第04章-原理图设计基础
第四章：原理图设计基础
4.1 原理图设计概述
4.1.1 什么是原理图
原理图（Schematic）是电子电路的图形化表示，它使用标准化的符号来表示电子元器件及其相互连接关系。原理图是PCB设计的基础，它定义了电路的电气连接，但不涉及物理布局。
原理图的作用：
- 描述电路的功能和结构
- 记录元器件之间的电气连接
- 作为PCB布局的输入
- 提供电路文档和维护参考
- 便于电路分析和故障排查
4.1.2 原理图设计流程
在KiCad中，原理图设计遵循以下基本流程：
1. 规划设计
├── 分析电路需求
├── 选择元器件
└── 规划原理图结构
↓
2. 绘制原理图
├── 放置元器件符号
├── 连接导线和网络
├── 添加电源和地符号
└── 添加标签和注释
↓
3. 元器件配置
├── 设置参考标号
├── 配置参数值
└── 分配封装
↓
4. 检查与验证
├── 运行电气规则检查(ERC)
├── 检查设计警告
└── 修复发现的问题
↓
5. 输出文档
├── 生成网表
├── 导出BOM
└── 打印原理图
4.1.3 Eeschema界面介绍
启动原理图编辑器后，您将看到以下界面组成：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 菜单栏 │ 文件 │ 编辑 │ 视图 │ 放置 │ 检查 │ 工具 │ 帮助 │ │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 主工具栏 │ [图标] [图标] [图标] [图标] [图标] ... │
├─────┬───────────────────────────────────────────────┬───────┤
│ │ │ │
│ 左 │ │ 右 │
│ 侧 │ 原理图绘图区 │ 侧 │
│ 工 │ │ 面 │
│ 具 │ │ 板 │
│ 栏 │ │ │
│ │ │ │
├─────┴───────────────────────────────────────────────┴───────┤
│ 状态栏 │ X: 100.00mm │ Y: 50.00mm │ 缩放: 1:1 │ 网格: 2.54mm│
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
主要界面元素：
- 菜单栏：提供所有功能的访问入口
- 主工具栏：常用操作的快捷按钮
- 左侧工具栏：绘图工具选择
- 绘图区：原理图编辑的主要工作区
- 右侧面板：属性编辑和元器件搜索
- 状态栏：显示坐标、缩放等信息
4.2 基本操作
4.2.1 导航与视图控制
缩放操作：
鼠标滚轮 : 缩放视图
Ctrl + 滚轮 : 水平滚动
Shift + 滚轮 : 垂直滚动
Home : 适合整个原理图
F1 : 放大
F2 : 缩小
F3 : 刷新视图
F4 : 缩放至选择范围
平移操作：
中键拖动 : 平移视图
右键拖动 : 平移视图
方向键 : 微调平移
视图操作快捷键：
Ctrl + 0 : 缩放至适合
Ctrl + 1 : 缩放至1:1
Ctrl + + : 放大
Ctrl + - : 缩小
4.2.2 网格设置
网格是原理图设计的基础，帮助对齐元器件和导线。
设置网格：
菜单：View → Grid Settings
推荐网格设置：
- 元器件放置：50mil (1.27mm)
- 导线绘制：50mil (1.27mm)
- 精细调整：25mil (0.635mm)
网格快捷键：
N : 切换网格显示
Shift + N : 切换网格捕捉
G : 快速切换网格大小
4.2.3 选择与编辑
选择操作：
单击 : 选择单个对象
框选（左→右） : 选择完全在框内的对象
框选（右→左） : 选择与框相交的对象
Ctrl + 单击 : 添加/移除选择
Shift + 单击 : 连续选择
Ctrl + A : 选择全部
Esc : 取消选择
编辑操作：
M : 移动选中对象
C : 复制选中对象
R : 旋转（逆时针90°）
X : 水平翻转
Y : 垂直翻转
E : 编辑属性
Delete : 删除选中对象
Ctrl + D : 复制并放置
4.2.4 撤销与重做
Ctrl + Z : 撤销
Ctrl + Y : 重做（或Ctrl + Shift + Z）
4.3 放置元器件符号
4.3.1 添加元器件
使用快捷键添加：
步骤：
1. 按A键打开"添加符号"对话框
2. 在搜索框输入元器件名称或型号
3. 选择合适的符号
4. 点击OK或双击符号
5. 在画布上点击放置
6. 按Esc退出放置模式
