嵌入式系统硬件(PCB设计流程和规范).ppt

嵌入式系统硬件设计PCB设计流程和规范,常用的EDA软件,(Electronic Design Automation),Multisim、Pspice、Orcad、Protel、PowerPCB、CadenceMaxplus、Quartus（VHDL、Verilog HDL）,Protel是Protel Technology公司开发的功能强大的电路CAD系列软件，基本上可以分为5个组件：原理图设计组件PCB设计组件自动布线组件可编程逻辑器件组件电路仿真组件,PROTEL 介绍,电路原理图设计,产生网络表印刷电路板PCB设计,报表输出,电路板设计基本,原理图设计基本流程：设置图纸装载元件库元件布局电路布线 元件封装与序号报表输出,印刷电路板(PCB)设计基本流程：规划电路板和环境参数引入网络表元件布局和调整布线规则设置自动布线和手工调整报表输出存盘与打印,.ddb 设计数据库文件.lib 元件库文件.sch原理图文件.pcb 印制电路板文件.net 网络表文件.pld 可编程逻辑器件描述文件.rep 报告文件.prj 项目文件.bk 自动备份文件,Protel文件类型：,Protel环境设置,新建一个.ddb文件,此项默认即可,自定义.ddb文件名,修改ddb文件路径,Protel环境设置,设置访问密码,最后确定,Protel环境设置,设计组：设定设计小组成员回收站：存放临时性删除文档设计管理器：文件管理编辑和访问权限,Protel环境设置,新建.sch文件,Protel环境设置,新建.sch文件,最后确定,Protel环境设置,修改文件名,Protel环境设置,添加/删除零件库,设计管理器,菜单栏,工具栏,绘图工具栏,状态栏,命令栏,编辑区,帮助按钮,元件管理器,Protel环境设置,设置sch操作环境,Protel环境设置,图纸大小设置,图纸颜色,图纸边框颜色,图纸立式还卧式,Protel环境设置,Protel环境设置,原理图元件制作,在原理图编辑过程中，由于下列原因之一，可能需要修改已有元件的电气图形符号或创建新元件的电气图形符号：(1)在Protel99元件电气图形符号库文件中找不到所需元件的电气图形符号。(2)元件图形符号不符合要求，例如分立元件电气图形库Miscellaneous.lib中二极管、三极管的电气图形符号与GB 472885标准不一致。(3)元件电气图形符号库内引脚编号与PCB封装库内元件引脚编号不一致。(4)元件电气图形符号尺寸偏大，如引脚太长，占用图纸面积多，不利于绘制元件数目多的原理图。在Protel99中修改、创建元件电气图形符号非常容易、方便，在元件电气图形符号编辑器SchLib窗口内，通过“画图”工具即可绘制出元件电气图形符号的外形，添加引脚后即可获得元件的电气图形符号。既可以在原有元件库内增加新元件的电气图形符号，也可以创建新元件库。,原理图元件制作,手工绘制元件具体操作步骤：1.新建元件库mysch.lib2.新建元件并命名，增加画图工具3.放置元件外框4.放置引脚并修改属性5.保存文件利用库元件绘制其他元件步骤：1.查找相似库元件进入编辑界面2.复制库元件到新建库文件中3.修改元件形状或引脚4.保存文件,原理图元件制作,原理图元件制作文件,修改文件名,原理图元件制作,修改元件名,原理图元件制作,增加主工具和画图工具,注意画图工具没有电气特性,原理图元件制作,常用的库元件绘制快捷键：P/P：画元器件引脚P/L：画直线P/R：画矩形T/E：元器件重命名T/C：创建一个新元器件T/W：创建一个新的子件T/R：删除元器件T/T：删除子件X：水平翻转Y：竖直翻转,左键：确定右键：取消Tab：查看属性Space：翻转90度Page up：放大Page