在電子實(shí)習(xí)中引入Altium Designer課程的探索

唐建祥 朱朝霞

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院,浙江杭州 310018)

在電子實(shí)習(xí)中引入Altium Designer課程的探索

唐建祥 朱朝霞

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院,浙江杭州 310018)

為了培養(yǎng)學(xué)生電路設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐操作能力,在電子實(shí)習(xí)中引入了Altium Designer教學(xué)。本文闡述了Altium Designer在教學(xué)中的應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)方法和課程的教學(xué)效果。Altium Designer教學(xué)的引入,旨在利用電腦輔助設(shè)計(jì),解決學(xué)生硬件電路設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié),同時(shí)加深實(shí)踐操作的環(huán)節(jié),全面提高學(xué)生的電路設(shè)計(jì)、制作能力。

電子實(shí)習(xí) 新模式 Altium Designer

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用中扮演了非常重要的角色。大學(xué)生是未來(lái)科技文明發(fā)展的主力，因此在理工科大學(xué)生的電子實(shí)習(xí)課程中引入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)是時(shí)代發(fā)展的必然。電路設(shè)計(jì)與仿真方面的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件種類(lèi)很多，其中Protel設(shè)計(jì)軟件在我國(guó)擁有眾多的用戶，其升級(jí)版本為Altium Designer，功能更加強(qiáng)大，所以我校選擇該軟件作為電子實(shí)習(xí)課程的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)軟件。該軟件簡(jiǎn)單易學(xué)，具有常用的電路圖設(shè)計(jì)功能、電路仿真功能和電路板設(shè)計(jì)功能，還集成了FPGA設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)功能，并且兼容以前各個(gè)版本。

表1 可選題目列表

表2 原理圖設(shè)計(jì)步驟

表3 電路板設(shè)計(jì)步驟

圖1 仿真環(huán)境設(shè)置完畢的原理圖

圖2 主要點(diǎn)的瞬態(tài)仿真波形

圖3 設(shè)計(jì)完成的電路板圖

圖4 焊接完成的電路板

2 在電子實(shí)習(xí)中引入Altium Designer教學(xué)的具體實(shí)現(xiàn)方法

2.1 電子實(shí)習(xí)的流程

我校電子實(shí)習(xí)采用學(xué)生自主選題的方式，即由老師提供多個(gè)電路，如表1所示。學(xué)生根據(jù)自己的專(zhuān)業(yè)和興趣進(jìn)行選擇，對(duì)于基礎(chǔ)好的學(xué)生，允許其自立課題。學(xué)生對(duì)所選擇的電路進(jìn)行電路仿真、PCB設(shè)計(jì)與制作、電路焊接和調(diào)試，并最終制作成功一個(gè)產(chǎn)品。電路分為模擬部分和數(shù)字部分，學(xué)生主要學(xué)習(xí)模擬部分的仿真與設(shè)計(jì)。本文將以“紅外線心律計(jì)”產(chǎn)品的模擬電路部分為例介紹Altium Designer軟件的具體應(yīng)用。

2.2 用Altium Designer軟件進(jìn)行電路原理圖設(shè)計(jì)與仿真

使用Altium Designer軟件可以方便地進(jìn)行模擬電路的設(shè)計(jì)與仿真。采用計(jì)算機(jī)模擬仿真可以隨時(shí)修改元器件的參數(shù)，隨時(shí)觀察仿真結(jié)果，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

(1)電路原理圖的設(shè)計(jì)。紅外線心律計(jì)的模擬電路部分由傳感器電路、放大電路、濾波電路、整形電路組成。作用是由紅外線傳感器采集心跳信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路輸出幅度足夠大的方波信號(hào)，供后續(xù)的數(shù)字電路進(jìn)行處理。

原理圖的設(shè)計(jì)是電路仿真和設(shè)計(jì)電路板的基礎(chǔ)，也是初學(xué)該軟件的難點(diǎn)。主要有以下幾個(gè)步驟，如表2。

在實(shí)踐教學(xué)中，重點(diǎn)是針對(duì)學(xué)生經(jīng)常會(huì)犯錯(cuò)誤的操作進(jìn)行講解，有如下幾個(gè)方面：

一是準(zhǔn)確找到所需的元器件。教學(xué)中把常用元件所在的元件庫(kù)和元件名稱(chēng)做在PPT的表格中，方便學(xué)生查找元器件。二是正確連接元器件之間的導(dǎo)線。要求學(xué)生必須把導(dǎo)線連接到元器件引腳的頂端，或者元器件之間的連接采用管腳對(duì)管腳的連接方式，防止電路開(kāi)路。三是正確標(biāo)注元器件的參數(shù)。在元器件的“Value”選項(xiàng)，正確標(biāo)注該元器件的參數(shù)值，單位為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位。四是排除電氣檢查的錯(cuò)誤?！癊RC”檢查會(huì)發(fā)現(xiàn)原理圖中隱藏著的“BUG”，其中的“Error”必須排除，部分“Warning”可以忽略。

