电子线路CAD课程设计

电子线路CAD电路CAD课程设计报告课程:电路CAD专业:通信工程学号:09124146姓名: 指导老师: 18目录第1章 实验目的及原理第2章 Protel 99se设计环境认识2.1 Protel 99se电路板设计软件的介绍2.2设计环境设置第3章 Protel 99se电路原理图的绘制3.1电路原理图的设计步骤3.2电气检查与网络报表的生成第4章 印刷电路板的绘制4.1印刷电路板的设计过程4.2人工布线画电路板的方法第5章 电路板的设计注意事项5.1一般性原则总结与个人心得第1章 实验目的1.1 实验目的通过运用protel软件完成对单片机温度测量系统的原理图、PCB印刷版图，了解以及熟练运用protel软件的功能，为以后工作打下基础。主 控 制 器51单片机数码管显示温 度 传 感 器单片机复位时钟振荡报警点按键调整1.2 单片机温度测量系统原理第2章 Protel的简要介绍2.1 Protel的发展历程 初期Protel Windows版本：八十年代末期推出了Windows版本下的Protel For Windows 1.0、Protel For Windows1.5等版本。 中期 Protel Windows版本：开发了与Windows95对应的3.X版本。 近期版本：98年推出的Proel98，开始基本满足了大多数使用者的需求，特别是出色的自动布线功能得到了用户的支持。 99年推出的Proel99及后来的Proel99SE让Protel用户耳目一新，因为在其中新增了很多全新的功能。 2002年下半年推出了最新版本Protel DXP，该版本耗时2年多，无论在功能、规模上都比Protel99SE,有极大的飞跃，主要在仿真与布线方面有了较大的提高。 2004年最新产品Protel 2004. 2.2 Protel99SE简介 Protel99SE是PROTEL公司在80年代末推出的EDA软件,应用广泛功能强大,是个完整的板级全方位电子设计系统。它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能。可见Protel99SE不仅在绘制原理图、PCB版布局布线等方面功能更加完善，而且为用户提供功能强大、使用方便的仿真器，它可以对当前所画的电路原理图进行即时仿真，因此在电路的整个设计周期都可以仿真查看和分析其性能指标，以便及时发现设计中存在的问题并加以改正，从而更好的完成电路设计。下面我们将对Protel99SE做一个简介。    Protel99se软件中提供了SIM99se数模混合仿真器集成软件可以对许多电子线路进行模拟设计，模拟运行，反复修改。提供了接近6000各仿真元件和大量的数学模型期间，可以对电工电路，低频电子线路、高频电子线路和脉冲数字电路在一定范围内进行仿真分析。 仿真结果以多种图形方式输出，直观明了，可以单图精细分析，也可以多图综合比较分析、并可通过不同的角度进行分析，以获得对电路设计的准确判断。Protel99se仿真方面其具有的特点有：    1 强大的分析功能用户可以根据Protel99SE电路仿真器所提供的功能，分析设计电路的各方面性能，如电路的交直流特性、温度漂移、噪声、失真、容差、最坏情况等特性。 2 丰富的信号源 其中包括基本信号源：直流源、正弦源、脉冲源、指数源、单频调频源、分段线性源，同时还提供了齐全的线性和非线性受控源。   3 充分的仿真模型库    Protel99SE提供了20多个模拟和数字仿真元件库，共包含6000多个常用元器件。这些组件库包括了常用二极管、三极管、单结晶体管、变压器，晶闸管、双向晶闸管等分立组件，还有大量的数字器件和其它集成电路器件。同时Protel99SE提供了一个开放的库维护环境，允许设计者改变原有器件模型，也可创建新器件模型。    4 友好的操作界面    (1)无需手工编写电路网表文件。系统将根据所画电路原理图自动生成网表文件并进行仿真。(2)通过对话框完成电路分析各参数设置。(3)方便地观察波形信号。可同时显示多个波形，也可单独显示某个波形；可对波形进行多次局部放大，也可将两个波形放置于同一单元格内进行显示并分析比较两者的差别。(4)强大的波形信号后处理，可利用各种数学函数对波形进行各种分析运算并创建一个新的波形。(5)方便地测量输出波形。Protel99SE提供了两个测量光标，打开它们可测量波形数据。第3章 Protel 99se电路原理图的绘制3.1 电路原理图的设计步骤1. 