down：缩小END：刷新,原理图元件制作,画外框工具,原理图元件制作,将第一引脚定位在工作区（0，0）点，放置位置偏移,光标定位于（0，0）点,引脚号,引脚名称,电气特性,原理图元件制作,对于连续放置的同一类元器件、网络标号、引脚等，选择放置第一个时，按下Tab键，对其属性进行修改并放置后，连续放置后面的同类部件时，属性同上并会自动为后面的部件标识加1,圆头为电气结点,带有上划线的引脚名称输入方法：每输入一个字母后，紧随一个,原理图元件制作,电气结点表示芯片的引脚与外导线发生电气连接，故一定要在引脚外端点,修改元件属性,元件标号,元件描述,元件封装,用同样的方法创建TLC542芯片,原理图元件制作,原理图元件制作,元件报表,元件库报表,元件规则检查报表,编辑元器件,原理图元件制作,注意元件库,选中元器件，按ctl+c并左击元件,原理图元件制作,新建元件TL431，按ctl+v复制元件，并左击确定,原理图元件制作,切换到.lib文件,取消选择,原理图元件制作,设置属性,按ctl可随意放置选中区域,注意Show和Pin选项设置,元件属性设置,引脚要和交叉点匹配,原理图元件制作,用同样的方法创建数码管,添加/删除零件库,原理图元件制作,添加,去掉已添加库,确定,原理图元件制作,添加自定义元件库,原理图元件制作,原理图布局,对于元件名信息不全的元器件，建议用通配符*和?,快速查找元件,不清楚元件在哪个库中，则用元件查询查找元件,原理图布局,放置芯片AT89C52、TLC542、TL431、LM148、6N137数码管DPY、PNP三极管元件、晶振CRYSTAL、电阻RES2、电容CAP、电解电容ELECTROL、接口CON6元件布局原则：功能模块化、元件就近,输入元件的首英文字母可快速查找元件,提取元件,选择元件库,双击元件可提取,提取元件按Tab键修改属性后再单击放置,原理图布局,不清楚元件在哪个库中，则用元件查询查找元件,零件库名称,元件封装,元件序号,元件型号,注意：封装和序号是元件的关键属性，必须设置；并且序号在整个工程中是唯一的，不能重复。,确定,原理图布局,41,1.3 原理图布局,信号调理电路元件设置,A/D转换电路元件设置,原理图布局,MCU电路元件设置,原理图布局,数码管显示电路元件设置,原理图布局,原理图绘制,导线,网络标号,电源,注意：导线与直线的区别布局与连线是一个反复的过程,常用的原理图编辑器快捷键：P/W：画连线P/B：画总线P/U：画总线分支线P/O：画电源P/N：画网络标号P/J：画电路接点Ctrl+Delete：删除选中电路E/D：删除单一元件或导线,原理图绘制,原理图三要素：电源负载电气连接关系,原理图绘制,圆点代表电气连接,复原与取消只能在所有改动没有存盘的条件下进行,双击右键退出连线,左击确定起始点,左击确定终点后右击结束,原理图绘制,原理图绘制,原理图绘制,接点表电气连接交叉无电气连接,网络标号属性设置,原理图绘制,网络标号表电气连接,原理图绘制,网络标号和导线连接异同点：一个网络标号表示一个电气结点，相同的网络标号引脚上就建立了电气连接关系。网络标号作用和导线的作用一样，表示电气连接，导线表达形式更直观但布线繁多易发生短路或连线错误；网络标号可代替两个元件的连线，净化图面。,原理图绘制,Ctrl+x可使元件反向,原理图绘制,电气法测试规则设置窗,总线,总线分支,其它原理图绘制技巧总线,总线是电路中一组具有相关性的信号线，不具有实际的电气连接意义,其它原理图绘制技巧总线,点击Global进行整体修改,双击元件编辑属性,旧文本新文本,匹配属性选择,其它原理图绘制技巧全局编辑,显示sch中所有有效元件,其它原理图绘制技巧,元件自动编号,自动编号前应先将原理图中的所有元件编号重置为？,其它原理图绘制技巧,其它原理图绘制技巧封装查漏,本电路元件封装：电阻R1R17：0805无极性电容C1C4：RAD0.1电解电容E1E3：RB.2/.4三极管：TO-92A单排多针插座：SIP6双列直插元件：DIP40、DIP20、DIP14、DIP4TL431：TO-92A晶振：OSC（自定义）数码管：DPY（自定义）,表格编辑器,注意选项,其它原理图绘制技巧封装查漏,其它原理图绘制技巧封装查漏,直接修改后按File/Update即可完成对元件属性的修改,生成网络表,网络表是sch和pcb的接口,其它原理图绘制技巧生成网络表,使用同步器生成PCB,一般操作是在sch画好部分电路后进行一次PCB更新，这样当sch画好后，PCB也基本完成,其它原理图绘制技巧同步器,注意选项设置,其它原理图绘制技巧同步器,印刷电路板基础,1.