任务3 印制电路设计

【任务要求】

1.课前，从教材、相关书籍、网上自己查找和学习印制电路设计方法。

2.独立或分组完成印制电路设计任务。

3.认真倾听教师的指导和改正意见，总结不足、完善任务。

1.3.1 印制电路的布局

印制电路的制板是根据设计人员的意图，将电路原理图转换成印制图并确定其加工技术要求的过程。设计的印制电路板既要满足电路原理图的电气连接要求，又要满足电子产品的电气性能和机械性能要求，同时还要符合印制电路板加工工艺和电子产品装配工艺的要求。

1.整体布局

（1）分析电路原理。印制电路设计是将电子产品的电路原理图，转化为电子元器件实现装配的印制板图。即是将电路原理图中元器件符号的电气连接，转化为元器件实物的有机的连接。所以，印制电路设计，必须首先分析电路原理图，深刻理解其电路原理。只有在理解电路原理的基础上，才能做到正确、合理的布局。

（2）避免各级及元件间的相互干扰。电路各级及元件间的相互干扰包括：电场干扰（电容耦合干扰）；磁场干扰（电感耦合干扰）；高、低频间干扰；高、低压间干扰；热干扰等。印制电路设计应采取措施，避免或尽可能降低各级及元件间的相互干扰。通常是将数字电路、模拟电路以及电源电路分别放置，将高频电路与低频电路分开，有条件的应使各自隔离或单独做成一块电路板。此外，布局还注意强、弱信号的器件分布及信号传输方向途径的处理。

另外，对热敏元件，应远离热源，印制电路设计应考虑有效和散热措施。

（3）满足生产、使用要求。因为电路的最终实现是通过产品的生产，所以设计应满足生产要求。生产要求包括加工、装配工艺要求，调试等要求，即设计应有利于产品的加工、装配和调试。

产品的生产是用来满足用户使用的，因此设计必须满足使用要求。使用要求包括使用环境要求，客户要求，以及方便使用和维修。

（4）熟悉所用元器件。清楚所用器件的电气特性和物理特征，包括元器件的额定功率、电压、电流、工作频率，体积、宽度、高度、外形等。只有做到清楚所用器件的电气特性和物理特征，才能进行合理有效的布局。

（5）美观原则。产品的成功，一是要注重内在质量，二是兼顾整体的美观。在保证电路功能和性能指标的前提下，印制板布局应考虑元器件的排列美观、重心平稳、疏密有序。

对低电压、低频（1MHz以下）电路一般采用有规则的布局，即把元器件按一定规律或一定方向排列规则、整齐，如图1.3.1（a）所示。由于受位置和方向的限制，布线距离就长而且复杂，干扰也大。其优点是整齐美观，且便于机械化打孔及装配。

对高频电路通常采用就近布局（或称为不规则布局），如图1.3.1（b）所示。就近布局，由于不受位置和方向的限制，布线距离短、简捷、干扰少，有利用于减少分布参数，适合高频（30MHz以上）电路的布局。其缺点是外观不整齐，也不便于机械化装配。

此外，整体布局，还应考虑恰当的印制板的外连接和整机结构。

2.元器件布局

（1）单面布局原则。在一般情况下，所有元器件均布置在印制板的一面，以便于加工、安装和维护。对于单面印制板，元器件只能安装在没有印制电路的一面，元器件的引线通过安装孔焊接在印制导线的接点上。对于双面印制板，元器件也尽可能安装在板的一面。

（2）元器件的布局方向。板面上的元器件应按照电原理图顺序成直线排列，并力求电路安装紧凑、密集，以缩短引线，这对于高频电路更为重要。一般不采用L形或其他形式排列。

如果由于要求必须将整个电路分成几块进行安装，则应使每一块装配好的印制电路板成为独立的功能电路，以便于单独调整、检验和维护。

为了合理地布置元器件、缩小体积和提高机械强度，可在主要的印制板之外再安装一块“辅助板”，将一些笨重元器件如变压器、扼流圈、大电容器、继电器等安装在辅助底板上，这样有利于加工和装配。