启动Protel 99SE，从windows操作系统的开始菜单或桌面快捷图标进入Protel 99SE环境，使用菜单File/New或 File/New Design建立新设计数据库文件，使用菜单File/New,在打开的窗口选择Schematic Document 图标，建立新原理图文件，并将原理图文件打开。 2设置画图环境使用菜单Design/Options和Tool/Preferences，设置图纸大小、捕捉栅格、电气栅格等。     导入所需的元件库在设计管理器中选择Browse SCH页面，在Browse区域中的下拉框中选择Library，然后单击ADD/Remove按钮，在弹出的窗口中寻找Protel 99 SE子目录，在该目录中选择LibrarySCH路径，在元件库列表中选择所需的元件库，比如Miscellaneous devicesddb，TI Databook库等，单击ADD按钮，即可把元件库增加到元件库管理器中。3放置元件    根据实际电路的需要，到元件库中找出所需的元件，然后用元件管理器的Place按钮将元件放置在工作平面上，再根据元件之间的走线把元件调整好。例如原理图布线    利用Protel 99 SE提供的各种工具、指令进行布线，将工作平面上的器件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一个完整的电路原理图。 编辑和调整    利用Protel 99 SE 所提供的各种强大的功能对原理图进一步调整和修改，以保证原理图的美观和正确。同时对元件的编号、封装进行定义和设定等。电路原理图32 电气检查与网络报表的生成检查原理图    使用Protel 99 SE 的电气规则，即执行菜单命令Tool/REC对画好的电路原理图进行电气规则检查。若有错误，根据错误情况进行改正。生成网络表    网络表是电路原理图设计和印刷电路板设计之间的桥梁，执行菜单命令Design/Create Netlist可以生成具有元件名、元件封装、参数及元件之间连接关系的网络表。第4章 PCB板的绘制4.1 印刷电路板的设计过程印刷电路板设计的基本过程由于电路板的生产代价、调试成本、产品可靠性等与设计有着密切的关系，所以设计印刷电路板时，需要了解一些印刷电路板设计的基本知识。    印刷电路板设计是一个辛苦、繁重、耗费精力而又细致的工作，要经过几个过程才能最后完成。在实际的设计过程中，要经常修改电路原理图，重复前面已做过的工作，才能得到较理想的结果。以笔者设计电路板的经验，电路板的设计过程大致可以划分为下列几个步骤。    1启动并设置PCB设计软件对于第一次进入PCB设计软件(环境)，了解并设置其工作环境是很重要的。通过设置工作环境，可以将元件布局参数、布线参数、板层参数、界面等设置成个人习惯(喜爱)和需要的方式。以后再启动PCB设计软件时，只作必要的参数修改即可。    2布局    布局就是将组件放在合适的位置，以后在布局结果上进行布线。布局是印刷电路扳设计的一个非常重要的环节。布局的好坏，不仅影响布通率，甚至可能会影响电路板的性能。    布局可以由手工进行，也可以由计算机自动进行。    布局，首先应该有一个大致的规划。比如：电路板做多少层，板子大致多大，板子的大致形状、接插件的位置等。这些都在一定程度上影响着布局。    手工布局时，要想高效率地布好局，首先要根据自己对电路板尺寸、形状、接插件位置、电路原理以及布板的某些特殊要求等已经知道的约束条件，在纸上作一个草略的布局，以指导在计算机上进行布局。    利用网络表，由CAD软件自动地装入元器件封装图形之后，用CAD软件也可以进行自动布局。自动布局结束后，可以用手工再对布局作一些调整。    复杂电路的布局往往需要反复修改，甚至有可能在布线快结束时由于某些问题，还要回过头来修改布局。布局是电路板设计中很费精力的事情，要认真、耐心地对待。    5布线    布线就是在PCB设计图上通过放置线条来实现元器件引脚间的电连接以完成电路设计所预定的功能。这是PCB设计的另一项重要任务。布线的好坏，有时也会对电路性能产生明显的影响。    放置线条的工作由手工完成的，称为手工布线，由计算机完成的，称为自动布线。手工布线效率低，但所布线条的形状、走向等完全受控。  6设计规则校验  设计规则校验(Design Rule Check，即DRC)是由计算机按照网络表及设计参数对PCB板进行的自动校验检查。通过了DRC校验的PCB设计图。原则上就可以送去制作电路板了。没有通过DRC校验的PCB设计，要通过分析校验结果来决定是修改电路板设计还是可以去制板。由计算机进行的DRC校验，代替了人工检查PCB设计，为PCB设计把了一个关，一定要善于使用。