Altium Designer在中職電子技能教學(xué)中的應(yīng)用

葉 綠

（集美輕工業(yè)學(xué)校， 福建 集美 361022）

Altium Designer在中職電子技能教學(xué)中的應(yīng)用

葉 綠

（集美輕工業(yè)學(xué)校， 福建 集美 361022）

拋在傳統(tǒng)的中職電子技能課程教學(xué)中，由于電路原理知識(shí)抽象、理論學(xué)習(xí)枯燥乏味，造成教師講授難，學(xué)生學(xué)習(xí)難以理解消化等“教與學(xué)、學(xué)與做脫節(jié)”等普遍的現(xiàn)象。而將Altium Designer一體化電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件引入電子技能教學(xué)中，使得教師在做中教，學(xué)生在做中學(xué)，利用軟件的電路原理圖輸入、PCB設(shè)計(jì)、電路仿真等一體化的功能，可以使得電路原理的學(xué)習(xí)形象易懂，電路板的布局布線直觀，電路的調(diào)試步驟明確等。同時(shí)，在項(xiàng)目一體化的教學(xué)過(guò)程中，可以讓學(xué)生了解電子產(chǎn)品從原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、電路板制作、電路調(diào)試的整個(gè)過(guò)程，為學(xué)生走上電子專業(yè)的工作崗位打下良好的基礎(chǔ)。文章中筆者對(duì)傳統(tǒng)中職電子技能課程教學(xué)做一個(gè)簡(jiǎn)要的分析，對(duì)Altium Designer軟件的特點(diǎn)做介紹，并以一個(gè)簡(jiǎn)單的電子技能項(xiàng)目的教學(xué)為例子，闡述Altium Designer軟件在教學(xué)中的應(yīng)用過(guò)程。

中等職業(yè)學(xué)校 ；電子技能教學(xué) ； Altium Designer軟件；電路仿真

1 中職學(xué)校電子技能教學(xué)的現(xiàn)狀

近年中職學(xué)校生源素質(zhì)普遍不高，由于學(xué)習(xí)基礎(chǔ)差，上課聽(tīng)不懂，作業(yè)不會(huì)做，學(xué)習(xí)毫無(wú)興趣，以致產(chǎn)生厭學(xué)情緒。他們認(rèn)為只要考試及格就有畢業(yè)證，沒(méi)有了進(jìn)取心，學(xué)習(xí)上缺乏主觀能動(dòng)性。這使得學(xué)校正常的教學(xué)計(jì)劃及教學(xué)內(nèi)容難以按要求完成，在嚴(yán)重影響學(xué)校的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，也導(dǎo)致了學(xué)生總體實(shí)際操作技能水平的不高，離開(kāi)學(xué)校走上社會(huì)后無(wú)法適應(yīng)崗位的要求。而《電子技能》是理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的綜合性課程，不僅要求學(xué)生掌握相應(yīng)的電子專業(yè)的理論知識(shí)，而且要求學(xué)生能夠熟練的動(dòng)手實(shí)踐，掌握具體電路的制作、調(diào)試和故障檢修等技能。在傳統(tǒng)的電子技能課程的教學(xué)中，在完成一個(gè)電路制作與調(diào)試過(guò)程中，在教學(xué)方法上是以老師為中心，課上老師從電路原理到制作電路的方法、步驟、注意事項(xiàng)甚至到電路制作過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題都要無(wú)所不包地進(jìn)行講解。由于現(xiàn)今的中職生基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)較差，學(xué)習(xí)能力欠缺，無(wú)法全面掌握課程的理論基礎(chǔ)知識(shí)，更不能詳盡地分析電路的工作原理，導(dǎo)致學(xué)生課上只是完全機(jī)械、被動(dòng)地按照教師的講解進(jìn)行操作，遇到問(wèn)題時(shí)無(wú)法動(dòng)腦筋思考，而是急于讓老師幫著解決。這樣的教學(xué)現(xiàn)狀不利于學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的掌握和實(shí)踐技能的培養(yǎng)。將Altium Designer軟件引入電子技能課程的教學(xué)中，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使得學(xué)生在教師的引導(dǎo)下主動(dòng)思考，自主進(jìn)行電路圖的繪制、印制電路板的設(shè)計(jì)，并在電路的仿真中進(jìn)一步理解電路的工作原理，并可以對(duì)電路的調(diào)試步驟和方法做一個(gè)提前的模擬，使得學(xué)生在“做中學(xué)，做中教”的教學(xué)過(guò)程中切實(shí)的掌握電路理論知識(shí)，提升實(shí)踐動(dòng)手能力。

