代码收藏家技术教程 2023-08-31

AD20开发板PCB设计全面指南

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实例简介

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工程文件的创建与添加

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原理图编译

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封装匹配检查

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更新PCB文件（同步原理图数据
）

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PCB常规参数设置及板框的绘制

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交互式布局和模块化布局

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PCB布线

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PCB设计后期处理

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DRC检查

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Gerber输出

Arduino是一个基于单片机并且开放源码的硬件平台，和一套为Arduino电路板编写程序的开发环境组成。Arduino可以用来开发交互产品，比如可以读取大量的开关和传感器信号，并且可以控制各式各样的电灯、电机和其他物理设备。Arduino项目可以是单独的，也可以在运行时和电脑中运行的程序进行通讯。

本实例采用2层板完成PCB设计，其性能技术要求如下：

（1）布局布线考虑信号稳定及EMC。

（2）理清整板信号线及电源线的流向，使PCB走线合理美观。

（3）特殊重要信号线按要求处理，如USB数据线差分走线并包地处理。

开始咯！

（1）执行菜单栏中“文件”→“项目”→“PCB工程”命令，创建一个新的工程文件Leonardo.PrjPCB，保存到相应的目录。

（2）在Leonardo.PrjPCB工程文件上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中执行“添加新的…到工程”命令，选择需要添加的原理图文件和PCB文件以及集成库文件，如下图所示。

打开原理图文件，对其进行编译，检查有无电气连接方面的错误。只有确认没有错误后，才能进行PCB设计后续的工作。同时，很多场合要求将原理图打印出来，方便更多的人阅读。因此，原理图的编译是必需的。原理图的编译分为对当前文档的编译和对整个PCB工程的编译，这里选择对整个PCB工程进行编译。执行菜单栏中“工程”→Compile PCB Project Leonardo.PrjPCB命令，或者按快捷键C+C，如下图所示。

原理图编译完成后，可以单击PCB编辑界面右下角的Panels按钮，在弹出的菜单中选择打开Messages面板查看编译结果，如图所示。若提示Compile successful,no errors found，则原理图无电气性质的错误，可以继续下一步的操作，否则需要返回原理图根据错误提示修改至无错误为止。

下面列出常见的原理图检查错误项：

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Duplicate Part Designations－重复的元件位号；

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Floating net labels－悬空的网络；

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Net with multiple names－重复的网络名；

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Nets with only one pin－单端网络；

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Off grid object－对象没有处在栅格格点的位置上。

在本实例中使用的是集成库文件来绘制原理图，虽然集成库中每一个元件都关联好了对应的封装，但是为了避免出错，还是要对原理图的元件进行封装匹配检查。执行菜单栏中“工具”→“封装管理器”命令，打开封装管理器，可以查看所有元件的封装信息。

（1）确认所有元件都有对应的封装，如果存在某些元件无对应的封装，在原理图更新到PCB步骤中，就会存在元件网络无法导入的问题。

（2）封装管理器中，可以对元件的封装进行增加、删除和编辑的操作，使原理图元件与封装库里面的封装匹配上，如图所示。

（3）选择好对应的封装后，单击“确定”按钮，然后单击“接受变化（创建ECO）”按钮，在弹出的“工程变更”对话框中单击“执行变更”按钮，完成封装库匹配。

（1）执行更新命令

编译原理图无误及完成封装匹配之后，接下来的就是更新PCB文件了，也就是常说的原理图更新到PCB的操作，这一步是原理图与PCB之间连接的桥梁。执行菜单栏中“设计”→Update PCB Document Leonardo.PcbDoc命令，或者按快捷键D+U。

①执行更新操作后会出现如图所示的“工程变更指令”对话框，单击执行更新按钮。

②若无任何错误，则“完成”这一栏全部显示“正确”图标。若有错误则会显示“错误”图标，这时需要检查错误项并返回原理图修改，直至没有错误提示为止。

③关闭“工程变更指令”对话框，可以看到PCB编辑界面已经变成如图所示，这说明已经完成了原理图更新到PCB的操作，迈出了成功的第一步。

1.PCB推荐参数设置

（1）取消不常用的DRC检查项。DRC检查项检测过多会导致PCB布局布线的时候经常出现报错和造成软件的卡顿，如图所示，对DRC检查项进行设置，将其他检查项关闭，只保留第一个电气规则检查项。

