在电子实习中引入Altium Designer课程的探索

【摘 要】 为了培养学生电路设计能力和实践操作能力，在电子实习中引入了Altium Designer教学。本文阐述了Altium Designer在教学中的应用、实现方法和课程的教学效果。Altium Designer教学的引入，旨在利用电脑辅助设计，解决学生硬件电路设计的薄弱环节，同时加深实践操作的环节，全面提高学生的电路设计、制作能力。

【关键词】 电子实习 新模式 Altium Designer

1 引言

随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助设计在现代电子技术的发展和应用中扮演了非常重要的角色。大学生是未来科技文明发展的主力，因此在理工科大学生的电子实习课程中引入计算机辅助设计教学是时展的必然。电路设计与仿真方面的计算机辅助设计软件种类很多，其中Protel设计软件在我国拥有众多的用户，其升级版本为Altium Designer，功能更加强大，所以我校选择该软件作为电子实习课程的计算机辅助设计教学软件。该软件简单易学，具有常用的电路图设计功能、电路仿真功能和电路板设计功能，还集成了FPGA设计开发功能，并且兼容以前各个版本。

2 在电子实习中引入Altium Designer教学的具体实现方法

2.1 电子实习的流程

我校电子实习采用学生自主选题的方式，即由老师提供多个电路，如表1所示。学生根据自己的专业和兴趣进行选择，对于基础好的学生，允许其自立课题。学生对所选择的电路进行电路仿真、PCB设计与制作、电路焊接和调试，并最终制作成功一个产品。电路分为模拟部分和数字部分，学生主要学习模拟部分的仿真与设计。本文将以“红外线心律计”产品的模拟电路部分为例介绍Altium Designer软件的具体应用。

2.2 用Altium Designer软件进行电路原理图设计与仿真

使用Altium Designer软件可以方便地进行模拟电路的设计与仿真。采用计算机模拟仿真可以随时修改元器件的参数，随时观察仿真结果，缩短产品的开发周期。

（1）电路原理图的设计。红外线心律计的模拟电路部分由传感器电路、放大电路、滤波电路、整形电路组成。作用是由红外线传感器采集心跳信号，经过信号调理电路输出幅度足够大的方波信号，供后续的数字电路进行处理。

原理图的设计是电路仿真和设计电路板的基础，也是初学该软件的难点。主要有以下几个步骤，如表2。

在实践教学中，重点是针对学生经常会犯错误的操作进行讲解，有如下几个方面：

一是准确找到所需的元器件。教学中把常用元件所在的元件库和元件名称做在PPT的表格中，方便学生查找元器件。二是正确连接元器件之间的导线。要求学生必须把导线连接到元器件引脚的顶端，或者元器件之间的连接采用管脚对管脚的连接方式，防止电路开路。三是正确标注元器件的参数。在元器件的“Value”选项，正确标注该元器件的参数值，单位为国际标准单位。四是排除电气检查的错误。“ERC”检查会发现原理图中隐藏着的“BUG”，其中的“Error”必须排除，部分“Warning”可以忽略。

（2）原理图仿真。原理图绘制完成后，通过反复修改参数并仿真来达到设计的要求。传感器上得到的信号一般为10mV左右，放大器的设计要求的放大倍数在1000倍左右。滤波器的设计要求截至频率为10Hz左右。比较器的设计要求为能够输出占空比为50%左右的方波信号。仿真时，在电路的输入端加入10mV、1Hz的正弦波激励源，整个电路的工作电压为±12V。通过仿真观察各个输出点的波形，经过不断的调整，下图的参数能够满足设计的要求，如图1。

图2为各个主要点的瞬态仿真波形。第一个为激励信号的波形，第二个为放大后的波形，第三个是低通滤波后的波形，第四个是整型后的方波，该方波接到后续的数字电路。

2.3 用Altium Designer软件进行电路板设计

经过仿真验证的原理图经过设计成为能够焊接元器件的电路板文件，实现了虚拟电路到真实电路板的转变。一般有以下几个步骤，如表3。

电路板的设计工作比较复杂，因此在课程中选择了较为简单的模拟部分进行设计，而且电路板是在实验室通过手工制作，所以在教学中，有针对性地对以下几个知识点做重点介绍：

一是导入元器件时的错误。原因是原理图绘制有误，返回原理图修改对应的错误。二是元器件的排版和布线规则的设定。按照信号的流程从左往右排版，元器件排列均匀紧凑、美观。为了方便制板和焊接，电器间距值大于0.5mm，信号线粗0.5mm，电源线和接地线加粗到0.6mm―1mm，焊盘直径加大到1.6―2mm，电路板规划成大小合适的长方形，采用顶层布线、自动布线和手工布线相结合的方式。三是设计规则检查。“DRC”检查中的错误要认真排除，比如网络名称不同的导线不能交叉；没有导线连接的焊盘要仔细检查是否有误。

图3是设计完成的电路板图纸：

2.4 电路板的制作与调试

（1）电路板的制作。在实验室里采用手工制作电路板的方式，具有快速、便宜、方便的特点，满足简单电路设计调试的要求。一般经过如下几个步骤：

下图为焊接完毕的电路板，如图4。

（2）电路板的调试。电路板完成焊接后，进入调试环节。通入±12V的电压，在输入端接信号发生器产生的信号（或者接传感器），通过测试仿真时各个点的波形，验证了仿真结果与实际电路的测试结果相吻合。

3 结语

在电子实习中引入Altium Designer软件教学，不光使学生掌握了一种EDA软件的使用，更重要的是学习到了电路图的设计方法和电路板的设计方法，并与电子产品的设计紧密结合，为学生在以后的课程学习和工作上都有所帮助。

参考文献：

[1]陈羽.Protel 99 SE.教学浅谈[J].教育培训，2009（6）：159-162.

[2]付强，Altium Desinger软件在电路设计中的应用[J].2011（7）：165-166.