在Protel99SE PCB设计软件中进行的I)RC校验不仅可以生成校验报告，而且可以在PCB设计图上将校验未通过的地方标示出来，使修改更直观、方便。    7输出调整(字符)    在PCB布局时，随组件放置在PCB设计图上的元件描述字符往往交叉叠套在一起c如果不经调整就去制作电路板，制作出的电路板上的字符就有可能分辨不清，丧失了字符层的意义。要发挥字符层的意义，就要在PCB设计的大部分工作结束后，通过移动字符串的操作，将字符串移到合适的位置，以合适的方向放置，并且将字符的大小调整到合适的尺寸。当然，如果不需要字符层，也可以省略这一步。    制板时，有时要根据生产厂家制板的工艺设置自己的一些要求，比如阻焊扩大值。一般地，光因阻焊膜较为精确，阻焊扩大值可以小些；热固阻焊膜由于采用丝网印刷方式，边缘不够光滑，扩大值可以适当地大些。虽然这些事情一般是由厂家依据工艺而定，但对于布线密集度较高的PCB板，还是应该要求阻焊扩大值小些，这样，可以减少焊接时的粘连故障。    一个需要注意的问题是钻孔尺寸。对于有数控钻床的厂家，只要将核对过的钻孔尺寸生成钻孔文件交给厂家即可。对于没有数控钻床的电路板生产厂家，则要输出一张钻孔图纸，分类或逐一地将子L径标注出来。目前，厂家接收的孔径尺寸一般是指成孔尺寸，即金属化后的最终直径尺寸，因此钻孔尺寸(末金属化的尺寸)一般比成孔尺寸(孔化后的尺寸)要大一些，以便于在电路板上插入元器件。3.1 人工布线画电路板的方法1、绘制原理图，并且生成对应的网络表。已有了网络表情况下也可以不进行原理图的设计，直接进入PCB设计系统。2、手工更改网络表 将一些元件的固定用脚等原理图上没有的焊盘定义到与它相通的网络上。将一些原理图和PCB封装库中引脚名称不一致的器件引脚名称改成和PCB封装库中的一致，特别是二、三极管等。二、画出自己定义的非标准器件的封装库建议将自己所画的器件都放入一个自己建立的PCB 库专用设计文件。三、设置PCB设计环境和绘制印刷电路的板框含中间的镂空等。1、进入PCB系统后的第一步就是设置PCB设计环境，包括设置格点大小和类型，光标类型，板层参数，布线参数等等。大多数参数都可以用系统默认值，而且这些参数经过设置之后，符合个人的习惯，以后无须再去修改。2、规划电路版，主要是确定电路板的边框，包括电路板的尺寸大小等等。在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘。对于3mm 的螺丝可用6.58mm 的外径和3.23.5mm 内径的焊盘。四、打开所有要用到的PCB 库文件后，调入网络表文件和修改零件封装这一步是非常重要的一个环节，网络表是PCB自动布线的灵魂，也是原理图设计与电路版设计的接口，只有将网络表装入后，才能进行电路板的布线。在原理图设计时，零件的封装可能被遗忘，但可以在引进网络表时根据设计情况来修改或补充零件的封装。五、布置零件封装的位置，也称零件布局Protel99可以进行自动布局,也可以进行手动布局。如果进行自动布局，运行"Tools"下面的"Auto Place",用这个命令，你需要有足够的耐心。布线的关键是布局，多数设计者采用手动布局的形式。用鼠标选中一个元件，按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键，将该元件固定。Protel99在布局方面新增加了一些技巧。新的交互式布局选项包含自动选择和自动对齐。使用自动选择方式可以很快地收集相似封装的元件，然后旋转、展开和整理成组，就可以移动到板上所需位置上了。当简易的布局完成后，使用自动对齐方式整齐地展开或缩紧一组封装相似的元件。 注意：零件布局，应当从机械结构散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面综合考虑。先布置与机械尺寸有关的器件，并锁定这些器件，然后是大的占位置的器件和电路的核心元件，再是外围的小元件。六、根据情况再作适当调整然后将全部器件锁定假如板上空间允许则可在板上放上一些类似于实验板的布线区。对于大板子，应在中间多加固定螺丝孔。板上有重的器件或较大的接插件等受力器件边上也应加固定螺丝孔，有需要的话可在适当位置放上一些测试用焊盘，最好在原理图中就加上。将过小的焊盘过孔改大，将所有固定螺丝孔焊盘的网络定义到地或保护地等。放好后用VIEW3D 功能察看一下实际效果，存盘。七、布线规则设置布线规则是设置布线的各个规范（象使用层面、各组线宽、过孔间距、布线的拓朴结构等部分规则，可通过Design-Rules 的Menu 处从其它板导出后，再导入这块板）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。