计算机辅助设计

1. 计算机辅助设计 天津大学计算机学院 车明 第一章: 电子系统设计概述

2. 1.1 机电系统 1.1.1 机电系统的概念及组成 机电系统是机械和电气的组合系统，机电配合实现一定的应用功能。机电系统亦被称为机电一体化系统。 • 机械部分：是系统的功能部件，包括与应用功能相关的机械设备及其连接、传动组件。 • 电气部分：是系统的动力源和控制核心，包括各种电力驱动设备，以及检测、运算、操纵等电子控制器件。

3. 1.1.2 机电系统的设计 系统的设计工作可分为机电一体化系统概念设计到系统各个子模块的详细设计等几个阶段。 • 本课程不涉及概念设计等内容，详细设计工作则针对机械部分和电气部分分别展开 • 机械部分的详细设计正是本课程前半部分的内容，其常用的计算机辅助设计工具是AUTOCAD系列软件。 • 电气部分的详细设计将是本课程后半部分的内容，基于计算机专业的研究方向，我们的关注重点是电气系统中与控制、检测等内容相关的部分。

4. 1.2 电气系统基本概念 1.2.1 电气、电力、 电子 • 电气：电气乏指电，电气工程即电的工程。 “电气”一词中的“气”来源于对“蒸汽”一词的使用习惯。因为早期的工业动力来源于蒸汽及蒸汽机，电发明后代替蒸汽成为主要的动力源，故称之为电气。这是电气的广义解释。 按照学科划分，电气包含电力与电子学科。

5. 电力：电力是电气的强电部分，主要涉及电能的提供（发电系统）、传输（输电系统）、变换（高低压转换设备）、使用（电动设备）。电力：电力是电气的强电部分，主要涉及电能的提供（发电系统）、传输（输电系统）、变换（高低压转换设备）、使用（电动设备）。 电力系统的主要工作目标是提供动力。 • 电子：电子是指电气的弱电部分，主要涉及自动控制、参数检测、数据运算、信息传输等。 电子系统主要工作目标是对信息的加工、处理、变换、传输，提供自动或智能的检测和控制。

6. 电器：电器是指耗电类电气设备。电器是具体的设备，电器可同时含有电力和电子系统。电器：电器是指耗电类电气设备。电器是具体的设备，电器可同时含有电力和电子系统。 学术定义：凡是根据外界特定的信号和要求，自动或手动接通或断开电路，继续或连续地改变电路参数，实现对电路的切换、控制、保护、检测及调节的电气设备均称为电器。 • 电子元器件：电子系统的组成部件 • 电子元件：具有单一功能的基础电子零部件，如二极管、三极管、LED灯、电阻电容等。 • 电子器件：由若干电子元件构成的具有确定功能的电子组件，如集成电路、硅桥、 LED显示阵列等。

7. 1.2.2 电力系统与电子系统的区别 电力系统也称强电系统，电子系统也称弱电系统，它们的主要区别是： • 功率、电压及电流大小不同： • 强电功率以KW、MW计、电压以V、KV计，电流以A、KA计； • 弱电功率以W、mW计，电压以V、mV计，电流以mA、uA计，因功率低发热小，所以弱电电路可以用印刷电路或集成电路构成。 • 交流频率不同： • 强电的频率一般是50Hz（国标）或60Hz （美标） ，常称为“工频”，意即工业用电的频率； • 弱电的频率往往是高频或特高频，以KHz、MHz 、GHz计。

8. 1.3 电子系统设计 由于电子系统仅需要较小的功耗即可有效的进行信息处理工作，性价比极高，特别适合在自动控制、参数检测、数据运算、信息传输等领域应用，因此设计各种不同功能和性能的电子产品一直是电子工程师们的主要工作之一。 1.3.1 电子系统设计的历史 电子系统设计工作的历史变迁是和电子元器件的发展紧密相关的。 电子管 – 晶体管 – 集成电路 – VLSI

