Altium Designer在中职电子技能教学中的应用

叶 绿

（集美轻工业学校， 福建 集美 361022）

Altium Designer在中职电子技能教学中的应用

叶 绿

（集美轻工业学校， 福建 集美 361022）

抛在传统的中职电子技能课程教学中，由于电路原理知识抽象、理论学习枯燥乏味，造成教师讲授难，学生学习难以理解消化等“教与学、学与做脱节”等普遍的现象。而将Altium Designer一体化电路设计自动化软件引入电子技能教学中，使得教师在做中教，学生在做中学，利用软件的电路原理图输入、PCB设计、电路仿真等一体化的功能，可以使得电路原理的学习形象易懂，电路板的布局布线直观，电路的调试步骤明确等。同时，在项目一体化的教学过程中，可以让学生了解电子产品从原理图设计、PCB设计、电路板制作、电路调试的整个过程，为学生走上电子专业的工作岗位打下良好的基础。文章中笔者对传统中职电子技能课程教学做一个简要的分析，对Altium Designer软件的特点做介绍，并以一个简单的电子技能项目的教学为例子，阐述Altium Designer软件在教学中的应用过程。

中等职业学校 ；电子技能教学 ； Altium Designer软件；电路仿真

1 中职学校电子技能教学的现状

近年中职学校生源素质普遍不高，由于学习基础差，上课听不懂，作业不会做，学习毫无兴趣，以致产生厌学情绪。他们认为只要考试及格就有毕业证，没有了进取心，学习上缺乏主观能动性。这使得学校正常的教学计划及教学内容难以按要求完成，在严重影响学校的教学效果和教学质量的同时，也导致了学生总体实际操作技能水平的不高，离开学校走上社会后无法适应岗位的要求。而《电子技能》是理论教学和实践教学相结合的综合性课程，不仅要求学生掌握相应的电子专业的理论知识，而且要求学生能够熟练的动手实践，掌握具体电路的制作、调试和故障检修等技能。在传统的电子技能课程的教学中，在完成一个电路制作与调试过程中，在教学方法上是以老师为中心，课上老师从电路原理到制作电路的方法、步骤、注意事项甚至到电路制作过程中可能出现的问题都要无所不包地进行讲解。由于现今的中职生基础知识相对较差，学习能力欠缺，无法全面掌握课程的理论基础知识，更不能详尽地分析电路的工作原理，导致学生课上只是完全机械、被动地按照教师的讲解进行操作，遇到问题时无法动脑筋思考，而是急于让老师帮着解决。这样的教学现状不利于学生基础知识的掌握和实践技能的培养。将Altium Designer软件引入电子技能课程的教学中，可以激发学生的学习兴趣，使得学生在教师的引导下主动思考，自主进行电路图的绘制、印制电路板的设计，并在电路的仿真中进一步理解电路的工作原理，并可以对电路的调试步骤和方法做一个提前的模拟，使得学生在“做中学，做中教”的教学过程中切实的掌握电路理论知识，提升实践动手能力。

2 Altium Designer 软件介绍

Altium Designer 是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统上。这套软件通过原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计。熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。Altium Designer 除了全面继承包括Protel 99SE、Protel DXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。如下图1所示为Altium Designer软件界面。

图1 Altium Designer软件界面

Altium Designer从功能上分为以下几个部分：电子电路原理图（SCH）设计、电子电路原理图仿真、印制电路板（PCB）设计、电子电路实现前后的信号完整性分析和可编程逻辑器件（FPGA）设计等。它具有以下几个特点：

