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1、第11章 层次原理图及其PCB设计任务描述任务描述本教材前面介绍的常规电路图设计方法，是将整本教材前面介绍的常规电路图设计方法，是将整个原理图绘制在一张原理图纸上，这种设计方法个原理图绘制在一张原理图纸上，这种设计方法对于规模较小，简单的电路图的设计提供了方便对于规模较小，简单的电路图的设计提供了方便的工具支持。但当设计大型、复杂系统的电路原的工具支持。但当设计大型、复杂系统的电路原理图时，假设将整个图纸设计在一张图纸上，就理图时，假设将整个图纸设计在一张图纸上，就会使图纸变得过分复杂不利于分析和检错，同时会使图纸变得过分复杂不利于分析和检错，同时也难于多人参与系统设计。也难于多人参与系统设计
2、。Altium DesignerAltium Designer支持多种设计复杂电路的方法，例支持多种设计复杂电路的方法，例如层次设计、多通道设计等，在增强了设计的标如层次设计、多通道设计等，在增强了设计的标准性的同时减少了设计者的劳动量，提高了设计准性的同时减少了设计者的劳动量，提高了设计的可靠性。本章将以电机驱动电路为例介绍层次的可靠性。本章将以电机驱动电路为例介绍层次原理图设计的方法，以多路滤波器的设计为例介原理图设计的方法，以多路滤波器的设计为例介绍多通道电路设计方法。它将涵盖以下主题：绍多通道电路设计方法。它将涵盖以下主题：自上而下层次原理图设计自上而下层次原理图设计自下而上层次原理图
3、设计自下而上层次原理图设计多通道电路设计多通道电路设计电机驱动电路的电机驱动电路的PCBPCB设计设计多路滤波器的多路滤波器的PCBPCB设计设计教学目的及要求：教学目的及要求：了解层次原理图、模块，设计包含子图符了解层次原理图、模块，设计包含子图符号的父图方块图、子图的含义号的父图方块图、子图的含义了解了解“自上而下和自上而下和“自下而上这两种自下而上这两种层次电路设计方法层次电路设计方法熟练掌握自上而下的层次原理图设计熟练掌握自上而下的层次原理图设计教学重点：自上而下的层次原理图设计教学重点：自上而下的层次原理图设计 教学难点：自上而下的层次原理图设计教学难点：自上而下的层次原理图设计 复
4、习旧课：复习旧课：第第12章章 输出文件输出文件12.1 输出输出PDF文件文件12.2 生成生成Gerber文件文件12.2.1 Gerber 文件简单介绍文件简单介绍12.2.2 输出输出Gerber文件文件 输出输出NC Drill 文件文件12.3 创立材料清单创立材料清单BOM11.1 层次设计对于一个庞大和复杂的电子工程的设计系统，最对于一个庞大和复杂的电子工程的设计系统，最好的设计方式是在设计时应尽量将其按功能分解好的设计方式是在设计时应尽量将其按功能分解成相对独立的模块进行设计，这样的设计方法会成相对独立的模块进行设计，这样的设计方法会使电路描述的各个局部功能更加清晰。同时还可
5、使电路描述的各个局部功能更加清晰。同时还可以将各独立局部分配给多个工程人员，让他们独以将各独立局部分配给多个工程人员，让他们独立完成，这样可以大大缩短开发周期，提高模块立完成，这样可以大大缩短开发周期，提高模块电路的复用性和加快设计速度。采用这种方式后，电路的复用性和加快设计速度。采用这种方式后，对单个模块设计的修改可以不影响系统的整体设对单个模块设计的修改可以不影响系统的整体设计，提高了系统的灵活性。计，提高了系统的灵活性。为了适应电路原理图的模块化设计，为了适应电路原理图的模块化设计，Altium Altium DesignerDesigner提供了层次原理图设计方法。所谓层次化提供了层次
6、原理图设计方法。所谓层次化设计，是指将一个复杂的设计任务分派成一系列设计，是指将一个复杂的设计任务分派成一系列有层次结构的、相对简单的电路设计任务。把相有层次结构的、相对简单的电路设计任务。把相对简单的电路设计任务定义成一个模块或方块对简单的电路设计任务定义成一个模块或方块，顶层图纸内放置各模块或方块，下一层，顶层图纸内放置各模块或方块，下一层图纸放置各模块或方块相对应的子图，子图图纸放置各模块或方块相对应的子图，子图内还可以放置模块或方块，模块或方块内还可以放置模块或方块，模块或方块的下一层再放置相应的子图，这样一层套一层，的下一层再放置相应的子图，这样一层套一层，可以定义多层图纸设计。这样
7、做还有一个好处，可以定义多层图纸设计。这样做还有一个好处，就是每张图纸不是很大，可以方便用小规格的打就是每张图纸不是很大，可以方便用小规格的打印机来打印图纸如印机来打印图纸如A4A4图纸。图纸。Altium Designer支持“自上而下和“自下而上这两种层次电路设计方式。所谓自上而下设计，就是按照系统设计的思想，首先对系统最上层进行模块划分，设计包含子图符号的父图方块图，标示系统最上层模块方块图之间的电路连接关系，接下来分别对系统模块图中的各功能模块进行详细设计，分别细化各个功能模块的电路实现子图。自顶向下的设计方法适用于较复杂的电路设计。与之相反，进行自下而上设计时，那么预先设计各子模块子
