第5章 原理图设计基础 5.1 原理图设计概述 5.2 设置图纸 5.3 电路图绘制工具箱的使用 5.4 加载和卸载元件库 第5章 原理图设计基础 5.1 原理图设计概述 5.2 设置图纸 5.3 电路图绘制工具箱的使用 5.4 加载和卸载元件库 5.5 电路原理图绘制实例 思考题与练习题

5.6 生成原理图元件清单 5.7 生成网络表 5.8 保存原理图文件 5.9 原理图的输出 思考题与练习题

5.1 原理图设计概述 5.1.1 原理图的设计流程 设计一个电路原理图的工作包括：设置电路图纸的大小，规划电路图的总体布局，在图纸上放置元器件，进行布局和布线，然后对各元器件以及布线进行调整，最后保存并打印输出。电路原理图的设计过程一般可以按以下设计流程进行：

(1) 启动Protel DXP电路原理图编辑器。 (2) 设置电路图纸尺寸以及版面。 (3) 在图纸上放置需要进行设计的元器件。 (4) 对所放置的元器件进行布局布线。 (5) 对布局布线后的元器件进行调整。 (6) 保存文档并打印输出。

5.1.2 原理图的设计原则 原理图就是元件的连接图，其实质内容有两个：元件和连线，它们分别代表着实际电路中的元件和连线。不同的是，实际元件有着很多的特性和参数，而在绘制原理图时，设计者所关心的仅仅是引脚。实际连线也很有讲究，比如截面积、走向等，而绘图时仅仅关心元件的连接关系。

一张好的原理图，不但要求没有错误，还应该美观、信号流向清楚、标注清晰和可读性强。这就首先要求在绘制原理图的时候，应该遵循以下原则： (1) 顺着信号的流向摆放元件； (2) 同一个模块中的元件靠近放置，不同模块的元件稍远一些放置； (3) 电源线在上面，地线在下部，或者电源线与地线平行走。

5.2 设 置 图 纸 5.2.1 图纸尺寸 用大小合适的图纸来绘制电路图，可以使显示和打印都相当清晰，而且也比较节省磁盘存储空间。 5.2 设 置 图 纸 5.2.1 图纸尺寸 用大小合适的图纸来绘制电路图，可以使显示和打印都相当清晰，而且也比较节省磁盘存储空间。 1. 选择标准图纸 图纸尺寸的设置，可使用菜单命令【Design】/【Options】。执行该命令后，系统将弹出【Document Options】对话框，在其中选择【Sheet Options】选项卡进行设置，如图5.1所示。

图5.1 【Sheet Options】选项卡

2. 自定义图纸 如果需要自定义图纸尺寸，必须设置图5.1所示对话框的【Custom Style】栏中的各个选项。首先，必须在【Custom Style】栏中选中【Use Custom style】复选框，以激活自定义图纸功能。 【Custom Style】栏中各项设置的含义如下：

(1) 【Custom Width】编辑框：自定义图纸的宽度，在此定义图纸宽度为800。 (2) 【Custom Height】编辑框：定义图纸的高度，在此定义图纸高度为600。 (3) 【X Region Count】编辑框：X轴参考坐标分格，在此定义分格数为16。 (4) 【Y Region Count】编辑框：Y轴参考坐标分格，在此定义分格数为8。 (5) 【Margin Width】编辑框：边框的宽度，在此定义编辑框宽度为30。根据上述参数自定义的图纸尺寸如图5.2所示。

图5.2 自定义图纸

5.2.2 图纸方向 1. 设置图纸方向 Protel DXP允许电路图图样在显示及打印时选择为横向(Landscape)或纵向(Portrait)格式。具体设置可在【Options】操作框中的【Orientation】(方位)下拉列表框中选取。通常情况下，在绘制及显示时设为横向，在打印时设为纵向。 在图5.1所示【Document Options】对话框中，选择【Sheet Color】和【Border Color】选项可以进行图纸颜色和边框颜色的设置。

