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如何將原理圖符號(hào)畫(huà)得通俗易懂?
發(fā)布時(shí)間:2018-10-12 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】有很多關(guān)于繪制原理圖符號(hào)的討論。使你的原理圖符號(hào)能夠讓人理解非常重要。有時(shí)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件包中預(yù)先做好的符號(hào)就可以了,但大多數(shù)符號(hào)并不太理想。請(qǐng)確保你的軟件包能方便地創(chuàng)建符號(hào),因?yàn)槟憧赡艿弥匦吕L制每個(gè)單獨(dú)元件,以及創(chuàng)建新的元件。CAD軟件包含的上萬(wàn)種符號(hào)只是你重新繪制它們的基礎(chǔ)。
好的原理圖應(yīng)該有可預(yù)測(cè)的信號(hào)流向。這個(gè)流向要求輸入部分位于左邊和上邊,輸出部分位于右邊和下邊。當(dāng)然這并非鐵板一塊,但如果你希望其他工程師一眼就能理解你的原理圖,遵循這個(gè)規(guī)則就非常重要。如果我高聲對(duì)你喊叫,“區(qū)別什么有做這樣?”這種語(yǔ)法結(jié)構(gòu)顯然讓人難懂,但如果我按從右到左的順序說(shuō),“這樣做有什么區(qū)別?”那么你馬上就能理解了。雖然許多半導(dǎo)體公司賺了很多錢(qián),并提供很多支持,但很多時(shí)候他們專(zhuān)注于芯片內(nèi)部,而做不到正確的原理圖流向(圖1)。
圖1:目前許多公司畫(huà)的原理圖符號(hào)模仿的是元件的引腳圖,而不是信號(hào)流向。
圖1中的六反相器U1不是很實(shí)用。它將6個(gè)反相器合成在一個(gè)符號(hào)中,并且左邊和右邊都有輸入輸出。引腳長(zhǎng)度也不需要那么長(zhǎng)。U2這個(gè)符號(hào)稍微好一些,輸入都在左邊,輸出都在右邊。像我這樣一把年紀(jì)的人不喜歡彩色背景,因?yàn)榻?jīng)過(guò)六次黑白拷貝黃色會(huì)變成黑色,從而讓你無(wú)法看清任何東西。我創(chuàng)建的U3由不同元件組成(異構(gòu)元件),包括6個(gè)相同的元件和表示電源與地的第7個(gè)元件。排阻RP1是非常愚蠢的畫(huà)法,當(dāng)這些電阻應(yīng)該處于原理圖上不同位置時(shí)很容易把原理圖弄得一團(tuán)糟。RP2顯示了異構(gòu)元件在這種時(shí)候的作用。
一些半導(dǎo)體公司采用ANSI符號(hào)畫(huà)邏輯器件,這顯然是由缺乏分析的線性思維的人發(fā)明的,而不是模擬工程師眼中的圖形化思維(圖2)。
圖2:許多工程師都不喜歡ANSI/IEEE邏輯符號(hào)畫(huà)法,這些符號(hào)簡(jiǎn)直是非徒無(wú)益,而又害之。顯示實(shí)際的邏輯符號(hào)稍好一些。CAD軟件包中附帶的元件基本上是沒(méi)有用的。較好的做法是將元件一分為二。更好的做法是將電源獨(dú)立出來(lái),這樣就不會(huì)弄亂信號(hào)流向。模擬工程師最想要的是在元件內(nèi)部稍微畫(huà)一些能表示其功能的圖案。
對(duì)于多元件封裝來(lái)說(shuō)(比如許多邏輯門(mén)),原理圖符號(hào)需要分解開(kāi)來(lái),因?yàn)槟愫苌贂?huì)在原理圖的同一個(gè)地方使用全部這些元件。這個(gè)原則同樣適用于雙路或四路運(yùn)放。元件符號(hào)可以采用德·摩根等效符號(hào)(圖3)。我非常敬佩那些能夠通過(guò)布爾表達(dá)式來(lái)理解電路工作的工程師,但我還是喜歡圖形化的表達(dá)方式——通過(guò)圖形可以想象位于D鎖存器中的比特,或者多路復(fù)用器中斷言給定輸入的引腳。