8、图，接着创立一个父图模块或方块图，将各个子模块连接起来，成为功能更强大的上层模块，完成一个层次的设计，经过多个层次的设计后，直至满足工程要求。层次电路图设计的关键在于正确地传递各层次之间的信号。在层次原理图的设计中，信号的传递主要通过电路方块图、方块图输入输出端口、电路输入/输出端口来实现,他们之间有着密切的联系。层次电路图的所有方块图符号都必须有与该方块图符号相对应的电路图存在该图称为子图，并且子图符号的内部也必须有子图输入输出端口。同时，在与子图符号相对应的方块图中也必须有输入输出端口,该端口与子图符号中的输入/输出端口相对应，且必须同名。在同一工程的所有电路图中，同名的输入输出端口方块图
9、与子图之间，在电气上是相互连接的。本节将以电机驱动电路为实例，介绍使用Altium Designer 进行层次设计的方法。图11-1是电机驱动电路的原理图图纸的图幅是A3，虽然该电路不是很复杂，不用层次原理图设计都可以完成PCB板的设计任务。但还是以它为例，介绍层次原理图的设计方法。图图11-2 11-2 电机驱动电路原理图图纸幅面电机驱动电路原理图图纸幅面A3A3 从图从图11-111-1可以看出，可以把整个图纸分成上、中、下三个局部，其中：中局部可以看出，可以把整个图纸分成上、中、下三个局部，其中：中局部和下局部是相同的。和下局部是相同的。我们先用子图我们先用子图1 1，子图，子图2 2，
10、练习自上而下的层次原理图设计。，练习自上而下的层次原理图设计。子图1子图2子图5子图3子图4子图611.1.1 自上而下层次电路图设计自上而下的层次电路设计操作步骤如下。自上而下的层次电路设计操作步骤如下。1 1建立一个工程文件建立一个工程文件1 1启动启动Altium DesignerAltium Designer，在主菜单中选择，在主菜单中选择“File“File“New“New“Project“Project“PCB Project“PCB Project命令，在当命令，在当前工作空间中添加一个默认名为前工作空间中添加一个默认名为“PCB_Project1.PrjPCB“PCB_Proj
11、ect1.PrjPCB的的PCBPCB工程文件，将它工程文件，将它另存为另存为“层次原理图设计层次原理图设计.PrjPCB.PrjPCB的的PCBPCB工程文工程文件。件。2 2画一张主电路图如：画一张主电路图如：Main.SchDocMain.SchDoc来放置方来放置方块图块图Sheet SymbolSheet Symbol符号符号1 1选择选择“Projects“Projects工作面板中的工作面板中的“层次原理层次原理图设计图设计.PrjPCB.PrjPCB按鼠标右键，在弹出的菜单中选按鼠标右键，在弹出的菜单中选择择“Add New to Project“Add New to Proj
12、ect“Schematic“Schematic命令，在新命令，在新建的建的.PrjPCB.PrjPCB工程中添加一个默认名为工程中添加一个默认名为“Sheet1.SchDoc“Sheet1.SchDoc的原理图文件。的原理图文件。2 2将原理图文件另存为将原理图文件另存为“Main_top.SchDoc“Main_top.SchDoc，用缺省的设计图纸尺寸：用缺省的设计图纸尺寸：A4A4。其它设置用默认值。其它设置用默认值。3 3单击单击“Wiring“Wiring工具栏中的添加方块图符号工具栏中的添加方块图符号工具按钮工具按钮“，或者在主菜单中选择，或者在主菜单中选择“Place“Place
13、“Sheet Symbol“Sheet Symbol命令。命令。4 4单击键盘上的单击键盘上的“Tab“Tab键，翻开如图键，翻开如图11-311-3所示所示的的“Sheet Symbol“Sheet Symbol对话框。对话框。在在“Sheet Symbol“Sheet Symbol对话框的的属对话框的的属性性PropertiesProperties栏栏:designator(designator(图纸的标号图纸的标号)：用于设：用于设置方块图所代表的图纸的名称。置方块图所代表的图纸的名称。Filename(Filename(图纸的文件名图纸的文件名)：用于设：用于设置方块图所代表的图纸的文
