《电子产品设计与制作实训》教案

湖南工业职业技术学院电气工程系 1

《电子产品设计与制作实训》教案

电工电子实训教研室


情境 2 电子整机的印刷电路板设计

教学目的与要求 1 ．用 Protel99 绘制电原理图，进行 ERC 检查；2 ．要求输入元件封装、建网络表无错误；3 ．按照设计要求规划电路板；4 ．印刷电路板的布局设计合理；5 ．印刷电路板的布线设计符合电气规范；6 ．印刷电路板的 DRC 检查；


一、任务描述本任务是在确定了电子整机电路的基础上，绘出电原理图，根据电路确定元器件有关参数和封装，在购买好元器件后，根据元器件实际外形确定或设计封装，设计出可行的印刷电路板。这部分任务主要是培养学生的元器件采购能力和 PCB 设计能力。本任务对应国家职业技能计算机辅助设计绘图员相关操作能力要求。



1 ． PCB 基础知识简要介绍： PCB 的种类； PCB 的层； PCB 的焊盘和过孔； PCB 的印制导线和敷铜的知识。

二、任务讲解

印刷电路板结构图

顶层中间层

底层

绝缘层通孔

埋孔

盲孔



2 ． PCB 设计步骤

选择元器件

PC

B

布线

绘制原理图

生成网络表

规划电路板

导入网络表

元器件布局

文档输出

PCB 设计步骤



3 ．元器件选择

（ 1 ）选择印制板

根据整机的机械结构确定电路板的形状、尺寸和厚度，根据整机的机械和电气性能要求选择 PCB 的板材，根据元器件的密集程度及安装方式确定是用单面板还是双面板。



（ 2 ）选择元器件• 电路要经过电气测试，能达到设计要求时才能确定元器件。• 元器件的主要参数应该与设计相符，不能随意感动• 元器件的封装要考虑整机的结构和 PCB 的大小，少用大型封

装的元器件。• 根据产品的功能、性能要求、整机成本和使用环境等选择适合

的元器件。• 元器件要便于运输、储存、维护和节能，要便于简化生产工艺

和降低生产费用。• 尽量使用易于采购的常规元器件满足现有设备的生产。



4 ．原理图绘制常规 (1 ）根据电路图的大小设置好图纸尺寸，一般不需要标题栏； (2 ）原理图应该美观，元件分布合乎常规，接口、端子等一般放置在图的边沿；（ 3 ）元件的编号、参数、网络标号、端口名称等要认真输入，不要搞错；（ 4 ）注意连接元件管脚的“导线”应接在脚的端部，网络编号的位置要准确，电源端口的名称不要搞错，元件封装的输入要满足 PCB 设计时的要求；



（ 5 ）注意晶体管元件的电路符号管脚名称应该和封装的管脚名称相符，否则在 PCB 中脚上无连接线；（ 6 ）含子元件的元件，应在子元件用完后再用第二个元件，（ 7 ）自己绘制的原理图元件，图样应该尽可能按照标准绘制，大小要合适，注意管脚电气接点应该在栅格交叉点上。



5 ．元器件布局设计

(1) 元器件布局基本原则

①元器件布局应保证安装后的电路板电气和机械性能良好，保证电路板的加工工序合理，以提高加工效率和合格率。一般来说 PCB 元器件布局完成，安装能用的生产工艺也就基本定下来了。



②按信号流程布局的原则

将 PCB 分成若干块，按照电路的信号流程，依次在每一快上安装一个电路单元，每个单元以电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。一般以三极管或集成电路等作为核心元器件，该单元的其它元器件围绕在它周围。元器件的布局应便于信号流通，使信号尽可能保持一致的方向。多数情况下，信号的流向安排为从左到右或从上到下，与输入、输出端直接相连的元器件应当放在靠近输入、输出接插件或连接器的地方。



③特殊元器件优先布局的原则

对于可能由电、磁、热、机械等因素引起干扰或对整机性能和布局有重大影响的特殊元器件，在着手设计印制板的版面、决定整机电路布局的时候，应该根据电气原理，首先决定它们的位置，然后再安排其它元器件。



