1、第5章 电路板设计 5.1 元器件在元器件在PCB上的安装上的安装5.2 PCB的组成结构的组成结构5.3 创创建建PCB5.4 PCB设计菜单设计菜单5.5 设置设计规则设置设计规则5.6 布局布局5.7 布线布线5.8 覆铜覆铜5.9 原理图与原理图与PCB图的同步更新图的同步更新5.10 后处理后处理5.1 元器件在元器件在PCB上的安装上的安装5.1.1 元器件的布局元器件的布局在电路板设计中，布局是一个重要的环节，布局的好坏将直接影响布线的效果，合理的布局是PCB设计成功的第一步。布局的方式分为两种：一种是交互式布局；另一种是自动布局，一般是在自动布局的基础上使用交互式布局进行调整。
2、在布局时还可以根据走线的情况对门电路进行再分配，将两个门电路进行交换，使其成为便于布线的最佳布局，在布局完成后，还可对设计文件及有关信息进行返回标注，使得PCB中的有关信息与原理图一致，以便能与以后的建档、更改设计同步起来，同时对模拟的有关信息进行更新，使得能对电路的电气性能及功能进行板级验证。设计者首先要考虑PCB尺寸大小，PCB尺寸过大时印制线路增长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也会增加；过小则散热不好，且相邻走线易受干扰。其次，在确定PCB尺寸后，要确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元件进行布局。在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则：(1)尽可能缩短高频元件之间
3、的连线，设法减少它们的分布参数和相互之间的电磁干扰，易受干扰的元件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。(2)某些元件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电导致意外短路。带强电的元件应尽量布置在调试时人体不必接触到的地方。(3)重量超过15g的元件，应当使用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量大的元件不宜装在电路板上，而应装在整机的机箱底板上且应考虑散热问题，热敏元件应远离发热元件。(4)电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。(5)应留出电路板的定位孔和固定支架所占用的位置。根据电路的功能单元对电路的全部元器件进行布
4、局时，要符合以下原则：(1)按照电路中各个功能单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。(2)以每个功能单元的核心元件为中心，围绕它们来进行布局。元件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各个元件之间的引线和连接。(3)一般元器件应该排布在PCB的一面，并且每个元器件的引出脚要单独占用一个焊盘，两焊盘之间应有一定距离的阻焊。(4)元器件的排布不能上下交叉，如图5-1-1所示。相邻的两个元器件之间要保持一定间距，间距不得过小，避免相互碰接。如果相邻元器件的电位差较高，则应当保持安全距离。一般环境中的间隙安全电压是200V/mm。图5-1-1 元器件的排布(5)元器
5、件两端焊盘的跨距应该稍大于元器件本体的轴向尺寸，如图5-1-2所示，引线不能齐根弯折，弯角时应该留出一定距离(至少2mm)，以免损坏元器件。图5-1-2 元器件引脚转折处需要与元器件本体保留距离(6)高频电路，要考虑元件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元件平行排列，均匀布置，疏密一致。这样不但美观，而且焊接容易，易于批量生产。(7)位于电路板边缘的元件，离电路板边缘一般不小于2mm，电路板的最佳形状为矩形，长宽比为3 2或4 3。电路板面尺寸大于200mm150mm时，应考虑电路板的机械强度。布局后要进行以下一些严格的检查：(1)电路板尺寸是否与加工图纸尺寸相符，能否符合PCB制造工艺要求，
