Altium Designer 20基础入门教程第1章：AD20核心功能与操作

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简介：本视频教程旨在指导初学者掌握Altium Designer 20这款电路设计软件的核心功能和基本操作。教程第一章涵盖了软件界面、项目管理、原理图设计、PCB设计规则、PCB布局与布线、元器件库管理、设计数据管理、仿真与分析以及报告与输出等关键知识点。通过本章的学习，用户将能独立进行基本的电路设计，并对Altium Designer 20的工作流程有一个全面的理解。

1. Altium Designer 20软件界面和工作环境

Altium Designer 20是一款功能强大的电子设计自动化软件，广泛用于电路设计和PCB布局。本章将为您详细介绍软件界面布局，工作环境配置，以便于初学者快速上手。

1.1 软件界面概览

Altium Designer 20的用户界面直观且易于理解。界面上方是菜单栏，集中了各种命令和功能选项；左侧是项目浏览器，用于管理项目文件和设计文档；右侧包含多个实用工具，如属性管理器，输出任务等。

1.2 界面自定义

用户可以自定义界面布局来提高工作效率。Altium Designer 20提供了广泛的界面定制选项，例如工具栏的拖放，自定义面板和快捷键的设置。自定义操作简单，只需要拖动或选择相应的设置即可。

1.3 工作环境配置

对于不同类型的电路设计，Altium Designer 20支持创建多个工作环境，每个环境都可针对特定的设计需求配置。例如，您可以创建一个高速数字设计环境，设置适合高速电路设计的参数和规则。

在上述介绍中，我们浅入深地描述了Altium Designer 20的基本工作环境，为后续章节的学习打下了基础。接下来，让我们深入到项目创建与管理，进一步探索如何有效地组织和处理电路设计项目。

2. 项目创建与管理

2.1 Altium Designer 20的项目结构

2.1.1 项目的基本概念和作用

在Altium Designer 20中，项目是组织设计数据的核心单元。一个项目包括原理图文档、PCB设计文档、项目特定的设置以及相关的各种辅助文档。项目的概念类似于文件夹，它将与特定设计相关的一切文档集中存放，方便设计师统一管理。

项目的使用有几个明显的作用： - 集中管理设计文件 ：通过项目可以将设计相关的所有文件统一在一个结构化环境中，便于检索和修改。 - 促进团队协作 ：对于需要多人参与的设计，项目提供了一个共享环境，支持多人并行工作而避免文件冲突。 - 方便版本控制 ：项目文件可以配合版本控制系统使用，方便跟踪设计变更历史。 - 优化设计流程 ：项目结构有助于标准化设计流程，使得新成员能够快速上手。

2.1.2 创建项目的步骤和注意事项

创建项目的基本步骤如下：

1. 打开Altium Designer。
2. 选择顶部菜单栏中的“文件”(File) > “新建”(New) > “项目”(Project)。
3. 在弹出的“新建项目”(New Project)对话框中，输入项目名称并选择项目类型。默认情况下，选择“PCB项目”(PCB Project)。
4. 指定项目保存的位置，并点击“确定”(OK)。

创建项目时应注意以下几点：

• 明确项目命名 ：项目名称应该具有描述性，便于识别其内容和目的。
• 项目结构设计 ：在创建项目之前，最好事先规划好项目结构，包括将会用到的文档类型和层次。
• 备份重要数据 ：在项目创建前，确保备份了所有关键文件，以防在创建或配置项目过程中出现不可逆的错误。
• 版本控制 ：如果团队协作，最好在创建项目的同时设置好版本控制系统，这样可以及时跟踪每个成员的更改并同步。

2.2 项目中的文档管理

2.2.1 文档类型与功能简介

Altium Designer中的项目可以包含多种类型的文档，每个文档类型在设计流程中扮演着不同的角色。以下是一些主要的文档类型：

• 原理图文档 ：用于捕获电路的逻辑布局，提供给PCB设计阶段使用。
• PCB文档 ：包含了实际的PCB布局和布线信息，这是制作实际电路板的蓝本。
• 仿真文档 ：进行电路功能仿真，检查电路在理论上的表现。
• 输出文档 ：用于生成制造和装配所需的文档，如制造输出文件、装配图等。

