電路設(shè)計(jì)與制作（含活頁式實(shí)訓(xùn)工單） 課件 項(xiàng)目5 任務(wù)2 原理圖的繪制

項(xiàng)目5電路PCB設(shè)計(jì)任務(wù)2原理圖的繪制任務(wù)描述本任務(wù)使用Kicad來創(chuàng)建電路原理圖。在繪制原理圖時(shí)，需要理解并準(zhǔn)確表達(dá)電路的功能和連接關(guān)系，包括各個(gè)元件的類型、數(shù)量、引腳連接方式以及信號(hào)流動(dòng)方向等。任務(wù)以隔離控制器電路為案例，在完成其原理圖繪制后，還需要對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證和修改，以確保設(shè)計(jì)的正確性和可靠性。知識(shí)儲(chǔ)備一、KICAD的工程創(chuàng)建目前，設(shè)計(jì)PCB的輔助設(shè)計(jì)工具很多，這些軟件基本都包含了原理圖繪制與PCB布局布線兩大主要功能，為了滿足設(shè)計(jì)需求，不少軟件陸續(xù)開發(fā)除了電器規(guī)則檢查、設(shè)計(jì)規(guī)則檢查等輔助性功能。KiCad是一款開源軟件，功能齊全，無需額外付費(fèi)，在官網(wǎng)中便可以直接下載、安裝和使用。其包含了一些有助電路和PCB設(shè)計(jì)的使用程序，可利用PCB計(jì)算器以確定電路結(jié)構(gòu)電器特性、利用Gerber查看器檢查制造文件、利用3D查看器確定可視化成品以及利用集成SPICE仿真器檢查電路行為。Kicad支持多平臺(tái)，在Windows、Linux和Mac系統(tǒng)中均能運(yùn)行。一、KICAD的工程創(chuàng)建Kicad的工作流程主要包括繪制原理圖和布局PCB。在原理圖中，包含了每個(gè)元件的符號(hào)與引腳連接，其中，原理圖符號(hào)是元件的象形表示。而PCB則是原理圖的物理實(shí)現(xiàn)，將元件的封裝放置在途中，利用銅線進(jìn)行引腳連接，在后期PCB板被制造和組裝時(shí)，對(duì)應(yīng)的元件將會(huì)被焊接在PCB對(duì)應(yīng)的封裝位置上。一、KICAD的工程創(chuàng)建Kicad工程包含了工程文件、原理圖、PCB布局等文件夾，也支持選擇和添加符號(hào)、封裝庫、仿真數(shù)據(jù)、采購信息等其他相關(guān)文件夾。為避免設(shè)計(jì)信息的丟失，所有工程文件應(yīng)當(dāng)存于同一位置。一、KICAD的工程創(chuàng)建設(shè)計(jì)之初，需要新建工程，打開Kicad，點(diǎn)擊文件→新建工程即可，如圖5-6所示，選擇要保存文件路徑，并命名工程，如“test”。需要注意的是，確保勾選“為工程創(chuàng)建一個(gè)新目錄”，再進(jìn)行保存。注意：工程文件的保存路徑不能有中文，空格，“、”等符號(hào)，否則會(huì)有錯(cuò)誤。一、KICAD的工程創(chuàng)建工程創(chuàng)建完畢后，文件窗將列出當(dāng)前新工程所包含的文件，如圖5-7所示。其中，Kicad的工程文擴(kuò)展名為.kicad_pro，PCB文件的擴(kuò)展名為.kicad_pcb，原理圖文件的擴(kuò)展名為.kicad_sch，后續(xù)將在對(duì)應(yīng)的文件中進(jìn)行PCB或原理圖設(shè)計(jì)。二、原理圖的繪制原理圖在整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中起著極其重要的作用，若原理圖的設(shè)計(jì)出現(xiàn)問題，也將影響后續(xù)PCB的布局、布線，最壞的情況下，整個(gè)產(chǎn)品會(huì)無法按照預(yù)想正常工作。因此，需要在確定好設(shè)計(jì)方法、功能模塊框圖、元件選型、模塊之間的聯(lián)系方式等后，再繪制原理圖。