技術(shù)資訊 | 什么是理想的原理圖，及其設(shè)計準(zhǔn)則？

原理圖需要清晰地傳達(dá)設(shè)計師的設(shè)計理念和要求，不清晰的原理圖飽受詬病——缺少框圖、各區(qū)域之間沒有界限、缺乏清晰的注釋等。本文將介紹原理圖的必備元素和創(chuàng)建時的一般準(zhǔn)則，幫助大家提高工作之間的溝通效率。

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原理圖的普遍問題

原理圖大都不夠清晰。一個理想的原理圖應(yīng)該在瀏覽一遍之后，不需要拿出紙和筆進(jìn)行計算，就能夠從頭到尾理解設(shè)計的全部內(nèi)容。而事實(shí)上，有時我們不得不使用 KVL 和 KCL 反過來演算設(shè)計中各個元件相對于 PCB（以及整個項目）的位置。

采用這種反向的方法來推測上一位設(shè)計師的想法，雖然有助于鍛煉腦力，但卻有悖繪制原理圖的最初目的——讓設(shè)計師和其他工程師無需親自重新設(shè)計一遍，就可以理解設(shè)計的內(nèi)容。

工程師通常專注于確保自己可以理解原理圖，并且能夠向其他相關(guān)方解釋設(shè)計內(nèi)容；但其實(shí)應(yīng)該不止如此。理想的原理圖理應(yīng)存在，它能夠幫助工程師更好地理解設(shè)計，而不是感到困惑。

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理想的原理圖

原理圖的真正目的是完整傳達(dá)設(shè)計意圖：物理限制、熱考慮因素、功能、電氣特性、最終的 PCB 應(yīng)該是什么樣子等等。至少，設(shè)計流程應(yīng)該大致遵循從功耗到最終輸出的運(yùn)行流程。

下面讓我們從頭開始來構(gòu)建原理圖，呈現(xiàn)一個人人都可以讀懂的、原理圖設(shè)計的黃金標(biāo)準(zhǔn)。

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原理圖必備元素（最低限度）

原理圖的用途是傳達(dá)設(shè)計想法。為了能夠有效傳達(dá)，原理圖必須做到內(nèi)容清晰。歸根結(jié)底，這取決于繪制原理圖的人，而不是讀者。

要想讓原理圖更加合理，下面列出的每個元素不一定都是必須的；但在理想情況下，每個原理圖都應(yīng)該具備以下10個屬性：

1.封面

就像一本書的封面一樣，原理圖的封面讓人對其中的內(nèi)容一目了然。通過閱讀目錄，工程師能輕松瀏覽原理圖的內(nèi)容。完整的封面包括目錄、帶有頁碼的頁面描述，以及最終 PCB 的圖片或最終 PCB 的意圖。

很多人，特別是設(shè)計 PCB 的客戶，希望預(yù)先知道最終產(chǎn)品是什么樣子的。這樣，他們更容易立即了解產(chǎn)品的范圍，并對最終產(chǎn)品有一個概念。

2.項目說明

封面描述了產(chǎn)品的整體概念，但我們還需要具體說明項目的目的、目標(biāo)、指標(biāo)以及封面沒有傳達(dá)的其他內(nèi)容。如果對項目中應(yīng)該進(jìn)行哪些工作產(chǎn)生分歧，我們可以隨時參考原理圖中的項目說明。

項目說明對硬件測試工程師、電子設(shè)計工程師以及項目中的任何利益相關(guān)者都很有用。這也使大家能夠保持一致，確保不會浪費(fèi)時間做對項目無益的工作。

在原理圖中列明項目的范圍、意圖和要求，就不需要參考單獨(dú)的文件來了解需要做什么工作。制定范圍時可以參考項目管理系統(tǒng)或筆記中定義的項目說明。

最后，對項目具有高層次的理解，有助于輕松閱讀原理圖的其余部分。雖然解謎很有趣，但當(dāng)需要重新設(shè)計一個準(zhǔn)確度和理解程度極高的原理圖時，我們一定不想浪費(fèi)時間去理解項目的目的。

3.系統(tǒng)框圖

現(xiàn)在我們理解了項目的意圖和范圍，我們要重點(diǎn)關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)項目說明中設(shè)定的目標(biāo)。這時系統(tǒng)框圖就派上了用場。添加一個系統(tǒng)框圖，解釋實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和最終目標(biāo)所需的特征、功能和模塊。

【專業(yè)提示】在方框中添加高層次的要求說明。

4.功能框圖

高速 FPGA 電路板

根據(jù)設(shè)計的復(fù)雜程度，系統(tǒng)框圖和功能框圖可能是一體的；然而，兩者之間也有細(xì)微的區(qū)別。例如，系統(tǒng)框圖可能包括主產(chǎn)品周邊設(shè)備或物體，以及與之連接的外部電纜。而功能框圖的內(nèi)容則只限于產(chǎn)品。

