电子线路CAD实习
点阵LED驱动
1 实习目的
通过电子CAD实习，使我们进一步熟悉CAD的使用熟悉画图的基本知识。使学生了解电子CAD在电子技术中的应用，我们应该掌握并熟悉的应用protel.掌握从原理图的绘制、性能仿真到PCB设计的全过程，提高电子技术课程的学习效果和电子设计的效率。
⑴ 熟悉protel应用过程，掌握protel的基本操作。能用Protel 99 SE制作其原理图并生成PCB版图。
⑵ 掌握Protel 99 SE 原理图设计截图，及元件符号库、封装库的设计方法，并能够熟练地应用Protel 99 SE制作各种功能电路的原理图和排除设计过程中可能产生的错误。
⑶ 学会印刷电路板的两种封装形式——表贴、双列直插。
⑷ 主要通过对点阵LED驱动电路的原理及硬件剖析，然后根据设计要求重新设计一个点阵LED驱动电路原理图和PCB图。
2 实习内容
2.1 Protel 2.1.1 protel简介
PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。
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早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到DXP 2004，是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它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（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。在国内PROTEL软件较易买到，有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了基础。想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载PROTEL99的试用版，可以在INTERNET上。
2.1.2 protel软件发展
2005年年底，Protel软件的原厂商Altium公司推出了Protel系列的最新高端版本Altium Designer 6.0。Altium Designer 6.0，它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是业界
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⑴、可生成30多种格式的电气连接网络表。
⑵、强大的全局编辑功能。
⑶、在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中。
⑷、同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络。
⑸、既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性。
⑹、满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）。
⑺、方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE3F5）。
⑻、支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件。 ⑼、PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层。 ⑽、强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查。 ⑾、智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺。 ⑿、提供大量的工业化标准电路板做为设计模版。 ⒀、放置汉字功能。
⒁、可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AutoCAD等软件的数据交换。
⒂、智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）。 ⒃、方便的打印预览功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果。
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⒄、强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等。
⒅、经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB启动。
⒆、反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合。 ⒇、专家导航帮您解决信号完整性问题。
2.2 原理图的绘制
对Protel99se软件介绍，那么电路原理图图便可以利用这个软件实现。在设计点论图中，有可能遇到在一页设计图纸中画不完，这就需要采用层次电路设计。设计步骤如下：
（1）、在电脑的操作的界面双击Protel99的窗口，便出现Protel99se设计的界面。点击右上角的“File文件”，在下拉菜单中点击“NewDeign..”则弹出以下窗口，在次步可以点“Browse\"改变文件的保存路径，或者直接点击“OK\"，文件保存在默认的文件夹中“D\\DesignExplorerProtel99SE\\Exemples\"。弹出这样的窗口然后点“File”中的“Design”,在双点，然后再双击一次，这样原理图编辑框就搞好了。
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图1 启动protel
图2 新建库
图3 新建文档
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图4 添加库文件
图5 元件编号
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图6 选取元件
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图7 元件封装号
(2)、在如下窗口中编辑原理图，单击“BrowseSch\"标签，再不断单击主工具栏内的（放大）（缩小）或者键盘按钮中的\"pageup\"(放大)\"pagedown\"(缩少)，直到原理图编辑区内出现大小适中的可视“栅格线”，以便操作。
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图8 填写封装号
(3)、在日常设计中，一般将原理图纸设为A4图纸，便于打印。点击工作界面的“Design..\"出现下拉框点其中“Options....”,在弹出的窗口中选择来更改图纸样式。接下来在原理图编辑区放元器件，先添加元件库。点击左边“add\\move\"具体添加所对应的元件库，这样就轻易的将元件库添加进去了。当然还有元件库里没有的元件，这需要自己去做，自己可以去创建自己的元件库，也可以在原有的元件库里添加修改了！最好是自己去创建的。在此次设计中有：AT89C
51、K9F2080、MAX32
32、CS4330需要设计的元件。具体实例见原理图。
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图9 自建数据库文件
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图10 添加库文件
(4)、针对此次设计点阵LED驱动电路，可能在一张图纸画不完，因此采用层次电路设计，在层次电路设计中最为关键的，是将总设计的文件的扩展名是“.Pij”（项目文件）而不是“.sch”（电路原理图见附录I）。
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图11 摆放原件
(5)、电路图连好了，在做操作框点“Edit...”出现的下拉框，再点其中“Exporttospread...”（导出电子表格）（附录II），在表格内修改电路中的各元件“Designator\"、“FootPrint”、“PartType”的参数修改。然后，在当前操作页面点“File”中的“Updata...”（更新）。重新回到原理图操作页面，点“Design”中“Creatnetist....”（创建网络表）（附录III）.
