1.2　電路板設計的基本概念

本節介紹電路板設計的基本概念，包括EDA（電子設計自動化）和PCB（印刷電路板）等。

1.2.1　EDA（電子設計自動化）

EDA是Electronic Design Automation這三個英文單詞的首字母縮寫形式，其含義為電子設計自動化。EDA可以簡單地理解為使用計算機進行電路設計的技術。從20世紀90年代初以來，EDA從計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）、計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）、計算機輔助測試（Computer Aided Testing，CAT）和計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）等概念發展而來。EDA技術指以計算機為工作平臺，融合應用電子技術、計算機技術、智能化技術的最新成果，而研制的電子CAD通用軟件包，輔助進行電子電路的仿真、可編程邏輯器件設計、電路板設計和集成電路設計等工作。

早期的EDA技術專門用于PLD（Programmable Logic Device，可編程邏輯器件）、CPLD（Complex PLD，復雜可編程邏輯器件）、FPGA（Field Programmable Gate Array，現場可編程門陣列）和ASIC（Application Specific Integrated Circuit，專用集成電器）等元器件的設計領域，只有專業人士才會接觸。后來，隨著計算機技術和電子技術的進步，EDA技術逐漸深入到電子設計的各個領域，在電路板設計、電路仿真等領域也被廣泛應用。

EDA軟件可以分為5類：電路仿真軟件、電路板設計軟件、CPLD和FPGA設計軟件、單片機程序的仿真軟件和集成電路的設計軟件。

1．電路仿真軟件

電路仿真軟件指在計算機上進行電路設計，通過仿真分析，獲得實際的信號波形、關鍵點的電流和電壓等參數。使用電路仿真軟件進行電路功能的驗證，能夠非常方便地修改設計電路，以獲得最佳的設計效果。這種仿真方法不需要制造實際的電路板，節省了電子元器件的購買費用，能夠直接發現電路設計中出現的問題，縮短了開發周期。在沒有出現電路仿真軟件之前，一般要制造電路板、進行電子元器件的焊接和電路測試，才能獲得電子系統的工作參數。在發現電路存在的缺點后，需要重新設計電路的原理圖，重新制造電路板、焊接電子元器件和進行電路測試，直至設計成功，因而設計成本高、開發周期長。電路仿真軟件的出現，很好地解決了這一問題。利用電路仿真軟件，開發人員可直接在計算機上進行電路設計，然后通過仿真分析就能獲得實際的信號波形及關鍵點的電流和電壓等參數，而且可以非常方便地修改電路，以便獲得最佳的設計效果。由于電路仿真不需要制造實際的電路板和購買電子元器件，因此節約了設計費用，縮短了開發周期。

常用的電路仿真軟件包括MultiSim、PSPICE等。電路仿真軟件能夠進行模擬電路、數字電路以及混合電路的仿真。電路仿真軟件的仿真功能十分強大，幾乎可以100%仿真出真實電路的效果。電路仿真軟件的器件庫包含許多大公司的晶體管元器件、集成電路和數字門電路芯片。器件庫中沒有的元器件，還可以由外部模塊導入。同時，電路仿真軟件提供了萬用表、示波器、信號發生器和邏輯分析儀等測試儀器，工程師可以方便地測試各種電路參數。

2．電路板設計軟件

電路板設計軟件指使用計算機進行印刷電路板的輔助設計，工程師把電路板圖交給電路板生產廠家，進行電路板的加工制造。常用的電路板設計軟件包括Altium Designer、PADS、Allegro、OrCAD和Mentor等。Altium Designer軟件早期版本的名稱是Protel，PADS軟件早期版本的名稱是PowerPCB。這些軟件由不同的公司開發，大部分的功能是相同的。一般來說，為了提高工作效率，一個公司的所有工程技術人員使用同一個類型的電路板設計軟件。在出現電路板設計軟件之前，硬件工程師需要告訴電路板生產廠家電路板的詳細參數；而使用電路板設計軟件之后，使用此軟件畫出的電路板圖包含電路板的所有參數，因此提高了工作效率，減少了硬件工程師和電路板生產廠家之間的溝通環節。

Altium Designer軟件的界面如圖1-7所示，OrCAD軟件的界面如圖1-8所示。

3．CPLD和FPGA設計軟件

在對CPLD和FPGA進行編程時，需要使用專門的設計軟件，例如ALTERA公司的Quartus軟件和XILINX公司的ISE軟件。這些軟件的編程語言包括Verilog語言和VHDL語言等。

4．單片機程序的仿真軟件

常見的單片機程序仿真軟件是Proteus軟件。此軟件能夠仿真單片機及其他常見電子元器件的工作運行情況，能夠進行單片機代碼的調試和運行工作。此軟件支持常見的處理器模型，包括8051、HC11、PIC10、AVR、ARM、8086、MSP430、Cortex和DSP系列等處理器。

5．集成電路的設計軟件

集成電路的設計軟件有很多種，用于集成電路芯片內部電路的設計。常用的集成電路設計軟件包括Cadence、Mentor Graphics、Synopsys和Tanner EDA等。集成電路設計軟件的主要功能包括電路設計的輸入、電路的仿真、把硬件描述語言轉化為電路的綜合功能、芯片內部的布局和布線、電路的物理驗證。

1.2.2　PCB（印刷電路板）

PCB是Printed Circuit Board三個英文單詞首字母的縮寫形式，意思是印刷電路板。印刷電路板也稱為電路板或線路板。

電路板由如下6部分組成。

（1）基板。基板指電路板中間的絕緣體，它使用的材料包括樹脂和陶瓷等。

（2）銅箔導線。銅箔導線用于連接各個焊盤，即連接各個電子元器件的引腳。銅箔導線是由銅金屬制作而成的。

（3）黏合劑。黏合劑用于黏合銅箔導線和基板。

（4）焊盤。在已經加工好的電路板上，銀白色的對象就是焊盤，如圖1-9所示。焊盤上面有錫金屬，使用焊錫把電子元器件的引腳和焊盤焊接在一起。

（5）過孔。過孔用于連接電路板不同層的對象，如圖1-10所示。

（6）定位孔。定位孔沒有電路網絡，它用于安裝固定螺絲，起到固定電路板的作用，如圖1-10所示。