（3）元器件的布局顺序。元器件的布局顺序为先布局核心器件，再布局特殊元器件，最后布局一般元器件。

（4）核心器件的布局。元器件的布局要首先考虑核心元器件的位置，核心器件（或主要器件）是电路的核心，一般为三极管和集成电路。其输入、输出和偏置电路等外围元器件，都是围绕核心器件而设置的。所以核心器件的放置至关重要，将影响其他元器件的布局。

（5）发热元器件与热敏元器件的布局。发热元器件应放在有利于散热的位置，必要时可单独放置或装散热器，以降温和减少对邻近元器件的影响。热敏元件应远离热源布局，有条件可布置在设备的进风口或采取热屏蔽。

（6）大而重的元器件布局。大而重的元器件尽可能安置在印制板上靠近固定端的位置，并降低重心，以提高机械强度和耐振、耐冲击能力，以及减小印制板的负荷和变形。

（7）调节元件和易损元件的布局。需要调整有位置和方向要求的电位器，应布局在便于调整的地方，对于易损元件需要经常更换（如保险），应布局在便于拆装的位置。

（8）感性元器件的布局。为了防止某些感性元器件的相互干扰及分布电容对电路工作的影响，装焊在印制电路板上的小型继电器、电感元器件，应尽量与其他元器件远离。带有脉冲信号的元器件周围应留出较大的空间，以避免对电路，尤其是对触发器一类集成电路工作产生影响。

（9）高频元器件的布局。高频元器件之间的连线应尽可能的短、并设法减小它们的分布参数和相互间的电磁干扰。容易受到干扰的元器件不能离得太近，输入与输出元器件应尽量远离。

（10）带高压元器件的布局。由于某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，在布置时应尽可能使它们的距离足够远，以免造成放电、击穿引起意外的短路。

（11）一般元器件的布局。一般元器件的布局，应考虑连接距离短，尽量避免相互影响。元器件放置的方向应与相邻的印制导线交叉。电感器件要注意防止电磁干扰，线圈的轴线应垂直于板面，这样安装干扰最小。

3.印制导线的布设

（1）印制导线的宽度要满足电流的要求且布设应尽可能短，在高频电路中更应如此。

（2）印制导线的拐弯应成圆角。直角或尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气性能。

（3）高频电路应多采用岛形焊盘，并采用大面积接地（就近接地）布线，如图1.3.2所示。

（4）当双面板布线时，两面的导线宜相互垂直、斜交或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生耦合，如图1.3.3所示。

（5）电路中的输入、输出印制导线应尽可能远离，输入与输出之间用地线隔开，避免相邻平行，以免发生干扰。

（6）充分考虑可能产生的干扰，并采取相应的抑制措施。

① 一般将公共地线布置在印制板的边缘，便于印制板安装在机架上，也便于与机架（地）相连接。导线与印制板的边缘应留有一定的距离（不小于板厚），这不仅便于安装导轨和进行机械加工，而且还提高了绝缘性能。

② 在各级电路的内部，应防止因局部电流而产生的地阻抗干扰，一点接地就是最好的办法。图1.3.4（a）为电路各级间分别采取一点接地的原理示意图。在实际布线时并不能绝对做到，而是使它们尽可能安排在一个公共区域之内，如图1.3.4（b）所示。

③ 对于高频电路必须保证高频导线、晶体管各电极的引线、输入和输出线短而直，若线间距离较小，并避免相互平行。高频电路还应避免采用“飞线”跨接，若需要交叉的导线较多，最好采用双面印制板，两面的印制线应避免互相平行，以减小导线间的寄生耦合，最好成垂直布置或斜交。

1.3.2 印制电路草图的设计

1.选定印制板的版面尺寸、材料和厚度

（1）形状和尺寸。印制板的形状和尺寸是根据对电路原理的分析、元器件规格特征和整体布局的要求来确定的，其常见图形如图1.3.5所示。印制板的外形应尽量简单，一般为长方形，尽量避免采用异形板。其尺寸应尽量采用标准系列的尺寸，以便简化工艺，降低加工成本。另外还与印制板的制造、装配有关，还应以从装配工艺角度考虑，一方面应便于自动化组装，使设备的性能得到充分利用，能使用通用化、标准化的工具和夹具；另一方面是便于将印制板组装成不同规格的产品，安装方便，固定可靠。

