）、Four（四个内部层）和None（无内部层）。本例选择None。

⑥ 选择过孔类型

单击Next按钮，将弹出如图3-21所示的对话框，可设置过孔的类型（穿透式过孔、盲过孔和隐藏过孔)。对于双层板，只能使用穿透式过孔。

图3-21

⑦ 选择元件形式

单击Next按钮，将弹出如图3-22所示的对话框，针脚式元件和表面粘贴式元件哪一种较多，可设置将要使用的布线技术。如选择表面粘贴式元件（Surface-mount components)，还要设置元件是否在电路板的两面放置。如选择针脚式元件(Through-hole components)，还要设置在两个焊盘之间穿过导线的数目，有One Track、Two Track和Three Track三个选项。本例选择One Track。

图3-22

⑧走线参数设置

单击Next按钮，将弹出如图3-23所示的对话框，可设置最小的导线宽度、最小的过孔尺寸和相邻走线的最小间距，这些参数都会作为自动布线的参考数据。

MinimumTrackSize：设置最小的导线尺寸。

MinimumViaWidth：设置最小的过孔外径直径。

MinimumVia HoleSize：设置过孔的最小内径直径。

MinimumClearance：设置相邻走线的最小间距。

图3-23

⑨保存模板

单击Next按钮，弹出是否作为模板保存的对话框，如果选择则需再输入模板名称和模板的文字描述。

⑩完成

单击Next按钮，弹出完成对话框，单击Finish按钮结束生成电路板的过程，该电路板已经定义完毕。最后形成如图3-24所示的电路板，自动生成的文件名为“PCB1.PCB”，关闭此PCB编辑窗口，将其更名为“波形发生电路.PCB”，然后再重新打开。

图3-24

（3）加载PCB元件库

在PCB编辑器中加载下列PCB元件库： PCB Footprint.1ib、Genera1 IC.lib、International Rectifiers.1ib、Miscellaneous.1ib、Transistors.1ib等（如果有自己绘制的封装，则还需要加载该封装所在的新的PCB元件库）。

（4）加载网络表

网络表是连接电路原理图和印制电路板图的桥梁。加载网络表实际上是将元件封装放入电路板图之中，元件之间的连接关系以网络飞线的形式体现，最终实现电路板中元件的自动放置、自动布局和自动布线。

在PCB编辑器中，执行菜单命令Design/Load Nets，将弹出如图3-25所示的Load／Forward Annotate Netlist对话框。

图3-25

在Netlist File文本框下有两个复选框：

Delete Components not in netlist复选项，选中则系统将会在加载网络表之后，与当前电路板中存在的元件作比较，将网络表中没有的元件而在当前电路板中存在的元件删除；

Update footprint复选项，选中则会自动用网络表内存在的元件封装替换当前电路板上的相同元件的封装。

这两个选项，适合于原理图修改后的网络表的重新装入。

在Netlist File文本框中输入加载的网络表文件名。如果不知道网络表文件的位置，单击Browse按钮，将弹出如图3-26所示的选择网络表文件对话框。

图3-26

在该对话框中，找到网络表所在的设计数据库文件路径和名称，在正确选取“波形发生电路.NET”文件后，单击OK按钮，系统开始自动生成网络宏（Netlist Macros），并将其在装入网络表的对话框中列出，如图3-27所示，由图中可知，装入网络表后共发现4个错误，是由于电路原理图元件与PCB封装的不匹配所引起的。

图3-27

加载网络表后出现的错误称为网络宏错误，常见的宏错误信息如下。

Net not found：找不到对应的网络。

Component not found：找不到对应的元件。

New footprint not matching old footprint：新的元件封装与旧的元件封装不匹配。

Footprint not found in Library：在PCB元件库中找不到对应元件的封装。

Warning Alternative footprint XXX used instead of：程序自动使用XXX封装替换，可能是不合适的元件封装（警告信息）。

发现错误后，找到错误原因，回到电路原理图中或其他相关的编辑器中修改错误，并重新生成网络表，然后再切换到PCB文件中重新进行加载网络表操作。

本例中，图2-14所示的错误是“Error：Node not found"。如果我们打开电路原理图中的二极管D1或D2（1N4001）的属性对话框如图3-28所示，可以看出在电路原理图中管脚号定义为1、2。

图3-28

而在印制电路板中封装DIODE0.4的焊盘编号定义为A、K（见图2-16），两者不匹配，故找不到接点而出错。因而需要把印制电路板中DIODE0.4封装的焊盘编号修改为1、2。处理的过程如下：

①在PCB编辑器中加载PCB元件库文件PCB FootPrints.1ib，在PCB管理器的元件列表中选择二极管封装DIODE0.4，单击PCB管理器中的Edit按钮，系统自动进入库文件PCB FootPrints.1ib，同时在工作窗口中显示封装DIODE0.4，如图3-29所示。

图3-29

②在工作窗口中双击焊盘A，弹出该焊盘的属性设置对话框，如图3-30所示。在Designator文本框中，将编号A改为l，同理，将编号K改为2。

图3-30

③保存修改后的结果。

再回到PCB文件中重新加载网络表，生成如图3-31所示的无错误的网络表宏信息。

图3-31

最后，单击图3-31中底部的Execute按钮，完成网络表和元件的装入。效果如图3-32所示，装入的元件重叠在电路板的电气边界内，元件之间用网络飞线相连。

图3-32