搜索技巧：
精确搜索：
输入 "LM7805" 查找特定型号
通配符搜索：
输入 "*555*" 查找包含555的所有符号
输入 "R*" 查找以R开头的符号
按库搜索：
输入 "Device:R" 指定Device库中的R
按类别搜索：
使用筛选器按类别过滤
常用元器件符号：
| 元器件 | 符号名称 | 库 |
|---|---|---|
| 电阻 | R | Device |
| 电容 | C | Device |
| 极性电容 | CP、C_Polarized | Device |
| 电感 | L | Device |
| LED | LED | Device |
| 二极管 | D | Device |
| NPN三极管 | Q_NPN_BCE | Device |
| PNP三极管 | Q_PNP_BCE | Device |
| N沟道MOS | Q_NMOS_GDS | Device |
| 运算放大器 | Opamp | Amplifier_Operational |
| 稳压器 | LM7805 | Regulator_Linear |
| 555定时器 | NE555 | Timer |
| ATmega328P | ATmega328P-AU | MCU_Microchip_ATmega |
4.3.2 放置电源符号
电源符号是特殊的符号，用于表示电源网络。
添加电源符号：
步骤：
1. 按P键打开"添加电源符号"对话框
2. 选择所需电源符号
3. 点击放置
常用电源符号：
| 符号 | 用途 |
|---|---|
| VCC | 正电源（通常5V） |
| VDD | 正电源（数字IC） |
| +5V, +3.3V, +12V | 特定电压电源 |
| GND | 参考地 |
| GNDA | 模拟地 |
| GNDPWR | 功率地 |
| Earth | 大地接地 |
4.3.3 元器件属性编辑
编辑属性：
步骤：
1. 双击元器件或按E键
2. 在属性对话框中修改：
- Reference（参考标号）
- Value（值）
- Footprint（封装）
- 其他自定义字段
3. 点击OK确认
重要属性说明：
Reference（参考标号）：
格式：字母前缀 + 数字
示例：R1, C1, U1, Q1
规则：同类元器件使用相同前缀
Value（值）：
电阻：1k, 10k, 4.7k, 100R
电容：100nF, 10uF, 1pF
IC：显示型号如NE555
Footprint（封装）：
格式：库名:封装名
示例：Resistor_SMD:R_0603_1608Metric
4.3.4 元器件操作
旋转和翻转：
R : 逆时针旋转90°
Shift + R : 顺时针旋转90°
X : 水平翻转
Y : 垂直翻转
移动和对齐：
M : 移动（断开连接）
G : 拖动（保持连接）
Ctrl + M : 精确移动（输入坐标）
复制操作：
C : 复制
Ctrl + C : 复制到剪贴板
Ctrl + V : 从剪贴板粘贴
Ctrl + D : 重复上一次操作
4.4 绘制连接
4.4.1 绘制导线
导线（Wire）用于连接元器件引脚。
绘制导线：
步骤：
1. 按W键进入画线模式
2. 点击起始引脚
3. 移动鼠标，点击添加拐点
4. 双击或点击目标引脚完成连线
5. 按Esc退出画线模式
画线技巧：
- 默认为90°正交画线
- 按空格键切换画线模式（45°/90°/自由）
- 按Backspace删除上一个拐点
导线模式：
模式1：水平/垂直优先
├────┐
│
模式2：垂直/水平优先
│
└────
模式3：45°斜线
╲
╲
4.4.2 使用总线
总线（Bus）用于表示一组相关的信号线。
创建总线：
步骤：
1. 按B键进入画总线模式
2. 绘制总线线条
3. 添加总线入口连接信号线
总线命名规则：
格式：名称[起始..结束]
示例：
DATA[0..7] : 8位数据总线
ADDR[0..15] : 16位地址总线
D[0..31] : 32位总线
总线入口：
/ : 添加总线入口
连接总线和单根信号线
4.4.3 网络标签
网络标签（Net Label）用于命名网络或连接不相邻的点。
添加网络标签：
L : 添加网络标签
使用场景：
1. 命名重要信号（如CLK, DATA, RESET）
2. 连接同一页面上相距较远的点
3. 替代复杂的导线连接
标签类型：
| 类型 | 快捷键 | 作用范围 |
|---|---|---|
| 网络标签 | L | 当前页面 |
| 全局标签 | Ctrl+L | 整个原理图 |
| 层次标签 | H | 层次连接 |
