绘制PCB原理图技巧

江西省电子电路行业协会 2022-12-01 2144

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描述

原理图是电路的逻辑和视觉表示。这是电子产品设计的第一步。早些时候，设计人员过去常常在纸上绘制电路图。现在，他们已经开始使用简化了设计流程的 PCB 设计工具（M-CAD 和 E-CAD）。建议设计人员遵循标准原理图指南，以获得结构良好且无错误的设计。

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如今，设计人员使用众多 EDA（电子设计自动化）工具，例如 LCEDA、Altium、Allegro、Pads、Kicad、Tinycad、Express PCB 等。这些设计工具确保原理图电路没有错误，因为它们持续监控逻辑和连接错误。设计人员需要遵循标准设计规则以使电路具有机器可读性。

原理图的重要性是什么？

原理图是PCB设计的重要方面之一。一个好的示意图显示了一个结构良好的电路图，清楚地描绘了各种电子元件之间的电气连接。还应该注意的是，技术上正确但拥挤的原理图仍然是一个糟糕的原理图，因为它可能会使设计人员感到困惑。原理图可以成为非常有价值的故障排除工具，因为它可以追踪电路中的连接。

绘制PCB原理图的指南

要实现成功的设计，请遵循这些标准原理图指南。

页面大小选择

大多数设计工具提供不同的页面大小。通常，这些工具会选择 A4 的页面大小。但是，应该注意，也可以使用各种其他页面大小。设计人员应根据其电路设计的大小来选择大小。

页面命名约定

原理图的逻辑块应按页面分隔。页面可以使用字母 A、B、C 等命名。通过这样做，我们可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_电源
C_单片机接口
D_内存接口
E_ 修订历史

大多数设计人员经常忽略框图和修订历史以节省时间。但是，它们对其他试图理解原理图的设计人员非常有帮助。大多数基于产品的组织都强制要求所有此类协议和法规。

网格设置

虽然这不是设计师的直接要求，但该工具需要有一些参考。因此遵循网格系统。拥有网格有助于设计人员正确参考零件并进行连接。电路元件和连接必须始终在网格上，这有助于在分析期间探测网络。

页面标题栏

页面标题块出现在原理图页面的页脚中。最好填写所有必需的详细信息，例如页面大小、更新日期、修订、文档编号、电路的名称/功能和公司免责声明。标题栏的示例如下所示。

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原理图中的页面标题栏

注释/评论

设计人员需要编写有关电路的必要注释。注释可以写在独立文档或原理图页面上。通常，对于复杂的设计，注释会在单独的页面上提供。注释示例可能是跳线状态、PCB 布局约束/指南等。下面可以看到带有注释的原理图。

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带有注释的原理图

修订记录

修订历史记录包含对设计所做的更改。本文档提供的信息包括所做更改的日期和描述、作者和审阅者的姓名以及审阅意见（如果有）。修订历史通常放在原理图的第一页或最后一页。原理图修订历史示例如下所示。

原理图文档目录

目录列出了原理图文档中的主题。拥有此页面可帮助设计人员在复杂且大型的设计中轻松找到特定模块。如果设计小而简单，则可以跳过此步骤。下面给出了一个 ToC 的示例。

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原理图文件的目录

框图

框图代表了设计和信号流中的不同模块。这极大地帮助审阅者理解设计以进行审阅。下面可以看到示意框图的示例。原理图框图高速 PCB 设计指南8 章 - 115 页 - 150 分钟阅读里面有什么：信号完整性问题的说明了解传输线和受控阻抗高速PCB材料的选择流程高速布局指南现在就下载

分层原理图设计

如果设计复杂且包含许多模块，则最好采用分层设计。分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。通过单击分层示意图中的相应模块，可以访问每个模块的详细视图。分层原理图设计

组件引用

下表显示了常用电子元件的名称，以及它们在任何原理图中使用的相应参考代号。代号是根据 IEEE 标准分配的。建议使用其标准参考代号来命名组件。此外，始终使用大写字母来指定原理图符号。

