電子線路CAD項目教程課件：單片機電子時鐘電路的設計

單片機電子時鐘電路的設計知識目標1.了解端口、圖形端口、方塊圖的命名規(guī)范。2.了解頂層電路圖和子圖之間的結構關系以及切換操作。3.掌握用自上而下和自下而上的方法繪制層次原理圖的步驟。能力目標1.會繪制端口、圖形端口、方塊圖。2.會繪制頂層電路圖、子圖，以及他們之間的切換操作。3.會使用自底向上和自頂向下的方法繪制層次原理圖。4.會對晶振電路正確布局與布線。素養(yǎng)目標通過對層次原理圖的概念理解和技能訓練，能更進一步激發(fā)學生對AltiumDesigner21的學習興趣，進一步加強其專業(yè)信息素養(yǎng)和團隊合作精神。項目描述

在設計電路原理圖的過程中，有時會遇到電路比較復雜的情況，用一張電路原理圖來繪制顯得比較困難，此時可以采用層次電路來簡化電路圖。層次電路就是將一個較為復雜的電路原理圖分成若干個模塊，而且每個模塊還可以再分成幾個基本模塊。各個基本模塊可以由工作組成員分工完成，這樣就能夠大大的提高設計的效率。本項目將以“單片機電子時鐘電路”的設計為例學習層次電路的設計方法。單片機電子時鐘電路如圖4-1所示，使用層次電路的設計方法簡化電路，將電路從圖中虛線處分為兩個模塊“單片機最小系統(tǒng)1.SchDoc”和“數(shù)碼管顯示電路1.SchDoc”。圖4-1單片機電子時鐘電路任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖

層次原理圖的設計是一種模塊化的設計方法。它是將整個電路劃分成多個功能模塊，分別繪制在多張圖紙中，也就是把整個項目原理圖用若干個子圖來表示。下面以圖4-2所示的仿真電路的層次原理圖為例來講解層次原理圖的有關概念。相關知識一、層次原理圖簡介a)頂層電路圖b)子圖一c)子圖二圖4-2仿真電路任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖

子圖：頁面符號所對應的層次原理圖的子圖。相關知識一、層次原理圖簡介a)頂層電路圖b)子圖一c)子圖二圖4-2仿真電路

圖中各部分的名稱及含義如下：

頁面符號：它代表了本圖下一層的子圖，每個頁面符號都與特定的子圖相對應，它相當于封裝了子圖中的所有電路，從而將一張原理圖簡化為一個符號。

圖紙入口：頁面符號的輸入/輸出端口。它是頁面符號所代表的下層子圖與其它電路連接的端口。

輸入/輸出端口：連接層次原理圖的子圖與上層的原理圖。子圖的輸入/輸出端口必須與代表它的頁面符號的端口相對應。任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖

在AltiumDesigner21軟件中，與層次原理圖相對應的層次化設計方法分為自上而下的設計方法和自下而上的設計方法兩種形式。相關知識二、層次原理圖的設計（一）自上而下設計層次原理圖

自上而下的設計是指先建立一張系統(tǒng)總圖，用頁面符號代表它的下一層子系統(tǒng)，然后分別繪制各個頁面符號對應的子電路圖。下面我們以圖4-2所示的仿真電路為例學習層次原理圖的繪制過程。1.建立層次原理圖總圖(1)啟動AltiumDesigner21軟件，創(chuàng)建名為“層次原理圖一”的PCB工程。(2)移動光標到工作區(qū)面板上的“層次原理圖一.PrjPCB”上單擊鼠標右鍵，從彈出的快捷菜單中選擇【添加新的…到工程】/【Schematic】命令，創(chuàng)建一個原理圖文件，并將其以“仿真電路.SchDoc”為文件名保存。(3)在原理圖編輯界面中執(zhí)行菜單命令【放置】/【頁面符】，或單擊繪制工具欄中的