6、有无定位标志？(2)元件在二维、三维空间上有无冲突？(3)元件布局是否疏密有序、排列整齐，是否全部布完？(4)需经常更换的元件能否方便地更换，插件板插入设备是否方便？(5)热敏元件与发热元件之间是否有适当的距离？(6)调整可调元件是否方便？(7)在需要散热的地方是否装了散热器，空气流动是否通畅？(8)信号流程是否顺畅且互连最短？(9)插头、插座等与机械设计是否矛盾？(10)线路的干扰问题是否有所考虑？5.1.2 元器件的安装方式元器件的安装方式引线式元器件有立式与卧式两种安装固定的方式。卧式安装的元器件的轴线方向与电路板面平行，而立式安装的则是垂直的。这两种方式各有特点，在设计电路板时应该灵活
7、掌握，可以根据实际情况采用其中一种方式，也可以同时使用两种方式，如表5-1-1所示。但要确保电路的抗震性很好，安装维修方便，元器件排列疏密均匀，便于布线。表表5-1-1 元器件的安装固定方式元器件的安装固定方式5.1.3 元器件的排列格式元器件的排列格式元器件应当均匀、整齐、紧凑地排列在印制电路板上，尽量减少和缩短各个单元电路之间和每个元器件之间的引线和连接。元器件在电路板上的排列格式，有不规则与规则的两种方式。这两种方式在电路板上可以单独采用，也可以同时出现。(1)不规则排列：元器件的轴线方向彼此不一致，在电路板上的排列顺序也没有一定规则，如图5-1-3所示。用这种方式排列元器件，看起来显得
8、杂乱无章，但由于元器件不受位置与方向的限制，使印制导线布设方便，并且可以缩短、减小元器件的连线，大大降低了电路板上印制导线的总长度。这对于减少电路板上的分布参数、抑制干扰很有利，特别是对于高频电路极为有利。这种排列方式一般还在立式安装固定元器件时被采用。图5-1-3 不规则排列(2)规则排列：元器件的轴线方向排列一致，并与电路板的四边垂直或平行，如图5-1-4所示。除了高频电路以外，一般电子产品中的元器件都应当尽可能平行或垂直地排列，卧式安装固定元器件时，更要以规则排列为主。这不仅是为了板面美观整齐，还可以方便装配、焊接、调试，易于生产和维护。规则排列的方式特别适用于板面相对宽松、元器件种类相
9、对较少而数量较多的低频电路。电子仪器中的元器件常采用这种排列方式。但由于元器件的规则排列要受到方向或位置的一定限制，因此电路板上导线的布设可能复杂一些，导线的总长度也会相应增加。图5-1-4 规则排列5.2 PCB的组成结构的组成结构常见的PCB如图5-2-1所示，它主要由本体、铜箔层、阻焊层和丝印层等组成，将各种元件(如芯片、电阻、电容等)焊接在PCB上，经过调试后，PCB就可实现原理图中所要实现的功能。图5-2-1 PCB的组成结构总结起来PCB包含以下几个组成部分：(1)元器件：用于完成电路功能的各种器件。每一个元器件都包含若干个引脚，通过引脚，电信号被引入元器件内部进行处理，从而完成对
10、应的功能。元器件引脚还有固定元器件的功能。在电路板上的元器件包括集成电路芯片、分立元件(如电阻、电容、电感等)、提供电路板输入/输出端口和电路板供电端口的连接器，某些电路板上还有用于指示的器件(如数码管、发光二极管、LCD、LCM等)。(2)铜箔层：铜箔在电路板上可以表现为导线、过孔、焊盘和覆铜等，它们各自的作用如下：导线：用于连接电路板上各种元器件的引脚，实现电气连接。过孔：在多层电路板中，为了实现电气连接，某些导线需要使用过孔改变导线布置层数。焊盘：用于在电路板上固定元件的，也是电信号进入元器件的通路组成部分；用于安装整个电路板的安装孔有时以焊盘的形式显示；用于与大地连接。覆铜：在电路板上
11、的某个区域填充铜箔称为覆铜，可以改善电路性能。(3)阻焊层：在无需焊锡焊接的导线、覆铜、过孔上附上阻焊层，用于阻碍焊锡的粘连。(4)丝印层：印刷电路板的顶层，用于标注文字，注释电路板上的元器件和整个电路板。丝印层还能起到保护顶层导线的功能。(5)本体：采用绝缘材料制成，用于支撑整个电路板，它们有各自的形式。在PCB设计中，元器件将以封装的形式显示，封装中包含对应元器件焊盘的引脚、元器件覆盖范围的边框等。5.3 创创建建PCB5.3.1 创建创建PCB文件文件创建PCB的步骤如下：步骤1：单击“文件”“新建”“PCB”命令或将鼠标指针移动到工程文件“练习.PrjPCB”上，单击鼠标右键，在弹出的
12、快捷菜单中选择“给工程添加新的”“PCB”选项，即可创建一个PCB文件，如图5-3-1所示。图5-3-1 创建PCB文件步骤2：创建PCB文件后，PCB设计窗口自动处于编辑状态，如图5-3-2所示。图5-3-2 处于编辑状态的PCB设计窗口步骤3：创建的原理图默认名为“PCB1.PcbDoc”，单击“文件”“保存为”命令，输入需要的文件名即可。手工生成的PCB文件默认为一块双面板，它包含以下的工作层面：(1)信号层：Top Layer、Bottom Layer。(2)机械层：Mechanical 1。(3)丝印层：Top Overlay、Bottom Overlay。(4)禁止布线层：Keep
