淺談元器件的布局及布線的講解方法

　　“電子線路CAD”是在“模擬電子技術”、“數字電子技術”課程結束后開設的專業課程，它主要是用計算機來實現電路圖的制作和電子元器件的連接。學生們感興趣的是學完它以后，可以自己制作印制線路板。在筆者教學的若干年中，有一部分學生還沒有畢業，就可以使用自己制作的PCB板來組裝音響等電子設備了。但由于現行教材的通病，大多數教材只是對一些英文菜單、設置項目進行翻譯，介紹一些設計流程等。學生在照搬書本學習內容時容易不分知識輕重，囫圇吞棗，結果越學越累，挫傷了學習的積極性。特別是進入印制板的設計和制作階段后，該如何正確布局和布線，傳統式教學很難讓學生理解教學內容。為此，筆者就印制線路板布局和布線教學中存在的一些問題談談自己的看法與建議。
　　
　　布局在印制線路板教學中應如何講解
　　
　　一個印制線路板的布線是否能夠順利完成主要取決于布局，而且，布線的密度越高，布局就越重要。所有制作印制線路板的人都遇到過這樣的情況：布線僅剩下幾條時卻發現無論如何都布不通了，而又不想飛線，于是不得不刪除大量或全部的已布線，再重新調整布局。所以，合理的布局是布線成功的前提。每次在講布局內容之前，我都要讓學生牢牢地記住這樣一個概念。
　　教材中關于線路板的合理布局有十二點要求，非常詳細。可是，學生把這些要求背下來就一定能把電路圖布好了嗎？很多學生看完后仍然不知道該如何操作。
　　筆者認為一個印制線路板的布局是否合理沒有絕對的判斷標準。印制線路板的設計，首先從確定板的大小開始。印制線路板的尺寸因受機箱外殼的大小限制，以能恰好安放入外箱內為宜。其次，應該考慮印制電路板與外接元器件（主要是電位器、按鍵、插口或其他印制電路板）的連接方式。因為只有對外接元器件的規格、尺寸、面積等有完全了解，才能對附件固定，以提高耐震、耐沖擊性能等（這些就要求學生需要具有一定的元器件常識）。
　　在布線方向上要掌握好，盡可能保持與原理圖走線方向相一致，以便于生產中的檢查、調試及檢修。要使各元件排列和分布合理、均勻，力求整齊、美觀，并且結構嚴謹，按一定順序方向進行布線。
　　對于具體的元器件，主要是注意電位器的安放位置，它應盡可能放在板的邊緣，旋轉柄朝外。在電路板尺寸有限的情況下，電阻、二極管的放置還可以采用豎放的放置方式，這樣比常規的平放要節約很多空間。IC座上定位槽放置的方位要正確，并注意各個IC腳位是否正確。例如，1腳只能位于IC座的右下角線或者左上角，而且緊靠定位槽（從焊接面看）。進出接線端布置時其相關聯的兩引線端不要距離太大，并且盡可能集中在1至2個側面，不要太過離散，元件腳間距要合理。把學生比較熟悉的電子元器件作為引子講解好，學生就很好理解了。課后我在征求學生意見時，多數學生反映都容易理解，這為學習后續內容奠定了良好的基礎。
　　
　　不要忽視飛線在布局中的作用
　　
　　當印制線路板上元器件的位置已經基本確定后，學生就開始進行布線操作了。可問題是，學生放置的元器件圖形是一樣的，但布線后，他們的元件布線圖有的好，有的卻極為復雜。
　　這是為什么呢？原因是，當一個封裝的位置發生變化時，其飛線的起始點和終止點一般也會DlkzWnskp5ttiSYQKu59rPe/UYG07qXeFqfBnLWk0tw=發生變化，元件最終位置的確定，還需要通過移動、旋轉、整體對齊等操作。這就要讓學生學會依靠觀察屏幕顯示的飛線是否簡捷、有序和長度是否最短來進行元器件的調整。