按鈕，啟動放置頁面符命令。任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖相關知識二、層次原理圖的設計（一）自上而下設計層次原理圖(4)啟動該命令后，十字光標帶著系統(tǒng)默認的頁面符出現(xiàn)在繪圖區(qū)。移動光標到適當位置后單擊鼠標左鍵，確定圖表符的左上角點，接著移動光標調(diào)整頁面符的大小，然后再單擊鼠標左鍵確定頁面符的右下角點，完成一個頁面符的放置。放置好的頁面符如圖4-3所示。1.建立層次原理圖總圖圖4-3放置好的頁面符任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖相關知識二、層次原理圖的設計（一）自上而下設計層次原理圖(5)雙擊已放置的頁面符，在彈出的如圖4-4所示的【SheetSymbol（方塊符號）】對話框中可對頁面符的邊框顏色、線寬、填充色等屬性進行設置。這里我們將“Designator”文本框設置為“子電路圖一”，將“FileName”文本框設置為“調(diào)制電路.SchDoc”，其它選項采用默認設置。設置結束后，單擊【OK】按鈕。1.建立層次原理圖總圖圖4-4【SheetSymbol（方塊符號）】對話框任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖相關知識二、層次原理圖的設計（一）自上而下設計層次原理圖(6)采用同樣的方法放置另一個頁面符。設置其“Designator”為“子電路圖二”，“FileName”為“放大電路.SchDoc”。放置好的兩個方塊符號如圖4-5所示。1.建立層次原理圖總圖圖4-5放置好的兩個方塊符號(7)執(zhí)行菜單命令【放置】/【添加圖紙入口】，放置圖紙入口。任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖相關知識二、層次原理圖的設計（一）自上而下設計層次原理圖(8)執(zhí)行該命令后，移動十字光標到頁面符的適當位置，這時十字光標上將出現(xiàn)一個圖紙入口，此時按下【Tab】鍵或者雙擊已經(jīng)放置好的圖紙入口，在編輯工作區(qū)右側彈出【圖紙入口】屬性對話框，如圖4-6所示。在該對話框中我們將“Name”設置為“Vcarrier”，“I/OType”設置為“Input”。1.建立層次原理圖總圖圖4-6【圖紙入口】屬性對話框任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖相關知識二、層次原理圖的設計（一）自上而下設計層次原理圖(9)設置結束后，單擊鍵盤的【回車鍵】或者單擊該對話框中的【OK】按鈕，然后移動光標到適當位置單擊鼠標左鍵，即可將圖紙入口“Vcarrier”放置在該處，如圖4-7所示。之后光標仍處于放置圖紙入口狀態(tài)，可連續(xù)放置圖紙入口，單擊鼠標右鍵退出該命令狀態(tài)。放置好的圖紙入口如圖4-3所示。1.建立層次原理圖總圖圖4-7放置圖紙入口“Vcarrier”(10)繪制導線。將具有電氣連接關系的頁面符號入口用導線或總線連接起來。完成的層次原理圖總圖如圖4-2a)所示。任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖相關知識二、層次原理圖的設計（一）自上而下設計層次原理圖(1)執(zhí)行菜單命令【設計】/【從頁面符創(chuàng)建圖紙】，之后光標變成十字形狀。將十字光標移到頁面符號“調(diào)制電路.SchDoc”上單擊鼠標左鍵，系統(tǒng)會自動為“子電路圖一”的頁面符創(chuàng)建一個子原理圖，該子原理圖的名稱為“調(diào)制電路.SchDoc”。并且根據(jù)在頁面符中放置的圖紙入口，系統(tǒng)自動在該原理圖中生成了3個與頁面符“子電路圖一”中相對應的輸入/輸出端口。創(chuàng)建好的子圖如圖4-8所示。2.繪制原理圖子圖圖4-8系統(tǒng)自動創(chuàng)建的子電路圖一任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖相關知識二、層次原理圖的設計（一）自上而下設計層次原理圖(2)加載相應的元件庫，按照電氣連接關系完成原理圖子圖一“調(diào)制電路.SchDoc”。繪制好的“調(diào)制電路.SchDoc”如圖4-9所示。2.繪制原理圖子圖圖4-9調(diào)制電路.SchDoc(3)單擊工作區(qū)面板上的原理圖總圖文件名“仿真電路.SchDoc”，切換到原理圖總圖界面。任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖相關知識二、層次原理圖的設計（一）自上而下設計層次原理圖(4)采用相同的方法繪制子電路圖二“放大電路.SchDoc”并保存。繪制好的子電路圖二“放大電路.SchDoc”如圖4-10所示。2.繪制原理圖子圖圖4-9調(diào)制電路.SchDoc