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图 12 电源和接地
图13 点阵LED驱动原理图
2.3 印制版的绘制
用PROTEL99设计电路板的基本流程如下： 2.3.1 电路板设计的先期工作
1、利用原理图设计工具绘制原理图，并且生成对应的网络表。当然，有些特殊情况下，如电路板比较简单，已经有了网络表等情况下也可以不进行原理图的设计，直接进入PCB设计系统，在PCB设计系统中，可以直接取用零件封装，人工生成网络表。
2、手工更改网络表。将一些元件的固定用脚等原理图上没有的焊盘定义到与它相通的网络上，没任何物理连接的可定义到地或保护地等。将一些原理图和PCB封装库中引脚名称不一致的器件引脚名称改成和PCB封装库中的一致，特别是
二、三极管等。
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3、画出自己定义的非标准器件的封装库。将自己所画的器件都放入一个自己建立的PCB库（如：AT89C51封装图）专用设计文件。
图 14 PCB元件封装
2.3.2 设置PCB设计环境和绘制印刷电路的板框含中间的镂空。
1、进入PCB系统后的
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图15 禁止布线区
3、打开所有要用到的PCB。建立库文件后，调入网络表文件和修改零件封装这一步是非常重要的一个环节，网络表是PCB自动布线的灵魂，也是原理图设计与印象电路板设计的接口，只有将网络表装入后，才能进行电路板的布线。
在原理图设计的过程中，ERC检查不会涉及到零件的封装问题。因此，原理图设计时，零件的封装可能被遗忘，在引进网络表时可以根据设计情况来修改或补充零件的封装。当然，可以直接在PCB内人工生成网络表，并且指定零件封装。
2.3.3 布置零件封装的位置，也称零件布局
Protel99可以进行自动布局,也可以进行手动布局。如果进行自动布局，运行\"Tools\"下面的\"AutoPlace\",用这个命令，你需要有足够的耐心。布线的关键是布局，多数设计者采用手动布局的形式。用鼠标选中一个元件，按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键，将该元件固定。Protel99在布局方面新增加了一些技巧。新的交互式布局选项包含自动选择和自动对齐。使用自动选择方式可以很快地收集相似封装的元件，然后旋转、展开和整理成组，就可以移动到板上所需位置上了。当简易的布局完成后，使用自动对齐方式整齐地展开或缩紧一组封装相似的元件。
提示：在自动选择时，使用Shift X或Y和Ctrl X或Y可展开和缩紧选定组件的X、Y方向。
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注意：零件布局，应当从机械结构散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面综合考虑。先布置与机械尺寸有关的器件，并锁定这些器件。
布线规则是设置布线的各个规范（象使用层面、各组线宽、过孔间距、布线的拓朴结构等部分规则，可通过Design-Rules的Menu处从其它板导出后，再导入这块板）这个步骤不必每次都要设置，按个人的习惯，设定一次就可以。
选Design-Rules一般需要重新设置以下几点:
1、安全间距(Routing标签的ClearanceConstraint)它规定了板上不同网络的走线焊盘过孔等之间必须保持的距离。一般板子可设为0.254mm，较空的板子可设为0.3mm，较密的贴片板子可设为0.2-0.22mm，极少数印板加工厂家的生产能力在0.1-0.15mm，假如能征得他们同意你就能设成此值。0.1mm以下是绝对禁止的。
2、走线层面和方向（Routing标签的RoutingLayers）
3、过孔形状（Routing标签的RoutingViaStyle）它规定了手工和自动布线时自动产生的过孔的内、外径，均分为最小、大和首选值，其中首选值是最重要的，下同。
4、走线线宽（Routing标签的WidthConstraint）它规定了手工和自动布线时走线的宽度。整个板范围的首选项一般取0.2-0.6mm，另添加一些网络或网络组（NetCla）的线宽设置，如地线。
5、伏电源线、交流电源输入线、功率输出线和电源组等。网络组可以事先在Design-Netlist Manager中定义好，地线一般可选1mm宽度，各种电源线一般可选0.5-1mm宽度，印板上线宽和电流的关系大约是每毫米线宽允许通过1安培的电流，具体可参看有关资料。当线径首选值太大使得SMD焊盘在自动布线无法走通时，它会在进入到SMD焊盘处自动缩小成最小宽度和焊盘的宽度之间的一段走线，其中Board为对整个板的线宽约束，它的优先级最低，即布线时首先满足网络和网络
