3.1 层次化原理图设计
3.1.1 层次化原理图介绍
对于比较复杂的电路，工程上通常首先对整个电路进行功能划分，设计一个系统总框图，在系统总框图中用若干框图来表示功能单元，然后用导线、网络标签等来连接各个框图，表明它们之间的电气连接关系，最后再分别绘制各个框图的电路。在层次化原理图设计中，把这个系统总框图称为母图，组成系统总框图的若干框图称为子图符号，单独绘制的各个框图电路称为子图。通过这样的定义，读者在顶层电路中看到的是一个一个的功能模块，可以很容易从宏观上把握整个电路的结构，如果想进一步了解某个框图的具体实现电路，可以直接单击该框图，深入到底层电路，从微观上进行了解。这样就使很复杂的电路变成相对较简单的几个模块，便于检查和修改。
为了使多个子原理图联合起来描述同一个工程，必须为这些子原理图建立某种关系。层次化原理图母图正是表达了子原理图之间关系的一种原理图，如图3-1所示。从图中可以看出层次化原理图母图是由方块电路图、方块电路端口和连线组成的。一个方块电路图代表一张子原理图；方块电路上的端口代表子原理图中与其他子原理图连接的接口；方块电路图之间通过导线相连，从而构成一个完整的电路图。
图3-1 层次化原理图母图
下面介绍层次化原理图中经常用到的概念。
•子原理图：描述各个功能模块的部分原理图，用于封装功能电路模块。
•原理图母图：描述各个子原理图之间电气连接关系的原理图。
•方块电路图：描述子原理图的符号，位于层次化原理图母图中，每个方块电路图都与特定的子原理图相对应。
•方块电路端口：方块电路所代表的下层子原理图与其他电路连接的端口。在通常情况下，方块电路端口与和它同名的下层子原理图的I/O端口相连。
• I/O端口：描述不同层次电路图之间的电气连接关系，一般位于子原理图中。I/O端口和网络标号的作用类似。
3.1.2 自上而下的层次化原理图设计
自上而下的层次化原理图设计，也就是首先设计原理图母图，确定各个方块电路图，然后从方块电路图生成子原理图，最后完善子原理图中的电路。采用这种设计方法，要根据整个电路的结构，将其按照功能分解成不同的子模块。设计者在层次化原理图的母图中确定子模块方块电路图的输入输出端口和方块电路图之间的电气连接关系，再将层次化原理图母图中各个方块电路图对应的子原理图分别画出。这样一层一层向下细化，最终完成整个原理图的设计。下面介绍具体的操作步骤。
1.创建项目数据库
所有的层次化电路都必须在项目数据库中组织并管理，因此要设计一个层次化电路，首要任务是创建一个项目数据库，其具体操作步骤如下。
（1）执行菜单命令File→New→PCB Project，新建项目文件，另存为“UpToDown.PrjPCB”。
（2）执行菜单命令File→New→Schematic，在新建的项目文件中创建一个原理图文件，将原理图文件另存为“UpToDown.Sch”，对原理图图样参数进行设置。
（3）以上创建的便是自上而下设计的层次化原理图母图。原理图母图是层次化电路的主图，所有子图都以子图符号的形式出现在母图中。
2.放置方块电路图
在Altium Designer 18中放置方块电路图，可以采用下面的方法完成。
（1）执行菜单命令Place→Sheet Symbol或在布线工具栏中，单击放置方块电路图的
图标。
（2）执行放置方块电路图命令后，鼠标指针变成十字形，并且浮动着一个方块电路，如图3-2所示。
图3-2 执行放置方块电路图命令
（3）在放置方块电路图状态下，按Tab键，弹出“Sheet Symbol”对话框，如图3-3所示。“Sheet Symbol”对话框用于设置方块电路图的属性。
图3-3 “Sheet Symbol”对话框
（4）在“Sheet Symbol”对话框中的“File Name”编辑框中设置文件名为“Controler.schdoc”，表明该电路代表了“Controler”模块。在“Designator”编辑框中设置方块图的名称为“U_Controler”。
（5）设置完属性后，确定方块电路的大小和位置。将鼠标指针移动到适当的位置后单击鼠标右键，确定方块电路的左上角位置。拖动鼠标指针，移动到适当的位置后单击鼠标右键，确定方块电路的右下角位置。这样我们就定义了方块电路的大小和位置，绘制出了一个名为“Controler”的方块电路，如图3-4所示。
图3-4 “Controler”方块电路
（6）更改方块电路名或其代表的文件名，只需用鼠标单击文字标注，就会弹出的如图3-5所示的“Parameter”对话框，在对话框中可以修改方块电路文字属性。
图3-5 “Parameter”对话框
（7）放置完一个方块电路图后，系统仍处于放置方块电路图的命令状态下，设计者可用同样的方法放置另一个方块电路图，并设置相应的方块电路图文字。
3.放置方块电路端口
（1）执行菜单命令Place→Add Sheet Entry或在布线工具栏中，单击放置方块电路端口的
图标。（2）执行放置方块电路端口命令后，鼠标指针变成十字形。
（3）单击需要放置端口的方块电路图，鼠标指针处出现一个方块电路端口的符号，如图3-6所示。
图3-6 放置方块电路端口的符号
（4）在放置方块电路端口的状态下，按Tab键，弹出“Sheet Entry”对话框，如图3-7所示。“Sheet Entry”对话框用于设置方块电路端口的属性。
图3-7 “Sheet Entry”对话框