圖3:早在1995年,OrCAD 9就允許用德·摩根等效符號(hào)表示與非(NAND)門(mén)。
Altium/CircuitStudio可以讓用戶(hù)給元件分配不同的“模式”完成相同的任務(wù)。如果你想畫(huà)一個(gè)“引腳上負(fù)下正”模式的運(yùn)放符號(hào)就非常方便。若是沒(méi)有等效符號(hào),如果你想垂直翻轉(zhuǎn)一個(gè)元件,也會(huì)把正電源放到下邊,把地放到上邊去。通過(guò)調(diào)用繪制的德·摩根等效符號(hào),你可以交換輸入引腳,同時(shí)保持電源和地的位置不變。解決這個(gè)問(wèn)題的另外一種方法是制作一個(gè)具有獨(dú)立電源的異構(gòu)元件(U6)。現(xiàn)在你可以垂直翻轉(zhuǎn)運(yùn)放,將負(fù)引腳放到上面來(lái)。
某個(gè)年代的原理圖程序出現(xiàn)于這樣一個(gè)時(shí)期:PCB上大約有40個(gè)14引腳的邏輯芯片,每個(gè)芯片配一個(gè)去耦電容,再加上一個(gè)卡緣連接器。在1985年,DOS OrCAD甚至不能畫(huà)三角形。這是那個(gè)年代的局限,也是那個(gè)年代需要擔(dān)心的事。當(dāng)時(shí)許多公司覺(jué)得PCB上只有一個(gè)電源,即VCC(兩個(gè)“C”代表“公共集電極”,因?yàn)樗羞@些邏輯門(mén)都饋送電源給許多晶體管的集電極)。因此PCB只需要VCC和地。CAD公司的程序員甚至認(rèn)為不需要在芯片上顯示電源引腳。他們只是發(fā)明了“零長(zhǎng)度”引腳,然后版圖設(shè)計(jì)程序會(huì)將所有相同名字的引腳連接在一起。程序員認(rèn)為工程師使用最后生成網(wǎng)絡(luò)表的原理圖簡(jiǎn)直太蠢了。
說(shuō)到地,“公共端”或“回流端”其實(shí)更貼切,除非你的電路連接到墻上插座的大地引腳(圖4)。我承認(rèn)這只是個(gè)人喜好,但我喜歡美國(guó)風(fēng)格的電源和電阻符號(hào),在晶體管和MOSFET上有個(gè)圓圈,且MOSFET清楚地指示了N溝道或P溝道類(lèi)型。
圖4:地、電源、電阻、晶體管和MOSFET等各種元件符號(hào)。
我碰到過(guò)一位教授,如果他看到你在汽車(chē)收音機(jī)原理圖上有大地符號(hào),會(huì)給你不及格的判定。汽車(chē)底盤(pán)是一種不同的符號(hào),不管Altium叫它大地,還是你在大多數(shù)PCB上使用的三角符號(hào),都意味著公共端或回流端。我個(gè)人的喜好是使用箭頭代表電源,我也沒(méi)遇到過(guò)哪一位工程師喜歡R1和R2那樣歐洲畫(huà)法的電阻,甚至Altium里的可變電阻符號(hào)R3也沒(méi)有意義,除非它有三個(gè)腳,或者在封裝上把兩個(gè)腳短接在一起。我也喜歡晶體管上的圓圈、短引腳、字母N或P清晰地顯示MOSFET的類(lèi)型,以及有助于顯示管子類(lèi)型的柵極引腳,可以翻轉(zhuǎn)的P溝道類(lèi)型,以便源極位于上面,因?yàn)楦嗟恼娫匆苍谏厦?。我很欣賞Altium/CircuitStudio顯示體二極管。
