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作者:楊哲彰(2005-01-24)﹔推薦:徐業良(2005-02-28)
附註:本文為元智大學機械系「自動化機械設計」課程教材。

Protel電腦輔助電路設計軟體入(1)基本操作與電路編輯

在機電整合設計中,常需要自行設計電路,即使是機械科系學生也需要建立電路設計基本知識及工具。本系列文件以簡單電路設計實例,介紹以Protel 99 SE電腦輔助電路設計軟體編輯電路、進行電路模擬,再輸出製作成印刷電路板(PCB)、最後以電路版雕刻機完成電路版原型的過程。本系列文件僅針對初學者介紹基本的操作入門,對於較進階的功能,使用者可自行參考坊間的相關教學書籍。在學習使用電路設計軟體之前,應對電子電路具備基本的了解(可參閱機械設計教材「Chap5電子與感測元件」【http://designer.mech.yzu.edu.tw/】)。

1.     基本操作介面與檔案架構

Protel 99 SE的操作介面規劃與一般工程軟體相似,以下拉式選單或工具列按鈕點選「FileèNew Design」後會出現如圖1視窗,其中「Location」頁籤內有三個選項,分別為「Design Storage Type(檔案類型)」、「Database File Name(專案資料庫名稱)」以及「Database Location(專案資料庫位置)),此外「Password」頁籤內可對檔案加入密碼,在每次開啟檔案時都會要求輸入密碼,使用者可自行設定。

使用Protel時除了在軟體內設計電路圖(Schematic Document)外,也可產生電路板檔案(PCB Document),或電路板印列管理檔案(PCB Printer)等,這些個別檔案都屬於同一個「設計專案資料庫(database)」。Protel 99 SE的檔案存取型態分為:

l          MS Access Database:此類檔案將所有產生的工作檔案均壓縮在DDB專案資料庫檔案內。因此在未開啟Protel 99 SE之前,以檔案總管瀏覽時,只能看見一個副檔名為*.DBB的壓縮檔。

l          Windows File System:此類檔案為一般Windows格式檔案,程式將產生一個以DDB專案資料庫為檔案名稱的資料夾,所有的工作檔案都獨立放置於此資料夾中。

1. 開新檔案視窗

完成上述設定後,點選下拉式選單「FileèNew」,或於空白工作區中以滑鼠右鍵彈出快捷工作列,點選「New」開啟新工作檔案,出現如圖2視窗,視窗內為所有Protel的工作檔案。所有的工作檔案都必須從電路圖檔案開始,因此接著點選「Schematic Document」後並加以命名,系統會在目前的Database與資料路徑底下產生一個預設檔名為Sheet1.Sch的檔案,使用者可自行設定名稱,名稱不一定要與其Database名稱相同。接著再點選此檔案圖示,雙擊滑鼠左鍵便可進入電路圖編輯模式。

2. 新工作檔案視窗

2.     電路編輯(Schematic)

2.1 環境介面

進入電路編輯模式後,出現如圖3視窗,視窗內除了功能表與工具列圖示外,分為數個功能組件,其中「設計管理器」可管理所有編輯所有檔案,在電路圖編輯模式下,也提供所有零件資料庫的管理(圖4);「電路繪圖工具列」提供電路連接、傳輸路徑等功能選項;「一般繪圖工具列」則提供非電氣相關的繪圖圖樣,整個電路編輯的內容,都在「編輯區」內進行。在電路編輯模式下,「設計管理器」Browse Sch頁籤中會列出相關零件資料庫,其中Miscellaneous Devices.lib為預設零件庫,包含常用的基本零件如電容、電阻以及各類IC腳座等。

