第9章綜合實例9.1AltiumDesigner設計流程介紹9.2基于MC34063直流電源變換器的設計9.3基于LM317的0～20V直流

內容提要

了解電子產品設計流程

提高原理圖繪制水平

熟練掌握電路PCB的設計技能

9.1AltiumDesigner設計流程介紹

通過前面8章的學習，讀者已經了解了AltiumDesigner的基本使用方法，掌握了原理圖的繪制、印制電路板的設計以及電路仿真的基本方法，但前面的章節(jié)只是把AltiumDesigner的使用方法分解成很多知識點進行介紹，所以還需要用一些綜合實例將這些知識點貫穿起來，使讀者對于印制電路板設計流程有一個整體認識。本章將以直流穩(wěn)壓電源電路、單片機最小系統(tǒng)以及單片機開發(fā)板電路的設計為案例，通過練習，使讀者進一步熟練地掌握AltiumDesigner的使用方法。

9.1.1電子產品設計流程

在學習AltiumDesigner設計流程之前，先了解一下電路板的設計在整個電子產品的研發(fā)環(huán)節(jié)中所占的位置。

1.確定規(guī)格

企業(yè)根據市場需求或其客戶的要求，調查搜集有關資料加以消化，并與相關人員協商出此產品的最終規(guī)格，再將電子部分的規(guī)格交給電子工程師，確定設計方案。為了突破復雜關鍵技術，減小產品預研的技術風險，尋求最佳方案，應進行一系列的試驗，要做好原始記錄，并加以整理分析。

2.繪制線路圖

電子工程師根據用戶的需求，繪制電路圖(Schematic或稱Entry)，待完成后，交給布局工程師(LayoutEngineer)進行電路板的設計。

3.電路板設計

布局工程師根據電子工程師提供的電路圖及設計規(guī)范要求，并在電子工程師的參與下，協同進行電路板的設計工作。待完成后，產生相關的設計資料(即底片檔案，GerberFiles或稱ArtworkFiles)，交給下游的電路板加工廠。

4.試做電路板

電路板加工廠根據收到的相關設計資料，立即試做少量的電路板。

5.插件及焊接

電子工程師收到電路板樣本(PCBSample)后，立即自行或交由專職人員進行零件的插接及焊接作業(yè)。

6.除錯及驗證

電子工程師對插好零件的電路板進行功能除錯及驗證；若有問題，則進行修改作業(yè)，直到沒有錯誤為止；若無錯誤，則可進行工廠試產或量產作業(yè)。

9.1.2電子線路板設計流程

在計算機上，利用AltiumDesigner進行電路板設計的過程如下：

(1)編輯原理圖。原理圖編輯(SchematicEdit)是電路CAD設計的前提，也是電路CAD軟件必備的功能。

(2)必要時利用AltiumDesigner軟件的電路仿真功能，對電路的功能和性能指標進行仿真測試。電路的功能和性能主要由原理圖決定。

(3)生成網絡表文件，創(chuàng)建PCB文件并將原理圖中的元器件序號、封裝形式以及連接關系裝入PCB文件內。

(4)若有問題則返回(1)，修改原理圖。

(5)執(zhí)行“UpdatePCB…”命令，或啟動AltiumDesignerPCB編輯器，并裝入從原理圖文件中提取的網絡表文件。

(6)設計元器件封裝，AltiumDesigner不可能提供所有元器件的封裝。如果發(fā)現元器件封裝庫中沒有所需要的元器件，可以自己動手設計元器件封裝。

(7)編輯PCB，根據系統(tǒng)設計的要求繪出PCB的輪廓，按照網絡表和設計規(guī)則要求布局和布線，最后進行設計規(guī)則檢查。

9.2基于MC34063

直流電源變換器的設計

9.2.1MC34063芯片介紹

MC34063是一單片雙極型線性集成電路，專用于DC-DC電源變換器控制部分。片內包含有溫度補償帶隙基準源、一個占空比周期控制振蕩器、驅動器和大電流輸出開關。它能使用最少的外接元器件構成開關式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。這種開關電源相對線性穩(wěn)壓電源來說，效率較高，而且當輸入輸出電壓降很大時，效率不會降低；該電源也不需要大的散熱器，因此體積較小，應用范圍非常廣泛；主要應用于以微處理器或單片機為基礎的系統(tǒng)里。

