Altium Designer在中職電子技能教學中的應用

葉 綠

（集美輕工業學校， 福建 集美 361022）

Altium Designer在中職電子技能教學中的應用

葉 綠

（集美輕工業學校， 福建 集美 361022）

拋在傳統的中職電子技能課程教學中，由于電路原理知識抽象、理論學習枯燥乏味，造成教師講授難，學生學習難以理解消化等“教與學、學與做脫節”等普遍的現象。而將Altium Designer一體化電路設計自動化軟件引入電子技能教學中，使得教師在做中教，學生在做中學，利用軟件的電路原理圖輸入、PCB設計、電路仿真等一體化的功能，可以使得電路原理的學習形象易懂，電路板的布局布線直觀，電路的調試步驟明確等。同時，在項目一體化的教學過程中，可以讓學生了解電子產品從原理圖設計、PCB設計、電路板制作、電路調試的整個過程，為學生走上電子專業的工作崗位打下良好的基礎。文章中筆者對傳統中職電子技能課程教學做一個簡要的分析，對Altium Designer軟件的特點做介紹，并以一個簡單的電子技能項目的教學為例子，闡述Altium Designer軟件在教學中的應用過程。

中等職業學校 ；電子技能教學 ； Altium Designer軟件；電路仿真

1 中職學校電子技能教學的現狀

近年中職學校生源素質普遍不高，由于學習基礎差，上課聽不懂，作業不會做，學習毫無興趣，以致產生厭學情緒。他們認為只要考試及格就有畢業證，沒有了進取心，學習上缺乏主觀能動性。這使得學校正常的教學計劃及教學內容難以按要求完成，在嚴重影響學校的教學效果和教學質量的同時，也導致了學生總體實際操作技能水平的不高，離開學校走上社會后無法適應崗位的要求。而《電子技能》是理論教學和實踐教學相結合的綜合性課程，不僅要求學生掌握相應的電子專業的理論知識，而且要求學生能夠熟練的動手實踐，掌握具體電路的制作、調試和故障檢修等技能。在傳統的電子技能課程的教學中，在完成一個電路制作與調試過程中，在教學方法上是以老師為中心，課上老師從電路原理到制作電路的方法、步驟、注意事項甚至到電路制作過程中可能出現的問題都要無所不包地進行講解。由于現今的中職生基礎知識相對較差，學習能力欠缺，無法全面掌握課程的理論基礎知識，更不能詳盡地分析電路的工作原理，導致學生課上只是完全機械、被動地按照教師的講解進行操作，遇到問題時無法動腦筋思考，而是急于讓老師幫著解決。這樣的教學現狀不利于學生基礎知識的掌握和實踐技能的培養。將Altium Designer軟件引入電子技能課程的教學中，可以激發學生的學習興趣，使得學生在教師的引導下主動思考，自主進行電路圖的繪制、印制電路板的設計，并在電路的仿真中進一步理解電路的工作原理，并可以對電路的調試步驟和方法做一個提前的模擬，使得學生在“做中學，做中教”的教學過程中切實的掌握電路理論知識，提升實踐動手能力。

2 Altium Designer 軟件介紹

Altium Designer 是原Protel軟件開發商Altium公司推出的一體化的電子產品開發系統，主要運行在Windows操作系統上。這套軟件通過原理圖設計、電路仿真、PCB繪制編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析和設計輸出等技術的完美融合，為設計者提供了全新的設計解決方案，使設計者可以輕松進行設計。熟練使用這一軟件必將使電路設計的質量和效率大大提高。Altium Designer 除了全面繼承包括Protel 99SE、Protel DXP在內的先前一系列版本的功能和優點外，還增加了許多改進和很多高端功能。該平臺拓寬了板級設計的傳統界面，全面集成了FPGA設計功能和SOPC設計實現功能，從而允許工程設計人員能將系統設計中的FPGA與PCB設計及嵌入式設計集成在一起。如下圖1所示為Altium Designer軟件界面。

圖1 Altium Designer軟件界面

Altium Designer從功能上分為以下幾個部分：電子電路原理圖（SCH）設計、電子電路原理圖仿真、印制電路板（PCB）設計、電子電路實現前后的信號完整性分析和可編程邏輯器件（FPGA）設計等。它具有以下幾個特點：