編輯區圖面的移動可由水平與垂直捲軸調整,調整圖面大小可由工具列圖示調整,類似功能的快速鍵如下:

l          Page upPage Down:縮放圖面。

l          V+F:將圖面範圍自動縮放至目前編輯範圍

l          V+D:將圖面範圍自動縮放至整個編輯圖面(最適範圍)。

Z:整合性圖面調整選單,提供所有的瀏覽模式。

3. 電路圖編輯視窗

4. 設計管理器介面

2.2 擷取零件

取用一個零件首先使用者必須知道該零件位於哪一個零件庫內。基本的零件都收錄在Miscellaneous Devices.lib內,例如欲取用一個電阻,在Miscellaneous Devices.lib零件庫下提供RES1RES2RES3、與RES4等四種形式的電阻,由下方符號圖示可以看出RE3RE4為可變電阻,假設我們需要RES1電阻,則選取「RES1」後再點選Place按鈕,此時滑鼠游標會跟隨一個浮動狀態的電阻圖案,移動該電阻圖案至編輯區適當位置後,再單擊滑鼠左鍵,便可將該電阻零件固定(步驟參見圖5)。欲移動固定後的零件,只要將游標指向該零件,按住滑鼠左鍵拖曳即可。

5. 取用零件步驟

欲改變零件放置方向,有下列幾個方式調整:

(1)   滑鼠左鍵雙擊,出現「Part」視窗,該視窗「Graphical Attrs」頁籤中的「Orientation」即可調整零件擺放。(0°、190°、180°與270°)

(2)   以滑鼠左鍵“緩慢雙擊”(間隔約1秒),零件隨即變成浮動狀態,接著按下鍵盤Tab鍵同樣可出現「Part」視窗。

(3)   零件為浮動狀態時,可直接以鍵盤xy鍵分別控制水平與垂直翻轉,鍵盤空白鍵則以逆時針方向90度旋轉零件。

若要刪除零件,選取下拉式功能表「EditèDelete」後,再點選該零件即可,可連續點選刪除多個零件;選取多個零件時,往往會使用滑鼠拖曳矩形區域的方式選取多個零件,此時被選取的零件會以黃色外框線標示,欲刪除被選取零件,可直接以快速鍵Ctrl+Delete即可一次刪除。取消選取可自下拉式功能表「EditèDeselect」選擇,也可以快速鍵X+A取消選取,會比滑鼠點選下拉式選單便捷。

2.3 線路連接

6所示的電路繪圖工具列提供電路連接與傳輸路徑設定,其中較為常用的如下:

6. 電路繪圖工具列

  Place Wire:放置電路線,各個零件可藉此相互連接。

*  Place Power Port:可將線路設為等電位,通常用於表示接地,雙擊滑鼠左鍵出現Power Port視窗,可調整名稱、符號以及擺放位置,浮動狀態下同樣以鍵盤空白鍵,逆時針調整擺放方位。

Place Net Label:當電路線太長的時候,避免編輯版面過於繁雜,善用此功能讓電路看起來更簡潔明瞭。例如某兩個接腳必須相連接,但這兩個接腳在編輯版面中相距太遠,直接放置電路線連接則會讓電路過於繁瑣,因此可以將此標示放至於這兩端接腳,再以相同名稱命名後,即代表這兩個接腳已經相互連接,但是圖面上不會實際顯示出電路線。

*  Place Junction:將相交錯的線路設為匯合點,電路圖編輯中相交錯的電路視為各自獨立,若要將這些相交錯的線路設為共接匯合點,可使用此符號標注。

*   Place No ERC連接零件時若有未使用即未連結的接腳可以用此符號標注,確定此路徑或端點沒有任何線路連接,在後續的ERC電路規則檢查時將會略過。

放置電路線時,軟體提供數種走線方式,可以用鍵盤空白鍵切換,使用者可以自行觀察其間的差異,並依實際需要使用(如圖7)。欲編修導線時,先點選該線段,此時線段上會顯示數個節點,接著再點選欲調整的節點,線段即可變成局部浮動狀態以供修改;若要移動整個線段,則直接以滑鼠拖曳該線段即可。