标签命名规范：
推荐命名规则：
- 使用大写字母
- 用下划线分隔单词
- 低电平有效信号加"_N"或"#"后缀
示例：
VCC, GND : 电源
CLK, CLK_50M : 时钟
RESET_N, nRESET : 低电平复位
SDA, SCL : I2C信号
TX, RX : 串口信号
MOSI, MISO, SCK : SPI信号
4.4.4 电气节点
当两根导线交叉时，需要明确是否连接。
添加节点：
J : 添加节点（Junction）
规则：
- 交叉但不连接：无需节点
- 交叉且连接：必须添加节点
- T型连接：自动添加节点
4.4.5 无连接标志
未使用的引脚应添加无连接标志，以避免ERC警告。
Q : 添加无连接标志（No Connect）
使用场景：
- 未使用的IC引脚
- 预留但未使用的接口引脚
4.5 添加注释和图形
4.5.1 添加文本
T : 添加文本注释
用途：
- 标注电路功能区域
- 添加设计说明
- 标注版本信息
- 添加警告或注意事项
文本格式设置：
属性对话框中可设置：
- 字体大小
- 粗体/斜体
- 对齐方式
- 颜色
4.5.2 绘制图形
可用图形工具：
绘制矩形 : 用于框选功能区
绘制圆形 : 装饰或标注
绘制弧线 : 特殊标注
绘制多边形 : 不规则区域
绘制线条 : 分隔线或装饰
4.5.3 添加图像
可以在原理图中添加图像，如公司Logo。
菜单：Place → Image
或
快捷键：Shift + I
支持格式：PNG, JPG, BMP
4.6 层次化设计
4.6.1 层次化设计概念
对于复杂电路，可以使用层次化设计将原理图分成多个子图。
层次化设计优势：
- 提高可读性
- 便于模块复用
- 支持团队协作
- 简化维护
4.6.2 创建子图（Sheet）
步骤：
1. 在主原理图中放置层次图纸符号
菜单：Place → Hierarchical Sheet
或按S键
2. 绘制图纸边框
3. 设置图纸属性：
- Sheet name（图纸名称）
- Sheet file（图纸文件）
4. 双击图纸符号进入子图编辑
4.6.3 层次引脚
层次引脚用于连接子图和父图。
在子图中：
1. 添加层次标签（H键）
2. 设置标签名称和方向（输入/输出/双向）
在父图中：
1. 选择图纸符号
2. 使用"Import Sheet Pin"导入引脚
3. 或手动创建图纸引脚
引脚方向类型：
Input : 输入（从父图到子图）
Output : 输出（从子图到父图）
Bidirectional : 双向
Tri-state : 三态
Passive : 无源
4.6.4 多实例复用
同一子图可以在父图中多次实例化。
应用场景：
- 相同功能的多个通道
- 重复的功能模块
- 标准化的接口电路
实现方法：
1. 创建通用子图
2. 在父图中放置多个图纸符号
3. 所有实例引用同一子图文件
4. 使用路径区分实例中的元器件
4.7 元器件注释与管理
4.7.1 自动注释
元器件需要唯一的参考标号，可以使用自动注释功能。
菜单：Tools → Annotate Schematic
注释选项：
- 范围：当前页/整个层次
- 排序方式：
- X方向然后Y方向
- Y方向然后X方向
- 按页面顺序
- 起始编号
- 是否重新注释
注释示例：
X优先排序结果：
R1 R2 R3 R4
R5 R6 R7 R8
Y优先排序结果：
R1 R3 R5 R7
R2 R4 R6 R8
4.7.2 手动调整编号
双击元器件 → 修改Reference字段
或使用批量编辑：
菜单：Tools → Edit Symbol Fields
4.7.3 元器件字段编辑
批量编辑字段：
菜单：Tools → Edit Symbol Fields
功能：
- 批量修改值
- 批量分配封装
- 导出到电子表格编辑
- 从电子表格导入
常用字段：
Reference : 参考标号
Value : 值/型号
Footprint : 封装
Datasheet : 数据手册链接
Manufacturer : 制造商
MPN : 制造商料号
Vendor : 供应商
Description : 描述
4.8 封装分配
4.8.1 分配封装概述
每个原理图符号都需要关联一个PCB封装，才能进行PCB布局。
4.8.2 使用封装分配工具
菜单：Tools → Assign Footprints
界面说明：
┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ 封装库 │ 符号列表 │ 封装预览 │
│ ┌───────┐ │ ┌───────────┐ │ ┌────────────┐ │
