如何绘制和设计PCB原理图？

甲示意图是电气电路的逻辑和视觉表示。这是电子产品设计的第一步。以前，设计人员曾经在纸上绘制电路图。现在，设计人员已开始使用PCB设计工具（M-CAD和E-CAD），这些工具简化了设计过程。建议设计人员遵循标准原理图指南，以进行结构合理且无错误的设计。

如今，设计人员使用大量的EDA（电子设计自动化）工具，例如Altium，Allegro，Pads，Kicad，Tinycad，Express PCB等。这些设计工具可确保原理图电路无差错，因为它们可以持续监视逻辑和连接错误。设计人员需要遵循标准设计规则，以使电路可机读。 

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结构良好的电路图，清楚地描绘了各种电子组件之间的电连接。还应注意，技术上正确但拥挤的原理图仍然是不好的，因为它可能会使设计人员感到困惑。原理图可以找出电路中的连接，因此是一种非常有价值的故障排除工具。

绘制PCB原理图的准则

为了获得成功的设计，请遵循以下标准原理图指南。 

页面大小选择

大多数设计工具提供不同的页面大小。通常，这些工具会将页面大小选择为A4。但是，应该注意，其他各种页面大小也是可用的。设计人员应根据电路设计的大小选择大小。

页面命名约定

原理图的逻辑块应以页分隔。可以使用字母A，B，C等来命名页面。这样，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_ MCU接口

D_Memory接口

E_修订记录

大多数设计人员经常忽略框图和修订历史记录，以节省时间。但是，它们对于尝试理解原理图的其他设计师可能非常有帮助。大多数基于产品的组织都强制执行所有此类协议和法规。

网格设置

尽管这不是设计人员的直接要求，但该工具需要具有一些参考。因此，遵循网格系统。拥有网格可以帮助设计人员正确引用零件并进行连接。电路组件和连接必须始终在网格上，这有助于在分析过程中探测网络。

页面标题栏

页面标题栏位于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，修订版，文档编号，电路的名称/功能以及公司免责声明。标题栏的示例如下所示。

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，在复杂设计的单独页面上提供了注释。注释示例包括跳线状态，PCB布局约束/准则等。带有注释的原理图可以在下面看到。

带有注释和注释的示意图

修订记录

修订历史记录包含对设计所做的更改。本文档提供信息，例如所做更改的日期和说明，作者和审阅者的姓名，以及审阅注释（如果有）。修订历史记录通常位于原理图的第一页或最后一页。原理图修订历史的示例如下所示。

原理图的修订历史

示意图文件目录

目录列出了原理图文档中存在的主题。拥有此页面可帮助设计人员轻松地在复杂的大型设计中定位特定的模块。如果设计小而简单，则可以跳过此步骤。下面给出了ToC的示例。

原理图文件的目录

框图

该框图表示设计和信号流中的不同模块。这极大地帮助了审阅者理解设计以便进行审阅。可以在下面看到示意性框图的示例。

原理图的框图
分层原理图设计

如果设计复杂并且包含许多模块，则最好具有分层设计。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部件的名称，以及在任何示意图中使用的相应电子参考标记。根据IEEE标准分配代号。建议使用其标准参考标记来命名组件。另外，请始终使用大写字母来指定原理图符号。

符号生成

示意图由不同类型的组件组成，例如有源组件，无源组件和连接器。有源组件包括晶体管，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称为无源设备。除非标准库中没有该组件的符号，否则不建议创建新的符号。

电阻器

电阻可以两种不同的方式表示，如下所示。设计人员应注意保持所用符号的一致性。

电阻符号

电阻的单位是欧姆，并用符号“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应遵循一致的单位表示形式。有关组件的所有必需数据都应输入到设计工具中。这使得在设计结束时更容易创建BOM（物料清单）。

