第6章 层次原理图设计 层次原理图的设计方法 6.1 层次原理图之间的切换 6.2 项目实训 6.3

本章描述： 对于复杂大型的电路，用普通原理图设计的方法有时显得不方便，这时通常采用模块化设计，而层次原理图的设计方法实际上是一种模块化的设计。本章主要学习层次原理图的设计。 本章目标： 掌握层次原理图的设计方法 掌握层次原理图之间的切换方法 了解多通道电路设计方法

6.1 层次原理图的设计方法 对于大规模的复杂系统，应该采用另外一种设计方法，即电路的层次化设计。层次化电路原理图的设计理念是将实际的总体电路进行模块划分，划分的原则是每一个电路模块都应该有明确的功能特征和相对独立的结构，而且，还要有简单、统一的接口，便于模块彼此之间的连接。 基于上述的设计理念，层次化电路原理图设计的具体实现方法有两种：一种是自上而下的层次化原理图设计，另一种是自下而上的层次化原理图设计。

自上而下的设计方法，就是由电路方块图产生基本模块对应的原理图。首先要根据系统结构将系统划分为完全不同功能的子系统方块图，将各子系统方块图的端口连接起来构成一张项目方块总图，用电路子系统方块代表基本模块，然后将总图中各电路子系统方块对应的基本模块（子原理图）分别绘制。这样逐步细化，最终完成整个系统原理图的设计。

图6-1 自上而下的层次原理图设计流程

自下而上的层次图设计方法就是由原理图子图（基本模块）产生电路方块图。即先设计好子系统方块图对应的基本模块，然后由这些基本模块产生子系统方块图，再将子系统方块图之间的电气关系连接起来构成项目方块总图。这种方法比较适用于对整个设计不是非常熟悉的用户，这也是初学者的一种设计方法。

图6-2 自下而上的层次原理图设计流程

6.1.1 自上而下的层次原理图设计 本小节以“多路混音器”电路设计为例，详细介绍自上而下的层次化电路的具体设计过程。 6.1.1 自上而下的层次原理图设计 本小节以“多路混音器”电路设计为例，详细介绍自上而下的层次化电路的具体设计过程。 采用层次化电路的设计方法，将实际“多路混音器”总体电路按照电路模块的划分原则划分为7个电路模块：“Auxiliary”模块、“Effects”模块、“Headphone”模块、“Input channel”模块、“Monitor”模块、“Output channel”模块、“Power”模块。首先绘制出层次原理图中的顶层原理图，然后再分别绘制出每一电路模块的具体原理图。

绘制层次化原理图的具体步骤。 1、建立工作环境 (1)单击【开始】→【有程序】→【Altium】→【Altium Designer l0】菜单命令或者双击桌面上的快捷方式图标．启动Altium Designer l0程序。 (2)打开“Files”文件面板，在“New”新建栏中单击“Blank Project(PCB)”PCB的空白项目，则在“Projects”项目面板中出现了新建的项目文件名“PCB_Project1.PrjPCB”，鼠标右击“PCB_Project1.PrjPCB”项目文件名，选择快捷菜单命令“Save As...”将其另存为“Mixer PrjPCB”

(3)在项目文件“Mixer.PrjPCB”上单击鼠标右键。在右键快捷菜单中选择【Add New to Project】添加新项目→【Schematic】原理图命令项。在该项目文件中新建一个电路原理图文件．另存为“Mixer.SchDoc”，并完成图纸相关参数的设置。 2、绘制方块电路图 (1)执行【Place】放置→【Sheet Symbol】图纸符号菜单命令，或者单击工具栏中的按钮 ，鼠标将变为十字形状，并带有一个方块电路图标志。

