基于《電子線路板設(shè)計(jì)與制作》教學(xué)的“數(shù)字鐘”單面板設(shè)計(jì)

熊麗萍 朱彩蓮 楊潤(rùn)豐

【摘要】本文根據(jù)《電子線路板設(shè)計(jì)與制作》課程項(xiàng)目化教學(xué)要求，給出了一種“數(shù)字鐘”電路單面板的設(shè)計(jì)方案，該方案一方面將PCB“手動(dòng)布線”和“自動(dòng)布線”兩種方式結(jié)合起來(lái)，突破了以往“手動(dòng)布線”和“自動(dòng)布線”割離的教學(xué)設(shè)計(jì)，另一方面滿足了一般實(shí)驗(yàn)室“熱轉(zhuǎn)印”制作單面板的限制條件，可以方便學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室制板并焊接電路，讓學(xué)生在操作中體會(huì)PCB“設(shè)計(jì)”和“制作”的相互聯(lián)系。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字鐘;單面板;自動(dòng)布線結(jié)合手動(dòng)布線

1.引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展和印制電路板加工工藝的不斷提高，對(duì)印制電路板設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高[1]。快速、準(zhǔn)確地完成電路版的設(shè)計(jì)對(duì)電子線路工作者而言是一個(gè)挑戰(zhàn)，于是各種電子線路輔助設(shè)計(jì)工具（EDA）應(yīng)運(yùn)而生，最常用的三款輔助電子線路板設(shè)計(jì)的軟件是Protel軟件、Cadence軟件和PADS軟件。Protel主要經(jīng)歷了Protel 99 se，protel DXP，Altium designer幾個(gè)版本的升級(jí)演化，由于其軟件入門(mén)快，集成度高，當(dāng)之無(wú)愧地成為學(xué)習(xí)PCB設(shè)計(jì)的首選軟件。當(dāng)前中職、高職或大學(xué)普遍用于教學(xué)的是比較成熟的Protel DXP 2004 SP2版本的EDA軟件。本項(xiàng)目就是采用Protel DXP 2004 SP2進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的。

《電子線路板設(shè)計(jì)與制作》是我院電子信息工程技術(shù)等專業(yè)核心課程。該課程采用項(xiàng)目化教學(xué)方式，通過(guò)音頻功率放大器、基于單片機(jī)的交通燈、數(shù)字鐘、數(shù)據(jù)采集器、單片機(jī)綜合開(kāi)發(fā)板5個(gè)復(fù)雜度由低到高的項(xiàng)目電路設(shè)計(jì)和制作，使學(xué)生熟練掌握Protel DXP 2004SP2的原理圖、原理圖庫(kù)、封裝庫(kù)以及PCB編輯器使用方法，并能在實(shí)驗(yàn)室用“熱轉(zhuǎn)印”法制作單面板、“雕刻機(jī)”制作雙面板。“數(shù)字鐘”電路是整個(gè)課程的第三個(gè)教學(xué)項(xiàng)目，其復(fù)雜程度適中，綜合性、實(shí)用性、趣味性較強(qiáng)，且該項(xiàng)目是學(xué)生同學(xué)期學(xué)習(xí)的課程《電子技術(shù)（數(shù)字電路）》中需要分析和調(diào)試過(guò)的典型項(xiàng)目，學(xué)生需要通過(guò)本課程完成電路板制作，再用于《電子技術(shù)（數(shù)字電路）》課程學(xué)習(xí)。

2.“數(shù)字鐘”項(xiàng)目介紹

數(shù)字鐘電路原理圖如圖1所示。該電路是一個(gè)以數(shù)字形式顯示時(shí)、分、秒的電子鐘，有校時(shí)和正點(diǎn)報(bào)時(shí)功能。電路由秒脈沖產(chǎn)生模塊，時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)及顯示模塊，校時(shí)模塊和正點(diǎn)報(bào)時(shí)電路模塊構(gòu)成。電路中，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)S1、S2、S3分別用于選擇調(diào)整時(shí)、分、秒顯示，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)S4用于控制脈沖加1，蜂鳴器則會(huì)在正點(diǎn)發(fā)出4低音1高音的間斷聲響，進(jìn)行整點(diǎn)報(bào)時(shí)。