极化和非极化电容器

电容器有两个端子，一个为正极，一个为负极。请注意标记这些端子的极性。电容器端子的极性错误可能导致爆炸。下图显示了IEEE标准中的电容器符号。

极化和非极化电容器

设计人员还应确保分配给符号的引脚号应与布局布局完全匹配。

晶体管

晶体管是三端半导体器件。端子是基极，集电极和发射极。设计人员在将引脚布局中的引脚映射到原理图符号时，应始终参考组件数据手册。

带有引脚号的晶体管符号

创建符号后，输入组件说明很重要。这对于将来参考或零件已过时且需要更换时非常有用。在BOM上具有这些详细信息可以提高可读性。下面的两个图像显示了晶体管符号的完全填充的描述字段。

晶体管的符号说明

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便利性来设计运放，这往往会降低可读性。由于缺乏对CAD原理图工具的了解和经验，可能会发生这种情况。 

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在顶部和底部。在所示的图像中，输入引脚为2和3，输出引脚为4，电源和接地引脚分别为7和4。

设计师在翻转或更改符号方向时应格外小心。当我们这样做时，正极端子和负极端子很可能会切换其位置。因此，应注意将每个符号与制造商的数据表进行核对。

异构示意图符号

诸如FPGA，存储器，微处理器之类的复杂设备被称为异构组件。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。为了保持清晰度和可读性，预计设计人员应在单个包装中创建多个组件，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。

电源和接地符号

用“ +”号表示电压始终是一个好主意，因为板上可能存在负电压。设计人员应遵循标准且一致的约定，以表示硅片内部的电压电平及其截面。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接地。符号如下所示。

不同类型的地面符号

网络连接

每当您有两条形成结并共享电气连接的电线时，该交叉点都需要有一个结点。这是每个原理图设计中的标准做法。

原理图设计中的网络连接

净标签约定

原理图的目的是使设计人员更容易理解您的电路。不必要的网络连接应减至最少。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。 

设计人员不必在各处绘制数十个网，而要为特定引脚指定一个网名，该网名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的网络。

净标签约定

净标签准则

当网络在同一页面上直接连接到另一个IC时，则不需要网络命名。但是，如果要将网络连接到另一页上的IC，则需要命名。

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，并应放置在网络上方。

避免使用长名。优选地，名称最多可以包含4个字母。 

使用上方的指示条描述活动的低信号或高信号。带有高条的引脚被认为是有效的低引脚。

开放式网络/连接应删除。

页外连接 

为了提高可读性，设计人员通常在原理图中命名网络。当信号要连接在同一页面上时，这可以很好地工作。如果需要将网络连接到另一页上的引脚，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的任务之一。这是因为布局工程师将相应地保留组件。电容器的并联显示在左侧。如我们所见，原理图的可读性达不到标准。

原理图中电容器的并联

为了提高可读性，可以如下所示进行连接。 

原理图中电容器的优选并联连接

水晶摆放

原理图中的晶振放置始终如下图所示。连接到晶体的组件总是放置在晶体附近，因为信号可能是高频的。

原理图中的晶体放置

DRC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。根据所有已启用的设计规则进行检查，并且可以在设计时在线进行检查。

网表验证

当原理图设计完成并准备好在布局中导入时，将生成网表。网表文件可以具有两个不同的扩展名（.mnl和.txt）。.mnl文件是计算机可读的。.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。

物料清单（BOM）

当前，CAD工具提供了称为BOM创建的关键功能。仅当设计人员在库中创建或导入组件时提供了工具中的所有输入时，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），包装，供应商名称，供应商零件编号等。建议在符号创建期间提供所有必需的信息。

原理图清单

逻辑示意图清单是逻辑示意图创建中最常被忽略的点。这与根据过去的设计经验确定的组织过程更为相关。拥有检查清单可以避免原理图中的错误，并使设计更坚固。以下是清单。

对于与数据表有关的每个组件，都应验证引脚编号和标签。

 应该对所有极化组件进行极性检查。

检查标签和针脚编号是否重叠。

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，参考标记和位置。  

确保存在示意图符号说明。（MPN，供应商名称，供应商部件号等）。

检查页面外连接器。

寻找表间参考。

去耦电容会检查所有IC，并根据信号类型（模拟，数字，信号，接地）隔离接地引脚。

BOM检查数量和零件编号。

当设计人员使用CAD工具绘制电路时，应注意，原理图设计是布局设计人员的输入。布局设计人员期望没有错误的原理图，以便布局结构合理且准确。