(2)移动鼠标到需要放置方块电路图的地方，单击鼠标左键确定方块电路图的一个顶点．移动鼠标到合适的位置再一次单击鼠标确定其对角顶点即可完成方块电路图的放置。此时放置的图纸符号并没有具体的意义。需要进一步进行设置，包括其标识符、所表示的子原理图文件，以及一些相关的参数等。 3、设置方块电路图的属性 (1)在鼠标仍处于放置方块电路图的状态时．重复第二步的操作即可放置其他的方块电路图。单击鼠标右键或者按下“Esc”键便可退出操作。

(2)双击需要设置属性的方块电路图(或在绘制状态下按“Tab”键)．系统将弹出相应的方块电路图属性编辑对话框．如图6-3所示。 图6-3 方块电路图属性编辑对话框

（3）单击图6-3中的“Parameters”参数标签：系统弹出如图6-4所示的选项卡，可以执行添加、删除和编辑方块电路图的其他有关参数等操作。 图6-5 Parameters Properties对话框

(4)单击按钮 后．系统弹出如图6-5所示的“Parameters Properties”参数属性对话框。在此对话框中，可以设置追加的参数名称、数值等属性。 （5）在“Name”名称文本框输入“Description”，在“Value”定值文本框输入“Power”，并选中下面的“Visible”复选框，单击OK按钮退出。

（6）单击“Sheet Symbol”图纸符号属性对话框的OK按钮退出。按照以上同样的方法放置另外6个方块电路图“Auxiliary”、“Effects”、“Headphone”、“Input channel”、“Monitor”、“Output channel”，并设置好相应的属性。 4、放置电路端口 （1）执行【Place】→【Add Sheet Entry】添加图纸入口菜单命令，或者单击工具栏中的按钮 ，鼠标将变为十字形状。

（1）在鼠标仍处于放置电路端口的状态下，重复步骤4的操作即可放置其他的电路端口。单击鼠标右键或者按下“Esc”键便可退出操作。 （2）移动鼠标到方块电路图内部，选择要放置的位置，单击鼠标左键，会出现一个电路端口随鼠标移动而移动，但只能在方块电路图内部的边框上移动，在适当的位置再一次单击鼠标即可完成电路端口的放置。 5、设置电路端口的属性 （1）在鼠标仍处于放置电路端口的状态下，重复步骤4的操作即可放置其他的电路端口。单击鼠标右键或者按下“Esc”键便可退出操作。

（2）根据层次电路图的设计要求，在顶层原理图中，每一个方块电路图上的每一个电路端口都应该与其所代表的子原理图上的一个电路输入/输出端口相对应，包括端口名称及接口形式等。因此，需要对电路端口的属性加以设置。 （3）双击需要设置属性的电路端口（或在绘制状态下按“Tab”键），系统将弹出相应的电路端口属性编辑对话框，如图6-6所示。

图6-6 电路端口属性对话框

“Style”类型下拉列表：列出了电路端口的形状，这里设置为“Right”。 电路端口属性中的主要参数如下： “Side”边下拉列表：有“Top”（上）、“Left”（左）、“Bottom”（下）和“Right” （右）4种选择。决定了电路端口在方块电路图中的大致方位。 “Style”类型下拉列表：列出了电路端口的形状，这里设置为“Right”。 “I/0 Type”(1/0类型)下拉列表：包含4种端口类型：“Unspecified”（不指定）、“Output”（输出）、“Input”（输入）和“Bidirectional”（双向）。“I/0 Type”决定的，这是电路端口最重要的属性。这里将端口属性设置为“Output”。

“Name”名称：电路端口的名称，应该与层次原理图子图中的端口名称对应，只有这样才能完成层次原理图的电气连接，这里设置为“Port1”。 属性设置完毕后单击OK按钮关闭设置对话框。 （4）按照同样的方法，把所有的电路端口放在合适的位置处，并设置好它们的属性。 6、完成顶层原理图 使用导线或总线把每一个方块电路图上的相应电路端口连接起来，并放置好网络符号，完成顶层原理图的绘制。如图6-7所示。

