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基本信息

书名：Protel电路设计教程(第2版)

定价：36.00元

作者：江思敏,陈明

出版社：清华大学出版社

出版日期：2006-12-01

ISBN：9787302134879

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：

商品重量：0.558kg

编辑推荐

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内容提要

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本书是一本Protel电路设计的实例教程。本书详细讲述了如何使用Protel软件进行电路原理图的设计、PCB印制电路板的设计、 电路仿真和PCB信号分析，以及电路原理图和印制电路板的设计方法及操作步骤，在讲解过程中，以实例贯通全书，并将Protel 2004的各项功能结合起来，以便使学生能尽快掌握使用Protel进行电路设计的方法。
本书主要面向广大电路设计工作者以及大院校师生，并且可以作为初次使用Protel 2004进行电路设计的技术人员和具有一定经验的电路设计者的参考书。

目录

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第0章 PCB设计预备知识
0.1 PCB设计流程
0.2 PCB制造材料
0.3 PCB板的结构
0.4 PCB的走线配置
0.5 PCB设计和电磁兼容
0.6 PCB设计常用术语
练习题
章 Protel 2004基础
1.1 Protel 2004设计环境
1.1.1 Protel 2004主界面
1.1.2 新建文件菜单介绍
1.1.3 文件工作区面板介绍
1.2 设置Protel 2004系统参数
1.3 Protel 2004的原理图编辑模块
1.4 Protel 2004的PCB模块
1.5 Protel 2004文件管理
1.6 设置和编译项目
1.6.1 检查原理图的电气参数
1.6.2 设置类
1.6.3 设置比较器
1.6.4 ECO设置
1.6.5 输出路径和网络表设置
1.6.6 多通道设置
1.6.7 搜索路径设置
1.6.8 设置项目打印输出
1.6.9 编译项目
练习题
第2章 Protel 2004原理图设计基础
2.1 原理图的设计步骤
2.1.1 电路设计的一般步骤
2.1.2 原理图设计的一般步骤
2.2 新建原理图文件
2.3 Protel 2004原理图设计工具
2.3.1 原理图设计工具栏
2.3.2 图纸的放大与缩小
2.4 设置图纸
2.4.1 设置图纸大小
2.4.2 设置图纸方向
2.4.3 设置图纸颜色
2.4.4 设置系统字体
2.5 网格和光标设置
2.5.1 设置网格的可见性
2.5.2 电气节点
2.5.3 设置光标
2.5.4 设置网格的形状
2.6 文档参数设置
2.7 设置原理图的环境参数
2.7.1 设置原理图环境
2.7.2 设置图形编辑环境
2.7.3 设置默认的基本单元
2.7.4 Orcad 选项
练习题
第3章 电路原理图设计
第4章 检验电气规则和生成报表
第5章 制作元件与建立元件库
第6章 设计层次原理图
第7章 印制电路板基础
第8章 制作印制电路板
第9章 制作元件封装
0章 生成PCB报表和打印电路板
1章 电路仿真
2章 PCB信号完整性分析
3章 习题和课程设计