功能框圖是一個層次較低的框圖，用于說明系統(tǒng)中的每個主要模塊將如何實(shí)現(xiàn)所需的功能。它展示了設(shè)計中的主要信號、可能的外部源（如來自編程代碼的關(guān)鍵信號），以及關(guān)鍵電壓和電流要求。

5.每個功能模塊的電子器件原理圖

接下來我們需要添加電路圖（原理圖），它將真正實(shí)現(xiàn)功能模塊中定義的內(nèi)容。當(dāng)知道電路和構(gòu)成電路的器件之后，就可以采購這些電子器件，構(gòu)建整個項目。

此時，我們可以開始為真正的設(shè)計成本確定價格和編制預(yù)算。一旦知道要用到哪些元件，就知道了對應(yīng)的價格，在還沒有設(shè)計出印刷電路板之前，就可以對電路板的價格進(jìn)行合理的預(yù)估。

6.符合一致標(biāo)準(zhǔn)的器件位號

如果我們只是擺放好了元件，但沒有一種統(tǒng)一的方式來指代它們，原理圖理解起來會非常艱難。因此，使用標(biāo)準(zhǔn)的字母數(shù)字器件位號，有助于快速了解原理圖上擺放的器件類型。器件位號讓我們無需查找每個元件，就能快速解讀原理圖。

7.機(jī)械/其他器件和元件

硬件產(chǎn)品通常包括電氣和機(jī)械元件，它們可能是電路板本身的一部分也可能不是，但卻是最終產(chǎn)品所需要的。

我們希望避免發(fā)生這樣的意外：拿到交付的 PCB 之后，卻無法將 PCB 安裝到外殼中，或者完全忘記了外殼。因此，我們需要將整個項目的所有部件記錄下來?？梢园阉鼈冇涗浽诟邔哟挝募?PCB 文件中，但記錄在原理圖中更為合適。

8.準(zhǔn)確的元件庫

IPC-7351B 的主要作者、PCB libraries.com 的所有者 Tom Hausherr 說過：“完美的 PCB 設(shè)計始于 CAD 庫。”反過來說，在設(shè)計 PCB 時，最耗時的問題就是 symbols 和 footprints 不匹配。當(dāng)已經(jīng)把設(shè)計交付給制造商的時候，如果 footprint 和器件編碼出錯，就必然導(dǎo)致重做，可能需要幾個小時才能解決。有時，因?yàn)榕e了幾個器件編碼和 footprint，會整整耽誤一個半星期。

所有元件都包含制造商的元件信息、PCB 焊盤圖案和元件上的功能引腳（例如，引腳是根據(jù)它們在實(shí)際物理設(shè)備上的排列方式來排序的）。花點(diǎn)時間在前期正確地創(chuàng)建元件，并驗(yàn)證所有信息是否正確。認(rèn)真完成前期工作有助于使 BOM 和 PCB 的創(chuàng)建更加順利。

9.變更說明和修訂說明

如果設(shè)計變更非常頻繁，工程團(tuán)隊可能會分不清各個設(shè)計版本。這種情況下，就要嚴(yán)重依賴于設(shè)計修訂和說明。要盡可能多地在設(shè)計中使用說明和修訂說明，這有助于減少問題。記錄得當(dāng)?shù)恼f明有助于我們快速找到設(shè)計和關(guān)鍵元件的差異。

10.標(biāo)題框

添加標(biāo)題框有助于我們了解當(dāng)前正在查看原理圖的哪個部分，以及項目的名稱。擁有標(biāo)題框也會讓原理圖顯得更加專業(yè)。請確保添加設(shè)計師姓名、公司名稱、文件創(chuàng)建日期、修改日期，以及設(shè)計名稱和具體的原理圖頁。

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創(chuàng)建原理圖時的一般準(zhǔn)則

溝通的目的是將想法從一個媒介傳遞到另一個媒介，而原理圖的目的便是傳達(dá)設(shè)計意圖。為了達(dá)到這個目的，傳達(dá)需要易于理解、清晰且透明。這意味著設(shè)計需要有邏輯性，表現(xiàn)形式要一致，并附有大量的注釋說明。

建議：將下述準(zhǔn)則清單打印出來放在手邊，方便在設(shè)計過程中隨時查看~

創(chuàng)建一個有邏輯性的流程

讓信號從左向右流動：輸入在左邊，輸出在右邊。這種風(fēng)格既適用于高層次的圖紙，也適用于每個單獨(dú)的元件/模塊。

根據(jù)電路功能，將原理圖分成幾張。

如果合適的話，確保原理圖有層次性，并將其整合到高層次交互式原理圖版的系統(tǒng)框圖中。

根據(jù)功能，將類似的電路放在一起。例如，將電源電路放在同一頁/同一區(qū)域，將模擬電路放在同一頁/同一區(qū)域，數(shù)字電路也是如此。這樣可以方便其他人閱讀，利益相關(guān)者不必為了尋找不同的電源而在原理圖上到處搜尋。

