从创意到制造——通过 CircuitStudio 推动 PCB 设计流程
欢迎来到 Altium 世界级电子设计软件的电子产品开发世界。本教程将带你完成设计一块简单 PCB 的完整流程,帮助你快速上手——从想法到输出文件。如果你是 Altium 软件新手,建议阅读文章 Exploring CircuitStudio,以进一步了解界面、如何使用面板,以及设计文档管理的概览。
设计
你将要进行原理图绘制并为其设计印制电路板(PCB)的电路,是一个简单的无稳态多谐振荡器。电路如下所示;它使用两个通用 NPN 晶体管,配置为自激式无稳态多谐振荡器。
现在可以开始绘制(捕获)原理图了。第一步是创建一个 PCB 工程。
创建新的 PCB 工程
在 Altium 软件中,PCB 工程是一组用于定义并制造印制电路板所需的设计文档(文件)。例如工程文件 Multivibrator.PrjPCB 是一个 ASCII 文本文件,它列出工程中包含的文档以及其他工程级设置,例如所需的电气规则检查、工程偏好设置,以及工程输出(如打印和 CAM 设置)。
新工程在 Create New Project From Template 对话框中创建。
向工程添加原理图
下一步是向工程添加一张新的原理图页。
设置文档选项
在开始绘制电路之前,建议先设置合适的文档选项,包括图纸大小以及捕捉网格和可见网格。
CircuitStudio 中的元件与库
在 CircuitStudio 中可使用以下元件存储选项:
| 库类型 | 功能 |
|---|---|
| 原理图库 | 原理图元件符号在原理图库(*.SchLib)中创建。通过添加到 PCB 封装的链接,并添加元件参数以描述元件规格,每个符号都可以成为一个元件。 |
| PCB 库 | PCB 封装(模型)存储在 PCB 库(*.PcbLib)中。封装包含电气元素(如焊盘),也包含机械元素(如元件丝印、尺寸标注、点胶点等)。它还可以包含 3D 定义,可通过放置 3D Body 对象或导入 STEP 模型来创建。 |
| 库包 / 集成库 | 除了直接使用原理图库和 PCB 库外,你也可以将元件要素编译成一个集成库(*.IntLib)。这样会生成一个单一、可移植的库,包含所有模型与符号。集成库由库包(*.LibPkg)编译而来,库包本质上是一种专用工程文件,其中将源原理图库(*.SchLib)和 PCB 库(*.PcbLib)作为源文档添加进去。作为编译过程的一部分,你还可以检查潜在问题,例如模型缺失,以及原理图引脚与 PCB 焊盘之间的不匹配。 |
| Altium Content Vault | Content Vault 远不止是一个库。元件存储在云端,任何可联网的地方都能访问。Content Vault 元件包括:符号、封装(可为多个)、元件参数以及供应商链接。它们按文件夹组织——通用器件通常按制造商或封装类型分类。 |
访问元件
元件可通过以下方式访问:
- 通过 Libraries 面板(View | System | Libraries)访问库元件,或
- 通过 Vaults 面板(File » Vault Explorer)访问 Content Vault 元件。
可通过 Libraries 窗格或 Vaults 面板访问元件。
让库可用以访问元件
在 CircuitStudio 中,基于库的元件可从“可用库(Available Libraries)”中放置。可用的库包括:
- Libraries in the current project - 如果某个库是工程的一部分,则其中的元件会在该工程内自动可用于放置。
- Installed libraries - 这些库已安装到 CircuitStudio 中,其元件可在任何打开的工程中使用。
库在 Available Libraries 对话框的 Installed 选项卡中安装。要打开该对话框,请点击 Libraries 面板顶部的 Libraries 按钮。如果该面板当前不可见,点击 View | System | Libraries 将其显示出来。
在库中查找元件
为帮助你找到所需元件,CircuitStudio 提供了强大的库搜索功能。尽管预装库中已有适用于该多谐振荡器设计的元件,了解如何使用搜索功能来查找元件仍然很有帮助。
Libraries Search对话框可通过点击 Libraries 面板上的 Search 按钮打开。对话框上半部分用于定义你要搜索的 what,下半部分用于定义到哪里 where 搜索。搜索范围可以是已安装的库(Available libraries),也可以是硬盘上的库(Libraries on path)。
如果你是基于库进行设计,第一步将是搜索一个合适的通用 NPN 晶体管,例如 2N3904。
在可用库中定位元件
已安装的库会列在面板顶部的下拉列表中。单击选择一个库并显示其中存储的元件。 从列表中选择Miscellaneous Devices. IntLib库,然后使用面板中的元件Filter在该库中定位所需的2N3904元件。由于 Miscellaneous Devices 库已安装,该元件已可直接放置。但先不要放置它;你将改用来自 Altium Content Vault 的晶体管。
使 Content Vault 可用以访问元件
Altium Content Vault 与已安装的 CircuitStudio 软件完全独立。要访问 Content Vault 中的元件,必须先连接到它。方法是在Preferences对话框的Data Management - Vaults页面中单击Add Altium Content Vault按钮。
在 Content Vault 中查找元件
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连接到 Altium Content Vault 后,你可以浏览或搜索元件。这可在Vaults面板中通过选择File » Vault Explorer来显示该面板来完成。该面板包含强大的搜索功能。在面板右上角的搜索框中输入搜索字符串。
在 Altium Content Vault 中搜索通用晶体管 BC547。每个结果都是一个超链接。悬停可查看更多信息,单击可进行查看。
在 Vaults 面板中工作
Vaults 面板包含多个可按需调整大小的区域。花点时间熟悉该面板的功能与行为;right-click以获取与上下文相关的命令。
- 元件按文件夹组织。使用面板左侧的Vaults Folders区域进行浏览。
