电子系统设计实验指导书(v2.0)

高等学校实验教材

电子系统设计实验指导书

（V2.0）

武汉轻工大学电气与电子工程学院

2016年9月

目录

第一章 Altium Designer 6的使用与电路设计方法 (3)

一、Altium Designer 6简介 (3)

二、用Altium Designer 6进行电路原理图设计 (4)

三、用Altium Designer 6进行电路PCB图设计 (8)

四、Altium Designer 6设计大作业 (11)

第二章病房呼叫系统设计实验 (12)

一、实验目的、任务 (12)

二、实验原理 (12)

三、实验工具 (13)

四、实验步骤 (13)

五、验收标准 (14)

六、设计报告要求 (14)

第一章 Altium Designer 6的使用与电路设计方法

一、Altium Designer 6简介

Altium Designer 6是用于设计和制作电路板的常用软件工具之一，它主要有以下三方面的功能：

·电路原理图的绘制；

·电路PCB（印刷电路板）的绘制；

·电路仿真。

新一代的开发工具：AD10，不仅可以设计电路原理，画PCB图，还可以仿真单片机、PLD、传输线信号波形分析等，可对电子系统进行一揽子式的设计分析和仿真，综合性非常强大，但对电脑系统要求较高。

本部分内容的学习要求：

会用Altium Designer 6绘制一般要求的电路原理图和PCB图（双面），完成一个简单电路的设计。

Altium Designer 6采用项目式管理，这与多数其它开发软件采用的项目式管理比较相似。

用Altium Designer 6进行电路设计的总体流程如下：

1. 电路原理图的绘制

○1新建一个原理图文件（.SchDoc文件），放在指定文件夹中；

○2创建在原理图元件库中没有的元件符号及PCB封装符号；

○3放置各电路元件符号（含各元件的PCB封装形式）；

○4进行电路导线连接；

○5生成网络表文件、元器件清单；

2. 电路板PCB文件（PCB文件）的绘制

○1绘制或导入PCB板的外形；

○2导入网络表文件；

○3将各元件在电路板上摆好位置；

○4用手工方式或自动方式完成电路板的布线；

○5进行错误检查，生成PCB文件。

二、用Altium Designer 6进行电路原理图设计

以如下的时钟电路为例介绍详细步骤：

1. 进入原理图设计环境:

从桌面点击图标启动进入Altium Designer 6；

2. 新建项目：

File→New→Project→PCB Project，右键点击左边Project窗口自动产生的PCB_Project1.PrjPCB→Save Project:选定存放位置和自已为项目起的名（例如test.PrjPCB）。

3. 新建原理图文件：

点击主菜单Project（或用右键点击test.PrjPCB）→Add New to Project→Schematic，产生Sheet.SchDoc。用右键点该文件→Save: 选定存放位置和自已为原理图起的名（例如test. SchDoc）。双击该图标即可对该文件进行编辑。编辑环境中，左侧窗口为项目管理窗口，右侧为编辑区，有各种工具条可用。从View→Toolbars菜单中可以打开各种工具条、状态栏。注意：Wiring Tools（绘图）工具条用于画电气元件和导线。

2. 加载元件库：

点击主菜单Design→Add/Remove Library…→Project: Add Library…→在C：\Programs\Altium Designer 6\Library文件夹中选择Miscellaneous Devices.IntLib，点打开；再在Library文件夹中选择Texas Instruments→TI Logic

Gate 1.IntLib和TI Logic Gate 2.IntLib，点打开，即加载好。用户也可以加载自己创建和积累的元件库。

3. 放置元件：

Place→Part（或点工具栏上的），在弹出的Place Part窗口中点击Physical Component右边的“…”，从弹出的Brows Library窗口的列表中找到所需元件再点OK，回到Place Part窗口中，Designator中填写元件在本电路图中的编号，Footprint中选择该元件的封装形式。点OK，可继续放置下一个同类型元件，也可以再点Component右边的“…”，继续放置其它元件。要选用已加载的不同元件库中的元件时，可在弹出的Brows Library窗口中点击Libraries右边的，即可从下拉列表中进行选择。元件放置完毕，点Cancel回到原理图。可以点击原理图中已放置好的元件的参数进行修改。元件封装的修改：双击元件弹出Component Properties窗口，在右下边的Models For xxxx栏里边的Footprint进行设置修改，还可以双击该Footprint右边的内容查看该种封装的实际样式。

