在電子實習中引入Altium Designer課程的探索

唐建祥 朱朝霞

(中國計量學院,浙江杭州 310018)

在電子實習中引入Altium Designer課程的探索

唐建祥 朱朝霞

(中國計量學院,浙江杭州 310018)

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

電子實習 新模式 Altium Designer

1 引言

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機輔助設(shè)計在現(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。大學生是未來科技文明發(fā)展的主力，因此在理工科大學生的電子實習課程中引入計算機輔助設(shè)計教學是時代發(fā)展的必然。電路設(shè)計與仿真方面的計算機輔助設(shè)計軟件種類很多，其中Protel設(shè)計軟件在我國擁有眾多的用戶，其升級版本為Altium Designer，功能更加強大，所以我校選擇該軟件作為電子實習課程的計算機輔助設(shè)計教學軟件。該軟件簡單易學，具有常用的電路圖設(shè)計功能、電路仿真功能和電路板設(shè)計功能，還集成了FPGA設(shè)計開發(fā)功能，并且兼容以前各個版本。

表1 可選題目列表

表2 原理圖設(shè)計步驟

表3 電路板設(shè)計步驟

圖1 仿真環(huán)境設(shè)置完畢的原理圖

圖2 主要點的瞬態(tài)仿真波形

圖3 設(shè)計完成的電路板圖

圖4 焊接完成的電路板

2 在電子實習中引入Altium Designer教學的具體實現(xiàn)方法

2.1 電子實習的流程

我校電子實習采用學生自主選題的方式，即由老師提供多個電路，如表1所示。學生根據(jù)自己的專業(yè)和興趣進行選擇，對于基礎(chǔ)好的學生，允許其自立課題。學生對所選擇的電路進行電路仿真、PCB設(shè)計與制作、電路焊接和調(diào)試，并最終制作成功一個產(chǎn)品。電路分為模擬部分和數(shù)字部分，學生主要學習模擬部分的仿真與設(shè)計。本文將以“紅外線心律計”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軟件進行電路原理圖設(shè)計與仿真

使用Altium Designer軟件可以方便地進行模擬電路的設(shè)計與仿真。采用計算機模擬仿真可以隨時修改元器件的參數(shù)，隨時觀察仿真結(jié)果，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

(1)電路原理圖的設(shè)計。紅外線心律計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，經(jīng)過信號調(diào)理電路輸出幅度足夠大的方波信號，供后續(xù)的數(shù)字電路進行處理。

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

在實踐教學中，重點是針對學生經(jīng)常會犯錯誤的操作進行講解，有如下幾個方面：

一是準確找到所需的元器件。教學中把常用元件所在的元件庫和元件名稱做在PPT的表格中，方便學生查找元器件。二是正確連接元器件之間的導(dǎo)線。要求學生必須把導(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管腳的連接方式，防止電路開路。三是正確標注元器件的參數(shù)。在元器件的“Value”選項，正確標注該元器件的參數(shù)值，單位為國際標準單位。四是排除電氣檢查的錯誤。“ERC”檢查會發(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，通過反復(fù)修改參數(shù)并仿真來達到設(shè)計的要求。傳感器上得到的信號一般為10mV左右，放大器的設(shè)計要求的放大倍數(shù)在1000倍左右。濾波器的設(shè)計要求截至頻率為10Hz左右。比較器的設(shè)計要求為能夠輸出占空比為50%左右的方波信號。仿真時，在電路的輸入端加入10mV、1Hz的正弦波激勵源，整個電路的工作電壓為±12V。通過仿真觀察各個輸出點的波形，經(jīng)過不斷的調(diào)整，下圖的參數(shù)能夠滿足設(shè)計的要求，如圖1。

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

2.3 用Altium Designer軟件進行電路板設(shè)計

經(jīng)過仿真驗證的原理圖經(jīng)過設(shè)計成為能夠焊接元器件的電路板文件，實現(xiàn)了虛擬電路到真實電路板的轉(zhuǎn)變。一般有以下幾個步驟，如表3。

電路板的設(shè)計工作比較復(fù)雜，因此在課程中選擇了較為簡單的模擬部分進行設(shè)計，而且電路板是在實驗室通過手工制作，所以在教學中，有針對性地對以下幾個知識點做重點介紹：

一是導(dǎo)入元器件時的錯誤。原因是原理圖繪制有誤，返回原理圖修改對應(yīng)的錯誤。二是元器件的排版和布線規(guī)則的設(shè)定。按照信號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，信號線粗0.5mm，電源線和接地線加粗到0.6mm—1mm，焊盤直徑加大到1.6—2mm，電路板規(guī)劃成大小合適的長方形，采用頂層布線、自動布線和手工布線相結(jié)合的方式。三是設(shè)計規(guī)則檢查?！癉RC”檢查中的錯誤要認真排除，比如網(wǎng)絡(luò)名稱不同的導(dǎo)線不能交叉；沒有導(dǎo)線連接的焊盤要仔細檢查是否有誤。

圖3是設(shè)計完成的電路板圖紙：

2.4 電路板的制作與調(diào)試

(1)電路板的制作。在實驗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，滿足簡單電路設(shè)計調(diào)試的要求。一般經(jīng)過如下幾個步驟：

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，進入調(diào)試環(huán)節(jié)。通入±12V的電壓，在輸入端接信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號(或者接傳感器)，通過測試仿真時各個點的波形，驗證了仿真結(jié)果與實際電路的測試結(jié)果相吻合。

3 結(jié)語

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

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

[2]付強,Altium Desinger軟件在電路設(shè)計中的應(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,主要從事電子實習教學工作。