什麼是電路原理圖？如何設計電路原理圖？

來自專欄機器人技術入門

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電器和電子設備中有很多電路板，它們勤勤懇懇地工作著，保障著設備的正常運行。這些小小的電路板其實是大型電路的縮小版，但也發揮著同樣重要的作用。

相當於縮小的電路

正是因為有了電路板，電器和電子設備才沒有亂糟糟的電線和巨大的元件，因為它們都被縮小，然後整整齊齊地排列在電路板上。

以前我們也寫過一篇關於電路板的科普：《印刷電路板，機器人靈魂的軀殼》

想要進行電路工程的設計，做出這些電路板，我們需要繪製出電路的原理圖，也就是設計好誰和誰連在一起，最終構成實現某種功能的通路。然後再進行電路板的設計，也就是如何把這堆設計好的電路，合理地擠到一塊小板子上。做好這些，就可以按照設計的方案，把元件一個個地焊到板子上了。

今天我們要講的就是，如何繪製電路的原理圖，這也是電路工程設計的關鍵。

原理圖是什麼呢？呶，下面就是一個簡單的電路原理圖，我們可以看到整個電路迴路由一個乾電池、一個開關、一個電阻和一個小燈泡組成，和初中物理課本上的電路圖一毛一樣。

我們沒有真地畫一個電燈泡或者一塊電池上去，而是用一些簡單抽象的符號代替它們。沒錯，電路原理圖（Schematics，也用 SCH 表示）就是一種電路符號彼此連接，以反映各元器件的電氣連接情況的圖紙。也就是一種由簡單圖示組成的電路圖。

在實際的工程項目中，電路原理圖和電路板（PCB）是一一對應的好基友關係，一個原理圖對應一塊電路板。

我們看到圖 1 的原理圖是方方正正的，甚至開關和燈泡的大小是一樣的。如果看著原理圖就開始在板子上焊接大小不一的元件，肯定會出問題。所以，我們需要一個可以表示元件外貌的東西——封裝（Package），它描述了元件的形狀大小和引腳的排列分布。

我們使用一定的圖示將圖 1 的手繪原理圖重新繪製，就得到了下圖。

所以，我們根據原理圖中各元器件的電氣連接關係，再參考元器件的封裝信息，就可以繪製出整個電路板啦。

在實際的工程應用上，繪製這些圖需要 EDA（Electronic design automation，電子設計自動化）繪圖工具，工程師們常用的原理圖繪製軟體有 PADS、OrCAD、Altium Designer（Protel）等。 雖然幾種軟體的定位不同，但在繪製原理圖的流程上它們基本一致。

下面，我就用 Altium Designer 軟體為老鐵們示範一下圖 2 原理圖的繪圖流程，簡單地說，就是畫好一個個元件，把它們連到一起，再把這個電路搬到 PCB 上。

繪製原理圖的封裝

繪製原理圖，首先要繪製原理圖封裝，也就是為每一個元件畫一個抽象的圖示，就像圖 1 用一個矩形來表示電阻一樣。

我們就以圖 2 的電阻元件為例，繪製它的原理圖封裝。我們用四條藍線圍成的矩形代表電阻。因為電阻有兩端，所以我們為電阻添加 2 個引腳（pin），放在藍色矩形的兩端。這樣一個電阻的原理圖封裝就算大功告成了。

圖 2 中的發光二極體、開關、電池的繪製方法同理，都是用一個簡單圖形和引腳組合的形式來完成的，恕不贅述。

那麼應用更廣泛的晶元的原理圖封裝怎麼畫呢？我們以 TI 公司的 CAN 收發器晶元 SN65HVD230 為例，首先找到這個晶元的數據手冊（datasheet，在晶元生產廠商的官網上可以找到），然後找到它的引腳功能部分，也就是下圖所示，顯然這個晶元有 8 個引腳（pin）：

