电路CAD设计报告.docx
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电路CAD设计报告
上海大学
调频电路的PCB设计
使用Protel99SE设计PCB印刷版
目录
一、摘要2
二、概述2
1、意义2
2、主要任务2
3、软件3
4、设计原理3
5、设计目标4
三、设计过程5
1、绘制电路原理图5
2、电气规则检查5
3、为器件选择合适的封装5
4、生成网络表6
5、由网络表生成初始PCB文件7
6、PCB电路板的布局7
7、布线8
8、铺地9
9、规则检查9
四、总结和体会10
五、参考文献10
一、摘要
本文介绍了设计FM调频发射器PCB电路板的过程。
使用了Protel99SE作为设计环境设计制作了调频广播的发射端电路——变容二极管调频电路。
详述了设计PCB印刷电路板的操作流程:
(1)绘制电路原理图并进行电器规则检查(3)选择封装(4)生成并载入网络表(5)PCB的布局及布线、铺地(6)规则检查并修正错误。
经过了细致的设计和缜密的修正之后,最终达到了设计目的——完成了FM变容二极管调频电路的PCB印制电路板的设计。
二、概述
1、意义
调频广播具有抗干扰性能强、声音清晰等优点,获得了快速的发展。
调频电台的频带通常大约是200~250kHz,其频带宽度是调幅电台的数十倍,便于传送高保真立体声信号,变容二极管调频电路是调频广播中常用的发射端电路。
。
PCB(PrintedCircuitBoard印刷电路板)的设计是以电路原理图为根据,采用电子印刷术制作,来实现电路设计者所需要的功能。
优秀的版图设计可以节约生产成本,达到良好的电路性能和散热性能。
2、主要任务
使用Protel99SE绘制一个FM变容二极管调频电路,并根据电原理图设计出合理的PCB印刷版。
3、软件
Protel99SE是ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。
该软件功能强大,人机界面友好,易学易用,仍然是大中院校电学专业必学课程,同时也是业界人士首选的电路板设计工具。
Protel99SE共分5个模块,分别是原理图设计、PCB设计(包含信号完整性分析)、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。
它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计(包含印制电路板自动布线)、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能,并具有Client/Server(客户/服务器)体系结构,同时还兼容一些其它设计软件的文件格式,如ORCAD,PSPICE,EXCEL等,其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。
4、设计原理
调频广播具有抗干扰性能强、声音清晰等优点,获得了快速的发展。
调频电台的频带通常大约是200~250kHz,其频带宽度是调幅电台的数十倍,便于传送高保真立体声信号。
由于调幅波受到频带宽度的限制,在接收机中存在着通带宽度与干扰的矛盾,因此音频信号的频率局限于30~8000Hz的范围内。
在调频时,可以将音频信号的频率范围扩大至30~15000Hz,使音频信号的频谱分量更为丰富,声音质量大为提高。
许多中小功率的调频发射机都采用变容二极管直接调频技术,即在工作于发射载频的LC振荡回路上直接调频,采用晶体振荡器和锁相环路来稳定中心频率。
较之中频调制和倍频方法,这种方法的电路简单、性能良好、副波少、维修方便,是一种较先进的频率调制方案。
下面是变容二极管调频电路的电原理图。
其中J2端口为信号的输入端,J4端口为调频后的输出端。
J5为12V电源接口。
J1、J3为测试用端口。
5、设计目标
使用Protel99SE作为设计环境。
设计出适合生产的PCB印刷版,下面是这次设计所完成的成品PCB软件模型图样。
三、设计过程
1、绘制电路原理图
新建一个数据库文件(.ddb),再新建一个document,文件类型选择schematicdocument(电原理图),按照选择的项目,绘制出电路原理图。
对于标准库中没有的原件,可以先使用Find操作进行查找,如果无法找到,就需要手动建立一个新的元件库,并自己设计此元件。
关于电源部分,在设计时,需要为电源添加一个双端口的输入器件,这是后面PCB设计时所需要的。
2、电气规则检查
当电原理图设计完成后,需要检查错误。
执行命令Tools–ERC。
按照提示修改错误,直到电器规则检查不再提示错误为止。
这里出现的错误主要是电路图连接方面的错误,一般是管脚没有连接上。
常见的错误有:
(1)Unconnectednetlabels:
:
未实际连接的网络标号
(2)Floatinginputpins:
输入引脚浮接。
(3)Duplicatecomponentdesignator:
元件编号重号
此处检查出现的错误都比较直观,只要按着原理图仔细修正即可。
至此,电原理图设计基本完成。
3、为器件选择合适的封装
封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳,它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用,而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁——芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。
下面是一些常用元件的常用封装,由于具体的器件大小不一,大部分情况下,需要自己手动设计合适的封装。
元件
代号
封装
备注
电阻
R
AXIAL0.3
轴状
电容
C
RAD0.1
方型电容
电容
C
RB.2/.4
电解电容
集成电路
U
DIP8
双列直插式
二极管
D
DIODE0.4
IN4148
三极管
Q
TO-126
3DD15
电位器
POT
VR-4
关于二极管的封装:
DIODE0.4、DIODE0.7,这两个封装与原件库中的二极管元件不匹配,需要手动修正。
参考网络上的解决方案,我的做法是,将PCB封装库中这两个封装的端口,改为A、K,错误就消除了。
而像开关这样的元器件,标准库里面没有对应的封装,这是就需要手动设计对应的封装。
在真正的生产过程中,需要测量元器件的大小,绘制出对应大小的封装图。
4、生成网络表
执行命令Design-CreateNetlist,即可生成网络表。
执行Design–UpdatePCB–PreviewChanges检查网络错误。
按照提示修正错误,直到没有错误。
在我这门课程的学习过程中出现过以下错误,借助于书本及互联网的知识,最终克服了困难,解决了错误。
(1)FootprintnotfoundinLibrary(没有发现封装)。
解决方法是:
打开网络表文件查看哪些元件未定义,然后到原理图中找到相应的元件,双击该元件,在属性对话框中的FOOTPRINT栏中填入相应的封装。
(2)Nodenotfound(没有发现焊盘)。
解决方法是:
可编辑原理图库或PCB库中元件的管脚名称,使之相互一致,在二极管的放置时会遇到。
(3)Componentnotfound(没有发现元件)。
解决方法是:
封装错误,为元件添加正确的封装即可。
(4)元件标号重复。
这类问题没有提示,比较隐蔽,需要耐心检查电原理图,为重名的元件,重新命名。
5、由网络表生成初始PCB文件
在网络表没有错误之后,点击Execute生成初始的PCB文件,或者新建一个新的PCB文件,然后执行,Design-LoadNets,即可生成初始的PCB文件。
这时的通过PageUp和PageDown键放大和缩小显示范围,就可以在屏幕区域找到初始的未布局的元器件。
此时的PCB文件元器件由“飞线”连接。
“飞线”表示了元器件之间的联系,而元器件的引脚上都标记着元器件所在的网络。
在后面的布线的过程中,这些“飞线”就是重要的参照。
6、PCB电路板的布局
当生成了初始的PCB文件之后,就进入了布局的过程了。
虽然Protel软件提供了自动布局的功能。
但是由于这个布局不人性化,与人工手动布局的效果相差巨大,老师不推荐我们使用。
如果要使用也要在大型、重要的器件手动布局完成,剩下一些不太重要的器件的时候使用。
布局的一般规则是:
一般先放置与机械尺寸有关的固定位置的元器件,再放置特殊的和较大的元器件,最后放置小元器件。
同时,要兼顾布线方面的要求,高频元器件的放置要尽量紧凑,信号线的布线才能尽可能短,从而降低信号线的交叉干扰等。
布局的间距要适当,间距过大,PCB板子的成本增加,不适合生产。
间距过小,则可能会影响布线。
参考书本等资料,得到其他一些应该注意的布局规则如下。
(1)大功率管、变压器、整流管等发热器件,在高频状态下工作时产生的热量较多,所以在布局时应充分考虑通风和散热,将这类元器件放置在PCB上空气容易流通的地方。
(2)放大器各级最好能按原理图排成直线形式,如此排法的优点是各级的接地电流就在本级闭合流动,不影响其他电路的工作。
输入级与输出级应当尽可能地远离,减小它们之间的寄生耦合干扰。
(3)考虑各个单元功能电路之间的信号传递关系,还应将低频电路和高频电路分开,模拟电路和数字电路分开。
集成电路应放置在PCB的中央,这样方便各引脚与其他器件的布线连接。
(4)电感器、变压器等器件具有磁耦合,彼此之间应采用正交放置,以减小磁耦合。
另外,它们都有较强的磁场,在其周围应有适当大的空间或进行磁屏蔽,以减小对其他电路的影响。