數(shù)字鐘電路由于用到的數(shù)字芯片較多，連線相對(duì)模擬電路要復(fù)雜，所以在教學(xué)或者實(shí)驗(yàn)中，其PCB設(shè)計(jì)多采用“自動(dòng)布線”布“雙面板”。這種設(shè)計(jì)方案用于數(shù)字鐘實(shí)驗(yàn)無(wú)可厚非，但用于PCB設(shè)計(jì)教學(xué)還是有一定的局限性：第一，在實(shí)際的企業(yè)應(yīng)用中，為了滿足電子工藝、抗電磁干擾等方面的需求，常常要求PCB設(shè)計(jì)者采用全部或部分“手動(dòng)布線”，而傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)中，往往將手動(dòng)和自動(dòng)布線單獨(dú)在不同的電路中介紹，且所選電路都比較理想，學(xué)生很容易布通，學(xué)生往往為求簡(jiǎn)單直接采用 “自動(dòng)布線”，也體會(huì)不到“手動(dòng)布線”的必要性;第二，傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)中，往往只要求學(xué)生完成PCB設(shè)計(jì)，學(xué)生在學(xué)習(xí)中體會(huì)不到PCB設(shè)計(jì)對(duì)電路板制作和功能實(shí)現(xiàn)的影響。

本項(xiàng)目則要求學(xué)生不僅完成數(shù)字鐘電路PCB設(shè)計(jì)，而且要在實(shí)驗(yàn)室制作出電路板并完成電路焊接，檢驗(yàn)電路功能，學(xué)生在電路設(shè)計(jì)中就不得不考慮實(shí)際制板的條件，并能針對(duì)制版和焊接要求，對(duì)PCB進(jìn)行必要的優(yōu)化調(diào)整。出于實(shí)驗(yàn)條件限制（實(shí)驗(yàn)室僅能采用“熱轉(zhuǎn)印”法制作單面板），學(xué)生需要設(shè)計(jì)數(shù)字鐘單面板，在設(shè)計(jì)“單面板”的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)布線無(wú)法布通電路，手動(dòng)布線耗時(shí)費(fèi)力，可不可以將兩種布線方法結(jié)合起來(lái)進(jìn)行呢？筆者通過(guò)反復(fù)嘗試，給出了一種比較利于教學(xué)的手動(dòng)和自動(dòng)相結(jié)合的數(shù)字鐘單面板設(shè)計(jì)方案。

3.“數(shù)字鐘”單面板設(shè)計(jì)方法

3.1 原理圖設(shè)計(jì)

（1）按照?qǐng)D1繪制數(shù)字鐘電路原理圖，根據(jù)表1所示的元件報(bào)表設(shè)置元器件屬性。

（2）編譯工程并檢查電氣連接，根據(jù)這些錯(cuò)誤信息就可以方便地對(duì)原理圖進(jìn)行修改。直到?jīng)]有錯(cuò)誤產(chǎn)生[2]（見(jiàn)表1）。

3.2 嘗試PCB自動(dòng)布線

（1）本項(xiàng)目設(shè)定兩層板尺寸寬×高為170mm×130mm，物理邊界與電氣邊界重合。

（2）加載網(wǎng)絡(luò)表。

（3）通過(guò)選擇、移動(dòng)、翻轉(zhuǎn)元件等操作來(lái)實(shí)現(xiàn)手工布局。布局后的 PCB如圖2所示。對(duì)數(shù)字鐘電路布局時(shí)要綜合考慮各方面的因素，以便于后面的布線：①依據(jù)信號(hào)流向“從上到下、從左到右”的原則。②符合電路原理性特點(diǎn)，如數(shù)碼管時(shí)、分、秒的顯示。③調(diào)整元件位置，使元件之間的連線盡量簡(jiǎn)潔。

（4）PCB優(yōu)化調(diào)整：為了方便接下來(lái)的制版，我們常常要將通過(guò)加載網(wǎng)絡(luò)表裝入的元件封裝進(jìn)行調(diào)整。這里，我們采用全局修改的方法將部分焊盤(pán)做加大處理，使得焊盤(pán)直徑不小于1.5mm，并將貼片元件U15（7404）放置于底層（BottomLayer）。

圖2 元件布局后效果

圖3 單面板自動(dòng)布線效果

（5）自動(dòng)布線：設(shè)置布線寬度為0.5mm，布線層次勾選底層“BottomLayer”。選擇“自動(dòng)布線”→“全部對(duì)象”菜單命令，執(zhí)行自動(dòng)布線[2]。可得到如圖3所示結(jié)果。顯然，由于電路比較復(fù)雜，采用單面板自動(dòng)布線布線很難布通。所以我們采用自動(dòng)和手動(dòng)結(jié)合的方法布線。

