电子工程师入门:PCB布线的不传之秘

内容摘要: 电子工程师对电子电路的设计离不开PCB布线,它是Pcb设计过程中的一个重要环节,这就像人体内的神经分布一样,往往一处小小的问题就会导致人体其他部位的障碍。电子电路中pcb布线也一样,所以其中就有很多环节需要我们注意,下面我就分享一下其中的一些主要的细节吧。

 

一、电路板设计步骤

一般而言,设计电路板最基本的过程可以分为三大步骤。

(1). 电路原理图的设计: 电路原理图的设计主要是PROTEL099的原理图设计系统(Advanced Schematic)来绘制一张电路原理图。在这一过程中,要充分利用PROTEL99所提供的各种原理图绘图工具、各种编辑功能,来实现我们的目的,即得到一张正确、精美的电路原理图。

(2). 产生网络表: 网络表是电路原理图设计(SCH)与印制电路板设计(PCB)之间的一座桥梁,它是电路板自动的灵魂。网络表可以从电路原理图中获得,也可从印制电路板中提取出来。

(3). 印制电路板的设计: 印制电路板的设计主要是针对PROTEL99的另外一个重要的部分PCB而言的,在这个过程中,我们借助PROTEL99提供的强大功能实现电路板的版面设计,完成高难度的等工作。
二、绘制简单电路图
原理图设计过程原理图的设计可按下面过程来完成:

(1)设计图纸大小 Protel 99/ Schematic后,首先要构思好零件图,设计好图纸大小。图纸大小是根据电路图的规模和复杂程度而定的,设置合适的图纸大小是设计好原理图的第一步。

(2)设置Protel 99/Schematic设计环境 设置Protel 99/Schematic设计环境,包括设置格点大小和类型,光标类型等等,大多数参数也可以使用系统默认值。

(3)旋转零件 用户根据电路图的需要,将零件从零件库里取出放置到图纸上,并对放置零件的序号、零件封装进行定义和设定等工作。

(4)有原理图布线 利用Protel 99/Schematic提供的各种工具,将图纸上的元件用具有电气意义的导线、符号连接起来,构成一个完整的原理图。

(5)调整线路 将初步绘制好的电路图作进一步的调整和修改,使得原理图更加美观。

(6)报表输出 通过Protel 99/Schematic提供的各种报表工具生成各种报表,其中最重要的报表是网络表,通过网络表为后续的电路板设计作准备。

(7)文件保存及打印输出 最后的步骤是文件保存及打印输出。
单片机控制板的设计原则需要遵循的原则如下:

(1) 在元器件的布局方面,应该把相互有关的元件尽量放得*近一些,例如,时钟发生器、晶振、CPU的时钟输入端都易产生噪声,在放置的时候应把它们近些。对于那些易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路开关电路等,应尽量使其远离单片机的逻辑控制电路和存储电路(ROM、RAM),如果可能的话,麦|斯|艾|姆|P|CB|样板|贴片|麦|斯|艾|姆|科|技|全国|首家P|CB样板打板。可以将这些电路另外制成电路板,这样有利于抗干扰,提高电路工作的可*性。

(2) 尽量在关键元件,如ROM、RAM等芯片旁边安装去耦电容。实际上,印制电路板走线、引脚连线和接线等都可能含有较大的电感效应。大的电感可能会在Vcc走线上引起严重的开关噪声尖峰。防止Vcc走线上开关噪声尖峰的唯一方法,是在VCC与电源地之间安放一个0.1uF的电子去耦电容。如果电路板上使用的是表面贴装元件,可以用片状电容直接紧*着元件,在 Vcc引脚上固定。最好是使用瓷片电容,这是因为这种电容具有较低的静电损耗(ESL)和高频阻抗,另外这种电容温度和时间上的介质稳定性也很不错。尽量不要使用钽电容,因为在高频下它的阻抗较高。在安放去耦电容时需要注意以下几点: 

在印制电路板的电源输入端跨接100uF左右的电解电容,如果体积允许的话,电容量大一些则更好。原则上每个集成电路芯片的旁边都需要放置一个0.01uF的瓷片电容,如果电路板的空隙太小而放置不下时,可以每10个芯片左右放置一个1~10的钽电容。对于抗干扰能力弱、关断时电流变化大的元件和RAM、ROM等存储元件,应该在电源线(Vcc)和地线之间接入去耦电容。电容的引线不要太长,特别是高频旁路电容不能带引线。

(3) 在单片机控制系统中,地线的种类有很多,有系统地、屏蔽地、逻辑地、模拟地等,地线是否布局合理,将决定电路板的抗干扰能力。在设计地线和接地点的时候,应该考虑以下问题:

逻辑地和模拟地要分开布线,不能合用,将它们各自的地线分别与相应的电源地线相连。在设计时,模拟地线应尽量加粗,而且尽量加大引出端的接地面积。一般来讲,对于输入输出的模拟信号,与单片机电路之间最好通过光耦进行隔离。在设计逻辑电路的印制电路版时,其地线应构成闭环形式,提高电路的抗干扰能力。地线应尽量的粗。如果地线很细的话,则地线电阻将会较大,造成接地电位随电流的变化而变化,致使信号电平不稳,导致电路的抗干扰能力下降。在布线空间允许的情况下,要保证主要地线的宽度至少在2~3mm以上,元件引脚上的接地线应该在1.5mm左右。
三、电源、地线的处理
尽管整个PCB板的布线都完成的很好,但仍需要考虑到电源、地线所引起的干扰,这会降低产品的性能,甚至会影响到产品的成功率。所以对于电源、地线的布线要认真对待,将电源、地线所产生的干扰降至最低,保证产品质量。
每个从事电子产品设计的工程师都明白,为何会产生电源线与地线之间的干扰,现只对降低式抑制干扰作以表述。
要在电源、地线之间加上去耦电容。

尽量加宽电源及地线,最好是地线比电源线宽,其关系为:地线>电源线>信号线。通常的信号线宽为:0.2~0.3mm,最细宽度可达0.05~0.07mm,电源线为1.2~2.5mm。

数字电路的PCB设计可用较宽的地导线组成一个回路,构成一个地网来使用,但要切记模拟电路的地不能这样使用。使用大面积铜层作地线,在印制板上把没被使用的地方都与地相连,作地线使用或是做成多层板,电源,地线各占用一层。
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四、数字电路与模拟电路的共地处理
现在,许多的PCB不再是单一功能的电路了,而是由数字电路和模拟电路混合构成,因此在布线时就需要考虑到它们之间互相干扰的问题,特别是地线上的噪音干扰。
数字电路频率高,模拟电路敏感度强,对信号线来说,高频的信号线要尽可能的远离敏感的模拟电路器件,而对地线来说,整个PCB对外界的结点只能有一个,所以必须要在PCB内部处理号数字电路及模拟电路共地的问题,而在电路板内部,数字电路的地和模拟电路的地实际上是分开的,只是在PCB与外界连接的接口处(如插头等)。数字电路的地与模拟电路地有一点短接,请注意,只有一个连接点,也有在PCB上不共地的,这由系统设计来决定。
五、信号线布在电(地)层上

在多层印制板布线时,由于信号线层没布完的线已剩不多,再多加层数就会造成浪费,也会增加工作量及成本,可考虑在电(地)层上进行布线,首先应考虑用电源层,其次才是地层,因为可最好的保留地层的完整性。

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