- Altium Content Vault 中存储了大量元件,因此按上述方式进行搜索通常更高效。
- 搜索结果以一系列链接呈现;单击链接可查看元件详情;使用面板右上角的Back按钮返回搜索结果。
- 在搜索结果中单击某个特定元件时,只会在其所在文件夹中显示该元件。从面板左上角菜单中选择Refresh All以显示该文件夹中的所有元件。
- 面板下方区域有多种显示模式,包括:Summary、Supply Chain、Lifecycle、 Where-used和Preview。如上图所示,使用箭头图标选择所需模式。
在原理图上放置元件
可从Libraries或Vaults面板将元件放置到当前原理图页。可通过以下方式完成:
从 Libraries 面板
- Clicking the Place button - 元件会悬浮在光标上;定位后单击即可放置。
- Double-clicking - 在面板的元件列表中双击该元件。元件会悬浮在光标上;定位后单击即可放置。
- Click and drag - 单击并将元件拖到图纸上。此模式需要按住鼠标键;松开鼠标键时放置元件。
从 Vaults 面板
- Right-click在该元件上,然后选择Place <component>。元件会悬浮在光标上;定位后单击即可放置。注意:如果Vaults面板悬浮在工作区上方,它会淡出以便你看到原理图并放置元件。
- Click and drag - 从Vaults面板中单击并拖动元件,然后将其放到原理图上。此模式需要按住鼠标键;松开鼠标键时放置元件。
多谐振荡器器件
在多谐振荡器电路中搜索并使用了以下元件。
| 位号 | 描述 | Vault 条目-修订版 或库元件名称 |
备注 |
|---|---|---|---|
| Q1, Q2 | 通用 NPN 晶体管,例如 BC547 或 2N3904 | CMP-1048-01437-1 | 在 Vault 中搜索BC547,选择第一个 |
| R1, R2 | 100K 电阻,5%,0805 | CMP-1013-00122-1 | 在 Vault 中搜索100K 5% 0805 |
| R3, R4 | 1K 电阻,5%,0805 | CMP-1013-00074-1 | 在 Vault 中搜索1K 5% 0805,注意搜索也会返回 1K3、1K8 等 |
| C1, C2 | 22nF 电容,10%,16V,0805 | CMP-1036-04042-1 | 在 Vault 中搜索22nF 16V 0805 |
| Y1 | 2 针排针,通孔 | Header 2 | 在可用库中搜索header,在Miscellaneous Connectors.IntLib |
中找到该元件放置完元件后,原理图应类似于下图:
现在你已经放置了所有元件。注意,上图中的元件间距留得较大,以便有足够空间为每个元件引线连接导线。这一点很重要,因为你不能把导线从某个引脚底部跨过去以连接到更远的引脚;如果这样做,这两个引脚都会连接到该导线上。如果需要移动元件,单击并按住元件本体,然后拖动鼠标重新定位。
电路布线
布线是为电路中各个元件之间创建电气连接的过程。要为原理图布线,请参考电路草图以及下方的动画。
使用布线工具为你的电路布线。
网络与网络标号
现在,你相互连接在一起的每一组元件引脚构成了所谓的一个 net。例如,一个网络包含 Q1 的基极、R1 的一个引脚以及 C1 的一个引脚。每个网络都会自动分配一个由系统生成的名称,该名称基于该网络中的某个元件引脚。
为便于识别设计中的重要网络,你可以添加网络标号(Net Label)来指定名称。对于该多谐振荡器电路,你将为电路中的 12V 和 GND 网络加上标号。
已添加网络标号以完成原理图。
设置项目选项
项目专用设置在 Options for PCB Project 对话框中配置,如下所示(Home | Project » Options 或 Project | Content | Project Options)。项目选项包括错误检查参数、连通性矩阵、Class Generator、比较器设置、ECO 生成、输出路径与网表选项、多通道命名格式、默认打印设置、搜索路径以及项目级参数。这些设置会在你编译项目时使用。
项目输出(如装配输出、制造输出和报告)可在功能区的 Outputs 选项卡中设置。这些设置也会存储在项目文件中,因此始终可用于该项目。更多信息请参见 Documentation Outputs。
检查原理图的电气属性
原理图不仅仅是简单的图形——它们包含电路的电气连通性信息。你可以利用这种连通性认知来验证设计。编译项目时,软件会根据 Options for Project 对话框中 Error Reporting 与 Connection Matrix 选项卡里设置的规则检查错误。编译项目时,检测到的任何违规项都会显示在 Messages 面板中。
设置错误报告
Options for Project 对话框中的 Error Reporting 选项卡用于设置设计制图检查。Report Mode 设置显示违规项的严重级别。如果你想更改某项设置,请单击要更改的违规项旁边的 Report Mode,并从下拉列表中选择严重级别。在本教程中,我们将使用该选项卡中的默认设置。
设置连接矩阵
编译设计时,会在内存中构建每个网络中引脚的列表。系统会检测每个引脚的类型(例如输入、输出、无源等),然后检查每个网络中是否存在不应相互连接的引脚类型,例如输出引脚连接到另一个输出引脚。Options for Project 对话框的 Connection Matrix 选项卡用于配置哪些引脚类型允许相互连接。例如,在矩阵图右侧的条目中找到 Output Pin。沿该行向右读取,直到找到 Open Collector Pin 列。它们交叉处的方块为橙色,表示在你的原理图中将输出引脚连接到开路集电极引脚会在项目编译时产生错误条件。
你可以为每种错误类型设置不同的错误级别,例如从不报告到致命错误。单击彩色方块可更改设置;继续单击可切换到下一个检查级别。将矩阵设置为使 Unconnected Passive Pin 生成 Error,如下图所示。
连接矩阵(Connection Matrix)定义了在原理图上要检查哪些电气条件,请注意这里正在更改“Unconnected - Passive Pin”的设置。
设置比较器(Comparator)
在Options for Project对话框中的 Comparator 选项卡用于设置:在编译项目时,文件之间哪些差异需要报告、哪些差异需要忽略。通常,只有当你在 PCB 中添加了额外细节(例如设计规则),并且不希望在设计同步期间这些设置被移除时,才需要更改此选项卡中的设置。如果你需要更精细的控制,可以使用各个单独的比较设置来选择性地控制比较器。