9. 电子管时代： • 1904年，英国科学家弗莱明发明的真空二极管申请了专利，它标志着人类历史上第一只电子管的诞生，世界也从这里迈向电子时代。 ( “爱迪生效应” -- 弗莱明“阀” ) • 1906年，德-福雷斯特在二极管的基础上发明了三极管，使电子管真正成为能广泛应用的电子器件。 • 电子管是靠加热电阻丝放出电子束，进而对电子束进行控制来实现各种功能的，其工作电流较大、体积也较大。 • 使用时电气连接一般是导线直连，机械结构固定； • 设计时主要是手工绘制电路图，画出原理图和机械安装图。

10. 电子管及其典型应用： • 外形、电路： • 产品：电子管收音机、… • 二战期间，美国军方要求宾州大学为它们设计一种以真空管取代继电器来计算炮弹弹道的机器； • 1946年2月14日，这台机器正式投入使用了，它用了18800只真空管，占地1500英尺，重约30吨，每小时耗电20万千瓦。运算速度每秒5000次。

11. 晶体管时代： • 1947年12月第一个半导体晶体管在贝尔实验室诞生，电子时代的飞速发展开始了。 • 肖克利 - William Shockley(坐) 巴丁 - John Bardeen(左) 布拉坦 - Walter Brattain (右) 共同发明晶体管，3人分享了1956年的诺贝尔物理学奖。 • 晶体管基于半导体技术，通过PN结的电特性来实现导通、放大等功能，其工作电流小、体积更小。 • 晶体管工作电流仅在毫安级，因此可以使用印刷电路板上较薄的铜线进行连接。 • 早期设计工具亦主要是使用手工绘图工具，画出逻辑图纸和电路板板图。

12. 晶体管及其典型应用： • 外形、电路： • 产品 • 半导体收音机、电视机； • 1954年，贝尔实验室推出全晶体管计算机；

13. 集成电路时代： • 1958年9月12日，德州仪器公司的工程师杰克·基尔比（JackKilby）成功地把电子器件集成在一块半导体材料上。这一天，被视为集成电路的诞生日。 • 1959年，仙童公司的罗伯特·诺伊斯（RobertNoyce）利用平面制造工艺来生产半导体集成电路，基尔比、罗伊斯被认为是集成电路的共同发明人。 • 1968年，诺伊斯同戈登·摩尔（GordonMoore）、安迪·格鲁夫（AndyGrove）一起创立了英特尔公司。 • 集成电路将晶体管、电子元件及连线统一制作在一个硅片上，体积极小，已经不可能靠手工来完成绘图工作，使用计算机辅助设计系统是必须的。 • 设计工具主要是CAD软件，画出逻辑图纸和电气制作图，制作图将被下载到专用制造装置上，通过自动化生产设备完成加工。

14. 2014/9/23 • 集成电路产品： • 基本逻辑：数字逻辑门电路、寄存器 • 存储器：ROM、RAM • 中央处理器：CPU • … • 1971年 Intel Ted Hoff 型号：4004 2300 晶体管 14

15. 2014/9/23 • 集成电路的规模： • SSI 小规模集成电路(Small Scale Integrated circuit) • MSI 中规模集成电路(Medium Scale Integrated circuit) • LSI 大规模集成电路(Large Scale Integrated circuit) • VLSI 超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuit) • ULSI 特大规模集成电路(Ultra Large Scale Integrated circuit) • GSI 巨大规模集成电路(Gigantic Scale Integrated circuit） • 规模分类：名称：元件数 / 芯片 • SSI： < 100 • MSI： 102 – 103 • LSI： 103 – 105 • VLSI：105 – 107 (百万级) • ULSI：107 – 109 15

16. 大规模集成电路时代： • 集成电路中晶体管的体积和导线宽度进一步缩小，制造密度大幅度提高。 • 可编程逻辑：硬件可编程 • FPGA: Field Programmable Gate Array • CPLD: Complex Programmable Logic Device • 出现了可复用、可交易的标准设计成品 - IP核 • 片上系统- SOC （ System On Chip ） • 电子逻辑设计可部分自动实现，芯片内、外部电子零件的布局及其连接线均可自动完成。 • 设计工具使用电子设计自动化（EDA）软件。

