Protel 99SE PCB 设计全教程

第一部分：准备工作与流程概览

在开始之前,我们需要了解一个完整的 PCB 设计流程，Protel 99SE 采用的是“设计数据库”（.ddb）文件来管理整个项目，所有原理图、PCB、库文件、报表等都包含在这个文件中。

标准 PCB 设计流程：

1. 创建项目：建立一个 .ddb 设计数据库文件。
2. 绘制原理图：在项目中创建并绘制电路原理图（.sch）。
3. 创建/加载元件封装：确保原理图中的每一个元件都有对应的、正确的 PCB 封装。
4. 原理图与 PCB 之间的同步：将原理图的网络信息和元件封装信息导入到 PCB 文件中。
5. PCB 布局：在 PCB 编辑器中，合理摆放元件封装的位置。
6. PCB 布线：根据网络连接，在顶层和底层走线，完成电气连接。
7. 设计规则检查：检查设计是否符合你设定的制造和电气规则。
8. 生成输出文件：生成 Gerber 文件、钻孔文件等，用于 PCB 制造。

第二部分：详细操作步骤

创建新设计数据库

1. 打开 Protel 99SE。
2. 点击菜单 File -> New...。
3. 在弹出的对话框中,选择 Database File（设计数据库），点击 OK。
4. 选择保存位置,输入文件名（MyFirstPCB.ddb），点击 Save。
5. 现在你有了一个空的设计数据库,在左侧的 Explorer（资源管理器）面板中，你会看到这个文件，右键点击它，选择 New，可以创建新的设计文档。

绘制原理图

1. 在设计数据库中,右键点击空白处，选择 New。
2. 在弹出的 New Document 对话框中，选择 Schematic Document（原理图文档），点击 OK，你会看到一个名为 Sheet1.Sch 的文件，可以重命名（PowerSupply.Sch）。
3. 加载元件库：
   • 点击左侧的 Browse Sch 选项卡，确保当前库是 Miscellaneous Devices.ddb（包含常用分立元件）和 Protel DOS Schematic Libraries.ddb（包含常用集成电路）。
   • 如果没有,点击 Add/Remove... 按钮，从 Protel 99SE 的安装目录 Library\Sch 下添加这些库。
4. 放置元件：
   • 在 Browse Sch 面板中，选择一个库（如 Miscellaneous Devices.lib）。
   • 在下面的元件列表中,找到你需要的元件（如 RES2 电阻、CAP 电容、DIODE 二极管等），双击它。
   • 鼠标光标上会带着元件符号,点击画布放置，放置过程中按 空格键 可以旋转元件，按 X 或 Y 键可以水平或垂直翻转。
5. 连接导线：
   • 点击画布上方工具栏的 Wiring Tools（导线工具）按钮，或按 P -> W。
   • 鼠标光标变成十字,点击元件引脚开始画线，移动鼠标到另一个引脚再点击完成连接。
6. 放置网络标号：
   • 对于需要连接但距离较远的网络,可以使用网络标号。
   • 点击 Wiring Tools 中的 Net 按钮，或按 P -> N。
   • 在需要连接的导线末端点击,输入网络标号名称（如 +12V, GND），按 Enter。
   • 所有具有相同网络标号的引脚或导线在电气上是相连的。
7. 设置元件属性：
   • 双击任何一个元件,会弹出 Part 对话框。
   • 在 Designator 栏中设置元件序号（如 R1, C1）。
   • 在 Part Type 栏中设置元件值（如 10K, 104）。
   • 在 Footprint 栏中，输入该元件在 PCB 中对应的封装名称（这是至关重要的一步！电阻可以是 AXIAL-0.4，电容可以是 RAD-0.2），如果你不确定，可以先留空，稍后在 PCB 中添加。

完成你的原理图后,点击 保存。

创建与加载 PCB 封装

这是初学者最容易出错的地方。每个原理图元件都必须有一个在 PCB 中能正确安装的物理封装。

• 从现有库中查找：Protel 99SE 自带了丰富的 PCB Footprint Libraries（.PCB 文件），在原理图编辑器中，双击元件，在 Footprint 栏点击 Browse...，可以浏览和选择封装。
• 手动创建封装：如果找不到合适的封装，需要自己创建。
  1. 在设计数据库中,右键点击 Documents，选择 New -> PCB Document，新建一个 PCB 文件（MyFootprint.Pcb）。
  2. 进入这个空的 PCB 文件。
  3. 设置原点：Edit -> Set Reference -> Location，在画布中央点击一下。
  4. 切换到顶层（TopLayer）和丝印层（TopOverlay）。
  5. 使用 Place -> Track 画焊盘轮廓，Place -> Pad 放置焊盘。
  6. 焊盘是关键：双击焊盘，设置其 X-Size、Y-Size（尺寸）和 Hole Size（钻孔直径），注意 Designator 要和原理图元件对应。
  7. 在 TopOverlay 层上，用 Line 工具画出元件的轮廓、标识等。
  8. 保存封装库。

创建 PCB 文件并同步网络

1. 在设计数据库中,右键点击 Documents，选择 New -> PCB Document，新建你的 PCB 文件（PowerSupply.Pcb）。
2. 原理图同步到 PCB：
   • 打开你的原理图文件（PowerSupply.Sch），使其成为当前活动文档。
   • 点击菜单 Design -> Create Netlist...。
   • 在弹出的对话框中,通常保持默认设置（选择 Protel 格式），点击 OK，此时会生成一个 netlist 文件。
   • 切换到你的 PCB 文件（PowerSupply.Pcb）。
   • 点击菜单 Design -> Load Netlist...。
   • 在弹出的对话框中,点击 Browse...，选择刚刚生成的 netlist 文件，然后点击 Execute。
3. 检查同步结果：
   • 如果一切顺利,所有元件的封装会以“飞线”（带颜色的线）的形式出现在 PCB 图纸上，飞线表示了元件引脚之间的电气连接关系。
   • 如果有错误（如封装未找到），系统会报错，你需要回到原理图，检查 Footprint 栏是否填写正确。