在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中,電源和地引腳不可見(jiàn)帶來(lái)的問(wèn)題是,當(dāng)版圖封裝的電源連接錯(cuò)誤時(shí)電路經(jīng)常會(huì)燒掉。經(jīng)常會(huì)燒。這是一個(gè)很?chē)?yán)重的問(wèn)題,因?yàn)槟憧赡苡卸鄠€(gè)帶電源的層,而重新做PCB甚至重新搭建原型是很困難的。基于這個(gè)理由,我們?cè)S多人會(huì)把電源引腳明確地畫(huà)出來(lái)。對(duì)于像四運(yùn)放這樣的多元件封裝來(lái)說(shuō)有三種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)(圖5)。第一種方法是你可以將電源引腳畫(huà)在每個(gè)元件上。第二種方法是只將電源引腳畫(huà)在其中一個(gè)元件上,這時(shí)要確保將所有未用元件也都放到原理圖上。第三種方法是將四運(yùn)放設(shè)計(jì)成由5個(gè)元件組成的異構(gòu)封裝,包括4個(gè)獨(dú)立的運(yùn)放和一個(gè)單獨(dú)的電源與地引腳元件。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是你可以將電源與地元件和所有去耦電容放在一起。缺點(diǎn)是你可能忘了放電源與地元件,由此帶來(lái)的災(zāi)難是器件沒(méi)有供電而不是接錯(cuò)電源。一個(gè)技巧是將電源引腳作為封裝中的第一個(gè)元件,這樣當(dāng)你放置這個(gè)元件時(shí)第一個(gè)放的就是電源。不管怎樣,你都應(yīng)該將所有元件都放到原理圖中去,以便給未用元件合適的偏置,防止它們發(fā)生振蕩。
圖5:電源和地不要使用零長(zhǎng)度的引腳。相反,最好在U1的每個(gè)元件上畫(huà)出電源引腳。你也可以只在封裝的某個(gè)元件上畫(huà)電源引腳,但要確保所有元件都被放置,這樣你就不會(huì)忘了連接電源(U2)。U3封裝則是使用了一個(gè)單獨(dú)的“元件”來(lái)畫(huà)電源和地。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是你可以翻轉(zhuǎn)運(yùn)放,根據(jù)電路需要靈活地將負(fù)引腳放在正引腳的上面或下面。
十幾年前Cadence的OrCAD中就有這些異構(gòu)元件了,這種方法還可以將連接器分解成若干塊。這樣做同樣是為了保持原理圖的信號(hào)流向,確保每根線連接正確的連接器(圖6)?,F(xiàn)在你可以確保你的原理圖流向是從左到右的,使得其他工程師理解起來(lái)更加容易,也能讓你在5年后再看時(shí)更加容易理解。
圖6:如果你將連接器只畫(huà)成一個(gè)元件符號(hào),會(huì)使得原理圖很亂(a)。通過(guò)使用OrCAD中的異構(gòu)元件功能,或Altium/CircuitStudio中的元件“模式”,你可以將連接器分解開(kāi)來(lái),以便原理圖的流向更清晰更容易理解(b)。
另外一個(gè)考慮是如何將諸如開(kāi)關(guān)電源芯片這樣的復(fù)雜元件畫(huà)清晰。即使你將輸入移到左邊,輸出移到右邊,仍然很難理解這種元件的工作原理。針對(duì)這種情況,你可以在符號(hào)框中畫(huà)一個(gè)簡(jiǎn)單的圖,用來(lái)暗示這個(gè)元件的功能。不一定是數(shù)據(jù)手冊(cè)中的框圖,只需簡(jiǎn)單的表述,以便提醒你和其他人這個(gè)元件是做什么的。
還有其它一些原理圖符號(hào)的慣例,它們更多的是偏好,而不是好的設(shè)計(jì)原則。我很喜歡用圓圈將晶體管包圍起來(lái)。需要重申的是,那些半導(dǎo)體工程師畫(huà)的晶體管才沒(méi)有圓圈。我認(rèn)為圓圈非常有用。同樣,我很喜歡當(dāng)走線發(fā)生交叉時(shí)做一個(gè)小的跳接。這就引出了另一個(gè)重要規(guī)則:沒(méi)有4向結(jié)點(diǎn)。我見(jiàn)過(guò)一個(gè)傳真過(guò)來(lái)的原理圖,怎么都看不出走線是否只是交叉而不是連接在一起。結(jié)果我猜錯(cuò)了,這浪費(fèi)了我一天時(shí)間。如果所有原理圖都用跳接,“沒(méi)有4向結(jié)點(diǎn)”規(guī)則就沒(méi)那么重要了。令我高興的是,最新版本的Altium/CircuitStudio可以顯示跳接,并能自動(dòng)防止生成4向結(jié)點(diǎn)(圖7)。
