作者：老虎工作室,张瑾,张伟,张立宝
出版社：人民邮电出版社
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电路设计与制板:Protel 99SE入门与提高试读：
关于本书
内容和特点
随着计算机技术的发展，电路设计中的很多工作都可以交给计算机来完成，这样就大大减轻了设计人员的手工劳动，并且保证了设计的规范性。因此，电子设计自动化（EDA）已经成为不可逆转的时代潮流。
Protel 99SE是Protel公司（现已更名为Altium公司）于2000年推出的一款EDA软件，是Protel家族中性能较为稳定的一个版本。它不仅是以前版本的升级，更是一个全面、集成、全32位的电路设计系统。Protel 99SE的功能十分强大，集原理图设计、可编程逻辑器件的建立、电路混合信号仿真、印制电路板（PCB）设计与布线、信号完整性检查以及设计规则分析等功能于一身，在电子电路设计领域占有极其重要的地位。
本书以丰富的电路设计实例为基础，以电路板设计的基本流程为主线，由浅入深、循序渐进地介绍了从电路原理图设计到印制电路板设计的整个流程。本书的开篇首先通过一个简单的电路板设计实例，让从没有使用过Protel 99SE的新手轻松体验了电路板设计的全过程。接着本书按照电路原理图设计、原理图符号设计、PCB设计和元器件封装设计的顺序，逐一详细地介绍了电路板设计的具体操作步骤以及各种工具、命令的使用方法。本书的实例力求从工程设计的角度出发，从掌握各个环节的方法入手，分析例子时步骤详细、清晰，旨在让读者熟练掌握整个工程设计的全部技能。此外，本书还在每一部分内容介绍完成后，利用专门的章节来介绍典型的技巧，让读者的学习能够立即得到提高。
本书的突出特点是“实用、可读性强”。本书以经典的已出版的《电路设计与制版——Protel 99入门与提高》为基础，秉承了上一版本的优点，同时也归纳了许多读者的反馈意见，在结构及内容上进行了一定的调整，精简了老版图书中不太实用的内容，而添加了许多实用的技巧。
针对Protel 99SE推出的套书一共有两本，其姊妹篇是《电路设计与制板——Protel 99SE高级应用》。通过这两本书的学习，读者可以很好地从Protel 99SE的入门开始，快速地掌握电路原理图的绘制和PCB制板。另外，在该书中还穿插了许多电路设计方面的专业知识和操作经验，相信对读者的实际工作会有很大帮助。
本书共分11章，各章内容简要介绍如下。
· 第1章：通过一个简单的电路板设计实例，让读者初步领略电路板设计的全过程。
· 第2章：初识Protel 99SE。
· 第3章：通过实例介绍了绘制电路原理图的基本步骤和技巧。
· 第4章：介绍层次原理图的绘制方法和技巧。
· 第5章：介绍原理图设计中的一些高级技巧。
· 第6章：介绍绘制原理图符号的基本方法。
· 第7章：通过实例介绍了单面板的设计流程。
· 第8章：通过实例介绍了双面板的设计流程。
· 第9章：介绍了PCB设计中的一些高级技巧。
· 第10章：介绍了手工制作元器件封装，以及修改元器件封装的方法和技巧。
· 第11章：收集了大量电路板设计人员在实际工作中遇到的问题，并结合实例进行解答。
读者对象
首先本书是一本针对初学者的“入门”书籍，因为书中的实例简单实用，讲解步骤详细、清楚，非常适合初学者的学习。同时，本书还是一本针对有初步Protel电路板设计经验的读者的“提高”书籍，因为书中讲解了大量的使用技巧和高级操作知识，对这些读者在电路板设计能力的提高大有裨益。
叙述约定
为了方便读者阅读，我们在书中设计了两个小图标。要点提示：用于介绍重要的知识点。操作实例：用于引出一个操作题目和相应的一组操作步骤。
本书在编写过程中，得到了黄业清等同志的大力帮助和支持，在此表示衷心的感谢。
感谢您选择了本书，也请您把对本书的意见和建议告诉我们。
老虎工作室网站 http://www.laohu.net，电子函件 postmaster@laohu.net。老虎工作室2007年4月第1章 电路板设计新手上路