│ │Library│ │ │Reference │ │ │ │ │
│ │Device │ │ │R1: 10k │ │ │ [封装图] │ │
│ │Conn │ │ │R2: 4.7k │ │ │ │ │
│ │... │ │ │C1: 100nF │ │ │ │ │
│ └───────┘ │ └───────────┘ │ └────────────┘ │
│ │ │ │
│ 封装列表 │ 筛选器 │ 3D预览 │
│ ┌───────┐ │ ┌──────────┐ │ ┌────────────┐ │
│ │R_0402 │ │ │引脚数过滤│ │ │ [3D模型] │ │
│ │R_0603 │ │ │关键字 │ │ │ │ │
│ │R_0805 │ │ └──────────┘ │ │ │ │
│ └───────┘ │ │ └────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────┘
分配步骤：
1. 选择左侧的封装库
2. 选择中间的符号
3. 双击右侧的封装进行分配
4. 或使用筛选器快速查找封装
5. 检查封装预览和3D模型
6. 点击OK应用分配
4.8.3 常用封装选择指南
贴片电阻封装：
R_0201 : 0.6 × 0.3 mm (微型)
R_0402 : 1.0 × 0.5 mm (紧凑)
R_0603 : 1.6 × 0.8 mm (常用)
R_0805 : 2.0 × 1.25 mm (标准)
R_1206 : 3.2 × 1.6 mm (大功率)
贴片电容封装：
C_0402 : 常用于小容量
C_0603 : 通用
C_0805 : 大容量/高压
C_1206 : 大容量
直插封装：
DIP-8 : 8引脚直插
DIP-16 : 16引脚直插
TO-92 : 三极管/稳压
TO-220 : 功率器件
贴片IC封装：
SOIC-8 : 小型贴片IC
SOIC-16 : 16引脚SOIC
TQFP-44 : 44引脚方形扁平封装
QFN-32 : 32引脚无引脚封装
BGA-256 : 球栅阵列
4.8.4 自定义封装字段
可以在符号属性中预设封装：
双击符号 → 编辑Footprint字段
格式：库名:封装名
示例：Resistor_SMD:R_0603_1608Metric
4.9 电气规则检查（ERC）
4.9.1 ERC概述
电气规则检查（Electrical Rules Check）用于验证原理图的电气正确性。
检查内容：
- 未连接的引脚
- 电源输入没有驱动
- 输出冲突
- 引脚类型不匹配
- 重复的参考标号
- 未使用的层次标签
4.9.2 运行ERC
菜单：Inspect → Electrical Rules Checker
或快捷键：Ctrl + Shift + E
操作步骤：
1. 点击"Run ERC"
2. 查看错误和警告列表
3. 双击条目定位到问题位置
4. 修复问题
5. 重新运行ERC
6. 直到所有问题解决
4.9.3 ERC错误类型
常见错误及解决方法：
错误：Pin not connected
原因：引脚未连接到任何网络
解决：连接导线或添加无连接标志
错误：Input pin not driven
原因：输入引脚没有驱动源
解决：连接到输出或电源符号
错误：Conflict between output and output
原因：两个输出连接在一起
解决：检查电路设计，可能需要三态或开漏输出
警告：Bidirectional pin connected to output
原因：双向引脚连接到纯输出
解决：通常可以忽略，或修改引脚类型
错误：Duplicate reference designator
原因：有相同的参考标号
解决：运行注释功能重新编号
4.9.4 配置ERC规则
菜单：File → Schematic Setup → Electrical Rules
可配置选项：
- 引脚类型兼容性矩阵
- 错误/警告严重级别
- 忽略特定检查
引脚类型兼容性矩阵：
Input Output BiDir Tristate Passive Power
Input OK OK OK OK OK OK
Output OK Err OK OK OK OK
BiDir OK OK OK OK OK OK
Tristate OK OK OK OK OK OK
Passive OK OK OK OK OK OK
Power OK OK OK OK OK OK
4.10 生成输出文件
4.10.1 生成网表
网表包含所有电气连接信息，用于PCB布局。
