基于Altium Designer 的《電子電路設計》教學研究—以失真效果器的設計為例

張冉

（濱州學院電氣工程學院，山東濱州，256600）

0 引言

《電子電路設計》是高等學校工科弱電專業的一門專業技術課。通過該課程的學習使學生掌握電子技術職業崗位所需的專業基礎理論和電子裝接、電子產品生產管理、PCB設計制作及微控制器應用等專業技能，具有電子產品的生產裝配、調試檢驗、安裝維修等較強實際應用能力，從事電子產品的生產、設備維護、生產管理、技術開發、營銷服務等崗位工作。為了建設以航空為主要特色的高水平應用型大學，我校開設了《電子電路設計》課程，共32 學時。為了有效激發學生學習《電子電路設計》的興趣和積極性，本文將Altium Designer 軟件引入課程的教學和課程設計中，以電吉他中應用的失真效果器為例進行電子電路的設計，將課本理論知識與實際應用相結合，鍛煉了學生的動手能力，提高了學生的電子電路設計水平。

1 失真效果器的基本原理

失真主要分為線性失真和非線性失真兩類，線性失真的原理是將小信號按比例放大后輸出波形，雖然聲波的形狀沒有改變，但它與原始波形的大小不同，相比也是一種失真。這種失真沒有使波形發生形變，我們是可以接受的，不然我們將無法將信號放大。非線性失真是將信號的波形進行切割，非線性失真又分為飽和失真和截止失真，其中飽和失真和截止失真都是使輸出信號不完整。

失真效應的原理是通過非線性失真來到達目的的，通過吉他信號進入前級放大階段，通過前級放大器對音色進行處理，并將處理后的信號用均衡器整形得到，最后再由后級放大器放大后輸出。此外，失真是在不影響任何音頻信號的時域信息的情況下切斷音頻信號的幅度。所以只需增大吉他輸入信號讓他達到飽和狀態，就能產生失真音色。

2 單塊失真效果器電路的設計

失真效果器的電源電壓為9V 直流電源，通過變壓器將220V 交流電轉化成9V 直流電，輸入阻抗為200Ω，輸出阻抗10Ω，消耗電流1.5 ～50mA，噪聲電平小于50 ～1dB，最大輸入電平1V，最大輸出電平1V。本失真效果器通過兩個電路板來實現，主板是一個非線性失真電路，底板是一個觸發翻轉電路，通過這兩個電路，即可完成吉他音色的失真功能。

2.1 失真電路的設計

圖1 音量的控制電路

圖2 失真度的控制電路

本效果器的主板是一個非線性失真電路，當輸入交流信號較大時，由于靜態工作點設置過高，信號正半周使器件進入飽和區而造成的波形失真，用兩個JRC 4580DD 運算放大器和兩個電位器，來調節失真電路中輸入信號的音量VOL，如圖1 所示。圖2 為失真度控制電路，其原理是通過一個電位器來調節失真電路中輸入信號的音調TONE。本電路通過一個排針實現兩塊電路板供電問題，通過排線，將觸發翻轉電路上的9V 電源供給失真電路板。本電路還通過一個撥擋開關K1 來控制電路，實現過載，失真與金屬音色的切換。

2.2 觸發翻轉電路的設計

本電路底板為觸發翻轉電路，目的是驅動繼電器切換。本電路通過一個觸發翻轉電路和一個TIANBO HJR1-2C L-09V 信號繼電器來實現電路的觸發翻轉。信號的輸入與輸出通過一個輸入端口和一個輸出端口，此電路板還接入一個踩釘，通過踩釘來控制效果器的開啟與關閉。如圖3 所示。

圖3 輸入輸出端口與踩釘開關電路

2.3 失真單塊效果器總電路設計

本效果器通過兩塊電路板實現，兩電路板通過一個排針連接，失真電路從信號輸入后進入放大電路，當輸入交流信號較大時，因靜態工作點設置過高，信號正半周使器件進入飽和區而造成的波形失真，失真度通過電位器控制。失真的波形通過干簧繼電器和音調電位器，進入集成放大電路，通過音量電位器調節音量的大小，最后經輸出端輸出，失真總電路圖如圖4 所示。

觸發翻轉電路通過輸入端口輸入，進入信號繼電器電路，通過信號繼電器與輸出端口相連。信號繼電器電路通過一個踩釘來控制效果器的開關，運用觸發翻轉電路來驅動繼電器的切換，從而實現效果器的開關。

3 失真單塊效果器PCB 板的制作

3.1 PCB 板的設計

電路設計完成后，首先需要對電路板的工作原理進行設計，并用Altium Designer 17 軟件編寫電路原理圖。原理圖的設計以各部件的電氣性能為基礎，根據需要合理設置，通過設計圖紙準確反映PCB 的重要功能及各部件之間的關系。然后繪制系統中沒有自己定義的非標準設備的包庫，接著設置PCB 設計的環境，并繪制印刷電路的版框，調出將要使用的PCB 庫文件，轉入網格表文件，修改零件封裝。根據情況進行適當調整，然后鎖定所有設備。設置布線規則，自動布線，然后調整不適當的位置。在所有過孔和焊盤中填充眼淚，放置覆銅區域，制作最后一個DRC，然后保存文件。

3.2 PCB 板的刻錄

電路設計好后，導出PCB 銅鉑圖，使用激光打印機，用鋼鋸裁剪覆銅板到合適大小，用銼刀將裁剪好后覆銅板邊框的毛刺修整光滑，把PCB 銅鉑圖打印到熱轉印紙上，然后將覆銅板有覆銅的一面用洗滌劑清洗干凈。把打印完成的熱轉印紙有圖的一面平鋪到PCB 板有覆銅的一面，用膠帶固定一個邊，選擇一個光滑平整的工作臺，將覆好熱轉印紙的PCB 板放置在工作臺上面，加熱電熨斗，用電熨斗熨燙電路板有紙的一面，先加熱30 秒左右，然后慢慢移動電熨斗，讓覆銅板升溫均勻，電熨斗來回熨幾次，等電路板恢復至室溫時將紙慢慢撕下來，將三氯化鐵晶體和水按體積比3：5 的比例配成溶液，倒入事先準備好的容器中，然后將電路板放到盆中進行腐蝕。用鉆孔器對刻好的電路板進行鉆孔，用細砂紙打磨，把銅線上的油墨除去，用酒精把打磨后殘留的油墨清洗去除。在打磨好的電路板有銅箔的一面刷上一層松香酒精液，此時PCB 電路板就已刻錄完成。

圖4 失真總電路圖

3.3 失真單塊效果器實物圖的組裝

PCB 電路板刻錄完成后，將各元器件焊接到電路板上，如圖5 焊接完成后，對焊接后的電路板進行檢查，檢查無誤后將兩電路板通過排線連接起來。兩塊電路板連接完成后，裝入事先焊接好的鐵盒內，將每個重要的元器件都固定好，在鐵盒外標記好每一個旋鈕的功能。

圖5 單塊失真效果器實物圖

4 結論

本文將Altium Designer 軟件引入《電子電路設計》課程設計教學中，針對電吉他中應用的單塊效果器進行了設計，繪制了原理圖，并制作了PCB 電路板。通過實際電子電路的制作可以使學生加深對電子電路設計知識點的掌握，同時鍛煉了學生的動手能力和創新思維。