印刷电路板的自动布局与自动布线(一)
印刷电路板的自动布局与自动布线(二)
印刷电路板的自动布局与自动布线(三)
6 自动布线
完成元件的布局工作后,就可以进入自动布线操作了。自动布线是指系统根据设计者设定的布线规则,依照网络表中的各个元件之间的连线关系,按照一定的算法自动地在各个元件之间进行布线。从图45可以看出,各元件焊盘之间已经存在连线(Connection),这种线,俗称叫飞线。飞线只是在逻辑上表示各元件焊盘间的电气连接关系,而布线是根据飞线指示的电气连接关系来放置铜膜导线。
一般情况下,Protel 99 SE的自动布线功能能够自动地分析当前的PCB文件,并选择最佳布线方式,但在自动布线之前,设置布线的规则也是十分必要的。
6.1 规则的适用范围
在自动布线的每一类规则中,都有规则的适用范围(Rule scope)这一项。规则的作用对象包括整个电路板(Whole BOArd)、工作层(Layer)、元件(Component)、元件类(Component Class)、网络(Net)、网络类(Net Class)、指定区域(Region)、焊盘(Pad)、过孔(Via)等共16种。规则的适用范围就是设置规则的作用对象。下面就介绍几种常用的规则适用范围的设置。
1.整个电路板(Whole Board)
在默认情况下,规则的适用范围均为整个电路板,如图46所示,它包括电路板上所有的对象。
图46 规则的适用范围为整个电路板
2.工作层(Layer)
用鼠标左健单击图46中的Filter Kind(过滤类型)下拉框中下拉按钮,在弹出的选择菜单中,选取Layer,则Rule Scope选项区域的内容发生变化,如图47(a)所示。在Layer下拉列表中选择规则适合的层。单击And(与)按钮,对话框变为如图47(b)所示,两个对象之间为“与”关系。
图47 规则的适用范围为指定的层
3.网络(Net)
选择此项后,规则的适用范围为指定的网络,如图48所示。在Layer下拉列表中选择所需网络名。
图48 规则的适用范围为指定的网络
4.网络类(Net Class)
(1)类的概念
类(Class)就是一组具有类似性质的相同对象的集合。例如,网络类就是一组具有类似性质的网络的集合。在Protel 99 SE中共提供了四种类,即网络类(Net Class)、元件类(Component Class)、点到点类(From-to Class)和焊盘类(Pad Class)。
(2)新建、修改和删除类
执行菜单命令Design|Classes,系统弹出如图49所示的Object Classes(对象类)对话框。对话框中有Net、Component、From-to和Pad共四个选项卡,对应上面提到的四种类;底部有Add、Edit、Delete和Select四个按钮,对应四种类的操作。以网络类为例,四种操作的功能如下:
图49 Object Classes对话框
①新建类:单击Add按钮,弹出如图50所示的Edit Net Class对话框。在对话框上方的Name文本框输入该类的名称。在对话框的左边是备用成员列表框,对话框的右边是成员列表框。两个列表框中间的操作按钮可以在两边进行成员的调配。使用>>按钮,可将备用成员全部送入成员列表中;使用<<按钮,可将类成员全部送回备用成员列表中。单击某个备用成员,然后使用>按钮,就可将其送入类成员列表中;单击某个类成员,然后使用<按钮,就可将其送回到备用成员列表中。
图50 Edit Net Class对话框
②类的编辑、删除和选取操作:新建一个网络类后,其类名在图49的Object Classes对话框中的类名列表框中显示。选取类名,然后单击Edit按钮,就会打开对话框,可以在此修改类成员列表;单击Delete按钮,就可以把该类删除;单击Select按钮,就可使属于该类的网络在PCB图中处于选取状态。
在其它三个类中,除元件类有一个类生成器(Class Generator),可以方便快捷的生成元件类之外,其它的操作与网络类相似,这里不再赘述。
5.指定区域(Region)
选择此项后,规则的适用范围为指定的区域,如图51所示。单击Define按钮,立即切换到PCB工作窗口,光标变成十字形,用光标选定规则的适用范围,选定矩形区域的对角坐标值回填到图51中。
图51 规则的适用范围为指定区域
6.指定焊盘(Pad)
选择此项后,规则的适用范围为指定的焊盘,如图52所示。在Pad下拉列表中选取适合的焊盘名。
图52 规则的适用范围为指定焊盘
6.2 设置自动布线规则
在PCB编辑器中,执行菜单命令Design|Rules,将弹出如图53所示的的Design Rules(设计规则)对话框。在对话框中列出了六大类设计规则,除Placement选项卡在自动布局设计规则中已经讲解过,与自动布线有关的规则主要在Routing选项卡中。单击Add按钮,可添加新的规则;单击Properties按钮,可查看已存在规则的属性。在一般情况下,使用系统提供的自动布线规则的默认值,就可以获得比较满意的自动布线效果,但了解和学会设置各种设计规则,会使自动布线的效果更加完美。各项自动布线规则的设置如下。