印制电路板（简称电路板）设计是电子线路设计人员和电子爱好者们应该具备的最为基本的技能之一。如何快捷、高效、准确地完成电子线路的设计工作，决定了整个电子系统设计的进度和性能。Protel 99SE（Second Edition）是Protel公司于2000年推出的基于Windows平台的第六代产品，集强大的设计功能、复杂工艺的可生产性和设计过程管理于一体，可完整实现电子产品从电路逻辑设计到生成电路板生产数据的全过程以及期间的所有电气分析，设计规则分析以及仿真分析。Protel 99SE凭借着Protel 99原有先进的设计平台，带来了更多既强大又实用的新增功能，让用户在具有最完整的功能特性之情况下，提升设计上的品质与效率。
对于从未进行过电路板设计的读者来说，首先对电路板有个整体上的认识是非常重要的。因此在详细地描述了Protel 99SE的使用方法之前，本章将从认识电路板入手，介绍电路板的一些基本概念，然后通过一个简单的设计实例让读者初步了解电路板设计的基本流程和设计要点。从本章开始，读者将一步步地进入Protel 99SE的完美设计世界！
本章主要内容
· 认识电路板。
· 电路板设计基本流程。
· 常用设计编辑器。
· 新手上路之简单实例。1.1 认识电路板
所谓电路板，就是用来安装、固定元器件并实现其相互连接的一块基板。本节将主要介绍电路板的基础知识和电路板的基本结构。1.1.1 初识电路板
图1-1所示为一双层电路板，通过此图相信读者对电路板会有一个感性认识。从图中可以看到，电路板就是放置有焊盘、过孔、铜膜导线、标注文字以及安装孔等组件的一块绝缘基板。元器件的引脚通过焊盘焊接在电路板上，焊盘与焊盘之间通过铜膜导线连接，螺栓穿过安装孔可以将电路板固定。图1-1 双层电路板1.1.2 认识电路原理图
在设计电路板之前，首先需要进行电路原理图设计。所谓电路原理图，就是指描述电路中元器件之间的电气连接关系的图纸。它并不涉及元器件的具体大小、形状，而只关心元器件的类型和相互之间的电气连接关系。典型的电路原理图如图1-2所示。图1-2 典型的电路原理图
电路原理图通常包括电气元器件和连接网络两个基本要素。电气元器件是电路原理图的主体部分，在图1-2中，包括电阻（R1至R6）、电容（C1至C4）、二极管（D1）、三极管（Q1）、运算放大器（U1）、555定时器（U2）和接插件（JP1）等。从图中可以看出，这些电气元器件只是包括零件的外形符号（图形表示）、元器件的序号（R1、U1）和元器件的型号（LM258、9014）3种信息，而没有其他如元器件物理外形、元器件大小、焊盘距离和焊盘位置等信息（这些信息一般在电路板图中体现）。连接元器件的网络从图1-2中可以看出，就是连接各个元器件电气节点的导线。这些导线描述了元器件相互之间的电气连接关系，是设计人员设计思想的体现。1.1.3 电路板的结构
电路板由绝缘板和覆盖在板上的导电铜膜组成，铜膜起连接导线的作用。下面将从3个方面向读者介绍电路板的基本结构。
一、电路板材料
早期的电路板基板的绝缘材料主要是胶木板，而现在以环氧树脂板材居多，发展趋势是板材厚度越来越薄，韧性越来越强，层数越来越多。
二、电路板板层
根据电路板布线层面的多少，一般可以将其分为3类：单层板、双层板和多层板。对于多层板而言，四层板的制造技术比较成熟，而六层板或更多层的电路板，由于工艺制作复杂、造价高，所以只是在一些高级设备中才使用。
· 单层板
单层板是指只在电路板的其中一个面（焊接面）上进行布线，而所有元器件、元器件标号以及文字标注等都在另一个面（元器件面）上放置的电路板。其最大的特点是价格低廉，但是由于只能在一个面上进行布线，布线比较困难，容易出现布不通的问题，所以只适用于一些比较简单的电路。单层板的结构如图1-3所示。图1-3 单层板结构示意图
· 双层板
双层板是在绝缘板两面进行布线，其中一面作为顶层（Top Layer），另一面作为底层（Bottom Layer）。顶层和底层通过过孔进行电气连接。双层板上的元器件通常放置在顶层，但有时为了缩小电路板体积也可两层都放。双层板的特点是价格适中、布线容易，是目前普通电路板比较常用的类型。双层板的结构如图1-4所示。图1-4 双层板结构示意图
· 四层板
四层板是在双层板的基础上增加电源层和地线层，其结构如图1-5所示。随着电子设备越来越复杂，电路板上的线路和元器件越来越密集，多层板的应用也越来越广泛。图1-5 四层板结构示意图
