1、Altium-Designer-电路板设计与制作课件第8章重点内容：重点内容：掌握利用PCB文件生成向导规划电路板，手工规划电路板。熟练载入网络表与元器件，进行后续PCB设计。技能目标：技能目标：运用工具栏对PCB进行设计。对PCB进行元器件布局、布线及规则检查。8.1 手工规划电路板8.2 载入网络表与元件8.3 PCB绘图工具栏8.4 元件的布局8.5 布线8.6 设计规则检查(DRC)8.7 综合实例运算放大电路8.8 习题一般设计的印制电路板都与系统的结构要求密切相关，通常有严格的尺寸和形状要求，因此需要设计人员根据电路板的内容和具体的结构要求确定电路板的大小，即规划电路板尺寸，确定电
2、路板的边框，定义其电气边界。在进行PCB布局之前，先创建一个印制电路板的电气边界，从而确定电路板的禁止布线边界。通过设置电气边界可以使得整个电路板的元器件布局和铜膜和走线都在此边界范围之内操作。定义电路板框在Keep Out Layer层上进行，由Keep Out Layer层上的轨迹线决定电路板的电气边界。规划电路板有两种方法：一种是利用PCB文件生成向导规划电路板，另一种是手动自定义。规划电路板。如何利用PCB文件生成向导规划电路板已经在7.4.1节中详细讲解过，请参考前面所讲内容。这里着重介绍如何在电路板设计编辑器中手工规划电路板。8.1.1 定义电路板尺寸如果不是利用PCB文件生成向导
3、创建PCB文件，就需要自定义电路板的形状和尺寸，实际上就是在Keep Out Layer(禁止布线层)上，用直线绘制一个封闭的多边形区域(一般绘制成矩形),多边形内部就是实际印制电路板大小。【实例8-1】定义电路板尺寸(详见教材步骤)8.1.2 定义电路板形状电路板的形状也可以是不规则的，选择“设计”“板子形状”“重新定义板形状”命令，进入自定义界面，重新绘制电路板，如图8-6所示，黑色区域为重新定义后的PCB板。8.1.3 定义电路板板层自定义电路板板层，可通过两种方式实现选项弹出：一种是通过选择“设计”“层叠管理”命令；另一种是鼠标右击工作区，在弹出的快捷菜单中选择“选项”“层叠管理”命令
4、实现。通过选择上述命令，系统将弹出如图8-7所示的“层堆栈管理器”对话框。8.1.3 定义电路板板层【实例8-2】定义电路板板层(1)在“图层堆栈管理器”对话框中，单击左下角的“菜单”按钮，弹出如图8-8所示的菜单选项，可以方便地对板层进行设置。(2)双击板层示意图右边的Core,弹出如图8-9所示的“电介质工具”对话框，在该对话框中可以对材料、厚度、介电常数进行设置。(3)在“层堆栈管理器”对话框中单击“阻抗计算”按钮，弹出如图8-10所示的“阻抗公式编辑器”对话框，可以对绝缘层的阻抗计算规则进行设置。(4)在“层堆栈管理器”对话框中单击“配置钻孔对”按钮，将弹出如图8-11所示的“钻孔对管
5、理器”对话框，在该对话框中可以对钻孔起始层和停止层等属性进行设置。8.1.3 定义电路板板层【实例8-2】定义电路板板层(5)在“层堆栈管理器”对话框中选中“顶部绝缘体”或“底部绝缘体”复选框，即可在顶部或底部添加绝缘层，如图8-12所示，带有绝缘体的层堆栈管理器示意图。单击复选框前面的“浏览”按钮，即可弹出“电介质工具”对话框，以修改绝缘层属性。(6)在“层堆栈管理器”对话框中双击示意图上板层名称，或选中示意图上的板层，右击弹出选项列表，单击“属性”一项，弹出如图8-13所示的“顶层属性编辑层”对话框，可以进行板层名称和铜厚度的修改。除上述命令之外，“层堆栈管理器”对话框中还可以设置添加层、