图6-7 顶层方块图

根据顶层原理图中的方块电路图，把与之相对应的子原理图分别绘制出来，这一过程就是使用方块电路图来建立子原理图的过程。 7、绘制子原理图 根据顶层原理图中的方块电路图，把与之相对应的子原理图分别绘制出来，这一过程就是使用方块电路图来建立子原理图的过程。 （1）执行【Design】→【Create Sheet From Symbol】从符号创建电路菜单命令，这时鼠标将变为十字形状。 （2）移动鼠标到方块电路图“Power”内部，单击鼠标左键，系统自动生成一个新的原理图文件，名称为“Power.SchDoc”,与相应的方块电路图所代表的子原理图文件名一致，在原理图中，已经自动放置好了与方块图端口方向一致的输入/输出端口。

（3）使用普通电路原理图的绘制方法，放置各种所需的元器件并进行电气连接，完成“Power.SchDoc”子原理图的绘制，如图6-8所示。

（4）使用同样的方法．重复步骤七．由顶层原理图中的另外6个方块电路图建立与其相对应的6个子原理图模块：“Auxiliary”模块、“Effects”模块、“Headphone”模块、“Input channel”模块、“Monitor”模块、“Output channel”模块,并且分别绘制出来。 这样就采用自上而下的层次化电路图设计方法完成了整个“mixer”混音器系统的电路原理图绘制。

6.1.2 自下而上的层次化原理图设计 所谓自下而上的层次电路设计方法，就是先根据各个电路模块的功能，一一绘制出子原理图，然后由子原理图建立起相对应的方块电路图，最后完成顶层总原理图的绘制。 下面还是以“8路混音器”电路设计为例，介绍自下而上的层次化电路的具体设计过程。自下而上绘制层次化原理图的具体步骤如下。

1、建立工作环境 (1)启动Altium Designer l0。单击【开始】→【所有程序】→【Altium】→【Altium Designer l0】菜单命令．或者双击桌面上的快捷方式图标，启动Altium Designer l0程序。 (2)打开“Files”文件面板，在“New”新建栏中单击“Blank Project(PCB)”PCB的空白项目，则在“Projects”项目面板中出现了新建的项目文件．另存为“Mixer．PrjPCB”。

2、新建原理图文件作为子原理图 在项目文件“Mixer.PrjPCB”上单击鼠标右键，在右键快捷菜单中选择【Add New to Project】添加新项目→【Schematic】原理图命令。在该项目文件中新建一个电路原理图文件，另存为“Input channel.SchDoc”，并完成图纸相关参数的设置，同样的方法建立原理图文件Auxilary.SchDoc、Effects.SchDoc、Headphone.SchDoc、Power.SchDoc、Monitor.SchDoc、Output channel.SchDoc。

（3）在其他子原理图中，在信号的输入/输出端同样需要放置相应的输入/输出端口。 3、绘制各个子原理图 （1）根据每一模块的具体功能要求，利用前面绘制原理图的方法绘制电路原理图。例如:如图6-9所示的“Monitor.SchDoc”电路。具体绘制过程这里不再赘述。 （2）放置各子原理图中的输入／输出端。例如，在原理图“Monitor.SchDoc”中，需要放置Monitor通道的输入端口，名称为“Monitor”。 （3）在其他子原理图中，在信号的输入/输出端同样需要放置相应的输入/输出端口。

图6-9 Monitor.SchDoc子原理图

（1)在项目“Mixer.PrjPCB”中新建一个原理图文件“Motherl.SchDoc”，以便进行顶层原理图的绘制。 4、绘制顶层原理图 （1)在项目“Mixer.PrjPCB”中新建一个原理图文件“Motherl.SchDoc”，以便进行顶层原理图的绘制。 (2)打开原理图文件“Motherl.SchDoc”，执行【Design】设计→【Create Sheet Symbol From Sheet or HDL】(从图纸或HDL创建图纸符号)菜单命令，系统弹出如图6-10所示的选择文件放置对话框。