13、-Out Layer。(5)多层：Multi-Layer。(6)锡膏层：Top Paste、Bottom Paste、Top Solder、Bottom Solder。对于电路板设计而言，单面板和双面板是使用最多的两种。在设计单面板时,可将自动生成的双面板中的Top Layer不使用，即相当于设计单面板。如果电路比较复杂，则可能需要较多的信号层，这时需要手工添加信号的层数，步骤如下：步骤1：单击“设计”“层叠管理”命令，弹出“层堆栈管理器”对话框，如图5-3-3所示。图5-3-3 “层堆栈管理器”对话框步骤2：单击“添加层”按钮，添加信号层，通常需添加偶数个信号层，如2层、4层、6层、8层等。
14、图5-3-4为添加两个信号层，与最初的两个信号层一起形成四层板。图5-3-4 添加两个信号层步骤3：添加的层默认名为“MidLayer1”，一般可以不更改，如需更名，可双击名称“MidLayer1”，弹出如图5-3-5所示的“MidLayer1 properties”对话框，在该对话框中可以定义该层信号线铜皮的厚度。图5-3-5 “MidLayer1 properties”对话框步骤4：单击“确认”按钮，完成层的增加，在PCB窗口中将多出两个新增加的层，如图5-3-6所示。图5-3-6 增加层后的PCB界面如果觉得编辑窗口底部显示的层信息过多，可以隐藏部分不常用的层，如Top Paste、Bo
15、ttom Paste、Top Solder、Bottom Solder等层。单击“设计”“板层颜色”命令，弹出“查看配置”对话框，如图5-3-7所示。单击“板层和板颜色”中对应层的“展示”选项，如打“”则显示该层；如取消则不显示。同样，单击“颜色”选项，可以修改层的颜色。图5-3-7 “查看配置”对话框5.3.2 电路板物理边界规划电路板物理边界规划电路板的物理边界即为PCB的实际大小和形状，它的规划是在Mechanical 1上进行的。规划电路板物理边界需要以下的步骤：步骤1：单击工作窗口中的Mechanical 1标签，此时工作层面为Mechanical 1，物理边界的绘制将在该层面上进行
16、，在工作层面上放置的线将确定电路板的边框。步骤2：图中默认原点为图纸的最左下方，不便于操作设计，一般需重新定义，单击“编辑”“原点”“设置”命令，鼠标指针变十字形状显示在工作窗口中。步骤3：移动鼠标指针，在图纸中合适位置单击鼠标左键，则将当前位置设置为新的坐标原点。步骤4：单击“放置”“走线”命令，鼠标指针将变成十字形状显示在工作窗口中。移动鼠标，将鼠标指针放置在刚刚设置的坐标原点上，单击鼠标左键确定边框上的一个顶点。步骤5：向右移动鼠标，将出现一根红色的线随着鼠标移动。移动鼠标指针到坐标点(100mm，0mm)后单击，此时完成一条边框线的绘制。提示：由于默认的捕获栅格为20mil，虽然通过快
17、捷键“Q”可切换显示为公制单位，但无法捕获到100mm坐标点,这时可单击“应用程序”工具栏中的“”按钮，选择公制单位的捕获栅格，如0.500mm、1.000mm等，则可捕获到100mm坐标点。该参数也可在“板参数选项”中更改，单击“设计”“板参数选项”命令，弹出如图5-3-8所示的“Board选项”对话框，修改相关参数即可。图5-3-8 “Board选项”对话框步骤6：此时鼠标指针仍处于十字形状的状态，可以继续绘制边框线。移动鼠标指针到坐标(100mm，100mm)，单击鼠标左键两次，确定第二条边框线。步骤7：按照步骤6的操作，从坐标点(100mm,100mm)到坐标点(0mm，100mm)绘
18、制第三根边框线。步骤8：按照步骤6的操作，从坐标点(0mm，100mm)到坐标点(0mm，0mm)绘制第四根边框线。移动鼠标指针到坐标点(0mm，0mm)上，该点将显示一个小圆圈，表示边界框线已经闭合。步骤9：单击鼠标右键，退出绘制线的状态，此时在工作窗口中将显示物理边界的边框，如图5-3-9所示。图5-3-9 物理边界的边框物理边界线确定了真实的电路板大小，因此在绘制电路物理边界线时需要特别注意线的端点位置，确保物理边界的大小正确。以上给出的坐标值是为了定义一块板子的大小，如果没有准确的大小，用户直接用导线在板子上绘制物理边界即可。图5-3-9中板边界(黑底)与边框不一致,可以单击“设计”“
