淺談 Protel 99 SE在電路設計中的應用

曾 智

(衡陽技師學院電氣工程系,湖南 衡陽 421007)

當今,電子電路輔助設計都離不開計算機軟件的應用,OrCad、Protel等常用 EDA軟件的廣泛應用使得現代電子工業取得了長足的進步.大規模、超大規模集成電路的使用,使印制電路板(軟件中常稱為 PCB)的走線愈精密和復雜.由于 Protel 99 SE能讓設計者在具有最完整的功能環境下提高設計效率、提升設計品質,而成為諸多軟件中的杰出代表.結合筆者教學中的體會和感受,介紹Protel 99 Se在電路設計中的應用,包括電路原理圖的設計過程、PCB的設計過程,同時對設計過程中的常見問題及解決方法作了分析.

1 protel 99 SE設計步驟和方法

1.1 電路原理圖設計的基本步驟

繪制出一張正確的能滿足生產實際要求的電路原理圖極為重要.一般而言,電路原理圖的設計有如下步驟[1]:

(1)設置原理圖的設計環境;

(2)查找、放置元件;

(3)元件屬性的編輯;

(4)元件的布局和調整;

(5)原理圖布線;(6)檢查原理圖;(7)創建網絡表.

1.2 印制電路板設計的步驟

PCB的設計是將一張電路原理圖轉變成一個電子產品的必由之路.俗話說“條條道路通羅馬”,這“路”設計的好壞將直接影響電子設備的質量、成本和市場競爭力等.因此,PCB的設計是電路設計中最關鍵、最重要的一步.通常,印制電路板設計的具體步驟如下[2]:

2 實 例

以紅外線遙控開關的設計為例(見圖1),簡述用 Protel 99 SE進行電路設計的過程.其設計要求:

(1)制做單面板;

(2)電源線、接地線的布線寬度均為 1.52 mm;

(3)信號線的布線寬度為 1.14 mm;

2.1 電路原理圖的設計

設計和繪制電路原理圖的基本要求是正確性、元件布局合理.這樣,最終設計出來的原理圖才完整、美觀.用 Protel 99 SE進行電路原理圖設計過程如下:

(1)打開原理圖設計編輯器.首先進入 Protel 99 SE創建一個項目數據庫,接著按下快捷鍵 F/N,從彈出的對話框中選擇原理圖服務器(Schematic Document)圖標,然后雙擊該圖標,建立原理圖設計文檔,雙擊該文檔圖標,進入原理圖設計服務器操作界面.

(2)設置原理圖設計環境.對圖紙尺寸、圖紙樣式,捕捉柵格等設計環境進行設置.只需按快捷鍵 D/N和 T/P后,進行選擇、修改即可完成設置.

(3)加載所需的元件庫.在編輯器中選擇Browse Sch頁面,在 Browse區域中的下拉框中選擇 Library,并單擊[Add/Remove]按鈕,選擇路徑Protel 99 SELibrarySch,再選擇如:Miscellaneous devices.ddb、Protel DOSSchematic Libraries庫等常用元件庫,單擊[Add]按鈕,就完成了元件庫的加載.

(4)調用、放置元件.通常,原理圖的元件符號都分門別類地存放在不同的原理圖元件庫中.調用元件時,先到 Sch元件庫里查找原理圖中所需元件,然后左鍵單擊[Place]按鈕將所需元件放置在圖紙上,并對元件放置的位置進行適當的調動和布局.

(5)編輯和調整.按空格鍵 Space可以對元件放置的位置進行適當的調整、翻轉.另外,鼠標雙擊某元件還可以對元件的屬性如:標號、封裝名、標稱值等進行定義與修改.

(6)布線.左鍵點擊“連線工具條”上的連線圖標,鼠標變成帶黑點的十字架形狀.然后將原理圖紙上的元器件用具有電氣意義的導線連接起來,即可完成該電路原理圖的繪制.

(7)檢查原理圖

執行菜單命令[Tool]/[ERC]對已繪制好的原理圖進行電氣法則檢查.若有錯誤,根據警告和錯誤情形進行修正.若沒有錯誤,將進入下一步的設計工作.