　　在整板范圍內快速移動一個封裝，如果與這個封裝連接的飛線不發生大的變化，說明與這個封裝引腳連接的網絡中結點數少，近于一一對應的連接，這個封裝的位置不能任意放置。如果與這個封裝連接的飛線變化比較大，說明與這個封裝引腳連接的網絡中結點數多，這個封裝不一定非固定放置在某個位置，可以按照其他一些判別準則（如布局是否合理、美觀等）找到該封裝的相對最佳放置位置。
　　如果一個封裝不論怎樣移動位置與某幾個封裝間的飛線連接關系都始終不變，就說明這個封裝與這幾個封裝之間具有較強的約束關系，應該優先放置在這幾個封裝的重心或相對接近重心的位置。如果一個封裝移動位置時飛線可以不斷變化，即總能就近找到連接結點，說明這個封裝與其他所有封裝之間具有較弱的約束關系，這個封裝的位置就可以比較靈活。這些很實用的判別方法，教材上卻沒有指出。在課堂中我給學生指出這一關系后，他們都感到易于理解，做出來的布線圖也比較合理了。
　　
　　印制線路板中常用的手工—自動—手工的布線方法
　　
　　在完成了線路板上元器件的布局之后，學生就可以開始進行線路板的布線了。為了省事，絕大部分學生都采用直接自動布線的方法，在電路布局好后自動布線的布通率都能達到100%。但是，筆者認為常用的布線步驟還是按照手工預布線—自動布線—手工布線的順序最好。
　　在自動布線之前，先預先用手工布一些重要的網絡，比如高頻時鐘、主電源等，這些網絡往往對走線距離、線寬、線間距、屏蔽等有特殊的要求。還有輸入端與輸出端的邊線應避免相鄰平行，以免產生反射干擾等，這些就需要學生們具備較多的電路設計知識了。
　　當手工預布好線并進行自動布線后，學生們會發現自動布線依然存在缺陷，如連線拐彎多、走線過長、不美觀等，使布線顯得很凌亂。筆者認為自動布線結束后還需要進一步使用手工調整布線，才能獲得一塊較完美的、滿足電磁兼容性要求的印制線路板。手工調整布線的目的就是重新調整走線方向，使布線盡可能合理（如滿足電磁兼容性要求、連接長度短）。手工調整布線是電路設計中較難掌握的技巧之一，它是線路板設計技術和經驗的集中體現，即使經過了多次調整，依然可能會存在不盡合理的走線。而作為初學者的學生，一般手工布線時應注意地線處理，避免交叉和簡單走線。
　　對于地線必須嚴格按高頻→中頻→低頻、一級級地按弱電到強電的順序排列原則，切不可隨便亂接，級與級間寧可接線長點兒，也必須遵守這一原則。同一級電路的接地點應盡量靠近，本級電路的電源濾波電容也應接在該級接地點上，以防止產生自激。而印制導線的公共地線，應盡量布置在印制線路板的邊緣部分，接地和電源的圖形應盡可能與數據的流動方向平行，這是提高抑制噪聲能力的秘訣。
　　對可能交叉的線條，可以用“鉆”、“繞”兩種辦法解決，即讓某引線從別的電阻、電容、三極管腳下的空隙處“鉆”過去，或者從可能交叉的某條引線的一端“繞”過去。在特殊情況下如果線路很復雜，為簡化設計也允許使用少量導線跨接。
　　導線中阻抗高的走線盡量短，阻抗低的走線可長一些。因為阻抗高的走線容易發射和吸收信號，引起電路不穩定。在保證電路性能要求的前提下，設計時應力求走線合理，少用外接跨線，并按一定順序要求走線，力求線條簡單明了。
　　在教學中，我把自己的理解與方法同學生分享，先讓學生運用多種能力自行解決，到后面再由老師示范操作和點評，這樣學生就能有目的地去學習。當學生發現自己也能制作出一塊漂亮的電路板時，學習積極性自然提高上去，從而主動完成學習。