第2章 原理图设计 PCB制图与电路仿真课件

第2章原理图设计PCB制图与电路仿真2．1．1原理图设计步骤原理图的设计流程如图2-1所示。图2-1原理图设计流程2．1原理图设计基础2．1原理图设计基础2．1．2创建原理图文件创建原理图文件即打开原理图编辑器窗口，共有三种方法：从Files面板启动、从主页启动和主选菜单启动。1．从Files面板启动原理图编辑器⑴启动Protel2004，打开Files面板，如图2-2所示。图2-2Files文档面板2．1原理图设计基础2．从主页Home启动原理图编辑器从主页Home启动原理图编辑器，必须先建立PCB项目文件，具体步骤如下：⑴启动Protel2004，在主页Home的Pickatask栏中，单击PrintedCircuitBoardDesign，打开印制电路板设计窗口PrintedCircuitBoardDesign，如图2-3所示。其中，PCBProjects分组框提供了三种建立PCB项目文件的方法，这里只介绍第一种。单击NewBlankPCBProject，弹出Projects面板，在该面板中系统自动建立一个默认名称为PCBProject1.PrjPCB的项目文件。2．1原理图设计基础图2-3印制电路板设计窗口2．1原理图设计基础⑵单击Projects面板中的Project按钮或者在Projects面板的空白处单击鼠标右键，在弹出的菜单中执行AddNewtoProject→Schematic（如图2-4所示），启动原理图编辑器。此时，系统自动在PCB_Project1.PrjPCB项目下建立一个默认名称为“Sheet1.SchDoc”的原理图文件。图2-4PCB项目添加原理图文件3．从主菜单启动原理图编辑器利用主菜单命令启动原理图编辑器有三种常用的方法。⑴执行菜单命令File→New→Schematic，新建原理图设计文件，即可打开原理图编辑器。⑵执行菜单命令File→Open，在选择打开文件对话框中，双击原理图设计文件，启动原理图编辑器，打开一个已有的原理图文件。⑶执行菜单命令File→OpenProject…，在选择打开文件的对话框中，双击项目文件，弹出项目面板。在项目面板中，单击原理图文件，启动原理图编辑器，打开已有项目中的原理图文件。2．1原理图设计基础2．1原理图设计基础2．1．3原理图编辑器简介按照上述方法启动原理图编辑器后，如图2-5所示，它主要由菜单栏、工具栏、编辑器窗口、文件标签、图纸标题栏和面板标签等组成。图2-5原理图编辑器下面以两级放大电路简单说明画原理图编辑器窗口，两级放大电路如图2-6所示。2．1原理图设计基础图2-6两级放大电路图2．1原理图设计基础原理图编辑器菜单栏包括File（文件）、Edit（编辑）、View（视图）、Project（项目）、Place（放置）、Design（设计）、Tools（工具）、Reports（报告）、Window（窗口）和Help（帮助）,如图2-6所示。这些菜单就原理图编辑器来说，是一级主菜单，其下还有二级、三级子菜单。图2-6原理图编辑器主菜单2．1原理图设计基础原理图编辑器窗口打开之后，系统默认状态下会打开一定数量的工具栏。实际中，编辑器窗口配置应以简单实用为原则。一般情况下，工具栏选择显示SchematicStandard（标准工具栏）和Wire（画原理图工具栏），分别如图2-7和2-8所示。其中标准工具栏和一般Windows软件的操作相同，画原理图工具栏是Protel2004特有，在后面章节会加以详细介绍。图2-7原理图编辑器窗口标准工具栏图2-8原理图编辑器窗口画原理图工具栏2．2原理图图纸设置2．2．1设置图纸样式1．图纸规格设置图纸规格设置有两种方式：StandardStyle(标准格式)和CustomStyle（自定义格式）。执行菜单Design→DocumentOptions…，打开DocumentOptions（文档选项），选择SheetOptions，打开图纸参数设置对话框，如图2-9所示。