1.1　電路板的基礎知識

本節主要介紹電路板的功能和作用、電路板設計在就業中的重要性、電路板設計的特點和電路板設計的學習技巧等內容。

1.1.1　電路板的功能和作用

1．電子信息系統簡介

電路板經常用于電子信息系統中，下面先對電子信息系統進行簡要介紹。電子信息系統的典型結構如圖1-1所示。

電子信息系統通常簡稱為電子系統，電子系統的工作流程如下。

（1）由傳感器產生模擬信號。

（2）經過信號處理（例如信號的放大、濾波等）后，送到AD轉換器轉換成數字信號。

（3）把數字信號送到中央處理器（CPU）進行處理，同時使用按鍵調整電子系統的參數。

（4）根據處理后的結果控制繼電器或電機工作，并把處理后的結果使用顯示器件（例如數碼管、液晶顯示器等）進行顯示，同時把處理后的結果送到存儲芯片或U盤、硬盤進行存儲。

很多CPU中集成了AD轉換模塊，所以不需要再單獨使用AD轉換器。傳感器的種類有很多種，例如溫度傳感器、濕度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、光電傳感器、光電編碼器、攝像頭、磁場傳感器、磁柵尺傳感器和光柵尺傳感器等。信號處理包括信號的濾波、放大、限幅等。傳感器產生的信號一般比較小，而AD芯片要求輸入的信號在一定的幅度范圍內，例如0～5V或0～3V等，所以需要把信號進行放大，才能夠實現模擬信號到數字信號之間的轉換。CPU本質上就是復雜的數字電路，其種類有很多種，例如單片機、DSP和ARM等。顯示器件的種類有很多，例如數碼管、發光二極管（Light Emitting Diode，LED）、液晶顯示器和觸摸屏等。顯示器件的功能是顯示參數的數值，例如使用數碼管顯示溫度的數值、使用發光二極管指示電子系統的運行狀況（綠燈表示電子系統運行正常，紅燈表示電子系統出現報警等）、使用液晶顯示器顯示參數的變化曲線等。按鍵的功能是調整電子系統參數的數值。在實際的工程中，電子系統使用按鍵的數量根據實際的需求而定，不是固定不變的。有的電子系統比較簡單，不需要按鍵，而有的電子系統只需要幾個按鍵。控制機構有很多種，例如繼電器、步進電機、直流電機、開關和電磁閥等。

電子信息系統的應用非常廣泛，在家用產品、工業生產、宇宙探測、軍事國防中都在大量使用各種類型的電子信息系統，例如家用的智能洗衣機、玉兔號月球車和祝融號火星車等。現在流行的電動汽車，也可以認為是一種非常復雜的電子信息系統。在電子信息系統的研發過程中，首先需要使用電路板設計軟件（例如Altium Designer）設計電子元器件引腳之間的連接關系，畫出電路板圖；然后，把電路板圖交給電路板生產廠家，電路板生產廠家根據電路板圖生產電路板；最后，把電子元器件焊接在電路板上，并把程序燒寫到CPU中，就完成了整個電子信息系統的設計過程。

2．電路板的功能

在電子信息系統中，電路板有以下3個功能。

（1）電路板是所有電子元器件的載體，起到固定電子元器件的作用，如圖1-2所示。其中，圖1-2（a）表示沒有焊接電子元器件的電路板，可以看到電路板上有白色字符和正方形或長方形的白色方塊。白色字符表示電子元器件的符號，而白色方塊表示焊盤。在焊接電子元器件時，首先把電子元器件的引腳放置在電路板的焊盤上，然后使用電烙鐵和焊錫把電子元器件的引腳和焊盤焊接在一起。圖1-2（b）表示已經焊接好電子元器件的電路板。

（2）電路板用于實現電子元器件引腳之間的連接關系，即使用銅箔導線把所有電子元器件的引腳合理地連接在一起，如圖1-3和1-4所示。圖1-3表示使用Altium Designer軟件畫好的電路板圖，圖1-4表示已經制造好的電路板，在圖中可以看到許多連線，這些連線使用銅金屬制造，用來連接電子元器件的各個引腳，稱為銅箔導線。在早期沒有出現電路板這項技術之前，電子元器件的各個引腳使用金屬導線連接，如圖1-5所示。使用金屬導線這種連接形式，明顯存在兩個缺陷：首先，金屬導線容易折斷，維護成本比較高；其次，如果元器件的引腳非常密集，例如圖1-4中的元器件，無法使用金屬導線進行焊接。

