1.1　电路板的基础知识

本节主要介绍电路板的功能和作用、电路板设计在就业中的重要性、电路板设计的特点和电路板设计的学习技巧等内容。

1.1.1　电路板的功能和作用

1．电子信息系统简介

电路板经常用于电子信息系统中，下面先对电子信息系统进行简要介绍。电子信息系统的典型结构如图1-1所示。

电子信息系统通常简称为电子系统，电子系统的工作流程如下。

（1）由传感器产生模拟信号。

（2）经过信号处理（例如信号的放大、滤波等）后，送到AD转换器转换成数字信号。

（3）把数字信号送到中央处理器（CPU）进行处理，同时使用按键调整电子系统的参数。

（4）根据处理后的结果控制继电器或电机工作，并把处理后的结果使用显示器件（例如数码管、液晶显示器等）进行显示，同时把处理后的结果送到存储芯片或U盘、硬盘进行存储。

很多CPU中集成了AD转换模块，所以不需要再单独使用AD转换器。传感器的种类有很多种，例如温度传感器、湿度传感器、电流传感器、电压传感器、光电传感器、光电编码器、摄像头、磁场传感器、磁栅尺传感器和光栅尺传感器等。信号处理包括信号的滤波、放大、限幅等。传感器产生的信号一般比较小，而AD芯片要求输入的信号在一定的幅度范围内，例如0～5V或0～3V等，所以需要把信号进行放大，才能够实现模拟信号到数字信号之间的转换。CPU本质上就是复杂的数字电路，其种类有很多种，例如单片机、DSP和ARM等。显示器件的种类有很多，例如数码管、发光二极管（Light Emitting Diode，LED）、液晶显示器和触摸屏等。显示器件的功能是显示参数的数值，例如使用数码管显示温度的数值、使用发光二极管指示电子系统的运行状况（绿灯表示电子系统运行正常，红灯表示电子系统出现报警等）、使用液晶显示器显示参数的变化曲线等。按键的功能是调整电子系统参数的数值。在实际的工程中，电子系统使用按键的数量根据实际的需求而定，不是固定不变的。有的电子系统比较简单，不需要按键，而有的电子系统只需要几个按键。控制机构有很多种，例如继电器、步进电机、直流电机、开关和电磁阀等。

电子信息系统的应用非常广泛，在家用产品、工业生产、宇宙探测、军事国防中都在大量使用各种类型的电子信息系统，例如家用的智能洗衣机、玉兔号月球车和祝融号火星车等。现在流行的电动汽车，也可以认为是一种非常复杂的电子信息系统。在电子信息系统的研发过程中，首先需要使用电路板设计软件（例如Altium Designer）设计电子元器件引脚之间的连接关系，画出电路板图；然后，把电路板图交给电路板生产厂家，电路板生产厂家根据电路板图生产电路板；最后，把电子元器件焊接在电路板上，并把程序烧写到CPU中，就完成了整个电子信息系统的设计过程。

2．电路板的功能

在电子信息系统中，电路板有以下3个功能。

（1）电路板是所有电子元器件的载体，起到固定电子元器件的作用，如图1-2所示。其中，图1-2（a）表示没有焊接电子元器件的电路板，可以看到电路板上有白色字符和正方形或长方形的白色方块。白色字符表示电子元器件的符号，而白色方块表示焊盘。在焊接电子元器件时，首先把电子元器件的引脚放置在电路板的焊盘上，然后使用电烙铁和焊锡把电子元器件的引脚和焊盘焊接在一起。图1-2（b）表示已经焊接好电子元器件的电路板。

（2）电路板用于实现电子元器件引脚之间的连接关系，即使用铜箔导线把所有电子元器件的引脚合理地连接在一起，如图1-3和1-4所示。图1-3表示使用Altium Designer软件画好的电路板图，图1-4表示已经制造好的电路板，在图中可以看到许多连线，这些连线使用铜金属制造，用来连接电子元器件的各个引脚，称为铜箔导线。在早期没有出现电路板这项技术之前，电子元器件的各个引脚使用金属导线连接，如图1-5所示。使用金属导线这种连接形式，明显存在两个缺陷：首先，金属导线容易折断，维护成本比较高；其次，如果元器件的引脚非常密集，例如图1-4中的元器件，无法使用金属导线进行焊接。