7、布线
当完成了PCB电路板的布局之后,就开始了电路板的布线工作。
这里Protel99SE也提供了自动布线的功能。
这里的自动布线会遵循导线最短的原则。
在模拟电路的布线过程中,还是无法与经验丰富的布线人员的手动布线相比。
在课堂上,老师对两种布线的方式都进行了细致的讲解。
在课下我也对两种布线方式都进行了尝试。
由于自动布线的规则限制,自动布线的时候,软件不会考虑到电路的美观等因素,可能会导致部分地方的连线看起来很粗陋。
这时就需要手动进行调整,来使电路看起来美观、清晰一些。
布线开始前,需要在KeepOutLayer中绘制一个矩形框(成粉色),将整个PCB得等布局都囊括在其中,这是系统要求的对PCB制作的外框,是后面布线和铺地的前提。
电路的布线最好按照信号的流向采用全直线,需要转折时用45°折线来完成,这样可以减少高频信号对外的发射和相互间的耦合。
在相邻的两个层面上布线最好相互垂直、斜交。
避免相互平行,这样可以减少相互干扰和寄生耦合。
关于与电源、地,相连的导线,由于负载电流比较大,设计时候要进行加粗处理。
8、铺地
对于接地的另一种处理方式,就是大面积铺地。
就是将地线与铜皮相连接。
实现方法是:
在工具栏里点击PlacePolygonPlane工具,在弹出的属性选项卡中,在ConnectTo下拉框中,选择GND选项。
之后鼠标变成十字状,这时可以沿着之前绘制的KeepOutLayer的边框线进行绘制,同样是一个闭合的矩形框。
在矩形框闭合的时候,系统会自动进行铺底地操作。
铺地时几个重要的问题,一个是GridSize属性,决定了铺地网格的宽度,设置为0时即没有空隙,为实心铺地。
另一个就是,对于双面或者多面电路板,每一个需要进行铺地的层面都需要进行铺地。
9、规则检查
在进行完以上步骤之后,PCB印刷版的制作就基本完成了,最后要做的一项工作就是:
规则检查了。
执行命令:
Tools–DesignRuleCheck命令,在弹出的对话框中点击RunDRC,等待稍许之后,会出现规则检查的结果。
常见的问题有以下这些:
(1)Short-CircuitConstraint短路,按照提示,去查找指定位置是否有连接错误的导线。
(2)Broken-NetConstraint网络没有连接上,后面一般会有这样的说明“NetGNDisbrokeninto2sub-nets”,意思是,接地的网络呗分割成了两个子网络,就是说地网络中有两个部分没有连接上。
(3)WidthConstraint宽度与规则不符,这个问题一般的解决方法,不是修改导线宽度,而是修改规则。
具体的方法是,执行Design–Rules在Routing选项卡中找到WidthConstraint选项,修改其中的数值即可。
(4)HoleSizeConstraint空洞大小与规则不符,这个错误与上面一个类似,也是一般要修改规则。
在Design–Rules的Manufacturing选项卡中找到HoleSizeConstraint选项,修改即可。
四、总结和体会
在这次的PCB印刷版的设计过程中,在老师的引导下,自学了大量的知识。
特别是加强了动手能力。
在整个学期里,老师起到了抛砖引玉的作用。
几乎所有的问题都是我们在书本上,在网络上找到的答案。
这大大加强了我们的自主学习能力和运用理论解决实际问题的能力:
从绘制原理图出现的错误到制作PCB图纸出现的错误,在没有经验的我们面前,都成了一道道屏障。
这一个一个的难题,在我们的不懈的努力下,最终将它们全部的克服掉了。
有很多令人深刻的错误,在解决了这些错误之后,不仅有着成功的喜悦,跟重要的是通过自学,自主的掌握了知识,真正的提高了学习的能力。
遇到问题大家一起探讨,请教同学,更是增加了同学之间的相互协作。
给我印象最深的几个问题是:
(1)绘制原理图的时候,忘记给元件编号,导致电器规则检查出现众多错误。
最后通过请教同学解决了这个问题。
(2)二极管的封装,不仅是我,也是绝大多数第一次接触PCB制作的同学一定会遇到的问题。
也曾经困扰了很多同学。
后来在互联网上检索,发现很多人也遇到过这个问题。
大家的解决方法大体上有两种,一种是修改器件原理图,一种是修改器件的封装。
最终使原理图和封装的引脚名称相同。
在得到解决方案之后,经过尝试,终于解决了这个小问题。
同时也帮周围的不少同学,解释了问题的原因,并将解决的方法分享给他们。
当然了,遇到的问题还有很多,比如开关封装的绘制,在铺底前删除自动布线连接的地线,在板子的的TopOverLayer放置说明文字等等。
最后都从难题,转变成了我们的经验。
让我们真正的学到了知识,学会了知识。
五、参考文献
[1]陈晓平.Protel99SE电子线路CAD应用教程.南京:
东南大学出版社,2005.
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