2. 设置图样标题栏 Protel提供了两种预先定义好的标题栏，分别是Standard(标准)形式和ANSI形式，如图5.3所示。具体设置可在【Options】操作框中的【Title Block】(标题块)右边的下拉列表框中选取。

(a) 标准形式标题栏；(b) ANSI形式的标题栏 图5.3 标题栏的类型 (a) 标准形式标题栏；(b) ANSI形式的标题栏

(a) 标准形式标题栏；(b) ANSI形式的标题栏 图5.3 标题栏的类型 (a) 标准形式标题栏；(b) ANSI形式的标题栏

5.3 电路图绘制工具箱的使用 5.3.1 绘制电路工具 绘制电路工具栏的各个按钮如图5.4所示。【Place】菜单下的各选项与绘制电路工具栏上的各个按钮相互对应。表5.1介绍了绘制电路工具栏中各个按钮的功能及对应的菜单选项。

图5.4 绘制电路工具栏

表5.1 绘制电路工具栏的按钮及其功能

5.3.2 绘图工具 在电路图中加上一些说明性的文字或是图形，除了可以让整个图纸显得生动活泼，还可以增强电路图的说服力及数据的完整性。Protel DXP提供了很好的绘图功能，足以满足我们绘制说明性图形的基本要求。 绘图工具栏各个按钮如图5.5所示。通过【Place】/【Drawing Tools】菜单命令也可以找到绘图工具栏上各个按钮所对应的选项。表5.2介绍了绘图工具栏中各个按钮的功能及对应的菜单选项。

图5.5 绘图工具栏

表5.2 绘图工具栏的按钮及其功能

5.3.3 电源工具 电源工具栏的各个按钮如图5.6所示。电源工具主要是提供各种电源和接地符号。执行菜单命令【View】/【Toolbars】/【Power Objects】，即可显示该工具。

图5.6 电源工具

5.4 加载和卸载元件库 5.4.1 加载元件库 加载元件库的操作步骤如下： 5.4 加载和卸载元件库 5.4.1 加载元件库 加载元件库的操作步骤如下： (1) 执行菜单命令【Design】/【Add Remove Library】，弹出如图5.7所示的加载/卸载元件库对话框。

图5.7 加载/卸载元件库对话框

(2) 单击 按钮，在弹出如图5.8所示的“打开”对话框中选择需要的库文件，双击此文件名即可添加到图5.7所示的对话框中，完成加载工作。

图5.8 选择库文件

(3) 加载完成后，单击图5.7对话框中的 按钮，关闭对话框。这时在项目管理器中的【Libraries】选项中可以显示所加载的库和库中的元件，如图5.9所示。

图5.9 项目管理器窗口【Libraries】选项

(4) 直接单击项目管理器中的 选项按钮也可以弹出加载/卸载对话框。单击 按钮可以在当前库中查找元件。单击 按钮可以把当前元件放置在图纸上。

5.4.2 卸载元件库 如果想卸载某个库，只需要在图5.7所示的加载/卸载元件库对话框中选中某个库，然后单击 按钮即可。此后，该元件库在项目管理器窗口【Libraries】选项中不再显示。绘制原理图时，该库中的元件也不能被调用。

5.5 电路原理图绘制实例 5.5.1 绘制模拟电子线路 1. 绘制运算放大器(简称运放)电路 绘制运算放大器电路的操作步骤如下：

(1) 用第4章介绍的方法，首先创建一个新的项目文件“Exa301.PRJPCB”，在此项目下创建新的原理图文件“amp.SCHDOC”。 (2) 执行菜单命令【Place】/【Part】或单击 工具按钮，弹出如图5.10所示的元件属性设置对话框，在对话框中输入运算放大器TL082P的元件属性。

图5.10 元件属性设置对话框

元件属性框中各属性说明如下： ：元件在库中的名字，此元件必须在已经加载的库中可以找到。如果不记得元件名，可以单击 按钮在库中预览元件并找到该元件，如图5.11所示。

