电工电子技术基础（第2版）（微课版）（AR+H5交互）课件 模块3 项目10 EDA设计

电子电工技术基础（第2版）（微课版）（AR+H5交互版）模块3创新实践项目10EDA设计模块3EDA技术原理图设计PCB设计目录Contents任务10.1任务10.2任务10.3项目目标知识路径EDA技术概述任务10.1

EDA技术是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的成果，进行电子产品的设计。利用EDA软件，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出集成电路版图或者PCB版图的整个过程在计算机上自动处理完成。

EDA技术是综合性技术，它打破了软件和硬件间的壁垒，代表了电子设计技术和应用技术的发展方向。EDA技术在硬件实现方面融合了大规模集成电路制造、集成电路版图设计等技术；在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）等技术及多种计算机语言的设计概念。

EDA技术的应用范围很广，包括机械、电子、通信、航空航天等领域。本项目主要介绍基于EDA进行电子电路的原理图设计、PCB设计。10.1.1EDA发展发展历程具体情况早期阶段早期阶段即CAD阶段，大致在20世纪70年代，当时中小规模集成电路已经出现，传统的手工制图设计PCB和集成电路的方法的效率低、成本高、制造周期长。发展阶段人们进一步开发设计软件将各个CAD工具集成为系统，从而优化了电路功能设计和结构设计，延伸到半导体芯片的设计，已生产出可编程半导体芯片。成熟阶段90年代以后微电子技术突飞猛进，随着EDA技术要求的提供，促进了EDA技术的发展，出现了以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特征的EDA技术。发展趋势目前EDA的发展趋势总体上来看是政府重视、使用普及、应用广泛、工具多样、软件功能强大，EDA软件开发方面；目前主要集中在美国。为了与国际上的工程师开展更有力的竞争，解决“卡脖子”问题，我国也在大力发展相关EDA技术，研发属于自己的EDA软件，实现EDA软件国产化。10.1.2常用EDA软件EDA软件大致可以分为芯片设计辅助软件、可编程芯片设计辅助软件、系统设计辅助软件3类。目前在我国具有广泛影响的EDA软件有Protel、AltiumDesigner、PSPICE等。这些软件都有较强的功能，可以用于电路设计和仿真、PCB自动布局与布线、输出列表文件等，根据主要功能和应用场景，EDA软件可以分为电子电路设计与仿真工具、PCB设计软件等几类。1．电子电路设计与仿真工具常用的电子电路设计与仿真工具有SPICE/PSPICE、Multisim、MATLAB等。(1)SPICE：是由美国加利福尼亚大学研发的电路分析软件，被定为美国国际工业标准。(2)Multisim：是EWB的改进版本，具有更加形象、直观的人机交互界面，可以提供多种类型的虚拟仪器，可以像操作实际仪器一样对其进行操作。(3)MATLAB：有众多的面向具体应用的工具箱和仿真块，包含完整的函数集，用来对图像信号处理、控制系统设计、神经网络等特殊应用进行分析和设计。具有数据采集、报告生成和以MATLAB语言编程产生独立C/C++代码等功能。被广泛应用于信号与图像处理、控制系统设计、通信系统仿真等诸多领域。2．PCB设计软件

PCB（Printed-CircuitBoard，印制电路板）设计软件种类很多，如Protel、AltiumDesigner、OrCAD、Viewlogic、PowerPCB等。其中AltiumDesigner在我国应用广泛，它是Protel的改进版本。它具有易于使用、界面友好等优点，电路设计和PCB设计是其最有代表性的功能。3．嘉立创EDA

本项目将着重介绍嘉立创EDA，相关设计将基于嘉立创EDA进行。嘉立创EDA是一款基于浏览器的、友好的、易用的、强大的EDA工具，重点是完全由中国人独立开发，是一款高效的国产PCB设计工具，而且永久免费，完全不会受“卡脖子”问题影响。嘉立创EDA具有以下特点。（1）基于云端在线设计。（2）具备强大的原理图设计功能。（3）具备专业的PCB设计功能。（4）具备产业链优势，设计、制造“一条龙”。任务10.2原理图设计

原理图反映了PCB上的各元器件之间的连接关系，直接体现了电子电路的结构和工作原理，一般用在设计、分析电路中。分析电路时，通过识别原理图上所画的各种电路元件图形符号，以及它们之间的连接方式，就可以了解电路实际工作时的原理。原理图就是用来体现电子电路的工作原理的一种工具。在方案开发等过程中，原理图的作用是非常重要的，而对原理图的把关也关乎整个项目的质量。任务10.2.1新建工程和原理图文件3．工程管理