这里我们选中Monitor.SchDoc．单击0K按钮关闭对话框，系统会弹出一个如图6-11所示的方块电路图，放置在电路图中。 图6-10 所示的选择文件放置对话框 这里我们选中Monitor.SchDoc．单击0K按钮关闭对话框，系统会弹出一个如图6-11所示的方块电路图，放置在电路图中。 图6-11 方块电路图

(3)在该对话框中，系统列出了同一项目中除去当前原理图“Motherl (3)在该对话框中，系统列出了同一项目中除去当前原理图“Motherl.SchDoc”外的所有原理图文件，用户可以选择其中的任何一个原理图来建立方块电路图。 (4)选择适当的位置，单击鼠标左键即可将该方块电路图放置在顶层原理图中。 (5)该方块电路图的标识符为“U-Monitor”，边缘已经放置了1个电路端口．方向与相应的子原理图中输入／输出端口一致。按照同样的操作方法，由7个子原理图可以在顶层原理图中分别建立7个方块电路图。

5、设置方块电路图和电路端的属性 (1)有系统自动生成的方块电路图不一定完全符合我们的设计要求，很多时候还需要加以编辑，包括方块电路图的形状、大小，电路端口的位置要利于布线连接，电路端的属性需要重新设置等。 (2)用导线或总线将方块电路图通过电路端口连接起来，并放置网络符号，完成顶层原理图的绘制，结果和前面的图6-7完全一致。这样，采用自下而上的层次化电路设计方法同样完成了整体电路原理图设计。

6.2 层次原理图之间的切换 6.2.1 由顶层方块电路图切换到子原理图 6.2.2 由子原理图切换到顶层原理图 6.2.3 生成层次表 6.2 层次原理图之间的切换 6.2.1 由顶层方块电路图切换到子原理图 6.2.2 由子原理图切换到顶层原理图 6.2.3 生成层次表 6.2.4 层次原理图的PCB设计

6.2.1 由顶层方块电路图切换到子原理图 1、编译项目 (1)打开“Projects”项目面板．选中项目“Mixer.PriPCB”，执行项目命令菜单中的“Compile PCB Project Mixer.PriPCB”(编译电路板项目的Mixer.PrjPCB)．完成对该项目的编译。 (2)打开“Navigator”导航面板．可以看到在面板上显示了该项目的编译信息，其中包括层次化原理图的层次结构，如图6-12所示。

(3)打开顶层原理图“Mixer.SchDoc”．执行【Tools】工具→【Up／Down Hierarchy】向上/向下层次菜单命令，或者单击标准工具栏中的按钮 ，光标变为十字形状。移动鼠标到与欲查看的子原理图相对应的方块电路图处，放在任何一个电路端口上。例如。在这里我们要查看子原理图“Auxiary.SchDoc”，所以把鼠标放在方块电路图“U-AUX”中的一个电路端口“Left”上。

(4)单击鼠标后。 子原理图“Auxiary.SchDoc”就出现在编辑窗口中．并且具有相同名称的输出端口“left”和“right”，选中的端口处于高亮显示状态,如图6-13所示。 单击鼠标右键退出切换状态，完成了由方块电路图到子原理图的切换，用户可以对该子原理图进行查看或编辑。进行同样的操作，可以完成其他几个子原理图的切换。

6.2.2 由子原理图切换到顶层原理图 打开任意一个子原理图，执行菜单命令【tools】工具→【up/doun hierarchy】向上/向下层次菜单命令，或者单击标准工具栏中的按钮 ，光标变为十字形状。移动鼠标到任意一个输入/输出端口处。 在这里,我们打开子原理图Auxiary.SchDoc，移动鼠标放于端口right处。单击鼠标后，顶层原理图“Mixer.SchDoc”就出现在编辑窗口中，并且在代表子原理图Auxiary.SchDoc的方块电路图中，具有相同名称的接地端口“right”处于高亮显示状态。 单击鼠标右键退出切换状态，完成了由子原理图到顶层原理图的切换，用户可以对顶层原理图进行查看或编辑。