三、电路板的主要设计对象
· 元器件封装
通常设计者在设计完成电路板后，会将设计图拿到专门的电路板制造企业去加工。在取回电路板后，要将元器件焊接上去。那么，如何保证元器件的引脚和电路板上的焊点一致呢？这就是元器件封装大显身手的时候了。
所谓元器件封装，是指表示实际元器件焊接到电路板的外观和焊点位置的组合图形。既然元器件封装只是零件的外观和焊点位置的指示，那么纯粹的元器件封装仅仅是空间的概念。因此，不同的元器件可以共用同一个元器件封装，但前提是它们的外形尺寸以及引脚排列是相同的。另外，同类元器件也可以有不同的元器件封装，如电阻，它的封装形式有AXIAL-0.4、AXIAL-0.5和XIAL-0.6等。从图1-6可以看出，对于电阻的多种封装形式，该怎样选取完全取决于实际元器件的外形尺寸。封装名称后边的数字代表了两个焊盘之间的间距，单位为英寸（in），如AXIAL-0.4表示焊盘间距为0.4英寸。一般来说，后边的数字越大，元器件的封装尺寸就越大。图1-6 电阻封装形式
元器件封装可以在设计电路原理图的时候指定。在设计电路原理图的时候，设计者可以在元器件属性对话框中的【Footprint】（元器件封装）中指定。另外也可以在引用网络表的时候指定。
元器件封装大致分为两大类，即直插式封装和表面贴装式封装。（1）直插式封装：所谓直插式就是元器件的引脚是一根根的长导线，为固定元器件，一般从顶层穿下，在底层焊盘处焊接，焊盘的金属化孔贯穿整个电路板。制造直插式元器件的焊盘需要在电路板上钻孔，器件引脚的多余部分在焊接完成后还要根据需要剪掉，所以制造电路板的工序较多，另外就是直插式封装的元器件体积较大，因此选用直插式元器件会使电路板整体体积增大。图1-7所示的元器件都是直插式封装。图1-7 直插式元器件（2）表面贴装式封装：表面贴装式元器件是基于表面贴装技术而制作的一种元器件，它把元器件直接焊接在电路板的表面，元器件体积小，并且电路板不需要钻孔。其结构如图1-8所示。在电路板的元器件库中，表面贴装式元器件的引脚只限于表面板层，所以其焊点的属性对话框中的【Layer】（板层）属性必须为单一表层，如“Top Layer（顶层）”或“Bottom Layer（底层）”。图1-8 表面贴装式元器件
· 焊盘
焊盘是电路板和元器件的连接点。焊盘和元器件对应，也分为直插式焊盘和表面贴装式焊盘。直插式焊盘的中心处有金属化孔，它贯穿所有的板层。表面贴装式焊盘一般没有金属化孔，焊盘所在层既是元器件层，也是焊接层。
直插式焊盘可以在任何一个层上对它进行编辑，而表面贴装式焊盘只有在当前层和它所在的层一致时才可以编辑。
· 铜膜导线
铜膜导线用于连接各个焊盘、过孔，是具有实际电气连接意义的导线。
· 过孔
当需要连接两个层面上的铜膜导线时，就需要用到过孔。过孔在外形上与直插式圆形焊盘相同，应用时焊盘主要用于构成封装，而过孔主要用于连接不同板层间的导线。
过孔分为从顶层到底层的穿透式过孔、从顶层通到电源地线层或从电源地线层到底层的半隐藏式过孔以及电源地线层之间的隐藏式过孔3种，具体结构形式参看图1-9。图1-9 3种过孔结构示意图1.1.4 电路板的工作层面
电路板中的工作层面是认识和绘制电路板的一个重点，必须要了解各个层面的作用，这样才能正确使用它们。以双层板为例，它所具有的板层如图1-10所示。从图中可以看出，双层板一般具有【Top Layer】（顶层）、【Bottom Layer】（底层）、【Silkscreen】（丝印层）、【Multi layer 】（多层）和【Keepout】（禁止布线层）等工作层。图1-10 双层板板层
如果是单层板，其工作板层则通常包括【Component Side】（元器件面）、【Solder Side】（焊接面）、【Silkscreen】（丝印层）、【Multi layer】（多层）和【Keepout】（禁止布线层）等工作层。
如果是多层板，除了具有双层板应具备的所有板层外，还要有【Power Plane】（电源层）和【Ground Plane 】（地线层）。
下面就常用的电路板层做简要介绍。（1）Signal layers（信号层）