一個(gè)好的產(chǎn)品原理圖，不僅需要設(shè)計(jì)者能看懂，也要讓別人閱讀輕松。1.頁面設(shè)置合適的頁面不僅方便布局，提高工作效率，也能降低繪制出錯(cuò)的概率。點(diǎn)擊文件→頁面設(shè)置，或雙擊頁邊，即可打開頁面設(shè)置，選擇合適的頁面大小、頁面的橫/縱向等，如圖5-8所示。1.頁面設(shè)置在進(jìn)行實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)時(shí)，常出現(xiàn)多人協(xié)同操作的情況，為了便于后續(xù)修改，需要對(duì)頁面右下角的標(biāo)題塊（常稱為titleblock）進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范。標(biāo)題塊內(nèi)容包括發(fā)行日期、修訂、標(biāo)題、廠商、注釋等內(nèi)容，在頁面設(shè)置中填入相關(guān)內(nèi)容，最終如圖5-9所示。2.原理圖符號(hào)的放置原理圖符號(hào)能夠?qū)⒃圆煌膱D形進(jìn)行表現(xiàn)，它是原理圖的基本元素。KiCAD有著集成化的元件庫管理平臺(tái)，其中不僅包含了各種元件的原理圖符號(hào)，也包含了其對(duì)應(yīng)的PCB封裝，這些存放圖形的模塊，常稱為庫。KiCAD提供了10000多個(gè)原理圖符號(hào)進(jìn)行選擇，并對(duì)其進(jìn)行分類，以便設(shè)計(jì)者可以快速查找，并支持直接搜索。2.原理圖符號(hào)的放置點(diǎn)擊頁面右側(cè)添加符號(hào)按鈕或按A，即可打開選擇符號(hào)對(duì)話框。第一次打開對(duì)話框，需要配置全局封裝庫表，Kicad手冊(cè)推薦選擇“復(fù)制默認(rèn)全局封裝庫表”，若出現(xiàn)該選項(xiàng)無法選擇的情況，可選擇“復(fù)制自定義全局封裝庫表”，在“選擇全局封裝庫表文件”處，選擇fp-lib-table文件，如圖5-10所示。2.原理圖符號(hào)的放置選擇符號(hào)對(duì)話框列出了當(dāng)前可用的符號(hào)庫及包含的元件符號(hào)。點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的元件符號(hào)，不僅可以查看其原理圖符號(hào)、PCB封裝，還顯示了對(duì)應(yīng)元件的描述。以STM32F103C8TX芯片為例，展開MCU_ST_STM32F1庫，選擇對(duì)應(yīng)芯片，可查看其符號(hào)、封裝與基本信息，例如64KCflash，8KBRAM等，如圖5-11所示，點(diǎn)擊確定便可將該元件符號(hào)放入原理圖中。2.原理圖符號(hào)的放置Kicad還支持直接搜索元件，以添加電阻為例，在頂端搜索框輸入R，將立刻跳轉(zhuǎn)最優(yōu)搜索結(jié)果，如圖5-12所示2.原理圖符號(hào)的放置直接搜索R將出現(xiàn)IEC風(fēng)格的矩形電阻符號(hào)，搜索R_US將跳轉(zhuǎn)至ANSI風(fēng)格的人字形電阻，如圖5-13所示。2.原理圖符號(hào)的放置若后續(xù)想要更改元件符號(hào)的位置，可單擊符號(hào)選擇對(duì)象，或利用拖動(dòng)選擇被包圍的符號(hào)進(jìn)行移動(dòng)，也可利用快捷鍵M移動(dòng)選中對(duì)象，選擇符號(hào)時(shí)，建議選擇整個(gè)符號(hào)形狀本身，若只選擇文本字段，后續(xù)操作將只針對(duì)該文本，而不是符號(hào)。2.原理圖符號(hào)的放置原理圖符號(hào)要求其名字編號(hào)、屬性（輸入、輸出、三態(tài)等）準(zhǔn)確無誤。每一個(gè)元件在圖中都有著自己獨(dú)特的“名字”，稱為參考標(biāo)號(hào)，通常由字母和數(shù)字組合而成。