在工程文件上右击，弹出工程管理菜单，如图10-7所示，通过该菜单可以对工程进行管理，包括“迁移到专业版”“置顶”“克隆”“移动”“工程管理”“版本”“新建原理图”“新建PCB”“工程排序”等功能。下面主要介绍工程管理子菜单中的成员管理和版本管理。“工程管理”子菜单中有“成员”选项，如图10-8所示，该选项用于添加工程成员和设置权限。这里的成员管理和团队管理有所不同，团队管理面向多人协调管理，而成员管理只适用于少数人的协调管理。

工程管理菜单中有“版本”选项，如图10-9所示。在实际工程项目中，往往需要设计不同的版本，或者是团队中对同一工程的操作，不同的人员有不同的设计方案和需求，这时版本管理就非常有用了。可以在同一工程下新建多个版本，单击“切换版本”便可切换到不同的版本。4．分享工程

嘉立创EDA提供了两种分享工程的方式，可以很容易地将工程分享给其他人。公开分享：将工程公开给大众，所有人可以查阅。添加成员分享：将工程分享给指定的人，适合保密性分享。对于所有新建的工程，嘉立创EDA都默认其为私有工程，不能直接公开分享私有工程下的文件。当想要进行分享时，必须先将工程设为公开工程。（1）公开分享分享工程：右击工程文件夹，选择“工程管理”→“分享”，如图10-10所示，将跳转到立创开源硬件平台如图10-11所示，补全数据后即可分享。（2）添加成员分享打开工程后，单击“高级”→“分享”选项，如图10-12所示，弹出分享窗口，可复制链接进行分享，也可在移动端扫描二维码进行分享。10.2.2绘制原理图嘉立创EDA有一些简单而强大的绘图功能，你可以通过将现有的符号复制到自己的库中，然后编辑和保存来创建自己的库文件，或者从头开始绘制新的符号来创建库文件。

编辑器提供了符号库向导，以便迅速创建DIP、QFP和SIP类的原理图符号。嘉立创EDA除了普通的、简单的2D图形库之外，还有一个3D零件符号库，这些符号看起来与实物相似。如果你有足够的耐心，你可以创建很漂亮的3D原理图，如图10-13所示。嘉立创EDA还有一个强大的功能是可以通过AD、KiCad、Eagle等导入原理图封装库符号。1．常用库和元件库

在嘉立创EDA中有常用库和元件库，如图10-14所示。常用库中有一些零件样式，包含美式和欧式，你可以随意选择喜欢的样式。单击零件右下角可以选择相应的封装和参数，编辑器会记住所选择的参数以便下次应用。使用筛选器可快速找到想要的零件，比如输入0603可快速显示出电阻。2．原理图绘制流程

下面以电容充电、放电电路为例演示基于嘉立创EDA的原理图绘制流程。电容充电、放电电路如图10-15所示，电路的左边部分S1、R1、LED1和电解电容C1、C2组成充电电路，充电电流由红色发光二极管LED1

显示；电路的右边部分S2、R2、LED2

和电解电容C1、C2组成放电电路，放电电流由绿色发光二极管LED2显示。其工作原理为：当S1闭合时，电源通过R1、LED1

向C1、C2充电，在接通电源的瞬间，由于C1、C2中没有电荷，其两端电压为零，这时通过LED1的电流最大，发光亮度最大。电阻R1

具有限流作用，阻碍电源向电容充电，R1

的阻值越大，LED1

的瞬间电流越小，但发光时间延长，也就是电容的充电时间越长。当C1、C2

充满电后，断开S1，此时C1、C2与电源脱离，闭合S2，LED2开始发光，表明C1、C2开始放电，以此可以表明电容具有存储电荷的能力。电容放电时，随着存储的电荷不断减少，其两端电压也迅速下降，放电电流也随之按指数规律急剧减小，LED2的亮度也由最亮迅速变暗并最终熄灭。（1）选择并放置元器件在常用库中单击元器件后按住鼠标左键将其拖曳至画布即可放置，如图10-16所示。图10-15电容充电、放电电路227注意，嘉立创EDA不支持拖动已放置的器件。如果常用库中没有所需的元器件，可以打开元件库的搜索框，输入名称后搜索即可。以电容充电、放电电路中所需要用到的开关为例，此处开关选择轻触开关，轻触开关的工作原理为向开关操作方向施压时开关导通（或断开），当撤销操作力时开关断开（或导通），其实物如图10-17所示。可以在元件库的搜索框中直接输入“轻触开关”进行搜索，如图10-18所示，会搜索出与轻触开关相关的元器件，结合实际需要选择合适的元器件，在搜索界面右侧会显示元器件的原理图、PCB封装图及实物图等，同时在搜索界面的左下角会显示元器件的参考价格，以及元器件在立创商城中的相关信息。