Protel 99SE共提供了32个信号层，其中包括顶层（Top Layer）、底层（Bottom Layer）和30个中间层（Mid Layer）。信号层主要是用来放置元器件和进行布线。（2）Internal planes（内层）
内层由电源层和地线层组成，用来放置电源和地线。Protel 99SE共提供了16个这样的电源地线层。放置在该层的导线除了可以减少信号层的布线密度，减小线路之间的干扰之外，还可以隐藏和保密电路。（3）Mechanical layers（机械层）
机械层共有16个，常用来放置一些与制造或组合有关的指示性标记或文字。如电路板的尺寸线、尺寸标记、数据资料、过孔信息、装配说明、对齐标记等信息。所以，这类板层又称为指示层或机构层。（4）Masks（掩膜层）
该层主要包括两个阻焊层和两个锡膏防护层。阻焊层分顶层阻焊层和底层阻焊层，主要用来铺设阻焊剂。因为焊接电路板时焊锡在高温下具有流动性，所以必须在不需要焊接的地方涂一层阻焊物质，防止焊锡流动、溢出引起短路。
锡膏防护层也有顶层和底层两个板层，它和阻焊层的作用相似，不过当使用热对流技术来安装表面贴装式元器件时，可以建立阻焊层的丝印。（5）Silkscreen（丝印层）
丝印层分顶层丝印层和底层丝印层，主要用来书写文字说明。在电路板上放置元器件的时候，电路板会自动将元器件外形符号、元器件序号和其他的文本信息放置在丝印层内。（6）Other（其他工作层）
其他工作层主要包括禁止布线层（Keepout）、多层（Multi layer）、钻孔说明层（Drill guide）和钻孔视图层（Drill drawing）。
禁止布线层通常用来定义电路板的外形边框，也就是确定电路板的尺寸和布线范围。禁止布线层上的边框应该是闭合的，如果不闭合或没有画元器件边框，将不能进行自动布线和打印。
多层代表所有的层面，放置在该层上的对象在设计输出时会自动附加到所有信号层上，可以用来实现焊盘和过孔的快速放置。
钻孔说明层和钻孔视图层主要用于绘制钻孔图和钻孔位置。1.2 电路板设计的基本步骤
电路板设计的过程就是将设计者的电路设计思路变为可以制作电路板文件的过程，其基本步骤如图1-11所示。图-11 电路板设计的基本步骤（1）电路原理图设计
电路板设计之前，往往需要先设计电路原理图，为电路板的设计做准备。电路原理图设计的任务就是将设计者的思路或草图变成规范的电路原理图，为电路板设计准备网络连接和元器件封装。（2）原理图符号设计
在电路原理图设计的过程中常常遇到有的原理图符号在系统提供的原理图符号库中找不到的情况，这时就需要用户自己动手设计原理图符号。（3）PCB设计
在网络标号和元器件封装准备好后就可以进行PCB设计了。电路板设计是在PCB编辑器中完成的，其主要任务是对电路板上的元器件按照一定的要求进行布局，然后用导线将相应的网络连接起来。（4）元器件封装设计
电路板设计经常会用到许多异形或不常用的元器件，这些元器件封装在系统提供的元器件封装库中是找不到的，也需要用户自己进行设计。
需要说明的是，元器件封装和原理图符号是相互对应的。在一个电路板设计中，一个原理图符号一定有与之对应的元器件封装，并且该原理图符号中具有相同序号的引脚与元器件封装中具有相同序号的焊盘是一一对应的，它们具有相同的网络标号。（5）送交制板商
电路板设计好后，将设计文件导出并送交制板商即可制作出满足设计要求的电路板。1.3 常用设计编辑器
从电路板设计的基本步骤可以看出，电路板设计过程中常用的编辑器主要有原理图编辑器、原理图符号库编辑器、PCB编辑器和元器件封装库编辑器等。下面简要介绍这些常用编辑器的主要功能。1.3.1 原理图编辑器
在介绍电路板设计的基本流程时提到，一个完整的电路板必须经过原理图设计和PCB设计两个阶段。电路板设计第一阶段原理图的绘制就是在原理图编辑器中完成的。
原理图编辑器的主要功能是设计原理图。此外，在原理图编辑器中利用原理图库提供大量原理图符号的优势，还可以快速绘制电子设计的接线图。原理图编辑器的操作界面如图1-12所示。图1-12 原理图编辑器1.3.2 原理图符号库编辑器