2 Altium Designer 軟件介紹

Altium Designer 是原Protel軟件開(kāi)發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，主要運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)上。這套軟件通過(guò)原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)的完美融合，為設(shè)計(jì)者提供了全新的設(shè)計(jì)解決方案，使設(shè)計(jì)者可以輕松進(jìn)行設(shè)計(jì)。熟練使用這一軟件必將使電路設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率大大提高。Altium Designer 除了全面繼承包括Protel 99SE、Protel DXP在內(nèi)的先前一系列版本的功能和優(yōu)點(diǎn)外，還增加了許多改進(jìn)和很多高端功能。該平臺(tái)拓寬了板級(jí)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)界面，全面集成了FPGA設(shè)計(jì)功能和SOPC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能，從而允許工程設(shè)計(jì)人員能將系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的FPGA與PCB設(shè)計(jì)及嵌入式設(shè)計(jì)集成在一起。如下圖1所示為Altium Designer軟件界面。

圖1 Altium Designer軟件界面

Altium Designer從功能上分為以下幾個(gè)部分：電子電路原理圖（SCH）設(shè)計(jì)、電子電路原理圖仿真、印制電路板（PCB）設(shè)計(jì)、電子電路實(shí)現(xiàn)前后的信號(hào)完整性分析和可編程邏輯器件（FPGA）設(shè)計(jì)等。它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）Altium Designer將原理圖編輯、PCB的繪制及打印等功能有機(jī)的結(jié)合在一起，形成了一個(gè)集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

（2）Altium Designer的原理圖編輯不僅用于電子電路的原理圖設(shè)計(jì)，還可以輸出設(shè)計(jì)PCB必需的網(wǎng)絡(luò)表文件，設(shè)定PCB設(shè)計(jì)的電氣法則。

（3）Altium Designer的PCB編譯器提供了元器件的自動(dòng)和交互布局，提供了多種布線模式，適合不同情況的需要。

（4）Altium Designer可以通過(guò)原理圖編輯器的設(shè)計(jì)同步器實(shí)現(xiàn)與PCB的同步。

（5）Altium Designer提供了豐富的元器件庫(kù)，還提供了強(qiáng)大的庫(kù)元件查詢功能，并且支持以前低版本的元器件庫(kù)。

（6）Altium Designer具有強(qiáng)大的電路仿真功能，可用實(shí)現(xiàn)模擬、數(shù)字電路仿真及數(shù)模混合電路仿真，并可用方便的實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果的分析。

Altium Designer 不但是一個(gè)很好的工程應(yīng)用及科研平臺(tái)，而且它也是一個(gè)非常好的教學(xué)平臺(tái)。主要有以下的幾方面原因：其一，通過(guò)該平臺(tái)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以系統(tǒng)全面的掌握電子線路設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段，在他們進(jìn)入工作崗位后，能很容易的學(xué)習(xí)和使用其他廠商的相關(guān)EDA工具。其二，Altium Designer的人機(jī)交互功能非常強(qiáng)大，學(xué)生在使用Altium Designer學(xué)習(xí)電子線路的過(guò)程中，當(dāng)接觸到一些比較抽象的理論知識(shí)時(shí)，可用很容易通過(guò)友好的人機(jī)交互界面，使得對(duì)抽象理論知識(shí)的學(xué)習(xí)變得淺顯易懂。

3 Altium Designer 在電子技能教學(xué)中的具體應(yīng)用

在中職學(xué)校的電子技能課程的教學(xué)過(guò)程中，通常是以一個(gè)電子電路項(xiàng)目的制作和調(diào)試為單元組織教學(xué)。在電路的制作過(guò)程中，通常包括電路原理圖的認(rèn)識(shí)、電路原理的學(xué)習(xí)、印制電路板的設(shè)計(jì)和制作、電路的焊接及調(diào)試等幾個(gè)方面。而Altium Designer強(qiáng)大的一體化的功能，其中包括的電路原理圖的輸入、印制電路板的設(shè)計(jì)、印制電路板的3D預(yù)覽、電路的仿真及各種電路報(bào)表文件的生成等功能十分適合應(yīng)用在電子技能的教學(xué)中。以下以Altium Designer軟件在電子技能教學(xué)中三極管放大電路的制作與調(diào)試為例子具體進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 電路原理圖的輸入

