技术资讯 | 什么是理想的原理图，及其设计准则？

原理图需要清晰地传达设计师的设计理念和要求，不清晰的原理图饱受诟病——缺少框图、各区域之间没有界限、缺乏清晰的注释等。本文将介绍原理图的必备元素和创建时的一般准则，帮助大家提高工作之间的沟通效率。

 

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原理图的普遍问题

 

原理图大都不够清晰。一个理想的原理图应该在浏览一遍之后，不需要拿出纸和笔进行计算，就能够从头到尾理解设计的全部内容。而事实上，有时我们不得不使用 KVL 和 KCL 反过来演算设计中各个元件相对于 PCB（以及整个项目）的位置。

 

采用这种反向的方法来推测上一位设计师的想法，虽然有助于锻炼脑力，但却有悖绘制原理图的最初目的——让设计师和其他工程师无需亲自重新设计一遍，就可以理解设计的内容。

 

工程师通常专注于确保自己可以理解原理图，并且能够向其他相关方解释设计内容；但其实应该不止如此。理想的原理图理应存在，它能够帮助工程师更好地理解设计，而不是感到困惑。

 

 

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理想的原理图
 

 

原理图的真正目的是完整传达设计意图：物理限制、热考虑因素、功能、电气特性、最终的 PCB 应该是什么样子等等。至少，设计流程应该大致遵循从功耗到最终输出的运行流程。

 

下面让我们从头开始来构建原理图，呈现一个人人都可以读懂的、原理图设计的黄金标准。

 

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原理图必备元素（最低限度）
 

 

原理图的用途是传达设计想法。为了能够有效传达，原理图必须做到内容清晰。归根结底，这取决于绘制原理图的人，而不是读者。

 

要想让原理图更加合理，下面列出的每个元素不一定都是必须的；但在理想情况下，每个原理图都应该具备以下10个属性：

 

1.封面

 

 

就像一本书的封面一样，原理图的封面让人对其中的内容一目了然。通过阅读目录，工程师能轻松浏览原理图的内容。完整的封面包括目录、带有页码的页面描述，以及最终 PCB 的图片或最终 PCB 的意图。
 

 

很多人，特别是设计 PCB 的客户，希望预先知道最终产品是什么样子的。这样，他们更容易立即了解产品的范围，并对最终产品有一个概念。

 

2.项目说明

 

封面描述了产品的整体概念，但我们还需要具体说明项目的目的、目标、指标以及封面没有传达的其他内容。如果对项目中应该进行哪些工作产生分歧，我们可以随时参考原理图中的项目说明。

 

项目说明对硬件测试工程师、电子设计工程师以及项目中的任何利益相关者都很有用。这也使大家能够保持一致，确保不会浪费时间做对项目无益的工作。

 

在原理图中列明项目的范围、意图和要求，就不需要参考单独的文件来了解需要做什么工作。制定范围时可以参考项目管理系统或笔记中定义的项目说明。

 

最后，对项目具有高层次的理解，有助于轻松阅读原理图的其余部分。虽然解谜很有趣，但当需要重新设计一个准确度和理解程度极高的原理图时，我们一定不想浪费时间去理解项目的目的。

 

3.系统框图

 

 

现在我们理解了项目的意图和范围，我们要重点关注如何实现项目说明中设定的目标。这时系统框图就派上了用场。添加一个系统框图，解释实现产品和最终目标所需的特征、功能和模块。

 

【专业提示】在方框中添加高层次的要求说明。

 

4.功能框图

 

高速 FPGA 电路板

 

根据设计的复杂程度，系统框图和功能框图可能是一体的；然而，两者之间也有细微的区别。例如，系统框图可能包括主产品周边设备或物体，以及与之连接的外部电缆。而功能框图的内容则只限于产品。

 

功能框图是一个层次较低的框图，用于说明系统中的每个主要模块将如何实现所需的功能。它展示了设计中的主要信号、可能的外部源（如来自编程代码的关键信号），以及关键电压和电流要求。

 

5.每个功能模块的电子器件原理图

 

接下来我们需要添加电路图（原理图），它将真正实现功能模块中定义的内容。当知道电路和构成电路的器件之后，就可以采购这些电子器件，构建整个项目。

 

此时，我们可以开始为真正的设计成本确定价格和编制预算。一旦知道要用到哪些元件，就知道了对应的价格，在还没有设计出印刷电路板之前，就可以对电路板的价格进行合理的预估。

 

6.符合一致标准的器件位号

 

如果我们只是摆放好了元件，但没有一种统一的方式来指代它们，原理图理解起来会非常艰难。因此，使用标准的字母数字器件位号，有助于快速了解原理图上摆放的器件类型。器件位号让我们无需查找每个元件，就能快速解读原理图。

 

7.机械/其他器件和元件

 

硬件产品通常包括电气和机械元件，它们可能是电路板本身的一部分也可能不是，但却是最终产品所需要的。

 

我们希望避免发生这样的意外：拿到交付的 PCB 之后，却无法将 PCB 安装到外壳中，或者完全忘记了外壳。因此，我们需要将整个项目的所有部件记录下来。可以把它们记录在高层次文件或 PCB 文件中，但记录在原理图中更为合适。

 

8.准确的元件库

 

 

IPC-7351B 的主要作者、PCB libraries.com 的所有者 Tom Hausherr 说过：“完美的 PCB 设计始于 CAD 库。”反过来说，在设计 PCB 时，最耗时的问题就是 symbols 和 footprints 不匹配。当已经把设计交付给制造商的时候，如果 footprint 和器件编码出错，就必然导致重做，可能需要几个小时才能解决。有时，因为弄错了几个器件编码和 footprint，会整整耽误一个半星期。

 