19、板子形状”“重新定义板子外形”命令来重新定义板边界。重新定义后的外形如图5-3-10所示。图5-3-10 重新定义后的外形5.3.3 电路板电气边界规划电路板电气边界规划电路板电气边界决定了电路板的元器件布局和布线区，处于Keep-Out Layer中，电路板电气边界规划的过程和物理边界规划的过程类似，总结起来需要以下的步骤：步骤1：单击工作窗口中的Keep-Out Layer标签，此时工作层面为Keep-Out Layer。步骤2：在工作层面上放置的线将确定电路板的边框，单击“放置”“走线”命令后，标指针将变成十字形状并显示在工作窗中。步骤3：绘制电气边界边框。该边框的四个顶点为(0mm，0
20、mm)、(100mm，0mm)、(100mm，100mm)和(0mm，100mm)。步骤4：单击鼠标右键或者按Esc键，退出绘制线的状态，此时在工作窗口显示了物理边界和电气边界。在给出电路板的物理边界和电气边界后即可完成电路的规划。5.4 PCB设计菜单设计菜单1主菜单主菜单在主菜单中，可以找到所有绘制PCB所需要的操作，这些操作分为以下几栏，如图5-4-1所示。(1)文件：主要用于各种文件操作，包括新建、打开、保存等功能。(2)编辑：用于完成各种编辑操作，包括撤销/取消撤销、选取/取消选取、复制、粘贴、剪切等功能。(3)查看：用于视图操作，包括工作窗口的放大/缩小、打开/关闭工具栏和显示栅格
21、等功能。图5-4-1 PCB界面中的主菜单(4)工程：对于工程的操作。(5)放置：用于放置字符串、走线、过孔、器件等。(6)设计：设计电路板所需的特别功能，如定义板子的边框、板层管理等。(7)工具：为设计者提供各种工具，包括器件布局、信号完整性、泪滴等功能。(8)自动布线：用于电路板走线的布置。(9)报告：产生元件符号检错报表，提供测量功能。(10)窗口：改变窗口显示方式，切换窗口。(11)帮助：帮助菜单。2工具栏工具栏工具栏包括三栏：“标准”工具栏、“布线”工具栏和“应用程序”工具栏，如图5-4-2所示。将鼠标指针放置在图标上会显示该图标对应的功能说明，工具栏中所有的功能在主菜单中均可找到。
22、图5-4-2 工具栏3工作面板工作面板在PCB设计中常用的面板为PCB面板，单击右下角的“PCB”“PCB”，该面板如图5-4-3所示。在PCB面板中的操作分为两类：一类是对网络的操作；另一类是对当前激活网络走线的操作。图5-4-3 PCB面板 5.5 设置设计规则设置设计规则在电路板设计时需要设置规则，如线的宽度、线之间的间距、过孔的大小等。单击“设计”“规则”命令，弹出“PCB规则和约束编辑器”对话框，如图5-5-1所示。其中的设计规则有电气(Electrical)设计规则、布线(Routing)设计规则、表贴式封装(SMT)设计规则、屏蔽(Mask)设计规则、内电层(Plane)设计规则
23、、测试点(Testpoint)设计规则、制造(Manufacturing)设计规则、高频电路(High Speed)设计规则、元件布置(Placement)设计规则、信号完整性(Signal Integrity)设计规则，下面简要介绍各设计规则下几种常用的细则。图5-5-1 “PCB规则和约束编辑器”对话框1线间距线间距单击图5-5-1中“Electrical”选项前的“+”号，展开其包含项目，单击其中的“Clearance”选项，得到如图5-5-2所示的对话框。修改“最低清除”参数，默认为10mil(0.254mm)，一般采用默认值即可，在一些大电流或高压场合，需要增大两线之间的距离，在一些
24、密集布线的场合(如BGA封装的元器件布线)需要减小两线之间的距离。图5-5-2 线间距定义2线宽度线宽度单击图5-5-1中“Routing”选项前的“+”号，展开其包含的选项，单击其中的“Width”选项，得到如图5-5-3所示的对话框。修改“约束”参数，“Min Width”(最小线宽)默认为10mil，一般采用默认值即可，在一些密集布线的场合(如BGA封装的元器件布线)常需要减小最小线宽。“Max Width”(最大线宽)默认为10mil，一般的信号线采用默认值即可，电源和地线需要增大，通常为30mil50mil。“Preferred Width”(首选线宽)，即当前画线使用的线宽，参数值
25、需在最大线宽和最小线宽之间。图5-5-3 线宽度定义3自动布线的拓扑结构自动布线的拓扑结构单击图5-5-1中“Routing”选项前的“+”号，展开其包含的选项，单击其中的“Routing Topology”选项，得到如图5-5-4所示的对话框。修改“约束”参数，默认为Shortest(最短布线)，单击该选项产生下拉菜单，可以选择其他布线方式。其中包括Shortest(采用最短路径走线)、Horizontal(采用水平走线)、Vertical(采用垂直走线)、Daisy-Simple(采用简单的菊状走线)、Daisy-MidDriven(采用由中间向外的菊状走线)、Daisy-Balanced