6.2.3 生成层次表 1、编译整个项目。在上面我们已经对项目“Mixer.PrjPCB”进行了编译。 6.2.3 生成层次表 生成层次设计表的主要步骤如下。 1、编译整个项目。在上面我们已经对项目“Mixer.PrjPCB”进行了编译。 2、执行菜单命令【Reports】报告→【Report Project Hierarchy】项目层次报告，则会生成有关该项目的层次设计表。 3、打开“Projects”项目面板，可以看到，该层次设计表被添加在该项目的“Generated\Text Documents\”文件夹中，是一个与项目文件同名，后缀为“REP”的文本文件。

4、双击该层次设计表文件，则系统转换到文本编辑器，可以对该层次设计表进行查看。生成的层次设计表如图6-14所示。 由图中可以看出，在生成的设计表中，使用缩进格式明确地列出了本项目中的各个原理图之间的层次关系，原理图文件名越靠左，说明该文件在层次电路图中的层次越高。

图6-14 层次设计表

6.2.4 层次原理图的PCB设计 层次原理图的PCB设计和单个原理图的PCB设计一样，层次原理图导入PCB的时候，会把整个项目的设计全部导入。

6.3 项目实训 6.3.1 8路混音器电路的多通道原理图设计 6.3.2 上机实训

6.3.1 8路混音器电路的多通道原理图设计 在本例中将学习多通道原理图设计的方法。这是Altium Designer l0的高级设计功能之一。如果同一个电路中有一部分多次重复，那么就可以只绘制其中一个通道。 1.建立工作环境 (1)在Altium Designer l0主界面中，选择【File】文件→【New】新建→【Project】项目→【PCB Project】印制电路板项目菜单命令，然后选择系统生成的默认项目名，单击右键选择“Save Project As”项目另存为菜单命令,将工程文件另存为“8 way mixer.PrjPCB”。

(2)选择【File】文件→【New】新建→【Schematic】原理图菜单命令，然后单击右键选择“Save As”另存为菜单命令,将新建的原理图文件另存为“input.SchDoc”。 2、加载元件库 选择【Design】设计→【Add／Remove Library】添加／移去库菜单命令，打开“Available Libraries”(可利用库)对话框，然后在其中加载需要的元件库。本例中需要加载的元件库如图6-15所示。

3、设计放置元件 选择“Libraries”元件库面板，在其中浏览刚加载的元件库“ST Operational Amplifier.IntLib”，找到所需的运放元件，然后将其放置在图纸上。在其他的元件库中找出需要的另外一些元件，然后将它们都放置到原理图中，再对这些元件进行布局．布局的结果如图6-16所示。

图6-15 加载的元件库

图6-16 元件布局

对元件之间连线、放置电源和接地符号并编辑元件属性。 5、放置电路端口 4、元件布线 对元件之间连线、放置电源和接地符号并编辑元件属性。 5、放置电路端口 （1）执行【Place】→【Port】端口菜单命令，或者单击工具栏中的按钮，鼠标将变为十字形状，在适当的位置再一次单击鼠标即可完成电路端口的设置。双击一个放置好的电路端口，打开“Port Properties”端口属性对话框，在该对话框中对电路端口属性进行设置，完成input原理图的设计，如图6-17所示。