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组等的线宽约束条件。
6、敷铜连接形状的设置（Manufacturing标签的PolygonConnectStyle）建议用ReliefConnect 方式导线宽度ConductorWidth取0.3-0.5mm。4根导线45或90度，其余各项一般可用它原先的缺省值，而象布线的拓朴结构、电源层的间距和连接形状匹配的网络长度等项可根据需要设置。选Tools-Preferences，其中Options栏的InteractiveRouting处选PushObstacle（遇到不同网络的走线时推挤其它的走线，IgnoreObstacle为穿过，AvoidObstacle为拦断）模式选中AutomaticallyRemove（自动删除多余的走线）。Defaults栏的Track和Via等也可改一下，一般不必去动它们。在不希望有走线的区域内放置FILL填充层，如散热器和卧放的两脚晶振下方所在布线层，要上锡的在Top或BottomSolder相应处放FILL。布线规则设置也是印刷电路板设计的关键之一，需要丰富的实践经验。
2.3.4 自动布线和手工调整
1、点击菜单命令AutoRoute/Setup对自动布线功能进行设置选中除了AddTestpoints 以外的所有项，特别是选中其中的LockAllPre-Route选项，RoutingGrid可选1mil等。自动布线开始前PROTEL会给你一个推荐值可不去理它或改为它的推荐值，此值越小板越容易100%布通，但布线难度和所花时间越大。
2、点击菜单命令AutoRoute/All开始自动布线假如不能完全布通则可手工继续完成或UNDO一次（千万不要用撤消全部布线功能，它会删除所有的预布线和自由焊盘、过孔）后调整一下布局或布线规则，再重新布线。完成后做一次DRC，有错则改正。布局和布线过程中，若发现原理图有错则应及时更新原理图和网络表，手工更改网络表（同
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黄色次之，绿色为较松，看完后可按键盘上的End键刷新屏幕。红色部分一般应将走线调整得松一些，直到变成黄色或绿色。
2.3.5 切换到单层显示模式下（点击菜单命令Tools/Preferences，选中对话框中Display栏的SingleLayerMode）
将每个布线层的线拉整齐和美观。手工调整时应经常做DRC，因为有时候有些线会断开而你可能会从它断开处中间走上好几根线，快完成时可将每个布线层单独打印出来，以方便改线时参考，其间也要经常用3D显示和密度图功能查看最后取消单层显示模式，存盘。
如果器件需要重新标注可点击菜单命令Tools/Re-Annotate并选择好方向后，按OK钮。并回原理图中选Tools-BackAnnotate并选择好新生成的那个*.WAS文件后，按OK钮。原理图中有些标号应重新拖放以求美观，全部调完并DRC通过后，拖放所有丝印层的字符到合适位置。注意字符尽量不要放在元件下面或过孔焊盘上面。对于过大的字符可适当缩小，DrillDrawing层可按需放上一些坐标（Place-Coordinate）和尺寸（（Place-Dimension）。最后再放上印板名称、设计板本号、公司名称、文件首次加工日期、印板文件名、文件加工编号等信息（请参见
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2.3.7 放置覆铜区
将设计规则里的安全间距暂时改为0.5-1mm并清除错误标记，选Place-PolygonPlane或者点击在各布线层放置地线网络的覆铜（尽量用八角形，而不是用圆弧来包裹焊盘。最终要转成DOS格式文件的话，一定要选择用八角形）。设置完成后，再按OK扭，画出需覆铜区域的边框，最后一条边可不画，直接按鼠标右键就可开始覆铜。它缺省认为你的起点和终点之间始终用一条直线相连，电路频率较高时可选GridSize比TrackWidth大，覆出网格线。 相应放置其余几个布线层的覆铜，观察某一层上较大面积没有覆铜的地方，在其它层有覆铜处放一个过孔，双击覆铜区域内任一点并选择一个覆铜后，直接点OK，再点Yes便可更新这个覆铜。几个覆铜多次反复几次直到每个覆铜层都较满为止。将设计规则里的安全间距改回原值。
图16 生成的PCB图