（1）Altium Designer将原理图编辑、PCB的绘制及打印等功能有机的结合在一起，形成了一个集成的开发环境。

（2）Altium Designer的原理图编辑不仅用于电子电路的原理图设计，还可以输出设计PCB必需的网络表文件，设定PCB设计的电气法则。

（3）Altium Designer的PCB编译器提供了元器件的自动和交互布局，提供了多种布线模式，适合不同情况的需要。

（4）Altium Designer可以通过原理图编辑器的设计同步器实现与PCB的同步。

（5）Altium Designer提供了丰富的元器件库，还提供了强大的库元件查询功能，并且支持以前低版本的元器件库。

（6）Altium Designer具有强大的电路仿真功能，可用实现模拟、数字电路仿真及数模混合电路仿真，并可用方便的实现仿真结果的分析。

Altium Designer 不但是一个很好的工程应用及科研平台，而且它也是一个非常好的教学平台。主要有以下的几方面原因：其一，通过该平台的学习，学生可以系统全面的掌握电子线路设计方法和设计手段，在他们进入工作岗位后，能很容易的学习和使用其他厂商的相关EDA工具。其二，Altium Designer的人机交互功能非常强大，学生在使用Altium Designer学习电子线路的过程中，当接触到一些比较抽象的理论知识时，可用很容易通过友好的人机交互界面，使得对抽象理论知识的学习变得浅显易懂。

3 Altium Designer 在电子技能教学中的具体应用

在中职学校的电子技能课程的教学过程中，通常是以一个电子电路项目的制作和调试为单元组织教学。在电路的制作过程中，通常包括电路原理图的认识、电路原理的学习、印制电路板的设计和制作、电路的焊接及调试等几个方面。而Altium Designer强大的一体化的功能，其中包括的电路原理图的输入、印制电路板的设计、印制电路板的3D预览、电路的仿真及各种电路报表文件的生成等功能十分适合应用在电子技能的教学中。以下以Altium Designer软件在电子技能教学中三极管放大电路的制作与调试为例子具体进行说明。

3.1 电路原理图的输入

在电路的制作之前，需要学生对电路结构、电路的元件有一个清楚的认识。此时，可以利用Altium Designer的原理图设计输入功能，教师指导学生输入电路原理图，学生在电路原理图的输入过程中，可以加深对电路结构、电路元件参数、电路元件封装的认识和了解。如图2、3所示，图2为器件电路图符号和其对应的封装示意图，图3为输入完成的三极管放大电路原理图。

图2 电阻的电路符号和封装图

图3 三极管放大电路的原理图输入

3.2 印制电路板（PCB）的设计

在完成电路原理图的输入后，学生掌握了电路结构，电路元件的封装信息后，可以进行印制电路板的设计。印制电路板的设计主要包括元件的布局，电路的布线两个方面。在传统的电子技能教学中，进行元件布局和电路布线时，通常采用的是在纸上进行草图设计，多次修改后再将电路的PCB图画在电路板上，采用这样的方式效率低下而且容易出现错误。而使用Altium Designer软件的印制电路板设计功能，可以将元件由输入完成的正确的原理图中直接导入到PCB图中，保证了PCB设计中电路连线的正确性。并且在Altium Designer软件的PCB图设计界面下，对元件可以方便的进行拖曳、翻转等操作，大大提高了PCB图设计的效率。如图4所示为完成布局的PCB图。在布线的过程中，Altium Designer软件可以防止学生发生连线错误等问题，同时，Altium Designer还可以根据设计规则进行自动的布线，学生可以先使用自动布线功能进行布线，再根据实际要求对自动布线的结构进行手工布线的调整，在调整的过程中可以加深对PCB布线要求的理解。如图5所示为完成布线的PCB图。Altium Designer软件还可以生成电路板的3D预览视图，通过观察3D视图，对即将制作的电路的元件分布，电路板大小，和导线的走线可以有个直观的认识，同时，可以在电路板实际制作之前发现电路布局布线不合理之处进行修改，提高学生制作电路板的成功率。

