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电路设计软件 Altium Designer 应用报告 Altium Designer 简介

Altium Designer 系统是 Altium 公司于 2006 年年初推出的一种电子设计自动化 (Electronic Design Automation， EDA)设计软件。 该软件综合电子产品一体化开 发所需的所有必须技术和功能。 Altium Designer 在单一设计环境中集成板级和 FPGA 系统设计、基于 FPGA 和分立处理器的嵌入式软件开发以及 PCB 版图设计、 编辑和制造，并集成了现代设计数据管理功能，使得 Altium Designer 成为电子 产品开发的完整解决方案。
随着电子工业的飞速发展和电子计算机技术的广泛应用， 促进了电子设计自动化 技术日新月异。特别是在 20 世纪 80 年代末期，由于电子计算机操作系统 Wind ows 的出现， 引发了计算机辅助设计(Computer Aided Design CAD)软件的一次 大的变革，纷纷臣服于 Microsoft 的 Windows 风格，并随着 Windows 版本的不
断更新，也相应地推出新的 CAD 软件产品。 在电子 CAD 领域， Protel Te
chnology (Altium 的前身)公司在 EDA 软件产品的推陈出新方面扮演了一个重要
角色。
20 世纪 80 年代末， Windows 系统开始日益流行，许多应用软件也纷纷开始支 持 Windows 操作系统。 Protel 也不例外， 相继推出了 Protel For Windows 1.0， Protel For Windows 1.5 等版本。这些版本的可视化功能给用户设计电子线路带 来了很大的方便， 设计者不用再记一些烦琐的命令， 这也让用户体会到资源共享
的乐趣。
20 世纪 90 年代中期， Windows 95 开始出现， Protel 也紧跟潮流，推出了基于 Windows 95 的 3.X 版本。 3.X 版本的 Protel 加入了新颖的主从式结构，但在自 动布线方面却没有什么出众的表现。另外，由于 3.X 版本的 Protel 是 16 位和 3 2 位的混合型软件，所以不太稳定。
Altium Designer 作为最佳的电子开发解决方案， Altium Designer 将电子产品开 发的所有技术与功能完美地融合在了一起， 其所提供的设计流程效率是传统的点

式工具开发技术所无法比拟的。与以前的 Protel 版本相比较， Altium Designer 的主要特点及功能如下：
1.一体化的设计流程
2.增强的数据共享功能
3.可编程器件的充分利用
4.完全的约束驱动设计
5.结构化的设计输入
6.面向各种处理器的嵌入式软件设计
7.高密板和高速信号设计的支持

一、实习目的
掌握一种电路原理图与电路板的绘制方法是电类工程师的必备条件。本实习可使 用软件工具 Altium Designer9.0 以上版本(或 Protel99SE 或 POWERLOGIC、 P ADS)。本实习的教学任务是通过实际操作练习，使学生掌握利用电路设计软件
绘制各种电路板原理图的方法， SCH 部分应掌握： 软件界面和基本操作；元件 封装的设计； 原理图设计的基本操作；系统工作环境的设置等基本应用。学会 绘制的技巧和了解设计各种实际应用电路的方法，同时可以进行 PCB 设计。

二、实习内容
结合以前所学课程(例如模拟电路、数字电路、单片机、电子设计自动化、通信 原理等)设计一个系统，绘制具有一定复杂度的电路原理图。要求如下： 1)所给出的原理图设计应有系统的理论完整性，应该包含类似晶振、复位电路
等构成基本系统的元件，并且给出其合理的取值。
2) 此系统至少包含不同型号的 8 脚以上(含 8 脚) 的芯片器件(例如 89c51 等， 相同型号的多个芯片算一个)数量不少于 4 个，从而能够可以从硬件上完成 2-3 种以上可以描述的硬件功能。
特别说明：
诸如以下的多脚非芯片不计入其中，例如液晶(LCDxx)、键盘(Keyxx)、下 载接口(JTAG、 ISP、 IAP 等)、扩展接口(CONxx、 Headerxx、 Jxx)、七段数

码管等非芯片接口不计入芯片数量。如果有扩展 RAM 或 ROM 只能最多选择扩展
其中之一的功能。
3)根据自己设计的系统，设计部分芯片的原理图封装，按照设计绘制正确的原
理图。
4)根据设计的原理图设计 PCB 图(可选，加分项)

三、系统硬件电路的功能描述
3.1 系统硬件功能的总体描述
本次设计的电路可以实现 AD 转换，ROM 存储空间的扩展以及单片机 与外设直接实现串口通信的功能，本电路设计包含晶振和复位电路。
3.2 分部分的硬件功能描述