图5.11 在库中找元件

(3) 元件选择好后，单击 按钮，元件TL082P就会出现在图中，并且随着鼠标移动。单击鼠标左键即可在图纸上完成放置元件工作，如图5

图5.12 放置运算放大器

(4) 按照同样方法，再放置三个电阻。电阻在库“Miscellaneous Devices IntLib”中，名字为“Res2”，标识分别为“R1、R2、R3”，如图5.13所示。

图5.13 放置电阻

(5) 开始连线。执行菜单命令【Place】/【Wire】或单击工具 按钮，放置连线(Wire)。如连线位置不当，单击连线就可移动连线，如图5.14所示。

图5.14 连线

(6) 放置端口。执行菜单命令【Place】/【Port】或单击工具 按钮，在图中相应位置上放置输入/输出及电源端口，如图5 (7) 修改端口属性。单击端口，弹出如图5.16所示的端口属性对话框。

图5.15 放置端口

图5.16 端口属性对话框

端口属性说明如下： ① 定义I/O端口的名称(Name)。具有相同名称的I/O端口的线路在电气上是连接在一起的。图中的名称默认值为“Port”，根据电路实际情况要逐一修改。 ② 端口外形的设定(Style)。主要指箭头的方向，如图5.17所示。

图5.17 端口外形

③ 设置端口的电气特性(I/O Type)。设置端口的电气特性也就是对端口的I/O类型进行设置。打开“I/O Type”选项右侧的下拉菜单，如图5.18所示，从图中可知端口的类型设置有以下四种： ● 【Unspecified】：未指明或不确定。 ● 【Output】：输出端口型。 ● 【Input】：输入端口型。 ● 【Bidirectional】：双向型。

图5.18 端口电气类型

④ 设置端口内部文字对齐方向(Alignment)。确定I/O端口内部名称在端口符号中的位置，有三种：“Center”、“Left”和“Right”。 按照以上端口说明，对每一端口进行修改，最终得到运算放大器完整线路图，如图5.19所示。

图5.19 运算放大器电路图

2. 电源电路的绘制 电子系统都包含电源电路，电源电路是基本的电子电路。下面绘制一个典型的带有±12 V，＋5 V三种电压输出的电源电路。 (1) 打开项目“Exa301.PRJPCB”，创建新的原理图文件“Power.SCHDOC”。 (2) 放置电源电路中的元件。在图上放置一个四针接插件(Header4)、一个整流桥(Bridge1)、五个滤波电解电容(Cap Pol1)、五个电容(Cap)和三个三端稳压集成电路(KF15BDT)等元件，同时添加元件标识，标识分别为“JP1”、“B1”、“C1～C10”、“U1～U3”，如图5.20所示。

(3) 为电源电路连线，如图5.21所示。连线遇到其他线条或元件的电气接触点时，Protel DXP会自动添加交叉连接点。但是连线穿过另一根线时，则不会自动添加连接点，单击按钮可手工放置连接点。

图5.20 放置电源电路元件

图5.21 为电源电路连线

(4) 放置端口并修改端口的电气特性，如图5.22所示。 图5.22 放置端口

(5) 为＋5 V电路添加接地标记。单击电源工具 按钮，即可放置通用的接地标记，如图5.23所示。双击此标记，弹出如图5.24所示对话框，其主要选项说明如下： ：目标网络，即当前的接地点被连接到所填入的GND接地网络中。 ：接地或接电源类型，常用的主要有“Bar”、“Power Ground”和“Signal Ground”几种类型。

图5.23 接地标记

图5.24 接地标记对话框

添加接地标记后的＋5 V稳压电路如图5.25所示。 图5.25 ＋5 V稳压电路

(6) 电源电路完整的原理图如图5.26所示。 图5.26 完整的电源电路原理图

3. 电流电压转换(I/V)电路 传感器完成被测非电信号到电信号的转换工作，如果传感器得到的电信号是电流信号，还需要通过I/V转换电路转换成电压信号，才能进一步送单片机进行处理。绘制I/V转换电路的步骤如下： (1) 打开项目“Exa301.PRJPCB”，创建新的原理图文件“IV.SCHDOC”。 (2) 放置I/V转换电路元件。放置一个运算放大器TL082P和三个电阻并连线，如图5.27所示。