3.3 自動(dòng)、手動(dòng)結(jié)合布線

（1）備份原理圖：先將完整的電路原理圖文件復(fù)制一份在項(xiàng)目文件夾中。

（2）刪除部分導(dǎo)線：刪除原理圖中比較復(fù)雜的一些電路連接。如何選擇需要?jiǎng)h除的導(dǎo)線呢？我們可以通過(guò)分析電路原理圖的走線和PCB布局后元件之間的“飛線”，觀察自動(dòng)布線時(shí)計(jì)算路由的情況來(lái)選擇。

具體可以根據(jù)以下幾方面因素選擇要?jiǎng)h除的導(dǎo)線：

（1）原理圖中與很多元件都有連接，且范圍跨度大的元件導(dǎo)線。

（2）PCB布局后，與多個(gè)元件間有飛線，且交叉線多的元件導(dǎo)線。

（3）運(yùn)行自動(dòng)布線后，計(jì)算路由耗時(shí)長(zhǎng)且無(wú)法布通的元件導(dǎo)線。

根據(jù)以上幾個(gè)要素，選擇刪除U9、U10、U16、U17、S3部分引腳的導(dǎo)線。如圖4所示，圖中粗線標(biāo)注的為準(zhǔn)備刪除的導(dǎo)線。

圖5 簡(jiǎn)化電路后的自動(dòng)布線結(jié)果

圖6 重新加載完整原理圖后的網(wǎng)絡(luò)連接

（4）加載網(wǎng)絡(luò)表：刪除導(dǎo)線后，再在PCB中加載一次網(wǎng)絡(luò)表，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)原理圖的變化，移除所刪除的電路連接，電路就會(huì)變得相對(duì)簡(jiǎn)單一些。

（5）自動(dòng)布線：執(zhí)行一次自動(dòng)布線，可以完成所有連接的布線，如圖5所示。

（6）追加完整版電路原理圖，并加載網(wǎng)絡(luò)表：刪除當(dāng)前項(xiàng)目的原理圖，再將原來(lái)備份的完整的電路原理圖追加到當(dāng)前項(xiàng)目。然后在PCB中加載一次網(wǎng)絡(luò)表，系統(tǒng)會(huì)把之前被刪掉的連接關(guān)系添加進(jìn)來(lái)，可得到如圖6所示的結(jié)果。

圖7 手動(dòng)放置跳線后的結(jié)果

（7）手動(dòng)布線：根據(jù)圖6中的飛線連接，手動(dòng)放置跳線。得到如圖7所示電路圖。關(guān)于手動(dòng)放置跳線的要求有以下說(shuō)明：①手動(dòng)放置跳線的過(guò)程實(shí)際是將“底層單面自動(dòng)布線”未完成的部分連接通過(guò)放置焊盤(pán)和頂層導(dǎo)線來(lái)完成。這些手動(dòng)放置的焊盤(pán)會(huì)在單面制版時(shí)完成，而頂層的導(dǎo)線需要人工焊接跳線。②放置跳線的過(guò)程不可避免的要調(diào)整其他已布線路，使得頂層所放導(dǎo)線盡量直且短，以便于后續(xù)焊接。③圖7所示的放置結(jié)果只是一種參考方案。設(shè)計(jì)者可根據(jù)自己電路的情況自行放置跳線，并不斷優(yōu)化調(diào)整。

4.總結(jié)

本設(shè)計(jì)為保證《電子線路設(shè)計(jì)與制作》項(xiàng)目化教學(xué)有效的開(kāi)展，提出了一種自動(dòng)、手動(dòng)布線相結(jié)合的數(shù)字鐘單面板設(shè)計(jì)方法，恰當(dāng)?shù)卣狭私虒W(xué)知識(shí)點(diǎn)，并拔高了布局布線難度，增加了技巧性應(yīng)用，從而突出了電路布局和布線在整個(gè)PCB設(shè)計(jì)中的重要性，通過(guò)實(shí)際的教學(xué)實(shí)施，學(xué)生能夠掌握自動(dòng)、手動(dòng)布線的方法，更重要的是，體會(huì)到PCB設(shè)計(jì)與電路板制作和調(diào)試間的密切聯(lián)系，這將對(duì)他們后續(xù)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)乃至今后的崗位工作產(chǎn)生積極的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]司慧玲.基于Protel的數(shù)字鐘雙面電路板設(shè)計(jì)[J].北京：電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（23）：41-43.

[2]孟祥忠，王靜，吳榮海，鄭文斌.電子線路制圖與制版[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

基金項(xiàng)目：東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院教改項(xiàng)目“中高職銜接電子信息工程專業(yè)高職學(xué)段教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)研究”（編號(hào)：JGXM2012102）。

作者簡(jiǎn)介：熊麗萍（1983—），女，湖北襄陽(yáng)人，碩士，講師，研究方向：電子技術(shù)。