17. 1.3.2 电子系统设计工具 电子系统设计工具目前可以分为两大种类： • 插件板级：CAD类 Computer Aided Design 此类设计工具是基于电子元器件的，包括模拟电路、数字电路、组合逻辑、时序逻辑的电路设计。可提供连线帮助、逻辑仿真、印刷线路板辅助设计。 • 芯片系统级：EDA类 Electronic Design Automation 此类设计工具是基于电子元件和IP核的，主要进行功能数字电路的设计，使用硬件描述语言HDL完成设计文件。可提供逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线、仿真、逻辑映射和编程下载。

18. 2014/9/23 插件板级电子系统设计: • 使用现有的电子元器件； • 通过设计者本人的知识积累和创造发明，完成系统的功能设计； • 设计成果：电子系统原理图 • 辅助工具：计算机辅助绘图软件 • 基于原理图完成功能电路实体的设计和制作。 • 设计成果：具有特定功能的电路板 • 辅助工具：计算机辅助设计软件 • 原理图元器件接点汇总； • 交互式电路板形状定义； • 元器件的辅助或自动布局； • 连接线的辅助或自动布线； • 逻辑功能的仿真与验证，实现结构的检测与检查。 18

19. 2014/9/23 芯片系统级电子系统设计: • 基于半导体技术的功能电路设计 – 芯片设计 • 按照确定的功能目标组织、设计电路 • 使用零件是电子元件或IP核； • 使用硬件描述语言HDL进行设计描述； • 辅助工具：EDA软件，交互式设计平台，提供： • 辅助编辑、绘图； • 逻辑化简、分割； • 功能综合、优化； • 器件布局、布线； • 逻辑仿真、测试； • 实现编程、下载。 19

20. 1.4 计算机辅助设计概述 • 计算机辅助设计 CAD-Computer Aided Design 利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。 • 计算机辅助设计的好处： CAD 能够减轻设计人员的劳动强度，缩短设计周期和提高设计质量。

21. 辅助设计工作的内容包括： • 计算机可以进行信息存储和检索工作。 • 在设计中用计算机对不同方案进行计算、分析和比较，可确定最优方案。 • 利用草图开始设计，将草图变为工作图的繁琐工作可交给计算机，由计算机自动产生设计结果。 • 对设计作出修改，利用计算机可以方便地进行编辑、缩放、平移和旋转等图形数据加工工作。

22. 1.4.1 计算机辅助设计的发展 • 20世纪50年代，在美国诞生第一套计算机绘图系统，标志具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计系统的出现。 • 60年代初期出现了CAD的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。 • 70年代，出现完整的CAD系统，后期出现的光栅扫描图形显示器、手动游标、图形输入板等多种图形输入输出设备，更促进了CAD技术的发展。

23. 计算机辅助设计的发展（续） • 80 年代以后，在超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件的支持下 ， CAD技术向标准化、集成化、智能化方向发展，并逐步完善。 • 出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统CAM； • 固化技术、网络技术、多处理机和并行处理在CAD中的应用，提高了CAD系统的性能； • 人工智能和专家系统技术引入CAD ，出现了智能CAD技术，使CAD系统的问题求解能力大为增强，设计过程更趋自动化。

24. 1.4.2 计算机辅助系统的种类 • 计算机辅助设计 CAD • 计算机辅助制造 CAM • 计算机辅助工程 CAE • 计算机辅助教学 CAI • 计算机辅助测试 CAT • 计算机辅助审计 • 计算机辅助翻译 • ……

25. 2014/9/23 CAD： • 作为计算机辅助的最初产品，CAD的概念范畴很广。 • 计算机辅助设计：利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。 • CAD是工程技术人员以计算机为工具 • 对产品和工程进行： • 设计 • 绘图 • 分析 • 比较 • 编写技术文档 • … 等等 这些设计活动的总称。 • 典型工具：AUTOCAD 25

26. 2014/9/23 CAM： • 计算机辅助制造computer aided manufacturing • 在机械制造业中，利用电子数字计算机通过各种数值控制机床和设备，自动完成离散产品的加工、装配 、检测和包装等制造过程。 • 计算机辅助制造涉及3部分： （涉及概念：CIMS） • 企业生产信息管理 • 计算机辅助设计 • 计算机辅助生产、制造 • 连续生产过程控制 • 离散零件自动制造 26