制造商	材料名称	放气数据
		总质量损失 %（最大 1%）	收集的挥发物 % （最大 0.1%）
罗杰斯公司	RT/duroid 5870	0.02	<0.01
罗杰斯公司	RT/duroid 5880	0.01	<0.01
罗杰斯公司	RT/duroid 5880LZ	0.01	0.01
罗杰斯公司	RT/duroid 6002	0.03	<0.01
罗杰斯公司	RT/duroid 6006	0.01	<0.01
内尔科	N4000-6 / 6FC	0.27	0.06
内尔科	N4000-7	0.28	0
内尔科	N4000-13 / 13SI	0.37	0.01
内尔科	N4000-13EP/EPSI	0.14	0.01
内尔科	N4000-29	0.10	0.01

符号生成

原理图由不同类型的元件组成，例如有源元件、无源元件和连接器。有源元件包括晶体管、二极管、逻辑门、处理器IC、FPGA、运算放大器等。电容器、电感器和变压器等组件被称为无源器件。除非该组件的符号不在标准库中，否则不建议创建新符号。要了解更多信息，请查看如何在 KiCad 中创建原理图和符号库。

电阻器

电阻器可以用两种不同的方式表示，如下所示。设计师应注意保持所使用符号的一致性。电阻符号电阻的单位是欧姆，用符号“Ω”表示。有时，符号“Ω”可以替换为字母“E”。设计人员应确保在整个设计中遵循一致的单元表示。应在设计工具中输入有关组件的所有必需数据。这使得在设计结束时创建BOM（材料清单）变得更加容易。

有极性和无极性电容器

电容器有两个端子，一正一负。应注意标记这些端子的极性。电容器端子极性错误可能导致爆炸。下图显示了来自 IEEE 标准的电容器符号。

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有极性和无极性电容器设计人员还应确保分配给符号的引脚编号应与封装布局完全匹配。另外，请阅读由焊盘图案引起的 PCB 制造缺陷。

晶体管

晶体管是一种三端半导体器件。端子是基极、集电极和发射极。在将封装布局中的引脚映射到原理图符号时，设计人员应始终参考组件数据表。

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带引脚号的晶体管符号创建符号时，输入组件的描述很重要。这对于将来参考或零件已过时需要更换时非常有用。在 BOM 中包含这些详细信息可以提高可读性。下面的两张图片显示了晶体管符号的完整描述字段。

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晶体管的符号说明

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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。许多设计人员经常根据其方便性来绘制运算放大器，这往往会失去可读性。这可能是由于缺乏对 CAD 原理图工具的理解和经验造成的。

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运算放大器符号创建符号时，建议将所有输入引脚放在左侧，将所有输出引脚放在右侧。同样，电源和接地引脚可以分别放置在顶部和底部。在所示图像中，输入引脚为 2 和 3，输出引脚为 4，电源引脚和接地引脚分别为 7 和 4。设计人员在翻转或更改符号方向时应小心谨慎。当我们这样做时，正极和负极端子很有可能会切换它们的位置。因此，应注意将每个符号与制造商的数据表进行交叉检查。

异构原理图符号

FPGA、存储器、微处理器等复杂器件称为异构元件。这些组件具有大量不同类型的引脚，例如数据线、输入/输出、地址线、控制线和电源线。为了保持清晰和可读性，设计人员应该创建单个封装的多个组件，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

电源和接地符号

电源和接地引脚的符号如下所示。

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电源和接地符号用“+”号表示电压总是一个好主意，因为板上可能存在负电压。设计人员应遵循标准和一致的约定来表示电压电平及其在硅片内的部分。例如，+3.3V_IO、+3.3V_DG、+3.3V_AN +1.8V_Core、+1.2V_LVCore、+2.5_Vref 等。同样，板上可能存在不同类型的理由。符号如下所示。