图53 设置布线参数(Routing)
1.设置安全间距(Clearance Constraint)
安全间距用于设置同一个工作层上的导线、焊盘、过孔等电气对象之间的最小间距。如图54所示的Clearance Constraint设置对话框中,设置内容包括两部分:
图54 设置安全间距对话框
●Rule Scope(规则的适用范围):一般情况下,指定该规则适用于整个电路板(Whole Board)。
●Rule Attributes(规则属性):用来设置最小间距的数值(如10mil)及其所适用的网络,包括Different Nets Only(仅不同网络)、Same Net Only(仅同一网络)和Any Net(任何网络)。
这里,本章例子采用的安全间距为10mil,该规则适用整个电路板。
2.设置布线的拐角模式(Routing Corners)
该项规则主要用于设置布线时拐角的形状及拐角走线垂直距离的最小和最大值。在如图55所示的Routing Corners Rule对话框中,在Style下拉框中,有3种拐角模式可选,即45 Degrees(45度角)、90 Degrees(90度角)和Round(圆角)。系统中已经使用一条默认的规则,名称为RoutingCorners,适用于整个电路板,采用45度拐角,拐角走线的垂直距离为100mil。本章例子采用该默认规则。
图55 布线拐角模式设置对话框
3.设置布线工作层(Routing Layers)
该项规则用于设置布线的工作层及在该层上的布线方向。如图56所示的布线工作层对话框,在右侧的列表框中列出了32个信号层。我们在前面已经设置了顶层和底层两个工作层为布线层,所以在图中只有顶层和底层有效,其它层为灰色无效。各个层右边的下拉框中列出了布线方向,包括Horizontal(水平方向)、Vertical(垂直方向)、Any(任意方向)等共十种。例如,顶层设置为水平方向,表示该工作层布线以水平为主;底层设置为垂直方向,表示该工作层布线以垂直为主。无论如何设置,双层板的顶层与底层的布线方向必须相反,否则电路板会产生分布电容效应。如果是单层布线,可以设置顶层为Not Used,底层的布线方向为Any。本章例子采用双层板布线,顶层为水平方向布线,底层为垂直方向布线。
图56 布线工作层设置对话框
4.设置布线优先级(Routing Priority)
该项规则用于设置各布线网络的优先级(布线的先后顺序)。系统共提供了0~100共101个优先级,数字0代表优先级最低,数字100代表优先级最高。如图57所示的布线优先级设置对话框中,在Routing Attribute选项区域的Routing Priority框中设置优先级。一般采用默认设置即可。
图57 布线优先级设置对话框
5.设置布线的拓扑结构(Routing Topology)
该项规则用来设置布线的拓扑结构。拓扑结构是指以焊盘为点,以连接各焊盘的导线为线,则点和线构成的几何图形称拓扑结构。在PCB中,元件焊盘之间的飞线连接方式称为布线的拓扑结构。在如图58所示的布线拓扑结构设置对话框中,在Routing Attribute的下拉框中有7种拓扑结构可供选择,如Shortest(最短连线)、Horizontal(水平连线)、Vertical(垂直连线)等。系统默认的拓扑结构为Shortest。本章例子采用最短连线拓扑结构。
另外,执行菜单命令Design|From-To Editor,可以自行定义和修改布线的拓扑结构。
图58 布线拓扑结构设置对话框
6.设置过孔类型(Routing Via Style)
该项规则用于设置过孔的外径(Diameter)和内径(Hole Size)的尺寸。在如图59所示的过孔类型设置对话框中,在Rule Attributes选项区域,设置过孔的外径和内径的Min(最小值)、Max(最大值)和Preferred(首选值)。首选值用于自动布线和手工布线过程。本章例子采用默认值。
图59 过孔类型设置对话框
7.设置布线宽度(Width Constraint)
该项用于设置布线时的导线宽度。在如图60所示的布线宽度设置对话框的Rule Attributes选项区域中,设置布线宽度的最小值(Minimum Width)、最大值(Maximum Width)和首选值(Preferred Width)。首选值用于自动布线和手工布线过程。本章例子采用默认值。
图60 布线宽度设置对话框
以上几项布线规则,可根据你在布线时的具体要求来设置,也可采用系统的默认值。在自动布线规则类中,还有三项规则的设置与SMD元件有关,一般较少用到,这里不再赘述。