印刷电路板结构分类单面板、双面板、多层板2.元件封装分类针脚式、贴片式3.常用元件封装针脚式电阻元件类：AXIAL0.4AXIAL0.7(kmil)针脚式电容元件类：RAD0.2RAD0.5.(kmil)贴片电阻、电容元件类：0805、0402、1210极性电容元件类：RB.2/.4RB.5/1.(kmil)可变电阻元件类：VR1VR二极管：DIODE0.4(小功率)DIODE0.7(大功率)三极管：TO-92A，TO-18，TO-220H单排多针插座：SIP2SIP20,印刷电路板基础,双列直插元件：DIP4 贴片双列元件类：SOT、SO 接插件：DBx，IDCx4.导线与预拉线(飞线)飞线指示导线的实际布置，导线实现飞线的意图。5.工作层面类型Signal Layers：信号层，包括Top和Bottom以及MidLayerInternal Plane：内层电源/接地层Mechanical Layers：机械层Masks：阻焊层Silkscreen：丝印层Others：Keep out层、Multi Layer、Drill Gride6.过孔形式穿透式过孔、半盲孔、盲孔,PCB图元件制作,手工绘制元件具体操作步骤：1.新建元件库mypcb.lib2.定义封装名称3.工作环境设置4.放置焊盘5.确定外框轮廓线5.保存文件,PCB图元件制作,常用的库元件绘制快捷键：P/P：放置焊盘P/A：放置弧线P/V：放置过孔P/S：放置字符串P/T：放置线段T/E：元器件重命名T/C：创建一个新元件T/R：删除元件,Space：翻转90度Page up：放大Page down：缩小END：刷新M/I：测量距离Q：切换单位,PCB图元件制作,新建PCB零件库文件并重命名,PCB图元件制作,公/英制转换,1mil=0.0254mm,PCB图元件制作,新建元件,PCB图元件制作,取消向导,注意：焊盘外直径的尺寸取为内孔直径的2倍，而内孔直径要稍大于引脚尺寸,PCB图元件制作,元件重命名,确定,PCB图元件制作,设置网络标准,PCB图元件制作,2.54mm是DIP封装管脚之间的标准间距,PCB图元件制作,画线,图层选择,测量距离,创建元件首先要用精密测量工具确定实际元件的尺寸或查看元件的Datasheet,PCB图元件制作,测垂直距离,测水平距离,测焊盘距离,测焊盘距离,焊盘形状选择,注意：焊盘的名称要和sch管脚名称对应焊盘间距必须与元件管脚的实际间距相符,焊盘名称,焊盘孔的大小,焊盘图层,注意保证焊盘编号与原理图库元件对应的引脚编号一致,PCB图元器件制作,PCB图元件制作,确定参考点,注意：元件封装的起始位置必须定位成绝对中心，否则无法正常调用。,设置参考点,PCB图元件制作,将管脚1确定在绝对中心,PCB图元件制作,用同样的方法创建晶振封装,PCB图元件制作,添加PCB零件库,装入网络表,新建PCB文件并重命名,装载网络表,装入网络表,引入.net网络表文件,装入网络表,装入网络表,网络表错误信息，可按右键生成详细的报告文件,详细错误信息,装入网络表,网络表中常见的错误：Footprint not found in library/Footprint not Available元件封装遗漏Node not found引脚遗漏Component not found没有找到元件Component already exists添加已经存在的元件Net already exists添加已经存在的网络标识Alternative footprint used instead缺少元件封装，但系统自动引用,装入网络表,元件封装遗漏原因：1.在PCB编辑器中没有添加含有所需封装元件的元件库。2.在电路图中没有指定封装形式。3.在已有的PCB元件库中，找不到所需的封装。