（5）對項目文件進行保存，完成自上而下的層次原理圖的設計。任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖相關知識二、層次原理圖的設計（二）自下而上設計層次原理圖

自下而上的設計是指先建立底層子電路原理圖，然后再由這些子原理圖產(chǎn)生頁面符號，從而產(chǎn)生上層原理圖，最后生成系統(tǒng)的原理總圖。下面仍以圖4-2所示仿真電路為例，具體操作步驟如下：1.啟動AltiumDesigner21軟件，創(chuàng)建名為“層次原理圖二”的PCB工程。2.移動光標到工作區(qū)面板中的“層次原理圖二.PrjPCB”上單擊鼠標右鍵，從彈出的快捷菜單中選擇【添加新的…到工程】/【Schematic】命令，創(chuàng)建一個文件名為“調(diào)制電路.SchDoc”的原理圖文件作為子電路圖一。3.進入原理圖編輯界面，按照圖4-9“調(diào)制電路.SchDoc”中的要求繪制完成該電路圖。4.同樣的方法在“層次原理圖二.PrjPCB”項目中追加一個新的原理圖文件作為子電路圖二，并將其命名為“放大電路.SchDoc”，并根據(jù)圖4-10“放大電路.SchDoc”中的要求繪制完成該電路圖。5.在該項目中再添加一個原理圖文件作為層次原理圖的頂層原理圖，命名為“仿真電路.SchDoc”。任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖相關知識二、層次原理圖的設計（二）自下而上設計層次原理圖6.執(zhí)行菜單命令【設計】/【CreateSheetSymbolFromSheet】，打開【ChooseDocumenttoPlace】對話框，如圖4-11所示。圖4-11【ChooseDocumenttoPlace】對話框任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖相關知識二、層次原理圖的設計（二）自下而上設計層次原理圖7.在該對話框中選中“調(diào)制電路.SchDoc”文件后單擊【OK】按鈕，系統(tǒng)自動生成一個頁面符隨光標一起出現(xiàn)在繪圖區(qū)，并且在頁面符內(nèi)根據(jù)設計的底層電路原理圖“調(diào)制電路.SchDoc”中的輸入/輸出端口自動添加了相應的圖紙入口。移動光標到適當位置后單擊鼠標左鍵，在頂層原理圖中放置“子電路圖一”的頁面符，如圖4-12所示。圖4-12在頂層原理圖“仿真電路.SchDoc”中放置的頁面符號8.用同樣的方法再生成另一個子電路圖“放大電路.SchDoc”的頁面符，并放置在頂層原理圖的適當位置。任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖相關知識二、層次原理圖的設計（二）自下而上設計層次原理圖9.調(diào)用仿真信號源庫中的電壓信號源，將具有電氣連接關系的頁面符入口用導線連接起來，完成層次原理圖頂層電路圖的繪制，如圖4-13所示。圖4-13頂層電路圖“仿真電路.SchDoc”任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖相關知識二、層次原理圖的設計（三）切換層次原理圖2．子原理圖切換到方塊圖

子原理圖切換到方塊圖的方法通常有以下2種：

方法1：執(zhí)行【工具】/【上/下層次】命令；

方法2：單擊原理圖標準工具欄中的

按鈕（前提是已打開標準工具欄）。

進行切換時光標變?yōu)槭中?，移動光標到子電路圖中的某個端口上單擊鼠標左鍵，對應的頁面圖被打開，顯示在編輯窗口中，具有相同名稱的圖紙入口處于高亮顯示狀態(tài)。任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖任務實施步驟1：新建項目文件

啟動AltiumDesigner21軟件，創(chuàng)建名為“單片機電子時鐘電路.PrjPcb”的PCB工程，如圖4-14所示，并保存。

執(zhí)行【文件】/【新的】/【庫】/【原理圖庫】，為步驟1創(chuàng)建的PCB工程添加名為“單片機最小系統(tǒng)”的原理圖庫文件，如圖4-15所示。圖4-14新建的項目文件圖4-15添加原理圖庫文件步驟2：加載原理圖庫文件任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖任務實施步驟3：加載封裝庫文件

執(zhí)行【文件】/【新的】/【庫】/【PCB元件庫】，為步驟1創(chuàng)建的PCB工程添加名為“層次電路”的封裝庫文件，如圖4-16所示。

根據(jù)項目三任務一和任務二的相關知識，繪制本項目電路的原理圖元件及封裝，并保存。圖4-16添加封裝庫文件步驟4：繪制原理圖元件及封裝任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖任務實施步驟5：創(chuàng)建原理圖文件