27. 2014/9/23 CIMS： • 计算机集成制造系统 Computer Integrated Manufacturing Systems • CIMS是通过计算机硬软件、并综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全部过程中有关的人、技术、经营管理三要素及其信息与物流有机集成并优化运行的复杂的大系统。 • CIMS是自动化程度不同的多个子系统的集成： 管理信息系统（MIS）、制造资源计划系统（MRPII）、计算机辅助设计系统（CAD）、计算机辅助工艺设计系统（CAPP）、计算机辅助制造系统（CAM）、柔性制造系统（FMS）,以及数控机床（CNC）、机器人等。 27

28. 2014/9/23 CAE： • 计算机辅助工程Computer Aided Engineering • CAE技术是将工程的各个环节有机地组织起来，应用计算机技术、现代管理技术、信息科学技术等科学技术的结合，实现全过程的科学化、信息化管理，以取得良好的经济效益和优良的工程质量。 • CAE的功能结构包含： • 计算机辅助工程计划管理 • 计算机辅助工程设计 • 计算机辅助工程施工管理 • 工程文档管理 28

29. 2014/9/23 CAI： • 计算机辅助教学Computer Assisted Instruction • 把计算机作为一种新型教学媒体，将计算机技术运用于课堂教学、实验课教学、学生个别化教学（人－机对话式）及教学管理等各教学环节，以提高教学质量和教学效率的教学模式。 • CAI的特点： • 变被动学习为主动学习 • 共享更多的教学资源 • 学习方式、地点和时间都有很大的灵活性 29

30. 计算机设计自动化 • 计算机自身的CAD • 旨在实现计算机自身设计和研制过程的自动化或半自动化； • 研究内容包括功能设计自动化和组装设计自动化； • 涉及： • 计算机硬件描述语言 • 系统级模拟、逻辑模拟 • 自动逻辑划分、自动逻辑综合 • 微程序设计自动化 • 自动布局布线、及交互图形系统和工程数据库系统 • 集成电路 CAD

31. 1.4.3 计算机辅助设计系统的组成： • 以具有图形功能的交互计算机系统为基础，主要设备有： • 计算机主机 ( 工程工作站、PC ) • 图形显示终端 ( 高分辨率显示器 ) • 图形输入设备 ( 扫描仪、指点设备 ) • 图形输出设备 ( 绘图仪、打印机 ) • 外部存储设备 ( 磁盘整列、磁带机 ) • 软件系统 ( 各种辅助设计软件 )

32. 计算机辅助设计系统的图形设备： • 计算机辅助设计的主要工作是处理图形，大量使用图形输入输出设备。交互图形系统对CAD 尤为重要。 • 图形输入设备的一般作用是把平面上点的坐标送入计算机。 • 常见的输入设备有： 键盘、鼠标、光笔、触摸屏、操纵杆、跟踪球、图形输入板、数字化仪。

33. 计算机辅助设计系统的图形设备（续）： • 图形输出设备用于图形的显示与输出，分为软拷贝和硬拷贝两大类。 • 软拷贝设备指各种图形显示设备，支持人机交互； • 硬拷贝设备用作图形显示的附属设备，它把屏幕上的图像复印出来，以便保存。 • 常见的输出设备有： 操作显示器、图形显示器、工程绘图仪、打印机。

34. 1.4.4 计算机辅助设计系统的功能 • 设计组件重用 • 设计修改和版本控制功能 • 设计标准组件的自动产生 • 设计是否满足要求和实际规则的检验 • 无需建立物理原型的设计模拟 • 装配件的自动设计 • 工程文档的输出（如制造图纸，材料明细表） • 设计到生产设备的直接输出 • 到快速原型或快速制造工业原型的机器的直接输出

35. 1.5 计算机辅助电子系统设计 1.5.1 各种电子系统设计软件 • 插件板级 • PROTEL系列（TANGO, PROTEL, Altium Designer） • PADS • DesignWorks • 联创电路设计系统 (Liatro Electrical Design) • …… • VLSI系统级 （略） • 本部分内容在“VLSI系统设计”课程中讲授，计算机学院在大学四年级上半学年开设此门选修课