每种文档类型都有其特定的功能，设计者需要根据设计流程选择合适的文档类型，确保设计的连贯性。

2.2.2 文档的组织和管理方法

合理的文档组织和管理对于高效的设计流程至关重要。以下是文档管理的一些方法：

• 层次化管理 ：建立清晰的项目结构，利用项目面板(Project Panel)管理不同类型的文档。
• 版本控制 ：定期保存并利用Altium的“快照”(Snapshot)功能，记录项目的关键版本。
• 元数据标签 ：使用标签来标记文档，方便根据特定条件搜索和分类文档。
• 检查与审核 ：周期性地对文档进行检查和审核，确保文档的准确性和完整性。

2.3 项目的数据管理

2.3.1 数据的存储与备份策略

在Altium Designer中进行数据管理时，需要考虑两个核心方面：数据存储和备份。

• 数据存储 ：Altium Designer允许用户将数据保存在本地硬盘或者连接到网络的服务器。本地存储便于个人使用，而网络服务器更有利于团队合作和数据共享。
• 备份策略 ：备份是防止数据丢失的关键措施。Altium Designer提供了一些内置备份功能，如“项目历史”(Project History)功能，可以保存项目的历史版本，而“快照”功能则允许用户在项目中的关键点进行快照保存。

实现一个有效的备份策略，可以按照以下步骤：

1. 定期备份 ：建立定期备份的习惯，例如每天或每次工作结束前。
2. 备份位置多样化 ：不要将所有备份都保存在同一物理位置，以避免硬件故障导致所有备份丢失。
3. 使用云存储 ：考虑使用云服务来保存备份文件，这可以提供额外的安全性。
4. 验证备份 ：定期检查备份的有效性，确保在需要时可以正常恢复数据。

2.3.2 版本控制和数据变更管理

版本控制是项目管理中不可或缺的一部分，尤其在多人协作的环境中，能够有效跟踪设计的变更历史并管理设计数据的不同版本。

• 版本控制系统 ：Altium Designer支持与多种版本控制系统集成，包括内部和外部的系统。常见的如Git、Subversion (SVN)等。
• 变更管理 ：在项目中实施变更管理流程，确保每一次重要的设计更新都有明确的记录和批准流程。

实施有效的版本控制和变更管理，可以遵循以下步骤：

1. 选择合适的版本控制系统 ：根据团队的规模和工作流程选择合适的版本控制系统。
2. 配置版本控制 ：在Altium Designer中配置版本控制选项，确保所有设计文件都受到版本控制的管理。
3. 遵守变更流程 ：设计团队成员应严格遵循既定的变更管理流程，提交所有变更请求并等待批准后执行。
4. 定期更新与合并 ：定期从主分支拉取最新的设计更改，并在本地工作前进行合并，以确保不会发生冲突。
5. 培训和沟通 ：对团队成员进行版本控制系统的培训，并保持沟通渠道的畅通，以解决可能出现的任何问题。

3. 原理图设计基础

原理图是电子设计中的蓝图，它详细描述了电路的工作原理和元件之间的连接关系。在Altium Designer 20中，原理图设计是电路设计的重要组成部分，为后续的PCB设计打下基础。本章节将介绍原理图设计的准备工作、绘制技巧以及层次化设计的重要性和方法。

3.1 原理图设计的准备工作

在开始绘制原理图之前，设计者需要做一些基础的准备工作。这些准备工作包括熟悉设计环境并合理配置它，以及选择适合的元器件。

3.1.1 设计环境的设置

设计环境的设置需要根据个人习惯以及项目的具体要求来定制。在Altium Designer 20中，设计者可以在Preferences（偏好设置）中找到众多选项来定制工作空间。

• 设置图纸大小和模板 ：选择适当的图纸大小和模板，这将决定原理图的视觉展示和布局结构。
• 配置工具栏和快捷键 ：根据个人操作习惯，可以将常用的工具或命令放到工具栏中，并设置快捷键以提高工作效率。

**注意**：良好的设计环境设置可以让设计师专注于设计本身，减少不必要的操作干扰。

3.1.2 元器件的选择和放置

元器件是原理图的主角，正确选择和放置元器件对于电路设计至关重要。

• 选择元器件 ：通过Library（库）面板查找和选择所需元器件。Altium Designer 20提供丰富的内置库和第三方库支持，便于设计者找到所需元件。
• 放置元器件 ：将选中的元器件拖放到图纸上，完成放置。放置过程中可以编辑元器件的属性，例如修改其封装类型或值。