執(zhí)行【文件】/【新的】/【原理圖】，為步驟1創(chuàng)建的PCB工程添加三個原理圖文件，分別保存為“單片機電子時鐘電路.SchDoc”、“單片機最小系統(tǒng).SchDoc”和“數(shù)碼管顯示電路.SchDoc”，如圖4-17所示。1.打開“單片機最小系統(tǒng).SchDoc”，首先在原理圖編輯器中放置電阻、電容、按鈕、晶振等元件并修改其參數(shù)和屬性。圖4-17創(chuàng)建原理圖文件步驟6：繪制“單片機最小系統(tǒng)”2.執(zhí)行【放置】/【端口】命令，在相應位置放置輸出端口，打開【Port（端口）】屬性對話框，在【Name（名稱）】文本框中輸入端口名稱P0[00..07]，【I/OType（I/O類型）】設置為【Output】，其他采用默認設置，依此再放置P2。任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖任務實施步驟6：繪制“單片機最小系統(tǒng)”3.用導線將各元件、端口、電源和接地端口進行電氣連接，繪制完成后的“單片機最小系統(tǒng)”如圖4-18所示。4.打開“單片機電子時鐘電路.SchDoc”，將其作為頂層原理圖。圖4-18單片機最小系統(tǒng)5.執(zhí)行【設計】/【CreateSheetSymbolFromSheet】命令，打開【ChooseDocumenttoPlace】對話框，選擇“單片機最小系統(tǒng)”，單擊【OK】按鈕，關閉對話框。6.在“單片機電子時鐘電路”原理圖編輯環(huán)境中，單擊鼠標左鍵，放置生成的頁面符。7.調(diào)整頁面符的形狀和大小，調(diào)整圖紙入口位置，生成的頁面符如圖4-19所示。圖4-19生成的頁面符任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖任務實施步驟7：繪制“數(shù)碼管顯示電路”1.打開“數(shù)碼管顯示電路.SchDoc”，在原理圖編輯器中放置數(shù)碼管并修改其參數(shù)和屬性。2.執(zhí)行【放置】/【端口】命令，在相應位置放置輸入端口，打開【Port（端口）】屬性對話框，在【Name（名稱）】文本框中輸入端口名稱P0[00..07]，【I/OType（I/O類型）】設置為【Input】，其他采用默認設置，依此再放置P2。圖4-20數(shù)碼管顯示電路3.用導線將數(shù)碼管、端口進行電氣連接，繪制完成后的“數(shù)碼管顯示電路”如圖4-20所示。4.打開“單片機電子時鐘電路.SchDoc”，將其作為頂層原理圖。任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖任務實施步驟7：繪制“數(shù)碼管顯示電路”5.執(zhí)行【設計】/【CreateSheetSymbolFromSheet】命令，打開【ChooseDocumenttoPlace】對話框，選擇“數(shù)碼管顯示電路”，單擊【OK】按鈕，關閉對話框。6.在“單片機電子時鐘電路”原理圖編輯環(huán)境中，單擊鼠標左鍵，放置生成的頁面符。7.調(diào)整頁面符的形狀和大小，調(diào)整圖紙入口位置，生成的頁面符如圖4-21所示。圖4-21生成的頁面符任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖任務實施步驟8：繪制單片機電子時鐘電路1.打開“單片機電子時鐘電路”原理圖編輯器。2.執(zhí)行【放置】/【總線】命令，將對應的圖紙入口進行連接。3.執(zhí)行【放置】/【網(wǎng)絡標簽】命令，在對應的總線處放置相應的網(wǎng)絡標簽，完成頂層原理圖繪制，如圖4-22所示。圖4-22單片機電子時鐘電路任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖任務實施步驟9：生成層次設計報表

1.元件交叉參考報表

元件交叉參考報表主要用于將整個工程中的所有元件按照所屬的原理圖進行分組設計。元件交叉參考報表實際是元件報表的一種，是以元件所屬的原理圖文件為標準進行分類統(tǒng)計的元件清單。因此，系統(tǒng)默認保存時采用了同一個文件名，用戶可以通過設置不同的文件名保存加以區(qū)分。