4. 元件位置和方向的调整：

移动：点住拖动；旋转方向：点住元件后按空格键。

5. 编辑元件属性（Attributes）：

双击元件，或选中元件后，按右键再点Properties…，即可弹出元件属性对话框。可在这里设置或修改元件在本电路中的元件号（Designator）、库中参考名称（Lib Ref）、引脚封装名(Footprint)、参数值等。

6. 元件连线

点工具栏上的，即可开始为元件连线。连线是指元件引脚之间的电气连接线。从元件的引脚开始点下，顺着引脚的方向画出，再拐弯，直到顺向连到另一元件的引脚上。注意连线不要垂直压在元件的引脚线上。连好后保存文件。

7. 放置电源、地

用工具条中的电源、地符号放置，或执行菜单命令：Place→Power Port。

8. 放置I/O端口

I/O端口是指本图电路与其它电路之间的信号输入/输出连接的端口。按工具栏上的键，或执行菜单命令：Place→Port，放置本电路的输入输出端口。放置后要指定端口的方向和端口名。

※绘图技巧：

●元件的复制、放置、对齐、标注等与其它软件类似。

●元件的旋转：用光标点住元件不放，并用另一只手：

按空格键，每次转90度；

按X键：左右翻转；按Y键：上下翻转。

●导线交叉连接点：Place→Manual Junction。

●引脚之间的端口连接法：Place→Port，并设置属性，用端口代替连线。

●绘制总线：先Place→Bus或用工具栏上的键画总线，然后Place Bus

Entry或用工具栏上的键画总线的分支线（改分支方向用空格键），最后Place→Net Label或用工具栏上的键给各分支线标注网络标号。

●非电气图形和文字的制作：点击工具栏上右侧向下的三角，展开绘图工具。

9. 编译与检查

执行菜单命令：Project→Compile Document test1.SchDoc，点击屏幕右下边的System→Messages，弹出Messages窗口查看编译检查结果。如果原理图连线有错误，会在Messages窗口中显示。

10. 生成网络表文件（Netlist）

网络表中记录的是电路中所有元器件的封装及引脚之间的连接关系。一个电气结点（若干元件的多个引脚共通的连接点）称为一个网络，如：电源网络、地线网络、时钟网络。执行菜单命令：Design→Netlist From Document→Protel。在左边Project窗口里出现Generated→Net List Files中就有了.net文件（网络表文件）。

12. 输出元器件清单（BOM）

执行菜单命令：Reports→Bill of Material，点击弹出窗口左下部的Export，指定保存位置和文件名即可。元器件清单用于元件采购。

13. 元件原理图符号的创建：

系统提供的原理图符号库中的元件数量是有限的，经常会遇到一些在符号库中没有的特殊元件，画原理图时只能自行创建其原理图符号。方法如下：执行菜单命令：Project→Add New to Project→ Schematic Library，点击生成的Schematic Library Documents中的.SchLib文件，更名为test1.SchLib。点击Tools→Rename Component…，将默认的第一个元件名Component_1更名为自己起的名字。点击工具栏上右侧向下的三角，展开绘图工具。

●创建集成电路块：点击绘图工具中的Place Rectangle（画矩形）工具，在

绘图区画一个矩形→Place Pin（放置引脚），设置引脚名（如需给字符加上划线：字符后加\）、引脚号、方向。负逻辑输入引脚符号：点击引脚，在弹出的Pin Properties窗口中Symbols的Outside Edge中选择Dot。调整各引脚的位置、方向，及方框的大小，最后保存。点Tools→New Component继续创建下一个元件符号。

●创建分立元件：File→Open→C：\Programs\Altium Designer

6\Library\Miscellaneous Devices.IntLib，从中选择与欲创建的元件相似的元件，点击Tools→Copy Component，按OK就将所选元件复制到创建的元件库中，用绘图工具对其进行修改，成为所需的元件符号，重命名保存。