這種方式不僅能夠標(biāo)識(shí)元件的類型，也能夠保證命名的唯一性。以圖5-14中電容為例。2.原理圖符號(hào)的放置電容的參考標(biāo)識(shí)為C，整個(gè)電路存在著多個(gè)電容元件，那么將它們按照一定的順序，命名為C1、C2、C3……需要注意的是，有些元件的參考標(biāo)識(shí)并不是唯一的，例如芯片在有的圖中，前綴標(biāo)識(shí)為U，有的圖中，則標(biāo)識(shí)為IC。但不論是哪種標(biāo)識(shí)，都可以根據(jù)其形狀和符號(hào)來判斷出元件所屬類型。常用的元件類型與對(duì)應(yīng)的參考標(biāo)號(hào)見表5-1。參考標(biāo)識(shí)元件類型參考標(biāo)識(shí)元件類型參考標(biāo)識(shí)元件類型BT電池J/P連接器R電阻C電容K繼電器S/SW開關(guān)D二極管L電感U變壓器F熔絲Q三極管Y/XTAL晶體表5-1原理圖符號(hào)的類型與對(duì)應(yīng)的參考標(biāo)識(shí)2.原理圖符號(hào)的放置對(duì)于不同的元件，屬性中Value的定義也不盡相同。對(duì)于電阻、電容、晶振等元件來說，Vaule可以表示元件的具體的值，例如多少歐姆、法拉、赫茲。對(duì)于集成電路等元件，Value可用于表示芯片的型號(hào)。因此，Vaule也是原理圖符號(hào)的一個(gè)重要特征，如圖5-15所示。3.原理圖符號(hào)的放置目前市場(chǎng)上的元件類型有成千上萬種，而KiCAD自帶原理圖庫的類型有限，因此也支持自己繪制符號(hào)或在原有符號(hào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。在繪制時(shí)需要注意符號(hào)的輪廓，能從一定方面體現(xiàn)元件的功能，對(duì)于引腳的命名、編號(hào)、屬性也要明確。3.原理圖符號(hào)的放置如圖5-16所示，LM5007MM芯片的輪廓以長(zhǎng)方形表示，每個(gè)引腳按照順序進(jìn)行排列，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，每個(gè)引腳的也有著自己的命名，并可以選擇標(biāo)明其輸入\輸出，也可以不標(biāo)注。在繪制完成后，要對(duì)照數(shù)據(jù)手冊(cè)檢查符號(hào)，如果其中一個(gè)引腳出現(xiàn)問題，整個(gè)電路設(shè)計(jì)都會(huì)失敗，因此，尤其要注意校對(duì)引腳的數(shù)量和屬性。3.原理圖符號(hào)的放置隨著元件的集成度越來越高，一些元件需要拆分為多個(gè)符號(hào)。在同一個(gè)原理圖中，同屬一個(gè)元件的符號(hào)編號(hào)應(yīng)當(dāng)是一致的。3.原理圖符號(hào)的放置在Kicad的原理圖中選擇偏好設(shè)置→管理符號(hào)庫，可以查看或編輯原理圖庫，如圖所示。庫路徑為一系列路徑變量，用戶在遷移庫時(shí)，便無需修改庫表，只要重新定義變量即可。路徑替代變量可以點(diǎn)擊偏好設(shè)置→配置路徑進(jìn)行編輯。${KIPRJMOD}變量為當(dāng)前工程所在位置，可存儲(chǔ)該工程專用庫。同時(shí)，也支持用戶導(dǎo)入新庫，如圖5-17所示。3.原理圖符號(hào)的放置若設(shè)計(jì)者需要自定義符號(hào)庫，在工程管理中打開符號(hào)編輯器，點(diǎn)擊文件→新建庫，并選擇工程，可選擇在全局/工程創(chuàng)建新庫，并命名庫文件，后綴為.kicad_sym。確認(rèn)后，符號(hào)編輯器左側(cè)將會(huì)出現(xiàn)新建的庫。選擇對(duì)應(yīng)的庫，右鍵，點(diǎn)擊新建符號(hào)，則可以設(shè)置元件的名稱、位號(hào)等。