[iBoard 电子学堂][第〇卷 电子基础]第二篇 电路图与印刷电路板
一、什么是電路原理圖
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??? 電路原理圖是使用圖形符號按照一定的順序排列，詳細表示電路、設備的基本連接關系，而不考慮實際位置、物理形式的一種簡圖，也常常簡稱電路圖或者原理圖。
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1、原理圖基本元素
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電路原理圖是由原理圖符號、符號之間的電氣連接以及注釋等基本元素組成。原理圖是工程師之間交流、企業技術歸檔、同事之間協同合作的一種最直接的技術手段，所以設計原理圖不但要考慮原理的正確性，更要注意其易讀性和規范性，不要產生歧義。
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??? 原理圖符號是在二維平面內表示電子元器件引腳分布關系的符號，其表征了電子元器件的引腳分布關系或原理性示意圖，不具有物理結構和尺寸特征。原理圖符號由引腳、原理示意圖及注釋三部分組成。我們以發光二級管的符號為例，說一下原理圖符號的結構，如圖一所示。
原理圖符號之間的電氣連接可以通過節點、連線、總線、分頁、端口等方式連接。不同的設計軟件有一定的差異，但大體思路和含義基本一致。
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??? 優秀的原理圖看起來井井有條、通俗易懂；所以必要的標注、注釋是不可忽略的一部分。工程師設計原理圖時，通常采用重點注釋、模塊化分割、功能性分頁等模式，使得原理圖通俗易懂。
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2、常用電路原理圖EDA軟件
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Protel 系列：Protel系列是一款歷史悠久，在國內有眾多用戶的EDA軟件，它占據了國內高校大部分原理圖及印制電路板（PCB）的教學課程。Protel 的后續版本Altium Designer 近幾年發展迅速，目前已經發展到版本 10。是國內電子工程師常用的一款EDA軟件。
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PADS：PADS也是一款常用的EDA軟件，它占用資源少、速度快，提供強大的交互式布局布線功能，易學易用，功能強大，也是最常用的一款EDA軟件之一。
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OrCAD Capture： OrCAD Capture作為行業標準的原理圖輸入方式，是當今世界最流行的原理圖輸入工具之一，它提供了完整的、可調整的原理圖設計方法，并具有簡單直觀的用戶設計界面。OrCAD Capture CIS具有功能強大的元件信息系統，可以在線和集中管理元件數據庫，從而大幅提升電路設計的效率。《iBoard 電子學堂》原理圖就是使用 OrCAD Capture 軟件設計的。
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KiCad EDA Suite： KiCad是一款跨平臺、開源的EDA工具，它提供了MS-Windows和眾多Linux平臺（如Debian、Ubuntu、Fedora、Gentoo、Slackware等）下兼容的開發環境，是一款值得推薦的優良的工具。其網址是：http://kicad.sourceforge.net/ 。
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3、OrCAD Capture 簡易使用步驟
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《iBoard 電子學堂》的原理圖是通過 OrCAD Capture 16.3繪制的，下面我們就通過簡單的步驟來說明繪制原理圖的基本步驟。
安裝： OrCAD軟件功能強大，所以其安裝文件也非常大，通過附帶的光盤安裝完畢后，我們在桌面上（或者開始菜單）能看到快捷方式 ，雙擊打開軟件。界面如下圖所示。
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??? 新建工程： 安裝完畢后，通過點擊菜單 File → New → Project… 來創建工程，如下圖所示。
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點擊后，會出現 NEW Project 對話框，如下圖所示。我們需要在Name 欄里填寫工程名稱，并選擇 Schematic（表示新建一個原理圖），并在Location處選擇我們工程存放的路徑，工程文件夾可以再建立工程之前自行建立，不建議使用漢字作為文件夾名稱。填寫、設置完畢后，點擊OK，則新建了一個空工程。
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??? 新工程原理圖管理如下圖所示，Design Resources 為設計資源，里面包含了原理圖文件（*.DSN）、原理圖符號緩存（Design Cache）和符號庫（Library），我們可以點擊 Library 的右鍵 → Add File自行添加自己的庫。符號庫的擴展名為 OLB。如下圖所示。這里我們添加了我自己的庫wfj.olb。
??? 繪制原理圖： 我們通過雙擊上圖 PAGE1 來打開我們原理圖的第一個頁面，當然，原理圖頁面也可以增加或者自己重命名。這個最小系統需要使用wfj.olb庫，上面已經添加，另外還需要系統庫文件connector.olb和discrete.olb，這兩個庫都在OrCAD Capture的安裝目錄下，大家需要自行添加。