在菜單欄中執(zhí)行【報告】/【ComponentCrossReference】命令，系統(tǒng)彈出【ComponentCrossReferenceReportForProject】對話框，如圖4-23所示。圖4-23【ComponentCrossReferenceReportForProject】對話框任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖任務實施步驟9：生成層次設計報表

1.元件交叉參考報表

系統(tǒng)將以列表框屬性信息為標準，對元件進行歸類顯示。單擊右下角的【Export】按鈕，可以將該報表保存，保存類型為“MS-Excel（*.xls，*.xlsx，*xlsm）”。

按照上述操作，“單片機電子時鐘電路”元件交叉參考報表（打開保存后的“MS-Excel”文件）如圖4-24所示。圖4-24“單片機電子時鐘電路”元件交叉參考報表任務一繪制單片機電子時鐘電路層次原理圖任務實施步驟9：生成層次設計報表

2．層次設計表

在多圖紙設計中，各原理圖之間的層次結構關系可通過層次設計表明確顯示，生成層次設計表的主要操作步驟如下。

（1）編譯整個工程。對工程“單片機電子時鐘電路”進行編譯。

（2）執(zhí)行【報告】/【ReportProjectHierarchy（工程層次報告）】命令，生成有關該工程的層次設計表。

（3）打開Project（工程）面板，可以看到該層次設計表被添加在該工程的“Generated\TextDocuments\”文件夾中，是一個與工程文件同名，后綴名為“.REP”的文本文件。

（4）雙擊該層次設計表文件，系統(tǒng)轉換到文本編輯器界面，在該界面中可以查看該層次設計表的內(nèi)容。THANKS演示完畢感謝觀看延時符任務二

繪制單片機電子時鐘電路PCB相關知識差分線的繪制方法1.打開一個PCB文件，單擊左側面板下方的“PCB”標簽按鈕打開PCB面板，如圖4-25所示。單擊PCB面板最上方右側的下三角符，在下拉菜單中選擇“DifferentialPairsEditor”，然后單擊下方的“添加”按鈕。圖4-25PCB面板任務二

繪制單片機電子時鐘電路PCB相關知識差分線的繪制方法2.在彈出的“差分對”對話框中分別選擇需要進行差分走線的網(wǎng)絡，比如“正網(wǎng)絡”選擇“NetC3_1”、“負網(wǎng)絡”選擇“NetQ1_2”，接著可以在“名稱”處為這對差分走線對進行命名，比如“差分走線1”，如圖4-26所示，但這個沒有也不會影響走線。圖4-26差分走線對的命名任務二

繪制單片機電子時鐘電路PCB相關知識差分線的繪制方法

設置完差分走線規(guī)則后，單擊布線工具欄的按鈕，便可以像正常走線那樣繪制差分線。用軟件自帶的差分走線功能走出來的線要齊整很多，如圖4-27，這大大減少了計算線長的工作量。圖4-27差分走線的繪制任務二

繪制單片機電子時鐘電路PCB任務實施步驟1：打開PCB工程

啟動AltiumDesigner21軟件，打開名為“單片機電子時鐘電路”的PCB工程，如圖4-28所示，可以看到PCB工程、原理圖庫、封裝庫、原理圖文件都一并打開。圖4-28打開工程任務二

繪制單片機電子時鐘電路PCB任務實施步驟2：創(chuàng)建PCB文件

執(zhí)行菜單【文件】/【新的】/【PCB】命令，創(chuàng)建一個名為“單片機電子時鐘電路.PcbDoc”的PCB編輯器文件，如圖4-29所示。圖4-29創(chuàng)建PCB文件任務二

繪制單片機電子時鐘電路PCB任務實施步驟3：將原理圖中的元件與網(wǎng)絡信息導入PCB文件

執(zhí)行【Design（設計）】/【ImportChangesFrom單片機電子時鐘電路.PrjPcb】命令，在彈出的“工程變更指令”窗口中依次單擊“驗證變更”、“執(zhí)行變更”和“關閉”按鈕，可以將原理圖中元件的封裝、網(wǎng)絡連接信息導入PCB文件，如圖4-30所示。圖4-30導入PCB文件任務二

繪制單片機電子時鐘電路PCB任務實施步驟4：元件布局

手動拖動元件封裝到板框中，在