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不同类型的地面符号

网络连接

每当您有两根电线形成一个连接点并共享一个电气连接时，该交叉点就需要有一个连接点。这是每个原理图设计中的标准做法。

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原理图设计中的网络连接

网络标签约定

原理图的目的是让设计人员更容易理解您的电路。应尽量减少不必要的网络连接。在原理图上绘制集成电路 (IC) 的符号时，通常会观察到这种情况。设计师没有在各处绘制数十个网络，而是为特定引脚表示网络名称，该引脚与另一个设备上的引脚相关联。这些引脚将具有相同的名称。假定连接了具有相同名称的引脚。这提高了原理图的可读性。下图显示了一系列命名网络。

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离页连接

净标签指南

当网络在同一页面上直接连接到另一个 IC 时，不需要网络命名。但是，如果要将网络连接到另一个页面上的 IC，那么您需要为其命名。设计人员在命名网络时可以遵循以下简单规则：

信号名称应始终以大写形式书写，并应放置在网络的正上方。
避免使用长名称。优选地，名称最多可以有4个字母。
使用上面的条描述有效的低或高信号。带有上条的引脚被认为是低电平有效引脚。
应删除开放的网络/连接。

离页连接

为了提高可读性，设计人员通常在原理图中命名网络。当要在同一页面上连接信号时，这可以正常工作。如果需要将网络连接到不同页面上的引脚，则应使用页外连接器符号。

信号流表示

在原理图页面上，信号从页面的左侧流向右侧。任何电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

原理图中的元件放置是重要任务之一。这是因为布局工程师将相应地保留组件。电容器的并联如左图所示。正如我们所见，原理图的可读性达不到标准。原理图中的电容器并联为了提高可读性，可以如下图进行连接。示意图中优选的电容器并联连接另请阅读如何在 KiCad 中放置组件。

水晶放置

原理图中的晶体放置始终如下所示。连接到晶体的组件总是放置在它附近，因为信号可能是高频的。示意图中的晶体放置

刚果民主共和国检查

设计规则检查 (DRC)是 CAD 软件提供的一项智能功能，用于检查设计的逻辑和物理完整性。检查是针对所有启用的设计规则进行的，并且可以在您设计时在线进行。

网表验证

当原理图设计完成并准备好导入布局时，将生成网表。网表文件可以有两种不同的扩展名（.mnl 和 .txt）。.mnl 文件是机器可读的。.txt 文件显示组件引脚之间的所有连接/网络。建议手动验证网络以避免设计错误。另请阅读Gerber、ODB++ 和制造商所需的其他 PCB 设计文件。

物料清单 (BOM)

目前，CAD 工具提供了一个称为 BOM 创建的关键功能。只有设计人员在从库中创建或导入组件时，在工具中提供了所有输入，才能生成完整且足够的 BOM。BOM 的输入可以是 MPN（制造零件编号）、封装、供应商名称、供应商零件编号等。建议在创建符号期间提供所有必需的信息。

原理图清单

原理图清单是原理图创建中最常被忽略的一点。这更多地与组织的过程有关，它是根据过去的设计经验设定的。有一个清单可以避免原理图中的错误并使设计更加健壮。以下是清单。

应验证与数据表相关的每个组件的引脚编号和标签。
应对所有极化组件进行极性检查。
检查重叠的标签和引脚编号。
使用数据表、原理图符号和封装封装验证所有晶体管的基极、集电极和发射极引脚。
验证组件的值、参考标志和位置。
确保存在原理图符号说明。（MPN、供应商名称、供应商部件号等）。
检查页外连接符。
寻找表间参考。
去耦电容检查所有 IC，基于信号类型（模拟、数字、信号、接地）的接地引脚分离。
BOM 检查数量和零件编号。

当设计人员在 CAD 工具中绘制电路时，应注意原理图设计是版图设计人员的输入。版图设计者希望原理图没有错误，以便版图结构良好且准确。

审核编辑：李倩

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