图2-9图纸参数设置对话框2．2原理图图纸设置2．图纸选项设置图纸选项包括图纸方向、颜色、标题栏和边框的显示等，在原理图图纸参数设置对话框中进行设置。3．图纸栅格设置图纸栅格的设置在图纸参数设置的Grids（栅格）分组框内进行，见图2-9所示，包括Sanp（捕获栅格）和Visible（可视栅格）两个选项，勾选有效。其右侧的文本框中可输入要设定的数值，单位为mil。捕获栅格是图纸上元器件移动的最小距离，可视栅格是图纸上显示的栅格距离。4.自动捕获电气节点设置自动捕获电气节点设置在图纸参数设置的ElectricalGrid（电气栅格）分组框内进行，勾选有效。此时系统在放置导线时以光标为中心，以设定值为半径，向周围搜索电气节点，光标会自动移到最近的电气节点上。应当注意，要准确捕获电气节点，自动寻找电气结点的半径值应比捕获栅格值略小。5.图纸设计信息设置单击图纸参数设置对话框中的标签Parameters（图纸信息），可打开图纸设计信息对话框，如图2-10所示。在Value区域的文本框中填写参数，单击Edit按钮，在Properties分组框中选择相应的参数，然后单击OK按钮确定。2．2原理图图纸设置图2-10图纸信息设置对话框2．2原理图图纸设置2．2．2原理图环境参数设置一张原理图的规范性和设计效率等问题与原理图的环境参数有很大关系，执行菜单命令Tools→SchematicPreferences，可以打开图2-11所示的原理图环境参数设置对话框，其中包括原理图参数、图形编辑、编译器、自动编译和默认参数设置等。图2-11原理图参数设置2．2原理图图纸设置2．图形编辑参数设置单击图2-11原理图参数设置对话框的GraphicalEditing（图形编辑），进入图形参数设置对话框，如图2-12所示。图2-11图形参数设置对话框2．2原理图图纸设置3．编译器参数设置单击图2-11原理图参数设置对话框的Copmiler（编译器），进入编译器设置对话框，如图2-13所示。图2-13编译器参数设置对话框2．3放置元件与元件属性设置2．3．1浏览并装载元件库在原理图设计环境中，执行菜单命令Design→BrowseLibrary，或者单击编辑器右下方的面板标签System，选中库文件Libraries，弹出元件库管理器面板，如图2-14所示。图2-14元件库管理器面板2．3放置元件与元件属性设置2．3．2加载/卸载元件库Protel2004虽然已预装加载了两个常用的元件库，但很多元器件都不在这两个元件库中。在绘制原理图时，所需的元器件若不在两个常用元件库，这时就必须把该元器件所在的元件库加载进来。比如我们知道元件BF245A在PhilipsDiscreteJFET.IntLib元件库中，要把该元件库添加到元件库管理器，可单击图2-14中的Libraries按钮或者执行菜单命令Design→Add/RemoveLibrary…，进入如图2-15所示的加载或删除元件库对话框。图2-15加载或删除元件库对话框2．3放置元件与元件属性设置2．3．3查找元器件单击图2-14所示的Search按钮或者执行菜单命令Tools→FindComponent…,可以打开查找元器件对话框，如图2-17所示。图2-17查找元器件对话框2．3放置元件与元件属性设置下面以查找三极管2N3904为例，说明如何查找元器件。1．填写查找元器件参数⑴Scope（查找范围）有两个选项，分别是AvailableLibraries（加载元件库）和LibrariesonPath（指定元件库路径）。选中AvailableLibraries时，元器件查找范围只能是已经加载的元件库，不能在其它未加载的元件库中查找元器件。选中LibrariesonPath时，可在查找路径文本框中指定查找路径，Protel2004安装时没更改安装路径，一般是指向安装时的默认元件库文件夹，为C：\ProgramFile\Altium2004\Library。