（5）在“Sheet Entry”对话框中的“Name”编辑框中设置端口名为“P34”，即将端口名设为读选通信号；“I/O Type”选项有不指定（Unspecified）、输出（Output）、输入（1nput）和双向（Bidirectional）4种选择，此处设置为“Output”，即将端口设置为输出；端口种类（Kind）选项有矩形和三角形（Block&Triangle）、三角形（Triangle）和箭头（Arrow）3种，此处设置为“Block&Triangle”，其他选项可自定义。
（6）设置完属性后，将鼠标指针移动到适当的位置，单击鼠标左键将其定位。同样，根据实际方块电路的安排放置全部端口，如图3-8所示。
图3-8 绘制全部方块电路的端口
（7）放置完毕后，用鼠标右键单击工作区或按Esc键，即可退出放置方块电路端口状态。如需修改已放置的方块电路端口，则可以双击需要修改的端口，打开“Sheet Entry”对话框。
只有相同名称的端口才能相互连接，所以往往在不同的方块电路图上放置多个具有相同名称的端口，但端口属性可能不同。
（8）放置其他方块电路图及端口，确定电气连接关系，将电气关系上具有相连关系的端口用导线或总线连接在一起，这样就完成了层次化原理图母图的设计，如图3-9所示。
图3-9 绘制好的层次化原理图母图
4.由方块电路图生成子原理图的I/O端口
在采用自上而下的方式设计层次化原理图时，需要先新建方块电路，再设计该方块电路对应的原理图文件。而在设计下层原理图时，其I/O端口符号必须和方块电路上的I/O端口符号相对应。Altium Designer 18提供了一条捷径，即由方块电路图直接生成子原理图的I/O端口，具体操作步骤如下。
（1）执行菜单命令Design→Create Sheet From Symbol。
（2）执行该命令后，鼠标指针变成了十字形，移动鼠标指针到某一方块电路上，单击鼠标左键，生成的I/O端口的电气特性与原来的方块电路中的相同，即输出仍为输出。
（3）系统自动生成一个文件名为“Controler.SchDoc”的子原理图文件，并布置好I/O端口，如图3-10所示。
图3-10 由方块电路图生成子原理图的I/O端口
（4）按照同样的方法生成其他子原理图的I/O端口。
5.子原理图模块具体化
生成的子原理图，已经有了I/O端口，在确认了子原理图上的I/O端口符号与对应的方块电路上的I/O端口符号完全一致后，设计者就可以按照该模块组成放置元器件和连线，绘制出子原理图具体的电路原理图，如图3-11所示。
图3-11 子原理图具体的电路原理图
3.1.3 自下而上的层次化原理图设计
在层次化原理图设计中，对于不同模块的不同组合，会有不同功能的电路系统，本节采用自下而上的层次化原理图设计。设计者根据功能电路模块绘制好子原理图，再由子原理图生成方块电路图，具体操作步骤如下。
（1）新建项目文件。在新建项目文件中绘制好电路中的各个子原理图，并且将各子原理图之间的连接用I/O端口绘制出来。
（2）在新建项目中创建一个名为“DownToUp.SchDoc”的原理图文件。
（3）在“DownToUp.SchDoc”工作界面执行菜单命令Design→Create Sheet Symbol From Sheet or HDL命令，弹出“Choose Document to Place”对话框，用于生成方块电路图，如图3-12所示。
图3-12 “Choose Document to Place”对话框
（4）选中该对话框中的任一子原理图，单击“OK”按钮，系统将在“DownToUp.SchDoc”原理图中生成该子原理图所对应的方块电路图，如图3-13所示。用同样的方法放置其他电路模块。
图3-13 子原理图对应的方块电路图
（5）分别对各个方块电路符号和I/O端口进行属性修改和位置调制，将方块电路之间具有电气连接关系的端口用导线或总线连接起来，从而得到如图3-14所示的层次化原理图母图。
图3-14 绘制完成的层次化原理图母图
3.1.4 层次化原理图之间的切换
1.从层次化原理图母图切换到方块电路对应的子原理图
（1）执行菜单命令Project→Compile PCB Project*.PrjPCB，或打开“Navigator”面板，单击鼠标右键选择“Compile”命令，执行编译操作。编译后的“Messages”面板如图3-15所示。编译后的“Navigator”面板如图3-16所示，其中显示了各子原理图的信息和层次化原理图的结构。
图3-15 编译后的“Messages”面板
图3-16 编译后的“Navigator”面板
（2）执行菜单命令Tools→Up/Down Hierarchy或在“Navigator”面板中双击要进入的原理图母图或者子原理图的文件名，则可以快速切换到对应的层次化原理图。
（3）执行菜单命令Tools→Up/Down Hierarchy后，鼠标指针变成十字形。将鼠标指针移至原理图母图中的方块电路上，单击鼠标就可以完成切换。
2.从子原理图切换到原理图母图
（1）执行菜单命令Tools→Up/Down Hierarchy，或在“Navigator”面板中选择相应的原理图母图文件，执行从子原理图切换到原理图母图的命令。
（2）执行菜单命令Tools→Up/Down Hierarchy后，鼠标指针变成十字形，移动鼠标指针到子原理图中任一元器件上，单击鼠标完成切换。