浅谈 Protel 99 SE在电路设计中的应用

曾 智

(衡阳技师学院电气工程系,湖南 衡阳 421007)

当今,电子电路辅助设计都离不开计算机软件的应用,OrCad、Protel等常用 EDA软件的广泛应用使得现代电子工业取得了长足的进步.大规模、超大规模集成电路的使用,使印制电路板(软件中常称为 PCB)的走线愈精密和复杂.由于 Protel 99 SE能让设计者在具有最完整的功能环境下提高设计效率、提升设计品质,而成为诸多软件中的杰出代表.结合笔者教学中的体会和感受,介绍Protel 99 Se在电路设计中的应用,包括电路原理图的设计过程、PCB的设计过程,同时对设计过程中的常见问题及解决方法作了分析.

1 protel 99 SE设计步骤和方法

1.1 电路原理图设计的基本步骤

绘制出一张正确的能满足生产实际要求的电路原理图极为重要.一般而言,电路原理图的设计有如下步骤[1]:

(1)设置原理图的设计环境;

(2)查找、放置元件;

(3)元件属性的编辑;

(4)元件的布局和调整;

(5)原理图布线;(6)检查原理图;(7)创建网络表.

1.2 印制电路板设计的步骤

PCB的设计是将一张电路原理图转变成一个电子产品的必由之路.俗话说“条条道路通罗马”,这“路”设计的好坏将直接影响电子设备的质量、成本和市场竞争力等.因此,PCB的设计是电路设计中最关键、最重要的一步.通常,印制电路板设计的具体步骤如下[2]:

2 实 例

以红外线遥控开关的设计为例(见图1),简述用 Protel 99 SE进行电路设计的过程.其设计要求:

(1)制做单面板;

(2)电源线、接地线的布线宽度均为 1.52 mm;

(3)信号线的布线宽度为 1.14 mm;

2.1 电路原理图的设计

设计和绘制电路原理图的基本要求是正确性、元件布局合理.这样,最终设计出来的原理图才完整、美观.用 Protel 99 SE进行电路原理图设计过程如下:

(1)打开原理图设计编辑器.首先进入 Protel 99 SE创建一个项目数据库,接着按下快捷键 F/N,从弹出的对话框中选择原理图服务器(Schematic Document)图标,然后双击该图标,建立原理图设计文档,双击该文档图标,进入原理图设计服务器操作界面.

(2)设置原理图设计环境.对图纸尺寸、图纸样式,捕捉栅格等设计环境进行设置.只需按快捷键 D/N和 T/P后,进行选择、修改即可完成设置.

(3)加载所需的元件库.在编辑器中选择Browse Sch页面,在 Browse区域中的下拉框中选择 Library,并单击[Add/Remove]按钮,选择路径Protel 99 SELibrarySch,再选择如:Miscellaneous devices.ddb、Protel DOSSchematic Libraries库等常用元件库,单击[Add]按钮,就完成了元件库的加载.

(4)调用、放置元件.通常,原理图的元件符号都分门别类地存放在不同的原理图元件库中.调用元件时,先到 Sch元件库里查找原理图中所需元件,然后左键单击[Place]按钮将所需元件放置在图纸上,并对元件放置的位置进行适当的调动和布局.

(5)编辑和调整.按空格键 Space可以对元件放置的位置进行适当的调整、翻转.另外,鼠标双击某元件还可以对元件的属性如:标号、封装名、标称值等进行定义与修改.

(6)布线.左键点击“连线工具条”上的连线图标,鼠标变成带黑点的十字架形状.然后将原理图纸上的元器件用具有电气意义的导线连接起来,即可完成该电路原理图的绘制.

(7)检查原理图

执行菜单命令[Tool]/[ERC]对已绘制好的原理图进行电气法则检查.若有错误,根据警告和错误情形进行修正.若没有错误,将进入下一步的设计工作.

(8)生成网络表文件

网络表作为连接电路原理图设计和印制电路板设计之间的纽带,在原理图设计完成后就要创建网络表.执行菜单命令[Design]/[Create Netlist]可以自动生成一张该原理图的网路表文件.该文件给出的信息:元件名、元件封装名、标称值及各元件之间连接关系.综上所述,便完成了该电路原理图的设计,它为印制电路板的设计打下坚实的基础.CD4017元件管脚图如图1所示,该实用电路的原理图如图2所示.

图1 CD 4017元件管脚图Fig.1 Component pin ofCD4017

2.2 印制电路板的设计

设计、生产出电子产品是电路设计的最终目标.电路的设计尤其是印制电路板设计的水准对整机体积的大小、质量高低、成本等起着关键作用.一般而言,用该软件设计印制电路板的步骤如下:

(1)打开 PCB设计编辑器.执行菜单[File]/[New]命令,或按下快捷键 F/N,从弹出的对话框中选择 PCB设计服务器,然后再利用“向导”来建立 PCB设计文档.

(2)规划电路板.根据电路中元件的数目来确定电路板的尺寸,即电路板的长、宽.另还要确定电路板的物理边界和电气边界,即电路板的边框.执行菜单命令[Design]/[Options],在“信号层”中选择“底层”.满足了设计要求(1).

(3)设置参数.设置参数是印制板设计的关键性一步.参数设置主要包括:布线工作层的设置、布线线宽的设置等.使用快捷键“D/R”,左键单击[Routing]按钮,根据设计要求(2)、(3),在规则类中对参数进行如下设置:

①选择[Routing Layer],设置布线层,左键单击[Properties],在“布线工作层设置”对话框的“Rule Attributes”选项中将顶层设置为 “Not Used”,而底层设置为“Any”,即可完成单层板的设置.