对于本教程,只需确认Ignore Rules Defined in PCB Only 选项已启用即可。
编译项目以检查错误
编译项目会检查设计文档中的绘图规则和电气规则错误,并在Messages 面板中列出所有警告和错误的详细信息。你已经在Options for Project对话框的Error Checking和Connection Matrix选项卡中设置好了规则,现在可以开始检查设计了。
要编译项目并检查错误,请选择 Home | Project » Compile。
使用Messages 面板来定位并解决设计错误;双击某条错误可平移并缩放到该对象。
创建新的 PCB
在将设计从原理图编辑器传输到 PCB 编辑器之前,你需要先创建空白 PCB,为其命名,并将其作为项目的一部分保存。
配置板形与位置
在从原理图编辑器传输设计之前,需要更改这块空白板的一些属性,包括:
| 任务 | 流程 |
|---|---|
| 设置原点 | PCB 编辑器有两个原点:绝对原点(Absolute Origin),位于工作区左下角;以及用户可定义的相对原点(Relative Origin),用于确定当前工作区位置。常见做法是将相对原点设置在板形的左下角。原点在功能区Home选项卡的Grids and Units区域中设置。 |
| 从英制切换为公制单位 | 当前工作区单位显示在状态栏上,状态栏位于工作区左下角,同时也显示在功能区Home选项卡的Grids and Units区域中。本教程将使用公制单位;要更改单位,可按键盘上的Q在英制与公制之间来回切换,或单击功能区上的 |
| 选择合适的捕捉栅格 | 你可能已经注意到当前捕捉栅格为 0.127mm,这是旧的 10mil 英制捕捉栅格换算成公制后的值。要在任何时候更改捕捉栅格,可在功能区Home | Grids and Units区域的Snap Grid 设置中选择或输入新值。由于你即将定义板子的整体尺寸,可以使用非常粗的栅格;输入 |
| 将板形重新定义为所需尺寸 | 板形由带网格的黑色区域表示。新建板的默认尺寸为 4x4 英寸;本教程的板为 30mm x 30mm。定义新板形的过程细节如下所述。 |
| 配置设计中使用的层 | 除了用于布线的铜层(电气层)之外,还有通用的机械层,以及一些特殊用途层,例如元件外形层(丝印)、阻焊层、钢网层等。电气层及其他层将很快进行配置。 |
传输设计
将设计从原理图捕获阶段传输到 PCB 布局阶段的过程,可通过原理图编辑器功能区上的 Update 命令(Home | Project | Project » Update PCB Document Multivibrator.CSPcbDoc)启动(或通过 PCB 编辑器功能区上的 Home | Project | Project » Import Changes from Multivibrator.PrjPcb 启动)。
运行该命令时,设计会被编译,并创建一组工程变更指令(ECO),其内容包括:
- 列出设计中使用的所有元件以及每个元件所需的封装。当执行 ECO 时,软件会尝试在当前 可用库 或可用的 Content Vault 中定位每个封装,并将其放置到 PCB 工作区中。如果封装不可用,将发生错误。
- 创建设计中所有网络(相互连接的元件引脚)的列表。当执行 ECO 时,软件会将每个网络添加到 PCB 中,然后尝试添加属于该网络的引脚。如果某个引脚无法添加,将发生错误——这通常是因为未找到封装,或封装上的焊盘未能与符号上的引脚正确映射。
- 随后还会传输其他设计数据,例如网络类和元件类。
设置 PCB 工作区
一旦所有 ECO 都执行完毕,元件和网络将出现在 PCB 工作区中板框右侧。
在开始将元件定位到板上之前,我们需要配置某些 PCB 工作区和板设置,例如层、栅格和设计规则。
配置层的显示
除了用于制造电路板的层(包括:信号层、电源平面层、阻焊层和丝印层)之外,PCB 编辑器还支持许多其他非电气层。这些层通常按以下方式分组:
- Electrical layers - 包括 32 个信号层和 16 个内部电源平面层。
- Mechanical layers - 有 32 个通用机械层,用于尺寸标注、制造细节、装配说明等设计任务,或用于点胶层等特殊用途。这些层可选择性地包含在打印和 Gerber 输出生成中。它们也可以成对配对,这意味着在库编辑器中放置在某个配对层上的对象,当元件翻转到板底面时,会翻转到该对中的另一层。
- Special layers - 包括顶层和底层丝印层、阻焊与钢网(Paste)层、钻孔层、Keep-Out 层(用于定义电气边界)、多层(用于多层焊盘和过孔)、连接层、DRC 错误层、栅格层、孔层以及其他显示类层。
所有层的显示属性都在 View Configurations 对话框中配置。要打开该对话框:
除了层的显示状态和颜色设置外,View Configurations 对话框还可访问其他显示设置,包括:
- 在对话框的 Show/Hide 选项卡中,设置每种对象类型的显示方式(实心、草图或隐藏)。
- 各种视图选项,例如是否显示 Pad Net 名称和 Pad Numbers、Origin Marker、是否应转换 Special Strings 等。这些在对话框的 View Options 选项卡中配置。
物理层与 Layer Stack Manager
除了信号层和电源平面(实心铜)层之外,PCB 编辑器还包括阻焊和丝印等物理层——这些都会被制造出来形成实际电路板。这些层的排列称为 Layer Stack。层叠在 Layer Stack Manager 中配置。单击 Home | Board | Layer Stack Manager 打开该对话框。
Layer Stack Manager 对话框用于:
- 添加/移除信号层和电源平面层。
- 添加/移除介质层。
- 更改层的顺序。
- 为非铜层配置 Material 类型。
- 设置层 Thickness、Dielectric Material 和 Dielectric Constant。
- 为平面层定义 Pullback 数值(从平面边缘到板边缘的间距)。
- 为该层定义元件方向(某些 Altium 产品中提供的高级功能)。
本教程 PCB 是一个简单设计,可作为单面板或双面板进行布线。下方显示的层厚已编辑为合理的公制数值。
英制还是公制网格?