（3）电路板为电子元器件的插装、焊接、检查和维修等提供了识别字符和图形，如图1-3所示。图1-3中的黄色对象包括元器件的标号（U1、R1、C1等）、元器件的外形边框等。电路板图中的黄色对象会印刷在电路板上，在电路板上呈现白色，如图1-4所示。

1.1.2　电路板设计在就业中的重要性

有关硬件工程师、单片机工程师、数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）工程师、嵌入式工程师和印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）设计工程师等电子硬件的相关岗位，都要求掌握电路板设计软件的使用。电路板的设计是硬件工程师必须掌握的基本技能之一。一般来说，大公司的职位分得比较细，有专门设计电路板图的岗位。而在一些小公司，硬件工程师负责的工作比较多，如从电路板的画图、元器件的焊接和调试、CPU的程序编写等。在图1-6中，图（a）表示硬件工程师岗位对电路板设计软件Altium Designer的要求；图（b）表示硬件Layout工程师岗位（即PCB设计工程师，该岗位只负责电路板的设计）对电路板设计软件Altium Designer的要求。这里需要说明的是，电路板设计软件Altium Designer早期版本的名字包括Protel、Protel 99 SE和Protel 99等。

1.1.3　电路板设计的特点

电路板的设计具有以下3个特点。

（1）电路板设计具有实用性，很多公司需要电路板设计工程师。电路板设计这项技术是电子类专业的基础课程，需要学生熟练掌握。

（2）电路板设计具有工程性的特点。电路板设计软件的使用直接为工程实践服务，与电子信息系统的实际需求密切相关。

（3）电路板设计技术的掌握需要理论学习和实验操作相互配合。

1.1.4　电路板设计的学习技巧

电路板设计的学习技巧总结如下。

（1）电路板设计需要从实际工程应用出发。在具体的工程中，可根据实际的需求设计电路板的各项参数，例如电路板的形状、电路板的面积和电路板的层数等。

（2）在学习电路板的设计时，应该根据从简单到复杂的原则，逐步提高电路板设计的水平。首先，熟悉电路板设计软件Altium Designer的基本流程；然后，能够设计简单的两层电路板；最后，能够设计复杂的四层、六层乃至更多层的电路板。电路板设计的掌握程度一般有三个阶段，即了解、熟练和精通。一般来说，初学者通过在学校的学习，并积极参加各项电子竞赛等活动，通过绘制多个电路板达到熟练的程度。对于精通这个阶段，只有在工作岗位中，通过至少三年的工作，画过几十个各种类型的电路板图，不断积累工程经验，逐步提高对电路板设计的理论和技术的理解程度，才能够达到精通的阶段。只通过在学校的学习和一些电子竞赛题目的练习，很难达到精通的程度。

（3）在学习电路板的设计时，需要熟练掌握电路板设计软件的使用技巧和快捷键。正确使用电路板设计软件的操作技巧和快捷键，能够极大地提高画图效率。例如，原理图中元件标号的标注问题，如果使用人工标注，不仅花费大量的时间，而且容易出现重复的标号；如果使用Altium Designer软件的自动标注功能，能够快速地完成元件标号的标注，而且不会出错。

（4）在进行电路板的设计时，对于遇到的问题需要先独立思考一段时间，如果不能自行解决，可以与同学、老师多学习和交流，快速提高自己的设计水平。此外，现在的网络非常发达，初学者遇到的问题常常在网上就能够搜索到答案，所以通过网络查询相关的问题和解决方案，也是一个非常好的学习方法。

（5）本书仅仅介绍电路板设计软件的使用方法，为了更好地掌握电路板的设计，还需要学习电路板设计的电磁兼容原理。电路板电磁兼容原理的教材有很多，例如，田广锟等人编写的《高速电路PCB设计与EMC技术分析》、庄奕琪编写的《电子设计可靠性工程》的第8章、吴建辉编写的《印制电路板的电磁兼容性设计》等。