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摘要:对Protel这门专业性和实践性都很强的工程类课程,文章从加强基本概念的教学、培养严谨的设计风格和规范的设计操作,教学与实践相结合等方面进行了探讨。
关键词:元件;图纸;设计;SCH;PCB;流程;规范
0 引言
电子电路设计(Protel 99SE电子电路设计)是一门专业性和实践性都很强的工程类课程。从计算机应用软件的角度,Protel与其他图形设计视窗软件的操作和界面相似,学会Protel软件的应用和操作可以说并不难。但是,Protel是有关电子电路工程设计方面的软件,教材中包含很多有关工程、电子电路方面的专业知识和概念,印刷电路板生产工艺方面的专业知识和专业术语,这些专业知识和专业术语令不少初涉此领域的就学者迷惑。
一名合格的工程技术人员不仅需要具有丰富的专业知识,还需要具有严谨而又灵活的设计思想,规范的设计风格以及熟练的绘图技能和绘图技巧。设计师应掌握并熟悉工程技术方面的基本概念;熟悉所设计产品的生产工艺和生产流程。为此,笔者在讲授Protel这门工程设计类的课程时,紧紧抓住并突出了以下几个方面的教学内容。
1 强调基本概念和规范化设计
学习任何一门科学,其基本概念的掌握都是重中之重,电子电路设计的学习也不例外。
1.1 强调基本概念
Protel中有关工程方面的基本概念对从校门到校门的学生们来说是完全新颖的,如图纸、工程、工程文件、图层、丝印层、封装、网络表、焊盘、飞线、过孔,覆铜、包地、泪滴焊等。对这些专业术语和基本概念,我们对学生进行了细致的讲解:
图纸 以标准的图文符号表达的设计思想和设计理念。
工程 设计思想和设计理念的实施。SCH(原理图)设计中,每一个电路原理图的设计均可视为一个工程(Project)。
工程文件 根据项目(工程)的需要和相应的技术规范,设计人员以标准的图文方式表达的设计思想和设计理念,并由此形成的文档或电子文档即称为工程文件。
图层 字处理软件和绘图类软件为了实现图、文、色彩等的嵌套而设置的具有虚拟意义的投影合成。印刷电路板设计中的“层”,一般则指PCB板的各铜箔层,这些铜箔层是为完成并简化复杂电路板的电气电路走线(布线)而设;PCB板的丝印层(Overlay)则是为方便板上电子元件的安装和印刷电路板电路的维修,在板的顶层或底层表面印制标志图案、文字符号等而形成的标识层。
封装 表示元器件的外形、尺寸、引脚距离和引脚顺序的参数信息。
网络表 构成电路的所有元件及其电气连接关系(网络)的概要一览表。网络表是SCH与PCB(印刷电路板)设计之间的接口。
焊盘(Pad) PCB板上元件引脚的衬垫,用于放置焊锡以及连接导线。焊盘类型的选择,要综合考虑所属元件的形状、大小、布置形式、振动和受热情况、受力方向等因素。
过孔(Via) 用于连接PCB板的不同信号层。
飞线 又称预拉线。在印刷电路板的设计中,Protel用以指示元件引脚之间连接关系的线,当元件之间的布线完成以后飞线将自动被导线覆盖。使用“Show”命令可以看到布局下网络连线的交叉状况,设计过程中应调整元件的方向和位置,以减少仍至避免飞线的交叉,为方便布线并保证布线的布通率。
泪滴焊 主要应用于高频电路布线。在较细铜膜走线与较大焊盘的连接处,以及为防止焊盘孔和导孔在钻孔时可能出现的断线,向这样的连接处添加形似水滴或泪滴状的铜膜走线,即称之为泪滴焊。
丝印层(Overlay) 为了方便电路的安装和维修而印制在印刷电路板的顶层和底层表面的标志图案和文字符号等。
1.2 强调严谨设计风格和规范设计操作的培养
