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2023/9/271計算機輔助設計

天津大學計算機學院

第一章:電子系統(tǒng)設計概述2023/8/81計算機輔助設計

天津大學計2023/9/2721.1機電系統(tǒng)

1.1.1機電系統(tǒng)的概念及組成機電系統(tǒng)是機械和電氣的組合系統(tǒng)，機電配合實現(xiàn)一定的應用功能。機電系統(tǒng)亦被稱為機電一體化系統(tǒng)。機械部分：是系統(tǒng)的功能部件，包括與應用功能相關的機械設備及其連接、傳動組件。電氣部分：是系統(tǒng)的動力源和控制核心，包括各種電力驅動設備，以及檢測、運算、操縱等電子控制器件。2023/8/821.1機電系統(tǒng)2023/9/273

1.1.2機電系統(tǒng)的設計系統(tǒng)的設計工作可分為機電一體化系統(tǒng)概念設計到系統(tǒng)各個子模塊的詳細設計等幾個階段。本課程不涉及概念設計等內(nèi)容，詳細設計工作則針對機械部分和電氣部分分別展開機械部分的詳細設計正是本課程前半部分的內(nèi)容，其常用的計算機輔助設計工具是AUTOCAD系列軟件。電氣部分的詳細設計將是本課程后半部分的內(nèi)容，基于計算機專業(yè)的研究方向，我們的關注重點是電氣系統(tǒng)中與控制、檢測等內(nèi)容相關的部分。2023/8/831.1.2機電系統(tǒng)的設計2023/9/2741.2電氣系統(tǒng)基本概念1.2.1電氣、電力、電子電氣：電氣泛指電，電氣工程即電的工程。“電氣”一詞中的“氣”來源于對“蒸汽”一詞的使用習慣。因為早期的工業(yè)動力來源于蒸汽及蒸汽機，電發(fā)明后代替蒸汽成為主要的動力源，故稱之為電氣。這是電氣的廣義解釋。按照學科劃分，電氣包含電力與電子學科。2023/8/841.2電氣系統(tǒng)基本概念2023/9/275電力：電力是電氣的強電部分，主要涉及電能的提供（發(fā)電系統(tǒng)）、傳輸（輸電系統(tǒng)）、變換（高低壓轉換設備）、使用（電動設備）。電力系統(tǒng)的主要工作目標是提供動力。電子：電子是指電氣的弱電部分，主要涉及自動控制、參數(shù)檢測、數(shù)據(jù)運算、信息傳輸?shù)取ｋ娮酉到y(tǒng)主要工作目標是對信息的加工、處理、變換、傳輸，提供自動或智能的檢測和控制。2023/8/85電力：電力是電氣的強電部分，主要涉及電能的2023/9/276電器：電器是指耗電類電氣設備。電器是具體的設備，電器可同時含有電力和電子系統(tǒng)。學術定義：凡是根據(jù)外界特定的信號和要求，自動或手動接通或斷開電路，繼續(xù)或連續(xù)地改變電路參數(shù)，實現(xiàn)對電路的切換、控制、保護、檢測及調(diào)節(jié)的電氣設備均稱為電器。電子元器件：電子系統(tǒng)的組成部件電子元件：具有單一功能的基礎電子零部件，如二極管、三極管、LED燈、電阻電容等。電子器件：由若干電子元件構成的具有確定功能的電子組件，如集成電路、硅橋、LED顯示陣列等。2023/8/86電器：電器是指耗電類電氣設備。電器是具體的2023/9/2771.2.2電力系統(tǒng)與電子系統(tǒng)的區(qū)別電力系統(tǒng)也稱強電系統(tǒng)，電子系統(tǒng)也稱弱電系統(tǒng)，它們的主要區(qū)別是：功率、電壓及電流大小不同：強電功率以KW、MW計、電壓以V、KV計，電流以A、KA計；弱電功率以W、mW計，電壓以V、mV計，電流以mA、uA計，因功率低發(fā)熱小，所以弱電電路可以用印刷電路或集成電路構成。交流頻率不同：強電的頻率一般是50Hz（國標）或60Hz（美標），常稱為“工頻”，意即工業(yè)用電的頻率；弱電的頻率往往是高頻或特高頻，以KHz、MHz、GHz計。