※多部件元件的图形符号制作：Tools→New Part，先做一个部件，再复制，最后编辑引脚、保存。

14. 层次式原理图的建立：

绘制复杂系统的原理图时，可将系统划分成若干个功能相对单一的子模块，分别进行设计。一般采用自项向下的方法进行设计。

（1）新建顶层原理图文件:主菜单Project→Add New to Project Top.SchDoc；

（2）用Place→Sheet Symbal（或工具栏上的按钮）画子模块的方框；用

按钮为子块添加引脚；指定子块的文件名、模块名；用同样的方法绘制第二个乃至更多其它的子模块。

（3）用工具栏上的和按钮画模块之间的连接导线、总线，完成顶层图设计，保存；

（4）建立并绘制各子模块。方法：主菜单Design→Create Sheet From Symbol，然后移动光标指向第一个方块，弹出一张新的原理图，其输入输出引脚已经按模块一的方块图的设置准备好。现在就可用一般的原理图绘制方法绘制模块一的具体电路原理图。保存时，文件名、模块名、引脚类型、数量都要与顶层设计中所属的方块图一致。用同样方法可继续绘制其它的子模块的具体原理图。

74LS04N：PDIP封装74LS04D: SOIC封装

三、用Altium Designer 6进行电路PCB图设计

※ PCB板的层结构：

项层（Top Layer，1个）、底层（Bottom Layer，1个）和中间层（Mid Layer，可有14个）。

层分类：

·信号层（Signal Layers）：用于布线，可位于顶层、底层和中间层。

·内部电源层（Internal Planes）：电源层和地层专用，位于中间层，等电位。可有4个。

·机械层（Mechanical）：用于放置标注和说明，位于中间层，可有4个。

·丝印层（Silkscreen）：用于显示元件轮廓和封装文字。

·阻焊层（Solder Mask）：用于放置阻焊剂，以防焊接时焊锡短路（2个）。

·阻粘层（Paste Mask）：安装SMD元件时用（2个）。

·钻孔层（Drill Layers）：用于输出钻孔图，标注钻孔位置（2个）。

·禁止布线层（Keep Out）：设定布线区的边界。常用于设置板边界。

用Altium Designer 6进行电路PCB图设计的步骤如下：

1. 新建PCB文件：

●方法一：向导法：将左边底下的选择卡切换到Files，点最下栏New from

template最下边的PCB Board Wizard→选Metric→Choose Board Profiles最上面的custom→Next→设置电路板的外形尺寸→设置其它→Finish。（注意：生成的电路板上标的尺寸单位错！应该是mil，但显示为mm）。

●方法二：电路板外形尺寸由外部导入（如Auto CAD绘制的电路板外形

文件）：File→New→PCB，File→Import。

●方法三：手工绘制电路板外形边界：Project→Add New to

Project→PCB→Design→Board→Shape，在Mechanical层绘制。

※注意：如果是用File→New→PCB新建的PCB文件，则它还是自由文件（Free Document，尚不受本项目管理），应该在项目里用Project→Add Existing to Project将它添加进项目来，否则无法导入网络表。

2. 加载元件封装库：Design→Add/Remove Library…

3. 导入网络表：Design→Import Changes From test1.Pcb→Engineering Change Order→将Add Rooms选项前的钩取消→Execute Changes→Close。载入后，所有元件全部堆叠在一起。在PCB窗中用鼠标将各元件逐个拖到PCB板上合适的位置。元件引脚之间的细连线称为“飞线”，表示引脚之间的连接关系。当引脚之间用实际布线连通后，飞线自动消失。

4. 元件布局

调整各元件的位置和方向。元件布局有两种方式：

自动布局：执行菜单命令：Tools→Auto Place。

手动布局：手工对元件进行拖动、旋转、对齐等操作。方法与其它软件类似。

布局原则：要综合考虑匀称美观、元件间干扰小、易于布线、散热好、便于元件安装维修等多种因素。

手工布局小技巧：

●元件换方向：用右键点住元件，按空格键调整方向。元件的放置方向对于布线难度有极大的影响。

●界面的放大：PgUp键；缩小：PgDn键。

●英/公制单位切换：按Q键随时切换（mil/mm）。

5. 布线

布线规则的设定：

执行菜单命令：Design→Rules…，在对话框的Routing选项中，设置布线的拐角（Routing Corners）、层（Routing Layers）、布线宽度（Width）、过孔风格(Routing Vias)等进行设置。

简单电路板：手工布线

复杂电路板：手工布关键走线→自动布线→手工优化

●手工布线：用工具栏上的键布线。用布线取代飞线。一般在一个面

中只布一个方向的线，如，Top Layer（正面）尽量只布横线，Bottom Layer （背面）尽量只布竖线。一个方向走不过去时，用过孔（Via）穿到另一面再走。过孔的使用方法：在一个面上布线到要放过孔的位置，停下；用键放

