《汽車電路CAD》課程中幾個問題的分析

王吉華　譚德榮　李瑞先

【摘 要】本課程是電子電路CAD在汽車電路設計中的應用，應用Protel99 se軟件，結合汽車電路特點，分析幾個重要問題，使教學和學生學習思路清晰，便于加深理解和改善教學效果。

【關鍵詞】教學；汽車電路；重要問題；思路

0 引言

汽車電路計算機輔助設計（Computer Aided Design，，CAD）是汽車電子控制方向的本科生需要學習的一門重要專業基礎課，是學生為社會服務和繼續學習深造應掌握的重要技能。課程應用較多的軟件是Protel99 se（簡稱99se）[1]或Protel DXP（簡稱DXP）[2]。學習內容的先后順序依次是電路原理圖、電路原理圖庫元件、印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）和PCB庫元件設計[1-3]。電子電路CAD是電子電氣和計算機等專業重要課程，對于交通運輸或車輛工程等非電專業學生的學習具有一定難度，而且還需將電子電路CAD與汽車電路相結合，為了使學生能夠理清思路和加深理解，應用Protel99 se軟件，按照內容的先后順序，在教材內容的基礎上，根據授課過程中學生的疑惑來著重分析幾個重要問題，使教學達到更好的效果。

1 電路原理圖的兩種作用

大部分應用99se和DXP軟件來進行電子電路設計的教材中，電路原理圖設計均需實現電路的正確電氣連接，元件必須從庫中選擇放置，元件屬性需設置其正確的PCB元件（稱為封裝），便于生成完整正確的網絡表，在設計PCB時將網絡表的電氣連接關系和封裝元件導入到PCB，為自動布線或手工布線服務。

在汽車電路設計中，局部控制功能的電路均需要設計一塊PCB，例如，動力系統、車身或某一個CAN節點等。對于整車電路的原理圖，不可能也不需要去設計電路板，所以只需使電路閱讀者能正確理解電路的連接關系，而不必要真正的電氣連接；在布線時可使用導線（wire）也可使用直線（line）；元件封裝并不在原理圖中顯示也不起作用，則元件屬性中可以不考慮封裝設置；而且有些元件在99se軟件自帶原理圖庫中不具備時，可以用繪圖工具繪制示意圖，這些均可使其達到目的且設計方便快捷。

汽車電路原理圖設計有需要設計其PCB和不需要設計其PCB的兩個作用，兩者要求和特點有很大不同，理解了這個問題，設計者可根據需要設計不同性能的原理圖，同時也加深了對整個課程的理解。

2 電氣連接特性

電路原理圖中有很多對象，分為有電氣連接特性和無電氣連接特性兩類。對于具有電氣連接特性的對象，其真正起電氣連接作用的又有所不同。從庫中放置的元件，電氣連接是引腳和屬性中的封裝；電源、接地、電路端口和方塊電路圖端口等對象的電氣連接是網絡標號，其式樣僅僅是形式而無電氣連接特性；總線和總線分支雖在布線工具欄中，但必須和網絡標號同時使用，因其不具備電氣連接特性而依靠網絡標號起實際電氣連接作用，其僅僅是指引電路閱讀者識別不同位置元件的引腳網絡標號；導線上節點表明交叉于節點的導線具有電氣連接。

只有理解了原理圖對象的電氣連接特性，才能掌握網絡是電氣連接的實質，從而設計出正確電氣連接的原理圖，才能使網絡表作為原理圖和PCB的橋梁而設計出對應于原理圖的PCB。

3 原理圖復合元件

原理圖中復合元件是指在同一個原理圖元件中包含有兩個或兩個以上的相同或不同子元件，形式上分為各個子元件獨立形式和整體式兩種，要強調的是其實質都表示同一個復合元件，但二者也有一定的區別。例如由八個子電阻組成的復合排阻元件，圖1為各子元件獨立形式，圖2為整體式，二者形式不同，但均為同一個排阻元件。圖1中的各子電阻，引腳與圖2完全相同，均對應于PCB元件的同一個封裝DIP-16。圖1中，各子電阻的設計序號中均包含RP1，表示為同一排阻元件，A～H分別表示同一排阻中的八個子電阻。采用獨立形式的好處是，當電路原理圖中沒有用完八個電阻時，就不必全部放置八個子電阻，節省空間。但由于排阻是一個元件，各子電阻都在同一個封裝內，只要使用了其中的一個或幾個子電阻，在對應的PCB中都會放置完整的封裝DIP-16，只是沒用到的子電阻引腳懸空。