（2）调整丝印。利用全局操作将元器件的位号调小放到元件中间，或者先将位号隐藏，方便后面的布局布线，如图所示。

2.板框的绘制

（1）按照设计要求绘制板框，切换到Mechanical 1层，执行菜单栏中“放置”→ “线条”命令，或者按快捷键P+L，绘制一个符合板子外形尺寸要求的闭合框。

（2）选中绘制好的板框线，执行菜单栏中“设计”→“板子形状”→“按照选择对象定义”命令，或者按快捷键D+S+D定义板框。

（3）放置尺寸标注，可在Mechanical 2层放置尺寸标注，执行菜单栏中“放置”→“尺寸”→“线性尺寸”命令，单位和模式选择（mm）。得到的板框效果如图所示。

1.交互式布局

交互式就是实现原理图和PCB之间的两两交互，需要在原理图和PCB中都打开“交叉选择模式”选项，如图所示。

2.模块化布局

（1）按照项目要求，有固定结构位置的接口或者元件先摆放，然后根据元件信号飞线的方向摆放大元件，按照“先大后小”、“先难后易”的顺序。把元件在板框内大概放好，完成项目的预布局，如图所示。

（2）通过“交叉选择”功能和“在区域内排列器件”功能，把元件按照原理图电路模块分块放置，并把其放置到对应接口或对应电路模块附近，如图所示。

（3）结合交互式布局和模块化布局，完成整板的PCB布局，如图所示。布局的时候遵循以下基本原则：

①接口元件靠近板边摆放，小元件距离接口元件的距离不要太近。

②布局考虑走线尽可能短，少交叉。

③电源模块布局注意输入输出的方向，电源滤波电容靠近输入输出位置。

④滤波电容靠近芯片管脚放置。

⑤整板布局要合理分布，整齐美观。

⑥模拟电路和数字电路分开。

（PCB布线是PCB设计当中最重要最耗时的一个环节，这将直接影响着PCB板的性能好坏。在PCB的设计过程中，布线一般有三种境界的划分：

首先是布通，这是PCB设计的最基本要求。如果线路都没布通，搞得到处是飞线，那将是一块不合格的板子，可以说还没入门。

其次是电气性能的满足，这是衡量一块印刷电路板是否合格的标准。这是在布通之后，认真调整布线，使其能达到最佳的电气性能。

最后是美观，假如布线连通了，也没有什么影响电气性能的地方，但是一眼看过去杂乱无章的，加上五彩缤纷、花花绿绿的，那就算电气性能再好，在别人眼里还是垃圾一块。这样会给测试和维修带来极大的不便。布线要整齐规范，不能纵横交错毫无章法。这些都要在保证电气性能和满足其他个别要求的情况下实现，否则就是舍本逐末。

本例全部采用手工布线，下面在PCB布线之前先介绍一些常用的规则等设置。

1.Class的创建

为了更好的布线，可以对信号网络和电源网络进行归类，执行菜单栏中“设计”→“类”命令，或者按快捷键D+C，打开“对象类浏览器”对话框，这里以创建一个电源类为例，在Net Classes（网络类）处单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中执行“添加类”命令，并将其命名为PWR，并将需要归为一类的电源网络从“非成员”列表中划分到“成员”列表中如图所示。

2.布线规则的添加

1）安全间距规则设置

（1）按快捷键D+R，打开PCB规则及约束编辑器。

（2）在左边设计规则列表中选择Routing→Clearance，在右边编辑区中设置 All整板间距规则和Poly铺铜间距规则。具体设置方法如图所示。

2）线宽规则设置

（1）在左边设计规则列表中选择Routing→Width，在右边编辑区中设置一个常规信号线的线宽规则，这里设置为最小、首选线宽为6mil，最大线宽设置为40mil，如图所示。