使用上面所讲的布线规则,设置顶层布线为垂直方向,底层布线为水平方向;对电源/接地网络的过孔的外径为50mil,内径为20mil,其它网络的过孔外径为40mil,内径为20mil;电源/接地线的导线宽为30mil,其它线宽为10mil;其余规则采用默认值。
6.3 保护预布线
自动布线是按照一定规则由系统自动进行,所布导线的位置、走向不由人的意愿决定。对有些元件或网络的走线,设计者如果要按照自己的要求去布线,可在自动布线之前采用手动方式提前布线,我们称之为预布线,然后再运行自动布线完成余下的布线工作。为防止这些预布线在自动布线时被重新布线,可在自动布线之前,将预布线锁定,操作步骤如下:
①双击该预布线,弹出导线(Track)属性设置对话框。
②选取Locked复选框,锁定该段导线。
图61 锁定预布线的设置
由于一条导线由若干段构成,必须保证每一段导线都必须锁定才能保护预布线,所以使用这种方法较繁琐。在下一节,我们将介绍在自动布线时,由系统提供的保护预布线功能来实现保护预布线。
6.4 运行自动布线
设置好布线规则后,就可运行自动布线了。单击主菜单Auto Route,或按下快捷键A,都可弹出如图62所示的菜单。菜单中的命令可设置自动布线的方法和启停控制。各命令的含义介绍如下:
图62 自动布线命令
1.全局布线(All)
进行全局布线的操作步骤如下:
①执行菜单命令Auto Route|All,可对整个电路板进行自动布线。
②执行命令后,系统弹出如图63所示的自动布线设置对话框。
图63 自动布线器设置对话框
从图63可以看出,仅有三个复选框没被选取。通常,不用过多了解图中的各个选项的功能,采用对话框中的默认设置,就可实现自动布线。下面对三个没被选取的复选框的功能作简要说明。
●Evenly Space Tracks:选取该复选框,则当集成电路的焊盘间仅有一条走线通过时,该走线将由焊盘间距的中间通过。
●Add Testpoints:选取该复选框,将为电路板的每条网络线都加入一个测试点。
●Lock All Pre-route:选取该项,在自动布线时,可以保留所有的预布线。
③设置完毕后,单击Route All按钮,系统开始对电路板进行自动布线。布线结束后,弹出一个自动布线信息对话框,如图64所示,显示布线情况,包括布通率、完成布线的条数、没有完成的布线条数和花费的布线时间。
图64 布线信息对话框
采用全局布线后的布线效果如图65所示。
图65 对电路板的全局布线的效果图
2.对选定网络进行布线(Net)
执行菜单命令Auto Route|Net,光标变成十字形。移动光标到某网络的其中一条飞线上,单击鼠标左键,对这条飞线所在的网络进行布线。效果如图66所示。
图66 对选定网络进行布线的效果图
3.对选定飞线进行布线(Connection)
执行菜单命令Auto Route|Connection,光标变成十字形,移动光标到要布线的飞线上,单击鼠标左键,仅对该飞线进行布线,而不是对该飞线所在的网络布线。布线效果如图67所示。
图67 对选取飞线进行布线的效果
4.对选定元件进行布线(Component)
执行菜单命令Auto Route|Component,光标变成十字形,在要布线的元件(如U12)上单击鼠标左键,可以看到与U12有关的导线已经布完。效果如图68所示。
图68 对选取的元件进行布线的效果
5.对选定区域进行布线(Area)
执行菜单命令Auto Route|Area,光标变成十字形,在电路板上选定一个矩形区域后,系统自动对这个区域进行布线。从图69可以看出,区域内包含的U12和SW1两个元件完成了全部布线操作。
图69 对指定区域进行布线的效果
6.其他布线命令
●Stop:停止自动布线过程。
●Reset:对电路重新布线。
●Pause:暂停自动布线过程。
●Restart:重新开始自动布线过程。与Pause命令相配合。
对于比较简单的电路,自动布线的布通率可达100%,如果布通率没有达到100%,设计者一定要分析原因,拆除所有布线,并进一步调整布局,再重新自动布线,最终使布通率达到100%。如果仅有少数几条线没有布通,也可以采用放置导线命令,手工布线。
6.5 生成测试点(Testpoint)
在印刷电路板焊接元件之后,有时要对电路板整体的工作情况进行测试,看看是否符合设计要求。如,对我们设计的时钟电路,可以测试输出信号的波形和频率是否达到设计标准。这些工作是通过测试仪器(如示波器、频率计或万用表等)的探针放在电路板上的某一点来获取数据的。测试点就是为了便于探针测试而在电路板上特别制成的铜膜区域。一般合适的焊盘和过孔都可作测试点,如果无合适的焊盘和过孔,可以生成测试点。测试点可能位于电路板的顶层或底层,也可以双面都有。
1.设置测试点的设计规则
执行菜单命令Design|Rules,弹出设计规则对话框,如图70所示,单击Manufacturing选项卡,在Rule Classes列表框中的最后两个规则是Testpoint Style(测试点风格)和Testpoint Usage(测试点用法),它们都是测试点要设置的规则。