（2）用同样的方法在output原理图设计，完成后的原理图如图6-18所示。 图6-17 一路音频输入原理图

图6-18 一路音频混合输出原理图

6、设计多通道电路 本设计为8路输入，两路输出的音频混合器，需要使用多通道设计方法。具体步骤如下。 （1）执行【File】→【NEW】→【Schematic】原理图菜单命令，在设计项目中添加一个原理图文件，并另存为“8 way mixer.Schdoc”。 （2）执行【Design】→【Create Sheet Symbol From Sheet or HDL】(从图纸或HDL创建图纸符号)菜单命令，打开“Choose Document to Place”对话框，如图6-19所示，这里我们选中“input.SchDoc”，单击0K按钮关闭对话框，系统会弹出一个方块电路图，放置在电路图中,同样把“output.SchDoc”方块图放到顶层电路图中。

（3)方块电路图的标识符为“U-input”和“U-output”，边缘已经放置与相应的子原理图中输入／输出端口。如图6-20所示 图6-19 Choose Document to Place对话框 （3)方块电路图的标识符为“U-input”和“U-output”，边缘已经放置与相应的子原理图中输入／输出端口。如图6-20所示

图6-20 自下而上生成层次电路图

（4）将方块图重复使用，即可变成多个通道重复使用的方块图。双击方块图打开“Sheet Symbol”图纸符号对话框，然后在对话框的“Designator”标志文本框中输入 “repeat(input,1,8)”，表示该方块图一共重复使用8块，为8个通道，如图6-21和6-22所示。单击OK按钮退出对话框”。

图6-21 输入的8个通道设置 图6-22输出的2个通道设置 多重通道的设置是通过设置Designator属性来实现的，设置该属性为repeat（通道名，起始序号，终止序号），例如图中的repeat（input,1,8）和repeat（output,1,2）。

如图6-23所示，可以看到，设置了属性后的方块图变成了许多方块图重叠的形状，这表示有多个相同的图纸。即完成了8路音频输入混合和2路音频输出的原理图设计。 图6-23 多通道原理图的设计

7、电路编译 选择【Project】→【Compile PCB Project 8way Mixer.PrjPcb】编译电路板项目菜单命令，将本设计工程编译。这样就完成了8路音频混合器的多通道电路原理图的设计。

6.3.2 上机实训 实训1 洗衣机控制电路的自下而上层次化原理图设计 1、实训内容 绘制洗衣机控制电路的自下而上层次化原理图设计 6.3.2 上机实训 实训1 洗衣机控制电路的自下而上层次化原理图设计 1、实训内容 绘制洗衣机控制电路的自下而上层次化原理图设计 2、操作步骤 各子原理图包含复位、晶振模块，控制模块，CPU模块，显示模块，如图6-24～6-27所示。

6-25 控制模块 6-24 复位、晶振模块

6-26 CPU模块 6-27 显示模块

（1）新建原理图文件。执行【File】文件→【NEW】新建→【Schematic】原理图菜单命令，在设计项目中添加一个原理图文件，并另存为“洗衣机控制电路.Schdoc”。 （2）选择原理图文件。执行【Design】→【Create Sheet Symbol From Sheet or HDL】(从图纸或HDL创建图纸符号)菜单命令。选择文件放置对话框，弹出“Choose Document to Place”选择文件放置对话框，如图6-28所示。其中列出当前所有的原理图文件，选择其中一个，点击“OK”按钮

6-28 选择文件放置对话框

（3）放置图纸符号。此时，会在鼠标上粘上一个图纸符号，选择合适的位置单击进行放置，通过此方法，可以将所有子原理图转换为图纸符号，添加到总原理图“洗衣机控制电路.Schdoc”中，如图6-29所示。 对系统生成的图纸符号不满意，可以根据总原理图布局对其进行修改。通过修改，可以比较方便地进行导线的连接。如图6-30所示。 （4）放置导线、网络标号，以及放置总原理图上的其他元件，并连接导线。如图6-31所示。

此外，该电路也可以采用自上而下的层次原理图设计，读者可自行设计。 （5）对项目进行编译并保持。 此外，该电路也可以采用自上而下的层次原理图设计，读者可自行设计。 6-29 放置图纸符号

6-30 调整图纸符号 6-31 洗衣机控制电路总原理图

本章内容完！