原理图:电路设计的基本元素

电气工程领域要学习的信息似乎是无限的。电气工程师最重要的技能之一就是能够读懂和创建原理图。在开始学习欧姆定律、叠加定理Δ-Y变换之前,您需要对如何读懂(和绘制)电路原理图有一个基本的了解。

我觉得维基百科对原理图的定义很全面:"原理图使用抽象图形符号(而非实际图片)来表示系统元素。原理图通常省略与原理图要传达的信息无关的所有细节,并且可能会增加有助于理解的不实际元素……在电子电路图中,图形符号的布局可能与电路中的不同。"

创建原理图时,请务必确保以合适的抽象水平来说明电路。如果您只是想传达一个高层概念,通过餐巾原理图便可实现。如果要创建一个仿真用原理图,需要特别注意细节 — 您需要清楚了解电源、信号源、元件值等细节。或者,如果要创建一个出版论文用的原理图,则需要进行适当修饰,在细节与抽象之间进行适当取舍。

说明用原理图

我创建过各种用于不同情况的原理图,通常根据所绘制原理图的类型来选择工具。如果我绘制的是报告、文章或博客帖子的内容,我更注重整洁和专业表现,而不一定包括电路仿真或构建所需的细节。我较常使用的是Digi-Key的Scheme-It。这款原理图工具侧重电气工程,能够快速轻松地将电路图汇集在一起。对我来说,添加或省略元件标签并找到可传达示意图相应细节层次的符号很简单。例如,在搜索电容时,我能够找到19个不同的符号。

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图1. Digi-Key的Scheme-It原理图工具

如果您觉得使用Scheme-It绘制的原理图很难完全符合您的要求,您可以将示意图导出到SVG,然后在 InkscapeAdobe Illustrator工具中编辑,手动进行调整。例如,Scheme-It中我的网络和终端排列不好,所以我就在Inkscape中清除掉内容,并将内容导出到PNG。

如需详细了解SVG语法,请访问http://www.w3schools.com/graphics/svg_intro.asp,非常适合入门阅读。Inkscape将允许您通过XML直接编辑SVG — 如果您正试图编辑SVG,就可以轻易了解它们背后的源代码。

绘制此类原理图的另一个理想选择是 Microsoft Visio。Visio是一个制图范围更为广泛的原理图工具,必须仔细搜索才能找到相应的电气元件。我在搜索时很走运,都能获得所需内容。Visio让我实现了对示意图的更多控制 — 我可以改变线宽、颜色等细节。使用过程中我没有遇到任何问题,但使用另一个工具我就需要修图了。不过,Visio的成本较高,学习曲线较长 — 从Scheme-It和Inkscape开始绘制报告、文章等内容的原理图是一个不错(低成本)的选择。

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图2. 在Inkscape工具中编辑原理图。

仿真用原理图

要进行电路仿真,需要一个可以创建原理图并具有关联网络列表 的工具。例如,SPICE仿真器 使用的网络列表文件通常包含示意图相关信息以及建模和仿真信息。一般来说,您必须更深入了解电路的具体细节才能顺利完成电路仿真。不使用通用运算放大器符号,您需要指定一些更为详尽的细节:向电源引脚提供什么电压?希望使用哪个特定的运算放大器进行仿真?为了观察在设计中加载的效果,要连接的电路输出是什么?

LTspice 是常用的SPICE仿真工具,提供大量信息便于您了解其使用 方法。您可以从LTspice IV 入门指南 (PDF)开始了解。但是如上文所述,您必须非常了解电路并确保已定义了输入信号、电源、仿真类型等细节。此外,SPICE工具也非常适用于模拟电路绘制和仿真,但在绘制混合信号电路或数字电路的示意图方面起不了太大作用。

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图3. LTspice电路仿真工具。

构建用原理图

如果要构建试验板或PCB(printed circuit board)这样的电路,需要使用可实现原理图与物理布局关联的工具。Fritzing是一个绝佳选择 — 非常容易学习,并且可以处理简单的PCB布局以及试验板布局。查找Fritizing教程的网络资源应该并不难,但我建议您从http://fritzing.org/learning/开始。

我通常从建立原理图开始。汇集好所需内容后,我开始在试验板 上工作,就像拼图一样。这是我最喜欢的Fritzing特点之一 — 我可 以快速查看试验板布局组合方式,然后再开始调整和去除电线。

为了构建电路而创建原理图时,您会注意到该工具想要包括设备上的每个引脚。因此,在图4的Fritzing屏幕截图中,有一些未连接的引脚(用红色表示)。Fritzing旨在让您了解试验板(或PCB),因此所有物理引脚都用符号表示,即使某些引脚可能未连接到任何电路。

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图4. Fritzing工具可实现原理图与PCB或试验板布局的关联。

像大多数物理布局工具一样,Fritzing可以使原理图设备和连接与布局视图同步。当您建立原理图时,试验板(和PCB)视图将显示浅色虚线,这些虚线用于指示需要接通电源的连接。

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图5. Fritzing工具提供电路的试验板视图。
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图6. 进行正确的原理图图解可以清楚记录工作电路。

虽然我希望本文对部分原理图相关工具的概述有用,但肯定还有很多其他工具没有涉及到。您日后可能会发现许多其他工具,而且可能会比我在本文中探讨的项目更有用。您可以与我联系,告知您发现了哪些有用的工具。

最后是电路测验。

继续我们刺激思维过程的传统,本月的测验是……

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在相同的戴维南等效网络上进行两次实验,并测量每种情况下的电流i。网络的戴维南等效电压和电阻是多少?

您可能很轻松就完成了这个测验,可以前去EngineerZone®的学子专区论坛上查看解答。

作者

Anne Mahaffey

Anne Mahaffey

Anne Mahaffey 在获得佐治亚理工学院的电气工程学士学位以及北卡罗来纳州立大学的电气工程硕士学位之后,于2003年加入ADI,担任直接数字合成产品的测试工程师。她于2013年加入在线设计工具部,一直负责研究仪表放大器钻石图工具和ADIsimDDS等工具。