④操控性元器件定位布局的原则

对于与操作、控制、接口相关的元器件只能安装在规定的位置。如各种调节电位器、可变电容器、红外接收器、各种输入 /输出端子等，只能安装在电路板的边缘，以便于伸出或靠近机壳。

（ 2 ）防止电磁干扰

①减少电磁辐射元器件的辐射强度。

②降低辐射源与被辐射元器件之间的耦合因素。

③提高受干扰元器件的抗干扰能力。



（ 3 ）抑制热干扰

①对于发热元器件，应安排在利于散热的位置或留出散热空间，一般安装在 PCB 边缘，必要时可以单独设置散热器或小风扇，以降低温度，减少对邻近元件的影响。

②受温度影响较大的元器件，应该远离热源。注意电解电容的失效有不少是因为常时间受热引起。

③温度检测器件应紧贴被测元器件并远离其它高温区域，以保证检测的准确性，避免引起误动作。

④双面放置元件时，底层一般不放置发热元件。



（ 4 ）布局其它注意事项

①通常条件下，所有的元件均应布置在印制板的同一面上。

②在保证电气性能的前提下，元器件应排列整齐、美观，分布均匀、疏密恰当。

③根据 PCB 的大小和元器件的数量确定安装方式，选择立式安装还是卧式安装。

④如果元器件或导线之间有较高的电压，应加大它们的距离，以免因放电而引起意外。

⑤带高电压的元件应尽量布置在调试时手不易触及的地方，最好加上防护设施。



⑥PCB 边上要留有一定空间，以便于安装和波峰焊机。

⑦大型和不便在 PCB 上安装的元器件可以安装在机壳上。

⑧在生产和维修时需要调试和检测的元器件及可插拔端子，布局时要留有足够空间。

⑨元器件之间要有合适的间距，避免引脚和金属外壳相碰而造成短路。

⑩元器件的布局要符合 PCB 安装工艺的要求。



6 ． PCB 布线设计（ 1 ） PCB 布线基本原则 ①PCB 布线应保证电路板焊接时焊点合格、不损伤元器

件、成品电路板能正常工作，保证产品技术性能达到设计要求。

②在满足电气和机械性能的基础上，布线应该整齐、美观，同一个单元电路的走线应尽量布置在一块，尽量不用或少用过孔及跳线，导线要尽量不用长导线，。

③Protel99se 可以自动布线，但一般需要手工调整，达到 PCB 布线合理和便于生产加工。手动布线时可以根据要求适当调整元器件布局。



（ 2 ）焊盘和过孔处理 ①焊盘的大小和形状以及焊盘通孔的孔径要与焊接元器

件相适应，还要考虑焊点通过电流的大小。 ②务必处理好过孔与周边各实体的间隙，需要的载流量越大，所需的过孔尺寸越大。

（ 3 ）印制导线处理 ①印制导线的宽度。主要由铜箔与绝缘基板之间的粘附强度和流过导线的电流强度来决定。应尽量采用较宽的导线，特别是电源线、地线及大电流的信号线，更要适当加宽。

②印制导线的间距。应当考虑导线之间的绝缘电阻和击穿电压在最坏的工作条件下的要求。导线越短、间距越大，则绝缘电阻和耐压增加。



③印制导线的走向和形状。• 不能有急剧的拐弯和尖角，拐角不得小于 90 度，否则会引起印制导线剥离或翘起。最佳的拐弯形式是平缓的过渡，即拐角的内角和外角最好都是圆弧。

• 导线通过两个焊盘之间而不与它们连通时，应该与它们保持均等的间距；同样，多条导线之间的距离也应当均匀一般保持间距相等。

• 导线与焊盘的连接处的过度也要圆滑，避免出现小尖角。 Protel99se 中用补“泪滴”处理。

• 印制导线应尽量避免交叉，以减少过孔和跳线。



（ 4 ）覆铜和字符处理

（ 1 ）覆铜能降低导线阻抗，使导线导电能力增强，但要根据实际需要选择是否覆铜和怎样覆铜，处理不好可能会适得其反。

（ 2 ）可以用覆铜制作出需要的字符，如 PCB 编号、设计日期、设计单位等文字和其它图形符号，但原则是不要影响到 PCB正常的布线。



（ 5 ）印制导线的干扰和消除

①地线的干扰和消除

地线干扰主要来自于地线阻抗。消除公共阻抗耦合干扰有两个方法：一是减小公共地线部分的阻抗，如地线加宽和覆铜，或者不涂助焊剂在过锡时加厚地线；二是通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线，如将强电电路和弱电电路、交流电路和直流电路、数字电路和模拟电路、高速电路和低速电路等的元器件分开接地，最后再集中一点共地。

