數字網線測試儀PCB設計

溫亮泉

【摘 要】現代電子產品的制造都離不開PCB的設計，PCB設計的質量直接決定著電子產品使用的壽命和安全。本文以數字網線測試儀PCB設計為實例，合理設置PCB元器件的布局及布線，提高數字電路的抗干擾能力和電子產品的使用壽命。

【關鍵詞】PCB設計；設置；布局；布線

0 引言

PCB是電子產品中不可缺少的重要組成部件，支撐著電子元器件，并對電子元器件提供必要的電氣連接，影響著電子產品的工作、使用安全及壽命。因此PCB設計至關重要。本文以數字網線測試儀PCB的設計為例，介紹單片機控制電路PCB設計的一般原則和要求，提高電子產品的使用可靠性、安全性，延長電子產品的使用壽命，為企業提高經濟效益。

數字網線測試儀是一款常用的網線質量測試工具，可以測量網線的通斷、芯線順序是否正確及是否短路等。電路包括電源電路、單片機控制電路、網線連接電路，程序下載接口電路、雙色數碼管顯示電路等，具有典型性、代表性。

所設計的數字網絡測試儀電路有一個PQFP-44封裝的STC89C58RD+單片機芯片，體積小，重量輕；二個RJ45網線插座；一個RS232串行通訊接口；16個0.56英寸的一位雙色數碼管；6個SOP16封裝的集成8位移位寄存器74HC595和4個SOP18封裝的集成反相驅動器UL2803APG等。在本電路里面大部分元器件采用貼片安裝，旨在在減小電路板的體積和重量，方便攜帶使用。

1 影響PCB設計質量的主要因素

很多技術人員可能感覺PCB設計容易上手，但要設計出高水平的PCB，還是會感覺到存在一定的難度，無法滿足電子產品的實用性、可靠性和安全性等性能要求，這需要技術人員長期的實踐及不斷地學習來積累經驗。

筆者從事電子產品設計與開發多年，根據工作經驗，在進行PCB設計時，應根據電路的特點和使用要求，首先要考慮的主要因素是元器件的布局。合理布局是PCB設計的關鍵，如數控機床的電腦控制主板，由于當初PCB設計鈕扣電池太靠近微處理器，工作時間一長，電池失效漏液，漏出的液體腐蝕元器件和銅箔導線，造成電路板的損壞，并且很難維修，從而大大縮短了電路板的使用壽命。后經改進，將電池安裝位置引出電路板，解決了此問題，延長了電路板的使用壽命，受到了用戶的好評。其次是要對PCB布線的優化設計。在PCB布線時要考慮導線流過的電流、導線之間承受的電壓、導線之間的相互干擾及導線連接的拓撲結構等。如在高電壓的電源電路里面，如果某條導線要流過大電流，除了按要求加寬銅箔的截面積，可能還要求銅箔裸露并上焊錫，使導線有足夠大的截面積來承受流過它的電流，保證不燒壞銅箔導線。

2 PCB元器件布局設計

數字網絡測試儀的PCB布局設計包括確定電路板尺寸、功能分區及各元器件位置，我們要遵照印制版設計通用標準IPC-2221A，這樣才能設計出符合要求、性能優良的電路板。數字網線測試的PCB布局如圖1（a）、（b）所示。

2.1 確定PCB的形狀及尺寸

根據所有元器件實際尺寸及工藝要求等來確定PCB的形狀及尺寸。PCB的長寬比例一般設計為3：2或4：3的長方形，也可以根據實際的需要來確定PCB的形狀。尺寸選用方面，若過大，既浪費材料，又使電子產品的重量和體積增大，不方便攜帶使用；若過小，元器件布局困難，嚴重影響電路的安裝調試、維修及電氣安全等。如果是采用機器（波峰焊、回流焊）來裝配焊接電路板的，還要考慮機器使用的極限尺寸。數字網線測試儀由于有16個數碼管、一個RS232串行通訊接口等元器件，數量多且封裝絲印面積較大，所以設計此PCB尺寸為175mm×110mm。

（a） 頂層元器件布局圖

（b） 底層元器件布局圖

2.2 確定PCB的元器件布局層數

PCB元器件布局的層數與電路的復雜性、電路板的尺寸要求和電氣性能等有關，一些比較簡單的電路可以將元器件單層布局，而一些比較復雜的電路的元器件進行雙層布局。數字網線測試雖然元件多，PCB尺寸要求較小，在此元器件進行雙層布局，大部分元器件在PCB的頂層布局，如顯示用的雙色數碼管，布在頂層方便觀看。其它一些元器件布在底層，如二個RJ45網線插座，底層布局，用于連接測試用的網線，影響不大。

2.3 確定單元電路分區的布局

單元電路合理分區，有利于電路可靠、穩定地工作，方便電路的檢查和維修。單元電路的分區布局一般按信號流程，從左到右，從上到下，同一功能的電路元器件盡量放在一起。各分區電路盡量相互獨立，互不干擾。數字網線測試儀按電路的結構、功能進行PCB分區，分成：電源電路區，單片機控制電路區，數碼管驅動和顯示電路區，程序下載電路區和網線插座電路區等。