**提示**：在放置元器件时，可以使用Altium Designer的“Search”功能，快速定位库中的元件，提高工作效率。

3.2 原理图的绘制技巧

一旦准备就绪，接下来将介绍原理图绘制过程中的技巧，包括如何高效地绘制连接线路、符号和封装。

3.2.1 连接线路的绘制与编辑

在Altium Designer中，连接线路是电路图中非常重要的部分，它展示了信号流动的路径。

• 绘制线路 ：选择适当的线宽和样式，用鼠标在元器件的引脚间绘制线路，确保连接准确无误。
• 编辑线路 ：利用软件提供的工具进行线路的弯曲和长度调整，以及添加拐点。

**技巧**：在绘制过程中，合理使用“HotKeys”（热键）可以大幅提高绘图效率，比如按“G”键开始绘制线路。

3.2.2 符号和封装的绘制技巧

原理图中的符号不仅需要正确表示元件的功能，还应该直观显示其在电路中的作用。

• 绘制符号 ：使用“Symbol Wizard”（符号向导）创建或修改元件符号。应确保符号的设计简单易懂，能够清晰表达元件特性。
• 封装选择 ：根据元器件的实际封装进行匹配，对于特定封装设计，可以使用“PCB Library”编辑器创建或编辑。

**注意**：保证符号和实际的PCB封装匹配，是顺利过渡到PCB设计阶段的关键因素之一。

3.3 原理图的层次化设计

层次化设计是管理复杂电路图的有效方法，有助于设计者清晰地组织和理解整个电路系统。

3.3.1 层次化设计的意义和方法

层次化设计通过将电路分割成较小的、相互连接的单元来简化整个设计。

• 单元划分 ：根据电路功能，将原理图分割成子原理图。每个子原理图关注特定的功能模块。
• 层次化表示 ：通过使用Port（端口）和Harness（线束）等元素来表示不同原理图单元之间的连接关系。

**示例**：一个复杂的嵌入式系统可能包含电源模块、处理器模块、传感器接口模块等多个子系统，每个都可以设计成一个子原理图，并在主原理图中通过端口和线束来连接。

3.3.2 子原理图与总原理图的交互

子原理图与总原理图的交互需要遵循一定的规则和标准，以确保整个电路设计的一致性和可维护性。

• 交互规则 ：确保子原理图的端口与总原理图的对应端口参数一致，以及线束的连接关系正确无误。
• 设计验证 ：使用Design Rule Check（设计规则检查）功能确保层次化设计中的所有连接都符合预先设定的规则。

**建议**：在层次化设计中，采用模块化和参数化的设计方法，可以极大提升设计的可复用性和灵活性。

通过本章节的介绍，读者应充分理解原理图设计的重要性，并掌握相关的基础操作和层次化设计的技巧。熟练运用这些技巧，不仅能提高原理图设计的效率，还能确保最终设计的质量。下一章节将详细介绍PCB设计规则设置，这是原理图设计完成之后的关键步骤，为PCB布局和布线奠定了基础。

4. ```

第四章：PCB设计规则设置

随着电子设计复杂性的增加，正确配置PCB设计规则变得至关重要。这些规则确保了电路板的设计在电气、物理和工艺上的合理性。本章将详细探讨如何在Altium Designer 20中设置PCB设计规则，从而保证设计的高可靠性和生产效率。

4.1 PCB设计规则概览

4.1.1 设计规则的分类和应用场景

PCB设计规则可以根据其关注的设计方面进行分类。Altium Designer 20提供了广泛的设计规则类型，覆盖了电气、制造、信号完整性和PCB布局等方面。例如，电气规则包括过孔间距、线宽、线间距离等；制造规则涉及焊盘大小、元件高度限制等；而信号完整性规则则包括阻抗控制、信号延迟等。

在设计过程中，工程师需要针对不同的设计需求选择合适的规则。一些规则是强制性的，如电气安全规则，而其他一些规则则可以根据设计目标的特定需求进行调整。了解每一种规则的适用场景和重要性是高效完成PCB设计的关键。

