基于PROTEUS軟件的數(shù)字電壓表印刷電路板設(shè)計(jì)

0 引言

PROTEUS7.5嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺主要包括強(qiáng)大的ISIS原理布圖工具、PROSPICE混合模型SPICE仿真、以及ARES PCB設(shè)計(jì)等三個(gè)功能模塊。其中ARES(Advanced Routing and EditingSoftware)是用于PCB設(shè)計(jì)的后端工具模塊，它與ISIS．EXE相結(jié)合，可以將設(shè)計(jì)調(diào)試好的原理圖電路方便地變成印刷電路板版圖，其設(shè)計(jì)結(jié)果可以生成光繪機(jī)需要的Gerber恪式版圖設(shè)計(jì)文件。

與其它同類的Layout設(shè)計(jì)工具相比較，該工具最具特色的功能：一是在PROTEUS 7.5版本中提供了基于形狀的布線器，且具有四種操作模式。其高效的撤銷和重新自動布線功能可快速布置出符合用戶要求且較完美的板圖，從而為用戶節(jié)省大量時(shí)間：二是PROTEUS 7.5中擁有2000多種IPC7351標(biāo)準(zhǔn)的PCB封裝，同時(shí)在最大規(guī)格為20米的板內(nèi)，布置分辨率為10納米，元件以及其他器件能夠以0.1度旋轉(zhuǎn)；三是能夠?yàn)榇蛴C(jī)、繪圖儀、貼片儀等設(shè)計(jì)多種格式的輸出文件，包括GERBER格式和智能水平最高的ODB++格式。

1 用PROTEUS設(shè)計(jì)PCB的一般步驟

在PROTEUS中，由于有前端的ISIS原理布圖工具和PROSPICE混合模型SPICE仿真工具的支持，故其可以真正實(shí)現(xiàn)從原理圖布局到實(shí)時(shí)仿真、調(diào)試，再到PCB的一體化設(shè)計(jì)，十分方便和快捷，其設(shè)計(jì)流程圖和圖1所示。圖中，PCB設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段主要完成原理圖的繪制和對電路的仿真驗(yàn)證與測試。在網(wǎng)表文件加載后，還需對PCB板的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括層數(shù)、線距、線寬等。檢錯(cuò)環(huán)節(jié)提供有CRC和DRC兩種檢錯(cuò)方式，并結(jié)合3D效果圖和鉆孔圖等逐層檢測工具，可以完全達(dá)到檢錯(cuò)目的。



2 PCB板圖設(shè)計(jì)

本文以數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)為例，進(jìn)行印刷電路板的設(shè)計(jì)，介紹使用PROTEUS來設(shè)計(jì)其印刷電路板的一般設(shè)計(jì)步驟與注意事項(xiàng)。

2.1  繪制原理圖

首先，可利用PROTEUS7.5的ISIS原理圖布圖工具繪制出如圖2所示的電路圖。此圖的主要功能是完成數(shù)字電壓表的顯示。包括晶振電路、復(fù)位電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和四位數(shù)碼管電壓顯示電路等。對于少數(shù)布圖工具中沒有的原理圖，應(yīng)在ISIS環(huán)境下進(jìn)行手工繪制，其方法與封裝的畫法基本相同。



2.2 PROTEUS文件導(dǎo)入(網(wǎng)表輸入)

導(dǎo)入文件前，首先需在PROTEUS ISIS環(huán)境中確定原理圖中每個(gè)器件的封裝形式，方法是右擊元器件，在彈出的下拉菜單中點(diǎn)擊“Edit Properties”對話框，然后在圖3所示的彈出框中單擊圖3中所示的“?”，然后再進(jìn)入“Pick Packages”圖4所示的對話框，以修改或選擇適合自己設(shè)計(jì)的封裝。也可在圖3對話框的下方打勾選選項(xiàng)，以對元器件的封裝信息等進(jìn)行文本輸入。[!--empirenews.page--]



對于封裝庫中沒有的封裝或不適合自己設(shè)計(jì)的封裝，可在ARES環(huán)境下進(jìn)行手工繪制。如圖2所示電路中的四位數(shù)碼管，只要點(diǎn)擊右上角的圖標(biāo)，即可進(jìn)入ARES操作環(huán)境。其繪制方法如下：