7. 以空白鍵切換數種走線模式

2.4 零件屬性設定

編輯電路時,除了選取零件以及連結電路線之外,必須對每一個零件設定其屬性,每一個零件的屬性設定無誤後,才能進行後續的電路規則檢查(ERC)以及PCB Layout等程序。進行零件屬性設定時,直接雙擊該零件符號,便可彈出零件屬性設定視窗,以Miscellaneous Devices.lib內的RES1為例,屬性視窗如圖8所示,在Attributes頁籤中,其中需要設定的欄位如下:

l          Lib Ref:表示該零件在所屬零件庫中的名稱(如RES1),此欄位不必更動。

l          Footprint:本欄位為零件腳位外型,在編輯電路板時是不可缺少的項目,如下表1所示為PCB Footprint.lib內針對電阻、電容與電晶體所提供的一些腳位外型,使用者須依照所選零件而選擇適當的腳位外型。

1. 常見零件腳位外型

電阻

可變電阻

電容

電晶體

AXIAL0.3

AXIAL0.4

AXIAL0.5

AXIAL0.6

AXIAL0.7

AXIAL0.8

AXIAL0.9

AXIAL1.0

VR1

VR2

VR3

VR4

VR5

RAD0.1

RAD0.2

RAD0.3

RAD0.4

RB.2/.4

RB.3/.6

RB.4/.8

RB.5/1.0

TO-3

TO-5

TO-92A

TO-92B

TO-220

l          Designator:該零件的零件序號,例如電阻為「R?」、電晶體為「Q?」、電容為「C?」等等,「?」由使用者給定,由1開始,假若整個電路使用了四個電阻與兩個電容,則這四個電阻必須分別被設定為「R1」、「R2」「R3」與「R4」,同理,這兩個電容為「C1」與「C2」。不可存在兩個相同的零件序號,例如出現兩個相同的「R1」電阻,此情形在後續的ERC電路規則檢查時會出現錯誤。

l          Part Type:這個選項讓用者自由填入所需的零件資訊,以方便使用者編輯。

8. 零件屬性視窗

3.     實作範例-簡單穩壓電路圖

機械設計教材「Chap5電子與感測元件」中,介紹二極體的章節內提及電源供應器的工作原理,由市電110V/220V交流電先經由變壓器降壓,經過全波整流後轉換為直流電,再以濾波線路濾除漣波(ripple)之外,最後還得調節電壓,以求穩定的電壓輸出,其中調節電壓的部分便由穩壓電路構成。圖9常見的穩壓IC外型(封裝型式為TO-220)與腳位說明,圖10為最簡單的穩壓電路設計,由一只穩壓IC與兩個電容器構成,本節將說明如何用Protel 99 SE繪製這個簡單的穩壓電路。

9. 穩壓IC外觀與腳位說明

10. 簡單穩壓電路

這個電路所需的零件包含一個穩壓IC(在此以7805 5V穩壓IC為例)、兩個電容(0.33uF0.1uF)以及兩個電源端子(輸入與輸出各一)。開啟Protel 99 SE電路編輯程式後,接下來便開進行電路編輯

(1)   選取零件

這個電路所需零件在預設的Miscellaneous Devices.lib零件庫內都找的到,各自的零件名稱如下列所示,找出這些零件,並全部選取至編輯區內(圖11)。

l          穩壓IC:「VOLTREG

l          電容:「CAP」(或CAPACITOR

l          電源端子:「CON2

11. 選取所需零件

(2)   零件電路連結

依照圖10電路簡圖約略放置各個零件,並連接相互間的電路線,電源端子部分在此統一以「1」為正端,「2」為接地端,以免混淆;須注意零件與電路線要確實連接,匯合點記得要加上*符號。電源接地端符號也記得要一致,軟體才能將這些接地點連接起來,使用者可參考圖12所示自行選擇,完成後電路圖如圖13所示。

