PCB CAD，选型指南

文摘 2024-11-09 09:43 四川

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设计电路板是一项相当复杂且多样化的工作，无论是在电路板设计方面，从其功能规格开始，还是在结构方面。为了创建一个PCB板，我们必须定义它的所有功能，了解其工作限制，选择最合适的元件，选择电路拓扑，然后开始创建单个连接。这个过程，虽然听起来很简单，但实际上非常复杂。板越复杂，这种情况就越真实;创建电路板可能是一个漫长的过程，有时成本高昂，需要大量经验。在许多设计领域，甚至在电子领域，都有一些仪器能够在创建原型时为设计人员提供支持。

在本文中，我们将详细解释什么是用于电子板设计的 CAD 工具，以及它们如何用于创建 PCB。考虑到开源软件和专有付费软件之间的差异，我们将专注于最有趣的功能和可用的实际可能性。

为什么选择 CAD？

首先，让我们先解释一下 CAD 是什么以及它是如何工作的。CAD，即计算机辅助设计，是用于在 PC 上进行辅助设计的应用软件。然而，CAD 是一种用于设计的通用软件，事实上，建筑和施工领域有 CAD 工具。使用 CAD 进行设计它并不局限于电子领域，但在机械（Solid Works 和 AutoCAD）、建筑（AutoCAD）、航空（CATIA）、航海科学和医疗假肢中也很常见。

它的功能多种多样，对于所有熟悉 IDE 概念的人来说，它们有明显的相似之处。任何用不同编程语言编写代码的人都非常清楚，IDE（即集成开发环境）是一种非常有用的工作工具，能够使程序员的工作变得更简单，例如通过突出结构和数据类型、提出高级功能、上下文帮助的特性等。

从这个角度来看，CAD 工具与 IDE 非常相似。事实上，多亏了 CAD，我们可以以“标准化”的方式引入组件;在创建电路时，建议的基本元素之一显然是连接，即电线。

因此，这是一个开发环境，我们可以在其中模拟实际电路元件的存在。一旦我们完成了拓扑研究，一切都代表了测试和验证阶段的第一个原型。

我们将要看到的一些 CAD 仪器也能够进行首次测试，它们甚至可以模拟实验室设备。

因此，从不同的方面使 CAD 成为更明智的选择：

至少在第一阶段不需要购买物理组件;
项目可以立即编辑;
我们可以模拟电路的行为;
我们可以运行初步测试来检查其功能。

当然，由于市场报价经常发生变化，这些工具有许多不同类型的。那么，让我们尝试了解主要功能以指导您做出选择;为此，我们可以确定以下五个主要特征。

即时性：这是一个重要的方面，因为 CAD 的目的是使复杂的仪器更易于使用;用户界面必须简单，图标必须易于识别，菜单必须组织良好，将所有可用的仪器包含在一个有效的容器中。
功能：这意味着该软件必须具有使其真正有用的所有功能;例如，直观的用户界面，易于学习和记忆。设计师从不喜欢试探性地浏览菜单来寻找他需要的东西。
稳定性。即使对于最年轻和最具创新性的 CAD 项目，包含项目设计师需要的所有基本工具也至关重要；未包含在库中的元件或大量层都必须是得到良好支持的功能。
合理的价格：除了免费功能外，了解是什么使 CAD 的价格“合理”也很重要;我们可以看到有一些基本功能，我们将在本文后面描述，证明部分价格的合理性。其余的在逻辑上与公司开发的服务相关联，以便将自己与竞争对手区分开来;购买协议中包含的支持附加组件、更新包是否值得软件的价格这一事实必须根据您的个人需求来决定。
广泛的库目录：任何同名的 CAD 都包括一系列组件。根据社区的规模或公司的成熟程度，该软件将能够通过快速支持每天发布的所有新电子元件来增加其库。当情况并非如此时，必须简单而直接地创建新元件或元件族、定义库的新元素或创建新库。

请记住，所有仪器都有一个学习曲线才能充分利用其品质，因此，只要软件尊重上述功能，您肯定必须投入一些时间来了解工作环境。

除了您将在本文中阅读的内容之外，尝试不同的软件解决方案总是有用的，以便准确了解哪一种最完整，哪一种最符合您的需求，尤其是哪一种您将能够更有效地配置以优化您的设计时间。

