繪制PCB原理圖的指南

原理圖是電路的邏輯和視覺表示。這是電子產(chǎn)品設(shè)計的第一步。早些時候，設(shè)計人員過去常常在紙上繪制電路圖?，F(xiàn)在，他們已經(jīng)開始使用簡化了設(shè)計流程的 PCB 設(shè)計工具（M-CAD 和 E-CAD）。建議設(shè)計人員遵循標準原理圖指南，以獲得結(jié)構(gòu)良好且無錯誤的設(shè)計。

如今，設(shè)計人員使用眾多 EDA（電子設(shè)計自動化）工具，例如 LCEDA、Altium、Allegro、Pads、Kicad、Tinycad、Express PCB 等。這些設(shè)計工具確保原理圖電路沒有錯誤，因為它們持續(xù)監(jiān)控邏輯和連接錯誤。設(shè)計人員需要遵循標準設(shè)計規(guī)則以使電路具有機器可讀性。

原理圖的重要性是什么？

原理圖是PCB設(shè)計的重要方面之一。一個好的示意圖顯示了一個結(jié)構(gòu)良好的電路圖，清楚地描繪了各種電子元件之間的電氣連接。還應(yīng)該注意的是，技術(shù)上正確但擁擠的原理圖仍然是一個糟糕的原理圖，因為它可能會使設(shè)計人員感到困惑。原理圖可以成為非常有價值的故障排除工具，因為它可以追蹤電路中的連接。

繪制PCB原理圖的指南

要實現(xiàn)成功的設(shè)計，請遵循這些標準原理圖指南。

頁面大小選擇

大多數(shù)設(shè)計工具提供不同的頁面大小。通常，這些工具會選擇 A4 的頁面大小。但是，應(yīng)該注意，也可以使用各種其他頁面大小。設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)其電路設(shè)計的大小來選擇大小。

頁面命名約定

原理圖的邏輯塊應(yīng)按頁面分隔。頁面可以使用字母 A、B、C 等命名。通過這樣做，我們可以按字母順序放置頁面。這種命名約定的示例如下所示。

A_框圖

B_電源

C_單片機接口

D_內(nèi)存接口

E_ 修訂歷史

大多數(shù)設(shè)計人員經(jīng)常忽略框圖和修訂歷史以節(jié)省時間。但是，它們對其他試圖理解原理圖的設(shè)計人員非常有幫助。大多數(shù)基于產(chǎn)品的組織都強制要求所有此類協(xié)議和法規(guī)。

網(wǎng)格設(shè)置

雖然這不是設(shè)計師的直接要求，但該工具需要有一些參考。因此遵循網(wǎng)格系統(tǒng)。擁有網(wǎng)格有助于設(shè)計人員正確參考零件并進行連接。電路元件和連接必須始終在網(wǎng)格上，這有助于在分析期間探測網(wǎng)絡(luò)。

頁面標題欄

頁面標題塊出現(xiàn)在原理圖頁面的頁腳中。最好填寫所有必需的詳細信息，例如頁面大小、更新日期、修訂、文檔編號、電路的名稱/功能和公司免責聲明。標題欄的示例如下所示。

原理圖中的頁面標題欄

注釋/評論

設(shè)計人員需要編寫有關(guān)電路的必要注釋。注釋可以寫在獨立文檔或原理圖頁面上。通常，對于復雜的設(shè)計，注釋會在單獨的頁面上提供。注釋示例可能是跳線狀態(tài)、PCB 布局約束/指南等。下面可以看到帶有注釋的原理圖。

帶有注釋的原理圖

修訂記錄

修訂歷史記錄包含對設(shè)計所做的更改。本文檔提供的信息包括所做更改的日期和描述、作者和審閱者的姓名以及審閱意見（如果有）。修訂歷史通常放在原理圖的第一頁或最后一頁。原理圖修訂歷史示例如下所示。

原理圖文檔目錄

目錄列出了原理圖文檔中的主題。擁有此頁面可幫助設(shè)計人員在復雜且大型的設(shè)計中輕松找到特定模塊。如果設(shè)計小而簡單，則可以跳過此步驟。下面給出了一個 ToC 的示例。

原理圖文件的目錄

框圖

框圖代表了設(shè)計和信號流中的不同模塊。這極大地幫助審閱者理解設(shè)計以進行審閱。下面可以看到示意框圖的示例。 原理圖框圖 高速 PCB 設(shè)計指南8 章 - 115 頁 - 150 分鐘閱讀里面有什么：信號完整性問題的說明了解傳輸線和受控阻抗高速PCB材料的選擇流程高速布局指南現(xiàn)在就下載

分層原理圖設(shè)計

如果設(shè)計復雜且包含許多模塊，則最好采用分層設(shè)計。分層示意圖清楚地顯示了從一個模塊到另一個模塊的信號流，如下所示。通過單擊分層示意圖中的相應(yīng)模塊，可以訪問每個模塊的詳細視圖。 分層原理圖設(shè)計