所有元件都包含制造商的元件信息、PCB 焊盘图案和元件上的功能引脚（例如，引脚是根据它们在实际物理设备上的排列方式来排序的）。花点时间在前期正确地创建元件，并验证所有信息是否正确。认真完成前期工作有助于使 BOM 和 PCB 的创建更加顺利。

 

9.变更说明和修订说明

 

如果设计变更非常频繁，工程团队可能会分不清各个设计版本。这种情况下，就要严重依赖于设计修订和说明。要尽可能多地在设计中使用说明和修订说明，这有助于减少问题。记录得当的说明有助于我们快速找到设计和关键元件的差异。

 

10.标题框

 

添加标题框有助于我们了解当前正在查看原理图的哪个部分，以及项目的名称。拥有标题框也会让原理图显得更加专业。请确保添加设计师姓名、公司名称、文件创建日期、修改日期，以及设计名称和具体的原理图页。

 

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创建原理图时的一般准则
 

 

沟通的目的是将想法从一个媒介传递到另一个媒介，而原理图的目的便是传达设计意图。为了达到这个目的，传达需要易于理解、清晰且透明。这意味着设计需要有逻辑性，表现形式要一致，并附有大量的注释说明。

 

建议：将下述准则清单打印出来放在手边，方便在设计过程中随时查看~

 

 

 

创建一个有逻辑性的流程

 

 

让信号从左向右流动：输入在左边，输出在右边。这种风格既适用于高层次的图纸，也适用于每个单独的元件/模块。

根据电路功能，将原理图分成几张。

如果合适的话，确保原理图有层次性，并将其整合到高层次交互式原理图版的系统框图中。

根据功能，将类似的电路放在一起。例如，将电源电路放在同一页/同一区域，将模拟电路放在同一页/同一区域，数字电路也是如此。这样可以方便其他人阅读，利益相关者不必为了寻找不同的电源而在原理图上到处搜寻。

将旁路和去耦电容放在各自的组中。

在适当的地方使用上拉或下拉电阻。

如果适用的话，添加一些图形，用来表示电路部分和它需要控制或成为其一部分的物理对象之间的关系。即使是旧版本的 PCB 的一部分，也需要添加。

 

 

确保一致性并提高可读性

 

 

使用 ASME Y14.44-2008 和 IEEE 315-1975 的标准化原理图符号，几乎所有 ECAD 软件工具都具有这些标准符号。

使用准确的元件库：确保原理图符号上的引脚编号与物理元件和 PCB footprint 相符。

保持符号方向一致（水平或垂直）。

为所有网络命名。

对于彼此分离的器件（电阻、电容、二极管、电感器等），包括数值、电压和电流操作，以及符号 footprint 尺寸代码（如果适用，0603、0402 等）。

正确标注设计中所有不同类型的接地参考（电源接地、信号接地），确保每种类型都有明显不同的符号。

 

 

添加注释说明，清楚传达设计意图

 

 

解释原理图上的任何板外信号。可以在图纸一角的图例中添加注释，或者在原理图页尾添加注释。

对于单向的元件符号，可能需要在符号中添加信息，以防止元件反向安装。

关键信息（高电压和高电流）。

标明原理图上端口的原始/源页编号。

 

切身体会

笔者在一次测试电子产品的过程中，当检查设计上的所有引脚时，电路原理图打印件几乎不能离手。但即使是这样，原理图上还是有一个模棱两可的电源（通常是原理图上最关键的部分）没有注释。

 

由于它不是一个带按键的连接器（使用带按键的电源连接器是明智的），我们的团队当时冒着可能损坏系统/电路板的风险把电源连接器翻转了过来。幸好电子设计师放了一个反向阻断二极管来防止这个问题的发生。如果没有那个二极管，那么这个价值 9000 美元的逆变器可能就会遭受轻微的电路板损坏。

 

虽然良好的原理图是有帮助的，但如果有像 inspectAR 这样的工具，我们当时就不必随身携带原理图了。这样可以节省很多时间，避免很多麻烦。

 

为携带大量电流的走线增加走线宽度。

确定高速线路的长度匹配。

标明需要具有受控阻抗的走线。

指定电阻的用途（上拉/下拉电阻）

记录电容器的摆放（靠近微控制器或处理器的电源引脚）

记录有意摆放的元件。这确实可以帮助 PCB layout 工程师节省一些时间，使他们不必在产品手册中查看使用的哪些电容应该放在靠近器件的地方。

 

 

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以上原理图准则能否帮助其他工程师？
 

 

作为工程师，我们每天都十分忙碌；因此，任何能够帮助更快完成工作的举措都很重要。原理图将整个产品设计联系在一起，是一种关键的设计工具。工程师和其他利益相关者要能够完全理解原理图，这一点是至关重要的，而且几乎是强制性的要求。

 

有了完整的原理图，当其他工程师需要返工、修改或重新使用设计时，出现的问题和错误会更少。PCB layout 工程师可以更轻松地把元件和导线摆放在 layout 中的最佳位置。测试可以快速进行，不会因为原理图做得不好而出现诸多小插曲，从而有效地节省时间，避免出错。

 

把我们的原理图当作一个独立的 PowerPoint 演示文稿，能够有效地传达设计意图，防止出错。简而言之，优秀的原理图可以节省时间，并且对每个人都有好处。

 

除了清晰的原理图，简单易用的设计软件更可以帮助PCB 测试高效进行。inspectAR 软件利用增强现实技术（AR）以交互性的方式评估并改进 PCB 设计过程，轻松准确地实现 PCB 检查、调试、返工和组装。

 

 

上图显示了在 inspectAR  软件中直接对器件添加注释。利用AR技术，工程师或制造技术人员可以在制造过程中的任何时候将单个器件、走线、子电路或整个电路板与设计规格进行比较，并随时查看技术手册、添加留言、注释。