打開軟體，在繪製原理圖封裝的界面下放置一個矩形來代表晶元：

然後根據數據手冊中對引腳的描述，我們為這個矩形添加 8 個引腳，一個晶元的原理圖封裝就畫好了：

引腳的名稱和序號要嚴格地按照數據手冊執行，如果畫錯，那 PCB 中的晶元引腳連接就會出錯。我們不能浪費畫好的封裝，一般會把它們一個個地放到一個集成的庫（library）裡面，下次要用就直接拿出來，不用重新再畫。

網上也有別人畫好的庫分享在博客和論壇里。還有一種職業叫封裝工程師，每天專門畫封裝。感覺找到了致富之路。

事實上，畫一個元件的圖示，我們只需要注意引腳的名稱和配置，而不需要太注重圖示的顏色形狀大小等等，因為這個圖示只代表了晶元的電氣屬性。

那為什麼我們不把黃色的框框換成紅色的小心心呢？呃...這個...畫成 rectangle 可能是一個小工程師的基本素養吧。如果偏要畫成下圖中的樣子也不是不可以的。

一個完整的電路圖少不了無源器件的存在，比如電阻、電容、電感等等。它們的原理圖封裝的樣式基本上是固定的：兩條橫線+小符號，這些都是約定俗成的畫法。

如何判斷無源器件？無源器件只需輸入信號，不需要外加電源就能正常工作。有源器件除了輸入信號外，還必須要有外加電源才可以正常工作。

簡單元件的原理圖封裝我們會畫了，那麼對於較複雜元器件該怎麼處理呢？比如，英特爾 LGA1151 介面的 CPU 有一千多個引腳，人工繪製這類晶元的原理圖封裝真的很令人頭禿。這時，你可以嘗試從晶元的製造商那裡獲取與你所用 EDA 工具格式兼容的原理圖封裝，或者使用一些輔助小工具。

舉個例子，Altium Designer 軟體就內置了一個基於 OCR（Optical Character Recognition，光學字元識別）技術的原理圖封裝繪製工具，它可以自動提取晶元數據手冊中的引腳名稱部分，把名稱複製到封裝中，就不用一個一個地敲字啦。

原理圖的電氣連接

畫好了元件的原理圖封裝後，就可以開始繪製原理圖了。首先我們把需要用到的元件放置到原理圖中。

然後再放置具有電氣屬性的線（wire），將各個元件連接起來，一個有封裝的原理圖就完成了。原理圖上的連線就是實際電路的連線。

有時，原理圖中兩個晶元的距離比較遠，如果畫線連接兩個引腳，可能要畫很長很繞的線，畫起來很麻煩，而且也很吃藕（丑），大概就像下圖：

這時，我們就需要另一種表示電氣連接的方法——網路標號（Net Label），網路標號可以代替引腳之間用線連接的部分。舉個栗子，下圖是直接用線連接兩個晶元的引腳：

如果改成網路標號連接，就會變成這樣：

兩個相同的網路標號表示兩個引腳的連接，雖然沒有用線連接，但工具軟體會認為兩個引腳在同一電氣網路上。在繪製原理圖時，我們可以根據實際情況選擇連線（place wire）或者網路標號。

需要注意的是，連線和網路標號主要應用在單張原理圖的工程中，對於多圖紙的工程（原理圖太大了，沒法在一張紙上畫完），我們還需要用到埠（port）、圖紙入口（Sheet Entry）、跨圖紙介面（Off-sheet Connector）等網路標識符，這些網路標識符可以描述多圖紙之間的連接關係。

現在原理圖畫好了，我們可以進行下一步的 PCB 的設計了。

從原理圖到 PCB

事實上，在封裝庫（Package Library）里，一個元件的封裝包括原理圖封裝和PCB封裝兩部分的。下圖就是 Altium Designer 軟體的元件封裝庫。在命名為 xiaoze_library 的封裝庫里，後綴為 SchLib 的部分就是它的原理圖封裝庫，而後綴為 PchLib 的則是 PCB 封裝庫。

也就是說，我們在原理圖中畫的圖示，還需要相對應的 PCB 封裝才算是完整的封裝（PCB 封裝的畫法這裡恕不贅述）。原理圖封裝和 PCB 封裝是一一對應的，這樣我們就可以利用軟體從原理圖中導出 PCB 文件。