选Design-Rules 一般需要重新设置以下几点:1、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。一般板子可设为0.254mm，较空的板子可设为0.3mm，较密的贴片板子可设为0.2-0.22mm，极少数印板加工厂家的生产能力在0.1-0.15mm，假如能征得他们同意你就能设成此值。0.1mm 以下是绝对禁止的。2、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）。3、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，下同。4、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。整个板范围的首选项一般取0.2-0.6mm，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1mm 宽度，各种电源线一般可选0.5-1mm 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。下图为一个实例 5、敷铜连接形状的设置（Manufacturing标签的Polygon Connect Style）建议用Relief Connect 方式导线宽度Conductor Width 取0.3-0.5mm 4 根导线45 或90 度。其余各项一般可用它原先的缺省值，而象布线的拓朴结构、电源层的间距和连接形状匹配的网络长度等项可根据需要设置。选Tools-Preferences，其中Options 栏的Interactive Routing 处选Push Obstacle （遇到不同网络的走线时推挤其它的走线，Ignore Obstacle为穿过，Avoid Obstacle 为拦断）模式并选中Automatically Remove （自动删除多余的走线）。Defaults 栏的Track 和Via 等也可改一下，一般不必去动它们。在不希望有走线的区域内放置FILL 填充层，如散热器和卧放的两脚晶振下方所在布线层，要上锡的在Top 或Bottom Solder 相应处放FILL。 布线规则设置也是印刷电路版设计的关键之一，需要丰富的实践经验。八、自动布线和手工调整1、点击菜单命令Auto Route/Setup 对自动布线功能进行设置选中除了Add Testpoints 以外的所有项，特别是选中其中的Lock All Pre-Route 选项，Routing Grid 可选1mil 等。自动布线开始前PROTEL 会给你一个推荐值可不去理它或改为它的推荐值，此值越小板越容易100%布通，但布线难度和所花时间越大。2、点击菜单命令Auto Route/All 开始自动布线假如不能完全布通则可手工继续完成或UNDO 一次（千万不要用撤消全部布线功能，它会删除所有的预布线和自由焊盘、过孔）后调整一下布局或布线规则，再重新布线。完成后做一次DRC，有错则改正。布局和布线过程中，若发现原理图有错则应及时更新原理图和网络表，手工更改网络表（同第一步），并重装网络表后再布。3、对布线进行手工初步调整需加粗的地线、电源线、功率输出线等加粗，某几根绕得太多的线重布一下，消除部分不必要的过孔，再次用VIEW3D 功能察看实际效果。手工调整中可选Tools-Density Map 查看布线密度，红色为最密，黄色次之，绿色为较松，看完后可按键盘上的End 键刷新屏幕。红色部分一般应将走线调整得松一些，直到变成黄色或绿色。九、切换到单层显示模式下（点击菜单命令Tools/Preferences，选中对话框中Display栏的Single Layer Mode）将每个布线层的线拉整齐和美观。手工调整时应经常做DRC，因为有时候有些线会断开而你可能会从它断开处中间走上好几根线，快完成时可将每个布线层单独打印出来，以方便改线时参考，其间也要经常用3D显示和密度图功能查看。最后取消单层显示模式，存盘。十、如果器件需要重新标注可点击菜单命令Tools/Re-Annotate 并选择好方向后，按OK钮。并回原理图中选Tools-Back Annotate 并选择好新生成的那个*.WAS 文件后，按OK 钮。原理图中有些标号应重新拖放以求美观，全部调完并DRC 通过后，拖放所有丝印层的字符到合适位置。