基于Altium Designer 的《电子电路设计》教学研究—以失真效果器的设计为例

张冉

（滨州学院电气工程学院，山东滨州，256600）

0 引言

《电子电路设计》是高等学校工科弱电专业的一门专业技术课。通过该课程的学习使学生掌握电子技术职业岗位所需的专业基础理论和电子装接、电子产品生产管理、PCB设计制作及微控制器应用等专业技能，具有电子产品的生产装配、调试检验、安装维修等较强实际应用能力，从事电子产品的生产、设备维护、生产管理、技术开发、营销服务等岗位工作。为了建设以航空为主要特色的高水平应用型大学，我校开设了《电子电路设计》课程，共32 学时。为了有效激发学生学习《电子电路设计》的兴趣和积极性，本文将Altium Designer 软件引入课程的教学和课程设计中，以电吉他中应用的失真效果器为例进行电子电路的设计，将课本理论知识与实际应用相结合，锻炼了学生的动手能力，提高了学生的电子电路设计水平。

1 失真效果器的基本原理

失真主要分为线性失真和非线性失真两类，线性失真的原理是将小信号按比例放大后输出波形，虽然声波的形状没有改变，但它与原始波形的大小不同，相比也是一种失真。这种失真没有使波形发生形变，我们是可以接受的，不然我们将无法将信号放大。非线性失真是将信号的波形进行切割，非线性失真又分为饱和失真和截止失真，其中饱和失真和截止失真都是使输出信号不完整。

失真效应的原理是通过非线性失真来到达目的的，通过吉他信号进入前级放大阶段，通过前级放大器对音色进行处理，并将处理后的信号用均衡器整形得到，最后再由后级放大器放大后输出。此外，失真是在不影响任何音频信号的时域信息的情况下切断音频信号的幅度。所以只需增大吉他输入信号让他达到饱和状态，就能产生失真音色。

2 单块失真效果器电路的设计

失真效果器的电源电压为9V 直流电源，通过变压器将220V 交流电转化成9V 直流电，输入阻抗为200Ω，输出阻抗10Ω，消耗电流1.5 ～50mA，噪声电平小于50 ～1dB，最大输入电平1V，最大输出电平1V。本失真效果器通过两个电路板来实现，主板是一个非线性失真电路，底板是一个触发翻转电路，通过这两个电路，即可完成吉他音色的失真功能。

2.1 失真电路的设计

图1 音量的控制电路

图2 失真度的控制电路

本效果器的主板是一个非线性失真电路，当输入交流信号较大时，由于静态工作点设置过高，信号正半周使器件进入饱和区而造成的波形失真，用两个JRC 4580DD 运算放大器和两个电位器，来调节失真电路中输入信号的音量VOL，如图1 所示。图2 为失真度控制电路，其原理是通过一个电位器来调节失真电路中输入信号的音调TONE。本电路通过一个排针实现两块电路板供电问题，通过排线，将触发翻转电路上的9V 电源供给失真电路板。本电路还通过一个拨挡开关K1 来控制电路，实现过载，失真与金属音色的切换。

2.2 触发翻转电路的设计

本电路底板为触发翻转电路，目的是驱动继电器切换。本电路通过一个触发翻转电路和一个TIANBO HJR1-2C L-09V 信号继电器来实现电路的触发翻转。信号的输入与输出通过一个输入端口和一个输出端口，此电路板还接入一个踩钉，通过踩钉来控制效果器的开启与关闭。如图3 所示。

图3 输入输出端口与踩钉开关电路

2.3 失真单块效果器总电路设计

本效果器通过两块电路板实现，两电路板通过一个排针连接，失真电路从信号输入后进入放大电路，当输入交流信号较大时，因静态工作点设置过高，信号正半周使器件进入饱和区而造成的波形失真，失真度通过电位器控制。失真的波形通过干簧继电器和音调电位器，进入集成放大电路，通过音量电位器调节音量的大小，最后经输出端输出，失真总电路图如图4 所示。

触发翻转电路通过输入端口输入，进入信号继电器电路，通过信号继电器与输出端口相连。信号继电器电路通过一个踩钉来控制效果器的开关，运用触发翻转电路来驱动继电器的切换，从而实现效果器的开关。

3 失真单块效果器PCB 板的制作

3.1 PCB 板的设计

电路设计完成后，首先需要对电路板的工作原理进行设计，并用Altium Designer 17 软件编写电路原理图。原理图的设计以各部件的电气性能为基础，根据需要合理设置，通过设计图纸准确反映PCB 的重要功能及各部件之间的关系。然后绘制系统中没有自己定义的非标准设备的包库，接着设置PCB 设计的环境，并绘制印刷电路的版框，调出将要使用的PCB 库文件，转入网格表文件，修改零件封装。根据情况进行适当调整，然后锁定所有设备。设置布线规则，自动布线，然后调整不适当的位置。在所有过孔和焊盘中填充眼泪，放置覆铜区域，制作最后一个DRC，然后保存文件。

3.2 PCB 板的刻录

电路设计好后，导出PCB 铜铂图，使用激光打印机，用钢锯裁剪覆铜板到合适大小，用锉刀将裁剪好后覆铜板边框的毛刺修整光滑，把PCB 铜铂图打印到热转印纸上，然后将覆铜板有覆铜的一面用洗涤剂清洗干净。把打印完成的热转印纸有图的一面平铺到PCB 板有覆铜的一面，用胶带固定一个边，选择一个光滑平整的工作台，将覆好热转印纸的PCB 板放置在工作台上面，加热电熨斗，用电熨斗熨烫电路板有纸的一面，先加热30 秒左右，然后慢慢移动电熨斗，让覆铜板升温均匀，电熨斗来回熨几次，等电路板恢复至室温时将纸慢慢撕下来，将三氯化铁晶体和水按体积比3：5 的比例配成溶液，倒入事先准备好的容器中，然后将电路板放到盆中进行腐蚀。用钻孔器对刻好的电路板进行钻孔，用细砂纸打磨，把铜线上的油墨除去，用酒精把打磨后残留的油墨清洗去除。在打磨好的电路板有铜箔的一面刷上一层松香酒精液，此时PCB 电路板就已刻录完成。

图4 失真总电路图

3.3 失真单块效果器实物图的组装

PCB 电路板刻录完成后，将各元器件焊接到电路板上，如图5 焊接完成后，对焊接后的电路板进行检查，检查无误后将两电路板通过排线连接起来。两块电路板连接完成后，装入事先焊接好的铁盒内，将每个重要的元器件都固定好，在铁盒外标记好每一个旋钮的功能。

图5 单块失真效果器实物图

4 结论

本文将Altium Designer 软件引入《电子电路设计》课程设计教学中，针对电吉他中应用的单块效果器进行了设计，绘制了原理图，并制作了PCB 电路板。通过实际电子电路的制作可以使学生加深对电子电路设计知识点的掌握，同时锻炼了学生的动手能力和创新思维。