12. 各式接地符號

13. 完成連結各零件

(3)   零件屬性設定

13中的各個零件有「J?」、「U?」等問號標注,表示該零件的屬性尚未設定,必須針對每個零件進行屬性設定,接下來的電路規則檢查與電路板製作才不會出現錯誤。屬性中有三個欄位必須設定,分別為「Footprint」、「Designator」與「Part Type」,可依照表2所列依序填入。特別注意穩壓IC零件預設的Footprint腳位設定為「TO220H」,這一個腳位在Protel 99 SE的中PCB Footprint.lib腳位零件庫內並不存在,因此務必改為「TO-220」。完成後的電路圖如圖14所示。

2. 屬性設定

零件

屬性設定

電源端子1

Footprint

SIP2

Designator

J1

Part Type

INPUT

電源端子1

Footprint

SIP2

Designator

J1

Part Type

OUTPUT

穩壓IC

Footprint

TO-220

Designator

U1

Part Type

7805

電容1

Footprint

RAD0.1

Designator

C1

Part Type

0.33uF

電容2

Footprint

RAD0.1

Designator

C2

Part Type

0.1uF

14. 完成的電路圖

(4)   電氣規則檢查(ERC, Electrical Rule Check)

從下拉式功能表選取「ToolèERC」進行電氣規則檢查,會出現電氣規則檢查選單(圖15),使用者不必更動任何預設選項,直接點選OK進行檢查,檢查完成後會在編輯區開啟新頁面產生檢查報表,並產生*.ERC檢查檔。如果檢查結果正確無誤,則報表內容如下表3,若檢查結果出現任何錯誤,會將訊息顯示於報表中,錯誤訊息內容為何請自行參照相關軟體教學書籍。

15. ERC電路規則檢查選單

3. 無錯誤的ERC檢查結果

Error Report For:   Sheet.Sch            19-Jan-2005   20 : 52 : 34

 

End Report

(5)   產生網路表檔案(Netlist)

在電路檔案編輯模式下,先前編輯完成且經過ERC電氣規則檢查確認無誤後,需要從電路圖產生網路表,才能進行後續的電路模擬或電路板設計。由下拉式功能表「DesignèCreate Netlist」出現網路表選單(圖16),接著不需要更動預設選項,直接點選OK產生網路表,軟體會產生一個*.NET的網路表檔案(表4),檢視Netlist網路表可輔助設計者檢查電路的連接,內容列出電路中各零件的序號(Designator)、腳位外型(Footprint)與名稱(Part Type),以及零件之間的電路連結關係。表4“[ ]”中括號內表示一個零件的屬性設定,例如“[C1  RAD0.1  0.33u]”C1電容的屬性內容;“( )”小括號則表示所有接腳的連接關係,例如“(NetJ1_1  C1-1  J1-1  U1-1 )”表示在NetJ1_1這個電路連結中有C11號接腳、J11號接腳、U11號接腳為共接。

整個電路編輯流程操作至此步驟,若ERC檢查結果也沒有出現錯誤,這個電路編輯工作便告完成,可以輸出進行PCB Layout電路板製作。需要釐清的一點是,在*.Sch電路圖製作階段中的零件位置排列與版面大小與後續的電路板製作無關,換言之,最終電路板尺寸大小、電路排列、電路粗細與零件排列等會在後續的PCB Document檔案編輯中加以設定。

16. 產生網路表選單

4. Netlist列表內容

[

C1

RAD0.1

0.33u

]

 

[

C2

RAD0.1

0.1u

]

 

[

J1

SIP2

INPUT

]

 

[

J2

SIP2

OUTPUT

]

 

[

U1

TO-220

7805

]

 

(

NetJ1_1

C1-1

J1-1

U1-1

)

(

NetU1_3

C2-2

J2-1

U1-3

)

(

VCC

C1-2

C2-1

J1-2

J2-2

U1-2

)