Protel电路设计技术应用与研究

2014届本科毕业论文题目Protel电路设计技术应用与研究

系（院）名称物理与电子工程学院

专业名称

学号

学生姓名辛泽坤

指导教师姓名方凤才（讲师）

教务处制

二〇一四年五月

目录

摘要 (1)

引言 .................................................... 错误！未定义书签。

1 PCB布线技巧 (1)

1.1 PCB的布局 (1)

1.2 印制电路板的走线规则 (2)

1.3 PCB上走线间的串扰 (4)

2 跳线 (4)

2.1 没有应用跳线的电路板布线 (5)

2.2 应用跳线布线的电路板布线 (6)

3 过孔技术 .............................................. 错误！未定义书签。

3.1 过孔类型......................................... 错误！未定义书签。

3.2 过孔焊盘与孔径的尺寸............................. 错误！未定义书签。

3.3 NE556警铃电路过孔设计 ........................... 错误！未定义书签。

4 PCB的叠层设计 (8)

4.1 PCB叠层设计的一般原则 (8)

4.2 PCB电路及电路抗干扰措施 (8)

4.3 多层板的设计 (9)

结束语 (11)

参考文献 ................................................ 错误！未定义书签。致谢 .................................................... 错误！未定义书签。作者简介 ................................................ 错误！未定义书签。声明 .................................................. 错误！未定义书签。

广西师范学院2014届本科毕业论文

Protel电路设计技术应用与研究

[摘要]Protel电路设计技术是电子电路设计中最突出的。本文主要研究Protel电路设计中PCB布线技巧、跳线设计、过孔与叠层设计等内容。布线技巧使PCB最优化，跳线可以解决布线中出现的交叉线路，过孔可以提供多层板设计中各PCB层之间的电气连接，叠层设计是多层板设计技术中的关键，有效化解复杂电路布局难等问题。

[关键词]Protel；电路设计；布线；过孔技术

Protel Application and Research in Circuit Design Technology

Abstract：Protel circuit design technology is the most prominent in the design of electronic circuits. It is research the Protel PCB wiring of the circuit design techniques In this paper,such asdesign of jumper wire, hole and laminated design etc. Wiring techniques to optimize PCB, jump line can be solved in the wiring of intersecting lines, the hole can provide in the design of a multilayer PCB each layer, the electrical connection between the laminated design is the key in a multilayer design technology, effectively resolve the layout difficult problems such as complex circuit.

Key words: Protel; circuit design; wiring; Via technology

1 PCB布线技巧

布局是在布线之前的，布线是通过铜箔的走线设计连通所有的线。布局的合理性将会影响布线成功率，所以在布线过程中也经常调整布局。布线可采用单、双层走线，有些复杂的电路设计方案，也可以采用多层布线。无法布通走线的，可使用跳线连通。

1.1 PCB的布局

印制电路板（PCB）上的元器件放置顺序如图1所示：

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图1 布局框图

(1)精密模拟电路：放置小器件以及贴片元件；

(2)数字电路单片机：放置IC以及散热器等；

(3)功率输出级：放置开关，发热元件，插座，指示灯，连接件之类。

1.2 印制电路板的走线规则

(1)在PCB布线时，相邻层的走线方向成正交结构，应避免将不同的信号线在相邻层走同一方向，减少不必要的层间串扰。

(2)控制走线的长度：使走线的长度尽可能的短，左图为差的布线形式，右图为土推荐的布线形式，如图2所示。

图2 走线长度控制示意图

(3)控制走线分支的长度

在PCB布线时，应尽量控制走线分支的长度，使分支的长度尽量短。

(4)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，环面积越小，对外的辐射越少，接收外界的干扰也越小。实例如图3所示：

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图3 地线回路规则

(5)走线的开环检查规则：

为避免产生“天线效应”，减少不必要的干扰辐射和接收，一般不允许出现一端浮空的布线形式，否则可能带来不可预知的结果。如图4所示：

图4 开环检查规则

(6)走线闭环检查规则:

防止信号线在不同层之间形成自环。在多层板设计中容易发生此类问题，自环将引起辐射干扰，如图5所示：

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图5 走线闭环检查规则

(7)防止走线谐振：

如图6所示，在PCB布线时，布线长度不得与其波长成整数倍关系，以免产生谐振。

图6 防止走线谐振

1.3 PCB上走线间的串扰

“串扰”主要来自两相邻导体间之间所形成的互感和互容。串扰会随着PCB的导线布局密度增加而越显严重，尤其是长距离总线的布局，更容易发生串扰现象。这是经由互容与互感将能量由一个传输线耦合到相邻的传输线上而产生的。

减小PCB上串扰的主要措施是：

(1)通过合理布线使各种连线尽可能地短。

(2)尽可能增加施绕线与受绕线之间的距离，而且避免他们平行。

(3)减少布线层与地的距离。

2 跳线

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跳线实际就是连接电路板(PCB)两需求点的金属连接线﹐因产品设计不同其跳线使用材料，粗细都不一样﹗大部分跳线是用于：

同等电势电压传输；用于保护电路的参考电压；

方便测试时断开电路；

预留电路的连接；

单面板底层走不了线，采用跳线；

PCB铜箔宽度不够，在原走线上增加跳线来增加过电流能力。

对于要求有精密电压的，一点点的金属跳线所产生的压降也会使产品性能产生很大影响，所以不建议使用，因此在PCB设计中往往会被忽略。但是当面板出现过多的交叉线的时候，才可使用。

2.1 没有应用跳线的电路板布线

(1)NE556警铃电路原理图，如图7所示。但是在图8当中布线出现交叉线，这种情况在电路设计中是布线不成功的，所以要用到布线技术。

图7 NE556警铃电路原理图

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图8 布线不成功的PCB图2.2 应用跳线布线的电路板布线

图9 跳线为导线的PCB板

广西师范学院2014届本科毕业论文 先底层添加2个焊盘，1个添加到集成电路U1(NE556) 3脚旁边，另1只焊盘添加到C1上方的焊盘并连接好，然后转换到顶层把刚才添加的2个焊盘连接起来。

优点：减小布线困难，减短布线长度，使电路板布线更加科学美观。

（1）用零欧姆的电阻器(R6)做跳线。

用零欧姆的电阻器(R6)做跳线，由图7所示的NE556警铃电路电路修改，修改完成后如图10： TRIG 6Q 5

R 4C V o l t 3THR 2DIS 1V C C 14G N D 7U1A

NE556

TRIG 8Q

9R 10C V o l t 11THR 12

DIS 13U1B NE556R1

10K R210K R3

10K R4

5.1K

R522K C1

103

C2104+C3100uF +C4100uF D11N4148LS1+5V

GND 12

J1

DC-IN

GND

+5V

R6

图10 用电阻器R6做跳线的原理图

图11 R6跳线的PCB 图

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用零欧姆电阻器做跳线的优点是电路板上看不到跳线，使电路板显得更美观，更具有技术性。

4 PCB的叠层设计

在设计多层PCB（印制电路板）之前，设计者首先根据电路的规模、电路板的尺寸和电磁兼容（EMC）的要求来确定所采用的电路板结构，决定采用4层，6层，还是更多层数的电路板，就是实现电路要求的功能，需要多少个布线层、接地平面和电源平面。确定层数之后，再确定内电层的放置位置以及如何在这些层上分布不同的信号。

4.1 PCB叠层设计的一般原则

（1）分层

在多层PCB中，通常包含信号层（S）、电源层（P）平面和接地（GND）平面。

电源平面和接地平面通常是没有分割的实体平面，它们将为相邻信号线走线的电流提供一个好的低阻抗的电流回路

（2）确定单电源参考平面

使用去耦合电容是解决电源完整性的一个重要措施。去耦合电容只能放置在PCB 的顶层和地层。去耦合电容的走线线路、焊盘设计，以及过孔严重影响去耦合电容的效果，这就要求设计时必须考虑连接去耦电容的走线尽量短而宽，连接到过孔的导线也应尽量短。

（3）电路中的高速信号传输层应该是信号中间层，并且夹在两个内电层之间。这样两个内电层的铜膜可以为高速信号传输提供电磁屏蔽，同时也能有效地将高速信号的辐射限制在两个内电层之间，不对外造成干扰。