图1 红外线遥控开关电路原理图Fig.1 Circuit diagram of infrared remote control switch

②选择 Width Constraint,对接地线线宽进行设置:左键单击[Add]按钮,进入线宽规则设置界面,首先在 Rule Scope区域的 Filter Kind选择框中选择 Net,然后在 Net下拉框中选择 GND,再在Rule Attribute区域的 Minimum width、Maximum width和 Preferred三个输入框内均输入数字 1.52mm;

③电源线宽度的设置:在 Net下拉框中选择VCC,其它与接地线线宽设置相同;

④整板信号线宽度设置:在 Filter Kind选择框中选择 Whole Board,然后在 Minimum width、Maximum width和 Preferred三个输入框内均输入数字1.14mm;

(4)加载元件封装库.选择路径 Protel 99 SELibraryPCB,再添加常用元件封装库:PCB Footprint、International Rectifiers等,为网络表的导入、调用元件的封装作好准备.

(5)装入网络表.装入网络表使用快捷键“D/N”,再在弹出的窗口中选择并导入一个扩展名为Net的网络表文件.在无误的情况下,单击[Execute]执行,所需元件的封装被调用放在 PCB文档纸面上.若出现警告或错误提示,必须更改错误.因有些元件的封装在对应的封装库里面找不到,就需要设计者根据元件尺寸自行设计这些元件所对应的封装.

(6)元器件布局.一般而言,元器件的布局有自动布局和手工布局两种方法.通常都是将这两种方法结合起来使用,使之互补.执行菜单命令[Tool]/[Auto Placement/Auto Placer]进行自动布局.布局的合理与否将影响整板布线的美观、整齐.为了使布局更加合理,尽量采用手工布局的方式,将最核心的元件放置在板中央.

(7)自动布线.Protel 99 SE采用最先进的无网格、基于形状的对角线自动布线技术.执行菜单命令[AutoRouting]/[All],并在弹出的窗口中单击[Route all]按钮,软件程序将对印制电路板进行自动布线.如果参数设置无误、元件布局合理的话,自动布线的布通率几乎能达到 100%,而且布线所用的时间也很短[3].如图2所示.

图2 红外线遥控开关电路印制电路板图Fig.2 Printed circuit board of infrared remote control switch

(8)手工调整.自动布线结束后,可能存在一些布线不尽人意的地方,比如:某些网络布线过长,铜膜导线有相互交叉.对于这些问题,可以对部分线路进行手工调整.(9)PCB图的保存、打印.执行菜单命令[File]/[Print/Preview],生成一个 PPC文件并保存,然后直接打印印制电路板图.它将为印制板的洗板、钻孔,焊装电路作好前期准备,这也是焊装、调试该电路的指导性文件.如图3所示:

3 设计中的问题及解决方法

利用 Protel99 SE来设计电路,虽然有功能强大、人机界面友好等优点,但在进行实际电路的绘制、电路 PCB设计过程中往往也会碰到一些比较棘手的问题.

(1)生成、转换的印制电路板图与电路原理图相差甚远、不相符,出现如下几种现象:

①连线超过元、器件的断点,需连线元件的两部分有重复;

②部分焊盘没有网络、没能连上.

解决方法是:在进行电路原理图连线时,应尽量做到以下几点:

①放置导线时,当光标移至元件引脚端点时,光标中心将出现一个大黑点.因此,在连线时总结:“从黑点(电气节点)始,到黑点 (电气节点)终”;

②进行元器件连线时,尽量避免反复连线、尽量做到不要将元件某两端点直接对接上.

(2)在设计印制电路板导入网络表时,元、器件不能完全调入.分析原因有:

①在对元件属性进行编辑时漏填元件封装名;装入网络表时,出现 “Component not found、Footprint not found in Library”;

②印制电路板的封装名不存在,致使在封装库里找不到;

③原理图中元件管脚的名称和元件封装库中元件封装管脚名称不一致,二者不兼容;

④在已有的元件封装库中找不到合适的元件封装,或根本不存在该元件的封装.

解决方法:

①在原理图中对应元件属性对话框的 Footprint栏中输入相应的封装名,然后重新产生网络表.或者直接在网络表中对未指定封装的元件添加封装,并保存该网络表文件.

②添加相应的元件封装库,在 PCB编辑器中,通过 Design→Add/Remove Library菜单命令加载包含所需元件封装的元件封装库.

③将 PCB板元件封装库中的元件管脚号修改成与原理图中定义的一致,使他们相匹配.如三极管的管脚名称在原理图中定义为 1,2,3,而在 PCB封装库中焊盘的名称则定义为 E,B,C,此时,将封装库中三极管管脚名称改为 1,2,3.使他们相匹配[3].

④对已有元件封装进行修改,或者自行创建新的元件封装.如实例中发光二极管 VD7、继电器J的封装[3].

4 结束语

初学 Protel软件的职校学生,由于相关知识的缺乏和一些不良的操作习惯,容易出现操作效率低、出现错误后无法排除等问题.针对这些情况,一方面,对这些问题分类进行总结,反复强调;另一方面,在学生实际操作时注意观察,及时纠正他们的不良习惯,指出错误.这样才能使学生尽快上手,提高学习兴趣,获得较好的教学效果.

[1] 赵 晶.Protel 99高级应用[M].北京:人民邮电出版社,2000.

[2] 夏路易,石宗义.电路原理图与电路板设计教程Protel 99SE[M].北京:希望电子出版社,2002.

[3] 及 力.Protel 99 SE原理图与 PCB设计教程[M].北京:电子工业出版社,2004.

[4] 王青萍.Protel 99 SE网络宏错误及排除[J].湖北教育学院学报,2007,(24):43-44.