6、添加平面、删除层、移动板层和修改属性等。8.1.3 定义电路板板层Altium Designer 10可实现原理图和PCB两者同步设计，在PCB电路板的设计过程中。不生成网络文件，直接通过单击原理图编辑器内更新PCB文件按钮实现网络与元件封装的载入。也可以单击PCB编辑器内从原理图导入来实现网络表与元件封装的载入。但需要注意的是，在用户转入网络连接与元件封装之前，必须先载入元件封装网络表和元件的载入失败。本节主要学习元件库的加载以及网络表和元件的加载操作。8.2.2 加载网络表和元件加载完元件封装库后，就可以在PCB文档中加载网络表和元件。网络表和元件的加载实际上就是将原理图中的数据加载进PC
7、B文档的过程。在加载原理图的网络表与元件之前，应该先编译设计项目，根据编译信息检查该项目的原理图是否存在错误，如果有错误，应及时修正，否则加载网络和元件到PCB文档时会产生错误，而导致加载失败。下面以第六章中的数字时钟电路工程为实例进行介绍。【实例8-4】加载网络表和元件(1)打开设计好的原理图工程文件“数字时钟电路.PrjPCB”,如图8-18所示文件目录。(2)在“Projects”中点击鼠标右键选择“给工程添加新的”“PCB”命令，此时给工程添加了PCB文件，此时在工作区弹出文件名为“PCB1.PcbDoc”。在菜单栏中选择“文件”“保存”，在弹出的保存对话框中选择好文件的存储位置后，文
8、件名修改为“数字时钟电路”，然后点击“保存”按钮，完成该PCB文件的保存。(3)在PCB文件编辑环境下，选择“设计”“Import Changes From数字时钟电路.PrjPCB”命令，弹出“工程更改顺序”对话框如图8-19所示。(4)在“工程更改顺序”对话框中单击“生效更改”按钮，检查工程变化顺序并使工程变化顺序生效。(5)在“工程更改顺序”对话框中单击“执行更改”按钮，接受工程变化顺序，将元件和网络表添加到PCB文件中，点击“关闭”按钮，如图8-20所示，如果工程更改顺序中存在严重错误，则装载将失败：如果之前没有加载元件库，则也会失败。在进行PCB设计时，需要在电路板上添加导线、焊盘、
9、元件等操作，这些都可以通过Altium Designer 10中的绘图工具来完成。8.3.1 放置导线导线是绘制PCB时最常用的图元，它就是印制电路板上的实际连接导线。在Altium Designer 10软件中，放置导线的命令有两个，其中“直线”命令只能在某一层面布线，而“交互式布线”命令可以实现不同层之间的交互布线。使用“交互式布线”命令在布线过程中需要变换层时，按数字键盘上的“+”或者“-”键，系统自动放置一个过孔，并翻到另一层面接着布线。启动放置导线命令的常用方式有以下4种：“配线”工具栏：“交互式布线连接”。“应用工具”工具栏：“放置走线”。菜单栏：“放置”“交互式布线”。菜单栏：“
10、放置”“走线”。这里以连接两个电阻R1和R2焊盘间的导线放置为例说明放置导线的步骤。在进行PCB设计时，需要在电路板上添加导线、焊盘、元件等操作，这些都可以通过Altium Designer 10中的绘图工具来完成。8.3.2 放置焊盘放置焊盘是比较常用的操作，如利用焊盘实现元件封装与电路板之间的电气连接。执行“焊盘”命令的常用方式有以下两种：“配线”工具栏：选择“放置焊盘”快捷图标。菜单栏：“放置”“焊盘”。在进行PCB设计时，需要在电路板上添加导线、焊盘、元件等操作，这些都可以通过Altium Designer 10中的绘图工具来完成。8.3.3 放置过孔PCB设计过程中过孔的作用是连接不
11、同网络层之间相同网络的铜膜走线，从而形成完整的电气特性。过孔根据其贯穿板层的方式可以分为穿透式过孔、半盲孔和盲孔3种形式。执行“放置过孔”命令的常用方式有以下两种：“配线”工具栏：选择“放置过孔”快捷图标。菜单栏：“放置”“过孔”。在进行PCB设计时，需要在电路板上添加导线、焊盘、元件等操作，这些都可以通过Altium Designer 10中的绘图工具来完成。8.3.4 放置字符串Altium Designer 10提供了放置字符串的命令，用于必要的文字标注如元件型号、制版日期等。字符串是不具有任何电气结性的图件，对电路的电气连接关系没有任何影响，起提醒设计人员的作用。字符串可以放置在任何层