（2）材料的选择。印制板的材料选择必须考虑到电气和机械特性，当然还要考虑到购买的相对价格和制造的相对成本，从而选择印制板的基材。

（3）厚度的确定。从结构的角度考虑印制板的厚度，主要是考虑板对其上装有的所有元器件重量的承受能力和使用中承受的机械负荷能力。

2.绘制印制元件布局图

印制元件布局图通常用坐标纸绘制。借助于坐标格正确地表达元器件的坐标位置。在设计和绘制布局图时，首先选定排版方向及主要元器件的位置。排版方向是指印制电路板上电路从前级向后级电路总的走向。一般在设计印制电路板时，总是希望有统一的电源线及地线，它与晶体管最好保持一个最佳的位置，也就是说它们之间的引线应尽量短。

当排版的方向确定以后，接下来是确定单元电路及其主要元器件，如晶体管、集成电路等的布设。其次，布设特殊元器件，确定对外连接的方式和位置。还应标明哪些元器件在板内，有哪些要加固，要散热，要屏蔽；哪些元器件在板外，需要多少板外连线，引出端的位置如何等。

（1）印制板外接线图。下面以一简单的放大电路为例，考虑其外接信号源、扬声器和电源，如图1.3.6所示。

（2）画元器件布局。按规则布局法设计其元器件布局，如图1.3.7（a）为元器件布局图（为了便于看图，这里不采用坐标绘图），晶体管VT为核心器件，首先布局在电路板的中间区域，然后将其他元件按规则布局法，整齐地布局在其周围。在布局图中，通常将元器件用图形表示，这样更容易表达元器件的类型和尺寸，如图1.3.7（b）所示。图中C4、C5为大容量电解电容，其体积也大。所以，布局时应考虑它们的有足够的空间。

布局时可参考典型元器件的尺寸。典型元器件是全部安装元器件中在几何尺寸上具有代表性的元件，它是布置元器件时的基本单元。再估计一下其他大元件尺寸相当于典型元件的倍数（即一个大元件在几何尺寸上相当于几个典型元件），这样就可以估算出整个印制板需要多大尺寸，或者在规定的板面尺寸，一个元件能占多少面积。

（3）定位与定向。

① 定位，即确定元器件安装孔的位置。元器件的定位应考虑元器件的外形尺寸、引脚间距和装配要求等因素，图1.3.8为常见元器件的外形尺寸、引脚间距。如果采用坐标布局，各元器件的安装孔的圆心必须设置在坐标格交点上。阻容元件、晶体管等应尽量使用标准跨距，以利于元件的成型。图1.3.9为元器件定位图。

② 定向，即确定元器件安装的方向。特别是对于有极性（如电解电容、半导体器件等）和有方向性的元器件（如电位器），应在布局时充分考虑。元器件的定向是根据印制电路的整体布局和装配要求来确定的。图1.3.10为放大电路的元器件安装定向图。

3.根据电原理绘制印制草图

印制电路草图是根据布局图，按照电路原理连接起来的设计草图是绘制各种正式图纸（如照相底图）的主要依据。要求图中的焊盘位置、焊盘间距、焊盘间的相互连接、印制导线的走向及板的大小等均应按印制板的实际尺寸或按一定比例绘制出来。通常在原理图中为了便于电路分析及更好地反映各单元电路之间的关系，元器件用电路符号表示，不考虑元器件的尺寸形状、引脚的排列顺序，只为便于电路原理的理解。这样做会有很多交叉线，这些交叉线若没有节点则为非电气连接点，在电路原理图中是允许出现的。但是，在印制电路板上，非电气连接的导线是不允许交叉的。因此，在印制电路设计，首先要绘制单线不交叉图。为了避免印制导线不交叉，可通过重新排列元器件位置与方向来解决。在较复杂的电路中，有时完全不交叉是困难的，可用“飞线”解决。“飞线”即在印制的交叉处切断一根，从板的元件面用一根短接线连接。但这种“飞线”过多，会影响板的质量，不能算是成功之作。所以，只有在迫不得已的情况下偶尔使用。