图4 完成布局的PCB图

图5 完成布线的PCB图

3.3 电路仿真

在电路板制作完成后，电路调试之前，学生必须掌握电路的工作原理，由于电子线路知识和现象相对比较抽象，加上中职学校的学生基础知识相对薄弱且抽象思维能力较弱，所以电路工作原理一直是中职电子技能课程教学的难点。在传统的电子技能课程中，电路工作原理的讲授通常是教师在黑板上画出电路原理图和相应的信号波形图，然后开始讲解电路的工作原理及各个电路节点的信号波形变化。当电路的元件参数改变时，重新画出对应的信号波形图进行讲解，学生对着黑板，使用笔和纸进行记录。采用这样的方式进行电路原理图的讲解，教师讲授难、效率低下，内容抽象枯燥学生难理解，容易听了后面忘了前面，造成教学效果差进而影响后续电路调试等任务的进行。而使用Altium Designer软件的电路仿真功能，在完成电路原理图的输入后，教师可以在讲授电路原理图的过程中进行电路仿真，软件可以方便准确的在仿真过程中显示各个电路节点的信号波形，直观的显示电路的工作原理，同时学生在教师的指导下可以在学习过程中进行电路仿真，教师在做中教，学生在做中学，使得原本枯燥抽象的电路原理讲解过程直观形象化，而且使用Altium Designer进行电路仿真可以大大提高学生的学习兴趣，变原本被动的接受过程为主动学习探究过程，大大提高教学的效率，突破教学的难点。?

图6 仿真电路原理图

图7 放大电路静态工作点仿真

如图6所示，为仿真的电路原理图。图7为三极管放大电路的静态工作点的仿真分析表。图8为电路的输入输出波形仿真图，图9为电路的频率响应仿真图。学生在初步掌握了电路的工作原理之后，在教师的指导下，可以经一步比较深入的探究电路，加深对电路的理解，为实际电路的调试是做好准备。例如，在仿真软件中，学生可以对关键元件的参数进行方便的替换和改变，从而仿真出电路关键元件参数对电路影响，如图10所示的是电路的负载电阻RL变化时，电路的频率响应的变化，从而可以直观的看出负载电阻RL的大小改变对电路增益的影响。

图8 电路输入输出波形仿真图

图9 电路频率响应仿真图

图10 RL变化时频率响应扫描图

学生在经过电路仿真，较好的掌握电路原理和电路关键参数后，在实际电路调试前，可以通过Altium Designer对电路中的关键测试点的波形进行仿真（模拟调试）。这样学生在实际调试过程中，对调试的步骤和电路的正常现象就可以做到心中有数，当调试过程中出现问题时，也可以通过与仿真结果的比对来较快的找到故障点。

3.4 电路相关设计文件的输出

在电路的PCB图设计完成后，可以利用Altium Designer软件提供的报表功能，生成一系列的报表文件，这些报表文件有着不同的功能和用途，为印制电路板的后期制作、元件采购、文件交流等提供了方便。常见的报表文件有元件报表、Geber文件等。如图11所示为三极管放大电路的元件报表（元器件清单）。

图11 元器件清单报表

图12 Geber文件

图13 电路制板机制作电路板

图14 导入电路制作文件

Geber文件是一种符合EIA标准，用来把PCB图中的布线数据转换为胶片的光绘数据，可以被光绘机处理的文件。PCB生产厂商使用这种文件进行PCB制作。如今，很多的学校的实训室已经或者即将配备小型自动PCB制板机用来制作学生实训用的印制电路板。而Altium Designer 软件生成的Geber文件，可以很方便的用于印制电路板的制作。图12 是Altium Designer软件生成的Geber文件，图13是电路板机制作电路板示意图，图14是将Geber文件导入制板机后形成的制作文件示意图。

4 结语

在中职的电子技能课程的项目教学过程中，在原理图的输入，PCB图的设计、电路工作原理的讲授、电路板的制作、电路调试等教学环节引入Altium Designer软件，可以使得电路原理的学习形象易懂，电路板的布局布线直观，电路的调试步骤明确，同时可以极大的提高学生学习主观能动性、提高教学的效率，使得学生在做中学，教师在做中教，极大的改善教学效果。

[1]何宾.Altium Designer 13.0 电路设计、仿真与验证权威指南[M].北京：清华大学出版社.

[2]雍杨，陈晓鸽.Altium Designer 电路设计标准教程[M].北京：科学出版社.

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1007-550X（2015）12-0043-05

10.3969/j.issn.1007-550X.2015.12.003

2015-10-20

叶绿（1979-），男，福建漳州人，讲师，主要从事中职学校电工电子教学工作。