②电源线的干扰和消除

电源线的干扰主要来自电源线路和稳压电源，消除电源的干扰主要依靠线路滤波器、退耦、滤波等电路元器件消除。



③电磁场的干扰

减小寄生电容的电场影响的方法：一是减小寄生电容的容量，即增大导线的间距和缩短导线的长度；二是在这两条导线之间布地线，低阻抗的地线可以削弱产生干扰的电场。

减小寄生电感的磁场影响的方法是减小互感耦合：一是导线距离增大、长度缩短；二是导线垂直布线，双面板利用两面使走线正交，单面板用跳线跨越正交。

如果两根导线中流过的是等值反向的电流，在不考虑它们之间的相符影响条件下，应该将这两根导线尽量靠近，这时对其它导线来说它们相当于一根零电流的导线，干扰得到了有效的减小。



7 ．实训注意事项

• 在 protel99 的系统菜单设置项里，将自动保存时间设置为 10

分钟，防止以外停电、死机；

• 设计的文档要保管好，以免丢失或被他人篡改，每一组最好准备一个 U 盘。

• PCB 板的尺寸大小要合理，在满足其它设计要求的情况下，可适当将板子做得小一些，以降低成本；

• 在原理图和 PCB 图编辑器里，生成本设计自带的元件库和封装库，以便到其它的电脑上打开你的 PCB 文档。

• 设计的 PCB 铜膜走线不要过细，否则在雕刻时易断。



8. PCB 设计实例：直流稳压电源的设计

D2

1N4002

D31N4002

D41N4002

D51N4002

D6

1N4002

D7

1N

40

02

C12200uF/50V

C310uF/50V

C4

47

uF

/50

V

C20.1uF

Vin3

AD

J1

+Vout2

U LM317T

RP

4.7k

R2240

F2

2A

D1 LED

R127k

T

30V~

F1

0.5A

S

V

A

220V~

+

_



第一步：选择元器件• 只需要对图中虚线框内部分的电路设计印制板；

• 框外元器件、 D1 、、 F2 、 RP 安装在机壳上， D1 、 F2

和 RP 在 PCB 上仍以相应的封装设计，安装时可直接将元件的引脚用导线连接后焊接在 PCB 焊盘上；

• 输入和输出端按电源插座设计，实际安装时也可以不用插座而直接将导线焊在焊盘上。

• 三端稳压器利用金属机壳散热，在稳压器和外壳之间用聚酯膜或云母片绝缘，紧固在机壳上。

• 印制板选用普通单层板，尺寸 80×50mm2就够了。



LM317直流稳压电源在 PCB 上的元器件编号参数规格所属元件库元件库中名称封装形式

D1 φ3 红色 Miscellaneous Devices.lib LED*DIODE0.

4

D2 ～D7

1N4002 Miscellaneous Devices.lib DIODE DIODE0.4

R1 27k Miscellaneous Devices.lib RES2 AXIAL0.4

R2 240k Miscellaneous Devices.lib RES2 AXIAL0.4

RP 4.7k Miscellaneous Devices.lib POT2 *VR5

C12200uF/

50VMiscellaneous Devices.lib ELECTRO2 RB.3/.6

C2 0.1uF/50V Miscellaneous Devices.lib CAP RAD0.2

C3 10uF/50V Miscellaneous Devices.lib ELECTRO2 RB.2/.4

C4 47uF/50V Miscellaneous Devices.lib ELECTRO2 RB.2/.4

F2 2A Miscellaneous Devices.lib FUSE1 *RAD0.2

U 塑料封装 Protel DOS Schematic Voltage Regulators.lib

LM117T TO220V

J1 、 J2

电源插座 Miscellaneous Devices.lib CON4 FLY4

印制板普通单面板 80×50mm2



第二步：绘制原理图（ ERC 检查）



第三步：生成网络表第四步：规划电路板



第五步：导入网络表



第六步：元器件布局

LM317直流稳压电源在布局时，主要注意： 1.三端稳压器依靠机壳散热，要紧贴 PCB 边缘安装； 2.交流电压输入端子要靠近电源变压器，也要在PCB 边上 ;