（1）绘制单线不交叉连通图

图1.3.11（a）利用元器件符号布局图勾画单线不交叉图，这样更接近原理图，便于初学者理解。图中没有非电气连接的交叉线，但印制导线可穿过元器件的两引脚之间。对于引脚间距较小时，如三极管VT电极间、集成电路的引脚之间（2.54mm），建议不要布设印制导线。为了便于修改，勾画印制导线时，只需要用铅笔细线标明导线走向及路径即可，不需按导线的实际宽度画出。

（2）调整

调整的目的是使连接最短，布局更合理、美观。可过调整元器件位置和方向或走线的方向来实现，图1.3.11（b）为经过调整Rb1、Rb2、Rc、C2、C3、C4、VT以及导线方向后的单线不交叉图。

（3）整理

整理是把经过调整合理的单线不交叉图，保持元器件的位置和方向不变，根据导线布设的原则来整理导线，使之更为合理、美观，如图1.3.12所示。

（4）绘制单线印制草图

为了使单线印制图清晰，将整理好的单线不交叉图，擦去元器件的符号和标注，只保留定位孔和连接导线，如图1.3.13所示。

1.3.3 印制电路的人工设计方法

印制电路图是根据印制电路草图造型加工而成的，应满足印制焊盘和导线的形状与尺寸要求。

（1）绘制背面图

为了便于元器件布局和绘制，印制电路草图一般是按照元器件安装面（简称元件面或下面）绘制的。但印制电路图是元器件的焊接面，即元器件安装的背面。手工绘制可通过复写纸复写的方式绘制，计算机绘图可通过翻转功能实现。

手工绘制是在绘制好正面图的下面放一张复写纸，然后在正面图上用铅笔或圆珠笔复写一遍，这样就会在正面图的背面生成一幅背面图，如图1.3.14所示。

（2）绘制印制电路图

绘制印制电路图，最简单的方法是在单线不交叉图上进行手工描绘加粗即可。也可利用计算机辅助电路设计软件设计，然后采用打印机或绘图机绘制黑白图。工厂专业制作通常是根据草图，利用胶带贴图方法制作。图1.3.15为放大电路的印制电路图。

绘制印制电路图，首先要注意焊盘（或连接盘）形状和大小的选取，一般情况下焊盘形状取用圆形，直径D应大于焊接孔内径d，一般取D =(2～3)d，如图1.2.3所示。其次是选取印制导线形状和尺寸，根据前面（1.2.3节印制导线）所述内容，印制导线应粗细均匀，其宽度为：b=(1/3～2/3)D。

1.3.4 印制电路的计算机辅助设计方法

印制电路板的设计与制作是电子行业从业技术人员和业余爱好者都应该掌握的一项基本能力。手工设计印制电路板的传统方法，只能适用于一些比较简单的电路。有过手工设计印制电路板图的人，都可能有这样的体会：一张稍微复杂的设计图纸接近完工的时候，常常会感到剩余部分电路难以连通，或者会发现已经画好的局部电路不够合理，只好尽弃前功而重新另画整张图纸。特别是随着大规模、超大规模集成电路的应用，使印制电路板的走线越来越精密和复杂。在这种情况下，用传统的手工方式设计印制电路板已显得越来越难以适应形势了。本教材用较大篇幅介绍手工设计印制电路板图，目的是让初学者便于学习和掌握印制电路板设计的基本知识和方法。如果要快速、有效地设计印制电路板图或从事印制电路板设计工作，往往是要进一步学习电路CAD。

计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）印制电路板软件的发展，为印制电路的设计与生产开辟了新的途径。电路印制板的CAD方法很大程度避免了传统设计的缺点，便于修改，方便保存，可直接打印图纸、制版、控制数控钻床钻孔，图形规范，工作效率高等，大大缩短了设计周期，改进了产品的质量。