从一份图纸能够看出其设计者、绘图者是否具有严谨的设计风格,是否经过了规范设计的训练。我们在教学实践中,十分强调严谨设计风格和规范设计操作的培养。
规范的设计操作 进入SCH编辑窗口,首先应根据所设计的产品,选择并设置合适的图纸版面,认真填写好图纸标题栏,然后进入设计与绘图的操作。
版面 图纸版面的布局应占据版芯居中稍偏上的位置。
元件的布局 数字器件和模拟器件分开放置,去耦电容尽量靠近器件的VCC;元件的放置应疏密有序,排列整齐,热敏元件与发热元件之间保持有适当的距离;要保证PCB板上的元件在二维、三维空间无冲突;元件的放置要考虑并照顾到设备的安装和今后的维修,要保证维修时焊接操作的可行性。
布线 信号线的走线应避免走直角,不允许出现锐角;上下层之间走线的方向应相互垂直;一条铜膜导线绘制时应一笔画通,不要中途折断。全板的布线合理、美观,走线均匀。
线宽 应满足地线>电源线>信号线的要求。
边界设计 所设计的电子电路板要做到电气边界小于物理边界。
ERC检查 对设计并绘制好的原理图进行ERC检查,应确保所设计的电路没有违背电气规范方面的错误。
DRC检查 完成PCB的设计和电路图的绘制后进行DRC检查,要确保所完成的设计没有设计规则方面的错误。
应当说,有完成相应设计步骤后的ERC检查和DRC检查的习惯,是电子电路设计者具有严谨设计风格的表现之一。
2 了解PCB的生产工艺流程
为了让学生对印刷电路板的制作工艺和生产流程有一个感性认识,笔者在讲授PCB设计时,应安排时间组织学生到当地的电子板厂参观学习。在生产第一线,让工厂的工程技术人员向我们的学生介绍印刷电路板的生产制作(单面板)流程:
设计图纸打印→照像制板→铜膜板材下料→丝网漏印→酸洗蚀刻→去抗蚀印料(去抗蚀刻油膜)、干燥→铜膜印板刷洗、干燥→钻孔(钻焊盘孔、过孔)→印标记(加印丝印层)→涂阻焊剂(上绿油)、UV固化→涂助焊剂(防氧化剂)→干燥整平(喷锡热风整平)→完成PCB板制作。
经过工厂的实地参观学习,学生对印刷电路板有了第一手的认识。他们纷纷表示,对PCB板的“层”这个概念的理解清晰了,学习以及做PCB设计时不再有盲目的感觉了。认识到并理解PCB设计中结合印刷电路板的生产工艺完成设计的重要性,这样的认识和理解是单纯课堂教学所难以达到的。
同时,实践还使学生深深地感受到作为一个工程技术人员的自豪和责任的重大。
3 绘制工程图纸
进一步,我们还将学得好的学生向厂家举荐,让他们承接厂家的设计绘图任务,给他们创造在实践中学习和锻炼的机会。学生们都很认真负责地对待所接受的设计任务,为按时完成这些设计、绘图的任务,常常干到半夜2、3点钟。还利用暑假,由厂家介绍安排学生到广州的电子板厂实习。这一系列的举措,有的学生的设计绘图水平已达到生产实用的要求,并完成了多项厂家交给的设计绘图任务。
经过实践锻炼的学生则把自己对Protel和工程设计的体会和理解,以及厂家对Protel设计和应用需求的信息向我们作了反馈。本着教学为生产服务的原则,针对生产第一线来的信息,特别是厂家对课程教学内容的需求反馈信息,我们立即对Protel的教学以及教学内容作了相应的改进和调整。如,大部分中小印刷电路板生产厂家的技术人员通常不从设计、绘制电路原理图开始,由原理图生成网络表,再通过网络表生成PCB图的设计流程,他们一般直接对着PCB的产品或PCB图纸绘制(仿制)印刷电路板图。针对厂家和产生上的需求,我们对后续的班级加强了PCB设计、PCB布线及PCB绘图等内容的教学,增加了对照PCB的产品或PCB的图纸,绘制(仿制)印刷电路板图纸的教学内容,即进一步补充和加强了实用技能的教学。