下一步是选择适合元件放置与布线的网格。PCB 工作区中放置的所有对象都会对齐到当前捕捉网格。
传统上,网格的选择会匹配元件引脚间距以及你计划用于该板的布线工艺——也就是走线需要多宽、走线之间需要多大的间距。基本思路是让走线和间距尽可能宽,以降低成本并提高可靠性。最终,走线/间距的选择取决于每个设计能实现到什么程度,这归根结底取决于元件与布线必须多紧凑,才能完成元件摆放与布线。
随着时间推移,元件及其引脚尺寸显著缩小,引脚间距也随之减小。元件尺寸与引脚间距从以英制、通孔引脚为主,逐步转向更常见的公制尺寸与贴片引脚。如果你要开始一个新的板卡设计,除非有很强的理由(例如为现有的英制产品设计一块替换板),否则更建议使用公制进行设计。
为什么?
因为较老的英制元件引脚更大、引脚之间空间更充裕。相反,小型贴片器件是按公制尺寸制造的——它们更需要高精度,以确保成品在制造/装配/功能上都能正常且可靠。此外,PCB 编辑器可以轻松处理对非网格引脚的布线,因此使用英制元件并不会带来太大负担。
合适的网格设置
对于像本简单教程电路这样的设计,实用的网格与设计规则设置可以是:
| 设置 | 数值 | 位置 |
|---|---|---|
| 布线线宽 | 0.25 mm | Routing Width 设计规则 |
| 间距 | 0.25 mm | Electrical Clearance 设计规则 |
| 板框定义网格 | 5 mm | Cartesian Grid Editor |
| 元件放置网格 | 1 mm | Cartesian Grid Editor |
| 布线网格 | 0.25 mm | Cartesian Grid Editor |
| 过孔尺寸 | 1 mm | Routing Via Style 设计规则 |
| 过孔孔径 | 0.6 mm | Routing Via Style 设计规则 |
选择该布线网格不仅是为了让走线尽可能靠近同时仍满足间距要求;PCB 编辑器会自动管理这一点。将网格设置为等于走线+间距,或其分数,并不仅仅是为了确保满足间距,更是为了确保走线放置不会浪费潜在的布线空间——如果使用非常细的网格,这种浪费很容易发生。
设置捕捉网格
捕捉网格的数值可直接在功能区的 Home 选项卡中配置,也可以在 Cartesian Grid Editor 对话框(Home | Grids and Units | Properties)中配置。
将 Snap Grid 设置为 1 mm,以便进行元件定位。
设置设计规则
Main article: PCB 设计规则参考
PCB 编辑器是一个由规则驱动的环境,这意味着当你执行会改变设计的操作(例如放置走线、移动元件或对电路板进行自动布线)时,软件会监控每一步操作并检查设计是否仍符合设计规则。如果不符合,会立即以违规形式高亮显示错误。在开始布板之前先设置好设计规则,可以让你专注于设计任务,并确信任何设计错误都会立刻被标记出来以便你注意。
设计规则在 PCB Rules and Constraints Editor 对话框中配置,如下所示(Home | Design Rules | Design Rules)。规则分为 6 个类别,并可进一步细分为不同的设计规则类型。规则覆盖电气、布线、阻焊、平面、制造以及放置等要求。
Routing Width 设计规则
本教程设计包含若干信号网络以及两个电源网络。默认的线宽规则(规则作用域为 All)将为信号网络配置为 0.25mm,并将再添加两条规则以针对电源网络。
已定义三条 Routing Width 设计规则:优先级最低的规则针对 All nets,另外两条优先级更高的规则针对 12V 和 GND 网络。
定义 Electrical Clearance Constraint
下一步是定义属于不同网络的电气对象彼此之间可以靠得多近。该要求由 Electrical Clearance Constraint 处理。对于本教程,所有对象之间的间距设为 0.25mm 即可。请注意,在 Minimum Clearance 字段中输入一个值会自动将该值应用到对话框底部网格区域中的所有字段。只有当你需要基于对象类型来定义间距时,才需要编辑网格区域。
定义 Routing Via Style
如果你从 Ribbon 放置一个过孔,其数值由内置的默认 primitive 设置定义。当你进行布线并切换层时,会自动添加过孔。在这种情况下,过孔属性由适用的 Routing Via Style 设计规则定义。
现有的 Design Rule Violation
你可能已经注意到晶体管焊盘显示存在违规。将鼠标移到违规标记上方右键单击,并在右键菜单中选择 Violations。详细信息显示存在:
- Clearance Constraint 违规
- 发生在 MultiLayer 上的一个 Pad 与 MultiLayer 上的一个 Pad 之间
- 其中间距为 0.22mm,小于指定的 0.25mm
在 PCB 上定位元件
有句话说 PCB 设计 90% 是布局、10% 是布线。虽然你可以争论各自所占比例,但普遍认为良好的元件布局对良好的板级设计至关重要。请记住,在布线过程中你也可能需要微调布局。
元件定位与放置选项
移动元件时的默认行为是按 PCB Library 编辑器中定义的参考点(Snap To Center)来“抓取”元件,而不是按你恰好点击的位置。Smart Component Snap 选项允许你覆盖此行为并吸附到最近的元件焊盘,这在你需要将某个特定焊盘放到某个特定位置时非常有用。
定位元件
现在你可以将元件放置到板上合适的位置。
移动元件的方法有两种:
- Click and Hold在元件上按住鼠标左键,将其移动到所需位置,然后松开鼠标左键完成放置,或
- 运行 Tools | Arrange | Move » Component 命令,然后单击一次拾取元件,将其移动到所需位置,再单击一次完成放置。完成后,右键单击退出 Move Component 命令。
元件已在板上定位。
所有内容都摆放好后,就该开始布线了!