CAD 类型

用于设计 PCB 的 CAD 可以分为宏观类别：开源和专有软件。在第一种情况下，我们谈论的是“开放”项目，允许编辑软件的任何方面，因此允许开发人员创建自己的自定义版本，该版本可以共享。但是，在第二种情况下，您必须按原样使用该软件，但您可以咨询公司以了解将来要集成的任何问题、问题和可能的功能;但是，使用许可将具有续订价格和相对期限，您必须将其包含在项目预算中。

需要强调的是，实际上有许多不同类型的许可证;特别是，有购买许可证允许公司购买软件和使用许可证，基本上配置为月费或年费。然而，在第二种情况下，多许可证选项，即使用软件拥有的不同机器的可能性，可能在经济上更方便。

还有一个更“功能”的划分，区分“离线”和“在线”。近年来，所有计算机用户都以越来越普遍的方式测试了最有用的功能之一，即云：保存可通过单个平台同时在更多机器上访问的数据的可能性绝对很方便，特别是因为它支持协作项目。在某些情况下，PCB CAD 可以实现此功能。特别是，当我们使用在线编辑器时，可以保留您的项目历史记录（在某些情况下提供给第三方）并利用“虚拟”空间，让您释放硬盘上的空间。

收入最高的软件

市场上有很多用于编程印刷电路的软件选项，但是，目前在专业和企业领域最流行、最完整和最常用的是三种：Altium、Eagle 和 OrCad。

这些解决方案对于初学者设计师来说可能太昂贵了，对于业余爱好者来说更是如此。但是，公司当然可以毫不费力地考虑这种软件解决方案。要了解的主要事情是，无论许可证价格如何，软件中包含的所有功能都是使其或多或少有趣的原因。 Altium Designer 被认为是目前市场上最完整、最通用的 PCB CAD 开发环境。我们无法明确说明许可证成本，因为 Altium 根据您想要包含的功能具有不同的许可证。请记住，您不会支付低于四位数的价格将其带回家！

这种解决方案通常由同时从事多个项目的大公司购买，这些公司拥有非常有经验的设计师，他们拥有长期的职业生涯。这种解决方案很少被自工、创客和自由职业者使用。这些类型的设计师通常会选择其他解决方案，甚至可能是付费解决方案，尽管许可证的价格肯定更低。特别是，Eagle 和 OrCAD 代表了目前市场上的两种成本绝对较低的替代方案。

前者最近易手，成为 Autodesk 的领先软件产品之一，Autodesk 已经以建筑原型制作中最常用的软件之一 AutoCAD 而闻名。

Eagle 一直以使用简单和多功能性而著称。一开始，它就迎合了广泛的专业观众提供的支持。它已广泛应用于多个开放硬件项目中，其中 Arduino 本身和许多电子元件供应商都提供了更新的库来支持他们的组件。在许可证方面，Eagle 提议每年订阅 100 美元左右，而在最近收购之前，该软件可以永久以一次性价格获得。

虽然它仍然可以在试用版中使用，但这个版本不允许设计多层 PCB 或使用高级功能。

OrCAD 是一个完全复合的软件解决方案，它不仅包括 CAD，还包括其他模拟器和功能，例如 Capture、PSpice、PCB Designer 和 PCB SI。库编辑器本身被配置为软件，仍包含在软件包中。在价格方面，OrCAD 略高于 Eagle，但也提供不同的解决方案，就像 Altium 一样。此外，OrCAD 还在“教育许可证”下分发，这是非常流行的公式，这使得学生和培训对象更容易访问该软件。

还有一些更便宜的解决方案，例如 DipTrace。这是一款完全许可的软件，价格略高于 900 欧元，它实际上是一款出色的工具，特别是对于那些刚开始设计基于集成电路的电路板的人来说。DipTrace 使用的许可证系统非常通用，因为对于大多数项目，尤其是在开始时，您绝对可以没有完整许可证。

付费解决方案中其他非常有趣的解决方案是：

Ultiboard 是 National Instruments 的一个软件解决方案，虽然不是完全“免费”;事实上，为了使用它，您最初必须访问试用版（尽管是完整版），然后请求许可证报价。它的优势在于与 Multisim （用于 SPICE 仿真的高级教学工具）完全集成，使 National Instruments 的组合解决方案成为一个真正强大的工具。请记住，该公司是测量仪器行业的领导者，适用于从电子到电信的各个领域，因此产品符合这些标准。
SolidWorks PCB：一种能够与 SolidWorks 的其他工具完美交互的仪器，可以通过 3D 建模出色地丰富 PCB 项目的完整性。这些功能的优势是显而易见的，从产权负担研究到定制盖板和外壳建模;在许多 PCB CAD 中，这些功能本身不受支持。
CircuitStudio 是一种新兴的 CAD 解决方案，集成了 3D 建模工具，并为在 Altium 和 Eagle 中开发的项目提供了完美的复古兼容性和可移植性。

