如何绘制和设计PCB原理(lǐ)图？

2021-04-01

如何绘制和设计PCB原理(lǐ)图？

甲示意图是電(diàn)气電(diàn)路的逻辑和视觉表示。这是電(diàn)子产品设计的第一步。以前，设计人员曾经在纸上绘制電(diàn)路图。现在，设计人员已开始使用(yòng)PCB设计工具（M-CAD和E-CAD），这些工具简化了设计过程。建议设计人员遵循标准原理(lǐ)图指南，以进行结构合理(lǐ)且无错误的设计。

如今，设计人员使用(yòng)大量的EDA（電(diàn)子设计自动化）工具，例如Altium，Allegro，Pads，Kicad，Tinycad，Express PCB等。这些设计工具可(kě)确保原理(lǐ)图電(diàn)路无差错，因為(wèi)它们可(kě)以持续监视逻辑和连接错误。设计人员需要遵循标准设计规则，以使電(diàn)路可(kě)机读。 

原理(lǐ)图的重要性是什么？

原理(lǐ)图是PCB设计的重要方面之一。一个好的示意图显示了结构良好的電(diàn)路图，清楚地描绘了各种電(diàn)子组件之间的電(diàn)连接。还应注意，技术上正确但拥挤的原理(lǐ)图仍然是不好的，因為(wèi)它可(kě)能(néng)会使设计人员感到困惑。原理(lǐ)图可(kě)以找出電(diàn)路中的连接，因此是一种非常有(yǒu)价值的故障排除工具。

绘制PCB原理(lǐ)图的准则

為(wèi)了获得成功的设计，请遵循以下标准原理(lǐ)图指南。 

页面大小(xiǎo)选择

大多(duō)数设计工具提供不同的页面大小(xiǎo)。通常，这些工具会将页面大小(xiǎo)选择為(wèi)A4。但是，应该注意，其他(tā)各种页面大小(xiǎo)也是可(kě)用(yòng)的。设计人员应根据電(diàn)路设计的大小(xiǎo)选择大小(xiǎo)。

页面命名约定

原理(lǐ)图的逻辑块应以页分(fēn)隔。可(kě)以使用(yòng)字母A，B，C等来命名页面。这样，我们可(kě)以按字母顺序放置页面。这种命名约定的示例如下所示。

A_框图

B_電(diàn)源

C_ MCU接口

D_Memory接口

E_修订记录

大多(duō)数设计人员经常忽略框图和修订历史记录，以节省时间。但是，它们对于尝试理(lǐ)解原理(lǐ)图的其他(tā)设计师可(kě)能(néng)非常有(yǒu)帮助。大多(duō)数基于产品的组织都强制执行所有(yǒu)此类协议和法规。

网格设置

尽管这不是设计人员的直接要求，但该工具需要具有(yǒu)一些参考。因此，遵循网格系统。拥有(yǒu)网格可(kě)以帮助设计人员正确引用(yòng)零件并进行连接。電(diàn)路组件和连接必须始终在网格上，这有(yǒu)助于在分(fēn)析过程中探测网络。

页面标题栏

页面标题栏位于原理(lǐ)图页面的页脚中。最好填写所有(yǒu)必需的详细信息，例如页面大小(xiǎo)，更新(xīn)日期，修订版，文(wén)档编号，電(diàn)路的名称/功能(néng)以及公司免责声明。标题栏的示例如下所示。

原理(lǐ)图中的页面标题栏

注释/评论

设计人员需要编写有(yǒu)关電(diàn)路的必要注释。注释可(kě)以写在独立文(wén)档或原理(lǐ)图页面上。通常，在复杂设计的单独页面上提供了注释。注释示例包括跳線(xiàn)状态，PCB布局约束/准则等。带有(yǒu)注释的原理(lǐ)图可(kě)以在下面看到。