（1）Altium Designer將原理圖編輯、PCB的繪制及打印等功能有機的結合在一起，形成了一個集成的開發環境。

（2）Altium Designer的原理圖編輯不僅用于電子電路的原理圖設計，還可以輸出設計PCB必需的網絡表文件，設定PCB設計的電氣法則。

（3）Altium Designer的PCB編譯器提供了元器件的自動和交互布局，提供了多種布線模式，適合不同情況的需要。

（4）Altium Designer可以通過原理圖編輯器的設計同步器實現與PCB的同步。

（5）Altium Designer提供了豐富的元器件庫，還提供了強大的庫元件查詢功能，并且支持以前低版本的元器件庫。

（6）Altium Designer具有強大的電路仿真功能，可用實現模擬、數字電路仿真及數模混合電路仿真，并可用方便的實現仿真結果的分析。

Altium Designer 不但是一個很好的工程應用及科研平臺，而且它也是一個非常好的教學平臺。主要有以下的幾方面原因：其一，通過該平臺的學習，學生可以系統全面的掌握電子線路設計方法和設計手段，在他們進入工作崗位后，能很容易的學習和使用其他廠商的相關EDA工具。其二，Altium Designer的人機交互功能非常強大，學生在使用Altium Designer學習電子線路的過程中，當接觸到一些比較抽象的理論知識時，可用很容易通過友好的人機交互界面，使得對抽象理論知識的學習變得淺顯易懂。

3 Altium Designer 在電子技能教學中的具體應用

在中職學校的電子技能課程的教學過程中，通常是以一個電子電路項目的制作和調試為單元組織教學。在電路的制作過程中，通常包括電路原理圖的認識、電路原理的學習、印制電路板的設計和制作、電路的焊接及調試等幾個方面。而Altium Designer強大的一體化的功能，其中包括的電路原理圖的輸入、印制電路板的設計、印制電路板的3D預覽、電路的仿真及各種電路報表文件的生成等功能十分適合應用在電子技能的教學中。以下以Altium Designer軟件在電子技能教學中三極管放大電路的制作與調試為例子具體進行說明。

3.1 電路原理圖的輸入

在電路的制作之前，需要學生對電路結構、電路的元件有一個清楚的認識。此時，可以利用Altium Designer的原理圖設計輸入功能，教師指導學生輸入電路原理圖，學生在電路原理圖的輸入過程中，可以加深對電路結構、電路元件參數、電路元件封裝的認識和了解。如圖2、3所示，圖2為器件電路圖符號和其對應的封裝示意圖，圖3為輸入完成的三極管放大電路原理圖。

圖2 電阻的電路符號和封裝圖

圖3 三極管放大電路的原理圖輸入

3.2 印制電路板（PCB）的設計

在完成電路原理圖的輸入后，學生掌握了電路結構，電路元件的封裝信息后，可以進行印制電路板的設計。印制電路板的設計主要包括元件的布局，電路的布線兩個方面。在傳統的電子技能教學中，進行元件布局和電路布線時，通常采用的是在紙上進行草圖設計，多次修改后再將電路的PCB圖畫在電路板上，采用這樣的方式效率低下而且容易出現錯誤。而使用Altium Designer軟件的印制電路板設計功能，可以將元件由輸入完成的正確的原理圖中直接導入到PCB圖中，保證了PCB設計中電路連線的正確性。并且在Altium Designer軟件的PCB圖設計界面下，對元件可以方便的進行拖曳、翻轉等操作，大大提高了PCB圖設計的效率。如圖4所示為完成布局的PCB圖。在布線的過程中，Altium Designer軟件可以防止學生發生連線錯誤等問題，同時，Altium Designer還可以根據設計規則進行自動的布線，學生可以先使用自動布線功能進行布線，再根據實際要求對自動布線的結構進行手工布線的調整，在調整的過程中可以加深對PCB布線要求的理解。如圖5所示為完成布線的PCB圖。Altium Designer軟件還可以生成電路板的3D預覽視圖，通過觀察3D視圖，對即將制作的電路的元件分布，電路板大小，和導線的走線可以有個直觀的認識，同時，可以在電路板實際制作之前發現電路布局布線不合理之處進行修改，提高學生制作電路板的成功率。