⑵Path（路径）中，其IncludeSubdirectories选项必须勾选。因为Protel2004系统的元器件都放在Library文件夹的子目录中。FileMask一般使用通配符号“*.*”,不必指定元件库的具体名称，系统将在所有文件库中查找符合要求的元器件。⑶在上图空白处填入查找元件名称，如2N3904（不必区分大小写）。2．3放置元件与元件属性设置2．查找结果处理完成上述设置后，单击图2-17查找元器件对话框中的Search按钮，开始查找元器件，完成后出现如图2-18所示的查找元器件结果对话框。图2-18查找元器件结果对话框2．3放置元件与元件属性设置2．3．4放置元器件单击图元件库管理器的Place按钮，此时元件和光标一起浮动在原理图编辑器窗口，处于待放置状态，如图2-19所示。移动光标，把元件移到合适的位置，再单击鼠标左键放置好元件。此时光标和元件继续浮动在一起，接下来可以放置第二个、第三个该元件。如不需要再放置该元件，可单击鼠标右键，完成放置。如果放置的元器件由多个子模块构成，点击Place按钮，放置的是第一个子模块，完成放置后，光标和元件的第二个子模块继续一起浮动。如不需放置，单击鼠标右键可完成放置。图2-19元件待放置状态2．3放置元件与元件属性设置2．3．5调整元器件在实际设计原理图的过程中，为了使原理图美观合理，往往要对最初放置的元器件的位置、方向等进行调整。1．移动调整单个元器件的移动，可将光标放在要移动的对象上，按住鼠标左键，拖动到合适位置放开鼠标可完成移动。多个元器件或者整幅原理图的移动，要先用鼠标选定调整对象，然后按住鼠标左键，拖动到合适位置放开鼠标完成移动。2．翻转调整当元器件处于移动状态时，按空格键可以切换元器件放置角度，每按一次空格键，逆时针旋转90°。按X键左右翻转，按Y键上下翻转。2．3．6元器件属性设置在原理图中，任何元器件都有属性。在编辑电路参数时，元器件属性的编辑是很频繁的。元器件放置好后双击该元件或者元器件在待放置状态，按键盘上的Tab键，可弹出元器件属性对话框，如图2-20所示。2．3放置元件与元件属性设置图2-20元器件属性对话框2．3放置元件与元件属性设置2．3．7元器件的编辑在Protel2004的元件库中，往往有些元器件直接放在原理图中会影响整个电路图的布线简洁美观，这时就要对该元器件进行编辑（注意和元器件属性编辑的区别），其编辑主要针对元器件管脚的编辑。如图2-21所示NE555D定时器，左图是Protel2004元件库中的符号，右图是编辑后的NE555D的符号。图2-21元件NE555D调整前后的效果2．3放置元件与元件属性设置在NE555D属性对话框中（图2-20），单击左下方的EditPins…按钮，弹出如图2-22所示的元器件管脚编辑对话框。图2-22元器件管脚编辑对话框2．3放置元件与元件属性设置该对话框反映了该元件各个管脚的名称、状态，以及可以对它进行增加或移除管脚的编辑。如要对某一管脚编辑，在选中状态单击Edit…按钮，弹出如图2-23所示的管脚属性对话框。图2-23管脚属性对话框2．3．8电源、接地符号的放置和编辑2．3放置元件与元件属性设置在两级放大电路中，有电源和接地符号。Protel2004提供了11种不同形式的电源，集中在辅助工具栏。执行菜单命令View→Toolbars→Utilities，打开辅助工具栏，然后单击其中的电源符号的下拉列表按钮，弹出如图2-29所示的电源符号。图2-24辅助工具栏电源、接地符号1．电源、接地的放置单击画原理图中工具栏中的电源、接地符号，或单击打开的辅助工具栏中的电源、接地符号，或者执行菜单命令Place→PowerPort，光标出现大十字并带有电源符号，在合适位置单击左键，放置一个电源。此时光标仍处于放置状态，若不放置，可单击鼠标右键，退出放置状态。2．电源、接地的编辑电源、接地的编辑亦即电源、接地的属性设置。在放置电源状态按Tab键，或者双击放置好的电源、接地符号，弹出如图2-25所示的电源属性设置对话框。