(2)原理圖仿真。原理圖繪制完成后，通過(guò)反復(fù)修改參數(shù)并仿真來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。傳感器上得到的信號(hào)一般為10mV左右，放大器的設(shè)計(jì)要求的放大倍數(shù)在1000倍左右。濾波器的設(shè)計(jì)要求截至頻率為10Hz左右。比較器的設(shè)計(jì)要求為能夠輸出占空比為50%左右的方波信號(hào)。仿真時(shí)，在電路的輸入端加入10mV、1Hz的正弦波激勵(lì)源，整個(gè)電路的工作電壓為±12V。通過(guò)仿真觀察各個(gè)輸出點(diǎn)的波形，經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)整，下圖的參數(shù)能夠滿足設(shè)計(jì)的要求，如圖1。

圖2為各個(gè)主要點(diǎn)的瞬態(tài)仿真波形。第一個(gè)為激勵(lì)信號(hào)的波形，第二個(gè)為放大后的波形，第三個(gè)是低通濾波后的波形，第四個(gè)是整型后的方波，該方波接到后續(xù)的數(shù)字電路。

2.3 用Altium Designer軟件進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證的原理圖經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)成為能夠焊接元器件的電路板文件，實(shí)現(xiàn)了虛擬電路到真實(shí)電路板的轉(zhuǎn)變。一般有以下幾個(gè)步驟，如表3。

電路板的設(shè)計(jì)工作比較復(fù)雜，因此在課程中選擇了較為簡(jiǎn)單的模擬部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且電路板是在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)手工制作，所以在教學(xué)中，有針對(duì)性地對(duì)以下幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)做重點(diǎn)介紹：

一是導(dǎo)入元器件時(shí)的錯(cuò)誤。原因是原理圖繪制有誤，返回原理圖修改對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤。二是元器件的排版和布線規(guī)則的設(shè)定。按照信號(hào)的流程從左往右排版，元器件排列均勻緊湊、美觀。為了方便制板和焊接，電器間距值大于0.5mm，信號(hào)線粗0.5mm，電源線和接地線加粗到0.6mm—1mm，焊盤(pán)直徑加大到1.6—2mm，電路板規(guī)劃成大小合適的長(zhǎng)方形，采用頂層布線、自動(dòng)布線和手工布線相結(jié)合的方式。三是設(shè)計(jì)規(guī)則檢查。“DRC”檢查中的錯(cuò)誤要認(rèn)真排除，比如網(wǎng)絡(luò)名稱(chēng)不同的導(dǎo)線不能交叉；沒(méi)有導(dǎo)線連接的焊盤(pán)要仔細(xì)檢查是否有誤。

圖3是設(shè)計(jì)完成的電路板圖紙：

2.4 電路板的制作與調(diào)試

(1)電路板的制作。在實(shí)驗(yàn)室里采用手工制作電路板的方式，具有快速、便宜、方便的特點(diǎn)，滿足簡(jiǎn)單電路設(shè)計(jì)調(diào)試的要求。一般經(jīng)過(guò)如下幾個(gè)步驟：

下圖為焊接完畢的電路板，如圖4。

(2)電路板的調(diào)試。電路板完成焊接后，進(jìn)入調(diào)試環(huán)節(jié)。通入±12V的電壓，在輸入端接信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)(或者接傳感器)，通過(guò)測(cè)試仿真時(shí)各個(gè)點(diǎn)的波形，驗(yàn)證了仿真結(jié)果與實(shí)際電路的測(cè)試結(jié)果相吻合。

3 結(jié)語(yǔ)

在電子實(shí)習(xí)中引入Altium Designer軟件教學(xué)，不光使學(xué)生掌握了一種EDA軟件的使用，更重要的是學(xué)習(xí)到了電路圖的設(shè)計(jì)方法和電路板的設(shè)計(jì)方法，并與電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，為學(xué)生在以后的課程學(xué)習(xí)和工作上都有所幫助。

[1]陳羽.Protel 99 SE.教學(xué)淺談[J].教育培訓(xùn),2009(6):159-162.

[2]付強(qiáng),Altium Desinger軟件在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].2011(7):165-166.

In order to cultivate students' circuit design ability and practical ability, the Altium Designer introduced in the electronic practice teaching.In this paper, the application of Altium Designer in teaching method and teaching effect. The introduction of Altium Designer teaching, aims to use computer aided design, hardware circuit design to solve the students weak links, and deepen the practical operation of the link, and comprehensively improve the circuit design, students' ability of making.

electronic practice new model Altium Designer

唐建祥(1978—),男,吉林白山人,本科,在職研究生,工程師,主要從事電子實(shí)習(xí)教學(xué)工作。