1.用CAD软件设计印制板的一般步骤

由于软件的功能不同，用计算机设计、绘制印制板底图的操作方法及方便程度也有很大差别，但一般软件的操作步骤大体如下。

（1）向计算机输入焊盘尺寸及印制导线宽度，线间及线与焊盘的最小间距等命令。

（2）确定印制板尺寸并送入计算机。

（3）将各元器件的焊盘位置通过键盘或鼠标在显示器上确定。

（4）元器件之间的相互连接，通过键盘及显示器命令计算机执行。计算机接到命令后便根据软件功能进行不交叉排线，如遇交叉则发出信号，操作人员虽然可设置焊盘进行双面走线，并通过人工干预达到线路布通的目的，但这种现象在复杂电路设计中不应超过5%。

（5）布线后，审查走线的合理性，并在显示器上对不理想的走线进行修改（包括改变方向、路径、宽窄等）。

（6）定稿后通过绘图机按所需比例直接绘制黑白底图，不再需要人工绘图或贴图。也可以生成Gerber格式文件，供光学绘图机制作曝光（晒版）使用的胶片；或者使用激光印字机输出到塑料膜片上，直接代替照相底版。

（7）将设计存入软盘，可以永久性保存。

使用计算机辅助设计印制电路板，不仅速度快，而且布线均匀、美观，特别是通过绘图机绘制的黑白底图，图形精度可达到0.05mm以内。这对使用数控钻床打孔和自动装配焊接是极为重要的。特别是对于高密度印制板和多层印制板的设计与生产，使用计算机辅助设计是必不可少的。

2.几种常用的印制板设计软件

用微型计算机辅助设计印制电路板，目前国内常用的软件主要有SMARTWORK、TANGO、Protel等几种。

（1）易学易用的SMARTWOEK

用SMARTWOEK软件可以很直观地设计单面或双面印制电路板的版图。SMARTWORK具有“块操作”的功能，用户可以根据需要，把版图中的任一部分定义为一个“块”，将其移动、复制到其他位置上去，或者将其删除。SMARTWORK可以同时布置双列（或单列）插脚集成电路的多个焊盘，使设置焊盘的工作大为简化。它还有将图形自转180°的功能，有局部扩展版面的功能，有标注字符的功能等。

SMARTWORK的指令不太多，容易学习、便于记忆。一般人对照使用说明，只需要十几分钟就能学会它的基本用法，经过半天时间的练习，就可以运用自如，达到比用笔绘图速度快很多的水平。SMARTWORK最主要的缺点是不能够自动布线以及没有常用的图形符号库。

（2）灵活方便的TANGO（V3.12）

TANGO是美国Accel Technology公司于1987年推出的印制板设计软件包，它可分为SCHEMATIC（电路原理图设计，以下简写为SCH）、PCB（印制电路版图设计）和ROUTE （印制板版图自动布线，以下简写为ROU）三大部分。SCH和PCB可以互相配合，与ROU部分组合使用，也可以分别独立使用。

组合使用时，首先运行SCH部分：操作键盘，在屏幕上绘制电气原理图。再运行PCB部分：安排电路板的布局。然后运行ROU部分，计算机即可按照前两部分的要求，自动绘出印制电路板的导线连接图。如果用户对计算机自动布线时设计的部分导线位置不满意，还可以再次运行PCB软件包进行修改。最后再通过打印机，将设计结果打印出来。除了绘制的电气原理图和黑白底图以外，还可以打印出计算机自动随之生成的丝网漏印图、阻焊图以及网络连接表等。也能生成Gerber格式文件，供光学绘图机等使用。

SCH中含有16个库文件，存有三千多种常用电子元器件的图形符号，绘图时可以直接调用；又由于可以用网络标号代替实际连线，可以重复放置元器件和连线，以及具有块操作功能等等，都能使绘图速度大大加快。与用笔在纸上设计电路原理图比较，使用SCH不仅速度快，而且打印出来的图形工整、美观，更主要的是便于修改、更新。此外，还能够将图中的一部分单元电路单独复制成一个磁盘文件，日后设计其他电路的时候，可以把所需要的单元电路一一调入图中，重新组合，再次利用。