交互式布线板卡
布线是指在板上铺设走线和过孔以连接元件引脚的过程。PCB 编辑器通过提供先进的交互式布线工具,以及一键即可对整板或局部进行最优布线的拓扑自动布线器,让这项工作变得轻松。虽然自动布线提供了一种简单而强大的布线方式,但在某些情况下你需要对走线的放置进行精确控制。在这些情况下,你可以手动布线板卡的部分或全部。
在本教程的这一部分,你将手动对整块板进行单面布线,所有走线都在顶层。交互式布线工具以直观方式帮助最大化布线效率与灵活性,包括用于走线放置的光标引导、单击完成连接布线、推挤障碍物、以及自动沿已有连接继续布线,并且全部遵循适用的设计规则。
为交互式布线做准备
开始布线前,重要的是先配置 Preferences 对话框中 PCB Editor - Interactive Routing 页面里的交互式布线选项。
开始布线
-
单击 Route 按钮即可启动交互式布线——
- (位于 Home 选项卡上),或按快捷键 R。只有在需要选择其他布线选项时,才需要使用下拉菜单。
- 由于元件大多为贴片器件,板卡将布在顶层。将走线放在板卡顶层时,可使用飞线(连接线,ratsnest)作为引导。
- PCB 上的走线由一系列直线段组成。每次改变方向时,就会开始一个新的走线段。此外,默认情况下 PCB 编辑器会将走线约束为垂直、水平或 45° 方向,从而让你轻松获得专业的结果。此行为可按需自定义;本教程将使用默认设置。
- 到达目标焊盘后,right-click 或按 Esc 释放该连接——你将保持在交互式布线模式中,准备单击下一条连接线。
一个简单动画,展示板卡布线过程。注意,许多连接是使用 Ctrl+Click 自动补全功能完成的。
布线提示
布线时请记住以下几点:
| 按键 | 行为 |
|---|---|
| ~(波浪号) 或 Shift+F1 | 弹出交互式快捷键菜单——大多数设置都可以通过按相应快捷键或从菜单中选择来即时更改。 |
| * 或 Ctrl+Shift+WheelRoll | 切换到下一个可用的信号层。系统会根据适用的 Routing Via Style 设计规则自动添加一个过孔。 |
| Shift+R | 在已启用的冲突解决模式之间循环切换。请在 PCB Editor - Interactive Routing Preferences 页面上启用所需的模式。 |
| Shift+S | 开启/关闭单层模式。当多个层上有大量对象时,这非常理想。 |
| Spacebar | 切换当前拐角方向。 |
| Shift+Spacebar | 在各种走线拐角模式之间循环切换。样式包括:任意角度、45°、45°带圆弧、90°、90°带圆弧。在 PCB Editor - Interactive Routing Preferences 页面上有一个选项可将其限制为 45° 和 90°。 |
| Ctrl+Left-Click | 自动完成正在布设的连接。如果与障碍物存在无法解决的冲突,自动完成将不会成功。 |
| Ctrl | 临时暂停 Hotspot Snap,或按 Shift + E 在三种可用模式之间循环切换(关闭 / 仅当前层开启 / 所有层开启)。 |
| End | 重绘屏幕。 |
| PgUp / PgDn | 以当前光标位置为中心放大/缩小。或者,使用标准的 Windows 鼠标滚轮缩放与平移快捷方式。 |
| Backspace | 移除上一个已提交的走线段。 |
| Right-click 或 ESC | 放弃当前连接,并保持在交互式布线模式中。 |
交互式布线模式
PCB 编辑器的交互式布线引擎支持多种不同模式,每种模式都能帮助你应对特定情况。在交互式布线时按 Shift+R 快捷键可在这些模式之间循环切换。注意,当前模式会显示在状态栏上。
可用的交互式布线模式包括:
- Ignore - 该模式允许你在任意位置放置走线,包括跨越现有对象;会显示潜在违规,但仍允许放置。
- Stop at first obstacle - 在该模式下,布线基本是手动的;一旦遇到障碍物,走线段会被裁剪以避免违规。
- Push - 该模式会尝试移动可在不违规的情况下重新定位的对象(走线与过孔),以为新的布线让出空间。
修改与重新布线
要修改现有布线,有两种方法:reroute 或 re-arrange。
对现有布线重新布线
-
无需先取消布线连接即可重新定义其路径。点击 Route 按钮
并开始布设新路径。
- 当你闭合回路并右键单击表示完成时,Loop Removal 功能会自动移除任何冗余的走线段(以及过孔)(在本教程前面已启用 Loop Removal)。
- 你可以在任意点开始和结束新的 布线 路径,并按需切换层。
- 你也可以通过切换到 Ignore Obstacle 模式(如下方动画所示)来创建临时违规,之后再进行解决。
一个简单动画,展示使用 Loop Removal 功能来修改现有布线。
重新整理现有布线
- 要在板上交互式滑动或拖动 走线段,请按住并拖动,如下方动画所示。
- PCB 编辑器会自动保持与相连线段的 45/90 度角,并按需缩短或延长它们。
一个动画,展示使用走线拖动来整理现有布线。
走线拖动技巧
- 拖动期间,布线冲突解决模式同样适用(Ignore、Push)。拖动走线段时按 Shift+R 可在模式之间循环切换。
- 现有焊盘与过孔会被跨越(jump),或在必要且可行时推动过孔。
- 要将 90 度拐角转换为 45 度走线,请从拐角顶点开始拖动。如果弹出选择器窗口(如上方动画所示),你可以选择任一走线段。
- 拖动时,你可以移动光标并使用 hotspot snap 将其吸附到现有的、不会移动的对象(例如焊盘,如上所示)。用它来帮助将新线段位置与现有对象对齐,避免添加非常短的小线段。
- 要拆分单个线段,先选中该线段,然后将光标放在中心顶点上以添加新线段(如上所示)。
- 在 Preferences 对话框的 PCB Editor - Interactive Routing 页面上,使用 Unselected via/track 和 Selected via/track 选项更改默认的“先选择再拖动”模式。
自动布线电路板
配置自动布线器