12、中，但作为标注文字，一般放置在丝印层，即顶层丝印层或底层丝印层。执行“放置字符串”命令的常用方式有以下两种：“配线”工具栏：选择“放置字符串”快捷图标。菜单栏：“放置”“字符串”。在进行PCB设计时，需要在电路板上添加导线、焊盘、元件等操作，这些都可以通过Altium Designer 10中的绘图工具来完成。8.3.5 放置坐标设计人员可以将光标当前所在位置的坐标放置在工作平面上以供参考，坐标与字符串一样不具有任何电气特性，只是提醒用户当前鼠标所在位置与坐标原点之间的距离。执行“放置坐标”命令的常用方式有以下两种：“应用工具”工具栏：选择“应用工具”“放置坐标”快捷图标。菜单栏：“放置”“坐
13、标”。在进行PCB设计时，需要在电路板上添加导线、焊盘、元件等操作，这些都可以通过Altium Designer 10中的绘图工具来完成。8.3.6 放置尺寸标注在PCB设计过程中，处于方便制板的考虑，通常需要标注某些尺寸的大小，尺寸标注同样不具有电气特性，只起提醒用户的作用。执行“放置尺寸标注”命令的常用方式有以下两种：“应用工具”工具栏：“应用工具”“放置标准尺寸”。菜单栏：“放置”“尺寸”“尺寸”。在进行PCB设计时，需要在电路板上添加导线、焊盘、元件等操作，这些都可以通过Altium Designer 10中的绘图工具来完成。8.3.7 放置相对原点在Altium Designer 1
14、0软件中，原点可分为绝对原点和相对原点。“绝对原点”又称为系统原点，位于PCB编辑区的左下角，其位置是固定不变的；“相对原点”是由绝对原点定位的一个坐标原点，其位置可以由设计人员自己设定。刚进入PCB编辑器时，工作区的两个原点是充电的，在设计PCB时，状态栏中指示的坐标值根据相对原点来确定，因此使用相对原点可以给电路板设计带来很多方便。执行“放置原点”命令的常用方式有以下两种：“实用工具”工具栏：选择“应用工具”“设置原点”快捷图标。菜单栏：“编辑”“原点”“设置”。在进行PCB设计时，需要在电路板上添加导线、焊盘、元件等操作，这些都可以通过Altium Designer 10中的绘图工具来完
15、成。8.3.8 放置圆弧Altium Designer 10提供了4种绘制圆弧的方法：“圆弧(中心)”、“圆弧(边沿)”、“圆弧(任意角度)”、“圆环”，下面将介绍这4种方法的操作步骤。1.利用“圆弧(中心)”放置圆弧放置圆弧的“圆弧(中心)”命令是以圆心为基准来绘制和放置圆弧导线的。2.利用“圆弧(边沿)”放置圆弧放置圆弧的“圆弧(边沿)”命令是以圆弧边界(起点和终点)为基准来绘制和放置圆弧的。3.利用“圆弧(任意角度)”放置圆弧放置圆的“圆弧（任意角度）”命令是以圆弧边界(起点)和圆心为基准来绘制和放置圆弧的。4.利用“圆环”放置圆放置圆弧的“圆环”命令是以圆心为基准来绘制和放置圆的。在进
16、行PCB设计时，需要在电路板上添加导线、焊盘、元件等操作，这些都可以通过Altium Designer 10中的绘图工具来完成。8.3.9 放置填充在PCB设计过程中，填充可用于制作PCB插件的接触面，或者为了提高系统的抗干扰性和考虑通过大电流等因素而放置大面积电源或接地区域，填充可分为矩形填充和多边形填充两种。1.放置矩形填充2.放置多边形填充在进行PCB设计时，需要在电路板上添加导线、焊盘、元件等操作，这些都可以通过Altium Designer 10中的绘图工具来完成。8.3.10 放置敷铜现代集成高速电路板通常会将PCB上多余空间作为基准面，使用固体铜进行填充。本书将这些铜区称为敷铜，
