基于Protel的数控系统操作面板设计

电子设计技术的核心就是E D A技术, EDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统, 是指以计算机为工作平台, 融合应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果而研制成的电子CAD通用软件包, 进行电子产品的自动设计, 主要能进行三方面的设计工作, IC设计、电子电路设计和PCB设计。

目前在我国P C B设计用的最多应属PROTEL公司在20世纪80年代末推出的CAD工具, 是PCB设计者的首选软件。它较早在国内使用, 普及率最高, 包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计。工具使用多层印制线路板的自动布线, 可实现高密度PCB的100%布通率。

1 原理图的设计

1.1 建立原理图

原理图的建立是PCB生产的第一步, 主要是确定电路的逻辑符号与物理器件的映射, 即选择设计规则、工艺规则、制造规则, 编制元件表, 在布线前制定出网络信息。其逻辑元件来源于CAD软件的庞大逻辑元件库, 通过计算机的编辑功能, 在字符显示器上由键盘输入, 并经图表系统, 做成电路图。

(1) 设置Protel系统参数。

(1) 设置图纸大小:打开Protel 99SE/Schematic后, 首先要构思好电路图的规模和复杂程度确定, 可使用菜单命令Design/Options, 在系统弹出“Document Options”对话框中设置。

(2) 设置Protel 99 SE/Schematic设计环境:包括设置网格大小和类型, 光标类型等。可使用菜单命令Tools/Prefence, 在弹出的“Prefence” (参数) 对话框的“Graphical Editing”选项卡中设置线性网络 (Line Grid) , 设置大光标、小光标和交叉45度光标。

(2) 加载Protel元件库。

如果在元件数据库中没有相应的数据, 用户可自己增加建立新的逻辑元件。元件库对于设计模拟、元件配置、布线、不同的制造工艺等来说是个十分重要的库。制作时, 如果将所有的工艺条件都包罗进去, 工作量太大, 也没有必要, 可将不同的表面贴装工艺做成最小限度的数据准备。

(3) 规划电路板。

规划电路板的轮廓尺寸, 采用几层电路板, 确定各元器件采取那种封装及安置位置。

(4) 设置参数。

执行菜单命令Tool/Preference, 在系统弹出的Preference对话框中设置参数, 主要设置参数元件参数和板层参数。执行菜单命令Design/Rules, 可以设置布线参数等。有些参数用默认值即可。

(5) 报表生成。

Protel 99SE提供了各种报表工具, 可以生成各种报表。执行菜单命令Tools/ERC可生成电器规则检查表;执行菜单命令Design/create Netlist, 可以生成网络表。为后续的电路板设计做准备;执行菜单REPORT/bill of meterrial, 可以生成元器件列表。

(6) 装入网络表及元器件封装。

只有装入网络表, 才对印制电路板自动布线。执行菜单命令Design/Load Nets, 在弹出的装入网络表及元器件对话框中, 在Netlist file输入框中, 输入由电路原理图生成的网络表文件名, 单击Execute按钮。元件封装即元件外形, 每一个装入的元件都必须有相应的外形封装, 这样才能保证印制电路板布线的顺利进行。

2 PCB的设计

印制电路板PCB (printed circuit boards) 是提供电子元器 (部) 件安装与插接时的主要支撑体。经特定的电路设计, 将连接电子元器件、部件的线路绘制成配线图形, 再将此图案制作成胶片, 然后在铜箔层板上经过图形显像、钻孔、电镀、蚀刻等加工过程, 制成所需印制电路板, 故印制电路板是组装电子零件之前的基板。

2.1 PCB的设计流程

从原理图到PCB的设计流程:建立元件参数→输入原理网表→设计参数设置→手工布局→手工布线→验证设计→复查→CAM输出。

2.2 建立元件参数的注意事项

参数设置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, 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, 一般情况下将走线间距设为8mm。

焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm, 这样可以避免加工时导致焊盘缺损。当与焊盘连接的走线较细时, 要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状, 这样的好处是焊盘不容易起皮, 而是走线与焊盘不易断开。

2.3 布局的注意事项

元器件布局实践证明, 即使电路原理图设计正确, 印制电路板设计不当, 也会电子设备的可靠性产生不利影响。例如, 如果印制板两条细平行线靠得很近, 则会形成信号波形的延迟, 在传输线的终端形成反射噪声;由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰, 会使产品的性能下降, 因此, 在设计印制电路板的时候, 应注意采用正确的方法。

3 布线的注意事项

PCB上任何印制线都可以起到天线的作用, 印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗, 从而影响频率响应。即使是通过直流信号的印制线也会从邻近的印制线耦合到射频信号并造成电路问题 (甚至再次辐射出干扰信号) 。因此应将所有通过交流电流的印制线设计得尽可能短而宽, 这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得很近。印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比, 而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。长度反映出印制线响应的波长, 长度越长, 印制线能发送和接收电磁波的频率越低, 它就能辐射出更多的射频能量。根据印制线路板电流的大小, 尽量加租电源线宽度, 减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和电流的方向一致, 这样有助于增强抗噪声能力。接地是开关电源四个电流回路的底层支路, 作为电路的公共参考点起着很重要的作用, 它是控制干扰的重要方法。因此, 在布局中应仔细考虑接地线的放置, 将各种接地混合会造成电源工作不稳定。在地线设计中应注意以下几点。

3.1 正确选择单点接地通常

滤波电容公共端应是其它的接地点耦合到大电流的交流地的唯一连接点, 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, 主要是考虑电路各部分回流到地的电流是变化的, 因实际流过的线路的阻抗会导致电路各部分地电位的变化而引入干扰。在本控制板中, 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, 因而采用一点接地, 即将电源开关电流回路 (中的几个器件的地线都连到接地脚上, 输出整流器电流回路的几个器件的地线也同样接到相应的滤波电容的接地脚上, 这样电源工作较稳定, 不易自激。做不到单点时, 在共地处接两二极管或一小电阻, 其实接在比较集中的一块铜箔处就可以。

3.2 全局布线

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, 因此要确保每一个大电流的接地端采用尽量短而宽的印制线, 尽量加宽电源、地线宽度, 最好是地线比电源线宽, 它们的关系是:地线>电源线>信号线, 如有可能, 接地线的宽度应大于3mm, 也可用大面积铜层作地线用, 在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。进行全局布线的时候, 还须遵循以下原则。

(1) 布线方向:从焊接面看, 元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致, 布线方向最好与电路图走线方向相一致。

(2) 印刷电路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。

3.3 输入地与输出地

输入地与输出地本开关电源中为低压的DC-DC, 欲将输出电压反馈回变压器的初级, 两边的电路应有共同的参考地, 所以在对两边的地线分别铺铜之后, 还要连接在一起, 形成共同的地。

4 结语

本文应用Protel 99SE设计了数控操作面板印制电路板, 在设计之前做了充足准备, 力求该印制电路板满足实际电路指标要求:电路原理图设计正确、元器件布局合理、印制电路板设计合乎实际电路要求。经实验证明可以应用于实际电路中。并且该印制电路板设计时完全采用手工布局, 布线。简化了电路走线, 通过合理布局, 布线可以比较容易观察电路, 便于查找和解决问题。

摘要：随着电子产品的小型化、高速化、数字化, 其载体印制电路板也向着高精度、高密度、高性能、高层化、微孔化、超薄型的方向迅猛发展, 本文主要介绍了数控系统操作面从原理图到PCB的设计。

关键词：PCB,统操作面,活动规范,布局,布线,注意事项