CircuitStudio 还包含一个拓扑自动布线器。拓扑自动布线器使用不同的方法来映射布线空间——不受几何约束。它不是使用工作区坐标信息作为参考框架(将其划分为网格),而是仅基于空间中障碍物的相对位置来构建地图,而不引用它们的坐标。
拓扑映射是一种空间分析技术,它会对相邻障碍物之间的空间进行三角剖分。随后,布线算法使用该三角网格地图,从起始布线点到结束布线点在障碍物对之间“穿梭编织”。这种方法的最大优势在于:地图与形状无关(障碍物与布线路径可以是任意形状),并且空间可按任意角度穿越——布线算法不像直角扩展(rectilinear expansion)路由器那样仅限于纯垂直或水平路径。
在用户界面层面,路由器提供多种不同的布线阶段(routing pass),例如 Fan Out to Plane、Main、Memory、Spread、Recorner 等。这些阶段会被打包成一个 Routing Strategy(布线策略),然后你可以在电路板上运行该策略。在 Routing Strategies 对话框中已经提供了若干预定义策略,也可以使用 Strategy Editor 轻松创建新策略。
选择一个现有布线策略,或在 Strategy Editor 中创建一个新策略。
运行自动布线器
- 自动布线器通过功能区(Ribbon)上的 Tools | Autoroute | Autoroute 菜单进行配置与运行。从菜单中选择 All 会打开 Routing Strategies 对话框,用于配置策略、选择所需策略并运行自动布线器。
- 自动布线器会在 Routing Layers 设计规则允许的层上进行布线,并尽可能按照自动布线器 Layer Directions 对话框中指定的方向进行布线。
下图展示了自动布线结果:左侧使用 Default two Layer Board Strategy,右侧使用用户自定义策略(所选布线阶段如上图所示)。
默认双层策略(左图)与用户自定义策略(右图)的自动布线结果。
配置规则违规的显示
CircuitStudio 有两种用于显示设计规则违规的技术,各有其优势。它们在 Preferences 对话框的 PCB Editor - DRC Violations Display 页面中进行配置:
- Violation Overlay- 违规会通过将出错的图元以为 DRC 错误标记选择的颜色高亮来识别(在 View Configurations 对话框中配置;按 L 打开)。默认行为是在缩小视图时以纯色显示图元,随着放大缩放则切换为所选的 Violation Overlay Style。默认是 Style B,即一个带十字的圆圈。
- Violation Details - 当你进一步放大时,会添加 Violation Detail(如果已启用),用于详细说明错误的性质。使用 Show Violation Detail 滑块来定义从哪个缩放级别开始显示违规详情(Violation Details)。在 Preferences 对话框中启用所需的 Display 选项。
违规以纯红色显示(左图);随着放大,这会变为叠加显示(中图);再进一步放大,则会添加违规详情。

准备运行设计规则检查(DRC):
- 打开 View Configurations 对话框(View|View |Switch to 3D » View Configurations » View Configuration)。在 Board Layers And Colors 选项卡上,确保 System Colors 区域中 DRC Error Markers 选项旁的 Show 复选框已启用(勾选),以便显示 DRC 错误标记。
- 确认在 Preferences 对话框的 PCB Editor - General 页面上已启用 Online DRC(Design Rule Checking)系统。保持 Preferences 对话框打开;切换到对话框的 PCB Editor - DRC Violations Display 页面。
- Preferences 对话框的 PCB Editor - DRC Violations Display 页面用于配置在工作区中如何显示违规。有两种不同的违规显示方法可用,各自有其优势。
- 在本教程中,在 Preferences 对话框的 PCB Editor - DRC Violations Display 页面的 Display 区域内右键,然后选择 Show Violation Details - Used;再次右键然后选择 Show Violation Overlay - Used(如上图所示)。
- 现在你已准备好检查设计错误。
配置规则检查器
通过运行 Design Rule Checker 来检查设计中的违规。点击功能区 Home 选项卡上的 Design Rule Check 按钮 -
- 打开对话框。在线 DRC 和批量 DRC 都在此对话框中配置。
DRC 报告选项
- 默认情况下,对话框打开时会显示左侧树中选中的 DRC Report Options 页面(如下所示)。
- 对话框右侧显示通用报告选项列表。有关这些选项的更多信息,将光标置于对话框上方时按 F1(如果第一次未能加载,请再试一次)。这些选项保持默认即可。
要检查的 DRC 规则
- 对特定规则的测试在对话框的 Rules to Check 区域中配置。在对话框左侧树中选择此页面以列出所有规则类型(如下所示)。你也可以按类型查看,例如 Electrical,方法是在对话框左侧选择对应页面。
- 对于大多数规则类型,都有用于 Online (边工作边检查)和 Batch (点击 Run Design Rule Check 按钮时检查此规则)的复选框。
- 按需点击以启用/禁用规则。或者右键显示上下文菜单。该菜单允许你快速切换 Online 和 Batch 设置。选择如下图所示的 Batch DRC - Used On 条目。
运行设计规则检查(DRC)
当点击对话框底部的 Run Design Rule Check 按钮时,将运行 DRC。
- Messages 面板将出现并列出 所有检测到的错误。
- 如果在对话框的 Report Options 页面中启用了 Create Report File 选项,则会在单独的文档选项卡中打开一个 Design Rule Verification Report 。下面显示了一个示例报告。