PCB软件包单独使用时，是用手工操作键盘，在显示屏幕上直接绘制电路板的版图。与SMARTWORK相比较，PCB中含有一个标准封装库文件PCBSTD.LIB，存有适合安装各种常用电子元器件的焊盘位置图，用户可以直接调用。其他功能也比SMARTWORK更强一些。

（3）功能强大的Protel

Protel是Protel公司在20世纪80年代末推出的CAD工具，历经Protel for DOS、Protel 98、Protel99、Protel99SE和Protel 2004等版本，Protel是个完整的全方位电路设计系统，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、可编程逻辑器件设计等功能。Protel软件功能强大，具有丰富多样的编辑功能、便捷的自动化设计能力、完善有效的检测工具、灵活有序的设计院管理手段；具有丰富的原理图元件库、PCB元件库；有良好的开放性和兼容性且支持Windows平台上的所有外设；界面友好、直观、使用方便，成为世界范围内应用于电子线路设计与印制电路板设计方面最流行的软件。

3.用画图板进行印制电路板图设计

对于初学者，可用计算机Windows自带的画图工具进行简单的印制电路板图设计， Windows自带的画图工具比较简单，使用起来非常方便。画图工具的“工具箱”中有点（铅笔）、线、圆形、矩形、异形、格式刷、橡皮擦、缩放、文字插入等绘图工具；“图像”中有翻转/旋转、拉伸/扭曲、反色等；“色彩”可进行色彩编辑；“编辑”可进行剪切、复制、粘贴、撤销、清除等操作。

用计算机Windows自带的画图工具进行印制电路板图设计，不用记指令，操作直观。同时也比传统的手工设计方便，可随意修改、保存、复制、粘贴，而且图形也易于规范，可直接打印图纸。

以下是画图工具操作的技巧。

（1）方便地打开画图软件。单击“开始”→“附件”→“画图”或单击“开始”→“运行”→输入“mspaint”→“确定”按钮。

（2）用工具箱中的放大镜可进行缩放操作或按【Ctrl+PageDown】组合键放大图片4倍、按【Ctrl+PageUp】组合键还原图片大小。

（3）按【Ctrl+C】、【Ctrl+V】组合键，可以进行任意复制和粘贴，这对于绘制电路原理图和印制电路图来说尤为重要，只要绘制了一个元件、符号、焊盘、导线等，就可以轻松地通过不断复制和粘贴，来完成绘图，并且图形稳定、便于编辑。

（4）如果想在本图片中，加入另一个图片，使这两张图片组成一张图片。选择“编辑”→“粘贴来源”选项，找到该图片后单击“确定”按钮。

（5）画直线，不管横线、纵线，45°角直线时，按住【Shift】键，否则，可能画得不直。画圆形和画正方形时，也要按【Shift】键，否则，会变成椭圆和矩形了。

（6）选中“曲线”，按【Shift】键，能画直线，再单击周围一点，就会改变曲线的形状。注意，总共只有三次机会改变该曲线。

（7）要插入字符时，单击工具箱中的“A”，然后拉出编辑框，进行文字编辑。但是只能在编辑的状态下，才能进行编辑，一旦跳出来，就没办法改了。如果需要变换成竖的输入方法，可单击“”图标。

（8）画图工具是很好的格式转换工具，导入图片，然后另存为格式有bmp、gif、TIF、PNG等格式，但是格式转换可能有颜色损失，请注意操作！

（9）要任意地选中某一块时，可单击工具箱中“五角星”，然后就可以任意选中它们。

（10）要想在画图中显示网格，只需要单击面板上的“放大镜”后，图片放大4倍，再选择“查看”→“缩放”→“显示网格”选项。

（11）请注意，画图工具只支持撤销三步，操作多了，就无效了。

（12）请不要随意使用拉伸与扭曲功能，因为使用该功能可能会使图片变形严重，尤其是缩小的时候。