在搜索结果中可以选择想要的类别，然后单击所需的元器件，再单击下方的“放置”即可将其放在画布中（见图10-19），也可以直接将其拖曳至画布中进行放置。依次添加所设计的电路需要的元器件，电容充电、放电电路所需的元器件如图10-20所示。（2）连线

根据所设计的电路原理图依次将元器件连接起来，在电气工具中单击线（或者使用快捷键“W”）进行连接，如图10-21所示。连线完成效果如图10-22所示。为了方便给PCB供电，增加一个排母作为电源端子，如图10-23所示。也可以使用常用库中的轻触开关，如图10-24所示。修改电源电压的大小，电容充电、放电电路使用的电压是+6V，如图10-25所示。（3）原理图错误检查

绘制完原理图后，首先认真检查是否画错，然后利用嘉立创EDA的设计管理器功能进行错误检查。单击设计管理器进行检查，若检查发现有警告图标或错误图标，则依次点开警告或者错误部分，根据提示修改问题。①连线不完整，如图10-26所示。②检查出有悬空的引脚，如图10-27所示，根据需求选择是否连接。③处理完提示问题后，正确连接，单击刷新按钮，警告图标会消失，如图10-28所示。任务10.3PCB设计1．生成PCB

嘉立创EDA可以快速地通过原理图生成PCB，甚至是复杂的多页原理图，且没有面积限制，只要你的计算机配置足够强大，但在浏览器中，绘制大面积的PCB会产生卡顿现象。在原理图界面单击“设计”→“原理图转PCB”即可快速生成PCB，如图10-29所示。单击“原理图转PCB”后，如果编辑器检测到元器件与封装的对应信息异常，会弹出错误对话框，并且转换不会继续进行，需要在封装管理器中修正错误。如果没有问题会弹出图10-30所示对话框，设置需要的尺寸，具体的尺寸需要根据需求而定，原则上如果没有特殊要求，则越小越好，建议初学者尽量设置小尺寸，可以降低学习的成本。此处的电容充电、放电电路的PCB参考设计选择50mm×50mm。

转换成功后会自动生成一个PCB边框，如图10-31所示，元器件之间的飞线表示两个焊盘之间需要进行布线连接，属于同一网络。若不喜欢该边框，可以将它删除后重新绘制。使用工具栏中的“全局删除”功能可以快速删除边框，然后根据需求或者兴趣爱好绘制各种各样的边框。2．布局首先需要对元器件进行大概的布局。在PCB上进行布局通常有3种方法。①直接根据原理图的元器件编号在PCB上自由选择元器件进行布局。②在原理图界面框选某一模块的电路之后，单击“工具”→“交叉选择”，如图10-32所示。此时会直接跳到PCB设计界面，选中的元器件会在PCB上以高亮的形式显示，然后可以将这些元器件拖曳到一边以进行布局。当原理图非常复杂时，此方法非常适用。注意，在进行此操作之前一定要先将PCB保存到工程文件夹下。交叉选择的效果如图10-33所示。

