计算机辅助电路设计课件：综合实例

综合实例9.1AltiumDesigner设计流程介绍9.2基于MC34063直流电源变换器的设计9.3基于LM317的0～20V直流

内容提要

了解电子产品设计流程

提高原理图绘制水平

熟练掌握电路PCB的设计技能

9.1AltiumDesigner设计流程介绍

通过前面8章的学习，读者已经了解了AltiumDesigner的基本使用方法，掌握了原理图的绘制、印制电路板的设计以及电路仿真的基本方法，但前面的章节只是把AltiumDesigner的使用方法分解成很多知识点进行介绍，所以还需要用一些综合实例将这些知识点贯穿起来，使读者对于印制电路板设计流程有一个整体认识。本章将以直流稳压电源电路、单片机最小系统以及单片机开发板电路的设计为案例，通过练习，使读者进一步熟练地掌握AltiumDesigner的使用方法。

9.1.1电子产品设计流程

在学习AltiumDesigner设计流程之前，先了解一下电路板的设计在整个电子产品的研发环节中所占的位置。

1.确定规格

企业根据市场需求或其客户的要求，调查搜集有关资料加以消化，并与相关人员协商出此产品的最终规格，再将电子部分的规格交给电子工程师，确定设计方案。为了突破复杂关键技术，减小产品预研的技术风险，寻求最佳方案，应进行一系列的试验，要做好原始记录，并加以整理分析。

2.绘制线路图

电子工程师根据用户的需求，绘制电路图(Schematic或称Entry)，待完成后，交给布局工程师(LayoutEngineer)进行电路板的设计。

3.电路板设计

布局工程师根据电子工程师提供的电路图及设计规范要求，并在电子工程师的参与下，协同进行电路板的设计工作。待完成后，产生相关的设计资料(即底片档案，GerberFiles或称ArtworkFiles)，交给下游的电路板加工厂。

4.试做电路板

电路板加工厂根据收到的相关设计资料，立即试做少量的电路板。

5.插件及焊接

电子工程师收到电路板样本(PCBSample)后，立即自行或交由专职人员进行零件的插接及焊接作业。

6.除错及验证

电子工程师对插好零件的电路板进行功能除错及验证；若有问题，则进行修改作业，直到没有错误为止；若无错误，则可进行工厂试产或量产作业。

9.1.2电子线路板设计流程

在计算机上，利用AltiumDesigner进行电路板设计的过程如下：

(1)编辑原理图。原理图编辑(SchematicEdit)是电路CAD设计的前提，也是电路CAD软件必备的功能。

(2)必要时利用AltiumDesigner软件的电路仿真功能，对电路的功能和性能指标进行仿真测试。电路的功能和性能主要由原理图决定。

(3)生成网络表文件，创建PCB文件并将原理图中的元器件序号、封装形式以及连接关系装入PCB文件内。

(4)若有问题则返回(1)，修改原理图。

(5)执行“UpdatePCB…”命令，或启动AltiumDesignerPCB编辑器，并装入从原理图文件中提取的网络表文件。

(6)设计元器件封装，AltiumDesigner不可能提供所有元器件的封装。如果发现元器件封装库中没有所需要的元器件，可以自己动手设计元器件封装。

(7)编辑PCB，根据系统设计的要求绘出PCB的轮廓，按照网络表和设计规则要求布局和布线，最后进行设计规则检查。

9.2基于MC34063

直流电源变换器的设计

9.2.1MC34063芯片介绍

MC34063是一单片双极型线性集成电路，专用于DC-DC电源变换器控制部分。片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关。它能使用最少的外接元器件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。这种开关电源相对线性稳压电源来说，效率较高，而且当输入输出电压降很大时，效率不会降低；该电源也不需要大的散热器，因此体积较小，应用范围非常广泛；主要应用于以微处理器或单片机为基础的系统里。

1．MC34063芯片特点

MC34063芯片具有以下特点：

能在3.0～40V的输入电压下工作。

具有短路电流限制。

低静态工作电流。

输出开关电流可达1.5A(无外接三极管)。

输出电压可调。

工作振荡频率从100Hz到100kHz。

2．MC34063内部结构及引脚功能

MC34063内部结构及引脚功能如图9-1所示。

图9-1MC34063内部结构及引脚

 1脚：开关管T1集电极引出端。

 2脚：开关管T1发射极引出端。

 3脚：定时电容Ct接线端；调节Ct可使工作频率在100～100kHz范围内变化。

 4脚：电源地。

 5脚：电压比较器反相输入端，同时也是输出电压取样端；使用时应外接两个精度不低于1%的精密电阻。

 6脚：电源端。

 7脚：负载峰值电流(Ipk)取样端；6、7脚之间电压超过300mV时，芯片将启动内部过流保护功能。

 8脚：驱动管T2集电极引出端。

9.2.2MC34063芯片构成的升压变换电路

1．MC34063数控升压电路原理图

MC34063数控升压电路原理图如图9-2所示，通过R10电位器可调节其输出电压的大小，只要将R10电位器的中心抽头电压用单片机的数模电路的输出电压代替，就变成了数控升压电路。图9-2MC34063数控升压电路原理图