圖4 完成布局的PCB圖

圖5 完成布線的PCB圖

3.3 電路仿真

在電路板制作完成后，電路調試之前，學生必須掌握電路的工作原理，由于電子線路知識和現象相對比較抽象，加上中職學校的學生基礎知識相對薄弱且抽象思維能力較弱，所以電路工作原理一直是中職電子技能課程教學的難點。在傳統的電子技能課程中，電路工作原理的講授通常是教師在黑板上畫出電路原理圖和相應的信號波形圖，然后開始講解電路的工作原理及各個電路節點的信號波形變化。當電路的元件參數改變時，重新畫出對應的信號波形圖進行講解，學生對著黑板，使用筆和紙進行記錄。采用這樣的方式進行電路原理圖的講解，教師講授難、效率低下，內容抽象枯燥學生難理解，容易聽了后面忘了前面，造成教學效果差進而影響后續電路調試等任務的進行。而使用Altium Designer軟件的電路仿真功能，在完成電路原理圖的輸入后，教師可以在講授電路原理圖的過程中進行電路仿真，軟件可以方便準確的在仿真過程中顯示各個電路節點的信號波形，直觀的顯示電路的工作原理，同時學生在教師的指導下可以在學習過程中進行電路仿真，教師在做中教，學生在做中學，使得原本枯燥抽象的電路原理講解過程直觀形象化，而且使用Altium Designer進行電路仿真可以大大提高學生的學習興趣，變原本被動的接受過程為主動學習探究過程，大大提高教學的效率，突破教學的難點。?

圖6 仿真電路原理圖

圖7 放大電路靜態工作點仿真

如圖6所示，為仿真的電路原理圖。圖7為三極管放大電路的靜態工作點的仿真分析表。圖8為電路的輸入輸出波形仿真圖，圖9為電路的頻率響應仿真圖。學生在初步掌握了電路的工作原理之后，在教師的指導下，可以經一步比較深入的探究電路，加深對電路的理解，為實際電路的調試是做好準備。例如，在仿真軟件中，學生可以對關鍵元件的參數進行方便的替換和改變，從而仿真出電路關鍵元件參數對電路影響，如圖10所示的是電路的負載電阻RL變化時，電路的頻率響應的變化，從而可以直觀的看出負載電阻RL的大小改變對電路增益的影響。

圖8 電路輸入輸出波形仿真圖

圖9 電路頻率響應仿真圖

圖10 RL變化時頻率響應掃描圖

學生在經過電路仿真，較好的掌握電路原理和電路關鍵參數后，在實際電路調試前，可以通過Altium Designer對電路中的關鍵測試點的波形進行仿真（模擬調試）。這樣學生在實際調試過程中，對調試的步驟和電路的正常現象就可以做到心中有數，當調試過程中出現問題時，也可以通過與仿真結果的比對來較快的找到故障點。

3.4 電路相關設計文件的輸出

在電路的PCB圖設計完成后，可以利用Altium Designer軟件提供的報表功能，生成一系列的報表文件，這些報表文件有著不同的功能和用途，為印制電路板的后期制作、元件采購、文件交流等提供了方便。常見的報表文件有元件報表、Geber文件等。如圖11所示為三極管放大電路的元件報表（元器件清單）。

圖11 元器件清單報表

圖12 Geber文件

圖13 電路制板機制作電路板

圖14 導入電路制作文件

Geber文件是一種符合EIA標準，用來把PCB圖中的布線數據轉換為膠片的光繪數據，可以被光繪機處理的文件。PCB生產廠商使用這種文件進行PCB制作。如今，很多的學校的實訓室已經或者即將配備小型自動PCB制板機用來制作學生實訓用的印制電路板。而Altium Designer 軟件生成的Geber文件，可以很方便的用于印制電路板的制作。圖12 是Altium Designer軟件生成的Geber文件，圖13是電路板機制作電路板示意圖，圖14是將Geber文件導入制板機后形成的制作文件示意圖。

4 結語

在中職的電子技能課程的項目教學過程中，在原理圖的輸入，PCB圖的設計、電路工作原理的講授、電路板的制作、電路調試等教學環節引入Altium Designer軟件，可以使得電路原理的學習形象易懂，電路板的布局布線直觀，電路的調試步驟明確，同時可以極大的提高學生學習主觀能動性、提高教學的效率，使得學生在做中學，教師在做中教，極大的改善教學效果。

[1]何賓.Altium Designer 13.0 電路設計、仿真與驗證權威指南[M].北京：清華大學出版社.

[2]雍楊，陳曉鴿.Altium Designer 電路設計標準教程[M].北京：科學出版社.

G712

A

1007-550X（2015）12-0043-05

10.3969/j.issn.1007-550X.2015.12.003

2015-10-20

葉綠（1979-），男，福建漳州人，講師，主要從事中職學校電工電子教學工作。