作者介绍

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文摘

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序言

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《嵌入式系统硬件设计实战指南》 引言 随着信息技术的飞速发展，嵌入式系统已经渗透到我们生活的方方面面，从智能手机、家用电器到汽车电子、工业自动化，几乎无处不在。嵌入式系统以其体积小、功耗低、功能专一、成本低廉等特点，成为现代电子产品不可或缺的核心组成部分。然而，嵌入式系统硬件设计的复杂性也日益增加，需要深入理解微控制器、外围接口、电源管理、信号完整性等诸多关键技术。 本书旨在为读者提供一个全面、系统且实用的嵌入式系统硬件设计框架，帮助工程师们从理论走向实践，掌握从需求分析、方案选型到电路设计、PCB布局、调试验证的全流程。不同于仅侧重于某一特定EDA工具（如Protel）的教程，本书将更广泛地聚焦于嵌入式硬件设计的通用原理、方法论和最佳实践，旨在培养读者解决实际工程问题的能力，而非局限于某个软件的操作技巧。我们将深入剖析嵌入式系统中常见的设计挑战，并提供行之有效的解决方案。 第一部分：嵌入式系统硬件设计基础 第一章：嵌入式系统概览与硬件设计流程 1.1 什么是嵌入式系统？ 定义与特点：对比通用计算机，强调嵌入式系统的专一性、实时性、可靠性、低功耗和成本效益。 应用领域：列举并简要介绍在消费电子、工业控制、医疗设备、汽车电子、通信网络等领域的典型应用。 系统架构：讲解嵌入式系统的基本组成，包括微处理器（MCU/MPU）、存储器、输入/输出接口、电源管理单元、通信接口等。 1.2 嵌入式硬件设计的生命周期 需求分析与规格定义：如何从产品需求出发，明确硬件的关键技术指标，如性能、功耗、尺寸、成本、接口类型、工作环境等。 技术方案选型：探讨微控制器、传感器、执行器、通信模块等核心器件的选型原则，分析不同系列芯片的优劣势，考虑生态系统和技术支持。 原理图设计：讲解绘制清晰、规范、易于理解的原理图的重要性，包括器件符号、连接、标注、网络名等规范。 PCB布局与布线：介绍PCB设计的关键要素，如器件布局策略、信号线布线规则、电源/地线处理、高速信号设计、 EMC/EMI考量等。 原型制作与测试验证：讨论PCB打样、焊接、系统集成，以及功能测试、性能测试、可靠性测试、EMC测试等各个环节。 量产与维护：简要提及产品量产前的准备工作以及产品生命周期中的软件更新与硬件升级。 1.3 硬件工程师的角色与必备技能 技术基础：扎实的数字电路、模拟电路、微处理器原理、信号处理等知识。 工具运用：熟练掌握至少一种EDA工具（原理图绘制、PCB设计），熟悉示波器、逻辑分析仪、信号发生器等常用调试设备。 文档编写：良好的技术文档撰写能力，包括设计说明书、测试报告、BOM表等。 沟通协作：与软件工程师、结构工程师、生产工程师等有效沟通，协同完成项目。 第二章：微控制器（MCU）选型与接口设计 2.1 MCU架构与核心特性解析 CPU内核：ARM Cortex-M/A系列、RISC-V、AVR、PIC等主流内核的特点与适用场景。 存储器：Flash、RAM、EEPROM的作用与选型考虑。 片上外设：ADC、DAC、定时器/计数器、PWM、UART、SPI、I2C、CAN、USB、以太网等常用外设的原理与应用。 功耗管理：低功耗模式、时钟门控、电源域划分等。 性能指标：时钟频率、指令集、中断响应速度、DMA控制器等。 2.2 MCU选型策略 基于应用需求的选型：功能需求、性能要求、功耗限制、接口类型、开发成本、量产成本、生态支持等。 主流MCU厂商及其产品线介绍：STMicroelectronics（STM32）、NXP（LPC、i.MX）、Microchip（PIC、AVR）、Texas Instruments（MSP430、TM4C）、Espressif（ESP32）等。 评估工具与参考设计：如何利用厂商提供的评估板、开发套件和参考设计加速项目进程。 2.3 常见MCU接口设计 GPIO接口：通用输入/输出配置、上拉/下拉电阻、开漏输出、复用功能配置。 通信接口设计： UART：异步串行通信，波特率、校验位、停止位配置，RS232/RS485电平转换。 SPI：同步串行通信，主从模式、时钟极性与相位、数据位顺序。 