- 在违规规则摘要下方,将给出每个违规的具体细节。
- 报告中的链接是可点击的。点击某个错误即可跳回到电路板并在板上检查该错误。注意:此点击动作的缩放级别在 Preferences 对话框的 System - General Settings 页面中配置。你可以尝试找到适合自己的缩放级别。
识别错误状态
当你刚接触该软件时,一长串违规最初可能会让人不知所措。管理它的一个好方法是在设计过程的不同阶段,在 Design Rule Check 对话框中禁用和启用规则。并不建议禁用设计规则本身,只需禁用对它们的检查即可。例如,在电路板完全布线之前,你应始终禁用 Un-Routed Net 检查。
- 在教程板上运行批量 DRC 时,会出现四个间距(clearance)约束违规,这意味着测量值小于适用设计规则中指定的最小值。你现在已经知道如何定位这些违规(点击报告文件中的链接或在 Messages 面板中双击),并且可以借助 Violation Details 来理解错误状态。
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下图显示了其中一个间距约束错误的 Violation Details,该错误由白色箭头和
0.25mm文本指示。下一步是弄清实际值是多少,这样你就知道它差了多少。
Violation Details 显示这两个焊盘之间的间距
小于 0.25mm;但它并不会给出实际间距。
除了实际测量距离之外,还有两种方法可以算出该规则差了多少:
- 右键 Violations 子菜单,或
- PCB Rules and Violations 面板。
Violations 子菜单
右键 Violations 子菜单已在 Existing Design Rule Violation 小节中介绍过。
- 下图显示 Violations 子菜单如何将测量到的状态与规则指定值进行对比并给出细节。
PCB Rules and Violations 面板
理解错误状态的第二种方法是使用 PCB Rules and Violations 面板。
- 点击 View | PCB | Rules and Violations 按钮以显示该面板。
- 单击某个 Violation 可跳转到该违规;双击某个违规可打开 Violation Details 对话框。
解决违规
作为设计人员,你需要找出解决每个设计规则违规的最合适方式。解决此间距约束有两种方法:
- 减小晶体管封装焊盘的尺寸,以增加焊盘之间的间距,或
- 配置规则以允许晶体管封装焊盘之间更小的间距。
由于 0.25mm 的间距相当宽松,而实际间距又非常接近该值(0.22mm),在这种情况下,一个不错的选择是配置规则以允许更小的间距。这可以在现有的 Clearance Constraint 设计规则中完成,如下所示。
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在规则约束的网格区域中,将 TH Pad - to - TH Pad 的值更改为
0.22mm。要编辑单元格,先选中它,然后按 F2。 - 该解决方案在此情况下是可接受的,因为唯一另一个带通孔焊盘的器件是连接器,其焊盘间距超过 1mm。
做得好!你已完成 PCB 布局,准备生成输出文档。在此之前,让我们先探索 PCB 编辑器的 3D 功能。
以 3D 查看你的电路板
CircuitStudio 的一项强大功能是能够将电路板以三维对象的形式查看。 要切换到 3D,单击 Switch to 3D 按钮
(View | View 组),或按下 3 快捷键。 电路板将以三维对象显示;下方展示了教程中的电路板。
你可以使用以下控件流畅地缩放视图、旋转视图,甚至进入电路板内部浏览:
- Zooming - Ctrl + Right-drag 鼠标,或 Ctrl + Roll mouse-wheel,或 PgUp / PgDn 键。
- Panning - Right-drag 鼠标,或标准的 Windows 鼠标滚轮控制。
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Rotation - Shift + Right-drag mouse。注意,当你按下 Shift 时,会在当前光标位置出现一个方向球体,如下图所示。模型的旋转运动将围绕球体中心进行(在按下 Shift 之前先定位光标以放置球体),并使用以下控件操作。移动鼠标以高亮并选择每一种操作:
- 当 Center Dot 高亮时,右键拖拽球体——可向任意方向旋转。
- 当 Horizontal Arrow 高亮时,右键拖拽球体——绕 Y 轴旋转视图。
- 当 Vertical Arrow 高亮时,右键拖拽球体——绕 X 轴旋转视图。
- 当 Circle Segment 高亮时,右键拖拽球体——绕 Z 平面旋转视图。
按住 Shift 显示 3D 视图方向球体,然后单击并拖拽鼠标右键进行旋转。
3D 工作技巧
- 当电路板处于 3D Layout Mode 时,按 L 打开 View Configurations 对话框,你可以在其中配置 3D 工作区显示选项。可选择不同的表面与工作区颜色,以及垂直缩放(便于从内部检查 PCB)。某些表面带有不透明度设置——不透明度越高,透过表面的“光”越少,从而使其后方对象更不易看见。你还可以选择显示 3D 实体,或将 3D 对象按其(2D)层颜色进行渲染。
- 要以 3D 显示元件,每个元件都需要具备合适的 3D 模型。
- 你可以在库编辑器中将 3D STEP 格式模型导入到元件封装里;放置一个 3D Body Object,然后选择 Generic STEP Model 类型,将 STEP 模型嵌入该 3D Body Object 中。
- 可在 3D Content Central 查找 STEP 格式的元件模型。
- 如果没有合适的 STEP 模型,可在库编辑器中通过在封装里放置多个 3D Body Object 来创建你自己的元件外形。
输出文档
现在你已完成 PCB 的设计与布局,可以开始生成用于评审、制造与装配电路板所需的输出文档。