圖7:像我這樣的老人在走線間沒(méi)有連接關(guān)系時(shí)喜歡采用跳接的方式。需要注意的是,4向結(jié)點(diǎn)是原理圖中的禁忌。
Altium/CircuitStudio有產(chǎn)生跳接的選項(xiàng),也有通過(guò)設(shè)置走線偏移消除交叉結(jié)點(diǎn)的功能,比如這個(gè)芯片的GND連接處所示。注意,庫(kù)元件的左邊是輸出,右邊是輸入,與你想象的剛好相反。
我的做法是使用輸入在左側(cè)的規(guī)則重畫(huà)元件符號(hào)(圖8)。我還使用了獨(dú)立的電源與地符號(hào),以便減少雜亂現(xiàn)象,畢竟我們關(guān)心的是信號(hào)流向。大多數(shù)工程師理解555定時(shí)芯片內(nèi)部的功能。但如果你不知道,或者你認(rèn)為閱讀該原理圖的人不知道,那么你可以在元件內(nèi)部畫(huà)上一些或所有框圖。Altium/CircuitStudio允許你在原理圖符號(hào)上放置圖片,因此我在網(wǎng)上找到一個(gè)很好的555定時(shí)器框圖,經(jīng)過(guò)一些細(xì)微調(diào)整后我將它放進(jìn)原理圖符號(hào)中。我不得不遵循它們的引腳輸出結(jié)構(gòu),因此原理圖上有些跳接(圖9)。
圖8:修改圖7中的555定時(shí)器,將輸入放在左邊,輸出放在右邊,這樣原理圖流向更清晰。單獨(dú)的電源與地符號(hào)消除了走線的雜亂現(xiàn)象。
圖9:你可以在元件內(nèi)部畫(huà)一個(gè)框圖來(lái)展示它的功能。這可以像顯示一個(gè)集電極開(kāi)路輸出一樣簡(jiǎn)單,或者像顯示開(kāi)關(guān)電源芯片內(nèi)部功能一樣更復(fù)雜一些。一些CAD軟件包允許你將圖像粘貼到元件符號(hào)內(nèi)。
這里有個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。你可以用整個(gè)原理圖來(lái)表示元件內(nèi)部功能,或者要是對(duì)元件內(nèi)部功能不是很關(guān)心的話,可以想讓原理圖更簡(jiǎn)捷。我的想法是適當(dāng)在元件內(nèi)畫(huà)一些內(nèi)容,比如集電極開(kāi)路輸出,但重要的是保持整個(gè)原理圖清晰有條理,人們看起來(lái)容易理解。
好了,就剩最后一個(gè)模擬工程師的最?lèi)?ài)了。在大學(xué)里,John Kuras經(jīng)常開(kāi)玩笑說(shuō)功率晶體管應(yīng)該用粗一點(diǎn)的線畫(huà)得大一點(diǎn)。當(dāng)時(shí)我們都嗤之以鼻,但現(xiàn)在我確實(shí)喜歡用更大的符號(hào)顯示TO-3巨型封裝的晶體管(圖10)。成為模擬工程師就得接受重要性原則,而更大的晶體管更重要,而且畫(huà)起來(lái)更容易。
圖10:每個(gè)人都可以看出來(lái),右邊的晶體管是一個(gè)功率晶體管。
原理圖符號(hào)偏好就像是音樂(lè)偏好,它們非常個(gè)性化。這是你作為工程師的一種風(fēng)格。像跳接和晶體管上的圓圈等事情不是很重要,而諸如輸入在左邊和上邊、輸出在右邊和下邊等事情則比較重要。我們都在爭(zhēng)論如何處理既有輸入又有輸出的總線。我認(rèn)為地符號(hào)很重要。網(wǎng)上有篇應(yīng)用筆記,那篇筆記認(rèn)為如果你根據(jù)符號(hào)建議的那樣將它連接到大地,有可能燒壞二極管。
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