以芯片AMS1117為例，輸入芯片名稱，同時(shí)，芯片的位號(hào)應(yīng)為U，所以默認(rèn)位號(hào)輸入U(xiǎn)，其他字段保持默認(rèn)，如圖5-18所示。3.原理圖符號(hào)的放置在右側(cè)工具欄選擇繪制矩形框，畫出AMS1117芯片符號(hào)的大小。點(diǎn)擊右側(cè)工具欄上的添加引腳按鈕，將會(huì)跳出對(duì)話框，進(jìn)行引腳屬性的設(shè)置，以1號(hào)引腳為例，通過查閱資料，引腳名稱設(shè)置為GND，引腳編號(hào)為1，電氣類型選擇輸入，方向選擇上，點(diǎn)擊確定以后，即可返回畫布，引腳將跟隨光標(biāo)移動(dòng)，點(diǎn)擊引腳應(yīng)當(dāng)所在位置，即可設(shè)置位置，如圖5-19所示。若添加第二個(gè)引腳，可重復(fù)上述操作，也可按快捷鍵Insert，新引腳將被添加到符號(hào)中，雙擊引腳可設(shè)置相關(guān)屬性。3.原理圖符號(hào)的放置畫布中符號(hào)的移動(dòng)與網(wǎng)格相關(guān)，符號(hào)需要方式在網(wǎng)格線上，因此，如果想要符號(hào)緊密或移動(dòng)幅度減小，需要在網(wǎng)格子菜單中選擇更小的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊文件→符號(hào)屬性可編輯庫符號(hào)屬性，也可直接雙擊畫布。如圖所示，將值改為AMS1117，關(guān)鍵詞可輸入其他內(nèi)容，也可輸入AMS1117，用于快速搜索該符號(hào)。確定以后，查看圖形，若值與符號(hào)重疊，可移動(dòng)值的位置，如圖5-20所示。4.關(guān)聯(lián)封裝每個(gè)元件都有對(duì)應(yīng)的封裝。與原理圖符號(hào)不同，封裝將實(shí)際電子元件的大小、長(zhǎng)款、直插、貼片等參數(shù)以圖形的方式表現(xiàn)。正如前文所述，以電阻為例，其分為直插式與貼片式，盡管原理圖符號(hào)相同，但封裝圖形有所區(qū)別，甚至貼片式封裝也有著多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，如圖5-21所示。封裝的選擇會(huì)影響后續(xù)元件的采購、焊接，因此需結(jié)合成本、精度，其對(duì)應(yīng)的元件采購的數(shù)量與難易程度，因此，并盡可能選擇常用的封裝類型。（a）直插式封裝（b）貼片式封裝（c）貼片式封裝4.關(guān)聯(lián)封裝同樣地，元件的封裝庫也支持設(shè)計(jì)者添加或新建，操作與原理圖符號(hào)庫內(nèi)容類似，此處不再贅述，主要講解封裝的繪制。如原理圖符號(hào)創(chuàng)建，新建元件封裝之前需要?jiǎng)?chuàng)建新庫，并新建封裝，對(duì)其命名，注意選擇封裝類型為貼片/通孔。4.關(guān)聯(lián)封裝繪制封裝之前，需要查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)，了解元件的尺寸與排布，所用的AMS1117芯片封裝數(shù)據(jù)如圖5-22所示。4.關(guān)聯(lián)封裝選擇圖層F.Cu，點(diǎn)擊右側(cè)工具欄添加焊盤。一般來說，引腳1放置于（0，0）處，根據(jù)手冊(cè)數(shù)據(jù)可知，窄焊盤寬度b大小為0.6-0.82mm，長(zhǎng)度L為1.75。為了方便焊接，在實(shí)際繪制封裝時(shí)，焊盤寬度與長(zhǎng)度都會(huì)大于數(shù)據(jù)，雙擊焊盤設(shè)置其屬性，編號(hào)為1.位置為（0，0），尺寸X（對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)L長(zhǎng)度）為2mm，Y（對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)b寬度）為1.5mm，如圖5-23所示。