图5.27 I/V转换电路的元件及连线

(3) 放置端口及修改端口电气特性。如图5.28所示，I/V转换电路绘制完毕。

5.5.2 绘制单片机应用电路 该实例的工作原理是：用单片机实现电流和电压的监测工作，在电流和电压都比较小的情况下比较其值与某一标准值的大小。如果比标准值大，就输出声光报警信号。系统与RS232相连，还可实现与PC机相连。

绘制单片机应用电路步骤如下： (1) 打开项目“Exa301.PRJPCB”，创建新的原理图文件“main.SCHDOC”。 (2) 放置AT89C2051单片机及外围必要的元件、地址编码接口(拨动开关和上拉电阻)并连线，构成一个单片机接口电路，如图5.29所示。 (3) 绘制MAX232电平转换接口电路，如图5.30所示。

图5.29 单片机接口电路

图5.30 MAX232电平转换接口

(4) 绘制电流比较电路和电压比较电路。两电路形式相同，但参数不同，可共用一个TL082P运放，如图5.31所示。

图5.31 比较器电路

(5) 加入电源电路“power. SCHDOC”、I/V转换电路“IV. SCHDOC”和运算放大电路“amp (5) 加入电源电路“power.SCHDOC”、I/V转换电路“IV.SCHDOC”和运算放大电路“amp.SCHDOC”的标记。执行菜单命令【Design】/【Create Symbol From Sheet】，弹出如图5.32所示的对话框，该对话框列出项目中的三个原理图。

图5.32 选择用于创建标记的原理图

逐一选择放置三个标记，把三个模块各个端子引线导出，并添加网络标号，如图5.33所示。

图5.33 三个原理图标记

(6) 添加一个4脚插针，在MAX232和AT89C2051的适当引脚上添加网络标号，完成最终“main. SCHDOC”总电路图，如图5

图5.34 单片机应用系统原理整图

5.5.3 绘制CPLD/FPGA应用电路 可编程逻辑器件(CPLD)和现场可编程门阵列(FPGA)是目前用的最多的PLD器件，用它们可实现数字系统设计和综合电子设计。下面以数据采集系统中的A/D、D/A与FPGA接口为例，说明CPLD/FPGA应用电路的绘制方法。

接口电路组成：Altera公司FPGA芯片EPF10K10LC84-4一片、串行A/D(模/数)转换器TLC549一片、D/A(数/模)转换器TLC7528一片、运算放大器NE5534一片、分立元件若干。其中，器件EPF10K10LC84-4在“Altera PLD Flex.IntLib”库中，器件TLC549和TLC7528所在库Protel DXP没有，需另外制作。

绘制CPLD/FPGA应用电路步骤如下： (1) 打开项目“Exa301.PRJPCB”，创建新的原理图文件“FPGA.SCHDOC”。 (2) 绘制A/D转换电路。图5.35为串行A/D转换器TLC549与FPGA器件EPF10K10LC84-4的接口电路，EPF10K10LC84-4的I/O引脚有52个，可随意使用两个引脚。模拟输入信号通过JP1端口送入TLC549的信号输入端，转换成串行数据信号送FPGA的I/O引脚。

(3) 绘制D/A转换电路。图5.36为D/A转换器TLC7528与FPGA器件EPF10K10LC84-4的接口电路，利用EPF10K10LC84-4的一组I/O引脚(8个)与TLC7528数据输入端相连，数据信号由FPGA输出给D/A转换器，转换得到的模拟信号通过放大后由JP2端口输出。