(8)生成網絡表文件

網絡表作為連接電路原理圖設計和印制電路板設計之間的紐帶,在原理圖設計完成后就要創建網絡表.執行菜單命令[Design]/[Create Netlist]可以自動生成一張該原理圖的網路表文件.該文件給出的信息:元件名、元件封裝名、標稱值及各元件之間連接關系.綜上所述,便完成了該電路原理圖的設計,它為印制電路板的設計打下堅實的基礎.CD4017元件管腳圖如圖1所示,該實用電路的原理圖如圖2所示.

圖1 CD 4017元件管腳圖Fig.1 Component pin ofCD4017

2.2 印制電路板的設計

設計、生產出電子產品是電路設計的最終目標.電路的設計尤其是印制電路板設計的水準對整機體積的大小、質量高低、成本等起著關鍵作用.一般而言,用該軟件設計印制電路板的步驟如下:

(1)打開 PCB設計編輯器.執行菜單[File]/[New]命令,或按下快捷鍵 F/N,從彈出的對話框中選擇 PCB設計服務器,然后再利用“向導”來建立 PCB設計文檔.

(2)規劃電路板.根據電路中元件的數目來確定電路板的尺寸,即電路板的長、寬.另還要確定電路板的物理邊界和電氣邊界,即電路板的邊框.執行菜單命令[Design]/[Options],在“信號層”中選擇“底層”.滿足了設計要求(1).

(3)設置參數.設置參數是印制板設計的關鍵性一步.參數設置主要包括:布線工作層的設置、布線線寬的設置等.使用快捷鍵“D/R”,左鍵單擊[Routing]按鈕,根據設計要求(2)、(3),在規則類中對參數進行如下設置:

①選擇[Routing Layer],設置布線層,左鍵單擊[Properties],在“布線工作層設置”對話框的“Rule Attributes”選項中將頂層設置為 “Not Used”,而底層設置為“Any”,即可完成單層板的設置.

圖1 紅外線遙控開關電路原理圖Fig.1 Circuit diagram of infrared remote control switch

②選擇 Width Constraint,對接地線線寬進行設置:左鍵單擊[Add]按鈕,進入線寬規則設置界面,首先在 Rule Scope區域的 Filter Kind選擇框中選擇 Net,然后在 Net下拉框中選擇 GND,再在Rule Attribute區域的 Minimum width、Maximum width和 Preferred三個輸入框內均輸入數字 1.52mm;

③電源線寬度的設置:在 Net下拉框中選擇VCC,其它與接地線線寬設置相同;

④整板信號線寬度設置:在 Filter Kind選擇框中選擇 Whole Board,然后在 Minimum width、Maximum width和 Preferred三個輸入框內均輸入數字1.14mm;

(4)加載元件封裝庫.選擇路徑 Protel 99 SELibraryPCB,再添加常用元件封裝庫:PCB Footprint、International Rectifiers等,為網絡表的導入、調用元件的封裝作好準備.

(5)裝入網絡表.裝入網絡表使用快捷鍵“D/N”,再在彈出的窗口中選擇并導入一個擴展名為Net的網絡表文件.在無誤的情況下,單擊[Execute]執行,所需元件的封裝被調用放在 PCB文檔紙面上.若出現警告或錯誤提示,必須更改錯誤.因有些元件的封裝在對應的封裝庫里面找不到,就需要設計者根據元件尺寸自行設計這些元件所對應的封裝.

(6)元器件布局.一般而言,元器件的布局有自動布局和手工布局兩種方法.通常都是將這兩種方法結合起來使用,使之互補.執行菜單命令[Tool]/[Auto Placement/Auto Placer]進行自動布局.布局的合理與否將影響整板布線的美觀、整齊.為了使布局更加合理,盡量采用手工布局的方式,將最核心的元件放置在板中央.