??? 進入繪制區后，我們選擇菜單Place → Part 來放置符號（或者快捷鍵 PP），通過選擇菜單Place → Power 來放置電源符號（或者快捷鍵PF）,通過選擇菜單Place → Ground來放置地符號（或者快捷鍵PG），選擇菜單Place → Wire 來放置連線（或者快捷鍵W），選擇菜單Place → Junction 來放置節點（或者快捷鍵J），選擇菜單Place → No Connect來放置端口不連接（或者快捷鍵 X）。
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??? 這里我們就以單片機最小系統為例，來繪制一個簡單的原理圖。此原理圖包含了下面幾類符號：
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| 符號名稱 | 所 在 庫 | PCB庫 | 備 注 |
| PP2 | wfj.olb | POWER_PLUG | 電源插頭 |
| EC | wfj.olb | AEC6.5 | 電解電容 |
| R | wfj.olb | 0603 | 電阻 |
| C | wfj.olb | 0603 | 瓷片電容 |
| HEADER 3 | Connector.olb | XH3PL | 單片機 UART下載口 |
| LED | wfj.olb | LED0603 | 發光二級管 |
| STC10L04 | wfj.olb | TQFP-44 | 單片機 |
| ZTA | discrete.olb | CY_2S | 晶振 |
| DCOM | wfj.olb | - | 系統數字地 |
| VCC | wfj.olb | - | 系統電源 |
繪制完成后，如下圖所示。
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??? 通過雙擊器件，并編輯器屬性項 “PCB Footprintf”來添加PCB 封裝，每個元器件的PCB封裝如上表所示。原理圖編輯完畢后，我們還需要對所有符號重新標號、DRC檢查等工作。這里就不再敘述。
??? 導出PROTEL網絡表： 原理圖繪制完畢后，我們需要導出網絡表，供PCB 設計軟件使用。OrCAD強大的網絡表處理能力，使得他能與市面上大部分PCB 軟件相連，這里我們以Protel 99Se為例，來導出網絡表。導出網絡表通過菜單Tools → Create Netlist，來打開導出網絡表對話框，如下圖所示。我們需要選擇到 Other選項，并選擇 orprotel2.dll格式，然后點擊確定。如果過程中沒有錯誤，則可以完美地導出網絡表文件：orcad_demo.net，存放于工程文件管理 Outputs樹形結構下。至此，原理圖繪制完畢。
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二、印刷電路板
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??? 印刷電路板，又稱印制電路板或者PCB（Printed Circuit Board），是電子元件的支撐體，也是電子元器件線路連接的提供者，它采用印刷腐蝕的工藝，完成線路。目前PCB工藝已非常成熟。
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1、印刷電路板組成
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印刷電路板包含以下組成部分：
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線路與圖面（Pattern）：線路作為元器件之間導通的途徑，圖面為滿足特殊需要做出來的焊盤、大面積覆銅、填充等，線路和圖面是同一個工藝步驟制作出來的。
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介電層（Dielectric）：為了連接、體積及信號的需要，印刷電路板一般包含多層，層與層之間通過介電層連接，俗稱基材。目前常用的基材為紙基、環氧玻纖布、復合基材和特種基材等多種類型。
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過孔（Through Hole/Via）：過孔是層與層電氣連接的途徑，多層板中，那些不全通透的過孔我們稱之為盲孔。
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阻焊濟（Solder Mask）：為了避免非接通部分短路，我們把除了焊盤等需要焊接的地方圖上阻焊濟（俗稱綠油），來達到防止短路的目的。阻焊濟的顏色有多種，另由于阻焊濟占用面積較大，所以平時我們看到PCB顏色就是阻焊濟的顏色。
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絲印（Silk Screen）：用來標示器件物理邊框及注釋的印刷層叫絲印層。通過絲印層，可以方便焊接、調試及組裝等工作。絲印層不參與電氣連接，只是注釋，所以為非必要組成部分。為了方便辨識，絲印層一般為白色。
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表面處理（Surface Finish）：由于銅面易氧化，導致焊接不良，所以PCB制作過程中，一般會對焊盤進行噴錫、鍍金、沉金等工藝。《iBoard 電子學堂》為了保證焊盤的平整性，我們采用了沉金工藝。
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2、基于Protel99Se的PCB設計步驟
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安裝軟件：安裝配套光盤里的Protel99se軟件。完成后，桌面上會有圖標 ，我們雙擊打開進入軟件，界面如下圖所示。