26、(采用平衡式菊状走线)及Starburst(采用放射状走线)。图5-5-4 自动布线的拓扑结构定义4过孔大小的定义过孔大小的定义单击图5-5-1中“Routing”选项前的“+”号，展开其包含的选项，单击其中的“Routing Via Style”选项，得到如图5-5-5所示的对话框。修改“约束”参数，“Via Diameter”默认为50mil，“Via Hole Size”默认为28mil。图5-5-5 过孔大小的定义5连接电源板层的方式连接电源板层的方式单击图5-5-1中“Plane”选项前的“+”号，展开其包含的选项，单击其中的“Power Plane Connect Style”选项
27、，得到如图5-5-6所示的对话框。修改“约束”参数，单击“连接方式”的下拉菜单，选择需要的连接方式，其中“Relief Connect”选项表示采用辐射方式连接，如此覆铜上的热量才不容易传到零件接脚上。“Direct Connect”选项表示直接连接，也就是全面连接。如果选择“Relief Connect”选项，还需要定义连接线的宽度、连接线的数量、钻孔与空隙之间的距离、空隙的大小。图5-5-6 连接电源板层的方式6电源板层的安全距离电源板层的安全距离单击图5-5-1中“Plane”选项前的“+”号，展开其包含的选项，单击其中的“Power Plane Clearance”选项，得到如图5-5
28、-7所示的对话框。它用于规定电源板层的安全距离，整个电源板层都覆了铜膜，当有导孔和焊点穿过而不与该层连接时，则应该在电源板层该处留足够大的空位，以防止连通，该选项就是要设置保持多大的安全距离。图5-5-7 电源板层的安全距离7覆铜和焊点的连接方式覆铜和焊点的连接方式单击图5-5-1中“Plane”选项前的“+”号，展开其包含的选项，单击其中的“Polygon Connect Style”选项，得到如图5-5-8所示的对话框。连接方式中“Relief Connect”选项表示采用辐射方式连接，这样覆铜上的热量不容易传到元件引脚上，“Direct Connect”表示直接连接，也就是全面连接。如果
29、选择“Relief Connect”选项，还需要指定连接线的宽度、连接线的数量、连接线的角度。图5-5-8 覆铜和焊点的连接方式8测试点设计规则测试点设计规则测试点设计规则用于设置测试点的样式和使用方法。1)测试点的样式(Testpoint Style)测试点的样式规则用于设置测试点的形状和大小，如图5-5-9所示。设置测试点参数中部分选项的含义如下：(1)“类型”选项区域：“Size”用于设置测试点的大小；“Hole Size”用于设置测试点的钻孔大小；“Min”用于设置最小尺寸限制；“Max”用于设置最大尺寸限制；“Preferred”用于设置优先使用的尺寸。图5-5-9 测试点参数的设置
30、(2)“Grid Size”选项区域：“Testpoint grid size”用于放置测试点的网格大小，默认值为1mil；“Allow testpoint under component”选项被选中时，测试点可以放置在元件(封装)下面。(3)“Allowed Side and Order”选项区域：该列表框选择允许放置测试点的层面和命令。“Use Existing SMD Bottom Pad”表示使用现有的底层表贴式焊盘为测试点。“Use Existing Via ending on Bottom Pad”表示使用现有的结束端在底层的过孔为测试点。“Create New SMD Botto
31、m Pad”表示在底层新建表贴式焊盘为测试点。“Create New Thru-Hole Bottom Pad”表示在底层新建针脚式焊盘为测试点。“Use Existing SMD Top Pad”表示使用现有的顶层表贴式焊盘为测试点。“Use Existing Thru-Hole Top Pad”表示使用现有的顶层针脚式焊盘为测试点。“Use Existing Via Starting on Top Pad”表示使用现有的结束端在顶层的过孔为测试点。“Create New SMD Top Pad”表示在顶层新建表贴式焊盘为测试点。“Create New Thru-Hole Top Pad”表