14、件全置方块图所代表的图纸的文件全名包括文件的后缀，以便建名包括文件的后缀，以便建立起方块图与原理图子图文立起方块图与原理图子图文件的直接对应关系。件的直接对应关系。Unique ID(Unique ID(唯一的唯一的IDID号号):):为了在整为了在整个工程中正确地识别电路原理图个工程中正确地识别电路原理图符号，每一个电路原理图符号在符号，每一个电路原理图符号在工程中都有一个唯一的标识，如工程中都有一个唯一的标识，如果需要可以对这个标识进行重新果需要可以对这个标识进行重新设置。设置。图11-3 “Sheet Symbol对话框5在“Sheet Symbol对话框的“Designator编辑框中
15、输入“隔离局部，在“Filename编辑框内输入“隔离局部.SchDoc，单击“OK按钮，结束方块图符号的属性设置。6在原理图上适宜位置单击鼠标左键，确定方块图符号的一个顶角位置，然后拖动鼠标，调整方块图符号的大小，确定后再单击鼠标左键，在原理图上插入方块图符号。7目前还处于放置方块图状态，按Tab键，弹出“Sheet Symbol对话框的，在“Designator处输入“电机驱动，在“Filename编辑框内输入“电机驱动.SchDoc，重复步骤6在原理图上插入第二个方块图(方框图)符号,如图11-4所示。图11-4 放入两个方块图符号后的上层原理图3在方块图内放置端口1单击工具栏中的添加方
16、块图输入/输出端口工具按钮“，或者在主菜单中选择“Place“Add Sheet Entry命令。2光标上“悬浮着一个端口，把光标移入“隔离局部的方块图内，按“Tab键，翻开如图11-5所示的“Sheet Entry对话框。图11-5 “Sheet Entry对话框在该对话框内，几个英文的含义如下：端口位置Side：用于设置端口在方块图中的位置。端口类型Style:用来表示信号的传输方向。端口的名称Name:是识别端口的标识。应将其设置为与对应的子电路图上对应端口的名称相一致。端口的输入/出类型I/O Type:是表示信号流向确实定参数。它们分别是：未指定的(Unspecified)、输出端口
17、(Output)、输入端口(Input)和双向端口(Bidirectional)。5在“隔离局部方块图符号右边一侧单击鼠标，布置一个名为“A_OUT的方块图输出端口，如图11-7所示。3在“Sheet Entry对话框的“Name编辑框中输入“A_OUT，作为方块图端口的名称。4在“I/OType下拉列表中选择“Output项，将方块图端口设为输出口如图11-6所示，单击“OK按钮。图11-7 布置的方块图端口图11-6 在“Sheet Entry对话框内设置端口A_OUT为输出端口6此时光标仍处于放置端口状态，单击“Tab键，再翻开的“Sheet Entry对话框，在“Name编辑框中输入“
18、B_OUT，“I/O Type下拉菜单中选择“Output项，单击“OK按钮。7在“隔离局部方块图符号靠右侧单击鼠标，再布置一个名为“B_OUT的方块图输出端口。8重复步骤67，完成C_OUT、D_OUT、VO4、VO5、S5、+5V、GND输入/输出端口的放置如图11-8所示,各端口的类型如表11-1所示。图11-8 布置完端口的方块图9采用步骤14介绍的方法，再在“电机驱动方块图符号中添加6个输入、电源和地的端口，在电机驱动的方块图中各端口名称、端口类型如表11-1所示。布置完端口后的上层原理图如图11-9所示。图11-9 布置完端口后的上层原理图4方块图之间的连线Wire在工具栏上按“按
19、钮，或者在主菜单中选择“Place“Wire命令，绘制连线，完成的子图1、子图2相对应的方块图隔离局部、电机驱动的上层原理图如图11-10所示。图11-10 连接好的上层方块图5.由方块图生成电路原理子图1 1在主菜单中选择在主菜单中选择“Design“Design“Create Sheet“Create Sheet From Sheet SymbolFrom Sheet Symbol命令。命令。2 2单击单击“隔离局部方块图符号，系统自动在隔离局部方块图符号，系统自动在“层次原理图设计层次原理图设计.PrjPCB.PrjPCB工程中新建一个名为工程中新建一个名为“隔离局部隔离局部.SchDo
20、c.SchDoc的原理图文件，置于的原理图文件，置于“Main_top.SchDoc“Main_top.SchDoc原理图文件下层。如图原理图文件下层。如图11-1211-12所示。在原理图文件所示。在原理图文件“隔离局部隔离局部.SchDoc.SchDoc 中自中自动布置了如图动布置了如图11-1311-13所示的所示的9 9个端口，该端口中的名个端口，该端口中的名字与方块图中的一致。字与方块图中的一致。l图11-12 系统自动创立的名为“隔离局部.SchDoc的原理图文件图11-13 在“隔离局部.SchDoc的原理图自动生成的端口3在新建的“隔离局部.SchDoc原理图中绘制如图11-1