注意字符尽量不要放在元件下面或过孔焊盘上面。对于过大的字符可适当缩小，DrillDrawing 层可按需放上一些坐标（Place-Coordinate）和尺寸（Place-Dimension）。最后再放上设计版本号、文件首次加工日期、印板文件名、文件加工编号等信息。十一、对所有过孔和焊盘补泪滴补泪滴可增加它们的牢度，但会使板上的线变得较难看。顺序按下键盘的S 和A 键（全选），再选择Tools-Teardrops，选中General 栏的前三个，并选Add 和Track 模式，如果你不需要把最终文件转为PROTEL 的DOS 版格式文件的话也可用其它模式，后按OK 钮。完成后顺序按下键盘的X 和A 键（全部不选中）。对于贴片和单面板一定要加。十二、放置覆铜区将设计规则里的安全间距暂时改为0.5-1mm 并清除错误标记，选Place-Polygon Plane 在各布线层放置地线网络的覆铜（尽量用八角形，而不是用圆弧来包裹焊盘）.设置完成后，再按OK 扭，画出需覆铜区域的边框，最后一条边可不画，直接按鼠标右键就可开始覆铜。它缺省认为你的起点和终点之间始终用一条直线相连，电路频率较高时可选Grid Size 比Track Width 大，覆出网格线。相应放置其余几个布线层的覆铜，观察某一层上较大面积没有覆铜的地方，在其它层有覆铜处放一个过孔，双击覆铜区域内任一点并选择一个覆铜后，直接点OK，再点Yes 便可更新这个覆铜。几个覆铜多次反复几次直到每个覆铜层都较满为止。将设计规则里的安全间距改回原值。印刷电路板效果图第5章 电路板的设计注意事项5.1 一般性原则一 电源线布置1、根据电流大小，尽量调宽导线布线。2、电源线、地线的走向应与资料的传递方向一致。3、在印制板的电源输入端应接上10100F的去耦电容。二 地线布置1、数字地与模拟地分开。2、接地线应尽量加粗，致少能通过3倍于印制板上的允许电流，一般应达23mm。3、接地线应尽量构成死循环回路，这样可以减少地线电位差。三 去耦电容配置1、印制板电源输入端跨接10100F的电解电容，若能大于100F则更好。2、每个集成芯片的Vcc和GND之间跨接一个0.010.1F的陶瓷电容。如空间不允许，可为每410个芯片配置一个110F的钽电容。3、对抗噪能力弱，关断电流变化大的器件，以及ROM、RAM，应在Vcc和GND间接去耦电容。4、在单片机复位端“RESET”上配以0.01F的去耦电容。5、去耦电容的引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能带引线。四 器件配置1、时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端应尽量靠近且远离其它低频器件。2、小电流电路和大电流电路尽量远离逻辑电路。3、印制板在机箱中的位置和方向，应保证发热量大的器件处在上方。五 功率线、交流线和信号线分开走线功率线、交流线尽量布置在和信号线不同的板上，否则应和信号线分开走线。六 其它原则1、总线加10K左右的上拉电阻，有利于抗干扰。2、布线时各条地址线尽量一样长短，且尽量短。3、PCB板两面的线尽量垂直布置，防相互干扰。4、去耦电容的大小一般取C=1/F，F为数据传送频率。5、不用的管脚通过上拉电阻（10K左右）接Vcc，或与使用的管脚并接。6、发热的元器件（如大功率电阻等）应避开易受温度影响的器件（如电解电容等）。7、采用全译码比线译码具有较强的抗干扰性。3D效果图总结与个人心得本学期电路cad课程的开设，作为一门自学课程，在老师的帮助下让我初步掌握了protel99软件的使用。通过这次课程设计，我还意识到了想要做好一件事，要有耐心，细心，要脚踏实地，而不应该毛躁。特别是生成PCB板之后元件的布局以及修改布线都是考验我们耐心的时候。例如：我再生成原理图的时候，从表面上看各端点之间已经连好，但是在生成网络表的时候，就出现了报错。个人觉得电路cad课程的基础是库的制作，难点是pcb版的制作。Pcb版个人推荐人工布线，因为自动布线不仅不美观，而且在很多时候会出现错误。这次我在pcb版的制作当中，我把电源线与地线画成了一样的大小。刚开始没有电源，后来在老师的提醒下才明白。学习就是一个在不断犯错的工程中不断改进，这一点在电路cad中更是体现得淋漓尽致。 当然，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜，让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！最后，在此感谢学习时老师已经同学对我无私的帮助。