按該步驟，根據(jù)對(duì)應(yīng)，同樣可以設(shè)置其余焊盤大小。4.關(guān)聯(lián)封裝根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，兩焊盤中心距離e為2.3mm，在設(shè)置焊盤間距時(shí)，一定要精準(zhǔn)，避免焊盤與實(shí)際引腳無法一一對(duì)應(yīng)。在Kicad默認(rèn)的坐標(biāo)系中，正Y軸的方向是向下的。已知焊盤1中心坐標(biāo)為（0，0），焊盤2中心與焊盤1中心相距2.3mm，因此，焊盤2可設(shè)置位置參數(shù)中的Y值為2.3mm，以此類推，最終效果如圖5-24所示。4.關(guān)聯(lián)封裝完成焊盤的繪制與位置確定后，選擇圖層F.Fab，畫出準(zhǔn)確的元件邊框，根據(jù)手冊(cè)中E1與D的大小，繪制寬3.7mm、長(zhǎng)6.6mm的矩形框，放置焊盤之間。選擇絲印層F.Silkscreen，絲網(wǎng)的邊框應(yīng)在元件邊框之外，絲印可圍繞全元件，也可繪制部分，此處繪制部分絲印，并標(biāo)明1號(hào)焊盤，絲網(wǎng)線向外移動(dòng)0.11mm左右。最終選擇F.Courtyard層，繪制邊框以防止后續(xù)布局時(shí)與其它封裝重合，該邊框與內(nèi)部邊框之間間隙應(yīng)為0.25mm左右。如圖5-25效果所示。4.關(guān)聯(lián)封裝封裝完成以后，回到符號(hào)編輯器中，打開芯片封裝，可編輯符號(hào)屬性，點(diǎn)擊封裝字段和封裝旁的庫圖標(biāo)，找到新建的封裝庫與繪制的封裝，雙擊確定后，保存設(shè)置，如圖5-24所示。此時(shí)，原理圖符號(hào)與封裝符號(hào)已相關(guān)聯(lián)，后續(xù)添加該原理圖符號(hào)時(shí)，將會(huì)默認(rèn)分配所選封裝。4.關(guān)聯(lián)封裝封裝繪制步驟較為復(fù)雜，需要查閱相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)與數(shù)學(xué)計(jì)算，容易造成失誤，因此如有可能，建議搜索已有封裝，將其添加入庫中，進(jìn)行關(guān)聯(lián)。4.關(guān)聯(lián)封裝在KiCAD中，可統(tǒng)一進(jìn)行所有符號(hào)的封裝管理，選擇相應(yīng)的封裝。而軟件本身自帶的封裝庫數(shù)量有限，有些元件的封裝不在庫當(dāng)中。此時(shí)，可以自己根據(jù)手冊(cè)繪制封裝，也可以上網(wǎng)搜索元件的封裝，在軟中配置好封裝庫的路徑，再進(jìn)行選擇，如圖5-25所示。5.原理圖的布線在原理圖中，元件的引腳只要連接在一起，便可視為一個(gè)Net。目前，常用兩種方法實(shí)現(xiàn)連接：（1）采用直線將相應(yīng)的引腳進(jìn)行連接；（2）對(duì)引腳標(biāo)注NetName，即使引腳間沒有用直線連接，系統(tǒng)也會(huì)默認(rèn)同一Net下的引腳之間相互連接。如圖5-26所示，原理圖模塊內(nèi)的元件采用直線連接，模塊間的連接關(guān)系使用Net標(biāo)注，避免整個(gè)原理圖顯示的雜亂，不利于后續(xù)修改。5.原理圖的布線若利用Net標(biāo)簽進(jìn)行連接，需采用字母和數(shù)字的組合對(duì)NetName命名，在進(jìn)行標(biāo)注時(shí)，命名要易懂，尤其注意拼寫是否正確，如圖5-27所示。點(diǎn)擊右側(cè)工具欄的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽，輸入標(biāo)簽名稱，點(diǎn)擊確定后，將標(biāo)簽左下角的方形連接點(diǎn)與導(dǎo)線重合后，即可放入原理圖中。