3.直流输出、电位器和 LED 接触端子要靠机壳面板以便于接线。



布局完成



第七步： PCB 布线

本电路自动布线主要注意两点

1.自动布线完成后，有些导线拐弯太多、线路过长或者走线明显不科学的地方需手工修正

2.由于是电源电路，导线中电流较大，所以导线应该适当加宽。



布线完成



第八步：文档输出

1 ．原理图和印制版图输出

2 ．生成与原理图相关的报表

3 ．生成与 PCB 图相关的各种报表



9.收音机 PCB 设计简要说明1.自绘原理图元件：双联、电位器、中周2.自绘 PCB 封装：双联、电位器、中周、变压器、天线、喇叭、电池3. 布局要点4. 布线要点



装好的收音机



三、任务实施

1.资讯、计划，确定完成任务方案 2 ．绘出电原理图：用 PROTEL99画出所选产品的电路图

（各组用不同的电路，电路的功能独立、难度适中、元件易买、价格较低、调试不难的电路），将元件编号、参数、封装等输入后做 ERC 检查。本步骤难点是根据电路原理选取好元件封装形式。

3 ．生成网络表：生成网络表时有关的选项一般不要改动，直接生成就行了，如果原理图改动后，网络表需要更新。

4 ．规划电路板：根据需要确定选单面板还是双面板（这里选单面板），确定板子的尺寸形状，可用 PCB 文档创建向导生成PCB 文件。



5 ．元件的布局：布局要求合理、美观、符合电气要求，重点考虑接插件和发热元件的位置，元件布好后看到的飞线要短、交叉要少。

6 ． PCB 布线：可采用自动和手动布线相结合的布线方法，布线要求符合电气规则，同样也要求美观，电源电路的焊盘可以大些，铜膜走线可以宽些，特别是有大电流的走线要宽。布线完成要经过 DRC 检查。

7 ．打印出原理图、元件清单、顶部丝印图、多层布线图等图表，一并附在实训报告里。


四 .任务检查

对照设计要求检查修改 PCB 设计


五、任务 2 评价（对照设计要求检查修改 PCB 设计）任务过程考核内容、要求评分标准

评分

教师专家评价

学生自我评价

PC

B

设计

原理图的绘制

1. 原理图的绘制步骤正确2.自绘元件符号符号要求3. 绘出的原理图正确、美观4. 图纸规划合理

1.遗漏或错用一个元器件扣 0.5 分2. 错连一根线或错连一个接点扣 0.5

分3. 元器件编辑错误一个扣 0.5 分4.自绘元器件不合格一个扣 1 分5. 电路布局欠合理、不美观扣 1 ～ 2

分6. 图纸规划不合理扣 1 分

8 2

PCB板设计

1.PCB 设计的设计步骤正确2. PCB 元器件布局合理3.PCB 布线符合电气规则4. 元器件封装正确5.自绘封装符号要求6.PCB 设计正确、美观7.PCB 尺寸形状规划合理

1.遗漏或错用一个元器件扣 1 分2. 错连一根线或错连一个接点扣 1 分3. 元器件布局欠合理扣 1 ～ 4 分4. 铜膜导线布线不合理扣 1 ～ 4 分5.自绘封装不合格一个扣 1 分6. 线路板整体欠美观扣 1 分7. 线路板规划欠合理扣 1 分

12 3

元件采购

1. 购置的元器件参数正确2. 购置的元器件价格合理

1. 购置的元器件参数不正确一个扣 1分

2. 元器件的价格偏贵扣 1 ～ 2 分8 2



六、预习和作业预习：情境三印刷线路板的制作有关内容。作业：完成情境二部分实训报告


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