基于《电子线路板设计与制作》教学的“数字钟”单面板设计

【摘要】本文根据《电子线路板设计与制作》课程项目化教学要求，给出了一种“数字钟”电路单面板的设计方案，该方案一方面将PCB“手动布线”和“自动布线”两种方式结合起来，突破了以往“手动布线”和“自动布线”割离的教学设计，另一方面满足了一般实验室“热转印”制作单面板的限制条件，可以方便学生在实验室制板并焊接电路，让学生在操作中体会PCB“设计”和“制作”的相互联系。

【关键词】数字钟;单面板;自动布线结合手动布线

1.引言

随着电子技术的飞速发展和印制电路板加工工艺的不断提高，对印制电路板设计要求也越来越高[1]。快速、准确地完成电路版的设计对电子线路工作者而言是一个挑战，于是各种电子线路辅助设计工具（EDA）应运而生，最常用的三款辅助电子线路板设计的软件是Protel软件、Cadence软件和PADS软件。Protel主要经历了Protel 99 se，protel DXP，Altium designer几个版本的升级演化，由于其软件入门快，集成度高，当之无愧地成为学习PCB设计的首选软件。当前中职、高职或大学普遍用于教学的是比较成熟的Protel DXP 2004 SP2版本的EDA软件。本项目就是采用Protel DXP 2004 SP2进行电路设计的。

《电子线路板设计与制作》是我院电子信息工程技术等专业核心课程。该课程采用项目化教学方式，通过音频功率放大器、基于单片机的交通灯、数字钟、数据采集器、单片机综合开发板5个复杂度由低到高的项目电路设计和制作，使学生熟练掌握Protel DXP 2004SP2的原理图、原理图库、封装库以及PCB编辑器使用方法，并能在实验室用“热转印”法制作单面板、“雕刻机”制作双面板。“数字钟”电路是整个课程的第三个教学项目，其复杂程度适中，综合性、实用性、趣味性较强，且该项目是学生同学期学习的课程《电子技术（数字电路）》中需要分析和调试过的典型项目，学生需要通过本课程完成电路板制作，再用于《电子技术（数字电路）》课程学习。

2.“数字钟”项目介绍

数字钟电路原理图如图1所示。该电路是一个以数字形式显示时、分、秒的电子钟，有校时和正点报时功能。电路由秒脉冲产生模块，时、分、秒计数及显示模块，校时模块和正点报时电路模块构成。电路中，拨动开关S1、S2、S3分别用于选择调整时、分、秒显示，拨动开关S4用于控制脉冲加1，蜂鸣器则会在正点发出4低音1高音的间断声响，进行整点报时。

数字钟电路由于用到的数字芯片较多，连线相对模拟电路要复杂，所以在教学或者实验中，其PCB设计多采用“自动布线”布“双面板”。这种设计方案用于数字钟实验无可厚非，但用于PCB设计教学还是有一定的局限性：第一，在实际的企业应用中，为了满足电子工艺、抗电磁干扰等方面的需求，常常要求PCB设计者采用全部或部分“手动布线”，而传统的教学设计中，往往将手动和自动布线单独在不同的电路中介绍，且所选电路都比较理想，学生很容易布通，学生往往为求简单直接采用 “自动布线”，也体会不到“手动布线”的必要性;第二，传统的教学设计中，往往只要求学生完成PCB设计，学生在学习中体会不到PCB设计对电路板制作和功能实现的影响。

本项目则要求学生不仅完成数字钟电路PCB设计，而且要在实验室制作出电路板并完成电路焊接，检验电路功能，学生在电路设计中就不得不考虑实际制板的条件，并能针对制版和焊接要求，对PCB进行必要的优化调整。出于实验条件限制（实验室仅能采用“热转印”法制作单面板），学生需要设计数字钟单面板，在设计“单面板”的过程中，发现自动布线无法布通电路，手动布线耗时费力，可不可以将两种布线方法结合起来进行呢？笔者通过反复尝试，给出了一种比较利于教学的手动和自动相结合的数字钟单面板设计方案。