引脚遗漏原因：原理图元件与指定的封装二者之间的引脚编号存在差异,装入网络表,加载整流桥封装库,装入网络表,修改封装,装入网络表,修改引脚,修改后关闭保存,装入网络表,无错误可生成PCB文件,所有错误修改后重新生成网络表文件，重新引入。,装入网络表,调整PCB大小,预拉线表示电气连接关系,装入网络表,点击Global进行整体修改,双击元件编辑属性,注意Hide选项设置,修改元件名,元件布局,元件布局,手工布局的基本原则：A.遵循先难后易、先大后小的原则。B.布局可以参考硬件工程师提供的原理图和大致的布局，根据信号流向规律放置主要原器件。C.总的连线尽可能的短，关键信号线最短。D.强信号与弱信号、模拟信号与数字信号要完全分开。E.高频元件间隔要充分。F.发热元件应有足够的空间以利于散热，热敏元件应远离发热元件。,元件布局,手工布局的基本原则：G.集成电路的去耦电容应尽量靠近芯片的电源脚，高频最靠近为原则。使之与电源和地之间形成回路最短。旁路电容应均匀分布在集成电路周围。H.元件布局时候，使用同一种电源的元件应考虑尽量放在一起，以便于将来的电源分割。I.双列直插元件相互的距离要大于2毫米，阻容等贴片小元件元件相互距离大于0.7毫米。J.所有字符不可以上盘，要保证装配以后还可以清晰看到字符信息。所有字符在X或Y方向上应一致。字符、丝引大小要统一。K.按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准来优化布局。L.其它略,元件布局,布线规则,电气有效体间安全间距，双击修改属性,设置导线宽度,元件布局,线段拐角方式设置，90度机械强度最低，圆弧机械强度最高,元件布局,元件布局,孔径大小限定,元件布局,查找元件,根据原理图中信号流向布局,元件布局,变绿非法,常用的布线快捷键：P/S：放置字符串P/T：放置导线P/P：放置焊盘P/G：放置多边形覆铜P/C：放置元件E/D：删除导线S/P：选中同一网络标号导线Ctrl+Delete:删除选中元件或导线,Space：翻转90度Page up：放大Page down：缩小END：刷新M/R：测量距离L：打开Layers标签Q：公制/英制尺寸单位切换*：切换工作层,PCB设计布线,PCB设计布线,1.布线优先次序 A.先信号后电源原则：先将数据信号线布通，后布电源线，最后地线。B.核心优先原则：例如CPU、RAM等核心部分应优先布线，类似信号传输线应提供专层、电源、地回路。其他次要信号要顾全整体，不可以和关键信号想抵触。C.关键信号线优先：电源、模拟小信号、高速信号、时钟信号和同步信号等关键信号优先布线。2.走线方向控制规则相邻层的走线方向成正交结构，避免将不同的信号线在相邻层走成同一方向，以减少不必要的层间窜扰；同层数据线、电源线、地线走向一致，在布线工作最后，用地线将电路板的底层没有走线的地方铺满，以增强抗干扰能力。,PCB设计布线,3.走线长度控制规则即短线规则，在设计时应该尽量让布线长度尽量短，以减少走线长度带来的干扰问题，特别是一些重要信号线，如时钟线，务必将其振荡器放在离器件很近的地方。4.倒角规则 PCB设计中应避免产生锐角和直角，产生不必要的辐射，同时工艺性能也不好。所有线与线的夹角应135。5.地线回路规则环路最小规则，即信号线与其回路构成的环面积要尽可能小，环面积要尽可能小，环面积越小，对外的辐射越少，接收外界的干扰也越小。6.窜扰控制窜扰（CrossTalk）是指PCB上不同网络之间因较长的平行布线引起的相互干扰，主要是由于平行线间的分布电容和分布电感的作用。,PCB设计布线,7.屏蔽保护对一些特别重要，频率特别高的信号，应该考虑采用铜轴电缆屏蔽结构设计，即将所布的线上下左右用地线隔离。8.混合信号分区规则将PCB分区为独立的模拟部分和数字部分，对于输入输出的模拟信号，与单片机之间最好通过光耦进行隔离。9.导线尽量粗地线很细，则地线电阻会较大，造成接地电位随电流的变化而变化，致使信号电平不稳定、电路抗干扰能力下降。