2023/8/871.2.2電力系統(tǒng)與電子系統(tǒng)的區(qū)別2023/9/2781.3電子系統(tǒng)設計由于電子系統(tǒng)僅需要較小的功耗即可有效的進行信息處理工作，性價比極高，特別適合在自動控制、參數(shù)檢測、數(shù)據(jù)運算、信息傳輸?shù)阮I域應用，因此設計各種不同功能和性能的電子產(chǎn)品一直是電子工程師們的主要工作之一。1.3.1電子系統(tǒng)設計的歷史電子系統(tǒng)設計工作的歷史變遷是和電子元器件的發(fā)展緊密相關的。電子管–晶體管–集成電路–VLSI2023/8/881.3電子系統(tǒng)設計2023/9/279電子管時代：1904年，英國科學家弗萊明發(fā)明的真空二極管申請了專利，它標志著人類歷史上第一只電子管的誕生，世界也從這里邁向電子時代。

(“愛迪生效應”--弗萊明“閥”)

1906年，德-福雷斯特在二極管的基礎上發(fā)明了三極管，使電子管真正成為能廣泛應用的電子器件。電子管是靠加熱電阻絲放出電子束，進而對電子束進行控制來實現(xiàn)各種功能的，其工作電流較大、體積也較大。使用時電氣連接一般是導線直連，機械結構固定；設計時主要是手工繪制電路圖，畫出原理圖和機械安裝圖。2023/8/89電子管時代：2023/9/2710電子管及其典型應用：

外形、電路：產(chǎn)品：電子管收音機、…

二戰(zhàn)期間，美國軍方要求賓州大學為它們設計一種以真空管取代繼電器來計算炮彈彈道的機器；1946年2月14日，這臺機器正式投入使用了，它用了18800只真空管，占地1500英尺，重約30噸，每小時耗電20萬千瓦。運算速度每秒5000次。

2023/8/810電子管及其典型應用：2023/9/2711晶體管時代：1947年12月第一個半導體晶體管在貝爾實驗室誕生，電子時代的飛速發(fā)展開始了。

肖克利-WilliamShockley(坐)巴丁-JohnBardeen(左)布拉坦-WalterBrattain(右)共同發(fā)明晶體管，3人分享了

1956年的諾貝爾物理學獎。晶體管基于半導體技術，通過PN結的電特性來實現(xiàn)導通、放大等功能，其工作電流小、體積更小。晶體管工作電流僅在毫安級，因此可以使用印刷電路板上較薄的銅線進行連接。早期設計工具亦主要是使用手工繪圖工具，畫出邏輯圖紙和電路板板圖。2023/8/811晶體管時代：2023/9/2712晶體管及其典型應用：外形、電路：產(chǎn)品

半導體收音機、電視機；

1954年，貝爾實驗室推出全晶體管計算機；2023/8/812晶體管及其典型應用：2023/9/2713集成電路時代：1958年9月12日，德州儀器公司的工程師杰克·基爾比（JackKilby）成功地把電子器件集成在一塊半導體材料上。這一天，被視為集成電路的誕生日。1959年，仙童公司的羅伯特·諾伊斯（RobertNoyce）利用平面制造工藝來生產(chǎn)半導體集成電路，基爾比、羅伊斯被認為是集成電路的共同發(fā)明人。1968年，諾伊斯同戈登·摩爾（GordonMoore）、安迪·格魯夫（AndyGrove）一起創(chuàng)立了英特爾公司。集成電路將晶體管、電子元件及連線統(tǒng)一制作在一個硅片上，體積極小，已經(jīng)不可能靠手工來完成繪圖工作，使用計算機輔助設計系統(tǒng)是必須的。設計工具主要是CAD軟件，畫出邏輯圖紙和電氣制作圖，制作圖將被下載到專用制造裝置上，通過自動化生產(chǎn)設備完成加工。

2023/8/813集成電路時代：2023/9/2714集成電路產(chǎn)品：基本邏輯：數(shù)字邏輯門電路、寄存器存儲器：ROM、RAM中央處理器：CPU

…

1971年IntelTedHoff型號：4004

2300晶體管2023/8/814集成電路產(chǎn)品：2023/9/2715集成電路的規(guī)模：SSI小規(guī)模集成電路(SmallScaleIntegratedcircuit)MSI中規(guī)模集成電路(MediumScaleIntegratedcircuit)