3.“数字钟”单面板设计方法

3.1 原理图设计

（1）按照图1绘制数字钟电路原理图，根据表1所示的元件报表设置元器件属性。

（2）编译工程并检查电气连接，根据这些错误信息就可以方便地对原理图进行修改。直到没有错误产生[2]（见表1）。

3.2 尝试PCB自动布线

（1）本项目设定两层板尺寸宽×高为170mm×130mm，物理边界与电气边界重合。

（2）加载网络表。

（3）通过选择、移动、翻转元件等操作来实现手工布局。布局后的 PCB如图2所示。对数字钟电路布局时要综合考虑各方面的因素，以便于后面的布线：①依据信号流向“从上到下、从左到右”的原则。②符合电路原理性特点，如数码管时、分、秒的显示。③调整元件位置，使元件之间的连线尽量简洁。

（4）PCB优化调整：为了方便接下来的制版，我们常常要将通过加载网络表装入的元件封装进行调整。这里，我们采用全局修改的方法将部分焊盘做加大处理，使得焊盘直径不小于1.5mm，并将贴片元件U15（7404）放置于底层（BottomLayer）。

图2 元件布局后效果

图3 单面板自动布线效果

（5）自动布线：设置布线宽度为0.5mm，布线层次勾选底层“BottomLayer”。选择“自动布线”“全部对象”菜单命令，执行自动布线[2]。可得到如图3所示结果。显然，由于电路比较复杂，采用单面板自动布线布线很难布通。所以我们采用自动和手动结合的方法布线。

3.3 自动、手动结合布线

（1）备份原理图：先将完整的电路原理图文件复制一份在项目文件夹中。

（2）删除部分导线：删除原理图中比较复杂的一些电路连接。如何选择需要删除的导线呢？我们可以通过分析电路原理图的走线和PCB布局后元件之间的“飞线”，观察自动布线时计算路由的情况来选择。

具体可以根据以下几方面因素选择要删除的导线：

（1）原理图中与很多元件都有连接，且范围跨度大的元件导线。

（2）PCB布局后，与多个元件间有飞线，且交叉线多的元件导线。

（3）运行自动布线后，计算路由耗时长且无法布通的元件导线。

根据以上几个要素，选择删除U9、U10、U16、U17、S3部分引脚的导线。如图4所示，图中粗线标注的为准备删除的导线。

图5 简化电路后的自动布线结果

图6 重新加载完整原理图后的网络连接

（4）加载网络表：删除导线后，再在PCB中加载一次网络表，系统会根据原理图的变化，移除所删除的电路连接，电路就会变得相对简单一些。

（5）自动布线：执行一次自动布线，可以完成所有连接的布线，如图5所示。

（6）追加完整版电路原理图，并加载网络表：删除当前项目的原理图，再将原来备份的完整的电路原理图追加到当前项目。然后在PCB中加载一次网络表，系统会把之前被删掉的连接关系添加进来，可得到如图6所示的结果。

图7 手动放置跳线后的结果

（7）手动布线：根据图6中的飞线连接，手动放置跳线。得到如图7所示电路图。关于手动放置跳线的要求有以下说明：①手动放置跳线的过程实际是将“底层单面自动布线”未完成的部分连接通过放置焊盘和顶层导线来完成。这些手动放置的焊盘会在单面制版时完成，而顶层的导线需要人工焊接跳线。②放置跳线的过程不可避免的要调整其他已布线路，使得顶层所放导线尽量直且短，以便于后续焊接。③图7所示的放置结果只是一种参考方案。设计者可根据自己电路的情况自行放置跳线，并不断优化调整。

4.总结

本设计为保证《电子线路设计与制作》项目化教学有效的开展，提出了一种自动、手动布线相结合的数字钟单面板设计方法，恰当地整合了教学知识点，并拔高了布局布线难度，增加了技巧性应用，从而突出了电路布局和布线在整个PCB设计中的重要性，通过实际的教学实施，学生能够掌握自动、手动布线的方法，更重要的是，体会到PCB设计与电路板制作和调试间的密切联系，这将对他们后续项目的学习乃至今后的岗位工作产生积极的影响。

参考文献

[1]司慧玲.基于Protel的数字钟双面电路板设计[J].北京：电子设计工程，2012，20（23）：41-43.

[2]孟祥忠，王静，吴荣海，郑文斌.电子线路制图与制版[M].北京：电子工业出版社，2009.

基金项目：东莞职业技术学院教改项目“中高职衔接电子信息工程专业高职学段教学标准研究”（编号：JGXM2012102）。

作者简介：熊丽萍（1983―），女，湖北襄阳人，硕士，讲师，研究方向：电子技术。