《汽车电路CAD》课程中几个问题的分析

王吉华　谭德荣　李瑞先

【摘 要】本课程是电子电路CAD在汽车电路设计中的应用，应用Protel99 se软件，结合汽车电路特点，分析几个重要问题，使教学和学生学习思路清晰，便于加深理解和改善教学效果。

【关键词】教学；汽车电路；重要问题；思路

0 引言

汽车电路计算机辅助设计（Computer Aided Design，，CAD）是汽车电子控制方向的本科生需要学习的一门重要专业基础课，是学生为社会服务和继续学习深造应掌握的重要技能。课程应用较多的软件是Protel99 se（简称99se）[1]或Protel DXP（简称DXP）[2]。学习内容的先后顺序依次是电路原理图、电路原理图库元件、印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）和PCB库元件设计[1-3]。电子电路CAD是电子电气和计算机等专业重要课程，对于交通运输或车辆工程等非电专业学生的学习具有一定难度，而且还需将电子电路CAD与汽车电路相结合，为了使学生能够理清思路和加深理解，应用Protel99 se软件，按照内容的先后顺序，在教材内容的基础上，根据授课过程中学生的疑惑来着重分析几个重要问题，使教学达到更好的效果。

1 电路原理图的两种作用

大部分应用99se和DXP软件来进行电子电路设计的教材中，电路原理图设计均需实现电路的正确电气连接，元件必须从库中选择放置，元件属性需设置其正确的PCB元件（称为封装），便于生成完整正确的网络表，在设计PCB时将网络表的电气连接关系和封装元件导入到PCB，为自动布线或手工布线服务。

在汽车电路设计中，局部控制功能的电路均需要设计一块PCB，例如，动力系统、车身或某一个CAN节点等。对于整车电路的原理图，不可能也不需要去设计电路板，所以只需使电路阅读者能正确理解电路的连接关系，而不必要真正的电气连接；在布线时可使用导线（wire）也可使用直线（line）；元件封装并不在原理图中显示也不起作用，则元件属性中可以不考虑封装设置；而且有些元件在99se软件自带原理图库中不具备时，可以用绘图工具绘制示意图，这些均可使其达到目的且設计方便快捷。

汽车电路原理图设计有需要设计其PCB和不需要设计其PCB的两个作用，两者要求和特点有很大不同，理解了这个问题，设计者可根据需要设计不同性能的原理图，同时也加深了对整个课程的理解。

2 电气连接特性

电路原理图中有很多对象，分为有电气连接特性和无电气连接特性两类。对于具有电气连接特性的对象，其真正起电气连接作用的又有所不同。从库中放置的元件，电气连接是引脚和属性中的封装；电源、接地、电路端口和方块电路图端口等对象的电气连接是网络标号，其式样仅仅是形式而无电气连接特性；总线和总线分支虽在布线工具栏中，但必须和网络标号同时使用，因其不具备电气连接特性而依靠网络标号起实际电气连接作用，其仅仅是指引电路阅读者识别不同位置元件的引脚网络标号；导线上节点表明交叉于节点的导线具有电气连接。

只有理解了原理图对象的电气连接特性，才能掌握网络是电气连接的实质，从而设计出正确电气连接的原理图，才能使网络表作为原理图和PCB的桥梁而设计出对应于原理图的PCB。

3 原理图复合元件

原理图中复合元件是指在同一个原理图元件中包含有两个或两个以上的相同或不同子元件，形式上分为各个子元件独立形式和整体式两种，要强调的是其实质都表示同一个复合元件，但二者也有一定的区别。例如由八个子电阻组成的复合排阻元件，图1为各子元件独立形式，图2为整体式，二者形式不同，但均为同一个排阻元件。图1中的各子电阻，引脚与图2完全相同，均对应于PCB元件的同一个封装DIP-16。图1中，各子电阻的设计序号中均包含RP1，表示为同一排阻元件，A～H分别表示同一排阻中的八个子电阻。采用独立形式的好处是，当电路原理图中没有用完八个电阻时，就不必全部放置八个子电阻，节省空间。但由于排阻是一个元件，各子电阻都在同一个封装内，只要使用了其中的一个或几个子电阻，在对应的PCB中都会放置完整的封装DIP-16，只是没用到的子电阻引脚悬空。