图 3-1

本部分是总体电路部分的核心。主要由51 单片机，时钟电路和复位电路组成。
采用内部时钟方式，AT89C51 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，
它的输入端为 XTAL1,输出端引脚为 XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和
微调电容，构成一个稳定的自激振荡器，上图左半部分是 AT89S51 内部时钟方
式的电路。 C1 和 C2 的典型值通常选择为 30pF。电容大小会影响振荡器频率高

低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振频率范围通常是 1.2~12MHz。晶体
频率越高， 单片机速度就越快。 速度快对存储器的速度要求就高， 印制电路板的
工艺要求也高， 即线间的寄生电容要小。 晶体和电容应尽可能与单片机靠近， 以
减少寄生电容，保证振荡器稳定、可靠地工作。为提高温度稳定性，采用温度稳
定性能好的电容。
常选 6MHz 或 12MHz 的石英晶体。随着集成电路制造工艺技术的发展，单片机
的时钟频率也在逐步提高， 已达 33MHz。按键手动复位有电平和脉冲两种方式。
本设计用的按键式电平复位电路。又在 P1.7 口接了一个 LED 灯，主要作用是工
作指示灯。当单片机上电时，将 P1.7 设置为低电平，则指示灯亮，说明单片机
正常工作。

图 3-2

本模块是实现 AD 转换的功能，在输入端输入模拟量，在输出端则是转化为
数字量。 A/D 转换器把模拟量转换成数字量，以便于单片机进行数据处理。

目前单片的 ADC 芯片较多，对设计者来说，只需合理的选择芯片即可。现在部
分的单片机片内集成了 A/D 转换器，在片内A/D 转换器不能满足需要，还是需
外扩。另外作为扩展 A/D 转换器的基本方法，应当掌握。

尽管 A/D 转换器的种类很多，但目前广泛应用在单片机应用系统中
的主要有逐次比较型转换器和双积分型转换器， 此外 -Δ 式转换器逐渐得到重视
和较为广泛的应用。
逐次比较型 A/D 转换器，在精度、速度和价格上都适中，是最常用的 A/D 转换
器。

随着超大规模集成电路技术的飞速发展， A/D 转换器的新设计思想和
制造技术层出不穷。为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同、
性能各异的 A/D 转换芯片应运而生。目前，除并行输出A/D 转换器外，随着单
片机串行扩展方式的日益增多，带有同步 SPI 串行接口的 A/D 转换器的使用也
逐渐增多。串行输出的 A/D 转换器具有占用端口线少、使用方便、接口简单等
优点。

图 3-3

AT89S51 串行口的输入、输出均为 TTL 电平。抗干扰性差，传输距离短，传输 速率低。 为提高串行通信的可靠性， 增大串行通信的距离和提高传输速率， 都采 用标准串行接口，如 RS-232、 RS-422A、 RS-485 等。根据通信距离和抗干扰性 要求，可选择 TTL 电平传输、 RS-232C、 RS-422A、 RS-485 串口进行串行数据 传输。

本模块是利用单片机外扩的 RS232 串口电路，实现单片机与外设之间的串口通 信。 在测控系统中， 由于单片机的数据存储容量和数据处理能力都较低， 所以一 般情况下单片机通过串行口与 PC 机的串行口相连，把采集到的数据传送到 PC 机上，再在 PC 机上进行数据处理。
由于单片机的输入输出是 TTL 电平，而 PC 机配置的都是 RS-232 标准串行接口， 为 9 针“D”型连接器(插座)，如图 3-4 所示。由于两者的电平不匹配，必须对 单片机输出的 TTL 电平转换为 RS-232 电平。

图 3-4

图 3-5
AT89C51 单片机与 EPROM 的硬件接口电路，图 3-5 为外扩了 16KB 的 EPR
OM 27128 的电路图。由于只扩展了一片 EPROM，所以片选段 CE’ 直接接地，
也可接到某一高位地址线进行线选，当然也可以接到某一地址译码器的输出端。

四、 典型元件原理图库、 PCB 库的设计方法
4.1 原理图绘制过程
1) 建立工程
方法一：选择菜单 File\Project\PCB Project。
方法二：单击 File 工作面板中 New 区域下的 Blank Project(PCB) 。
方法三: 单击 Home 工作区窗口中的 Printed Circuit Board Design， 在新出现
的窗口中单击 New Blank PCB Project。