將旁路和去耦電容放在各自的組中。

在適當(dāng)?shù)牡胤绞褂蒙侠蛳吕?a target="_blank">電阻。

如果適用的話，添加一些圖形，用來表示電路部分和它需要控制或成為其一部分的物理對象之間的關(guān)系。即使是舊版本的 PCB 的一部分，也需要添加。

確保一致性并提高可讀性

使用 ASME Y14.44-2008 和 IEEE 315-1975 的標(biāo)準(zhǔn)化原理圖符號，幾乎所有 ECAD 軟件工具都具有這些標(biāo)準(zhǔn)符號。

使用準(zhǔn)確的元件庫：確保原理圖符號上的引腳編號與物理元件和 PCB footprint 相符。

保持符號方向一致（水平或垂直）。

為所有網(wǎng)絡(luò)命名。

對于彼此分離的器件（電阻、電容、二極管、電感器等），包括數(shù)值、電壓和電流操作，以及符號 footprint 尺寸代碼（如果適用，0603、0402 等）。

正確標(biāo)注設(shè)計中所有不同類型的接地參考（電源接地、信號接地），確保每種類型都有明顯不同的符號。

添加注釋說明，清楚傳達(dá)設(shè)計意圖

解釋原理圖上的任何板外信號。可以在圖紙一角的圖例中添加注釋，或者在原理圖頁尾添加注釋。

對于單向的元件符號，可能需要在符號中添加信息，以防止元件反向安裝。

關(guān)鍵信息（高電壓和高電流）。

標(biāo)明原理圖上端口的原始/源頁編號。

切身體會

筆者在一次測試電子產(chǎn)品的過程中，當(dāng)檢查設(shè)計上的所有引腳時，電路原理圖打印件幾乎不能離手。但即使是這樣，原理圖上還是有一個模棱兩可的電源（通常是原理圖上最關(guān)鍵的部分）沒有注釋。

由于它不是一個帶按鍵的連接器（使用帶按鍵的電源連接器是明智的），我們的團(tuán)隊當(dāng)時冒著可能損壞系統(tǒng)/電路板的風(fēng)險把電源連接器翻轉(zhuǎn)了過來。幸好電子設(shè)計師放了一個反向阻斷二極管來防止這個問題的發(fā)生。如果沒有那個二極管，那么這個價值 9000 美元的逆變器可能就會遭受輕微的電路板損壞。

雖然良好的原理圖是有幫助的，但如果有像 inspectAR 這樣的工具，我們當(dāng)時就不必隨身攜帶原理圖了。這樣可以節(jié)省很多時間，避免很多麻煩。

為攜帶大量電流的走線增加走線寬度。

確定高速線路的長度匹配。

標(biāo)明需要具有受控阻抗的走線。

指定電阻的用途（上拉/下拉電阻）

記錄電容器的擺放（靠近微控制器或處理器的電源引腳）

記錄有意擺放的元件。這確實(shí)可以幫助 PCB layout 工程師節(jié)省一些時間，使他們不必在產(chǎn)品手冊中查看使用的哪些電容應(yīng)該放在靠近器件的地方。

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以上原理圖準(zhǔn)則能否幫助其他工程師？

作為工程師，我們每天都十分忙碌；因此，任何能夠幫助更快完成工作的舉措都很重要。原理圖將整個產(chǎn)品設(shè)計聯(lián)系在一起，是一種關(guān)鍵的設(shè)計工具。工程師和其他利益相關(guān)者要能夠完全理解原理圖，這一點(diǎn)是至關(guān)重要的，而且?guī)缀跏菑?qiáng)制性的要求。

有了完整的原理圖，當(dāng)其他工程師需要返工、修改或重新使用設(shè)計時，出現(xiàn)的問題和錯誤會更少。PCB layout 工程師可以更輕松地把元件和導(dǎo)線擺放在 layout 中的最佳位置。測試可以快速進(jìn)行，不會因?yàn)樵韴D做得不好而出現(xiàn)諸多小插曲，從而有效地節(jié)省時間，避免出錯。

把我們的原理圖當(dāng)作一個獨(dú)立的 PowerPoint 演示文稿，能夠有效地傳達(dá)設(shè)計意圖，防止出錯。簡而言之，優(yōu)秀的原理圖可以節(jié)省時間，并且對每個人都有好處。

除了清晰的原理圖，簡單易用的設(shè)計軟件更可以幫助PCB 測試高效進(jìn)行。inspectAR 軟件利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）以交互性的方式評估并改進(jìn) PCB 設(shè)計過程，輕松準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn) PCB 檢查、調(diào)試、返工和組裝。

上圖顯示了在 inspectAR 軟件中直接對器件添加注釋。利用AR技術(shù)，工程師或制造技術(shù)人員可以在制造過程中的任何時候?qū)蝹€器件、走線、子電路或整個電路板與設(shè)計規(guī)格進(jìn)行比較，并隨時查看技術(shù)手冊、添加留言、注釋。