（2）创建一个针对电源PWR类的线宽规则，因为需要对电源网络进行加粗设置，如图所示。

3）过孔规则的创建

在本例中可以采用20/10mil的过孔尺寸，过孔尺寸的规则设置如图所示。

4）铜皮连接样式规则设置

铜皮连接方式一般设置为Direct Connect（全连接的方式），如图所示。

3.整板模块短线的连接

在进行PCB整板布线时，首先需要先把每个模块之间的短线先连通，把布线路径比较远并且不好布的信号线从焊盘上引出并打孔，然后将电源和地孔扇出，如图所示。

4.整板走线的连接

整板布线是PCB设计当中最重要和最耗时的环节，在本例中全部采用手工布线，下图为整板走线完成后的效果。PCB布线应该大体遵循以下原则：

（1）走线要简洁，尽可能短，尽量少拐弯，力求走线简单明了（特殊要求除外，如阻抗匹配和时序要求）。

（2）避免锐角走线和直角走线，一般采用45度拐角，以减小高频信号的辐射（有些要求高的线还要用弧线）。

（3）任何信号线都不要形成环路，如不可避免，环路面积应尽量小；信号线的过孔要尽量少。

（4）关键的线尽量短而粗，并在两边加上保护地；电源和GND进行加粗处理，满足载流。

（5）晶振表层走线不能打孔，晶振周围包地处理。时钟振荡电路下面、特殊高速逻辑电路部分要加大地的面积，而不应该走其它信号线，以使周围电场趋近于零。

（6）电源线和其他的信号线之间预留一定的间距，防止纹波干扰。

（7）关键信号应预留测试点，以方便生产和维修检测用。

（8）PCB布线完成后，应对布线进行优化，同时，经初步网络检查和DRC检查无误后，对未布线区域用大面积铺铜铜进行地线填充。或是做成多层板，电源、地线各占用一层。

在整板走线连通和电源处理完以后，需要对整板的情况进行走线的优化调整及丝印的调整等，下面介绍常见的处理项。

1.串扰控制

串扰（CrossTalk)是指PCB上不同网络之间因较长的平行布线引起的相互干扰（主要是由于平行线间的分布电容和分布电感的作用）。在平行线间插入接地的隔离线，减小布线层与地平面的距离。

3W规则。为了减少线间串扰，应保证导线间距足够大，当导线中心间距不少于3倍线宽时，则可保持70%的电场不互相干扰，这被称为3W规则，如图所示，调整走线时可以对此进行优化修正。

2.环路最小原则

信号线与其回路构成的环面积要尽可能小，环面积越小，对外的辐射越少，接收外界的干扰也越小。如图所示，尽量在出现环路的地方让其面积做到最小。

3.走线的开环检查

一般不允许出现一端浮空的布线（Dangling Line), 主要是为了避免产生“天线效应”，减少不必要的干扰辐射和接收，否则可能带来不可预知的结果，如图所示。

4. 倒角检查

PCB设计中应避免产生锐角和直角，产生不必要的辐射，同时工艺性能也不好，一般采用45度倒角，如图所示。

5.孤铜与尖岬铜皮的修正

为了满足生产的要求，PCB设计中不应出现“孤铜”的现象，可以通过铺铜的属性设置Remove Dead Copper避免出现“孤铜”，如图7-28所示。PCB中也应当避免出现尖岬铜皮的情况，这可以通过放置“多边形铺铜挖空”的方式来实现，如图所示。

6.地过孔的放置

为了减少回流的路径以及增加层与层之间的连通性，需要在PCB一些空白的地方和信号线打孔换层的地方附近放置GND过孔，如图所示。

7.丝印调整

在后期元件装配时，特别是手工装配元件的时候，一般都要输出PCB的装配图，这时候丝印位号就显得尤为重要了。按快捷键L，在弹出的View Configuration面板只打开对应的丝印层、Paste层以及Multi-Layer层，方便对丝印进行调整，如图所示。

为了使位号清晰，字体大小推荐字宽/字高尺寸：4mil/25mil、5mil/30mil。为了使整板丝印方向一致，一般调整为字母向左或向下，如图所示。

通过前面关于DRC检查的介绍可以看出，DRC检查就是检查当前的设计是否满足规则要求，是PCB板设计正确性和完整性的重要保证。执行菜单栏中“工具”→“设计规则检查”命令，或者按快捷键T+D，打开设计规则检查器，勾选需要的检测项，一般只勾选第一个电气规则检查项，检查包含间距、短路及开路设置，里面几项都需要选择，如图所示。在DRC的Messages报告中，查看和更正错误，直到DRC报告无错误为止。