2．3放置元件与元件属性设置图2-25电源属性设置对话框2．3放置元件与元件属性设置对于本例两级放大电路来说，电路结构简单，不需要对元器件进行编辑，根据上述方法放置调整好的元件如图2-26所示。图2-26元件放置调整好的两级放大电路2．3放置元件与元件属性设置2．3．9阵列式粘贴在绘制原理图的过程中，往往很多的图形或元件要重复绘制或放置，这里以垂直等间距放置6个二极管为例，利用阵列式粘贴一次完成放置和元件标号。1．打开原理图编辑器，放置一个电阻，并标号为D1。2．按住鼠标左键，拉出一个方框选中要复制的二极管。3．执行菜单命令Edit→Copy，此时光标变成十字形。光标在此状态下，点击要复制的对象，这里是电阻D1。4．完成复制对象的选定后，执行菜单命令Edit→PasteArray，弹出阵列粘贴设置对话框，如图2-27所示。图2-27阵列粘贴设置对话框及效果图2．4原理图的电气连接启动画原理图工具栏的方法主要有两种：一是使用原理图图工具栏，执行单命令View→Toolbars→Wiring,打开Wiring工具栏，如图2-28所示；二是使用菜单命令，执行菜单Place下的各个菜单命令。这些菜单命令与原理图工具栏的各个按钮相互对应，功能完全相同，Place菜单下的画原理图菜单命令如图2-29所示，各个按钮对应的功能见表2-1。图2-28画原理图工具栏图2-29Place菜单下的画原理图菜单命令2．4原理图的电气连接表2-1画原理图工具栏功能说明2．4原理图的电气连接2．4．1导线的绘制和编辑1．导线的绘制单击画原理图工具栏中图标，或执行菜单命令Place→Wire，光标变成十字形。单击鼠标左键确定导线在窗口中的起点，然后移动光标在导线的终点单击鼠标左键，确定导线终点。最后单击鼠标右键，完成一段导线的绘制。此时光标仍处于绘制导线状态，可继续绘制下一段导线。若绘制导线完成，可再一次单击鼠标右键，退出绘制导线状态。2．4原理图的电气连接2．导线编辑导线编辑实质就是导线属性设置。在光标处于画线状态时按键盘上的Tab键，或者双击绘制好的导线，系统弹出导线属性对话框，如图2-30所示。图2-30导线属性对话框2．4原理图的电气连接2．4．2节点的放置和编辑电路节点表示两条导线相交时的状况，如果有节点，这两条导线在电气上是相连的。如果没有节点，两条相交的导线在电气上不相连。1．节点的放置单击画原理图工具栏中图标，或执行菜单命令Place→ManualJunction，在导线相交处单击鼠标左键，完成一个节点的放置。此时仍为放置节点状态，可以继续放置。若不放置，可单击鼠标右键，退出放置状态。2．4原理图的电气连接2．节点的编辑节点的编辑就是节点属性设置。在光标处于放置节点状态时按键盘上的Tab键，或者双击绘制好的节点，系统弹出节点属性对话框，如图2-31所示。图2-31节点属性设置对话框2．4原理图的电气连接2．4．3电路I/O端口的放置与编辑在绘制原理图的过程中，一般用画原理图工具栏中的导线实现电气连接。但是为了使原理图美观、层次清晰，间隔较远的两元件（或管脚）之间的电气连接，往往不使用导线连接，而采用I/O端口实现电气连接。此时要求两元件（或管脚）之间的I/O端口名称相同，使它们网络相同，最终在电气上具有连接关系。1．I/O端口的放置单击画原理图工具栏中的端口符号，或执行菜单命令Place→Port，光标变成大十字并带有端口符号，在合适位置单击左键，确定端口的左边界，然后移动光标，调整端口长度，在适当位置单击左键，确定端口右边界，完成一个端口的放置。此时光标仍处于放置状态，若不放置，可单击鼠标右键，退出放置状态。2．4原理图的电气连接2．I/O端口的编辑I/O端口的编辑亦即I/O端口的编辑属性设置。在放置端口状态按Tab键，或者双击放置好的端口符号，弹出如图2-32所示的端口属性设置对话框。图2-32端口属性设置对话框2．4原理图的电气连接2．4．