其他专有解决方案包括：Mentor Graphics Xpedition、Tina、Proteus Design Suite、Circuit Wizard、AutoTrax、Zurken CR-8000、Pulsonix、EdWinXP、CADSTAR、OSMOND PCB、COMET CAD、VUTRAX、CIRCAD。

Upverter 的许可证系统非常有趣，有点类似于 Eagle，允许免费使用基本版本，并根据用户所需的功能组合分层许可证系统，以便您不仅可以根据自己的单一特定需求进行自定义，还可以根据感兴趣的公司的规模进行自定义。

最好的免费解决方案

尽管有许多付费解决方案，但仍有免费提供的有效开放替代方案。

立创EDA是一个开放的、基于在线的解决方案，允许以极其完整的方式创建您的项目。它允许您在电路图上工作，还可以处理布局和布线;完成此步骤后，您还可以模拟 Circuit 在施加信号时的行为。因此，这是一个非常直观的软件解决方案，它将带您从最初的想法到创建 Gerber 文件。

就像其他软件解决方案一样，DipTrace 也根据功能调用不同的模块。它可用于创建图表，也可以利用专用模块来创建 PCB 布局。

编辑器管理多个层，基本上允许创建多级组件和分层图。简而言之，您可以为电路本身的单个部分或子部分使用专用电路图。此功能特别方便，尤其是当您设计要集成多个类似元件的电路板时。例如，假设您正在开发 3D 打印机的控制板;您肯定至少有四个不同的电机，但您肯定会使用相同的电机型号，这意味着每个电机都需要相同的驱动器型号。当然，能够复制驱动器的调节电路或您要实际集成的组件数量是一个明显的优势。

DipTrace 允许使用专用于仿真的模块导出这些项目的输出，从而至少在初步阶段对设计解决方案进行完整分析。这些功能在 Altium 等专业级专有软件中是 “不费吹灰之力的”，但对于开放式解决方案来说却没有那么多;这就是 DipTrace 优于其他产品的原因。

Diptrace 还能够使用专用工具创建元件库。其他非常有趣的是，下面列出了三种解决方案。

KiCAD 可能是目前可用的最著名和最受欢迎的开源解决方案，也得到了全球数十万用户的社区的支持;KiCAD 是一个真正包含设计师所需的一切的项目，尽管有时使用起来可能看起来很笨拙，但即使在极其复杂的情况下，KiCAD 也能在短短几个步骤中综合电路图和电路布线。
PCB Artist，非常完整，并配备了一个包含超过 500,000 个元件的库。
PCBWeb 非常有趣，因为它集成了 Digi-Key 目录，从而为设计人员在选择最容易获得的元件、优化列表部分以及创建时间方面提供有用的支持。在其他带有集成零件清单的免费解决方案中，我们还必须提到 Pad2Pad。
XCircuit，在线免费提供一系列相关教程，使图表建模软件变得简单易学。到目前为止提到的基本功能都包括在内，这可以被认为是一种有效的工具，特别是对于初学者。
DesignSpark 在某种程度上类似于 PCBWeb，但与 RS Components 相关联，DesignSpark 具有一些非常有价值的功能。例如，它支持设计人员创建最大 1m x 1m 的集成电路，此外还保证主要准备解决方案管理的所有文件的格式兼容性。
在免费解决方案中，我们还提到了 ZenitPCB，它在很大程度上被认为是非常直观的解决方案，允许非常快速的布线。

开放许可软件生态系统还包括 FreePCB、PCB123、CUSPICE、ExpressPCB、EasyEDA、tinyCAD。微带阻抗计算器非常可用于了解布线的基本原理以及每个布线在各种连接中的影响，并且非常易于使用的应用程序，从连接的几何尺寸开始，并插入构成布线的材料的介电常数等参数，能够告诉设计师引入的电阻分量。

特别值得一提的是 Fritzing，它最初是一个物理组件的仿真项目，现在变成了一个非常完整的教学工具，供 Arduino 社区和一般制造商使用。在获得与路由和 Gerber 文件导出相关的所有功能后，Fritzing 今天还可以为我们管理 Arduino 系列微控制器的编程。