4 结束语
在Protel的教学实践中,我们进行了上述教学尝试。取得了一定的成效。今后还将进一步探索,更好的体现实践性课程的教学效果。
关键词:元件;图纸;设计;SCH;PCB;流程;规范
0 引言
电子电路设计(Protel 99SE电子电路设计)是一门专业性和实践性都很强的工程类课程。从计算机应用软件的角度,Protel与其他图形设计视窗软件的操作和界面相似,学会Protel软件的应用和操作可以说并不难。但是,Protel是有关电子电路工程设计方面的软件,教材中包含很多有关工程、电子电路方面的专业知识和概念,印刷电路板生产工艺方面的专业知识和专业术语,这些专业知识和专业术语令不少初涉此领域的就学者迷惑。
一名合格的工程技术人员不仅需要具有丰富的专业知识,还需要具有严谨而又灵活的设计思想,规范的设计风格以及熟练的绘图技能和绘图技巧。设计师应掌握并熟悉工程技术方面的基本概念;熟悉所设计产品的生产工艺和生产流程。为此,笔者在讲授Protel这门工程设计类的课程时,紧紧抓住并突出了以下几个方面的教学内容。
1 强调基本概念和规范化设计
学习任何一门科学,其基本概念的掌握都是重中之重,电子电路设计的学习也不例外。
1.1 强调基本概念
Protel中有关工程方面的基本概念对从校门到校门的学生们来说是完全新颖的,如图纸、工程、工程文件、图层、丝印层、封装、网络表、焊盘、飞线、过孔,覆铜、包地、泪滴焊等。对这些专业术语和基本概念,我们对学生进行了细致的讲解:
图纸 以标准的图文符号表达的设计思想和设计理念。
工程 设计思想和设计理念的实施。SCH(原理图)设计中,每一个电路原理图的设计均可视为一个工程(Project)。
工程文件 根据项目(工程)的需要和相应的技术规范,设计人员以标准的图文方式表达的设计思想和设计理念,并由此形成的文档或电子文档即称为工程文件。
图层 字处理软件和绘图类软件为了实现图、文、色彩等的嵌套而设置的具有虚拟意义的投影合成。印刷电路板设计中的“层”,一般则指PCB板的各铜箔层,这些铜箔层是为完成并简化复杂电路板的电气电路走线(布线)而设;PCB板的丝印层(Overlay)则是为方便板上电子元件的安装和印刷电路板电路的维修,在板的顶层或底层表面印制标志图案、文字符号等而形成的标识层。
封装 表示元器件的外形、尺寸、引脚距离和引脚顺序的参数信息。
网络表 构成电路的所有元件及其电气连接关系(网络)的概要一览表。网络表是SCH与PCB(印刷电路板)设计之间的接口。
焊盘(Pad) PCB板上元件引脚的衬垫,用于放置焊锡以及连接导线。焊盘类型的选择,要综合考虑所属元件的形状、大小、布置形式、振动和受热情况、受力方向等因素。
过孔(Via) 用于连接PCB板的不同信号层。
飞线 又称预拉线。在印刷电路板的设计中,Protel用以指示元件引脚之间连接关系的线,当元件之间的布线完成以后飞线将自动被导线覆盖。使用“Show”命令可以看到布局下网络连线的交叉状况,设计过程中应调整元件的方向和位置,以减少仍至避免飞线的交叉,为方便布线并保证布线的布通率。
泪滴焊 主要应用于高频电路布线。在较细铜膜走线与较大焊盘的连接处,以及为防止焊盘孔和导孔在钻孔时可能出现的断线,向这样的连接处添加形似水滴或泪滴状的铜膜走线,即称之为泪滴焊。
丝印层(Overlay) 为了方便电路的安装和维修而印制在印刷电路板的顶层和底层表面的标志图案和文字符号等。
1.2 强调严谨设计风格和规范设计操作的培养
从一份图纸能够看出其设计者、绘图者是否具有严谨的设计风格,是否经过了规范设计的训练。我们在教学实践中,十分强调严谨设计风格和规范设计操作的培养。