組件引用

下表顯示了常用電子元件的名稱，以及它們在任何原理圖中使用的相應(yīng)參考代號。代號是根據(jù) IEEE 標準分配的。建議使用其標準參考代號來命名組件。此外，始終使用大寫字母來指定原理圖符號。

符號生成

原理圖由不同類型的元件組成，例如有源元件、無源元件和連接器。有源元件包括晶體管、二極管、邏輯門、處理器IC、FPGA、運算放大器等。電容器、電感器和變壓器等組件被稱為無源器件。除非該組件的符號不在標準庫中，否則不建議創(chuàng)建新符號。 要了解更多信息，請查看如何在 KiCad 中創(chuàng)建原理圖和符號庫。

電阻器

電阻器可以用兩種不同的方式表示，如下所示。設(shè)計師應(yīng)注意保持所使用符號的一致性。 電阻符號 電阻的單位是歐姆，用符號“Ω”表示。有時，符號“Ω”可以替換為字母“E”。設(shè)計人員應(yīng)確保在整個設(shè)計中遵循一致的單元表示。應(yīng)在設(shè)計工具中輸入有關(guān)組件的所有必需數(shù)據(jù)。這使得在設(shè)計結(jié)束時創(chuàng)建BOM（材料清單）變得更加容易。

有極性和無極性電容器

電容器有兩個端子，一正一負。應(yīng)注意標記這些端子的極性。電容器端子極性錯誤可能導致爆炸。下圖顯示了來自 IEEE 標準的電容器符號。

有極性和無極性電容器 設(shè)計人員還應(yīng)確保分配給符號的引腳編號應(yīng)與封裝布局完全匹配。 另外，請閱讀由焊盤圖案引起的 PCB 制造缺陷。

晶體管

晶體管是一種三端半導體器件。端子是基極、集電極和發(fā)射極。在將封裝布局中的引腳映射到原理圖符號時，設(shè)計人員應(yīng)始終參考組件數(shù)據(jù)表。

帶引腳號的晶體管符號 創(chuàng)建符號時，輸入組件的描述很重要。這對于將來參考或零件已過時需要更換時非常有用。在 BOM 中包含這些詳細信息可以提高可讀性。下面的兩張圖片顯示了晶體管符號的完整描述字段。

晶體管的符號說明

組件的符號描述（圖片來源：Altium）

運算放大器

根據(jù) IEEE 標準創(chuàng)建運算放大器的符號非常重要。許多設(shè)計人員經(jīng)常根據(jù)其方便性來繪制運算放大器，這往往會失去可讀性。這可能是由于缺乏對 CAD 原理圖工具的理解和經(jīng)驗造成的。

運算放大器符號 創(chuàng)建符號時，建議將所有輸入引腳放在左側(cè)，將所有輸出引腳放在右側(cè)。同樣，電源和接地引腳可以分別放置在頂部和底部。在所示圖像中，輸入引腳為 2 和 3，輸出引腳為 4，電源引腳和接地引腳分別為 7 和 4。 設(shè)計人員在翻轉(zhuǎn)或更改符號方向時應(yīng)小心謹慎。當我們這樣做時，正極和負極端子很有可能會切換它們的位置。因此，應(yīng)注意將每個符號與制造商的數(shù)據(jù)表進行交叉檢查。

異構(gòu)原理圖符號

FPGA、存儲器、微處理器等復雜器件稱為異構(gòu)元件。這些組件具有大量不同類型的引腳，例如數(shù)據(jù)線、輸入/輸出、地址線、控制線和電源線。為了保持清晰和可讀性，設(shè)計人員應(yīng)該創(chuàng)建單個封裝的多個組件，例如 UxA、UxB、UxC 和 UxD。下面給出了組件的這種異構(gòu)示意圖符號的示例。 組件的異構(gòu)示意圖符號

電源和接地符號

電源和接地引腳的符號如下所示。

電源和接地符號 用“+”號表示電壓總是一個好主意，因為板上可能存在負電壓。設(shè)計人員應(yīng)遵循標準和一致的約定來表示電壓電平及其在硅片內(nèi)的部分。例如，+3.3V_IO、+3.3V_DG、+3.3V_AN +1.8V_Core、+1.2V_LVCore、+2.5_Vref 等。 同樣，板上可能存在不同類型的理由。符號如下所示。

不同類型的地面符號

網(wǎng)絡(luò)連接

每當您有兩根電線形成一個連接點并共享一個電氣連接時，該交叉點就需要有一個連接點。這是每個原理圖設(shè)計中的標準做法。

原理圖設(shè)計中的網(wǎng)絡(luò)連接

網(wǎng)絡(luò)標簽約定

原理圖的目的是讓設(shè)計人員更容易理解您的電路。應(yīng)盡量減少不必要的網(wǎng)絡(luò)連接。在原理圖上繪制集成電路 (IC) 的符號時，通常會觀察到這種情況。 設(shè)計師沒有在各處繪制數(shù)十個網(wǎng)絡(luò)，而是為特定引腳表示網(wǎng)絡(luò)名稱，該引腳與另一個設(shè)備上的引腳相關(guān)聯(lián)。這些引腳將具有相同的名稱。假定連接了具有相同名稱的引腳。這提高了原理圖的可讀性。下圖顯示了一系列命名網(wǎng)絡(luò)。