可用的输出类型
由于 PCB 制造存在多种技术与方法,CircuitStudio 能够为不同目的生成多种输出类型:
装配输出
- 装配图(Assembly Drawings)- 电路板每一面的元件位置与方向。
- 贴装文件(Pick and Place Files)- 供机器人贴片设备使用,将元件放置到电路板上。
文档输出
- 复合图(Composite Drawings)- 完整的电路板装配图,包括元件与走线。
- PCB 3D 打印(PCB 3D Prints)- 从三维视角生成的电路板视图。
- 原理图打印(Schematic Prints)- 设计中使用的原理图图纸。
制造输出
- 复合钻孔图(Composite Drill Drawings)- 在一张图中给出电路板的钻孔位置与孔径(使用符号)。
- 钻孔图/导引(Drill Drawing/Guides)- 在分开的图纸中给出电路板的钻孔位置与孔径(使用符号)。
- 最终光绘打印(Final Artwork Prints)- 将多种制造输出合并为单一可打印输出。
- Gerber 文件(Gerber Files)- 生成 Gerber 格式的制造信息。
- NC 钻孔文件(NC Drill Files)- 生成供数控钻孔机使用的制造信息。
- ODB++ - 生成 ODB++ 数据库格式的制造信息。
- 电源平面打印(Power-Plane Prints)- 生成内电层与分割平面图。
- 阻焊/钢网层打印(Solder/Paste Mask Prints)- 生成阻焊层与锡膏层图。
- IPC-2581 标准(IPC-2581 Standard)- 生成基于 XML 的单文件格式,包含丰富的电路板制造数据——从层叠结构细节到完整的焊盘/布线/元件信息以及物料清单(BOM)。
报表输出
- 物料清单(Bill of Materials)- 以制造电路板所需的多种格式生成零件与数量(BOM)列表。
- 单引脚网络报表(Report Single Pin Nets)- 生成报表,列出仅有一个连接的网络。
- 电气规则检查(Electrical Rules Check)- 生成运行电气规则检查后的结果格式化报表。
单独输出或托管式输出生成
CircuitStudio 提供两种独立机制来配置与生成输出:
- Individually - 每种输出类型的设置都存储在 Project 文件中。你可在需要时通过 Outputs 选项卡上的选项选择性生成该输出。这些输出会写入在 Options for PCB Project 对话框的 Options 选项卡中 Output Path 设置所指定的文件夹。
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Managed Release - 所有输出设置都存储在项目文件夹中的一个特殊文件里。然后你可以通过 Generate Output Files 对话框一次性生成所有已启用的输出。采用这种方式可以确保:所有正确的输出都来自同一版本的源原理图与 PCB 文件。 可通过 Project | Project Actions | Generate Outputs 按钮或 Home | Project | Project » Generate outputs 菜单项进入该对话框。这些输出会写入名为
\Default Configuration的文件夹。配置并启用每个所需的 Outputer 后,单击对话框中的 Generate 按钮,在\Default Configuration文件夹中生成输出。
配置 Gerber 文件
- Gerber 仍然是电路板设计与电路板制造之间最常见的数据传输形式。
- 每个 Gerber 文件对应物理电路板的一个层——元件丝印层、顶层信号层、底层信号层、顶层阻焊层等。建议在提供制造所需输出文件之前,先与板厂确认其具体要求。
- 如果电路板有任何孔,还必须使用相同的单位、分辨率以及底片定位设置生成 NC Drill 文件。
- Gerber 文件在 Gerber Setup 对话框中配置。如果你打算使用托管发布方式,请在 Generate Output Files 对话框中通过单击与 Gerber Files 条目关联的 Configure ,从 Gerber Setup 对话框打开 Gerber Setup 对话框。
配置物料清单(Bill of Materials)
CircuitStudio 包含一个高度可配置的 BOM 生成功能,可生成多种格式的输出,包括:文本、CSV、PDF、HTML 和 Excel。Excel 格式的 BOM 还可以应用模板,可使用预定义模板之一或你自定义的模板。
- BoM 输出在 Bill of Materials For Project 对话框中配置。如果你打算使用受管发布(managed release)方式,则需要从 Generate Output Files 对话框打开 Bill of Materials For Project 对话框。
- 在对话框左侧,有一个列表,包含设计中所有元件的每一项元件属性。勾选你希望包含在 BOM 中的属性复选框,并清除你想移除的属性复选框。
- BOM 的默认设置是按相同元件进行聚类(cluster)。聚类是通过将元件属性添加到对话框的 Grouped Columns 区域来实现的。如果你希望 BOM 中每个元件各占一行,请将这些属性从 Grouped Columns 中点击并拖出,然后放到 All Columns 区域。
- 对话框的主网格区域就是写入 BoM 的内容。在该区域中,你可以点击并拖动以重新排序列;点击列标题按该列排序;按住 ctrl 并点击以按该列进行二级排序;使用每个列标题中的小下拉菜单为该列定义基于数值的过滤器;以及右键单击以强制列宽适配当前对话框宽度。
- BOM 生成器从原理图获取信息。启用 Include Parameters From PCB 选项可访问 PCB 信息,例如位置和板面(注意:如有需要,此功能也可用于配置并生成可配置的贴片坐标(pick and place)文件)。
