導出的 PCB 文件會打亂各個元件的排列，就像物理實驗課上，我們把連好的電路器材全部推到牆邊排成一排一樣。我們把剛剛畫完的原理圖導出：

然後我們需要對元件進行布局，相當於把器材再整齊地擺回桌子上。需要注意的是，圖上的細黃線不代表元件已經連接起來，而是軟體在提醒你這裡是原理圖中的連線部分，我們還需要按照細黃線來手動拉線。下圖就是簡單布局、連線後的PCB電路圖。

圖 4：由圖 2 所示原理圖導出的電路圖通過布局、連線的結果

幾個紅色的矩形就是 PCB 的焊盤部分，也就是元件的引腳和 PCB 接觸的部分，元件之間通過紅色的線連接。在真實的 PCB 中，紅色部分就是銅所在的區域，我們把元件焊在板子上，焊盤和紅線就會連接在一起構成通路。

我們把圖 4 送去工廠里製成實物後，再焊上各個元件，一塊漂亮的 PCB 就完成啦～來，我們看一下模擬的 PCB，大概長這樣：

圖 5：3D 視圖下的圖 4 電路板

雖然板子做好了，但是我認為就算按下 S1 的開關，LED 燈也不會亮。（因為電池座里沒有放電池啊，嘻嘻）

我們簡單回顧一下繪圖流程：

DIY 小課堂

看到這裡，小夥伴們是不是已經摩拳擦掌躍躍欲試了呢？今天就帶大家做一個 USB 小夜燈的原理圖。繼上次教大家的 DIY 聖誕節流水燈，這次又可以帶著小夜燈和喜歡的妹子一起跨年了呢！

DIY 流水燈傳送門：《聖誕節撩妹指南：教你做一棵BlingBling的聖誕樹！》

USB 小夜燈

為了免除小夥伴們下載安裝軟體的麻煩，我誠摯推薦一款在線的 EDA 工具——立創 EDA，大家找到這個網站，簡單地註冊和登陸就可以在線設計了。這種在線的工具裡面有現成的封裝，不需要我們自己畫，美滋滋。

撥開白色的蓋板，我們可以清楚地看到內部的 PCB，目測了一下，白色 PCB 上面是 6 顆 2835 封裝（也就是長×寬為 3.5mm×2.8mm）的白光 LED 和 6 個 0603 封裝的 51Ω 電阻。好，相信大家腦中已經有原理圖的樣子了（沒有也要假裝有）。

電路板

我們打開在線軟體，在左邊的菜單欄里找到元件庫，搜索找到我們要用到的元器件，分別是 CON-USB-M-A（A 型 USB 公頭）、LED2835和RESISTOR（0603 封裝），找到這些元器件後，將它們放置在合適的位置，如下圖所示：

第二步，我們在電氣工具的菜單框里找到導線工具（第一個即是），利用導線把 LED 和電阻串聯在一起，再並聯在 USB 的電源上，就像下圖這樣：

電流從 USB 的引腳 VUSB 流出，通過 LED 的正極到達負極，再流入引腳 GND，所以要注意 LED 的方向。

簡單的兩步，USB 小夜燈的原理圖就畫好了，選擇頂部菜單欄的原理圖轉 PCB 功能，就可以生成 PCB 圖：

我們再把零散的元件整齊地排布在工作區，再進行簡單的布局連線，USB 小夜燈的 PCB 設計就圓滿完成啦。

看完文章，想必各位老鐵對原理圖已經有所了解了。在實際的電路工程中，原理圖的設計要比我們今天介紹的更為複雜，一份優秀的電路圖既要簡潔美觀、又要便於固件工程師、嵌入式工程師等的閱讀理解。毫不誇張地說，如果繪製原理圖出現錯誤，那麼整個電路板工程都是失敗的。

本期作者

電子科技大學 小澤

RoboMaster2017 校機器人隊電控組

一個悶騷佛系、朋克養生的逗比瘋子