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PCB设计大讲堂:如何让电路图符号变得易于理解?

发布时间 :2018-01-04 14:05 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
良好的电路图具有可预测的流程,这不是定律,但如果你想让其他PCB设计工程师一眼就能看懂你的电路图,这就非常重要。
良好的电路图具有可预测的流程,这不是定律,但如果你想让其他PCB设计工程师一眼就能看懂你的电路图,这就非常重要。
 
在我上一篇文章的评论部分,有一些关于绘制电路图符号的讨论,让你的电路图符号容易被理解是件重要的事。有时候你的电脑辅助设计(computer aided design,CAD)套件内的预先提供的符号就可以使用,然而大多数的时候无法运作。确认你有一个套件让符号建立变得容易,因为你有时不得不重新绘制每一个元件,以及建立你将使用的新元件符号。CAD套件内的数万个符号只是重新绘制时的一个开始。
 
良好的电路图具有可预测的流程,该流程需要把输入端放在左侧与上方,而输出端在右侧与下方。这不是定律,但如果你想让其他PCB设计工程师一眼就能看懂你的电路图,这就非常重要。我可以大声跟你说:「这样做差在哪?!」意思是如果我的流程图从左到右开始,「会有什么差别?」你可以马上了解。半导体公司赚了这么多钱,并提供这么多的支援,有时候它们只想专注在元件本身,而不是流程。到目前为止,一些公司画出它们的电路图符号来模拟元件的接脚(pin-out),而不是讯号流程(signal flow),如图1。
 
图1 半导体元件供应商所画的电路图符号是模拟元件的接脚图,而非讯号流程。
图1 半导体元件供应商所画的电路图符号是模拟元件的接脚图,而非讯号流程。
 
图1中,六频逆变器(hex inverter)U1不是非常有用,它将六个元件组合成一个符号,左右侧都有输入端和输出端,接脚长度比他们需要的还长。U2的符号较好一点,输入端在左侧,输出端在右侧。像我这样一把年纪的人不喜欢彩色衬底,因为黑白列印副本后都会让黄色变成黑色,变得很难看得清楚。我设计了U3作为异质元件(heterogeneous part),它有六个元件,以及显示电源和接地的第七个元件,电阻RP1(Resistor pack RP1)是愚蠢的设计画法,因为当电阻分布在图上的各个地方时,你并不想弄乱你的电路图。RP2显示异质元件如何做到这一点。
 
一些半导体公司采用了ANSI符号来说明逻辑关系,这显然是由需要分析的线性思考者所发明的,并不符合以图像思考的类比PCB设计工程师的需求 (图2)。
 
图2 许多PCB设计工程师不喜欢ANSI/IEEE逻辑符号的画法,甚至认为比无用的符号还糟,标示明确的逻辑符号比那些无用的符号更好。
图2 许多PCB设计工程师不喜欢ANSI/IEEE逻辑符号的画法,甚至认为比无用的符号还糟,标示明确的逻辑符号比那些无用的符号更好。
 
所谓无用是由元件置入CAD套件中的方式判定,较好的方法是将元件分成两半,更好的方法是把电源符号分开放在另外一个部分,这样你就不会搞混讯号流程。一个类比PCB设计工程师只需要一些简单的元件绘制说明,了解到底是怎么运作的。
 
对于多元件封装(multi-part packages)来说,如同许多逻辑闸(Logic Gate),需要将电路图符号分开,因为你很少在电图中看到它们被放在同一个地方。这同样适用于双通道运算放大器(dual op amps)或四通道运算放大器(quad op amps)。元件符号可采用德摩根等效视图(DeMorgan equivalent view)来表示(图3)。我很佩服可以看懂Boolean表达电路设计方式的PCB设计工程师,但我还是倾向以图形表示,这样的话我可以想像这些元件在D型闩锁器(D-Latch)里的样子,或多工器(multiplexor)中显示输入端的接脚。
 
图 3 OrCAD 9在 1995年起采用反及闸 (NAND gate)的德摩根等效视图。
图 3 OrCAD 9在 1995年起采用反及闸 (NAND gate)的德摩根等效视图。
 