菜单：Tools → Generate Netlist
格式选项：
- KiCad（推荐）
- SPICE（用于仿真）
- OrCAD PCB2
- PADS
- Allegro
4.10.2 生成物料清单（BOM）
菜单：Tools → Generate Bill of Materials
输出选项：
- CSV格式
- 使用Python脚本自定义格式
- 直接导出到Excel
BOM字段配置：
常用字段：
- Reference（参考标号）
- Quantity（数量）
- Value（值）
- Footprint（封装）
- Manufacturer（制造商）
- MPN（制造商料号）
- Description（描述）
4.10.3 打印和导出
打印原理图：
菜单：File → Print
设置选项：
- 打印范围（当前页/全部）
- 页面方向
- 颜色/黑白
- 缩放比例
导出为PDF：
菜单：File → Plot
选择PDF输出
设置页面大小和边距
点击Plot生成
导出为图像：
菜单：File → Export → Drawing to Image
支持格式：
- SVG（矢量，推荐）
- PNG
- JPEG
4.11 实战案例：555定时器电路
4.11.1 电路说明
设计一个使用555定时器IC的LED闪烁电路。
设计目标：
- 使用NE555定时器
- LED以约1Hz频率闪烁
- 5V电源供电
所需元器件：
- NE555定时器 × 1
- LED × 1
- 电阻 10kΩ × 1
- 电阻 100kΩ × 1
- 电阻 470Ω × 1
- 电解电容 10μF × 1
- 陶瓷电容 100nF × 1
4.11.2 绘制步骤
步骤1：放置555定时器
1. 按A键打开添加符号对话框
2. 搜索"NE555"
3. 选择Timer:NE555
4. 放置在画布中央
步骤2：放置电阻
1. 按A键，搜索"R"
2. 选择Device:R
3. 放置R1（10k）在555的7脚上方
4. 放置R2（100k）在R1下方，连接到6脚
5. 放置R3（470）连接到3脚输出
步骤3：放置电容
1. 添加C1（10μF极性电容）
- 搜索"CP"，选择Device:CP
- 放置在6脚和GND之间
2. 添加C2（100nF）
- 搜索"C"，选择Device:C
- 放置在5脚和GND之间
步骤4：放置LED
1. 搜索"LED"
2. 选择Device:LED
3. 放置在R3之后
步骤5：添加电源符号
1. 按P键添加VCC
2. 连接到555的8脚和R1上端
3. 添加GND
4. 连接到555的1脚、C1负极、C2、LED负极
步骤6：连接导线
1. 按W键开始画线
2. 连接所有元器件：
- VCC → R1 → 555脚7
- 555脚7 → R2 → 555脚6
- 555脚6 → 555脚2
- 555脚6 → C1正极
- C1负极 → GND
- 555脚5 → C2 → GND
- 555脚3 → R3 → LED正极
- LED负极 → GND
- 555脚8 → VCC
- 555脚1 → GND
步骤7：设置元器件值
双击每个元器件设置值：
- R1: 10k
- R2: 100k
- R3: 470
- C1: 10μF
- C2: 100nF
4.11.3 验证和检查
1. 运行ERC：
- 点击 Inspect → Electrical Rules Checker
- 运行检查
- 修复所有错误
2. 检查连接：
- 高亮显示每个网络
- 确认连接正确
3. 分配封装：
- 打开封装分配工具
- 为每个元器件选择封装
4.12 本章小结
本章详细介绍了KiCad原理图设计的基础知识和操作方法：
-
设计概述：了解了原理图的作用、设计流程和Eeschema界面。
-
基本操作：掌握了导航、网格设置、选择和编辑的基本操作。
-
放置元器件：学习了如何添加和配置元器件符号，包括电源符号。
-
绘制连接：掌握了导线、总线、网络标签和节点的使用方法。
-
注释和图形：学会了添加文本注释和装饰图形。
-
层次化设计：了解了如何使用子图组织复杂电路。
-
元器件管理：学习了自动注释和字段编辑功能。
-
封装分配：掌握了为符号分配PCB封装的方法。
-
ERC检查：学会了运行和解决电气规则检查问题。
-
输出文件：了解了如何生成网表、BOM和打印文档。
-
实战案例：通过555定时器电路实践了完整的原理图设计流程。
通过本章的学习，读者应该能够独立完成中等复杂度的原理图设计。在下一章中，我们将学习PCB布局设计的基础知识，将原理图转换为实际的电路板设计。
浙公网安备 33010602011771号