图 4-1

图 4-2

在 Project 工作面板中新建的项目文件上单击右键或在 Project 按钮上单击，
然后在弹出的快捷菜单中选择 Save Project，如上图所示；
2) 建立原理图
建立项目文件后,就可以在该项目文件下新建原理图文件(SCH)了。
方法一：执行菜单命令 File\New\Schematic。
方法二：单击 File 工作面板中 New 区域下的 Schematic Sheet。

图 4-3
单击工具栏中存盘按钮 或选择菜单 File\save,系统将会弹出文件保存对话框,
如下图所示,在对话框中选择保存路径并输入文件名称,单击保存。

图 4-4
一般情况下， 在结束设计退出软件之前， 应依次关闭打开的文件和项目。 关闭文
件可以选择菜单 File\Close 或在欲关闭的文件标签上单击鼠标右键从弹出的快捷
菜单中选择 Close*** (***为文件名)；关闭项目文件时，在图所示的快捷菜
单中选择 Close Project 。如果文件或项目未保存则提示存盘。
采用类似的方法，可以新建并保存或关闭 PCB 文件， PCB 库文件，集成元件库
等。
原理图的操作步骤:
1、创建原理图文件：在当前项目中创建原理图文件。

2、配置工作环境：设置图纸的大小、方向和标题栏，也可以根据需要配置个性
化的设计界面。
3、放置电路元器件：在原理图图纸空间中添加电路所需的元件、其他电气对象
和非电气对象。其中的元件可以从原理图库文件中获取，对于库中没有的元件，
可以自行创建。要使原理图能够生成正确的用于制作印刷电路板的网络表文件，
需要对元件的电气特征进行相关设置。
4、布局原理图：要使电路原理图规范、美观、便于布线、减少错误，需要对原
理图中各个元件的位置进行合理的布局。
5、原理图布线：在各个元件管脚之间添加具有电气连接特性的连接线。
6、电气检测和调整：检测原理图有无错误，并对出错的内容进行修改和调整。
7、输出报表：使用各种报表工具生成包含原理图文件信息的报表文件。其中，
最重要的是网络表文件。
8、保存原理图文件：将设计完成的原理图文件保存到磁盘中。
9、打印图纸：根据需要打印规范化的原理图纸。
3) 原件库的操作
对于元件和库文件的各种操作， Altium Designer Summer 09 系统中专门提供
了一个直观灵活的【库 … 】面板

图 4-5

直接加载元件库

执行【设计】 / 【添加/移除库】命令或在【库 … 】面板上，单击左上角的 “库…”
按钮，则系统弹出如图 4-6 所示的【可用库】对话框。

图 4-6 【可用库】对话框

对话框中有 3 个选项卡，【工程】中列出的是用户为当前工程自行创建的元件库，
【已安装】中列出的则是系统当前可用的元件库。

在【工程】选项卡中单击“添加库”按钮，或者在【已安装】选项卡中单击“安装”
按钮，系统弹出如图 4-6 所示的元件库浏览窗口。
图 4-7

图 4-8

查找元件并加载相应的元件库
打开【库 … 】面板，单击“搜索”按钮，系统弹出【搜索库】对话框。
在【域】列表框的第一行选择“Name”， 在 【运算符】 列表框中选择“contains” ， 在【值】列表框中输入元件的全部名称或部分名称 ， 如“AD9850”。设置【搜索】 类型为： “Components”，选中【库文件路径】单选框，此时，【路径】文本编 辑栏内显示系统所提供的默认路径： “C\PROGRAM FILES\ALTIUM DESIGNER SUMMER 09\Library\”，如图 4-8 所示。单击“搜索”按钮后，系统开始查找。
查找结束后的【库… 】面板如图 4-9 所示。可以看到，符合搜索条件的元件只有
1 个，其原理图符号、封装形式等显示在面板上，用户可以详细查看。

图 4-9
单击【库… 】面板右上方的“Place”按钮，则系统会弹出提示框，以提示用户：要 放置的元件所在的元件库为“AD RF and IF Frequency Synthesiser.IntLib”，并 不在系统当前可用的元件库中，询问是否将该元件库进行加载。
单击“是”按钮， 则元件库“AD RF and IF Frequency Synthesiser.IntLib”被加载。 此时，单击【库… 】面板上的“库…”按钮，可以看到。在【可用库】对话框中，“A D RF and IF Frequency Synthesiser.IntLib”已成为可用元件库，如图 4-10 所 示。