在布线空间允许的情况下，保证主要地线的宽度在23mm以上，元件引脚上地线在1.5mm左右。数据线应尽可能的宽，至少不小于0.3mm，如果采用0.5mm则更理想。10.尽量减少过孔数 一个过孔会带来10pF的电容效应，对于高频电路，将会引入太多的干扰，故布线时应尽可能的减少过孔的数量。,PCB设计布线,11.接地点的选择当电路板上的信号频率高于10MHz时，由于布线的电感效应明显，地线阻抗变得很大，应采用多点接地，尽量降低地线阻抗。12.预防噪音的方法：每个电路板连接一个100uF的电解电容，小板只需接10uFCPU和存储块与一个 1uF+0.1uF的薄瓷电容连接每个IC连接一个0.01uF+1000pF的片状薄瓷电容连接，尽可能接近电源支持的引脚。13.散热问题稳压块、功率管等发热元件上配加散热片，以避免稳压块长时间工作在重负载下，造成过高的温升。,相同网络标号间用导线连接后预拉线会自动消失，导线删除后会自动出现,PCB设计布线,布线层面选择,导线,导线属性,底层连线,PCB设计布线,布线层面选择,顶层连线,放置过孔，进行两层连线,PCB设计布线,过孔属性,过孔,PCB设计布线,反复布局反复布线：若布线不成功，则修改布局或调整焊盘的网络名称，重新布线,PCB设计布线检查,查看校验单个网络连接情况,布线规则检查,运行,PCB设计布线检查,PCB设计布线检查,连线错误显示,PCB设计布线检查,查找元件,反白表选中,PCB设计布线检查,查找元件,PCB设计布线检查,PCB设计制作安装孔,焊盘,过孔大小设置,网络标号设为GND,制作安装孔,禁止布线层表示PCB的外边框，决定PCB板的外形尺寸,选择进制布线层,若PCB板的规格是有所规定的则应先画禁止布线层再对电路布局布线.,PCB设计禁止层布线,PCB设计补泪滴,补泪滴,补泪滴的作用是提高PCB的抗拉伸强度,补泪滴后焊盘由粗到细的渐变过程,PCB设计补泪滴,PCB设计覆铜,覆铜,要和覆铜连通的结点,去死铜,连接方式,圆弧过渡,覆铜网格宽度,根据禁止层分别在顶层和底层覆铜,PCB设计覆铜,PCB设计覆铜,PCB设计覆铜,添加字符,PCB设计添加字符,尽量采用地平面作为电流回路；将模拟地平面和数字地平面分开；如果地平面被信号走线隔断，为降低对地电流回路的干扰，应使信号走线与地平面垂直；模拟电路尽量靠近电路板边缘放置，数字电路尽量靠近电源连接端放置，这样做可以降低由数字开关引起的di/dt效应。,PCB Layout 设计技巧,1、为确保正确实现电路，应遵循的设计准则：,分隔开的地平面有时比连续的地平面有效,如果使用走线，应将其尽量加粗应避免地环路如果不能采用地平面，应采用星形连接策略数字电流不应流经模拟器件高速电流不应流经低速器件,PCB Layout 设计技巧,2、无地平面时的电流回路设计,如果不能采用地平面，可以采用“星形”布线策略来处理电流回路,3、旁路电容或去耦电容,PCB Layout 设计技巧,4、布局规划,PCB Layout 设计技巧,模拟电路放置在线路的末端,5、印制导线宽度与容许电流：,PCB Layout 设计技巧,6、高频数字电路PCB布线规则：高频数字信号线要用短线。主要信号线集中在pcb板中心。时钟发生电路应在板的中心附近，时钟扇出应采用菊链式和并联布线。电源线应远离高频数字信号线，或用地线隔开，电路布局必须减少电流回路，电源的分布必须是低感应的（多路设计)输入与输出之间的导线避免平行。,7、布线的注意事项：专用地线、电源线宽度应大于1mm。其走线应成“井”字型排列，以便是分部电流平衡。尽可能的缩短高频器件之间的连线，设法减少它们之间地分布参数和相互间的信号干扰。某些元器件或导线可能有较高的电位差，应加大它们的间距，避免放电引起意外短路。尽量加大电源线宽度，减少环路电阻，电源线、地线的走向和数据传递方向一致，有助于增强抗干扰能力。当频率高于100k时，趋附效应就十分严重，高频电阻增大。,PCB Layout 设计技巧,本讲总结,硬件设计流程和工具protel99SEPCB layout 注意事项,下一节课：嵌入式操作系统,