迷你音響印制板的設計與實現(xiàn)

北京勞動保障職業(yè)學院 萬 捷

印制板設計是理工類職業(yè)院校學生應具備的基本技能之一。為幫助學生掌握這項技能，提高自身就業(yè)及實際工作能力，本文給出相關具體指導，詳述創(chuàng)建印制板項目文件、繪制原理圖及設計印制板等方法，望對學生有所助益。

1.印制電路板英文全稱Printed Circuit Board（簡稱PCB）

在學校教學中，電子電路的制版軟件常見有兩種：Ultiboard和Altium Designer（簡稱AD）。Ultiboard軟件單獨使用，只能實現(xiàn)印制電路板PCB的手動布局及手動布線功能，功能單一、效率低。

AD軟件將電路原理圖繪制與PCB圖設計集成在一起，既能實現(xiàn)PCB手動布局和手動布線功能又能完成自動布局和自動布線任務，功能多樣、效率高，因此在學校教學中獲得了廣泛使用。本文所涉及的迷你音響系統(tǒng)的印制板就是用AD軟件設計出來的，下面介紹設計方法。

2.創(chuàng)建PCB項目文件

啟動AD軟件，先后按快捷鍵F、N打開新建菜單，執(zhí)行菜單命令【Project】/【PCB Project】，新建一PCB項目文件PCB Project1.PrjPCB，該文件名是系統(tǒng)給出的默認名稱，若對該名稱不滿意，則將其修改為中文真實名稱，如“迷你音響.PrjPCB”，方法是先后按快捷鍵F、S打開文件保存對話框，在該對話框中輸入文件名“迷你音響”，單擊保存按鈕，項目文件即以名稱“迷你音響.PrjPCB”保存在默認文件夾Examples中。

3.繪制原理圖

3.1 在PCB項目下創(chuàng)建原理圖文件

單擊，選中項目文件“迷你音響.PrjPCB”，依次按快捷鍵F、N、S，系統(tǒng)在“迷你音響.PrjPCB”項目下新建一默認名稱為“Sheet1.SchDoc”的原理圖文件。

依次按快捷鍵F、S，在彈出的對話框中文件名一欄輸入“迷你音響”，單擊保存按鈕，原理圖文件即以名稱“迷你音響.SchDoc”保存在文件夾Examples中。

3.2 放置元器件

在原理圖圖紙上放置元器件前，必須先加載元器件庫。常用分立元件庫Miscellaneous Device.Intlib中存放著迷你音響電路的電阻、電容等元件，畫圖時必須加載，執(zhí)行菜單命令【Design】/【Browse Library】，打開Libraries面板，如圖1所示。

在Libraries面板中，選擇“Miscellaneous Device.Intlib”為當前元器件庫。在當前庫的元器件列表區(qū)右側用鼠標向下拖動滑塊找到所需元件，如電阻Res2、無極性電容Cap或極性電容Cap Pol2等，雙擊它，該元件隨十字光標一起移動，移動光標到圖紙的適當位置單擊鼠標左鍵，該元件即放置到圖紙上。連續(xù)單擊鼠標左鍵，可將多個相同元件放置在圖紙上。單擊鼠標右鍵則退出元器件放置狀態(tài)。

圖1 Libraries面板

采用相同的辦法，將常用接插件庫“Miscellaneous Connectors.Intlib”設為當前庫，放置接插件，如Header5、LED1等。需要指出，放置元器件時如果對其方向不滿意，可使用若干快捷鍵進行調(diào)整，其中每按一次X鍵和Y鍵，元器件將分別左右翻轉和上下翻轉一次，而每按空格鍵一次，則元器件將逆時針旋轉90°。

AD軟件雖然提供了100多個庫文件，而且每個庫文件又包含眾多元器件，但是在繪圖時還經(jīng)常會遇到一些特殊元器件在這些庫文件中找不到的情況，這就需要對其進行繪制。以直流插座DC JACK為例，在項目文件“迷你音響.PrjPCB”中新建一原理圖庫文件“迷你音響.SchLib”，然后在打開的原理圖庫編輯界面利用實用工具欄的各種工具進行繪制，繪制時要保證元器件放置在圖紙十字光標右下方，放置元器件引腳時，要保證具有電氣特性的一端方向向外便于布線，最后添加元器件封裝形式，這樣元器件就繪制完成，繪制好的元器件符號及封裝如圖2所示。繪制完成后保存此文件在項目文件中，打開原理圖文件，就可以放置該元件了。