17、敷铜由多边形结构生成。印制电路板上的大面积敷铜可用于散热,或者屏蔽和减小信号干扰。由于PCB的基板与铜箔间的粘合剂长时间受热或浸焊,产生的挥发性气体易导致热 量积聚,以至于产生铜箔膨胀或脱落现象,因此通常需要在大面积敷铜上开网状窗口。在进行PCB设计时，需要在电路板上添加导线、焊盘、元件等操作，这些都可以通过Altium Designer 10中的绘图工具来完成。8.3.10 放置敷铜执行“放置敷铜”命令的常用方式有以下两种：“配线”工具栏：选择“放置多边形平面”快捷图标。菜单栏：“放置”“多边形敷铜”。执行两种命令后会出现敷铜属性设置对话框,如图8-42所示“多边形敷铜”对话框,设 完相关属
18、性后,用鼠标在合适的位置画一个边框放置敷铜,系统按设置好的规则间隙敷铜。敷铜填充模式有Solid(Copper Regions)(实心填充)、Hatched(Tracks/Arcs)(网格填充)、None(Outlines Only)(无填充)3种。通常选择“Solid(Copper Regions)(实心填充)”模式。完成了网络表和元件库封装的载入工作后，就要进入元件的布局。元件布局，即把元件封装合理排布在电路板上的过程，它直接决定了设计的电路是否能够可靠、正常地工作。Altium Designer 10提供了两种布局方式：自动布局和手工布局。8.4.1 自动布局自动布局就是利用Altium
19、 Designer 10 提供的各种自动布局的工具完成电路板上元件的布局工作。只要定义合理的规则，系统将会按照规则自动地将元件在PCB 上布局，为了更好地利用自动布局的工具，在详细介绍自动布局的步骤之前先介绍如何设置自动布局参数。设置自动布局参数是否合理将直接关系到自动布局的最终结果。完成了网络表和元件库封装的载入工作后，就要进入元件的布局。元件布局，即把元件封装合理排布在电路板上的过程，它直接决定了设计的电路是否能够可靠、正常地工作。Altium Designer 10提供了两种布局方式：自动布局和手工布局。8.4.2 手工布局总的来说，Altium Designer 10的自动布局功能往往
20、不太理想，特别是当电路比较复杂时更如此。因此，大多数情况下都需要对自动布局的结果进行手工调整。在手工调整元件布局时需要综合考虑电路的抗干扰性、散热性、某些元件对布局的特殊要求等多种问题。进行手工布局没有特定的步骤，一般按照相邻走线较多的元件接近排放，滤波电容应该靠近滤波元件，模拟电路和数字电路不要混合布局等一些规则进行布局。手工布局结束后还要手工调整元件的标号位置。手工布局的具体方法较为简单：使用鼠标右键将各元件移动到合理的位置，在此过程中可以配合空格(旋转元件),X键(水平翻转)和Y键(垂直翻转),以获得更合理的布局格式。布线，即在PCB中放置导线和过孔，将板上的元件按一定的电气连接关系连接
21、起来。布线工布线和自动布线两种，通常情况下，这两种布线方式是结合起来用的。在自动布线之前需要对自动布线的参数进行设置。布线设计规则设置是否合理将影响电路板布线的质量。8.5.1 设置自动布线设计规则自动布线时，设计人员可根据需要设置布线规则，主要包括以下几项。1.安全间距：是指在保证电路板正常工作的前提下导线与导线、导线与焊盘之间的最小距离，其设置步骤如下：在菜单栏中选择“设计”“规则”命令，启动PCB规则和约束编辑器，在左窗格中依次单击“Electrical”“Clearance”“Clearance”,此时对话框如图8-51所示。2.布线宽度：用于设置导线宽度的最大、最小允许值和典型值。其