2.3.1 電源電路盡量與單片機控制電路、存儲器電路分開，越遠越好，以防電源電路的大電壓、大電流電磁干擾單片機、存儲器電路的正常工作，提高電路工作的可靠性。

2.3.2 晶體振蕩器和二個負載電容盡量靠近單片機，避免單片機工作用的時鐘振蕩脈沖受干擾，影響單片機的正常工作。

2.3.3 相同結構的電路，盡量采用對稱的結構進行元器件的布局，如數字網線測試儀發射數據用的8個雙色數碼管顯示電路與接收數據用的8個雙色數碼管顯示電路采用上下對稱布局。

2.4 確定各元器件的具體位置

確定了單元電路的布局后，還要確定各元器件的具體擺放位置。原則是先將體積較大的核心元器件先擺放好，后根據核心元器件來合理放置體積較小的元器件，并要根據電路信號流程和元器件引腳的連接關系等來擺放。

2.4.1 同一單元電路的同一類元器件（如0805封裝的貼片電阻）盡量在X或Y方向按順序放在一起，方便安裝和使用，如R3-R4、R6-R7、R9-R10這幾個電阻采用Y的方向擺放并按順序排列。

2.4.2 元器件之間在X或Y方向上對齊及均勻分布，疏密有序，多采用左右對齊或上下對齊、水平分布或垂直分布，使各元器件的排列有規律。

2.4.3 各種連接端口（如RJ45網線插座、RS232串行通訊接口）一般擺放在電路板的邊緣，方便連接使用。

3 PCB元器件的布線設計

布線是PCB設計重要的一環。布線要根據工藝要求來確定布線的層數、導線的寬度、安全間距等。數字網線測試的PCB布線如圖2（a）、（b）所示。

（a）元器件頂層布線圖

（b）元器件底層布線圖

3.1 確定PCB布線的層數

PCB布線的層數與電路的復雜性、電路板的尺寸要求和電氣性能等有關。數字網線測試雖然元件多，元器件封裝的絲面積較大，但電路要求不高，在此進行雙層布線。

3.2 確定導線的寬度

導線的寬度設置一定要考慮導線中流過的最大電流，如果導線寬度過小會燒掉線路板；導線過寬會影響布線，使布線困難，甚至布不了線。在條件允許的情況下，電源線、地線盡量寬，最好地線比電源線寬，以保證電氣性能。它們之間的關系為：地線>電源線>信號線。如有可能，地線的寬度最好大于3mm；電源線的寬度一般為1.2-2.5mm；信號線為0.2-0.3mm，最細寬度可達0.05-0.07mm。數字電路PCB地線可用粗導線來構成一個回路，即組成一個地網絡來使用，但模擬電路不可以使用這樣的地。

3.3 確定導線之間的安全間距

導線的安全間距（即導線最小間距）與導線間的電壓有密切關系，可根據IPC-2221標準推算出。安全間距過小，有可能導線間擊穿短路；安全間距過大，也會造成PCB布線困難。要計算導線之間的電壓比較困難，在實際應用時，導線之間的安全間距可采用“3W規則”來確定，即兩相鄰導線的中心間距要大于3倍的導線寬度。要使電路達到優良的抗干擾性能，相鄰導線間距要大于10W。

3.4 導線與過孔的設置

布線不要采用90°，盡可能采用45°折線，以減小高頻信號的干擾，必要時，我們還可以采用弧形布線。過孔大小和數量的合理設置，提高布線效率。過孔的大小一般設置為0.7-1.27mm，如果布線的密度較高時，可適當減小過孔的大小，但不要太小，一般可采用0.6-1.0mm。信號線的過孔要盡量少，以減少對信號的干擾。

3.5 電氣規則檢查

PCB布完線后要進行DRC電氣規則檢查，以保證PCB布線的電氣性能。主要檢查PCB有無漏掉布線、安全間距違規等，發現有違規，需要及時排除，保證PCB的質量。

3.6 覆銅

在DRC電氣規則檢查沒有問題后，可以進行覆銅，以減少地線阻抗，提高電路的抗干擾能力；降低壓降，提高電源效率；以及覆銅與地線相連，減小環路面積。

4 結束語

本文通過介紹了數字網絡測試儀的PCB布局和布線設計過程、要求和規則，并經過實際的制板、元器件安裝、調試、測試及使用，完全可以達到實際產品使用的要求。PCB設計合理，符合工藝規范，為其它技術人員設計PCB提供了一定的參考價值。

【參考文獻】

[1]黃智偉.印制電路板（PCB）設計技術與實踐[M].北京：電子工業出版社.2009.

[2]鄭振宇，林超文，徐龍俊，等.Altium Designer PCB畫板速成[M].北京：電子工業出版社，2016.

[責任編輯：張濤]