带有(yǒu)注释和注释的示意图

修订记录

修订历史记录包含对设计所做的更改。本文(wén)档提供信息，例如所做更改的日期和说明，作者和审阅者的姓名，以及审阅注释（如果有(yǒu)）。修订历史记录通常位于原理(lǐ)图的第一页或最后一页。原理(lǐ)图修订历史的示例如下所示。

原理(lǐ)图的修订历史

示意图文(wén)件目录

目录列出了原理(lǐ)图文(wén)档中存在的主题。拥有(yǒu)此页面可(kě)帮助设计人员轻松地在复杂的大型设计中定位特定的模块。如果设计小(xiǎo)而简单，则可(kě)以跳过此步骤。下面给出了ToC的示例。

原理(lǐ)图文(wén)件的目录

框图

该框图表示设计和信号流中的不同模块。这极大地帮助了审阅者理(lǐ)解设计以便进行审阅。可(kě)以在下面看到示意性框图的示例。

原理(lǐ)图的框图
分(fēn)层原理(lǐ)图设计

如果设计复杂并且包含许多(duō)模块，则最好具有(yǒu)分(fēn)层设计。分(fēn)层示意图清楚地显示了从一个模块到另一个模块的信号流，如下所示。通过单击分(fēn)层示意图中的相应模块，可(kě)以访问每个模块的详细视图。

分(fēn)层原理(lǐ)图设计

组件引用(yòng)

下表显示了常用(yòng)電(diàn)子部件的名称，以及在任何示意图中使用(yòng)的相应電(diàn)子参考标记。根据IEEE标准分(fēn)配代号。建议使用(yòng)其标准参考标记来命名组件。另外，请始终使用(yòng)大写字母来指定原理(lǐ)图符号。

零件	参考代号	零件	参考代号	零件	参考代号
電(diàn)阻器	[R	插头/连接器	P / CON	電(diàn)源	聚苯乙烯
電(diàn)容器类	C	跳線(xiàn)	J.P	水晶	X或Y
二极管/ LED	d	電(diàn)缆/電(diàn)線(xiàn)	w ^	震荡器	OSC
齐纳二极管	ž	测试点	p	散热器	H
電(diàn)阻网络	n	中继	ķ	基准的	Fd
電(diàn)感/磁珠	大号	保险丝	F	蜂鸣器/扬声器	最小(xiǎo)二乘
IC（集成電(diàn)路）	U / IC	转变	西南	電(diàn)池	英國(guó)電(diàn)信

符号生成

示意图由不同类型的组件组成，例如有(yǒu)源组件，无源组件和连接器。有(yǒu)源组件包括晶體(tǐ)管，二极管，逻辑门，处理(lǐ)器IC，FPGA，运算放大器等。電(diàn)容器，電(diàn)感器和变压器等组件称為(wèi)无源设备。除非标准库中没有(yǒu)该组件的符号，否则不建议创建新(xīn)的符号。

電(diàn)阻器

電(diàn)阻可(kě)以两种不同的方式表示，如下所示。设计人员应注意保持所用(yòng)符号的一致性。

電(diàn)阻符号

電(diàn)阻的单位是欧姆，并用(yòng)符号“Ω”表示。有(yǒu)时，符号“Ω”可(kě)以替换為(wèi)字母“ E”。设计人员应确保在整个设计中应遵循一致的单位表示形式。有(yǒu)关组件的所有(yǒu)必需数据都应输入到设计工具中。这使得在设计结束时更容易创建BOM（物(wù)料清单）。

极化和非极化電(diàn)容器

電(diàn)容器有(yǒu)两个端子，一个為(wèi)正极，一个為(wèi)负极。请注意标记这些端子的极性。電(diàn)容器端子的极性错误可(kě)能(néng)导致爆炸。下图显示了IEEE标准中的電(diàn)容器符号。