（4）避免两个信号层直接相邻。相邻的信号层之间容易引入串扰，从而导致电路功能失效。在两信号层之间加入地平面可以有效地避免串扰。

（5）多个接地的内电层可以有效地降低接地阻抗。例如，A 信号层和 B 信号层采用各自单独的地平面，可以有效地降低共模干扰。

4.2 PCB电路及电路抗干扰措施

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（1）电源线的设计。尽量加粗电源线的宽度，减少环路电阻，尤其要注意使电源线、地线的供电方向与数据、信号的传递方向相反，有助于增强抗噪声能力。

（2）地线的设计。用作数字地与模拟地分开；低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地；高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格状进行大面积地敷铜；尽量加宽电源和地线宽度，最好是地线要比电源线宽一些，它们的宽度关系是，地线>电源线>信号线。

（3）数字电路系统的接地构成闭环路，即构成一个地网，能提高抗噪声能力。

（4）数字电流不应流经模拟器件，高速电流不应流经低速器件。

（5）在电源地线之间加上去耦电容，以提高电源回路的抗干扰能力。

4.3 多层板的设计

（1）4层板的设计

4层板通常包含2个信号层、1个电源平面（电源层)和1个接地平面（接地层），经过结合其它材料上工程师们开发和总结的经验，总结出了以下的经典的分配方案，这种方式就可以最优化分层设计了：

Midlayer1------------------------------------Single

Midlayer2------------------------------------GND

Midlayer3------------------------------------POWER

Midlayer4------------------------------------Single

在PCB界面中点击主菜单Design 再点击Layer Stack Manager 如图14：

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图15 设计工具栏

点击后弹出下面的层管理器对话框, 因为在Protel中默认是双面板，所以，我们看到的布线层只有两层。

图16 层管理器

添加GND层，再添加一个VCC层，作为电源层。完成后如图16：

图17 4层PCB分配示意图

采用均等间隔距离结构，均等间隔距离结构的信号线条有较高阻抗，可以达到105-130欧姆。紧贴的电源层和接地层具有退耦作用，如果电源层和接地层之间的间距

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增大，则电源层和接地层的层间耦作用基本上不存在，因此在设计电路时需在信号层（顶层）安装退耦电容。

在4层板中，可以在信号层布放一条紧邻电源层的底线，提供一个RF回流电流的回流路径，一增强RF电流的通量对消能力。

（2）6层板的设计

6层板的叠层设计有多种结构形式，2种不同结构的6层板叠层设计如表4所示：

表4 2种不用结构的6层板叠层设计形式

层数结构形式1 结构形式2 第1层（顶层）信号层（元器件，微带线）信号层（元器件，微带线）第2层接地平面电源平面

第3层信号层（带状线层）接地平面

第4层信号层（带状线层）信号层（带状线层）

第5层电源平面接地平面第6层（底层）信号层（元器件，微带线）信号层（元器件，微带线）结构形式1

如表4所示，结构形式1有4个布线层和2个参考平面。这种结构的电源平面/接地平面之间有2个信号层，电源平面与接地平面之间不存在任何电源退耦作用，靠近接地平面的第3层是最好的布线层。第1层、第4层和第6层是可布线层。另外，参考平面层对RF能量向环境中的传播也有屏蔽作用。

结构形式2

如表4所示，结构形式2也有3个布线层和3个参考平面。当有太多的印制线条需要布放，单又无法安排4个布线层时，可以采用这种结构形式。这种结构的第2层和第3层电源平面／接地平面采用小间距的结构，可以提供较低的电源阻抗，这个低阻抗特性可以改善电源的退耦效果。在第3层和第5层之间的信号层（第4层）是最好的布线层，时钟等高风险线条必须布在第4层，这一层在构造上形成同轴传输线结构，可以保证信号完整性和对EMI能量进行印制[6]。底层是次好的布线层。顶层是可布线层。

结束语

本文主要研究用Protel软件设计PCB时的布线技巧、PCB跳线技术、过孔技术和多层PCB设计技术。主要探讨这些技术应用到实际画电路图时，好的布线技巧可以使整

Protel电路设计技术应用于研究

个电路图美观、实用；在一些无法布通走线的线路，应用跳线可以使电路完全布线成功；在设计多层板时运用过孔技术，可以方便布线；叠层设计可以使复杂的电路图简单布线。这些技术即方便了PCB设计者提高效率，也减少了PCB电路设计的出错机率。