理解了复合元件的原理和两种形式的关系，在原理图设计时才能对元件进行合理选择、正确放置和设置属性；在后续的原理图库元件设计时，才能深入理解和掌握其设计原理、方法、文件管理器使用以及新建元件菜单New Component和新建子件菜单New Part的区别。

4 原理图元件和其封装的对应关系

为PCB设计服务是电路原理图的作用之一，网络表是二者联系的桥梁，要生成正确的网络表，原理图设计时要在每个元件的属性中设置其正确的封装。原理图设计中的布线是对元件引脚实现连接，设置了元件封装，实质上就是添加了该原理图元件的PCB元件，同时也就给出了该元件在PCB中的连接关系，这由原理图元件及其封装的对应关系所决定。

以NPN型三极管为例，如图3，左边为原理图元件，在原理图设计中设置其设计序号为Q1、设计属性为NPN及封装为TO-52，则其在PCB中加载的对应封装TO-52如图3右边图形所示。从图3可知，原理图和PCB元件均包含外形、引脚和属性，起电气连接作用的均为引脚，二者引脚的数目和编号需一一对应；原理图元件外形仅是原理符号图，封装外形是元件在电路板上的正投影，封装引脚位置和外形反映了元件实际安装尺寸。原理图的网络表导入到PCB中，将导入PCB元件（封装）及其连接关系，封装包含了元件的设计序号Q1、设计属性NPN、封装外形、引脚数目及其编号以及相对位置等信息。

对原理图元件及其封装对应关系的理解，将有助于原理图元件属性的正确设置，网络表加载的错误检查和修改，也为后续的PCB库元件设计打下良好的基础，使课程大纲中的原理图、原理图库元件、PCB和PCB库元件设计等四部分内容融为一个整体，将各部分发散的内容进行了提炼。

5 PCB层和对象的关系

对层概念的理解是PCB设计的核心内容之一，PCB中各种对象均与层有着密切的关系。PCB中最基本的对象包含物理边界、电气边界、封装、焊盘、过孔、导线以及各种标注性的解释说明等，只有深入理解了各种对象和层之间的关系，才能合理放置和设置各种对象，设计出满足需要的PCB。

封装总体上分为表面粘贴式和穿透式两种，在总体上看和根据安装焊接的需要，两者均只能在顶层或底层。局部上，粘贴式封装的焊盘（即元件的引脚）只能相应地在顶层或底层，穿透式封装的焊盘在综合层。除焊盘外，封装还包含了设计序号、设计属性和外形，其分别相应地在顶层丝印层或底层丝印层。对于非封装的独立焊盘，可以根据需要设置其所在层，比如作安装孔使用时要设置在综合层，作导线连接作用时可设置在顶层、底层或综合层。过孔与层的关系类似于独立焊盘。

物理边界要选择机械层绘制一个封闭区域，作为PCB的外形和尺寸。电气边界要选择禁止布线层，绘制一个小于或等于物理边界的封闭区域，作为放置元件和布线的范围。物理边界和电气边界的设计是PCB规划的重要内容，将关乎到网络表加载的成败。自动布线或手工布线中均使用导线连接各种焊盘或过孔，可根据实际连接的需要放在顶层或底层。

各种标注性的解释说明對象，由各自不同特点和需要分别放在不同层。尺寸标注和标题栏一般都不在实际电路板中显示，通常放在机械层。其它的如果需要在电路板中显示的标注对象，可根据需要放在顶层丝印层、底层丝印层、顶层或底层，但若放在顶层或底层将是具有电气特性的铜膜，要确保其不影响原始电路布线。例如电路板布线完成后，在某一空白处放置工作单位信息，若选在顶层丝印层或底层丝印层，将是油漆的形式打印在电路板上，字迹容易磨损；若放在顶层或底层，将是铜字，字迹不易磨损。

6 结束语

在教材内容基础上，根据学生的疑惑，分析了《汽车电路CAD》课程的几个重要问题，理清思路并将相关知识点相互贯穿，加强学习和教学效果。除了分析的几个问题，课程教学中还会遇到其它一些问题，有待于以后工作中进一步讨论和总结。

【参考文献】

[1]及力.Protel 99 SE原理图与PCB设计教程[M].北京：电子工业出版社，2011.

[2]鲁捷，焦振宇，孟凡文.Protel DXP电路设计基础教程[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3]王吉华，葛文庆，刘秀清，等.基于Protel的《汽车电路CAD》教学内容设计[J].科技视界，2015（04）：22-23.

[责任编辑：朱丽娜]