在電路的制作之前，需要學(xué)生對(duì)電路結(jié)構(gòu)、電路的元件有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)。此時(shí)，可以利用Altium Designer的原理圖設(shè)計(jì)輸入功能，教師指導(dǎo)學(xué)生輸入電路原理圖，學(xué)生在電路原理圖的輸入過(guò)程中，可以加深對(duì)電路結(jié)構(gòu)、電路元件參數(shù)、電路元件封裝的認(rèn)識(shí)和了解。如圖2、3所示，圖2為器件電路圖符號(hào)和其對(duì)應(yīng)的封裝示意圖，圖3為輸入完成的三極管放大電路原理圖。

圖2 電阻的電路符號(hào)和封裝圖

圖3 三極管放大電路的原理圖輸入

3.2 印制電路板（PCB）的設(shè)計(jì)

在完成電路原理圖的輸入后，學(xué)生掌握了電路結(jié)構(gòu)，電路元件的封裝信息后，可以進(jìn)行印制電路板的設(shè)計(jì)。印制電路板的設(shè)計(jì)主要包括元件的布局，電路的布線兩個(gè)方面。在傳統(tǒng)的電子技能教學(xué)中，進(jìn)行元件布局和電路布線時(shí)，通常采用的是在紙上進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)，多次修改后再將電路的PCB圖畫(huà)在電路板上，采用這樣的方式效率低下而且容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。而使用Altium Designer軟件的印制電路板設(shè)計(jì)功能，可以將元件由輸入完成的正確的原理圖中直接導(dǎo)入到PCB圖中，保證了PCB設(shè)計(jì)中電路連線的正確性。并且在Altium Designer軟件的PCB圖設(shè)計(jì)界面下，對(duì)元件可以方便的進(jìn)行拖曳、翻轉(zhuǎn)等操作，大大提高了PCB圖設(shè)計(jì)的效率。如圖4所示為完成布局的PCB圖。在布線的過(guò)程中，Altium Designer軟件可以防止學(xué)生發(fā)生連線錯(cuò)誤等問(wèn)題，同時(shí)，Altium Designer還可以根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行自動(dòng)的布線，學(xué)生可以先使用自動(dòng)布線功能進(jìn)行布線，再根據(jù)實(shí)際要求對(duì)自動(dòng)布線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行手工布線的調(diào)整，在調(diào)整的過(guò)程中可以加深對(duì)PCB布線要求的理解。如圖5所示為完成布線的PCB圖。Altium Designer軟件還可以生成電路板的3D預(yù)覽視圖，通過(guò)觀察3D視圖，對(duì)即將制作的電路的元件分布，電路板大小，和導(dǎo)線的走線可以有個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，同時(shí)，可以在電路板實(shí)際制作之前發(fā)現(xiàn)電路布局布線不合理之處進(jìn)行修改，提高學(xué)生制作電路板的成功率。

圖4 完成布局的PCB圖

圖5 完成布線的PCB圖

3.3 電路仿真

在電路板制作完成后，電路調(diào)試之前，學(xué)生必須掌握電路的工作原理，由于電子線路知識(shí)和現(xiàn)象相對(duì)比較抽象，加上中職學(xué)校的學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)薄弱且抽象思維能力較弱，所以電路工作原理一直是中職電子技能課程教學(xué)的難點(diǎn)。在傳統(tǒng)的電子技能課程中，電路工作原理的講授通常是教師在黑板上畫(huà)出電路原理圖和相應(yīng)的信號(hào)波形圖，然后開(kāi)始講解電路的工作原理及各個(gè)電路節(jié)點(diǎn)的信號(hào)波形變化。當(dāng)電路的元件參數(shù)改變時(shí)，重新畫(huà)出對(duì)應(yīng)的信號(hào)波形圖進(jìn)行講解，學(xué)生對(duì)著黑板，使用筆和紙進(jìn)行記錄。采用這樣的方式進(jìn)行電路原理圖的講解，教師講授難、效率低下，內(nèi)容抽象枯燥學(xué)生難理解，容易聽(tīng)了后面忘了前面，造成教學(xué)效果差進(jìn)而影響后續(xù)電路調(diào)試等任務(wù)的進(jìn)行。而使用Altium Designer軟件的電路仿真功能，在完成電路原理圖的輸入后，教師可以在講授電路原理圖的過(guò)程中進(jìn)行電路仿真，軟件可以方便準(zhǔn)確的在仿真過(guò)程中顯示各個(gè)電路節(jié)點(diǎn)的信號(hào)波形，直觀的顯示電路的工作原理，同時(shí)學(xué)生在教師的指導(dǎo)下可以在學(xué)習(xí)過(guò)程中進(jìn)行電路仿真，教師在做中教，學(xué)生在做中學(xué)，使得原本枯燥抽象的電路原理講解過(guò)程直觀形象化，而且使用Altium Designer進(jìn)行電路仿真可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，變?cè)颈粍?dòng)的接受過(guò)程為主動(dòng)學(xué)習(xí)探究過(guò)程，大大提高教學(xué)的效率，突破教學(xué)的難點(diǎn)。?