理解了復合元件的原理和兩種形式的關系，在原理圖設計時才能對元件進行合理選擇、正確放置和設置屬性；在后續的原理圖庫元件設計時，才能深入理解和掌握其設計原理、方法、文件管理器使用以及新建元件菜單New Component和新建子件菜單New Part的區別。

4 原理圖元件和其封裝的對應關系

為PCB設計服務是電路原理圖的作用之一，網絡表是二者聯系的橋梁，要生成正確的網絡表，原理圖設計時要在每個元件的屬性中設置其正確的封裝。原理圖設計中的布線是對元件引腳實現連接，設置了元件封裝，實質上就是添加了該原理圖元件的PCB元件，同時也就給出了該元件在PCB中的連接關系，這由原理圖元件及其封裝的對應關系所決定。

以NPN型三極管為例，如圖3，左邊為原理圖元件，在原理圖設計中設置其設計序號為Q1、設計屬性為NPN及封裝為TO-52，則其在PCB中加載的對應封裝TO-52如圖3右邊圖形所示。從圖3可知，原理圖和PCB元件均包含外形、引腳和屬性，起電氣連接作用的均為引腳，二者引腳的數目和編號需一一對應；原理圖元件外形僅是原理符號圖，封裝外形是元件在電路板上的正投影，封裝引腳位置和外形反映了元件實際安裝尺寸。原理圖的網絡表導入到PCB中，將導入PCB元件（封裝）及其連接關系，封裝包含了元件的設計序號Q1、設計屬性NPN、封裝外形、引腳數目及其編號以及相對位置等信息。

對原理圖元件及其封裝對應關系的理解，將有助于原理圖元件屬性的正確設置，網絡表加載的錯誤檢查和修改，也為后續的PCB庫元件設計打下良好的基礎，使課程大綱中的原理圖、原理圖庫元件、PCB和PCB庫元件設計等四部分內容融為一個整體，將各部分發散的內容進行了提煉。

5 PCB層和對象的關系

對層概念的理解是PCB設計的核心內容之一，PCB中各種對象均與層有著密切的關系。PCB中最基本的對象包含物理邊界、電氣邊界、封裝、焊盤、過孔、導線以及各種標注性的解釋說明等，只有深入理解了各種對象和層之間的關系，才能合理放置和設置各種對象，設計出滿足需要的PCB。

封裝總體上分為表面粘貼式和穿透式兩種，在總體上看和根據安裝焊接的需要，兩者均只能在頂層或底層。局部上，粘貼式封裝的焊盤（即元件的引腳）只能相應地在頂層或底層，穿透式封裝的焊盤在綜合層。除焊盤外，封裝還包含了設計序號、設計屬性和外形，其分別相應地在頂層絲印層或底層絲印層。對于非封裝的獨立焊盤，可以根據需要設置其所在層，比如作安裝孔使用時要設置在綜合層，作導線連接作用時可設置在頂層、底層或綜合層。過孔與層的關系類似于獨立焊盤。

物理邊界要選擇機械層繪制一個封閉區域，作為PCB的外形和尺寸。電氣邊界要選擇禁止布線層，繪制一個小于或等于物理邊界的封閉區域，作為放置元件和布線的范圍。物理邊界和電氣邊界的設計是PCB規劃的重要內容，將關乎到網絡表加載的成敗。自動布線或手工布線中均使用導線連接各種焊盤或過孔，可根據實際連接的需要放在頂層或底層。

各種標注性的解釋說明對象，由各自不同特點和需要分別放在不同層。尺寸標注和標題欄一般都不在實際電路板中顯示，通常放在機械層。其它的如果需要在電路板中顯示的標注對象，可根據需要放在頂層絲印層、底層絲印層、頂層或底層，但若放在頂層或底層將是具有電氣特性的銅膜，要確保其不影響原始電路布線。例如電路板布線完成后，在某一空白處放置工作單位信息，若選在頂層絲印層或底層絲印層，將是油漆的形式打印在電路板上，字跡容易磨損；若放在頂層或底層，將是銅字，字跡不易磨損。

6 結束語

在教材內容基礎上，根據學生的疑惑，分析了《汽車電路CAD》課程的幾個重要問題，理清思路并將相關知識點相互貫穿，加強學習和教學效果。除了分析的幾個問題，課程教學中還會遇到其它一些問題，有待于以后工作中進一步討論和總結。

【參考文獻】

[1]及力.Protel 99 SE原理圖與PCB設計教程[M].北京：電子工業出版社，2011.

[2]魯捷，焦振宇，孟凡文.Protel DXP電路設計基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2010.

[3]王吉華，葛文慶，劉秀清，等.基于Protel的《汽車電路CAD》教學內容設計[J].科技視界，2015（04）：22-23.

[責任編輯：朱麗娜]