置过孔（正好压在前面已布走线的端头上）；切换到另一面，从过孔继续布线。

●自动布线：主菜单上Auto Route。自动布线前可进行必要的设置（Setup）。

全部自动布线：Auto Route→All

指定网络自动布线：Auto Route→Net，然后用光标点中某一网络中的引脚；

指定飞线自动布线：Auto Route→Connection，用光标点中某一根飞线；

指定元件自动布线：Auto Route→Component,用光标点中某一元件；

指定区域自动布线：Auto Route→Area，用光标拖选划出一块区域。

选择后按Start即可开始自动布线。

自动布线过程的暂停：Auto Route→Pause；

自动布线的再运行（继续）：Auto Route→Restart；

自动布线的终止：Auto Route→Stop。

拆除全部自动布线：Tools→Un-Route→All

拆除指定网络的布线：Tools→Un-Route→Net，用光标点中网络中的任一点。

拆除指定连线的布线：Tools→Un-Route→Connection，用光标点中某连线。

拆除指定元件的布线：Tools→Un-Route→Component，用光标点中某元件。

6. 后期处理：

●调整线宽：双击选中某根走线，设置其宽度。通常电源线、地线及要驱动多个元件的公用信号线都需要加粗，以增加其负载能力。

●补泪滴：对高频信号的焊盘和过孔通常需要补泪滴，以减小信号反射。有时为增强焊盘或导过孔的机械强度（以焊盘免容易从PCB板上折断脱落。）方法：主菜单Tools→Tear Drops…，选择要补泪滴的元件或网络进行。

●大面积铺地：在电路板上未走线、无元件的空白区全部铺设铜网，以提高抗干扰能力、负载能力，并减小电位差。方法：选择要铺铜的面，然后按工具条上的键（Place Polygon Plane），设置填充样式、要连接的网络（通常选择GND），按OK，在板上绘制要填充的区域的边界，即可。

●放置字符：如公司名称、板的型号、版本信息等。选择Top Overlay，点工具栏上的键，即可在板上放置字符。

●3D预览：布好的电路板，可通过主菜单的View→Legacy 3D View进行，用Ctrl+↑↓←→键变换PCB板的观察视角。

※绘图技巧：

●元件对齐：先选中要对齐的一组元件，然后执行：Tools→Align Components→Align，在弹出的对话框中选择对齐方式。

●元件的旋转：选中元件后用空格键旋转。

●导线拐角样式切换：按Shift+Space键。

●切换当前层：按“+”或“-”键。

●选取与查看某一网络：先执行Edit→Select→Net，再用光标点击所需网络中的任一点，即可点亮该网络。

●布线宽度单位切换：按Q键（不区分大小写）。

100mil=2.54mm，50mil=1.27mm，

1 inch=25.4mm=1000mil。

●距离测量：先执行Repot→Measure Distance，再用光标点起点和终点。

7. 输出电路板图

存盘后，可将项目中的PCB文件交给电路板厂家制作即可。

8. 元件PCB封装符号的创建：

元件的PCB符号库中的元件数是有限的，经常会遇到一些在符号库中没有的特殊元件，画PCB图时只能自行创建其PCB封装符号。PCB封装有两类，一类是通用样式的封装，可以通过元件封装向导来新建；另一类是特殊样式的封装，可以通过手工绘制来创建。

●利用元件封装向导新建一个PCB封装图符号的方法如下：

Project→Add New to Project→ PCB Library，用右键点击生成的PCB Library Documents中的.PcbLib文件，Save为test1.PcbLib。点击Component Wizard选择封装的类型，在向导的提示下逐步完成封装的设计，并可对设计的封装进行修改和调整。在所建的PCB封装库中，建好一个元件封装后，要注意及时存盘，然后可继续点击Component Wizard建下一个元件封装。若要查看所建的各元件封装，可在窗口左下部将选择卡切换到PCB Library，即可在左边的Components下的元件列表中选择查看所建的各元件封装。