I2C：多主多从同步串行通信，总线仲裁、地址分配、ACK/NACK机制。 CAN：控制器局域网，总线拓扑、帧格式、位速率、错误处理。 USB：连接外部设备，USB协议概述、Host/Device模式、电源需求。 以太网：网络通信，MAC/PHY层、IP地址、TCP/IP协议栈（软件配合）。 模拟接口设计： ADC：模数转换，采样率、分辨率、参考电压、输入范围，多通道采样。 DAC：数模转换，分辨率、输出范围、刷新率。 中断与DMA：中断向量表、中断优先级、中断服务程序设计；DMA控制器的工作原理、通道配置、传输模式。 第三章：存储器系统设计 3.1 存储器分类与原理 易失性存储器：SRAM、DRAM（SDRAM、DDR SDRAM）的工作原理、接口时序、时钟要求。 非易失性存储器： ROM/PROM/EPROM/EEPROM：早期存储技术。 Flash存储器：NOR Flash、NAND Flash的特点、接口（Parallel, SPI, I2C）、擦写寿命、坏块管理。 FRAM：铁电存储器，非易失性、高速度、高寿命。 3.2 存储器接口与时序 并行接口：地址线、数据线、控制线，总线宽度与速度。 串行接口：SPI、QSPI接口，简单高效。 DDR SDRAM接口：复杂的高速接口，时序要求严格，对PCB布线要求极高。 3.3 存储器系统设计考量 容量与性能：根据应用需求选择合适的存储器类型和容量。 接口匹配：MCU的存储器控制器与外接存储器的接口兼容性。 PCB布局：高速存储器接口的布线长度、阻抗匹配、信号完整性。 电源与时钟：稳定可靠的电源供应和精确的时钟信号。 第四章：电源管理与设计 4.1 电源系统架构 输入电源：电池、AC-DC适配器、USB供电等。 电压转换：线性稳压器（LDO）、开关稳压器（DC-DC Converter：Buck、Boost、Buck-Boost）的原理、效率、功耗、纹波。 电源轨分配：主电源、待机电源、低功耗域电源等。 4.2 LDO与DC-DC选型与设计 LDO：适用于低功耗、低噪声的场景，关注压差、静态电流、输出精度、稳定性。 DC-DC Converter：高效率，适用于大电流、宽输入电压范围的场景，关注效率、纹波、瞬态响应、EMI。 关键元器件：电感、电容的选择与布局。 4.3 低功耗设计策略 MCU的低功耗模式：Sleep, Deep Sleep, Standby等。 外设功耗管理：按需开启、关闭外设。 电源域隔离：将不使用的部分断电。 高效电源器件 selection。 4.4 电源完整性（Power Integrity, PI） 电源噪声抑制：滤波、去耦电容的设计与布局。 瞬态响应：大电流切换时的电压跌落与恢复。 PCB上的电源平面和地平面设计。 第二部分：嵌入式系统硬件设计进阶 第五章：PCB布局与布线技巧 5.1 PCB设计流程与约束 从原理图到PCB：网表导入、器件封装。 设计规则设置：网络间距、过孔大小、线宽、过孔约束等。 器件布局策略： 功能模块划分：将相关器件分组。 关键器件优先：MCU、存储器、时钟源、电源模块。 散热考虑：功率器件散热。 信号流向：优化信号路径。 射频（RF）器件：特殊布局要求。 5.2 高速信号布线 阻抗匹配：定义、计算、控制（微带线、带状线）。 差分信号：布线规则（等长、等距、紧耦合）。 时钟信号：隔离、屏蔽、最短路径。 过孔效应：过孔的寄生参数，过孔数量与大小的控制。 拓扑结构：端接、T型接头、蝴蝶结效应。 5.3 EMC/EMI设计 电磁兼容性（EMC）与电磁干扰（EMI）：来源与影响。 PCB布局中的EMC/EMI考量： 地平面：完整、连续的地平面。 信号与地隔离：避免信号线穿过地平面。 旁路电容：靠近IC引脚放置。 屏蔽：外壳、敷铜屏蔽。 电源线与信号线的耦合。 差分信号的同向布线。 滤波与磁珠的应用。 5.4 PCB叠层设计与工艺 多层板结构：内层、外层、信号层、电源/地平面。 阻抗控制的实现：根据叠层计算线宽、线距。 PCB制造工艺：层压、钻孔、电镀、蚀刻、表面处理。 第六章：信号完整性（SI）与电源完整性（PI）分析 6.1 信号完整性概述 信号失真：反射、串扰、振铃、过冲、欠冲。 影响因素：阻抗不匹配、互连长度、驱动强度、终端匹配。 6.2 信号完整性仿真工具与方法 SI仿真软件：HyperLynx, ADS, Sigrity等。 分析流程：导入PCB、定义模型、设置激励、运行仿真、分析结果。 关键指标：眼图、抖动、眼高、眼宽。 6.3 电源完整性概述 电源噪声：由开关电源、数字信号切换引起。 