LSI大規(guī)模集成電路(LargeScaleIntegratedcircuit)VLSI超大規(guī)模集成電路(VeryLargeScaleIntegratedcircuit)ULSI特大規(guī)模集成電路(UltraLargeScaleIntegratedcircuit)

GSI巨大規(guī)模集成電路(GiganticScaleIntegratedcircuit）規(guī)模分類：名稱：元件數(shù)/芯片

SSI：<100

MSI：102–103

LSI：103–105

VLSI：105–107(百萬級)

ULSI：107–109

2023/8/815集成電路的規(guī)模：2023/9/2716大規(guī)模集成電路時代：集成電路中晶體管的體積和導線寬度進一步縮小，制造密度大幅度提高。可編程邏輯：硬件可編程FPGA:FieldProgrammableGateArrayCPLD:ComplexProgrammableLogicDevice出現(xiàn)了可復用、可交易的標準設計成品-IP核片上系統(tǒng)-SOC（SystemOnChip）電子邏輯設計可部分自動實現(xiàn)，芯片內(nèi)、外部電子零件的布局及其連接線均可自動完成。設計工具使用電子設計自動化（EDA）軟件。2023/8/816大規(guī)模集成電路時代：2023/9/2717AppleA42023/8/817AppleA42023/9/27181.3.2電子系統(tǒng)設計工具電子系統(tǒng)設計工具目前可以分為兩大種類：插件板級：CAD類ComputerAidedDesign

此類設計工具是基于電子元器件的，包括模擬電路、數(shù)字電路、組合邏輯、時序邏輯的電路設計?？商峁┻B線幫助、邏輯仿真、印刷線路板輔助設計。

芯片系統(tǒng)級：EDA類ElectronicDesignAutomation

此類設計工具是基于電子元件和IP核的，主要進行功能數(shù)字電路的設計，使用硬件描述語言HDL完成設計文件。可提供邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線、仿真、邏輯映射和編程下載。2023/8/8181.3.2電子系統(tǒng)設計工具2023/9/2719插件板級電子系統(tǒng)設計:使用現(xiàn)有的電子元器件；通過設計者本人的知識積累和創(chuàng)造發(fā)明，完成系統(tǒng)的功能設計；設計成果：電子系統(tǒng)原理圖輔助工具：計算機輔助繪圖軟件基于原理圖完成功能電路實體的設計和制作。設計成果：具有特定功能的電路板輔助工具：計算機輔助設計軟件原理圖元器件接點匯總；交互式電路板形狀定義；元器件的輔助或自動布局；連接線的輔助或自動布線；邏輯功能的仿真與驗證，實現(xiàn)結構的檢測與檢查。2023/8/819插件板級電子系統(tǒng)設計:2023/9/27202023/8/8202023/9/2721芯片系統(tǒng)級電子系統(tǒng)設計:基于半導體技術的功能電路設計–芯片設計按照確定的功能目標組織、設計電路使用零件是電子元件或IP核；使用硬件描述語言HDL進行設計描述；輔助工具：EDA軟件，交互式設計平臺，提供：輔助編輯、繪圖；邏輯化簡、分割；功能綜合、優(yōu)化；器件布局、布線；邏輯仿真、測試；實現(xiàn)編程、下載。2023/8/821芯片系統(tǒng)級電子系統(tǒng)設計:2023/9/27221.5計算機輔助電子系統(tǒng)設計1.5.1各種電子系統(tǒng)設計軟件插件板級PROTEL系列（TANGO,PROTEL,AltiumDesigner）

PADS

DesignWorks聯(lián)創(chuàng)電路設計系統(tǒng)(LiatroElectricalDesign)……VLSI系統(tǒng)級（略）本部分內(nèi)容在“VLSI系統(tǒng)設計”課程中講授，計算機學院在大學四年級上半學年開設此門選修課2023/8/8221.5計算機輔助電子系統(tǒng)設計2023/9/27231.5.2PROTEL系列軟件：該系列軟件是澳大利亞Altium公司的產(chǎn)品。Altium的前身為Protel國際有限公司，1985年創(chuàng)建，開發(fā)為印刷電路板提供輔助設計的軟件。最初設計DOS環(huán)境下的PCB設計工具1991年發(fā)布基于Windows的AdvancedPCB1997年發(fā)布集成軟件包Protel981999年又發(fā)布Protel99和Protel99SE2002年發(fā)布ProtelDXP2004年發(fā)布ProtelDXP20042008年發(fā)布AltiumDesigner（EDA類）2023/8/8231.5.2PROTEL系列軟件：2023/9/27241.6插件板電子系統(tǒng)的設計制造使用現(xiàn)有的電子元器件，依據(jù)指定的功能需求，完成支持該功能系統(tǒng)的硬件設計、制造、調(diào)試。設計成果：功能電路板功能電路板的制造：