·手工制作创建一个PCB封装图符号的步骤如下：

1. Project→Add New to Project→PCB Library，用右键点击生成的PCB Library Documents中的.PcbLib文件，Save为test1.PcbLib。

2. 执行Place→中相应的工具按键，绘制封装的外形轮廓。

3. 执行Place→Pad命令或相应快捷工具按键，绘制封装的焊盘，通过焊盘属性对话框设定焊盘的大小、形状、编号、钻孔直径及所在的层等。

4.按OK键，并执行File→Save命令将制作好的元件封装保存到封装库中。

四、Protel99SE设计大作业

1.完成本书前面的示例电路的原理图设计；

2.完成本书前面的示例电路的PCB图设计。

第二章病房呼叫系统设计实验

一、实验目的、任务

实验目的：通过实际设计、制作一个病房呼叫系统，学习掌握电子系统设计的基本流程；了解掌握多种电子元器件的种类、性能与使用方法；掌握电路和系统的设计制作方法和调试方法。

实验任务：要求利用一块多孔实验电路板，设计制作一个医院病房呼叫系统，其主要功能如下：

1. 呼叫功能：能实现8个病床对护士站的呼叫，病人有情况时，按一下自己床位边的呼叫按键，就能呼叫护士；

2. 显示功能：有病床呼叫时，护士站的数码管显示器上会显示相应的床位号；无呼叫时显示器上无显示；

3. 报警功能：有病床呼叫时，护士站的喇叭会发出一响一停的报警声，同时，数码管显示器上显示的床位号会与报警声同步闪烁。

4. 呼叫保持功能：有呼叫键按下后，即使按键松开了，呼叫显示和报警声也能保持，直到护士响应呼叫；

5. 清除功能：护士响应呼叫后，按下清除键即可清除呼叫报警声及显示。

二、实验原理

该系统采用8个按键开关来模拟各病房里的呼叫按钮。为了将不同的按键信号转换成能显示的床位号（0～7），首先应该用一片8-3编码器芯片将位呼叫信号转换成000～111的三位二进制编码；加按键锁存电路将该按键呼叫锁存保持住；三位二进制编码信号再经过一片BCD-七段码译码器芯片，转换成七段码，再接到一个共阴极的LED数码管上供显示。报警闪烁和报警声分别用2个555电路产生的方波驱动实现。用锁存住的呼叫信号同时触发这2个555方波发生电路，其中报警闪烁方波频率可设为1Hz（可用电位器调整），报警声音频方波频率可设为128Hz（可用电位器调整）。报警闪烁方波信号接到数码管的COM端（阴极）控制数码管的闪烁；报警声音频方波经放大后接到蜂鸣器上。当清除键按下时，呼叫信号被清除，2个555均停止工作。系统的原理如下图所示。

请根据上图自行查阅相关器件资料，画出详细电路图，并按图完成系统的制作和调试。

三、实验工具

本实验中用到的工具如下：

电烙铁、尖嘴钳、斜口钳、镊子、焊锡丝、松香；

数字式万用表、数字式稳压电源、示波器。

四、实验步骤

1. 领取元器件（注意：不要散落丢失）；

2. 根据系统原理设计实际电路（画出详细电路原理图），并计算两个555定时电路的元件参数；

3. 按电路图将元器件焊装到多孔实验电路板上（注意：元件在电路板上布局要合理、美观；DIP封装的集成电路不能直接焊在电路板上，必须先在电路板上焊芯片插座，再将芯片插在芯片插座上）；

4. 用细导线焊接电路连线（注意：细导线要平直，不要破皮短路）；

5. 在不插装芯片的情况下，用万用表量电源和地是否短路；各地线是否连通；

6. 在不插装芯片的情况下，给系统接上电源，用万用表量各电源点电压是否正常；

7. 在断电情况下，插上芯片，再通电，按各按键，观察系统是否正常工作。

如闻到有热糊味或芯片发烫，应立即断电检查。

8. 如果系统未能正常工作，应从输入级逐级向后检查。

五、验收标准

1. 电路图设计正确，555电路参数设计正确，所有元器件引脚连线原理无误；

2. 电路板元件布局合理美观；

3. 焊接走线工整，焊点光亮，焊锡量适当，无漏焊、短路；

4. 能实现“实验任务”中要求的各项功能。

六、设计报告要求

内容应该包括：

一、实验名称

二、设计任务

三、方案设计

四、电路设计与参数计算

五、系统电路详图

六、系统调试过程与问题分析

七、验收结果

八、设计总结、心得

九、意见、建议