4.1.2 常规设计规则的配置方法

配置常规设计规则的过程是系统而有条理的。首先，在Altium Designer 20中打开设计规则检查器，然后针对特定类别如间距、连接器或者SMD放置规则进行配置。设计师需要根据PCB的制造要求和信号特性，选择合适的参数值。例如，为了满足高频信号的需求，设计师可能需要设置特定的阻抗规则。

在配置这些规则时，Altium提供了一系列的模板和预设值，但定制化的规则设置通常基于具体的设计条件。设计师可以通过制定明确的规则，确保PCB设计符合所有生产和功能标准。

4.2 高级设计规则设置

4.2.1 信号完整性和电源分配规则

信号完整性和电源分配是任何PCB设计的两个重要方面。对于信号完整性规则，设计师需要关注高速信号的路径和设计要求，以减少信号损失和干扰。这可能涉及差分对的布线、特定的线宽和间距规则等。

电源分配规则则专注于确保稳定和可靠的电源供应。规则需要包括电源平面、过孔密度、电源网络的阻抗等。电源分配的优化能显著提升PCB的性能和信号质量。

4.2.2 热管理与PCB材料选择

电子设备的热管理是现代PCB设计中的一个重要课题。通过合理配置设计规则，可以有效控制元件的热扩散。例如，通过设置适当的元件间距规则，可以避免热源元件对其他元件的热影响。

PCB材料的选择也是基于热性能和其他电气性能指标。设计师需要根据设计的特定需求，选择合适的材料类型，并将相应的材料特性设置为设计规则的一部分。材料的选择对PCB的可靠性、重量和成本等都有直接影响。

4.3 设计规则的验证与调试

4.3.1 设计规则检查(DRC)和布局验证

在设计的每个阶段，都需要运行设计规则检查（DRC）。DRC有助于及时发现和修复可能导致失败的问题。Altium Designer 20中的DRC是智能化的，可以检测从元件间距到焊盘放置的几乎所有设计方面的问题。

布局验证不仅包括DRC，还涉及到更深入的分析，如阻抗匹配、信号路径、热管理等。通过对比设计规则和实际布局，设计师可以进行必要的调整，以确保最终设计的高质量和可靠性。

4.3.2 常见设计问题的诊断与解决

在设计过程中遇到的问题可能复杂多样，但通过合理的诊断和解决步骤，这些问题通常可以解决。例如，如果DRC报告了多个间距问题，设计师需要检查布局并调整元件位置或走线路径。问题解决后，必须重新运行DRC以确保问题被完全解决。

对于高级信号完整性问题，如串扰、反射或电源噪音，设计师可能需要使用Altium Designer 20中的仿真工具。通过这些工具，设计师可以对问题进行模拟并预测可能的影响，然后应用规则调整设计，消除这些问题。

在本章中，我们深入探讨了Altium Designer 20中PCB设计规则设置的各个方面。从基本规则的概览到高级规则的配置，再到规则的验证与调试，本章为PCB设计师提供了一系列实用的知识和工具，帮助设计师在遵守规则的同时进行高效的设计。接下来的章节将继续深入到PCB布局与布线技巧中，进一步揭示如何在实际操作中实现这些设计原则。

# 5. PCB布局与布线技巧

## 5.1 PCB布局的基本原则

### 5.1.1 信号流与元件布局的关系

在进行PCB布局时，理解信号流对于确保电路的性能至关重要。信号流应该被引导通过最短的路径，以减少信号传输时间，同时最小化电磁干扰（EMI）。布局过程首先考虑高速信号路径，例如时钟信号和差分对，这些信号对于布局的敏感度最高。

布局时，应该将相互之间有信号交流的元件放置得尽可能靠近，减少信号传输距离，这有利于降低信号衰减和提高信号质量。此外，数字和模拟元件应该分开布局，并且模拟地和数字地应该通过单点连接，避免地环路。敏感元件，如时钟发生器和模拟电路，应当远离高速数字电路和任何可能产生干扰的源。