图5.35 串行A/D转换器TLC549与FPGA的接口电路

图5.36 D/A转换器TLC7528与FPGA的接口电路

图5.37为数据采集系统中的A/D、D/A与FPGA接口总图，此处未画出FPGA外围时钟电路和其他接口。

图5.37 数据采集系统的A/D、D/A与FPGA接口总图

5.5.4 绘制电气系统图 1. 电气系统图(简称电气图)的特点 电气图主要用来表示电气设备的构成、连接关系和工作原理，其具有以下特点： (1) 各种电气设备和导线用图形符号表示，不用具体的外形结构表示。 (2) 各设备符号旁标注了代表该种设备的文字符号。

(3) 按功能和电流流向表示各电气设备的连接关系和相互位置。 (4) 没有标注尺寸。 (5) 电气图形符号要严格符合国家标准。国家推荐标准有：GB/T 4728《电气简图用图形符号》、GB/T 5465《电气设备用图形符号》。 (6) 不需要考虑元件封装，也就不存在后续PCB板制作的问题。

2. 电气图的元件布局方法 一个电气电路通常由电源、开关设备、用电设备和连线四个部分组成，如果把电源设备、开关设备和用电设备看成元件，则电路由元件与连线组成。因此，元件和连线是电气图所要表达的主要内容。元件在布局时，常用功能布局法和位置布局法两种基本的布局方法。

(1) 功能布局法是指电气图中元件符号的布置只考虑便于它们所表示的元件之间的功能关系，而不考虑实际位置的一种布局方法。 (2) 位置布局法是指电气图中元件符号的布置对应于该元件实际位置的布局方法。电气图中的接线图、位置图、平面布置图通常采用这种布局方法。

3.  Protel DXP绘制电气图的步骤 用Protel DXP绘制电气图的步骤与绘制电路原理图基本相同，即先调用元件库中的元件，然后添加所需要的连线和文字。

4. 绘制实例——洗瓶机主电路控制线路图 洗瓶机是饮料、酒厂和药品等生产厂家常用的设备，主要传动靠两台电机完成。主电机实现洗瓶机构的旋转，带电磁抱闸机构；进瓶传送带电机实现待洗瓶底部传送。两台电机转速由变频器调节，整个系统由PLC来实现控制过程。下面以电机主电路控制线路为例，说明电气图的绘制过程。

(1) 打开项目“Exa301.PRJPCB”，创建新的原理图文件“Elec.SCHDOC”。 (2) 放置系统各电气元件。打开电气元件库，放置两台电机、两台变频器、电位器、继电器、热继电器等元件，并调整好元件位置，如图5.38所示。 (3) 连接各元件，放置有关输入/输出控制端口、三相电源线和外壳屏蔽线(虚线)，在重要元件附近放置文字符号。图5.39为完整的洗瓶机主电路控制线路图。

图5.38 放置电气元件

图5.39 洗瓶机主电路控制线路图

5.6 生成原理图元件清单 绘制完原理图后，必须整理出电路的元件清单。元件清单是电子工艺必备文件之一，它主要包括元件的名称、标注、封装等内容，以供外购、制作PCB和编制其他工艺文件时使用。Protel DXP提供一种快速生成元件清单的方法，具体步骤如下：

(1) 打开图5.34所示原理图“main.SCHDOC”。 (2) 执行菜单【Reports】/【Bill of Material】命令，系统弹出如图5.40所示的元件清单对话框。从图中可看出，每个元件都有标识、库名称、元件类型描述、封装和元件参数等信息。

图5.40 元件清单对话框

(3) 在元件清单对话框中，单击 按钮，可以生成预览元件报告，如图5.41所示。 (4) 单击 按钮，可以将元件清单导出，选择设计者需要导出的一个类型即可。 (5) 单击 按钮，系统打开Excel应用程序，并生成以“.xsl”为扩展名的元件报表文件，如图5.42所示。

图5.41 元件预览报告

图5.42 元件报表Excel表格文件

5.7 生 成 网 络 表 5.7.1 Protel DXP网络表格式 标准的Protel DXP网络表文件是一个简单的ASCII码文本文件，在结构上大致可分为元件描述和网络连接描述两部分。