极化和非极化電(diàn)容器

设计人员还应确保分(fēn)配给符号的引脚号应与布局布局完全匹配。

晶體(tǐ)管

晶體(tǐ)管是三端半导體(tǐ)器件。端子是基极，集電(diàn)极和发射极。设计人员在将引脚布局中的引脚映射到原理(lǐ)图符号时，应始终参考组件数据手册。

带有(yǒu)引脚号的晶體(tǐ)管符号

创建符号后，输入组件说明很(hěn)重要。这对于将来参考或零件已过时且需要更换时非常有(yǒu)用(yòng)。在BOM上具有(yǒu)这些详细信息可(kě)以提高可(kě)读性。下面的两个图像显示了晶體(tǐ)管符号的完全填充的描述字段。

晶體(tǐ)管的符号说明

组件的符号描述（图片来源：Altium）

运算放大器

根据IEEE标准创建运算放大器的符号非常重要。许多(duō)设计人员经常根据其便利性来设计运放，这往往会降低可(kě)读性。由于缺乏对CAD原理(lǐ)图工具的了解和经验，可(kě)能(néng)会发生这种情况。 

运算放大器符号

创建符号时，建议将所有(yǒu)输入引脚放在左侧，将所有(yǒu)输出引脚放在右侧。同样，電(diàn)源和接地引脚可(kě)以分(fēn)别放在顶部和底部。在所示的图像中，输入引脚為(wèi)2和3，输出引脚為(wèi)4，電(diàn)源和接地引脚分(fēn)别為(wèi)7和4。

设计师在翻转或更改符号方向时应格外小(xiǎo)心。当我们这样做时，正极端子和负极端子很(hěn)可(kě)能(néng)会切换其位置。因此，应注意将每个符号与制造商(shāng)的数据表进行核对。

异构示意图符号

诸如FPGA，存储器，微处理(lǐ)器之类的复杂设备被称為(wèi)异构组件。这些组件具有(yǒu)大量不同类型的引脚，例如数据線(xiàn)，输入/输出，地址線(xiàn)，控制線(xiàn)和電(diàn)源線(xiàn)。為(wèi)了保持清晰度和可(kě)读性，预计设计人员应在单个包装中创建多(duō)个组件，例如UxA，UxB，UxC和UxD。下面给出了组件的这种异构示意图符号的示例。

组件的异构示意图符号

電(diàn)源和接地符号

電(diàn)源和接地引脚的符号如下所示。

電(diàn)源和接地符号

用(yòng)“ +”号表示電(diàn)压始终是一个好主意，因為(wèi)板上可(kě)能(néng)存在负電(diàn)压。设计人员应遵循标准且一致的约定，以表示硅片内部的電(diàn)压電(diàn)平及其截面。例如+ 3.3V_IO，+ 3.3V_DG，+ 3.3V_AN + 1.8V_Core，+ 1.2V_LVCore，+ 2.5_Vref等

同样，板上可(kě)能(néng)存在不同类型的接地。符号如下所示。

不同类型的地面符号

网络连接

每当您有(yǒu)两条形成结并共享電(diàn)气连接的電(diàn)線(xiàn)时，该交叉点都需要有(yǒu)一个结点。这是每个原理(lǐ)图设计中的标准做法。

原理(lǐ)图设计中的网络连接

净标签约定

原理(lǐ)图的目的是使设计人员更容易理(lǐ)解您的電(diàn)路。不必要的网络连接应减至最少。在原理(lǐ)图上绘制集成電(diàn)路（IC）的符号时通常会观察到这种情况。 

设计人员不必在各处绘制数十个网，而要為(wèi)特定引脚指定一个网名，该网名与另一个设备上的引脚相关联。这些引脚将具有(yǒu)相同的名称。假定连接了相同名称的引脚。这提高了原理(lǐ)图的可(kě)读性。下图显示了一系列命名的网络。