### 5.1.2 高密度布线的设计策略

随着电子设备的小型化和功能集成的提高，高密度布线在现代PCB设计中变得越来越普遍。实现高密度布线的关键是优化元件布局，合理地利用多层板的设计空间。

在高密度布局中，元件的排列应该尽量紧密，并且布线通道要预留给高速信号和关键信号。在多层板设计中，相邻的层应该避免平行布线，以减少串扰。此外，布线的宽度和间距应该符合阻抗控制的要求，并尽可能使用较短的连线。

## 5.2 布线技巧与优化

### 5.2.1 高速信号与差分对布线

在布线高速信号和差分对时，需要特别注意保持差分对线的线宽、间距以及走线长度的一致性。差分对的两条线路应该等长，以保证相位同步，避免因为长度不一致而产生信号抖动。

差分对通常应该紧密地并行走线，中间保持固定的距离，这是为了维持恒定的特性阻抗。另外，在布线路径上要尽量避免锐角，以减少信号反射。当差分对穿过通孔时，尽量做到等长，并且在通孔附近保持一段稳定距离，以减小通孔引起的阻抗变化。

### 5.2.2 板层管理与阻抗控制

板层管理包括确定多层板的堆叠结构、定义电源层和地层的布置，以及设定各个信号层的阻抗。阻抗控制对于高速信号传输尤为关键，不正确的阻抗会导致信号的反射和衰减。

首先，设计者应该确定整个PCB的信号层、电源层和地层。然后，在进行布线之前，需要对各个信号层的微带线和带状线进行阻抗计算。一般情况下，微带线阻抗值取决于走线宽度、走线与地平面之间的距离以及PCB板材的介电常数。

在PCB设计软件中，阻抗控制可以通过工具自动完成。例如，使用Altium Designer，设计者可以设置走线宽度和间距，软件会根据堆叠结构自动计算所需走线的阻抗值。

## 5.3 设计的迭代与优化

### 5.3.1 布局布线的迭代过程

在PCB布局布线的过程中，通常需要进行多次迭代来达到最佳的设计结果。每次迭代都应该基于前一次的结果进行细节的调整和优化。

在迭代过程中，设计者可以借助各种分析工具进行布线检查，例如检查过孔的密度、信号的完整性以及电源和地层的分布。一旦发现任何问题，如串扰、反射或阻抗不匹配，设计者需要回溯到布局布线阶段进行调整。

为了实现高效的迭代，设计者可以使用PCB设计软件的高级功能，如自动布线和布线后分析。这不仅可以加快设计过程，还能帮助设计者识别和解决潜在的设计问题。

### 5.3.2 优化设计以提高生产效率

在PCB设计完成后，为了提高生产效率和降低成本，设计者应该考虑优化设计以适应不同的制造需求。这可能包括减少过孔数量，优化走线以简化制造过程，以及考虑PCB板的组装和测试。

举例来说，设计者可以尽量避免使用微过孔，以减少组装时的复杂度和成本。此外，设计者还可以通过合并一些元件来减少PCB上的焊盘数量。此外，为了简化装配，应考虑PCB的装配方向，确保元件引脚的清晰可见，并且在设计时考虑足够的间距，以便于自动光学检测（AOI）。

此外，设计者可以使用设计规则检查（DRC）和制造规则检查（MRC）来确保设计符合制造和装配的规范。这些检查可以指出设计中不兼容的制造限制，如元件高度、焊盘尺寸等，从而在生产前进行必要的修改。