4总线、网络标号的放置和编辑在图2-33所示的总线连接中，连接器J1的四个引脚1、2、3、4与J2的四个引脚1、2、3、4一一对应连接，如果采用导线连接，必然导致交叉，使得原理图杂乱。这时利用总线连接，就可以使得原理图整洁美观。利用总线连接，要用到的图件符号有总线、总线分支和网络标号，如图中所示。图2-33连接器总线连接2．4原理图的电气连接1．总线、总线分支和网络标号的放置单击画原理图工具栏中的符号、和，或者分别执行菜单命令Place→Bus、Place→BusEntry和Place→NetLabel，光标变成大十字，按照前面放置导线的方法分别可以完成总线、总线分支和网络标号的放置。2．总线、总线分支和网络标号的编辑按照前面打开元器件属性对话框的方法，打开总线、总线分支和网络标号的属性设置对话框，其编辑参数和前面叙述大同小异。需要注意的是网络标号不能直接放在元件的管脚上，一定要放在管脚的连接导线上。网络标号具有电气意义，不能用其它的字符代替。具有相同网络标号名称的端口在电气上是连通的。2．4原理图的电气连接2．4．5群体编辑功能在绘制原理图的过程中，往往要对同一类型的元件进行相关编辑，并且编辑的参数对象相同，如某一较复杂电路中有几十个电阻，所有电阻默认封装为AXIAL-0.4,实际中不太合适，现在要把所有电阻的封装都改为AXIAL-0.3。这里电阻的数目比较多，一个一个更改比较麻烦，采用群体编辑功能就使得问题大大简化。1．打开该原理图，执行菜单命令Edit→FindSimilarObjects（查找相似对象），鼠标变成十字形状，在此状态单击要编辑的任一电阻，系统弹出查找相似对象参数设置对话框，如图2-34所示。2．在该对话框中，我们可以看到ObjectSpecific目录下CurrentFootprint（当前封装）为AXIAL-0.4。此时，把后面的Any改为Same，并且要选中下面的SelectMatching（选中匹配对象）。2．4原理图的电气连接图2-34查找相似对象设置对话框2．4原理图的电气连接3．单击Apply按钮，弹出如图2-35所示的过滤面板，用鼠标选中列表中的所有选项。单击Apply按钮然后，关闭该对话框，系统弹出如图2-36所示的观察面板，在其中找到封装设置，把封装由AXIAL-0.4，改为AXIAL-0.3，关闭对话框，保存所有设置。图2-35过滤面板图2-36观察面板2．5层次电路图设计2．5．1层次电路图概念在设计大型复杂系统的电路原理图时，若将整个图绘制在一张图纸上，就会使图纸变得复杂不利于分析和检错，同时也难于多个人参与系统的设计。层次型电路是将一个庞大的电路原理图(称为项目)分成若干个模块，且每个模块可以再分成几个基本模块，设计可采取自上而下或自下而上的方法。本教材采用自上而下的设计方式进行介绍。绘制层次电路也是在原理图编辑环境下进行。与一般的原理图的差别是构成系统图的主要元素不是具体的元件，而是用不同功能的模块电路。2．5层次电路图设计2．5．2层次电路图设计1.系统总图设计⑴新建项目文件“放大调节.PrjPCB”和原理图文件“放大调节.SchDOC”。⑵在原理图编辑窗口放置图纸符号，单击原理图工具栏中的按钮，或者执行菜单命令Place→SheetSymbol，在原理图放置两块模块电路符号，如图2-37所示。图2-37放置模块电路符号2．5层次电路图设计⑶双击模块电路符号，打开图纸符号属性对话框，如图2-38所示。可分别设置边框颜色、宽度和填充颜色（选中DrawSolid时有效）等。图2-38图纸符号属性设置对话框2．5层次电路图设计⑷在图纸符号上放置端口，单击原理图工具栏中的按钮，或执行菜单命令Place→AddSheetEntry，在要放置端口的图纸符号单击鼠标，一个图纸端口符号虚浮着随光标沿图纸符号边沿移动，在合适的位置再单击鼠标，完成一个端口的放置。重复操作，完成所有端口的放置。双击端口，弹出端口属性设置对话框，如图2-39所示。图2-39图纸符号端口属性对话框2．5层次电路图设计设置完成后，放置其它的元器件。