圖2 繪制好的DC JACK符號及封裝形式

3.3 設置元器件屬性

所有元器件放到原理圖上并完成布局后，雙擊元器件打開其屬性對話框，對編號Designator、注釋Comment、參數(shù)值Value、封裝形式Footprint等必要屬性進行設置。其中，編號就是元器件在原理圖中的序號如R2、C2等，注釋就是對元器件類型、型號和參數(shù)等的說明，參數(shù)值是指電阻值、電容值等，封裝形式就是元器件在印制電路板PCB上呈現(xiàn)出來的形狀和名稱。此外，元器件屬性的設置還可在元器件放置過程中進行，方法是元器件處于浮動狀態(tài)時，按鍵盤“Tab”鍵，可打開元器件屬性窗口，進行屬性設置。

3.4 繪制原理圖

3.4.1 用導線連接元器件

（1）先后按快捷鍵P、W，圖紙上出現(xiàn)十字光標。

（2）移動光標到元器件的引腳端時，光標中心的“×”號變成紅“米”字符號，單擊鼠標左鍵將導線起點與元器件的引腳端連接起來。移動光標，在光標與導線起點之間會出現(xiàn)一條線，這就是所要放置的導線。導線每次拐彎時都要單擊一次鼠標左鍵。

（3）將光標移到另一個要連接的元器件引腳端上，當出現(xiàn)紅“米”字符號時單擊鼠標左鍵將導線終點與元器件引腳端連接起來，這樣通過一條導線將分屬于兩個不同元器件的引腳就連接在一起了。

3.4.2 放置電氣節(jié)點

由于系統(tǒng)設置的原因，兩條導線的交叉點上一般不放置電氣節(jié)點，如果需要放置可手動操作。執(zhí)行菜單命令【Place】/【Manual Junction】，十字光標帶著一棕色電氣節(jié)點出現(xiàn)在圖紙上，移動光標到放置處并單擊鼠標左鍵，電氣節(jié)點即可完成放置。連續(xù)單擊鼠標左鍵可實現(xiàn)多個電氣節(jié)點的放置。

3.4.3 放置接地符號

除連接導線和電氣節(jié)點外，在迷你音響電路原理圖上還需要放置接地符號。執(zhí)行菜單命令【Place】/【Power Port】，十字光標即帶有一棕色接地符，移動光標到放置處并單擊鼠標左鍵，接地符即可完成放置。連續(xù)單擊鼠標左鍵可實現(xiàn)多個接地符的放置。繪制好的迷你音響電路原理圖如圖3所示。

圖3 迷你音響電路原理圖

3.4.4 編譯原理圖

編譯原理圖就是系統(tǒng)根據(jù)用戶的設置參數(shù)對原理圖進行檢查并生成網(wǎng)絡（即元器件之間的連接關系）和錯誤等報告的過程。編譯之前需要設置參數(shù)，包括錯誤報告類型、工程更新指令ECO生成、比較器設置、電氣連接矩陣等，本文采用默認設置。編譯時執(zhí)行菜單命令【Project】/【Compile Document迷你音響.SchDoc】，彈出信息面板Messages。如果該面板是空白的，則說明原理圖是符合預先設置的檢查規(guī)則的，是沒有錯誤的。但如果該面板中顯示出原理圖的錯誤信息，就需要對原理圖錯誤的地方進行修改，然后重新編譯直到正確為止。

4.規(guī)劃和設計PCB

4.1 在PCB項目下新建PCB文件

依次按快捷鍵F、N、P，將在當前項目下新建一個PCB文件，該文件的默認名稱為“PCB1.PcbDoc”。選中這個文件，在右鍵菜單中選擇執(zhí)行【Save As】命令，將其更名為“迷你音響.PcbDoc”。