(1)放置焊盤

在ARES環(huán)境下，點(diǎn)擊按鈕，選擇C-70-30大小，在工作區(qū)域放置焊盤。右擊此焊盤，在彈出的菜單中選擇后填寫如圖5所示信息，以放置底下六個(gè)焊盤。然后右擊最后一個(gè)焊盤，并在彈出的菜單中選擇后再填寫圖6所示信息，再次右擊新建焊盤，在彈出的菜單中選擇后，再填寫如圖7所示信息，即可放置所有焊盤。



(2)分配引腳標(biāo)號

在焊盤放置完畢后，應(yīng)對焊盤每個(gè)引腳進(jìn)行標(biāo)號。方法是右擊各個(gè)焊盤，在彈出的菜單中根據(jù)原理圖填寫引腳標(biāo)號，填好后應(yīng)和原理圖一一對應(yīng)，否則，在編譯網(wǎng)表文件時(shí)將無法加載。

(3)添加元件外邊框

利用2D畫圖工具中的圖標(biāo)，并根據(jù)四位數(shù)碼管的實(shí)際大小加一個(gè)外邊框，如此便完成了四位數(shù)碼管封裝的設(shè)計(jì)。其圖形如圖8所示。


(4)封裝保存

在工作界面用右鍵拖動選擇整個(gè)封裝，執(zhí)行Library->Make Package命令，并在彈出保存對話框填寫圖9所示信息。其中“New Package Name” 為新封裝名稱；“Package Category”為封裝類別；“Package Typ”為封裝類型；“PackageSub-Category”為封裝子類別，最后單擊OK，這樣，就把此四位數(shù)碼管封裝保存到了USERPKG(用戶自建封裝庫)庫中。



加載好所有元件的封裝后，到Tools->NetlistCompilier，打開Netlist Compiler設(shè)置對話框，保持默認(rèn)設(shè)置并保存，然后單擊CLOSE，即可生成網(wǎng)表文件。其次選擇工具菜單欄的“Tools”項(xiàng)，在彈出的下拉菜單中點(diǎn)擊“Neflist to ARES”，便可進(jìn)入ARES工作界面。

2.3  印制電路板布局與調(diào)整

在PCB輪廓線內(nèi)放置元件封裝時(shí)，哪些元件應(yīng)該彼此相鄰、哪些元件應(yīng)該放置得相對遠(yuǎn)一些，元件與元件之間的距離保持多大等等，都屬于印刷板的布局問題。布局是否達(dá)到最佳狀態(tài)，直接關(guān)系到印刷板整體的電磁兼容性能和造價(jià)，最佳布局會使接下來的布局線更為容易和有效。

使用自動布局(Auto Placer)，首先應(yīng)保證電路板具有邊界。可點(diǎn)擊左側(cè)工具箱中的“2DGraphics Box Mode”按鈕，從窗口的左下角下拉列表框“Board Edge”中選擇Board Edge，然后在工作窗口中畫一個(gè)適合自己PCB板的矩形(此矩形大小可二次調(diào)整)，邊框大小可利用左邊的測量按鈕進(jìn)行測量。其次選擇工具菜單欄的“Tools”項(xiàng)，點(diǎn)擊“Auto Placer”菜單項(xiàng)，并在彈出的窗口中設(shè)置好相關(guān)屬性后，點(diǎn)OK按鈕。其效果圖如圖10所示。



若使用手動調(diào)整(Density Bar)則可在自動布局完畢后，單擊左側(cè)工具欄的光標(biāo)按鈕，此后即可移動元件，使其達(dá)到一定的布局要求。

2.4  電路板的布線與調(diào)整

(1)參數(shù)設(shè)置

在布局完成后，可以先布一些特殊的線，如電源線、地線、在PCB板角上作定位孔等。也可以在布線完成后進(jìn)行這些工作。在布線之前，需對電路板的相關(guān)參數(shù)和層數(shù)進(jìn)行設(shè)置?？梢詧?zhí)行Tools->Design Rule Manager命令，并在彈出的對話框中進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，具體如圖11所示。另外，勾選“”可對制版過程中的DRC錯(cuò)誤(DRC是一種側(cè)重于物理錯(cuò)誤設(shè)計(jì)規(guī)則檢查)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，以方便制版。而單擊“”按鈕則可在彈出的窗口中對面板層數(shù)、過孔類型、線距類型等進(jìn)行設(shè)置，基層數(shù)設(shè)定如圖12所示。[!--empirenews.page--]