32、示在顶层新建针脚式焊盘为测试点。2)测试点的使用方法(Testpoint Usage)测试点的使用方法规则用于设置测试点的用法，如图5-5-10所示。“Allow multiple testpoints on same net”选项被选中时表示允许在同一条网络上设置多个测试点。“Required”表示测试点是必要的；“Invalid”表示测试点是不必要的；“Dont care”表示有无测试点都无关系。图5-5-10 测试点用法的设置9高频电路设计规则高频电路设计规则在数字电路中，是否是高频电路取决于信号的上升沿和下降沿,而不是信号的频率,频率的计算公式为：f=1/(Ttp),其中，Tt为信号的
33、上升/下降沿时间。f100MHz，就应该按照高频电路进行考虑，下列情况必须按高频规则进行设计：(1)系统时钟频率超过50MHz。(2)采用了上升/下降沿时间少于5ns的器件。(3)数字/模拟混合电路。随着系统设计复杂性和集成度的大规模提高，常用总线的工作频率已经达到或者超过50MHz，有的甚至超过100 MHz，电子系统设计人员必须学会100 MHz以上电路的设计。当系统工作在50MHz时，将产生传输线效应和信号的完整性问题，而当系统时钟的工作频率达到120 MHz时，除非使用高速电路设计知识，否则基于传统方法设计的PCB将无法工作。因此，高速电路设计技术已经成为电子系统设计人员必须采取的设计
34、手段。只有通过使用高速电路设计技术，才能实现设计过程的可控性。通常约定如果线传输延时大于1/2数字信号驱动端的上升时间，则认为此类信号是高速信号并产生传输线效应。PCB上每单位英寸的延时为0.167ns。但是，如果过孔多，器件引脚多，布线上设置的约束多，延时将增大。如果设计中有高速跳变的边沿，就必须考虑到在PCB上存在传输线效应的问题。现在普遍使用的高速IC更是存在这样的问题。解决这个问题有一些基本原则：如果采用CMOS或TTL电路进行设计，工作频率小于10MHz，布线长度应不大于7英寸；工作频率在50MHz布线长度应不大于1.5英寸；如果工作频率达到或超过75 MHz布线长度应在1英寸。对于
35、GaAs(砷化镓)芯片最大的布线长度应为0.3英寸。如果超过这个标准，就存在传输线效应的问题。解决传输线效应的另一个方法是选择正确的布线路径和终端拓扑结构。走线的拓扑结构是指一根网线的布线顺序及布线结构。当使用高速逻辑器件时，除非走线分支长度保持很短，否则边沿快速变化的信号将被信号主干走线上的分支走线所扭曲。通常情形下，PCB走线采用两种基本拓扑结构，即菊状形(Daisy)布线和星形(Star)布线。对于菊状形(又称为菊状链)布线，布线从驱动端开始，依次到达各接收端。如果使用串联电阻来改变信号特性，串联电阻的位置应该紧靠驱动端。在控制走线的高次谐波干扰方面，菊状链走线效果最好。但这种走线方式布
36、通率最低，不容易100%布通。星形拓扑结构可以有效地避免时钟信号的不同步问题，但在密度很高的PCB上手工完成布线十分困难。采用自动布线器是完成星形布线的最好方法。在星形布线的每条分支上都需要终端电阻，终端电阻的阻值应和连线的特征阻抗相匹配。可通过手工计算，也可通过设计工具计算出特征阻抗值和终端匹配电阻值。高速PCB电路的设计规则是影响高速电路板是否成功的关键，Altium Designer软件提供了六大类高速电路设计规则，为用户进行高速电路设计提供了最有力的支持。1平行布线平行布线(Parallel Segment)平行布线规则用于设置平行布线的长度和间距，如图5-5-11所示。图5-5-11
37、 平行布线规则的设置“约束”参数区中，“层校验”用于指定平行布线层，下拉菜单中有两种选择：一为“Same Layer”表示同一层；二为“Adjacent Layer”表示相邻层。“对于平行间距”项用于设置平行布线的最小间距，默认为10mil。“并行限制是”项用于设置平行布线的极限长度，默认为10000mil。2网络布线长度网络布线长度(Length)网络布线长度规则用于设置网络布线的最大和最小长度，如图5-5-12所示。图5-5-12 网络布线长度规则的设置3等长网络布线等长网络布线(Matched Net Lengths)等长网络布线规则也称为匹配网络长度规则，用于设置指定网络的等长布线规则
38、。该规则以规定范围中的最长布线为基准，使其他网络通过匹配调整操作，以增长布线的形式在设定的公差范围内与它等长，如图5-5-13所示。图5-5-13 等长网络布线长度规则的设置4菊状链支线长度菊状链支线长度(Daisy Chain Stub Length)菊状链支线长度(简称支线长度)规则用于设置在菊状链走线时支线的最大长度，如图5-5-14所示。图5-5-14 菊状链支线长度规则的设置5SMD焊盘下放置过孔焊盘下放置过孔(Vias Under SMD)表贴式焊盘下放置过孔规则用于设置是否允许在SMD焊盘下放置过孔。在“约束”区域中选中“允许在SMD焊盘下面有过孔”选项即可，如图5-5-15所示