21、4所示的原理图。该原理图即是图11-2椭圆所框的子图1。图11-14 “隔离局部方块图所对应的下一层“隔离局部.SchDoc原理图 至此，完成了上层方块图“隔离局部与下一层“隔离局部.SchDoc原理图之间的一一对应的联系。父层上层与子层下一层之间的联系，靠上层方块图中的输入、输出端口，与下一层的电路图中的输入、输出端口进行联系。如上层方块图中有：A_OUT等6个端口，在下层的原理图中也有A_OUT等6个端口，名字相同的端口就是一个点。现在用另一种方法来完成上层方块图“电机驱动与下一层“电机驱动.SchDoc的原理图之间的一一对应关系。4单击工作窗口上方的“Main_top.SchDoc文件标
22、签，将其在工作窗口中翻开。5在原理图中的“电机驱动方块图符号上单击鼠标右键，在弹出的如图11-15所示的右键菜单中选择“Sheet Symbol Actions“Create Sheet From Sheet Symbol命令。6在“Main_top.SchDoc文件下层新建一个名为“电机驱动.SchDoc的原理图，如图11-16所示。7在“电机驱动.SchDoc原理图文件中，自动产生了如图11-17所示的9个端口。图11-16 新建的名为“电机驱动.SchDoc的原理图图11-17 在“电机驱动.SchDoc的原理图内自动建立的9个端口8在“电机驱动.SchDoc原理图文件中，完成如图11-
23、18所示的电路原理图。图11-18 “电机驱动.SchDoc原理图子图2至此，完成了上层原理图中的方块图“电机驱动与下层原理图“电机驱动.SchDoc之间一一对应的联系。“电机驱动.SchDoc原理图，就是图11-2所示的原理图中的子图2。这样我们就用图11-2所示的子图1、子图2，完成了自上而下的层次原理图设计。在主菜单中选择“File“Save All命令，将新建的3个原理图文件和按照其原名保存。注意：在用层次原理图方法绘制电路原理图中，系统总图中每个模块的方块图中都给出了一个或多个表示连接关系的电路端口，这些端口在下一层电路原理图中也有相对应的同名端口，它们表示信号的传输方向也一致。Al
24、tium Designer使用这种表示连接关系的方式构建了层次原理图的总体结构，层次原理图可以进行多层嵌套。6层次原理图的切换1上层方块图下层子原理图，在工具栏按层次切换工具按钮“或在主菜单中选择“Tools“Up/Down Hierarchy，光标变成“十字形，选中某一方块图，单击鼠标左键即可进入下一层原理图。2下层子原理图上层方块图，在工具栏按层次切换工具按钮“或在主菜单中选择“Tools“Up/Down Hierarchy，光标变成“十字形，将光标移动到子电路图中的某一个连接端口并单击鼠标左键即可回到上层方块图。注意：一定要用鼠标左键单击原理图中的连接端口，否那么回不到上一层图。小结：1
25、1.1.1 11.1.1 自上而下层次电路图设计自上而下层次电路图设计自上而下层次电路图设计自上而下层次电路图设计自上而下的层次电路设计操作步骤如下。自上而下的层次电路设计操作步骤如下。自上而下的层次电路设计操作步骤如下。自上而下的层次电路设计操作步骤如下。1 1建立一个工程文件建立一个工程文件建立一个工程文件建立一个工程文件2 2画一张主电路图如：画一张主电路图如：画一张主电路图如：画一张主电路图如：Main.SchDocMain.SchDoc来放来放来放来放置方块图置方块图置方块图置方块图Sheet SymbolSheet Symbol符号符号符号符号3 3在方块图内放置端口在方块图内放置
26、端口在方块图内放置端口在方块图内放置端口4 4方块图之间的连线方块图之间的连线方块图之间的连线方块图之间的连线WireWire5.5.由方块图生成电路原理子图由方块图生成电路原理子图由方块图生成电路原理子图由方块图生成电路原理子图1 1在主菜单中选择在主菜单中选择在主菜单中选择在主菜单中选择“Design“Design“Create“Create Sheet From Sheet SymbolSheet From Sheet Symbol命令命令命令命令2 2在原理图中的在原理图中的在原理图中的在原理图中的“电机驱动方块图符号上单电机驱动方块图符号上单电机驱动方块图符号上单电机驱动方块图符号上单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择击鼠标右键，在弹出的菜单中选择击鼠标右键，在弹出的菜单中选择击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Sheet“Sheet Symbol ActionsSymbol Actions“Create Sheet From“Create Sheet From Sheet SymbolSheet Symbol命令。命令。命令。命令。6 6层次原理图的切换层次原理图的切换层次原理图的切换层次原理图的切换