(7)自動布線.Protel 99 SE采用最先進的無網格、基于形狀的對角線自動布線技術.執行菜單命令[AutoRouting]/[All],并在彈出的窗口中單擊[Route all]按鈕,軟件程序將對印制電路板進行自動布線.如果參數設置無誤、元件布局合理的話,自動布線的布通率幾乎能達到 100%,而且布線所用的時間也很短[3].如圖2所示.

圖2 紅外線遙控開關電路印制電路板圖Fig.2 Printed circuit board of infrared remote control switch

(8)手工調整.自動布線結束后,可能存在一些布線不盡人意的地方,比如:某些網絡布線過長,銅膜導線有相互交叉.對于這些問題,可以對部分線路進行手工調整.(9)PCB圖的保存、打印.執行菜單命令[File]/[Print/Preview],生成一個 PPC文件并保存,然后直接打印印制電路板圖.它將為印制板的洗板、鉆孔,焊裝電路作好前期準備,這也是焊裝、調試該電路的指導性文件.如圖3所示:

3 設計中的問題及解決方法

利用 Protel99 SE來設計電路,雖然有功能強大、人機界面友好等優點,但在進行實際電路的繪制、電路 PCB設計過程中往往也會碰到一些比較棘手的問題.

(1)生成、轉換的印制電路板圖與電路原理圖相差甚遠、不相符,出現如下幾種現象:

①連線超過元、器件的斷點,需連線元件的兩部分有重復;

②部分焊盤沒有網絡、沒能連上.

解決方法是:在進行電路原理圖連線時,應盡量做到以下幾點:

①放置導線時,當光標移至元件引腳端點時,光標中心將出現一個大黑點.因此,在連線時總結:“從黑點(電氣節點)始,到黑點 (電氣節點)終”;

②進行元器件連線時,盡量避免反復連線、盡量做到不要將元件某兩端點直接對接上.

(2)在設計印制電路板導入網絡表時,元、器件不能完全調入.分析原因有:

①在對元件屬性進行編輯時漏填元件封裝名;裝入網絡表時,出現 “Component not found、Footprint not found in Library”;

②印制電路板的封裝名不存在,致使在封裝庫里找不到;

③原理圖中元件管腳的名稱和元件封裝庫中元件封裝管腳名稱不一致,二者不兼容;

④在已有的元件封裝庫中找不到合適的元件封裝,或根本不存在該元件的封裝.

解決方法:

①在原理圖中對應元件屬性對話框的 Footprint欄中輸入相應的封裝名,然后重新產生網絡表.或者直接在網絡表中對未指定封裝的元件添加封裝,并保存該網絡表文件.

②添加相應的元件封裝庫,在 PCB編輯器中,通過 Design→Add/Remove Library菜單命令加載包含所需元件封裝的元件封裝庫.

③將 PCB板元件封裝庫中的元件管腳號修改成與原理圖中定義的一致,使他們相匹配.如三極管的管腳名稱在原理圖中定義為 1,2,3,而在 PCB封裝庫中焊盤的名稱則定義為 E,B,C,此時,將封裝庫中三極管管腳名稱改為 1,2,3.使他們相匹配[3].

④對已有元件封裝進行修改,或者自行創建新的元件封裝.如實例中發光二極管 VD7、繼電器J的封裝[3].

4 結束語

初學 Protel軟件的職校學生,由于相關知識的缺乏和一些不良的操作習慣,容易出現操作效率低、出現錯誤后無法排除等問題.針對這些情況,一方面,對這些問題分類進行總結,反復強調;另一方面,在學生實際操作時注意觀察,及時糾正他們的不良習慣,指出錯誤.這樣才能使學生盡快上手,提高學習興趣,獲得較好的教學效果.

[1] 趙 晶.Protel 99高級應用[M].北京:人民郵電出版社,2000.

[2] 夏路易,石宗義.電路原理圖與電路板設計教程Protel 99SE[M].北京:希望電子出版社,2002.

[3] 及 力.Protel 99 SE原理圖與 PCB設計教程[M].北京:電子工業出版社,2004.

[4] 王青萍.Protel 99 SE網絡宏錯誤及排除[J].湖北教育學院學報,2007,(24):43-44.