2.3.8 布局和布线原则
(1) 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。
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(2) 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上．尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。 (3) 在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观．而且装焊容易．易于批量生产。 (4) 位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3：2成4：3。电路板面尺寸大于200x150mm时．应考虑电路板所受的机械强度。
(5) 输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈藕合。
(6) 印制摄导线的最小宽度主要由导线与绝缘基扳间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为 0.05mm、宽度为 1 ~ 15mm 时．通过 2A的电流，温度不会高于3℃，因此．导线宽度为1.5mm可满足要求。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选0.02~0.3mm导线宽度。当然，只要允许，还是尽可能用宽线．尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许，可使间距小至5~8mm。
(7) 印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则．长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状．这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。
3 心得体会
这一周（16周）是电子CAD实训，为期一周的实训结束了，实训的目的就是锻炼我们的实际动手能力。在各位老师的帮助下，尽自己的最大努力从几乎没有学过Protel 99SE,到熟练掌握应用到画出原理图，得到点阵LED驱动的PCB图。期间，我学到了很多宝贵的经验和相关的电子技术知识。对于一个个零散的
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电路元器件到排版生成一个系统，使线路不会重叠，填上元器件的封装号，接上芯片的引脚等等，这些光靠书本和讲解是学不到的。我们必须深入到实习中，毕竟实践出真理。同时，在实习中，我还必须将书本中的知识很好的应用到实践操作中。
这次的实习对我们来说，是一个很大的难度。怎么说了，对于我们大三的电子信息专业学生来说，我们都知道电路板的绘制是我们的必学知识，但知道大三了，学校也没有开理论课学习、使用Protel 99 SE软件等等。也只有一部分的同学在大一的时候自己报班学习了初级的CAD基本知识，到了大三，很多同学了不熟悉怎么使用了。而我们的任务是在一周内学会使用Protel 99 SE，并画出原理图，再由原理图生成PCB图。这个确实挺有难度的。而且学校还安排了我们在
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通过这次的实习，我深刻的认识到了，理论知识和实践相结合是教学环节中的相当重要的一个环节，只有这样才能提高自己的操作能力，并且从中培养自己的独立思考、勇于克服困难的能力。
在此次实习中，负责我们组得是王创新老师和杨安平老师，他们尽自己最大的能力把所知道的都交给我们，不光只有知识，还有为人处事的态度。因为这周的实习是在冬天，天气很冷。但每次迟到的都是我们学生，老师们每次都是很早就道了，等着我们。从这样的一件小事中，我们能够体会到老师们的热情和对待我们的那种负责的态度，也让我醒悟了，我们马上就要出去工作了，如果我们还以我们现在的态度去对待工作的话，我们将会被这个社会所抛弃。在此，我谨向老师们说声：“谢谢老师！”。是你们又让我学到了书本上学不到的东西，学到了对我一生有益的东西。
“学以致用”这句话是我们都体会到的道理。“实习前的自大，实习时的迷惘，实习后的深思”是我们实习前后的总结。有深思才有收获，有深思才有提高。我也不会因为这次的实习的失误而感到懊悔，相反，我会以这次实习的教训而去要求自己，提高自己。