许多免费提供的解决方案很有价值，特别是因为它们将使用 CAD 创建 PCB 与他们用于 PCB 生产和流通的服务相结合。这种可能性，一如既往，就像其他任何事情一样，有一些优点和缺点。事实上，根据公司的不同，“锁定”所生产硬件的供应商可能不是最佳选择。然而，作为一般规则，以最优惠的价格为 PCB 生产和安装服务的输入提供布局和 Gerber 文件的可能性无疑是一个优势。尤其是在运输时间方面，在某些情况下可能超过两个工作周。

当然，对于所有开源项目，我们也必须考虑所谓的 Community-Driven 解决方案。事实上，在大多数情况下，使用的开发模型与某些 Linux 发行版（例如 Ubuntu）不同。这个操作系统背后有一家公司 Canonical，它负责保持项目的活力，不断开发它，在可能的错误方面保护它，尤其是在安全性方面，同时他们让它免费供世界各地的用户访问。

所有愿意创建包或解决方案，甚至补丁的人都充当操作系统项目的贡献者。

在这些情况下，如果只有社区来支持项目，那么就项目本身的平衡和生命周期而言，当然会有更多的波动性。这与专业观众和公司的需求不相容，他们需要稳定性、持续的技术支持、确定性和可靠性。公司很难仅将业务建立在开放式解决方案的基础上。至少对于所谓的 Core Business 来说是这样。

自动还是手动？

我们介绍的几乎所有解决方案都有一个不变的特性：有些功能可以自动或手动执行。我们主要讨论的是 routing 和 Design Rule Check。首先，电路和元件放置是您必须自己执行的操作;没有能够有效地使该过程自动化的例程。模拟和数字区域的划分、隔离和散热只是需要您全面仔细关注的几种情况。布线，即逐个引脚连接，是一种可以通过在可用的情况下使用电机自动完成此任务来执行的操作。这是一个非常有用的功能，尽管并不总是有效，因为所谓的“自动路由”经常以非优化的方式执行其任务。有时轨道变得比必要的要长，有时它们离其他轨道太近，出于功能原因，这些轨道应该更远。我们建议谨慎使用自动路由功能。您应该仅将其用作第一步，然后您应该自己优化轨道，一次可能一个。是的，这项工作需要很大的耐心。理想的情况是让 CAD 能够在执行自动布线时定义限制，即某些走线的长度限制、它们的几何形状、与其他走线的距离（例如，为了保证电气隔离）等。

第二个功能（Rule Check）是关于验证项目的规则。有些引擎并不完美，可能会 “忽略” 某些东西，例如，模拟滤波器路由仅使用 90° 轨道进行。这是设计师的主要注意事项之一。每个轨迹，就像每条路径一样，必须从维度的角度定义。特别是因为用于为电源电路供电的磁道和用于数字连接的磁道之间存在差异。根据其功能，这些路径必须或多或少地大或多或少地彼此相距甚远。虽然，至少在开始时，为每个 track 和 each layer 设置所有 dimensional criteria 可能很有用，但强烈建议在每次 routing 后仔细检查。

设计过程完成后，您应该进入下一步，即制造和组装。PCB 组装的第一步是将焊膏涂在印刷电路板上，这可以用模板印刷机完成。涂上焊膏后，整个过程继续进行，取放机将电子元件放置在电路板上。接下来，您需要确保组件不会从 PCB 上脱落。为此，回流焊炉将完成这项工作。该回流炉由一系列加热器组成，这些加热器会将电路板加热到 250 摄氏度左右的温度，具体取决于加热区的数量，请确保选择可靠的回流焊模型。将组件成功放置并焊接到 PCB 上后，您可以通过 3 种方式进行检查：手动、使用 X 射线和使用 AOI 机器自动检查。

结论

我们已经看到了用于 PCB 编程的 CAD 的主要功能。提出的一些解决方案肯定会满足您的需求。我们建议您仔细阅读您要评估的每个软件解决方案的技术规格：并非所有 CAD 都是相同的，也不是所有软件功能都同样有用。我们相信，阅读本文后，您可能会对这个主题有更好的了解。无论如何，我们希望我们的信息是明确的，即完美的 CAD 并不存在;每一个都是一种妥协，只有实践才能告诉你这是否是你正在寻找的那个。

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