圖6 仿真電路原理圖

圖7 放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)仿真

如圖6所示，為仿真的電路原理圖。圖7為三極管放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)的仿真分析表。圖8為電路的輸入輸出波形仿真圖，圖9為電路的頻率響應(yīng)仿真圖。學(xué)生在初步掌握了電路的工作原理之后，在教師的指導(dǎo)下，可以經(jīng)一步比較深入的探究電路，加深對(duì)電路的理解，為實(shí)際電路的調(diào)試是做好準(zhǔn)備。例如，在仿真軟件中，學(xué)生可以對(duì)關(guān)鍵元件的參數(shù)進(jìn)行方便的替換和改變，從而仿真出電路關(guān)鍵元件參數(shù)對(duì)電路影響，如圖10所示的是電路的負(fù)載電阻RL變化時(shí)，電路的頻率響應(yīng)的變化，從而可以直觀的看出負(fù)載電阻RL的大小改變對(duì)電路增益的影響。

圖8 電路輸入輸出波形仿真圖

圖9 電路頻率響應(yīng)仿真圖

圖10 RL變化時(shí)頻率響應(yīng)掃描圖

學(xué)生在經(jīng)過(guò)電路仿真，較好的掌握電路原理和電路關(guān)鍵參數(shù)后，在實(shí)際電路調(diào)試前，可以通過(guò)Altium Designer對(duì)電路中的關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)的波形進(jìn)行仿真（模擬調(diào)試）。這樣學(xué)生在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，對(duì)調(diào)試的步驟和電路的正常現(xiàn)象就可以做到心中有數(shù)，當(dāng)調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，也可以通過(guò)與仿真結(jié)果的比對(duì)來(lái)較快的找到故障點(diǎn)。

3.4 電路相關(guān)設(shè)計(jì)文件的輸出

在電路的PCB圖設(shè)計(jì)完成后，可以利用Altium Designer軟件提供的報(bào)表功能，生成一系列的報(bào)表文件，這些報(bào)表文件有著不同的功能和用途，為印制電路板的后期制作、元件采購(gòu)、文件交流等提供了方便。常見(jiàn)的報(bào)表文件有元件報(bào)表、Geber文件等。如圖11所示為三極管放大電路的元件報(bào)表（元器件清單）。

圖11 元器件清單報(bào)表

圖12 Geber文件

圖13 電路制板機(jī)制作電路板

圖14 導(dǎo)入電路制作文件

Geber文件是一種符合EIA標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)把PCB圖中的布線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為膠片的光繪數(shù)據(jù)，可以被光繪機(jī)處理的文件。PCB生產(chǎn)廠商使用這種文件進(jìn)行PCB制作。如今，很多的學(xué)校的實(shí)訓(xùn)室已經(jīng)或者即將配備小型自動(dòng)PCB制板機(jī)用來(lái)制作學(xué)生實(shí)訓(xùn)用的印制電路板。而Altium Designer 軟件生成的Geber文件，可以很方便的用于印制電路板的制作。圖12 是Altium Designer軟件生成的Geber文件，圖13是電路板機(jī)制作電路板示意圖，圖14是將Geber文件導(dǎo)入制板機(jī)后形成的制作文件示意圖。

4 結(jié)語(yǔ)

在中職的電子技能課程的項(xiàng)目教學(xué)過(guò)程中，在原理圖的輸入，PCB圖的設(shè)計(jì)、電路工作原理的講授、電路板的制作、電路調(diào)試等教學(xué)環(huán)節(jié)引入Altium Designer軟件，可以使得電路原理的學(xué)習(xí)形象易懂，電路板的布局布線直觀，電路的調(diào)試步驟明確，同時(shí)可以極大的提高學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性、提高教學(xué)的效率，使得學(xué)生在做中學(xué)，教師在做中教，極大的改善教學(xué)效果。

[1]何賓.Altium Designer 13.0 電路設(shè)計(jì)、仿真與驗(yàn)證權(quán)威指南[M].北京：清華大學(xué)出版社.

[2]雍楊，陳曉鴿.Altium Designer 電路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)教程[M].北京：科學(xué)出版社.

G712

A

1007-550X（2015）12-0043-05

10.3969/j.issn.1007-550X.2015.12.003

2015-10-20

葉綠（1979-），男，福建漳州人，講師，主要從事中職學(xué)校電工電子教學(xué)工作。