（3）電路板為電子元器件的插裝、焊接、檢查和維修等提供了識別字符和圖形，如圖1-3所示。圖1-3中的黃色對象包括元器件的標號（U1、R1、C1等）、元器件的外形邊框等。電路板圖中的黃色對象會印刷在電路板上，在電路板上呈現白色，如圖1-4所示。

1.1.2　電路板設計在就業中的重要性

有關硬件工程師、單片機工程師、數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）工程師、嵌入式工程師和印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）設計工程師等電子硬件的相關崗位，都要求掌握電路板設計軟件的使用。電路板的設計是硬件工程師必須掌握的基本技能之一。一般來說，大公司的職位分得比較細，有專門設計電路板圖的崗位。而在一些小公司，硬件工程師負責的工作比較多，如從電路板的畫圖、元器件的焊接和調試、CPU的程序編寫等。在圖1-6中，圖（a）表示硬件工程師崗位對電路板設計軟件Altium Designer的要求；圖（b）表示硬件Layout工程師崗位（即PCB設計工程師，該崗位只負責電路板的設計）對電路板設計軟件Altium Designer的要求。這里需要說明的是，電路板設計軟件Altium Designer早期版本的名字包括Protel、Protel 99 SE和Protel 99等。

1.1.3　電路板設計的特點

電路板的設計具有以下3個特點。

（1）電路板設計具有實用性，很多公司需要電路板設計工程師。電路板設計這項技術是電子類專業的基礎課程，需要學生熟練掌握。

（2）電路板設計具有工程性的特點。電路板設計軟件的使用直接為工程實踐服務，與電子信息系統的實際需求密切相關。

（3）電路板設計技術的掌握需要理論學習和實驗操作相互配合。

1.1.4　電路板設計的學習技巧

電路板設計的學習技巧總結如下。

（1）電路板設計需要從實際工程應用出發。在具體的工程中，可根據實際的需求設計電路板的各項參數，例如電路板的形狀、電路板的面積和電路板的層數等。

（2）在學習電路板的設計時，應該根據從簡單到復雜的原則，逐步提高電路板設計的水平。首先，熟悉電路板設計軟件Altium Designer的基本流程；然后，能夠設計簡單的兩層電路板；最后，能夠設計復雜的四層、六層乃至更多層的電路板。電路板設計的掌握程度一般有三個階段，即了解、熟練和精通。一般來說，初學者通過在學校的學習，并積極參加各項電子競賽等活動，通過繪制多個電路板達到熟練的程度。對于精通這個階段，只有在工作崗位中，通過至少三年的工作，畫過幾十個各種類型的電路板圖，不斷積累工程經驗，逐步提高對電路板設計的理論和技術的理解程度，才能夠達到精通的階段。只通過在學校的學習和一些電子競賽題目的練習，很難達到精通的程度。

（3）在學習電路板的設計時，需要熟練掌握電路板設計軟件的使用技巧和快捷鍵。正確使用電路板設計軟件的操作技巧和快捷鍵，能夠極大地提高畫圖效率。例如，原理圖中元件標號的標注問題，如果使用人工標注，不僅花費大量的時間，而且容易出現重復的標號；如果使用Altium Designer軟件的自動標注功能，能夠快速地完成元件標號的標注，而且不會出錯。

（4）在進行電路板的設計時，對于遇到的問題需要先獨立思考一段時間，如果不能自行解決，可以與同學、老師多學習和交流，快速提高自己的設計水平。此外，現在的網絡非常發達，初學者遇到的問題常常在網上就能夠搜索到答案，所以通過網絡查詢相關的問題和解決方案，也是一個非常好的學習方法。

（5）本書僅僅介紹電路板設計軟件的使用方法，為了更好地掌握電路板的設計，還需要學習電路板設計的電磁兼容原理。電路板電磁兼容原理的教材有很多，例如，田廣錕等人編寫的《高速電路PCB設計與EMC技術分析》、莊奕琪編寫的《電子設計可靠性工程》的第8章、吳建輝編寫的《印制電路板的電磁兼容性設計》等。