22、设置步骤如下：在菜单栏中选择“设计”“规则”命令，启动PCB规则和约束编辑器，在左窗格中依次单击“Routing”“Width”“Width”,此时对话框如图8-52所示。3.布线优先级：指程序允许用户设定各个网络布线的顺序，优先级高的网络布线早，优先级低的网络布线晚，Altium Designer 10 提供了0100共101种优先级选择，数字0代表的优先级最低，100代表的优先级最高。其设置步骤如下：在菜单栏中选择“设计”“规则”命令，启动PCB规则和约束编辑器，在左窗格中依次单击“Routing”“Routing Priority”“Routing Priority”，此时对话框如图8-
23、53所示。4.布线工作层：用于设定允许布线的工作层及各个布线层上走线的方向，其设置步骤如下：在菜单栏中选择“设计”“规则”命令，启动PCB规则和约束编辑器，在左窗格中依次单击“Routing”“Routing Layers”“Routing Layers”，此时对话框如图8-54所示。5.布线拐角模式：定义了自动布线时拐角的形状及最小和最大的允许尺寸。其设置步骤如下：在菜单栏中选择“设计”“规则”命令，启动PCB规则和约束编辑器，在左窗格中依次单击“Routing”“Routing Corners”“Routing Corners”，此时对话框如图8-55所示。6.过孔样式：定义自动布线时可以
24、使用的过孔尺寸。其设置步骤如下：在菜单栏中选择“设计”“规则”命令，启动PCB规则和约束编辑器，在左窗格中依次单击“Routing”“Routing Via Style”“Routing Via”，此时对话框如图8-56所示。8.5.2 自动布线布线设计规则设置完毕后，就可以进行自动布线。Altium Designer 10中自动布线的方式灵活多样，根据用户布线的需要，既可以进行全局布线，也可以对用户指定的区域、网络、元件甚至是连接进行布线，因此可以根据设计过程中的实际需求选择最佳的布线方式。8.5.3 手工布线在Altium Designer 10中，利用自动布线一般是不可能完成全部任务的。
25、自动布线其实质是在某种给定的算法下，按照设计人员给定的网络表，实现各网络之间的电气连接。因此，自动布线的功能主要是实现电气网络间的连接，在自动布线的实施过程中，很少考虑到特殊的电气、物理和散热等要求，设计人员需要通过手工布线进行调整，主要包括手工调整布线、加宽电源和接地线等。经过以上步骤后，已经完成了一块电路板的全部设计过程，但是还不能送给加工单位进行加工，还必须进行设计规则检测(DRC)。Altium Designer 10提供的设计规则检测工具是非常有用的规则检测工具，对于一块复杂的PCB在送去加工单位之前一定要经过DRC检查。通过检查能够确保制作的PCB完全符合设计人员的设计要求。因此建
26、议设计人员在完成PCB的布线后千万不要遗漏这一步。见教材【实例8-20】设计规则检测运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。本实例以AD8001AN为核心芯片的电路，如图8-62所示，在已有电路原理图的基础上，介绍如何设计放大电路PCB文件，并进行布局布线操作。设计思路：首选，创建一个PCB工程，并在工程下创建新的原理图，并选好存储位置对工程和原理图文件命名并保存；其次，对原理图中的元器件进行分析统计，先放置好所有元件，确定各芯片的位置后进行元件布局，然后用导线将其连接起来，即可完成原理图的布局。在设计好的原理图基础上，进入PCB编译环境，设定规则和约束，进行元件自动布局，在进行自动布线操作，最后保存文件。操作步骤详见教材8-1 分别叙述PCB设计常用对象的放置及属性设置方法？8-2 简述PCB设计常用的设计规则？8-3 简述PCB板层都包括那些板层？分别起什么作用？8-4 简述PCB器件的布局布线规则和方法有哪些？