離頁連接

凈標簽指南

當網(wǎng)絡(luò)在同一頁面上直接連接到另一個 IC 時，不需要網(wǎng)絡(luò)命名。但是，如果要將網(wǎng)絡(luò)連接到另一個頁面上的 IC，那么您需要為其命名。 設(shè)計人員在命名網(wǎng)絡(luò)時可以遵循以下簡單規(guī)則：

信號名稱應(yīng)始終以大寫形式書寫，并應(yīng)放置在網(wǎng)絡(luò)的正上方。

避免使用長名稱。優(yōu)選地，名稱最多可以有4個字母。

使用上面的條描述有效的低或高信號。帶有上條的引腳被認為是低電平有效引腳。

應(yīng)刪除開放的網(wǎng)絡(luò)/連接。

離頁連接

為了提高可讀性，設(shè)計人員通常在原理圖中命名網(wǎng)絡(luò)。當要在同一頁面上連接信號時，這可以正常工作。如果需要將網(wǎng)絡(luò)連接到不同頁面上的引腳，則應(yīng)使用頁外連接器符號。

信號流表示

在原理圖頁面上，信號從頁面的左側(cè)流向右側(cè)。任何電源和接地連接都顯示在頁面的頂部或底部。建議設(shè)計人員牢記這一點并相應(yīng)地保留組件。

元件放置

原理圖中的元件放置是重要任務(wù)之一。這是因為布局工程師將相應(yīng)地保留組件。電容器的并聯(lián)如左圖所示。正如我們所見，原理圖的可讀性達不到標準。 原理圖中的電容器并聯(lián) 為了提高可讀性，可以如下圖進行連接。 示意圖中優(yōu)選的電容器并聯(lián)連接 另請閱讀如何在 KiCad 中放置組件。

水晶放置

原理圖中的晶體放置始終如下所示。連接到晶體的組件總是放置在它附近，因為信號可能是高頻的。 示意圖中的晶體放置

剛果民主共和國檢查

設(shè)計規(guī)則檢查 (DRC)是 CAD 軟件提供的一項智能功能，用于檢查設(shè)計的邏輯和物理完整性。檢查是針對所有啟用的設(shè)計規(guī)則進行的，并且可以在您設(shè)計時在線進行。

網(wǎng)表驗證

當原理圖設(shè)計完成并準備好導入布局時，將生成網(wǎng)表。網(wǎng)表文件可以有兩種不同的擴展名（.mnl 和 .txt）。.mnl 文件是機器可讀的。.txt 文件顯示組件引腳之間的所有連接/網(wǎng)絡(luò)。建議手動驗證網(wǎng)絡(luò)以避免設(shè)計錯誤。 另請閱讀Gerber、ODB++ 和制造商所需的其他 PCB 設(shè)計文件。

物料清單 (BOM)

目前，CAD 工具提供了一個稱為 BOM 創(chuàng)建的關(guān)鍵功能。只有設(shè)計人員在從庫中創(chuàng)建或?qū)虢M件時，在工具中提供了所有輸入，才能生成完整且足夠的 BOM。BOM 的輸入可以是 MPN（制造零件編號）、封裝、供應(yīng)商名稱、供應(yīng)商零件編號等。建議在創(chuàng)建符號期間提供所有必需的信息。

原理圖清單

原理圖清單是原理圖創(chuàng)建中最常被忽略的一點。這更多地與組織的過程有關(guān)，它是根據(jù)過去的設(shè)計經(jīng)驗設(shè)定的。有一個清單可以避免原理圖中的錯誤并使設(shè)計更加健壯。以下是清單。

應(yīng)驗證與數(shù)據(jù)表相關(guān)的每個組件的引腳編號和標簽。

應(yīng)對所有極化組件進行極性檢查。

檢查重疊的標簽和引腳編號。

使用數(shù)據(jù)表、原理圖符號和封裝封裝驗證所有晶體管的基極、集電極和發(fā)射極引腳。

驗證組件的值、參考標志和位置。

確保存在原理圖符號說明。（MPN、供應(yīng)商名稱、供應(yīng)商部件號等）。

檢查頁外連接符。

尋找表間參考。

去耦電容檢查所有 IC，基于信號類型（模擬、數(shù)字、信號、接地）的接地引腳分離。

BOM 檢查數(shù)量和零件編號。

當設(shè)計人員在 CAD 工具中繪制電路時，應(yīng)注意原理圖設(shè)計是版圖設(shè)計人員的輸入。版圖設(shè)計者希望原理圖沒有錯誤，以便版圖結(jié)構(gòu)良好且準確。

審核編輯：湯梓紅