在绘制原理图的过程中，用户经常需要自己动手制作原理图符号。在正式制作原理图符号之前，需要创建一个原理图库文件存放即将制作的原理图符号，这时需要激活原理图符号库编辑器，如图1-13所示。图1-13 原理图符号库编辑器1.3.3 PCB编辑器
在原理图绘制完成后，下一步工作就需要将元器件封装和网络表载入到PCB编辑器中，进行电路板的布局和布线设计。
PCB编辑器的激活可以通过打开已经存在的PCB文件或者是通过创建新的PCB文件来完成。PCB编辑器操作界面如图1-14所示。图1-14 PCB编辑器
在PCB编辑器中，将完成电路板设计第二阶段的任务，即根据原理图设计完成电路板的制作。电路板制作主要包括电路板选型、规划电路板的外形、元器件布局、电路板布线、覆铜和设计规则校验等工作。1.3.4 元器件封装库编辑器
在元器件封装和网络表载入PCB编辑器之前，必须保证所有用到的元器件封装所在的元器件封装库都已经载入到PCB编辑器中，否则将导致元器件封装和网络表载入的失败。
如果个别元器件封装在系统提供的元器件封装库中不能找到时，解决的办法就是自己动手制作元器件封装。同制作原理图符号一样，在制作元器件封装之前，也应当创建一个新的PCB元器件封装库文件或者是打开一个已经存在的元器件封装库。元器件封装库编辑器如图1-15所示。图1-15 元器件封装库编辑器1.3.5 常用设计编辑器之间的关系
原理图编辑器、原理图库编辑器、PCB编辑器和元器件封装库编辑器贯穿了电路板设计的全过程。根据电路板设计不同阶段的要求，用户可以激活相应的编辑器来完成特定的任务。
在电路板的设计过程中，4个常用编辑器之间的关系可通过如图1-16所示的示意图来表示。图1-16 4个常用编辑器之间的关系
由图1-16可以看出，原理图编辑器和PCB编辑器是进行电路板设计的两个基本工作平台，并且原理图和电路板的更新是实时同步的。原理图库编辑器是根据原理图设计过程中的需求被激活的，并且修改完原理图符号后一定要存储修改结果和更新原理图中的原理图符号。同理，元器件封装库也需要制作或修改元器件封装的时候才被激活。
从编辑器之间的关系来看，原理图库编辑器服务于原理图编辑器，主要用来制作原理图符号，以保证原理图设计的顺利完成。而元器件封装库编辑器服务于PCB编辑器，主要用来制作元器件封装，以保证所有的元器件都能有对应的元器件封装，使原理图设计能够顺利地转入到电路板设计。原理图设计是电路设计者设计思路的图纸化，是电路板设计过程中的准备阶段。PCB设计是整个电路板设计过程中的实现阶段，而元器件封装和网络表是联系原理图编辑器和PCB编辑器的桥梁和纽带。1.4 新手上路之简单实例
通过前面内容的介绍，相信读者已经初步了解了电路板设计的基本流程以及常用的设计编辑器的功能，本节将通过一个简单的电路板设计实例，引导读者真正进入Protel 99SE的电路设计殿堂。1.4.1 绘制电路原理图
电路板设计的第一步是绘制电路原理图。本节将要设计如图1-17所示的电路原理图。图1-17 电路原理图电路原理图设计步骤
1．启动Protel 99SE设计浏览器，如图1-18所示。图1-18 启动Protel 99SE设计浏览器
2．选取菜单命令【File】／【New】，系统弹出【New Design Database】（新设计数据库）对话框，如图1-19所示。单击【Location】选项卡，在【Database File Name】（数据库文件名）文本框中键入文件名，然后单击按钮指定文件存储路径，最后单击按钮完成一个新设计数据库文件的创建。图1-19 创建新的设计数据库文件
3．选取菜单命令【File】／【New...】，打开【New Document】（新设计文件）对话框，如图1-20所示。单击图标，选中原理图编辑器的图标。单击按钮即可完成新的原理图文件的创建。图1-20 创建原理图文件
4．单击设计管理器中的选项卡，然后单击【Browse】（浏览）选项中的按钮，在弹出的下拉列表中选取【Libraries】（库），再单击按钮，即可打开【Change Library File List】（更改库文件列表）对话框，如图1-21所示。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]