39、。图5-5-15 SMD焊盘下放置过孔的设置6过孔的限制过孔的限制(Maximum Via Count)在进行高速PCB设计时，设计者总是希望过孔数越少越好，这样板上可以留有更多的布线空间。此外，过孔数越少，其自身的寄生电容也越小，更适用于高速电路。但过孔的尺寸的减小同时带来了成本的增加。而且过孔的尺寸不可能无限制的减小，它受到钻孔和电镀等工艺技术的限制。过孔的尺寸越小，钻孔需花费的时间越长，也越容易偏离中心位置。当过孔的深度超过钻孔直径的6倍时，就无法保证孔壁能均匀镀铜。鉴于过孔对高速电路的影响，在设计高速电路时尽量少使用过孔，Altium Designer软件中过孔数限制规则用于设置高速电
40、路板中使用过孔的最大数，用户可根据需要设置电路板总过孔数或某些对象的过孔数，以提高电路板的高频性能，如图5-5-16所示。图5-5-16 电路板上允许的过孔数的设置5.6 布布 局局5.6.1 导入元件导入元件导入元件的方法有两种：一种是在原理图窗口下单击“设计”“Update PCB Document PCB1.PcbDoc”命令，其中PCB1.PcbDoc为将要导入的PCB文件；另一种是在PCB窗口下单击“设计”“Import Changes From 练习.PrjPCB”命令，其中“练习.PrjPCB”为需要导入的工程文件。导入元件的步骤如下：步骤1：单击“设计”“Update PCB
41、Document PCB1.PcbDoc”命令或单击“设计”“Import Changes From 练习.PrjPCB”命令，弹出如图5-6-1所示的“工程更改顺序”对话框。图5-6-1 “工程更改顺序”对话框步骤2：单击“执行更改”按钮，原理图中的元件将导入PCB文件。成功导入则打“”；否则打“”，并显示错误信息，如图5-6-2所示，可以看出图中提示无法找到元件对应的封装。图5-6-2 执行更改后有错误的“工程更改顺序”对话框使用第4章的方法画出元件封装，如果库中已有相应封装，则在原理图中重新定位元件封装所在位置。重新执行步骤1、2，直至没有错误为止，如图5-6-3所示。图5-6-3 执行
42、更改后无错的“工程更改顺序”对话框步骤3：单击“关闭”按钮，返回PCB窗口，这时原理图中的元件被导入PCB文件中，如图5-6-4所示。图5-6-4 导入元件的PCB窗口5.6.2 元件布局元件布局元件布局分为自动布局和手工交互式布局两种，单击“工具”“元件布局”命令，弹出如图5-6-5所示的元件布局菜单，该菜单下包含元件布局所需的操作命令。图5-6-5 元件布局菜单程序中的自动元件布置并不理想。如果要采用程序所提供的自动元件布置功能，时间会很长，而且自动元件布置的结果大部分不符合设计者的要求，因此还是采用手工的方法进行元件布置更好，操作步骤如下：步骤1：将鼠标指针移动到需要布局的元件上，按住左
43、键不放，即可抓住该元件，移动鼠标指针，即可将它拉走，如图5-6-6所示。图5-6-6 移动元件步骤2：移动鼠标指针到需要放置元件的地方，放开鼠标左键，元件将被放置在该处，如图5-6-7所示。图5-6-7 放置元件步骤3：重复步骤1、2，直至所有元件放置完毕，基本布局好的PCB如图5-6-8所示。图5-6-8 基本布局好的PCB步骤4：单击“编辑”“对齐”命令，弹出如图5-6-9所示的对齐菜单，将元件排列整齐，布局好的PCB如图5-6-10所示，使电路板整齐美观。图5-6-9 对齐菜单图5-6-10 布局好的PCB5.7 布布 线线5.7.1 布线的基本原则布线的基本原则PCB设计的好坏对电路板
44、的抗干扰能力影响很大。因此，在进行PCB设计时，必须遵守PCB设计的基本原则，并应符合抗干扰设计的要求，使得电路获得最佳的性能。布线的基本原则如下：(1)印制导线的布设应尽可能短，在高频回路中更应如此；同一元件的各条地址线或数据线应尽可能保持一样长；印制导线的拐弯应呈圆角，因为直角或尖角在高频电路和布线密度高的电路中会影响电气性能；当双面布线时，两面的导线应互相垂直、斜交或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生耦合；作为电路的输入和输出用的印制导线应尽量避免相邻平行，最好在这些导线之间加地线。(2)印制导线的宽度应满足电气性能要求而又便于生产，最小宽度主要由导线与绝缘基板间的黏附强度和流过的电流值