PROTEUS的自動布線功能極其強(qiáng)大，尤其在PROTEUS 7.3以上版本中，由于其改變了老版本中基于網(wǎng)格的布線器，而變?yōu)榛趲缀涡螤畹牟季€器。其此布線算法和新的減少沖突的方法相結(jié)合，使得布通率和布線效率大為提高，因而在各種PCB設(shè)計(jì)工具中極具特色。ARES擁有完全自動布線，腳本化布線，交互布線和運(yùn)行外部ELEC-TRA四種操作模式。

(3)手工調(diào)整

在進(jìn)行手工調(diào)整前，可單擊圖示按鈕，然后沿飛線提示開始布線。同時(shí)在適當(dāng)位置雙擊可添加過孔，到達(dá)目標(biāo)引腳后單擊即可完成手工布線。修改時(shí)，右擊導(dǎo)線，便可出現(xiàn)一些快捷方式，因而十分方便操作。

(4)CRC規(guī)則檢查

選擇Tools菜單項(xiàng)后，單擊ConnectivityChecker子菜單，系統(tǒng)便開始對PCB板的連通性錯(cuò)誤進(jìn)行檢查。若界面右下角出現(xiàn)“0 CRC violations found．，則”說明無錯(cuò)誤。但若出現(xiàn)如“1CRC violations found．”所示界面并彈出Errors窗口，則說明有飛線，此時(shí)則需手動修改。

2.5  添加焊盤及3D預(yù)覽

一般PCB在送去加工前，應(yīng)首先通過執(zhí)行Output->3D Visualization對PCB進(jìn)行整體預(yù)覽，如圖13所示。當(dāng)然，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，也可以隨時(shí)打開3D窗口，以對電路板設(shè)計(jì)效果進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，從而保證對所設(shè)計(jì)的電路板有個(gè)直觀的認(rèn)識，也可對電路中元件布局及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。使PCB設(shè)計(jì)盡可能達(dá)到比較完美的布局、布線效果。



2.6  文件保存與輸出

完成必要的設(shè)計(jì)整理工作后?？蓤?zhí)行Output->Set Output Area選項(xiàng)選定輸出區(qū)域。然后單擊“Output”菜單，就可輸出不同格式和用途的設(shè)計(jì)文件。根據(jù)實(shí)際情況，選擇輸出文件類型。

3  注意事項(xiàng)

用PROTEUS7.5制作印制電路板的注意事項(xiàng)如下：

(1)在元器件的布局方面，應(yīng)該把相互有關(guān)的元件盡量放得近一些，電源線、地線的布置應(yīng)根據(jù)電流大小適當(dāng)加粗，信號線較之略細(xì)一些。頂層、底層的走線方向應(yīng)垂直走線，以方便檢錯(cuò)；

(2)雖然PROTEUS7.5提供了自動布局功能，但對大多數(shù)的設(shè)計(jì)來說，效果并不理想，故不推薦使用。布線方面的首要原則是保證布線的布通率，移動器件時(shí)要注意飛線的連接，故應(yīng)把有連線關(guān)系的器件放在一起。

(3)在為元器件加載封裝時(shí)，應(yīng)確保所有元器件均用于PCB制版。在彈出的窗口中，一項(xiàng)一般不可勾選。除此之外，電壓表、探針、信號源等模擬器件，也不可用于PCB制版。

4 結(jié)束語

在電子設(shè)計(jì)中，利用PROTEUS設(shè)計(jì)印刷電路板是一種方便、易行的方法。PROTEUS主菜單的應(yīng)用同其他的Windows環(huán)境下的應(yīng)用程序一樣，因而用戶使用不會感到有什么困難。同時(shí)，該軟件具有的兩種操作環(huán)境使文件很方便傳輸，且不會出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤，因而可使PCB的設(shè)計(jì)與制作變得極為方便、快捷和美觀。