| 设计优化策略 | 描述 |
|---------------|------|
| 减少过孔数量 | 通过布局优化减少使用过孔的数量，降低组装复杂度和制造成本。 |
| 走线简化 | 优化走线路径，减少需要手工调整的走线数量，以简化制造过程。 |
| 组件合并 | 将一些功能相近的元件合并，减少焊盘数量，简化装配工艺。 |
| 考虑装配方向 | 确保元件布局考虑装配方向，为自动光学检测（AOI）提供足够的空间。 |
| DRC和MRC检查 | 利用设计规则检查（DRC）和制造规则检查（MRC），确保设计满足制造和装配规范。 |

```mermaid
graph TD
    A[开始PCB设计] --> B[初步布局]
    B --> C[布线]
    C --> D[初步分析]
    D --> |问题| E[优化布局]
    E --> C
    D --> |无问题| F[设计迭代]
    F --> G[生产准备]
    G --> H[制造]

sequenceDiagram
    participant 用户
    participant 软件

    用户->>软件: 设计布局
    软件->>软件: 自动布线
    软件->>软件: 布线后分析
    Note right of 软件: 自动化工具提供优化建议
    用户->>软件: 应用优化建议
    软件->>软件: 更新设计
    用户->>软件: 检查设计完整性
    software->>用户: 提供检查报告
    user->>软件: 确认设计

通过上述策略和工具的使用，设计者可以有效地进行布局布线的迭代过程，并且优化设计以提高生产效率。这不仅提升了产品的性能，同时也优化了成本和生产流程。

6. 元器件库管理与编辑

在进行电路设计时，元器件库是不可或缺的一部分，它包含了大量的电子元件信息，这些信息是设计电路的基础。一个良好管理的元器件库能够加快设计进程，减少错误，并且确保设计的一致性与准确性。

6.1 元器件库的基础知识

6.1.1 元器件库的结构和类型

Altium Designer的元器件库包含多种类型的库，主要包括集成库（.IntLib）、Packed Library（.PrlLib）以及SchLib。集成库是Altium特有的库格式，支持参数化和智能化管理，通常包含来自不同供应商的多个元件信息。Packed Library是较传统的库格式，易于维护和共享，但不支持参数化。SchLib是与设计项目相关的库，每个项目可以有自己的SchLib，主要用于存放特定项目中的自定义元件。

6.1.2 元器件的创建和编辑流程

创建一个新的元器件通常包括以下步骤：

• 启动Altium Designer，并打开一个新的库文件或项目。
• 使用“Place”菜单中的“Component”选项来创建新的元件，或者选择“File”菜单中的“New”来创建一个新的SchLib。
• 输入元件的属性，如Part Number、Description等，并设置引脚属性。
• 如果需要，可为元件添加3D模型，以便在PCB布局阶段进行可视化。
• 保存并编译库，确保没有错误。

编辑已有元件时，您可以打开相应的库，选中要编辑的元件，然后进行修改，如更改引脚属性、添加或删除引脚等。

6.2 元器件库的高级管理

6.2.1 参数化和智能化的元器件管理

参数化管理允许在元件模型中设置参数，这样就可以通过更改参数值来快速地调整元件的属性。例如，您可以创建一个电阻库，其中的每一个电阻都有相同的参数模型，但具有不同的阻值。智能化管理则涉及到通过集成供应商数据和智能BOM（物料清单）管理，使得在设计过程中自动选择最适合的元件成为可能。

6.2.2 集成库与第三方库的协同工作

Altium Designer允许将第三方库整合到您的设计流程中。例如，可以从Mouser或Digi-Key等电子元件分销商那里导入产品数据，直接添加到集成库中。通过这种方式，可以在保持元件数据实时更新的同时，快速选择所需的元件。

6.3 自定义元器件库的创建与维护

6.3.1 自定义库的需求分析

创建自定义库首先需要明确设计中对元件的具体需求，比如哪些参数是必须的、哪些物理特性是重点、封装形式等。通过需求分析，可以设计出适合特定项目或公司标准的元件库。

6.3.2 自定义库的创建流程和规范

自定义库的创建流程包括：

• 确定库的结构和命名规则。
• 创建SchLib文件，并根据需求设计元件。
• 添加模型文件，如PCB封装、3D模型等。
• 维护和更新库，定期检查库中元件的有效性和兼容性。
• 确保库的版本管理得当，方便团队成员访问最新版本的库文件。

通过遵循这些流程和规范，可以确保自定义库的高效使用和长期维护。

在本文中，我们详细地探讨了元器件库管理与编辑的各种技巧和方法。接下来的内容会涉及到设计数据管理工具的使用以及电路仿真分析的基础。

本文还有配套的精品资源，点击获取

简介：本视频教程旨在指导初学者掌握Altium Designer 20这款电路设计软件的核心功能和基本操作。教程第一章涵盖了软件界面、项目管理、原理图设计、PCB设计规则、PCB布局与布线、元器件库管理、设计数据管理、仿真与分析以及报告与输出等关键知识点。通过本章的学习，用户将能独立进行基本的电路设计，并对Altium Designer 20的工作流程有一个全面的理解。

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