2．MC34063数控升压电路PCB

MC34063数控升压电路的PCB如图9-3所示。

图9-3MC34063数控升压电路PCB

9.2.3MC34063芯片构成的降压变换电路

1．MC34063数控降压电路原理图

MC34063数控降压电路的原理图如图9-4所示。

图9-4MC34063数控降压电路原理图

2．MC34063数控降压电路PCB

MC34063数控降压电路的PCB如图9-5所示。图9-5MC34063数控降压电路PCB

9.3基于LM317的0～20V直流电源设计

9.3.1LM317集成电路介绍

LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的优势。

1．LM317集成电路的特点

LM317集成电路具有以下特点：

输出电压范围从1.25～37V连续可调。

保证1.5A输出电流。

典型线性调整率及负载调整率都达到0.01%。

纹波抑制比达到80dB。

具有输出短路、过流、过热保护和调整管安全工作区保护的功能。

2．LM317引脚

LM317有3个管脚：

第一引脚为电压调节端。

第二引脚为电压输出端。

第三引脚为电压输入端。

3．LM317典型应用电路

LM317典型应用电路如图9-6所示。

输出电压与电压调节电路的关系为

图9-6LM317典型应用电路

9.3.2基于LM317

的0～20V直流电源设计

1．由LM317组成的0～20V直流稳压电源

由LM317

组成的0～20V直流稳压电源原理图如图9-7所示，本电路具有以下几个特点：

调压部分采用LM317。

 LM317的ADJ电压由集成运放U2A产生，在 -1.25～+18.75V范围内变化，保证电源输出电压从0～20V的范围内变化。

 U2集成电路采用正负电源供电，正电压为 +20V，负电压为 -5V。

输出电压大小由电位器R14控制，R14电位器的输出电压最低为0V，最高为5V，U2A运放的同相放大倍数为4倍。控制电压经同相放大后与反相端基准电压相减，保证U2A的输出电压范围为 -1.25～+18.75V。

如果将R14电位器的输出电压由单片机的D/A信号替换，本电路就变成数控电压源。

单片机通过ADC0电压可以测量输出电压的大小，通过ADC1电压可以测量输出电流，并完成过流保护功能。

主电源输入电压由变压器将220V交流降压后，再经过桥式整流和滤波电路来提供。

控制电路所需要的 +20V、+5V、-5V电压也是由变压器降压后的电压经半波整流、滤波、集成稳压电路来提供。

为了提高电源的电流驱动能力，增加了由Q10和R100组成的扩流电路。

图9-70～20V直流稳压电源

2．由LM317

组成的0～20V直流电源的PCB

由LM317组成的0～20V直流电源的PCB如图9-8所示。

图9-80～20V直流稳压电源PCB板

9.4单片机最小系统的电路设计

近年来，各种电子类竞赛项目越来越多，大到全国大学生电子设计竞赛，小到各行业、各省区的电子技能比赛。但所有电子类竞赛项目都有一个共同点，就是在竞赛内容上都用到了单片机技术，而且对单片机系统有一些特殊要求，就是在单片机主板上只能有键盘、显示、串口通信、A/D、D/A变换基本单元电路。下面针对大赛的具体要求，设计一个单片机最小系统。

9.4.1单片机最小系统的原理图

设计完成的单片机最小系统如图9-9所示，由于电路功能多，原理图复杂，元器件之间的网络连接主要采用网络标号，可读性强。电路各个模块的功能如下所述。

图9-9单片机最小系统原理图

(1)电源部分：电源部分由主板外部的电源电路产生 +5V电压，通过JP8开关引入单片机系统。为了电源的稳定性，在板子的不同位置放置C5、C6、C7、C8和C4滤波电容。在主板上又增加了JP2、JP1插头，以方便向外部电路提供 +5V电压。

(2)单片机型号：此单片机最小系统采用P89S52单片机，ROM空间达到8K，可满足一般电子产品编程需要，支持ISP下载，JX1是它的下载接口。

(4)键盘：共设有4个独立式按键，方便编程。

(5)显示电路：显示部分提供两种独立插头，其中JP24接LCD1602显示器，用于英文和特殊符号显示；JP23接LCD12864显示器，可显示中文。另外还有4个LED灯，可用于单片机一些状态信息的显示。

(6) A/D电路：采用TLC1549。

TLC1549是10位模数转换器。它采用CMOS工艺，具有内在的采样和保持，采用差分基准电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，总的不可调整误差达到±1LSBMax(4.8mV)等特点。

本系统将TLC1549基准电压(REF+)设定为2.5V，所以模拟信号的输入电压范围为0～2.5V，TLC1549通过三线式串口方式与单片机通信，所以电路简单，占用单片机资源较少。

(7) D/A电路：采用DAC8512。

DAC8512是一款完整的串行输入、12位电压输出数模转换器，采用+5V单电源供电，内置DAC、输入移位寄存器和锁存器、基准电压源以及一个轨到轨输出放大器。这些单芯片DAC采用CBCMOS工艺制造，适合仅有+5V电源的系统，具有成本低、易于使用的特点。

DAC8512采用三线式串行接口与单片机连接，提供数据输入(SDI)、时钟(CLK)和负载选通(LD)3个引脚，所以电路简单，占用单片机资源较少。

9.4.2单片机最小系统PCB

单片机最小系统的PCB如图9-10所示。图9-10单片机最小系统原理图

9.5单片机开发板电路设计

单片机开发板电路在保留前面讲过的单片机最小系统的大部分电路外，将显示电路变成了LCD12232S，还增加了时钟电路、标准RS232接口。为了使开发板的体积更小，除过插接件外，大部分元器件都采用贴片封装。下面具体讲述单片机开发板的设计流程。

9.5.1创建PCB工程

首选新建一个PCB工程，在工程下新建原理图和PCB文件。

9.5.2原理图文件设计

单片机开发板电路如图9-11所示。图9-11单片机开发板电路原理图