1．MC34063芯片特點

MC34063芯片具有以下特點：

能在3.0～40V的輸入電壓下工作。

具有短路電流限制。

低靜態(tài)工作電流。

輸出開關電流可達1.5A(無外接三極管)。

輸出電壓可調。

工作振蕩頻率從100Hz到100kHz。

2．MC34063內部結構及引腳功能

MC34063內部結構及引腳功能如圖9-1所示。

圖9-1MC34063內部結構及引腳

?1腳：開關管T1集電極引出端。

?2腳：開關管T1發(fā)射極引出端。

?3腳：定時電容Ct接線端；調節(jié)Ct可使工作頻率在100～100kHz范圍內變化。

?4腳：電源地。

?5腳：電壓比較器反相輸入端，同時也是輸出電壓取樣端；使用時應外接兩個精度不低于1%的精密電阻。

?6腳：電源端。

?7腳：負載峰值電流(Ipk)取樣端；6、7腳之間電壓超過300mV時，芯片將啟動內部過流保護功能。

?8腳：驅動管T2集電極引出端。

9.2.2MC34063芯片構成的升壓變換電路

1．MC34063數控升壓電路原理圖

MC34063數控升壓電路原理圖如圖9-2所示，通過R10電位器可調節(jié)其輸出電壓的大小，只要將R10電位器的中心抽頭電壓用單片機的數模電路的輸出電壓代替，就變成了數控升壓電路。圖9-2MC34063數控升壓電路原理圖

2．MC34063數控升壓電路PCB

MC34063數控升壓電路的PCB如圖9-3所示。

圖9-3MC34063數控升壓電路PCB

9.2.3MC34063芯片構成的降壓變換電路

1．MC34063數控降壓電路原理圖

MC34063數控降壓電路的原理圖如圖9-4所示。

圖9-4MC34063數控降壓電路原理圖

2．MC34063數控降壓電路PCB

MC34063數控降壓電路的PCB如圖9-5所示。圖9-5MC34063數控降壓電路PCB

9.3基于LM317的0～20V直流電源設計

9.3.1LM317集成電路介紹

LM317是應用最為廣泛的電源集成電路之一，它不僅具有固定式三端穩(wěn)壓電路的最簡單形式，又具備輸出電壓可調的優(yōu)勢。

1．LM317集成電路的特點

LM317集成電路具有以下特點：

輸出電壓范圍從1.25～37V連續(xù)可調。

保證1.5A輸出電流。

典型線性調整率及負載調整率都達到0.01%。

紋波抑制比達到80dB。

具有輸出短路、過流、過熱保護和調整管安全工作區(qū)保護的功能。

2．LM317引腳

LM317有3個管腳：

第一引腳為電壓調節(jié)端。

第二引腳為電壓輸出端。

第三引腳為電壓輸入端。

3．LM317典型應用電路

LM317典型應用電路如圖9-6所示。

輸出電壓與電壓調節(jié)電路的關系為

圖9-6LM317典型應用電路

9.3.2基于LM317

的0～20V直流電源設計

1．由LM317組成的0～20V直流穩(wěn)壓電源

由LM317

組成的0～20V直流穩(wěn)壓電源原理圖如圖9-7所示，本電路具有以下幾個特點：

調壓部分采用LM317。

?LM317的ADJ電壓由集成運放U2A產生，在?-1.25～+18.75V范圍內變化，保證電源輸出電壓從0～20V的范圍內變化。

?U2集成電路采用正負電源供電，正電壓為?+20V，負電壓為?-5V。

輸出電壓大小由電位器R14控制，R14電位器的輸出電壓最低為0V，最高為5V，U2A運放的同相放大倍數為4倍。控制電壓經同相放大后與反相端基準電壓相減，保證U2A的輸出電壓范圍為?-1.25～+18.75V。