规范的设计操作 进入SCH编辑窗口,首先应根据所设计的产品,选择并设置合适的图纸版面,认真填写好图纸标题栏,然后进入设计与绘图的操作。
版面 图纸版面的布局应占据版芯居中稍偏上的位置。
元件的布局 数字器件和模拟器件分开放置,去耦电容尽量靠近器件的VCC;元件的放置应疏密有序,排列整齐,热敏元件与发热元件之间保持有适当的距离;要保证PCB板上的元件在二维、三维空间无冲突;元件的放置要考虑并照顾到设备的安装和今后的维修,要保证维修时焊接操作的可行性。
布线 信号线的走线应避免走直角,不允许出现锐角;上下层之间走线的方向应相互垂直;一条铜膜导线绘制时应一笔画通,不要中途折断。全板的布线合理、美观,走线均匀。
线宽 应满足地线>电源线>信号线的要求。
边界设计 所设计的电子电路板要做到电气边界小于物理边界。
ERC检查 对设计并绘制好的原理图进行ERC检查,应确保所设计的电路没有违背电气规范方面的错误。
DRC检查 完成PCB的设计和电路图的绘制后进行DRC检查,要确保所完成的设计没有设计规则方面的错误。
应当说,有完成相应设计步骤后的ERC检查和DRC检查的习惯,是电子电路设计者具有严谨设计风格的表现之一。
2 了解PCB的生产工艺流程
为了让学生对印刷电路板的制作工艺和生产流程有一个感性认识,笔者在讲授PCB设计时,应安排时间组织学生到当地的电子板厂参观学习。在生产第一线,让工厂的工程技术人员向我们的学生介绍印刷电路板的生产制作(单面板)流程:
设计图纸打印→照像制板→铜膜板材下料→丝网漏印→酸洗蚀刻→去抗蚀印料(去抗蚀刻油膜)、干燥→铜膜印板刷洗、干燥→钻孔(钻焊盘孔、过孔)→印标记(加印丝印层)→涂阻焊剂(上绿油)、UV固化→涂助焊剂(防氧化剂)→干燥整平(喷锡热风整平)→完成PCB板制作。
经过工厂的实地参观学习,学生对印刷电路板有了第一手的认识。他们纷纷表示,对PCB板的“层”这个概念的理解清晰了,学习以及做PCB设计时不再有盲目的感觉了。认识到并理解PCB设计中结合印刷电路板的生产工艺完成设计的重要性,这样的认识和理解是单纯课堂教学所难以达到的。
同时,实践还使学生深深地感受到作为一个工程技术人员的自豪和责任的重大。
3 绘制工程图纸
进一步,我们还将学得好的学生向厂家举荐,让他们承接厂家的设计绘图任务,给他们创造在实践中学习和锻炼的机会。学生们都很认真负责地对待所接受的设计任务,为按时完成这些设计、绘图的任务,常常干到半夜2、3点钟。还利用暑假,由厂家介绍安排学生到广州的电子板厂实习。这一系列的举措,有的学生的设计绘图水平已达到生产实用的要求,并完成了多项厂家交给的设计绘图任务。
经过实践锻炼的学生则把自己对Protel和工程设计的体会和理解,以及厂家对Protel设计和应用需求的信息向我们作了反馈。本着教学为生产服务的原则,针对生产第一线来的信息,特别是厂家对课程教学内容的需求反馈信息,我们立即对Protel的教学以及教学内容作了相应的改进和调整。如,大部分中小印刷电路板生产厂家的技术人员通常不从设计、绘制电路原理图开始,由原理图生成网络表,再通过网络表生成PCB图的设计流程,他们一般直接对着PCB的产品或PCB图纸绘制(仿制)印刷电路板图。针对厂家和产生上的需求,我们对后续的班级加强了PCB设计、PCB布线及PCB绘图等内容的教学,增加了对照PCB的产品或PCB的图纸,绘制(仿制)印刷电路板图纸的教学内容,即进一步补充和加强了实用技能的教学。
4 结束语
在Protel的教学实践中,我们进行了上述教学尝试。取得了一定的成效。今后还将进一步探索,更好的体现实践性课程的教学效果。