45、决定，但最小不易小于0.2mm，在高密度、高精度的印制线路中，导线宽度和间距一般可取0.3mm；导线宽度在大电流情况下还要考虑其温升，单面板实验表明，当铜箔厚度为50m、通过电流为2A时，选用宽度为1mm1.5mm的导线就可以满足设计要求而不致引起温升；印制导线的公共地线应尽可能粗，通常使用宽度大于2mm3mm的导线，这在带有微处理器的电路中尤为重要，因为当地线过细时，由于流过的电流的变化，引起地电位变动，微处理器时序信号的电平变得不稳，会使噪声容限劣化；在DIP封装的IC脚之间走线，当两脚之间通过两根线时，焊盘直径可设为50mil、线宽与线距均为10mil，当两脚间通过一根线时，焊盘直径可设
46、为64mil、线宽与线距均为12mil。(3)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。最小间距至少要能适应承受的电压。这个电压一般包括工作电压、附加波动电压及其他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加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地缩短且加大间距。(4)印制电路板中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线路，可以用“钻”、“绕”这两种办法解决，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
47、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，解决交叉电路问题。(5)印制导线的屏蔽与接地。印制导线的公共地线，应尽量布置在印制电路板的边缘部分。在印制电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，且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时，由于图形上限制产生了接地电位差，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，地层和电源层的图形应尽可能与数据的流动方向平行，这是抑制噪声增强的秘诀。多层印制电路板可采取其中若干层作为屏蔽层，
48、电源层、地层均可视为屏蔽层，一般地层和电源层在多层印制电路板的内层，信号线设计在内层或外层。需要注意的是，数字区与模拟区尽可能进行隔离，并且数字地与模拟地要分离，最后接于电源地。5.7.2 自动布线自动布线自动布线的操作步骤如下：步骤1：单击“自动布线”“全部”命令，弹出如图5-7-1所示对话框。图5-7-1 自动布线策略的对话框步骤2：单击“Route All”按钮，开始自动布线，产生自动布线信息提示，如图5-7-2所示。图5-7-2 自动布线信息提示步骤3：关闭信息提示，得到最终的布线结果，如图5-7-3所示。图5-7-3 最终的布线结果由图5-7-3可以看出，自动布线结果并不是最佳走线，
49、可以通过手工调整。由于是低频数字逻辑电路，因此走线差异产生的干扰对电路性能的影响不大。除了可以一次性全部布线外，还有以下布线方式：(1)按网络布线：单击“自动布线”“网络”命令，此时光标将变成十字形状，用鼠标左键单击任何一条飞线或焊盘，自动布线器将对该飞线或焊盘所在的网络进行自动布线。此时系统仍处于对网络布线的状态，用户可以继续对其他的网络进行布线，单击鼠标右键或按Esc键即可退出该状态。(2)按网络类布线：单击“自动布线”“网络类”命令，系统将弹出一个对话框供用户选择要进行布线的网络类，选定网络类后系统将对该网络类进行自动布线。(3)按连接布线：单击“自动布线”“连接”命令，该命令仅对指定的
50、飞线进行布线而不是飞线所在的网络。单击此命令，光标将变成十字形状，用鼠标左键单击任何一条飞线或焊盘，自动布线器将对该飞线进行自动布线。此时系统仍处于布线状态，用户可以继续对其他的连接进行布线，单击鼠标右键或按Esc键即可退出该状态。(4)按区域布线：单击“自动布线”“区域”命令，该命令对指定区域内的所有网络进行自动布线。单击该菜单项，此时光标将变成十字形状，在PCB中确定一个矩形区域，此时系统将对该区域内的所有网络进行自动布线。(5)按Room(空间)布线：单击“自动布线”“Room”命令，该命令对指定Room内的所有网络进行自动布线。单击此命令，光标将变成十字形状，在PCB中选择一个Room