图 4-10
4)原理图中元件库的操作
当绘制原理图时， 常常在放置元件之前， 需要添加元件所在的库。 因为元件一般
保存在一些元件库中， 这样能很方便用户设计使用。 尽管 Altium Designer Sum
mer 09 内置的元件库已经相当完整，但是在绘制原理图的时候还是会遇到一些
在库中找不到的元件，比如某种很特殊的元件或新出现的元件。
因此， Altium Designer Summer 09 提供了一个完整的创建元件库的工具，即
元件库编辑管理器， 使用户能够随心所欲地编辑符合自己要求的库元件， 并可建
立相应的库文件， 加入到工程中， 使得工程自成一体， 便于工程数据的统一管理，
也增加了其安全性和可移植性。 本章中将详细介绍如何制作元件、 元件的封装及
新建一个库，以及输出相应的文件报表。
当绘制原理图时， 常常在放置元件之前， 需要添加元件所在的库。 因为元件一般
保存在一些元件库中， 这样能很方便用户设计使用。 尽管 Altium Designer Sum
mer 09 内置的元件库已经相当完整，但是在绘制原理图的时候还是会遇到一些
在库中找不到的元件，比如某种很特殊的元件或新出现的元件。
因此， Altium Designer Summer 09 提供了一个完整的创建元件库的工具，即
元件库编辑管理器， 使用户能够随心所欲地编辑符合自己要求的库元件， 并可建
立相应的库文件， 加入到工程中， 使得工程自成一体， 便于工程数据的统一管理，
也增加了其安全性和可移植性。 本章中将详细介绍如何制作元件、 元件的封装及
新建一个库，以及输出相应的文件报表。
启动原理图库文件编辑器有多种方法， 通过新建一个原理图库文件， 或者打开一
个已有的原理图库文件，都可以进入原理图库文件的编辑环境中。

执行【文件】 / 【新建】 / 【库】 / 【原理图库】命令，则一个默认名为“SchLib1.
SchLib”原理图库文件被创建，同时原理图库文件编辑器被启动，如下图所示:

图 4-11
原理图符号绘制工具栏
单击实用工具中的，则会弹出相应的原理图符号绘制工具栏，如图 3-2

所 示。其中各个图标的功能与【放置】级联菜单中的各项命令具有对应的关系，
如下图所示：

图 4-1
2 图 4-13

【SCH Library】面板是原理图库文件编辑环境中的专用面板，用来对当前原理
图库中的所有元件进行编辑和管理，如下图所示：

图 4-14

用户要建立自己的原理图库， 一种方式是自己创建各种库元件， 绘制其原理图符
号并编辑相应属性， 就象前面我们所做的一样； 还有一种方式是把现有库文件中
的类似元件复制到自己的库文件中，直接使用或者在此基础上再进行编辑修改，
创建出符合自己需要的原理图符号， 这样可以大大提高设计效率， 节省时间和精
力。
复制库元件
把集成库“TI Logic Decoder Demux.IntLib”中的元件“SN74LS138N”复制到前
面所创建的原理图库“电路设计课设.SchLib”中。
打开原理图库“电路设计课设.SchLib”。
执行【文件】 / 【打开】命令，找到“C： \Program Files\Altium Designer Summ
er 09\Library\Texas Instruments”目录下的库文件“TI Logic Decoder Demux.
IntLib”，如图 4-15 所示。

图 4-15

4.2、 PCB 的生成
要先新建 PCB 工程如图 4-16 所示。

图 4-16

然后执行编译操作，如图 4-17，结果应如图 4-18。

图 4-17

图 4-18
然后点击设计->Update PCB document

图 4-19
最终布线结束生成图如下所示

图 4-20

五、实习心得体会
通过这次课程设计让我学会并熟悉了 Altium designer 这一软件的应用， 包括原 理图、原理图相应的元件库的建立以及 PCB 的生成和布线应注意的问题等都更 加熟悉。
在制图过程中遇到了许多问题，比如，第一次接触这个软件很多地方都不知道， 花了较多时间熟悉软件功能，而且自己在网上找到的许多库里的元件没有封装， 在最后生成 PCB 的时候无法正常生成，因此又重新找了对应的芯片替换。还有 在编译过程中发现了许多错误和警告， 在我一个个对照百度搜索了错误的内容之 后一点点地修改好了原理图，最后进行 PCB 的绘制。在 PCB 布线之前的元器件 的摆放很有讲究， 要尽可能的减少线的交集， 因为双面板子线如果交叉没办法正 常生成板子， 所以在调整元器件位置时候需要耐心。 并适当用空格键旋转器件减 少线的交叉。最后自动布线就可以了。
本课题所绘制的原理图，是利用单片机和 AD 转换模块、 RS232 串口电路模块和 存储器扩展模块四个部分来实现 AD 转换， ROM 存储空间的扩展以及单片机与 外设直接实现串口通信的功能，本电路设计包含晶振和复位电路。