原理圖設計

電路板版圖設計

制作印刷電路板（設計結果）

準備電子元器件（購買獲得）

焊接、測試

成品2023/8/8241.6插件板電子系統(tǒng)的設計制造2023/9/27251.6.1電路板的加工：以雙面印刷電路板為例：原料：雙面覆銅箔板

下料：確定電路板制作范圍

鉆孔：安裝孔、定位孔、導電過孔

孔金屬化：在孔中沉銅，接通電路板兩面表面處理：為后續(xù)處理做準備

貼光：設計圖形帖附

光致掩蔽型干膜：通過光照改變覆銅板表面貼膜狀態(tài)

制正相導線圖形：由不同貼膜狀態(tài)完成局部覆銅面覆蓋保護

蝕刻：對未保護銅面進行腐蝕去除2023/8/8251.6.1電路板的加工：2023/9/2726電路板的加工（續(xù)）：去膜：去除保護膜，呈現(xiàn)未被腐蝕的覆銅

清洗：表面清洗，為后續(xù)處理做準備

插頭電鍍：電路板接頭電鍍（鍍金）

鍍錫：焊點（可含導線）鍍錫印制阻焊涂料：涂刷阻焊劑印制助焊涂料：涂刷助焊劑

料涂覆熱風整平：藥劑烘干印制標記符號：板面器件標記、說明等信息

外形加工：外形確認、修整

檢驗：短路、斷路檢查成品。2023/8/826電路板的加工（續(xù)）：2023/9/27271.6.2插件板電子系統(tǒng)設計文件加工電路板需要的設計文件：鉆孔：孔位、孔型圖貼光：導線圖（2幅：對應正反面）鍍錫：焊點圖+導線圖（2幅）印制阻焊涂料：阻焊圖（2幅）印制助焊涂料：助焊圖（2幅）印制標記符號：絲網(wǎng)印刷圖

外形加工：外形圖元器件匯總表

這些圖紙需要由電路輔助設計軟件生成2023/8/8271.6.2插件板電子系統(tǒng)設計文件2023/9/2728設計文件舉例--電路原理圖：2023/8/828設計文件舉例--電路原理圖：2023/9/2729設計文件舉例--電路板圖：2023/8/829設計文件舉例--電路板圖：2023/9/2730設計文件舉例--鉆孔圖：局部放大2023/8/830設計文件舉例--鉆孔圖：局部放大2023/9/2731設計文件舉例--導線圖：元件面–Toplay焊接面–Bottomlay2023/8/831設計文件舉例--導線圖：元件面–2023/9/2732設計文件舉例--阻焊、助焊圖：阻焊圖–Paste助焊圖–Solder（局部）2023/8/832設計文件舉例--阻焊、助焊圖：阻焊圖2023/9/2733設計文件舉例--絲網(wǎng)印刷、外形圖：絲網(wǎng)印刷圖–Overlay（局部）外形圖–Mechanical2023/8/833設計文件舉例--絲網(wǎng)印刷、外形圖：絲2023/9/2734設計文件舉例--材料清單：2023/8/834設計文件舉例--材料清單：2023/9/27351.6.3IC芯片的封裝技術簡介所謂“封裝”是一種將集成電路用絕緣的塑料或陶瓷材料打包的技術。封裝對于芯片來說是必須的，因為芯片必須與外界隔離，以防止空氣中的雜質對芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降。封裝后的芯片更便于安裝，封裝形式以其外形（Footprint）來標示。封裝直接關聯(lián)與芯片連接的PCB（印制電路板）的設計和制造2023/8/8351.6.3IC芯片的封裝技術簡介所謂2023/9/2736封裝方式的分類傳統(tǒng)插裝方式：通過在印制電路板上打孔，將電子元件的引