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??? 建立工程：通過點擊 File → New功能，來新建一個工程數據庫，如下圖所示。這里我們需要自己命名工程文件，例如PCB_DEMO.DDB，并選擇合適的本地路徑。
??? 點擊“OK”后，進入工程管理界面，我們雙擊 Documents 目錄，進入后，通過鼠標右鍵功能的 “New” 功能，打開新建文件對話框。如下圖所示。我們選擇 PCB Document，并點擊“OK”。PCB文檔建立完畢后，我們需要把剛才 OrCADCapture 原理圖工具生成的網絡表也導入到工程內。方法為：鼠標右鍵→ Import 來導入網絡表（*.net）文件。
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??? 導入網絡表：雙擊 PCB 文件，進入 PCB 編輯模式。首先我們要導入網絡表，通過Design→Netlist manager（或者快捷鍵 DN）進入網絡表管理對話框，如下圖所示。
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通過選擇 Browse 來選擇剛才導入到網絡表文件（orcad_demo.net），如果原理圖的PCB封裝填寫無誤，則可以順利執行，如圖所示。點擊 Execute，執行網絡表的導入。
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這樣，我們的器件就完全導入到了PCB文件內，值得注意的是，PCB當前視圖可能不太適合觀看到導入的器件，我們通過快捷鍵 VF 來顯示全部器件，或者通過 Page Up來放大顯示視圖、通過Page Down來縮小顯示視圖。
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在PCB編輯的下方，有層選擇欄，如下圖所示，含義如下表所示：
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| 圖 層 | 名 稱 | 含 義 |
| Tolayer | 頂層 | PCB頂層布線層 |
| BottomLayer | 底層 | PCB 底層布線層 |
| Mechanical1 | 機械層1 | 機械層1 |
| TopOverlay | 絲印層 | 絲印層，用于注釋或者元器件符號標示 |
| KeepOutlayer | 禁止布線層 | 國內一般用于PCB 邊框切割 |
| MultiLayer | 多層 | 多層，一般用于過孔 |
???? 繪制邊框：繪圖時，不同的圖層代表不同的含義。首先，我們需要為PCB 繪制邊框。我們需要吧圖層切換到 KeepOutlayer。這里我們繪制 50cmx50cm的正方形作為邊框。如下圖所示。
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??? 布局：通過操作，把器件合理地分布在邊框內為布局階段。這里我們要遵守疏密合理，電氣連接近的放在一起，并保證按功能模塊化等約束條件。布局的好壞直接影響下面的步驟，一般的 PCB 設計過程，布局至少要占到 1/3的工作量。完成后如下圖所示。
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???? 布線：布線是整個PCB繪制的一個重要環節，也是工作量最大的一個環節，目前我們線寬采用英制單位（mil），一般地，數字線路可以從 6~12mil，模擬電路根據流過的電流大小，我們設定10~20mil，功率線路（電源、地等）主干至少要30mil以上。通過快捷鍵 PT 我們來布線，由于此電路簡單，我們使用雙面板（即兩層板）就可以完成功能。可以布線的層分別為 TopLayer（頂層，這里為紅線）和BottomLayer（底層，這里為藍線）。
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??? 放置過孔：如果底層和頂層需要電氣連接，則我們需要放置過孔（via），快捷鍵為 PV。過孔具有兩個屬性分別為外徑和內徑大小，這里我們取30mil和15mil。
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??? 覆銅：由于此電路較簡單，并且均為數字電路，所以我們頂層走線，底層大面積覆銅（作為系統地）。覆銅的方法為快捷鍵 PG，進如覆銅對話框后，選擇 DCOM 網絡并把層設置為BottomLayer，如下圖所示。
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??? DRC：PCB 布線是一個細致的工作，靠人眼睛很難觀測到是否布線完畢，是否有不符合規則的部分，所以布線完成后我們要做 DRC （Design Rule Check），來檢查是否有瑕疵。DRC的命令為 TD快捷鍵，按下后，會顯示下面對話框，我們按下 Run Check按鈕來進行 DRC 操作。操作完畢后，會生成一個報表，通過報表我們可以檢測一些不符合規則的屬性及錯誤（例如短路、斷路、器件重疊、線寬不符和要求、焊盤不符合要求等屬性，這些屬性我們都可以更改，具體方法請參考別的資料）。
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????? 至此，我們就完成了一個簡單的PCB流程。最終完成圖如下圖所示。
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的[iBoard 电子学堂][第〇卷 电子基础]第二篇 电路图与印刷电路板的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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