完成后进行导线连接，最终的效果图如图2-40所示。图2-40放大调节电路系统图2．5层次电路图设计2.生成子电路原理图在完成电路系统图的绘制以后，即可以根据各个模块绘制相应的子电路原理图，实现电路的详细设计。在模块电路原理图的设计时，子电路文件与系统图各模块有严格的对应关系，其端口也一一对应。⑴在系统框图编辑器中，执行菜单命令Design→CreateSheetFromSymbol，系统进入由系统图创建子电路状态。此时，光标变成十字状。⑵将光标移动到要创建子电路的图纸符号上，单击鼠标左键，系统弹出端口属性选择对话框，如图2-41所示。图2-41端口属性对话框2．5层次电路图设计该对话框询问创建的子电路是否反转端口类型，这里选择No按钮，系统会自动创建一个系统图中模块同名的子电路，并自动打开这个子电路原理图文件，在其工作区域放置了与系统图模块中完全一样的端口，用户不需重新设置端口。在此打开的文件中，用户可以绘制子电路。用同样的方法，绘制另一模块的子电路，完成的子电路分别如图2-42和图2-43所示。图2-42Modulator.schdoc子电路图2-43Amplifier.schdoc子电路2．6辅助工具栏的使用2．6．1绘图工具栏执行菜单命令View→Toolbars→Utilities，打开辅助工具栏，然后单击其中的绘图工具的下拉列表按钮，弹出如图2-44所示的绘图工具栏。图2-44绘图工具栏2．6辅助工具栏的使用2．6．2在原理图中添加文字在原理图中添加文字有两种情况，一种是文字比较少的单行说明文字，往往用在对电路的标注上。另一种是一段说明的文本框，多用在对电路的描述说明上。1．添加文字标注及编辑单击绘图工具栏中的按钮，或者执行菜单Place→TextString，此时光标变成大十字，并附有一个文字串Text。将鼠标指针放置到合适位置，单击完成添加原始文字标注Text，右击或按Esc键退出放置状态。在放置文字状态按Tab键，或者双击放置好的文字，打开其属性设置对话框，如图2-45所示。图2-45文字标注设置对话框2．6辅助工具栏的使用2．添加文本框及编辑添加文字标注用于文字比较少的情况，如果添加的文字比较多，就需要使用文本框。单击绘图工具栏中的按钮，或者执行菜单命令Place→TextFrame，此时光标变成大十字形，并附着一个文本框。将光标移动到合适位置，单击鼠标定义文本框起始点。随后拖动光标在适当位置再次单击，确定文本框大小，完成文本框的放置。在放置文本框状态按Tab键，或者双击放置好的文本框，可打开文本框设置对话框，如图2-46所示。图2-46文本框设置对话框2．7编译项目与生成报表2．7．1编译项目及查错编译项目就是在设计文档中检查原理图的电气规则错误。当原理图绘制完毕后，执行编译项目可以发现原理图中存在的电气规则错误，然后进行更改，直到正确为止。执行菜单命令Project→CompileDocument两级放大.SCHDOC，系统开始编译两级放大电路。当项目被编译时，在项目选项中设置的错误检查都会被启动，同时弹出Message窗口显示错误信息。如果原理图绘制正确，将不会弹出Message窗口。在两级电路图中的电阻R1和R2的编号都编为R1，执行上述操作，将会弹出如图2-47所示的错误检查报告。2．7编译项目与生成报表图2-47错误检查报告2．7编译项目与生成报表通过错误报告中叙述的错误类型可以修改在原理图的错误。在Message对话框中单击一个错误，打开CompileError对话框，如图2-48所示。同时在CompileError对话框显示错误的详细信息。从CompileError对话框中单击错误跳转到原理图的违反对象进行检查或修改。此时修改对象高亮显示，电路图上的其他元件和导线暗显示。图2-48CompileError对话框2．8设置项目选项执行菜单命令Project→ProjectOptions，打开OptionsforProject（规则检查设置）对话框，如图2-49所示。图2-49规则检查设置对话框2．8