PCB 布局

布局的目标是让 PCB 布线更短、更美观、更易于焊接。

1. 设置 Keep-Out Layer：
   • 在 PCB 编辑器底部，点击 KeepOutLayer 标签，将其设为当前层。
   • 用 Line 工画出一个封闭的区域，这个区域内的空间是不能放置元件和走线的，用于定义板子的有效尺寸。
2. 摆放元件：
   • 点击元件,按住鼠标左键拖动。
   • 布局原则：
     • 按功能模块摆放：将相关的元件（如电源部分、控制部分）放在一起。
     • 接口元件优先：将 USB、接线端子等需要与外部连接的元件放在板子边缘。
     • 考虑流向：信号或电流的流向尽量是直线或平滑的曲线，避免交叉。
     • 散热：发热量大的元件（如电压调整器）周围留出空间，便于散热。
     • 美观：元件排列整齐，方向尽量一致。

PCB 布线

布线是 PCB 设计的核心。

1. 设置设计规则：
   • 点击 Design -> Rules...。
   • 在 Routing 标签页下，可以设置：
     • Clearance Constraint：设置导线与导线、导线与焊盘之间的安全距离（如 10mil）。
     • Routing Layers：设置哪些层可以走线，通常双面板会设置 TopLayer 为 Horizontal（水平走线），BottomLayer 为 Vertical（垂直走线），这可以大大减少过孔的使用。
     • Routing Width：设置导线的宽度，电源和地线线宽要粗（如 20-30mil），信号线可以细（如 8-12mil）。
2. 开始走线：
   • 点击工具栏的 BottomLayer 或 TopLayer，选择要走的层。
   • 点击 Interactive Routing 按钮（或按 P -> T）。
   • 鼠标光标变成十字,点击一个焊盘开始走线，移动鼠标，你会看到预览的导线，再点击另一个焊盘完成走线。
   • 按 Tab 键可以临时更改当前走线的宽度。
   • 在布线过程中,系统会自动避让，遵守你设定的安全距离规则。
   • 当需要换层时,将光标移动到需要连接的焊盘上，按 数字键盘 的 键，可以快速切换到另一层并自动放置一个过孔。
3. 覆铜：
   • 覆铜可以增强抗干扰能力、提高大电流承载能力。
   • 点击菜单 Place -> Polygon Plane...。
   • 在弹出的对话框中,选择要覆铜的层（通常是 BottomLayer 和 TopLayer），设置网络（如 GND），连接风格（如 45-Degree）。
   • 点击 OK，然后像画多边形一样，围绕 Keep-Out 区域的内部轮廓画一圈，最后点击左键开始填充，右键点击完成，软件会自动用铜填充你定义的区域。

设计规则检查

布线完成后,必须进行 DRC 检查，以确保设计没有错误。

1. 点击菜单 Tools -> Design Rule Check...。
2. 在对话框中,点击 Run DRC。
3. 检查结束后,会生成一个 .DRC 报告文件，仔细阅读报告，根据报告中的错误提示回到 PCB 中修改，直到没有错误为止。

生成制造文件

这是最后一步,将你的设计“翻译”成工厂能看懂的语言。

1. 生成 Gerber 文件（各层的光绘文件）：
   • 点击 File -> Fabrication Outputs -> Gerber...。
   • 在对话框中,选择所有需要的层（Layers 选项卡），设置格式（2:5）。
   • 在 Drill Drawing 和 Drill Files 选项卡中，生成钻孔文件。
   • 点击 OK，会生成一系列 .gbr 和 .drl 文件，将这些文件全部打包发给 PCB 厂家即可。
2. 生成 BOM 和坐标文件：
   • BOM（物料清单）：在原理图编辑器中，点击 Reports -> Bill of Material，可以生成元件清单。
   • 坐标文件：在 PCB 编辑器中，点击 Reports -> Pick and Place，生成用于 SMT 贴片机的坐标文件。

第三部分：实用技巧与注意事项

• 善用快捷键：V（全显示视图）、Page Up/Down（放大/缩小）、End（刷新屏幕）、Ctrl+拖动（复制元件）。
• 网格设置：在 Design -> Options... 中设置网格大小，通常将 Snap 和 Grid 设置为合适的值（如 50mil 或 100mil），便于对齐元件。
• 元件库管理：不要滥用元件库，只加载当前项目需要的库，可以加快软件运行速度。
• 封装命名：养成良好的封装命名习惯，如 电阻-0603、电容-0805、SOIC-8，方便日后查找。
• 先布局，后布线：一个好的布局是成功布线的一半，不要急于布线，花足够的时间在布局上。
• 地线处理：在模拟电路或高频电路中，地线的处理尤为重要，可以考虑使用星形接地或大面积覆铜。

这份教程涵盖了从零到一块完整 PCB 的所有核心步骤，Protel 99SE 虽然是一款比较古老的软件，但其设计思想和工作流程至今仍是现代 PCB 设计软件的基础，多加练习，你很快就能掌握它，祝你设计顺利！