电源接脚上下颠倒
事实上,Altium/CircuitStudio让元件可透过不同的「模式」来做同样的事情,如果你要使运算放大器符号具有负极接脚在正极接脚上方的模式,这会变得很方便。没有等效符号(equivalent symbol)时,如果你垂直翻转零件,它会把电源正极(plus power)放在下面,而电源负极(接地,ground)符号放在上面。若采用你绘制的德摩根等效视图,你在置换输入接脚的同时,让电源和接地符号维持原本应该在的位置。解决这个问题的另一种方法是使用具有独立功率(U6)的异质元件,然后你可以垂直地翻转放大器并把负极接脚放在上方。
 
谈到某个年代的电路程序设计,当时印刷电路板(PCB)还只有40个14根接脚去藕电容的逻辑晶片,和卡缘连接器(edge-card connector)。在1985年,DOS OrCAD甚至不能绘制三角形,这是当时普遍的困扰之处。许多公司认为在印刷电路板上只有一个电源正极(VCC),这两个「C」代表「共集极(common collector)」,所有这些逻辑闸供电给许多电阻的集电极,所以会看见电池正极(VCC)和接地(接电源负极)这两个符号。CAD的程序设计师认为没有必要在IC上显示电源接脚,他们用「零长度(zero length)」接脚来代替,然后PCB布线设计时也将这些接脚取相同的名字。程序设计师认为当一切都归结到网表(netlist)时,PCB设计工程师使用电路图是愚蠢的。
 
说到接地,用「公共(common)」或「回流(return)」来表达更精确,除非你的电路连接到墙上插座的大地接地接脚(earth ground pin),如图 4。我承认这只是个人喜好,但我喜欢美式电源和电阻符号,在电阻和MOSFET的圆圈旁有清楚的N或P通道类型的标示。
 
图 4 接地、电源、电阻、电晶体和 MOSFET等各种元件的符号。
图 4 接地、电源、电阻、电晶体和 MOSFET等各种元件的符号。
 
我以前遇过一个教授,如果你在汽车收音机的电路图上显示大地接地符号,会把你当掉。用在汽车底盘是不同的符号,尽管Altium称它为大地(Earth),然而你大部份在PCB板上标示的应该是三角形符号,意味着公共或回流。我个人偏好使用箭头表示电源,我从来没有遇到过一个喜欢用欧洲式画法,像是R1和R2来定义电阻器的PCB设计工程师,甚至Altium为R3符号来表示电位器也没有任何意义,除非它有三个接脚,或是元件封装(footprint)将两个接脚短接起来。我也喜欢使用圆形来表示电晶体(transistor)、短接脚(short pins),用字母N或P来清楚表示MOSFET的类型,并且绘制闸极接脚以更清楚地表达。我也会使用翻转的P通道,将源极(source)标示在上方,这里是电源正极通过的地方。我对于Altium/CircuitStudio在本体二极体(Body Diode)的标示设计上,给予好评。
 
在现今的设计中,看不见电源和接地接脚所产生的问题是,总是会看到电路布线被错误地连接,让你一直疲倦不堪。这是一个常发生的大问题,由于板面(plane)上可能会配置电源,所以重新绘制电路板,即使是一个原型(prototype),都非常困难。因此,我们当中的许多人绘制电源接脚时会明确地标示。有三种方法标示多元件封装,如四通道运算放大器(quad opamps),如图5。第一,您可以在每个元件画上电源接脚;第二,可以只在一个元件上画上电源接脚,并确认放上所有备用元件(spares);第三,可以将四通道运算放大器绘制为五个元件组成的异质封装,将每个四通道运算放大器当作一个元件,然后将电源和接地接脚与其分开标示。这样做的优点是,可以将电源和接地元件与所有去藕电容器放在一起。缺点是你可能会忘记画上那部分,然后一样地发生悲剧,那个元件会无法接电,而不是接错电源。一个诀窍是使电源接脚成为封装的第一个元件,这样当你去放置它时会最先显示出来。你应该先放上所有的元件,然后才能你可以加偏压(bias)在未使用到的元件上,使它们不振荡。
 
图5 多元件封装的四通道运算放大器的三种标示法。
图5 多元件封装的四通道运算放大器的三种标示法。
 
图5中,绘制电源和接地符号时,不要使用零长度的接脚。相反地,绘制电源接脚时,如果你想要的话,可以画在每个元件上(U1)。否则,你只能在套件上的一个元件绘制电源接脚,但务必放置所有元件,以便记得要连接电源(U2)。使用U3,你绘制一个有单独元件的套件,此元件有电源与接地符号。优点是当你翻转运算放大器时,能使负极接脚如电路规定的那样放在电源正极的上方或下方。


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