(1) 元件描述格式如下： [ 元件声明开始 C1 元件标识 RAD0.2 元件封装 0.1 uF 元件参数 ] 元件声明结束 元件的声明以“[”开始，以“]”结束，其内容包含在括号内。网络中的每一个元件都必须有声明。

(2) 网络连接描述格式如下： ( 网络定义开始 NetU1_5 网络名称 U1_5 元件标号为1，元件引脚号为5 C2_1 元件序号为2，元件引脚号为1 ) 网络定义结束 网络定义以“(”开始，以“)”结束，其内容包含在括号内。网络定义首先要定义该网络的各端口。网络定义中必须列出连接网络的各个端口。

5.7.2 生成网络表 下面以原理图“main.SCHDOC”为例，说明生成网络表的一般步骤。 (1) 打开图5.34所示的原理图“main.SCHDOC”。 (2) 执行菜单【Design】/【Netlist】/【Protel】命令后，在项目管理器中会自动生成一个以“.NET”为扩展名的文件。双击此文件名，打开如图5.43所示的网络表，表中很清楚地表明了元件和元件的连接信息。

图5.43 网络表文件

5.8 保存原理图文件 电路图绘制完毕后要保存起来，以供日后取出修改及使用。执行菜单命令【File】/【Save】可自动按原文件名将其保存，同时覆盖原先的文件。 在保存时，如果不希望覆盖原先的文件，可采用换名保存的方法。具体作法是执行菜单【File】/【Save Copy As】命令，打开如图5.44所示的另存文件对话框，在此对话框中指定新的存盘文件名即可。

在另存文件对话框中打 开 下拉列表框，就可以看到Protel DXP能够处理的文件格式。具体格式如下： “Advanced Schematic binary(*.schdoc)”：Advanced Schematic电路图样文件，二进制格式。 “Advanced Schematic ASCII(*.schdoc)”：Advanced Schematic电路图样文件，文本格式。

图5.44 另存文件对话框

“Orcad Schematic (*.sch)”：SDT4电路图样文件，二进制格式。 “Advanced Schematic template ASCII(*.dot)”：电路图模板文件，文本格式。 “Advanced Schematic template binary(*.dot)”：电路图模板文件，二进制格式。

“Advanced Schematic binary files(*.prj)”：项目中的主图样文件。 “Export AutoCAD Files(*dwg；*dxf)”：以AutoCAD文件导出。 默认情况下，电路图文件以“Advanced Schematic binary(*.schdoc)”格式保存。

5.9 原理图的输出 1. 页面设置 (1) 执行【File】/【Page Setup】命令，系统弹出如图5.45所示的原理图打印属性设置对话框。在对话框中可以设置打印机类型、图形文件类型和颜色等。其中各选项定义如下：

【Printer paper】：设置打印纸大小及打印纸的方向。“Size”为打印纸大小，“Portrait”为纵向打印，“Landscape”为横向打印。 【Scale Mode】：设置缩放比例。有“Fit Document On Page”(按整个页面打印)和“Scaled Print”(按比例打印)两种选择。 【Margins】：设置页边距。 【Color Set】：输出颜色设置。

图5.45 原理图打印属性设置

2. 打印机设置 单击图5.45所示对话框中的 按钮，系统弹出如图5.46所示的打印机设置对话框，此时可设置打印的页码和份数。设置完成后单击 按钮，即可实现图纸的打印。

图5.46 打印机设置

在图5.46所示对话框中单击 按钮，弹出如图5.47所示的对话框。单击此对话框中右边的图纸小框，即可改变打印纸张方向；此对话框也可进行打印质量的设置。

图5.47 打印纸张方向的设置

思考题与练习题 1. 原理图设计的一般流程是什么？ 2. 原理图设计要遵循什么原则？ 3. 绘制电路工具和绘图工具有什么区别？如何使用？ 4. 在绘制原理图时，不知道某一元件所在的库名怎么办？ 5. 绘制电气图和绘制电子线路图有何区别？ 6. 总线是什么？如何绘制？