③第三种方法更加便捷，它可以将原理图上的布局转到PCB上，以减少进行PCB布局的时间。操作方法和上述第二种方法相似，只需要单击“工具”→“布局传递”，跳到PCB设计界面，如图10-34所示，同时PCB设计界面上会根据原理图上的布局在PCB上排列元器件，如图10-35所示。从PCB设计界面中可以看出所选用的电阻明显太大，所以需要返回原理图进行修改（其实一开始选元器件时就应该考虑到元器件的封装尺寸，所以建议一开始全部使用元件库中的元器件，可以看见封装、实物等信息）。更新PCB：如果你已经完成原理图转PCB，但是再次修改了原理图，这时你无须转一个新的PCB，只需在原理图界面单击“设计”→“更新PCB”即可将变更更新至现有已保存的PCB文件中，如图10-36所示。注意，在执行上述操作之前一定要先保存文件。也可以在PCB界面中直接导入变更PCB，操作方法是选择“设计”→“导入变更”，如图10-37所示。修改成功后的界面如图10-38所示。最后手动根据实际情况进行合理的布局，在较为复杂的PCB中需要考虑频率、功率、隔离、电磁兼容等因素，这需要多画、多练才能积累经验，最终设计出相对完美的PCB。电容充电、放电电路的参考布局图10-39所示。3．布线与原理图布线一样，可以使用PCB工具菜单中的工具按钮中的线，也可以使用快捷键“W”进行布线，如果布局布得好，布线会很省时、省力。选中一条导线时，可以在右边属性面板中修改其对应的属性，如图10-40所示。依次将所有需要连接的线连接完成。电容充电、放电电路的参考布线如图10-41所示。4．添加泪滴在导线和焊盘处添加一块铜皮，即泪滴，其作用为使焊盘和导线连接更加牢固，在高温焊接时使焊盘不容易脱落。操作方法为选择“工具”→“泪滴”，如图10-42所示。5．画通孔在画PCB时经常会使用通孔，一般用于安装、支撑等，通常会在PCB的4个角画4个通孔作为螺柱孔用于支撑PCB，如图10-43所示。单击画好的通孔，可在右侧设置通孔的属性，包括通孔的直径、坐标、是否锁定等，注意此处的坐标是相对于PCB界面中白色十字中点的坐标，如图10-44所示。依次在PCB的4个角画4个通孔作为螺柱孔，通孔绘制完成的效果如图10-45所示。6．添加字符可以在PCB上添加字符，PCB设计者通常会添加PCB名称、设计者、日期、功能提示、特殊标志等字符，亦可以添加任何自己喜欢的字符。添加方法为在PCB工具中单击“T”按钮，然后放置即可，如图10-46所示。需要掌握常用的层，包括顶层走线层/底层走线层、顶层丝印层/底层丝印层、顶层阻焊层/底层阻焊层、机械层、文档层、飞线层等，各层的定义和作用如下。顶层走线层/底层走线层：PCB顶面和底面的铜箔层，主要作用是信号走线。顶层丝印层/底层丝印层：PCB表面的字符层，主要作用是显示字符。顶层阻焊层/底层阻焊层：PCB的顶层和底层盖油层，该层的主要材料一般是绿油，绿油的作用是阻止不需要的焊接。若有导线或者区域不需要盖绿油，则在对应的位置进行绘制，PCB生成后这些区域将没有绿油覆盖，方便上锡等操作，该动作一般被称为开窗。机械层：记录PCB设计里的机械信息仅用于信息记录。生产时默认不采用该层进行制造。一些板厂在使用AD文件生产时会使用机械层作为边框，在嘉立创EDA中，该层不影响PCB的边框形状。如果机械层有闭合的导线，嘉立创EDA在生产PCB时会优先使用机械层作为PCB的边框，如果没有机械层则会使用GKO作为边框。在设计的时候要注意机械层的使用。

文档层：与机械层类似，但该层仅在编辑器中可见，在Gerber文件里不可见。飞线层：用于PCB网络飞线的显示，该层不属于物理意义上的层，为了方便使用和设置颜色，故将其放置在层管理器中进行配置。画好以后可以查看PCB的3D视图，单击界面上方的“3D”即可切换到3D视图，如图10-48所示。电容充电、放电电路的PCB的3D视图如图10-49所示。7．敷铜敷铜又称为铺铜。所谓敷铜就是使部分整块铜箔区域连接至某一网络。常用的敷铜方式一般是使铜箔区域接地或者接电源，需要根据需求而定。同时，敷铜也起到散热的作用。敷铜方法如下。第一步，在PCB工具中选择敷铜工具，单击后可以围绕想敷铜的区域绘制敷铜区，一般沿着PCB边框或在PCB边框外部绘制，顶层和底层需要分别绘制。一块PCB可以绘制多个敷铜区，并分别设置，如图10-50所示。第二步，设置敷铜网络。所谓敷铜网络就是敷铜连接的网络，一般顶层铺电源地，底层铺电源。设置方法为单击敷铜区，然后进行属性设置，在“网络”中选择需要敷铜的网络，如图10-51所示。

电容充电、放电电路的顶层敷铜如图10-52所示。将操作层修改为底层，进行底层敷铜。修改方法为在层与元素工具中，单击需要操作的层（对应的层即操作层），如图10-53所示。和顶层敷铜一样，设置底层敷铜网络，如图10-54所示。电容充电、放电电路的底层敷铜如图10-55所示。8．设计规则检查所谓百密一疏，在设计的时候难免会出错，嘉立创EDA提供了设计规则检查功能（DRC:DesignRuleCheck），可以自动检查“规则错误”，注意是“规则错误”，原理性设计错误无法检查出来。嘉立创EDA提供一个可实时运行的设计规则检查功能，当完成设计后进行规则检查可以看出不符合要求的地方，并进行修改。检查方法：选择“设计”→“设计规则”，打开“设计规则”对话框，并进行修改。在DRC规则检查之前需要设置设计规则，设置的方法：选择“设计”→“设计规则”，打开“设计规则”对话框，然后根据实际需要设置规则；也可以通过在画布上右击，在弹出的快捷菜单中选择“设计规则”，打开“设计规则”的对话框；也可以通过在画布上右击并选择“设计规则”。“设计规划”对话框里面的“单位”跟随当前画布的单位，如图10-56所示。“规则