如果將R14電位器的輸出電壓由單片機的D/A信號替換，本電路就變成數控電壓源。

單片機通過ADC0電壓可以測量輸出電壓的大小，通過ADC1電壓可以測量輸出電流，并完成過流保護功能。

主電源輸入電壓由變壓器將220V交流降壓后，再經過橋式整流和濾波電路來提供。

控制電路所需要的?+20V、+5V、-5V電壓也是由變壓器降壓后的電壓經半波整流、濾波、集成穩(wěn)壓電路來提供。

為了提高電源的電流驅動能力，增加了由Q10和R100組成的擴流電路。

圖9-70～20V直流穩(wěn)壓電源

2．由LM317

組成的0～20V直流電源的PCB

由LM317組成的0～20V直流電源的PCB如圖9-8所示。

圖9-80～20V直流穩(wěn)壓電源PCB板

9.4單片機最小系統(tǒng)的電路設計

近年來，各種電子類競賽項目越來越多，大到全國大學生電子設計競賽，小到各行業(yè)、各省區(qū)的電子技能比賽。但所有電子類競賽項目都有一個共同點，就是在競賽內容上都用到了單片機技術，而且對單片機系統(tǒng)有一些特殊要求，就是在單片機主板上只能有鍵盤、顯示、串口通信、A/D、D/A變換基本單元電路。下面針對大賽的具體要求，設計一個單片機最小系統(tǒng)。

9.4.1單片機最小系統(tǒng)的原理圖

設計完成的單片機最小系統(tǒng)如圖9-9所示，由于電路功能多，原理圖復雜，元器件之間的網絡連接主要采用網絡標號，可讀性強。電路各個模塊的功能如下所述。

圖9-9單片機最小系統(tǒng)原理圖

(1)電源部分：電源部分由主板外部的電源電路產生?+5V電壓，通過JP8開關引入單片機系統(tǒng)。為了電源的穩(wěn)定性，在板子的不同位置放置C5、C6、C7、C8和C4濾波電容。在主板上又增加了JP2、JP1插頭，以方便向外部電路提供?+5V電壓。

(2)單片機型號：此單片機最小系統(tǒng)采用P89S52單片機，ROM空間達到8K，可滿足一般電子產品編程需要，支持ISP下載，JX1是它的下載接口。

(4)鍵盤：共設有4個獨立式按鍵，方便編程。

(5)顯示電路：顯示部分提供兩種獨立插頭，其中JP24接LCD1602顯示器，用于英文和特殊符號顯示；JP23接LCD12864顯示器，可顯示中文。另外還有4個LED燈，可用于單片機一些狀態(tài)信息的顯示。

(6)?A/D電路：采用TLC1549。

TLC1549是10位模數轉換器。它采用CMOS工藝，具有內在的采樣和保持，采用差分基準電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準轉換范圍，總的不可調整誤差達到±1LSBMax(4.8mV)等特點。

本系統(tǒng)將TLC1549基準電壓(REF+)設定為2.5V，所以模擬信號的輸入電壓范圍為0～2.5V，TLC1549通過三線式串口方式與單片機通信，所以電路簡單，占用單片機資源較少。

(7)?D/A電路：采用DAC8512。

DAC8512是一款完整的串行輸入、12位電壓輸出數模轉換器，采用+5V單電源供電，內置DAC、輸入移位寄存器和鎖存器、基準電壓源以及一個軌到軌輸出放大器。這些單芯片DAC采用CBCMOS工藝制造，適合僅有+5V電源的系統(tǒng)，具有成本低、易于使用的特點。

DAC8512采用三線式串行接口與單片機連接，提供數據輸入(SDI)、時鐘(CLK)和負載選通(LD)3個引腳，所以電路簡單，占用單片機資源較少。

9.4.2單片機最小系統(tǒng)PCB

單片機最小系統(tǒng)的PCB如圖9-10所示。圖9-10單片機最小系統(tǒng)原理圖

9.5單片機開發(fā)板電路設計

單片機開發(fā)板電路在保留前面講過的單片機最小系統(tǒng)的大部分電路外，將顯示電路變成了LCD12232S，還增加了時鐘電路、標準RS232接口。為了使開發(fā)板的體積更小，除過插接件外，大部分元器件都采用貼片封裝。下面具體講述單片機開發(fā)板的設計流程。

9.5.1創(chuàng)建PCB工程

首選新建一個PCB工程，在工程下新建原理圖和PCB文件。

9.5.2原理圖文件設計

單片機開發(fā)板電路如圖9-11所示。圖9-11單片機開發(fā)板電路原理圖