5.原理圖的布線若利用直線進(jìn)行連接，點(diǎn)擊右側(cè)工具欄上的添加導(dǎo)線或快捷鍵W，通過單擊對(duì)應(yīng)的符號(hào)引腳或雙擊任何地方完成畫導(dǎo)線。除此以外，將鼠標(biāo)懸停在未連接的引腳后，光標(biāo)若發(fā)生變化，則代表可從該引腳進(jìn)行導(dǎo)線的繪制，點(diǎn)擊后便會(huì)自動(dòng)畫導(dǎo)線。5.原理圖的布線采用直線可以將多個(gè)元件端子直接連接在一起，并形成帶有實(shí)心圓點(diǎn)的十字交叉，這個(gè)實(shí)心圓點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，如圖5-28所示。穿過這個(gè)節(jié)點(diǎn)的直線都是相互連接的，如圖5-29所示，U19芯片的2號(hào)引腳與3號(hào)引腳之間連接，同時(shí)，2號(hào)引腳還將與其他元件連接。5.原理圖的布線如果兩條線的十字交叉沒有節(jié)點(diǎn)，則認(rèn)為連接線都是相互獨(dú)立的，未形成任何類型的連接。如5-29圖所示，D21的一端與VSS連接，另一端與U19的6號(hào)引腳連接，與7號(hào)引腳無任何連接關(guān)系。同理，D23的一段與6號(hào)引腳連接，與7號(hào)相互獨(dú)立，另一端與7號(hào)引腳和F2連接。6.層級(jí)設(shè)計(jì)對(duì)于簡(jiǎn)單的電路，往往一張?jiān)韴D紙就足以放置，這種原理圖稱為平坦式電路圖。但是，如果電路系統(tǒng)復(fù)雜，就不得不擴(kuò)展圖紙覆蓋區(qū)域放置元件的連接。盡管KiCAD允許用戶自定義圖紙，但會(huì)顯得整個(gè)圖紙比較雜亂，后續(xù)繪制、修改也很麻煩，更不利于實(shí)際打印。而KiCAD只允許在同一工程下添加一個(gè)原理圖，因此，常采用軟件自帶的原理圖分層功能，這種原理圖稱為層級(jí)式電路圖。6.層級(jí)設(shè)計(jì)如圖5-30所示，利用分層設(shè)計(jì)方式繪制電路圖時(shí)，按模塊功能進(jìn)行層級(jí)設(shè)計(jì)，分層的名稱不可重復(fù)，并且通俗易懂。每個(gè)層級(jí)式電路圖只有一個(gè)根目錄，可稱為父工作表，而可以擁有多個(gè)子工作表。6.層級(jí)設(shè)計(jì)父工作表和子工作表可以利用全局標(biāo)簽和層次標(biāo)簽來建立不同層次的電氣連接，圖5-31為父工作表，以communicate為例，繪制好分層圖框以后雙擊，將會(huì)進(jìn)入新的界面，便可繪制子工作表的內(nèi)容。6.層級(jí)設(shè)計(jì)在子工作表中，可以相應(yīng)放置元件，進(jìn)行連接。如圖5-32所示，以communicate子工作表為例，若想要和父工作表建立不同層次之間的電氣連接，還需要放置標(biāo)簽。標(biāo)簽可分為全局標(biāo)簽與層次標(biāo)簽，前者可連接所有層次結(jié)構(gòu)中的信號(hào)，后者僅在工作表內(nèi)連接信號(hào)，并連接到父工作表的引腳。為了凸顯分層原理圖的工作表框架清晰明了，很少使用全局標(biāo)簽。6.層級(jí)設(shè)計(jì)類似于Net，標(biāo)簽的命名也是由數(shù)字、字母組合而成，相同命名的標(biāo)簽可視為具有電氣連接。如圖5-33所示，還可對(duì)標(biāo)簽的文本大小、方向、樣式和形狀進(jìn)行設(shè)置，在進(jìn)行形狀設(shè)置時(shí)，要關(guān)注其輸入輸出狀態(tài)。除此以外，在父工作表中，還允許添加層次引腳，進(jìn)而引出連線，添加網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽，從而建立電氣連接。7.