净标签约定

净标签准则

当网络在同一页面上直接连接到另一个IC时，则不需要网络命名。但是，如果要将网络连接到另一页上的IC，则需要命名。

设计人员在命名网络时可(kě)以遵循以下简单规则：

信号名称应始终以大写形式书写，并应放置在网络上方。

避免使用(yòng)長(cháng)名。优选地，名称最多(duō)可(kě)以包含4个字母。 

使用(yòng)上方的指示条描述活动的低信号或高信号。带有(yǒu)高条的引脚被认為(wèi)是有(yǒu)效的低引脚。

开放式网络/连接应删除。

页外连接 

為(wèi)了提高可(kě)读性，设计人员通常在原理(lǐ)图中命名网络。当信号要连接在同一页面上时，这可(kě)以很(hěn)好地工作。如果需要将网络连接到另一页上的引脚，则应使用(yòng)页外连接器符号。

信号流表示

在原理(lǐ)图页面上，信号从页面的左侧流向右侧。任何電(diàn)源和接地连接都显示在页面的顶部或底部。建议设计人员牢记这一点，并相应地保留组件。

元件放置

原理(lǐ)图中的元件放置是重要的任務(wù)之一。这是因為(wèi)布局工程师将相应地保留组件。電(diàn)容器的并联显示在左侧。如我们所见，原理(lǐ)图的可(kě)读性达不到标准。

原理(lǐ)图中電(diàn)容器的并联

為(wèi)了提高可(kě)读性，可(kě)以如下所示进行连接。 

原理(lǐ)图中電(diàn)容器的优选并联连接

水晶摆放

原理(lǐ)图中的晶振放置始终如下图所示。连接到晶體(tǐ)的组件总是放置在晶體(tǐ)附近，因為(wèi)信号可(kě)能(néng)是高频的。

原理(lǐ)图中的晶體(tǐ)放置

DRC检查

设计规则检查（DRC）是CAD软件提供的一项智能(néng)功能(néng)，用(yòng)于检查设计的逻辑和物(wù)理(lǐ)完整性。根据所有(yǒu)已启用(yòng)的设计规则进行检查，并且可(kě)以在设计时在線(xiàn)进行检查。

网表验证

当原理(lǐ)图设计完成并准备好在布局中导入时，将生成网表。网表文(wén)件可(kě)以具有(yǒu)两个不同的扩展名（.mnl和.txt）。.mnl文(wén)件是计算机可(kě)读的。.txt文(wén)件显示组件引脚之间的所有(yǒu)连接/网络。建议手动验证网络，以避免设计错误。

物(wù)料清单（BOM）

当前，CAD工具提供了称為(wèi)BOM创建的关键功能(néng)。仅当设计人员在库中创建或导入组件时提供了工具中的所有(yǒu)输入时，才能(néng)生成完整且足够的BOM。BOM的输入可(kě)以是MPN（制造零件编号），包装，供应商(shāng)名称，供应商(shāng)零件编号等。建议在符号创建期间提供所有(yǒu)必需的信息。

原理(lǐ)图清单

逻辑示意图清单是逻辑示意图创建中最常被忽略的点。这与根据过去的设计经验确定的组织过程更為(wèi)相关。拥有(yǒu)检查清单可(kě)以避免原理(lǐ)图中的错误，并使设计更坚固。以下是清单。

对于与数据表有(yǒu)关的每个组件，都应验证引脚编号和标签。

 应该对所有(yǒu)极化组件进行极性检查。

检查标签和针脚编号是否重叠。

用(yòng)数据表，原理(lǐ)图符号和封装封装验证所有(yǒu)晶體(tǐ)管的基极，集電(diàn)极和发射极引脚。 

验证组件的值，参考标记和位置。  

确保存在示意图符号说明。（MPN，供应商(shāng)名称，供应商(shāng)部件号等）。

检查页面外连接器。

寻找表间参考。

去耦電(diàn)容会检查所有(yǒu)IC，并根据信号类型（模拟，数字，信号，接地）隔离接地引脚。

BOM检查数量和零件编号。

当设计人员使用(yòng)CAD工具绘制電(diàn)路时，应注意，原理(lǐ)图设计是布局设计人员的输入。布局设计人员期望没有(yǒu)错误的原理(lǐ)图，以便布局结构合理(lǐ)且准确。