图70 有关测试点的两个规则
(1)设置Testpoint Style规则
用鼠标左键单击Testpoint Style规则,在中间的列表框中已经存在一个设置好的规则,如图70所示。单击右下角的Properties按钮,就可打开如图71所示的Testpoint Style Rules对话框。主要设置内容如下:
●Rule Scope选项区域:在Filter Kind下拉框,规则的适用范围只有Whole Board一个选项,说明该规则适用于整个电路板。
●Rule Name文本框:用来设置本设计规则的名称。
●Rule Attributes选项区域:
•选取Allow testpoint under component复选框,将允许在元件下放置测试点。
•在Style区域,可设置测试点的外径和内径的尺寸,分最小值、最大值和首选值。
•在Allowed Side区域,设置测试点适用的层,分Top(顶层SMD焊盘)、Bottom(底层SMD焊盘)、Thru-Hole Bottom(穿透式钻孔的底层)和Thru-Hole Top(穿透式钻孔顶层)。
•在Grid Size区域,设置测试点的栅格尺寸。
图71 Testpoint Style Rules对话框
(2)设置Testpoint Usage规则
在图70中的Rule Classes列表框中选择Testpoint Usage规则,再单击Properties按钮,弹出Testpoint Usage Rule对话框,如图72所示。主要设置内容如下:
●Rule Scope选项区域:在Filter Kind下拉框,选择规则的适用范围,有Whole Board(整个电路板)、Net Class(网络类)和Net(网络)三个选项。
●Rule Attributes选项区域:
•选取Allow multiple testpoint on same net复选框,将允许在同一网络上创建多个测试点。
•在Testpoint区域,有三个单选框,任选一个。Required项表示规则适用范围内的每一条网络走线都必须生成测试点;Invalid项表示规则适用范围内的每一条网络走线都不可以生成测试点;Don’t Care项,表示适用范围内的网络走线可生成测试点,也可不生成测试点。
图72 Testpoint Usage Rule对话框
2.生成测试点的方法
①第一种方法:用鼠标左键双击要作为测试点的焊盘或过孔,在弹出的属性对话框中,在Testpoint项选取Top或Bottom或两个都选取,生成测试点,同时Locked项被选取,说明此焊盘或过孔被锁定。以焊盘为例,在底层将此焊盘设为测试点,如图73所示。
图73 将焊盘设为测试点
②第二种方法:执行菜单命令Tools|Find and Set Testpoint,系统自动的在电路板中找出最合适的焊盘和过孔作为测试点,并弹出一个信息框,如图74所示,在确认后,生成测试点。执行菜单命令Tools|Clear All Testpoints,则清除所有的测试点。
图74 发现测试点信息框
③第三种方法:在自动布线中生成测试点。在使用Auto Route|All命令自动布线时,弹出自动布线设置对话框(见图63),在图中的Manufacturing Passes选项区域中,选取Add Testpoints复选框,则在自动布线时,会自动生成测试点。
6.6 DRC校验
在电路板进行自动布局和自动布线操作之前,我们都设置了相应的设计规则。所以,在执行这些操作时,系统会检查它们是否违反了这些规则。在Protel 99 SE中,提供了设计规则检查(DRC—Design Rule Check)功能,以发现设计的不足之处,便于及时改正。
在打开PCB文件后,执行菜单命令Tools|Design Rule Check,系统弹出如图75所示的Design Rule Check(设计规则检查)对话框。
图75 设计规则检查对话框
从该对话框可以看出,共有Report和On-line两个选项卡。
1.Report选项卡
在Report选项卡中,选取需要检查的规则选项,然后单击对话框左下角的Run DRC按钮,就可以启动DRC运行。
在Options选项区域,选取Create Report File项,则把检查的结果生成一个扩展名为.Drc的报表文件;选取Create Violations 项,在电路板中查出有违反规则的地方,用高粱绿色表示出来。
2.On-Line选项卡
当你想在线运行DRC检查时,单击On-line选项卡,弹出如图76所示的对话框,设定需要检查的规则选项,单击OK按钮,让DRC在后台运行,实时地进行设计规则监测,以防止违反设计规则。
图76 On-line(在线监测)
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本文标题:印刷电路板的自动布局与自动布线(四)