4.2 設置工作層面

設置工作層面包括選擇印制電路板的類型和工作層顏色。本文電路印制板的類型選單面板即印制板只有一層銅箔，執(zhí)行菜單命令【Design】/【Layer Stack Manager】，在彈出的對話框中單擊按鈕打開“電路板模版”菜單，在菜單中選“Single Layer”單層電路板選項。印制版工作層顏色的設置可通過在右鍵菜單中執(zhí)行命令【Options】/【Board Layers and Colors】打開對話框完成。本文電路工作層顏色使用默認設置。

4.3 定義電路板的邊界

定義電路板的邊界包括定義物理邊界和電氣邊界兩項內(nèi)容，前者通過第一機械層設置，后者通過禁止布線層實現(xiàn)。

具體如下：

（1）單擊板層標簽中的“Mechanical1”，將當前工作層切換到第一機械層，執(zhí)行畫線命令【Place】/【Line】確定物理邊界。

（2）再單擊板層標簽中的“Keep-Out Layer”，將當前工作層設為禁止布線層，執(zhí)行畫線命令【Place】/【Line】畫出電氣邊界。

本文電路板的邊界尺寸定義為52×50mm。

4.4 導入原理圖設計文件

所謂導入原理圖設計文件是指將原理圖中的元器件封裝及網(wǎng)絡導入到PCB編輯器中，為PCB的布局和布線做準備。

（1）執(zhí)行菜單命令【Project】/【Compile PCB Project迷你音響.PrjPCB】編譯PCB項目文件并保存項目。

（2）在PCB編輯環(huán)境下先后按快捷鍵D、I打開“Engineering Change Order”對話框，在該對話框中列出了對PCB文件加載網(wǎng)表的一些具體操作。

（3）依次單擊對話框中左下角的兩個按鈕Validate Changes和Execute Changes，若“Check”欄和“Done”欄均出現(xiàn)對勾，則說明導入無錯誤，此時單擊按鈕，關閉對話框。加載項目后PCB編輯界面如圖4所示。

圖4 加載項目后的PCB編輯界面

4.5 元器件的布局

在AD中，用戶對元器件的布局可選用自動布局和手動布局，本文選用手動布局。用鼠標拖動各個器件將其擺放至合適的位置，在拖動過程中每按一次空格鍵，均可使被拖動的器件逆時針旋轉90°。擺放元器件時，可以執(zhí)行菜單【Design】/【Options】，在彈出的對話框中可進行捕獲柵格、可視柵格、電氣柵格等的設置。擺放好的元器件如圖5所示。

圖5 擺放好的元器件

4.6 布線

經(jīng)過多次布線發(fā)現(xiàn)，本文電路印制板采用自動布線總會有一兩處布線沖突的地方，因此這里采用手動布線。

首先要設置布線規(guī)則，執(zhí)行菜單命令【Design】/【Rules】，在PCB規(guī)則設置對話框的“Width”設置窗口中，將“Min Width”、“Preferred Width”和“Max Width”三項分別設置為0.254mm、0.7mm、2.54mm；“Routing Layers”設為“Solder Side”；“Component Clearance”設為0.254mm。

布線時，單擊將板層標簽切換成焊錫層“Solder Side”，再單擊布線工具欄中的按鈕，當鼠標指針上出現(xiàn)十字交叉線時，在需要布線處進行導線繪制。在布線過程中可隨時按Tab鍵修改導線的寬度。本文電路電源線BAT+、BAT-和接地線GND的布線寬度設為1mm。

迷你音響印制板的最終布線結果如圖6所示。

圖6 迷你音響印制板最終布線結果

4.7 設計規(guī)則檢查DRC

布線完畢后，依次按快捷鍵T、D，打開設計規(guī)則檢測對話框。本電路的設計規(guī)則采用默認設置。單擊圖中左下角鈕，則系統(tǒng)開始運行設計規(guī)則檢查DRC，其結果將顯示在報告文件界面中，如果檢查結果沒有錯誤，則一塊PCB設計就基本完成了。

5.結語

綜上所述，本文介紹的方法具有三項特性：一是實用性，只要按照本文介紹的方法，每位學生都能設計出合格的印制電路板，具有一定的教學推廣價值。二是普適性，可推廣到其他電路印制板的設計中。三是針對性，在印制板的設計過程中，常常需要對元器件的封裝進行制作，按照元器件的實際尺寸來繪制其封裝大小是一種高效的方法。

總之，希望高職學生用心體會，多加實踐。