电压跌落：瞬态负载变化导致。 影响因素：去耦电容、电源网络的阻抗、ESR/ESL。 6.4 电源完整性仿真工具与方法 PI仿真软件：HyperLynx PI, Sigrity PowerSI等。 分析流程：导入PCB、定义电源和地平面、设置激励、运行仿真、分析结果。 关键指标：电压纹波、瞬态响应。 6.5 SI/PI问题诊断与优化 仿真与实际测量结合。 优化策略：修改布线、调整终端、改进去耦、优化电源网络。 第七章：嵌入式系统中的通信协议与接口 7.1 有线通信接口 TTL/CMOS电平：基本数字信号电平。 RS-232/RS-485：串行通信标准，电平转换，长距离通信。 Ethernet（以太网）：MAC/PHY层，RMII/MII接口，TCP/IP协议栈（软件配合）。 USB：Device/Host，OTG，Type-C，USB协议栈（软件配合）。 CAN（控制器局域网）：车联网、工业自动化。 LVDS（低电压差分信号）：高速数据传输。 HDMI/DisplayPort：高清视频接口。 7.2 无线通信接口 Wi-Fi：IEEE 802.11系列，通信模块选型，天线设计。 Bluetooth：BLE（低功耗蓝牙），经典蓝牙，通信模块。 Zigbee：低功耗、低速率无线网状网络。 LoRa/NB-IoT/LTE-M：低功耗广域网（LPWAN），物联网通信。 RFID：射频识别技术。 7.3 传感器接口 模拟传感器：电压输出、电流输出，ADC采集。 数字传感器：I2C, SPI, One-Wire接口，如温度传感器、湿度传感器、加速度计、陀螺仪等。 特定协议传感器：如摄像头接口（MIPI CSI）。 7.4 执行器接口 电机驱动：PWM控制，H桥驱动。 LED驱动：恒流、恒压驱动。 继电器控制。 第八章：嵌入式系统中的高级主题 8.1 实时操作系统（RTOS）对硬件设计的影响 任务调度、中断处理、内存管理。 硬件看门狗（Watchdog Timer）的设计与应用。 低功耗模式与RTOS的协同。 8.2 安全性设计 硬件加密模块：如AES, SHA。 安全启动（Secure Boot）。 物理安全：防篡改。 8.3 可靠性设计 元器件选型：工业级、车规级。 冗余设计。 电源保护：过压、过流保护。 ESD（静电放电）防护。 8.4 固件更新（Firmware Update）机制 OTA（Over-The-Air）更新。 Bootloader设计。 存储器映射与固件分区。 第三部分：嵌入式系统硬件设计实践与工具 第九章：调试与测试技术 9.1 基础调试工具 万用表：测量电压、电流、电阻。 示波器：观察信号波形、时序、幅度。 逻辑分析仪：采集和分析数字信号。 信号发生器：产生测试信号。 电源：为电路提供稳定电源。 9.2 硬件调试方法 分步调试：隔离问题，逐个模块验证。 信号跟踪：使用示波器或逻辑分析仪追踪信号路径。 电源检查：确认各路供电是否正常。 中断调试：验证中断触发与响应。 协议分析：使用协议分析仪分析通信数据。 9.3 功能测试与性能测试 设计测试用例：覆盖所有功能和边界条件。 自动化测试：使用测试脚本和设备。 性能指标测试：如数据传输速率、功耗、响应时间。 9.4 可靠性测试 环境测试：高温、低温、湿度。 振动测试。 跌落测试。 寿命测试。 9.5 EMC/EMI测试 辐射发射测试。 传导发射测试。 抗扰度测试。 第十章：嵌入式硬件设计生态系统与未来趋势 10.1 EDA工具介绍（非特定软件） 原理图绘制工具。 PCB设计工具。 仿真工具（SI/PI/Thermal）。 PCB制造与组装服务。 10.2 嵌入式硬件开发平台 开发板与评估套件。 SoC（System on Chip）与FPGA（Field-Programmable Gate Array）的应用。 10.3 未来趋势 AIoT（人工智能物联网）硬件设计。 低功耗与超低功耗设计。 RISC-V架构的兴起。 先进封装技术（如Chiplet）。 更加智能化的EDA工具。 结语 本书的内容涵盖了嵌入式系统硬件设计的多个层面，从基础原理到高级技巧，从理论分析到实践应用。我们力求提供一种系统性的学习方法，帮助读者建立扎实的硬件设计基础，并能够应对日益复杂的工程挑战。掌握本书所介绍的知识和方法，将能显著提升嵌入式系统硬件设计的效率和成功率，为开发出高性能、高可靠性的嵌入式产品奠定坚实的基础。嵌入式硬件设计的领域充满挑战，但也极具创新和发展潜力。希望本书能成为您探索这一领域的有力助手。