36. 1.5.2 PROTEL系列软件： • 该系列软件是澳大利亚Altium公司的产品。 • Altium的前身为Protel 国际有限公司，1985 年创建，开发为印刷电路板提供辅助设计的软件。 • 最初设计 DOS 环境下的 PCB 设计工具 • 1991年发布基于Windows 的 Advanced PCB • 1997 年发布集成软件包 Protel 98 • 1999 年又发布 Protel 99 和 Protel 99 SE • 2002 年发布 Protel DXP • 2004 年发布 Protel DXP 2004 • 2008 年发布 Altium Designer （EDA类）

37. 2014/9/23 1.6 插件板电子系统的设计制造 使用现有的电子元器件，依据指定的功能需求，完成支持该功能系统的硬件设计、制造、调试。 • 设计成果：功能电路板 • 功能电路板的制造： • 原理图设计 • 电路板版图设计 • 制作印刷电路板（设计结果） • 准备电子元器件 （购买获得） • 焊接、测试  成品 37

38. 2014/9/23 1.6.1 电路板的加工： • 以双面印刷电路板为例： • 原料：双面覆铜箔板 • 下料：确定电路板制作范围 • 钻孔：安装孔、定位孔、导电过孔 • 孔金属化：在孔中沉铜，接通电路板两面 • 表面处理：为后续处理做准备 • 贴光：设计图形帖附 • 光致掩蔽型干膜：通过光照改变覆铜板表面贴膜状态 • 制正相导线图形：由不同贴膜状态完成局部覆铜面覆盖保护 • 蚀刻：对未保护铜面进行腐蚀去除 38

39. 2014/9/23 电路板的加工（续）： • 去膜：去除保护膜，呈现未被腐蚀的覆铜 • 清洗： 表面清洗，为后续处理做准备 • 插头电镀：电路板接头电镀（镀金） • 镀锡：焊点（可含导线）镀锡 • 印制阻焊涂料：涂刷阻焊剂 • 印制助焊涂料：涂刷助焊剂 • 料涂覆热风整平：药剂烘干 • 印制标记符号：板面器件标记、说明等信息 • 外形加工：外形确认、修整 • 检验：短路、断路检查 • 成品。 39

40. 2014/9/23 1.6.2 插件板电子系统设计文件 加工电路板需要的设计文件： • 钻孔：孔位、孔型图 • 贴光：导线图（2幅：对应正反面） • 镀锡：焊点图 + 导线图（2幅） • 印制阻焊涂料：阻焊图 （2幅） • 印制助焊涂料：助焊图 （2幅） • 印制标记符号：丝网印刷图 • 外形加工：外形图 • 元器件汇总表 • 这些图纸需要由电路辅助设计软件生成 40

41. 2014/9/23 设计文件举例 -- 电路原理图： 41

42. 2014/9/23 设计文件举例 -- 电路板图： 42

43. 局部放大 43 2014/9/23 设计文件举例 -- 钻孔图：

44. 元件面 – Top lay 焊接面 – Bottom lay 44 2014/9/23 设计文件举例 -- 导线图：

45. 阻焊图 – Paste 助焊图 – Solder（局部） 45 2014/9/23 设计文件举例 -- 阻焊、助焊图：

46. 丝网印刷图 – Over lay （局部） 外形图 – Mechanical 46 2014/9/23 设计文件举例 -- 丝网印刷、外形图：

47. 47 2014/9/23 设计文件举例 -- 材料清单：

48. 1.6.3 IC芯片的封装技术简介 • 所谓“封装”是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术。 • 封装对于芯片来说是必须的，因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。 • 封装后的芯片更便于安装，封装形式以其外形（Footprint）来标示。 • 封装直接关联与芯片连接的PCB（印制电路板）的设计和制造

49. 封装方式的分类 • 传统插装方式：通过在印制电路板上打孔，将电子元件的引脚从正面穿过电路板并在反面进行焊接的方式。（一般情况，通过沉铜工艺处理，孔的两面是导通的） • 表面贴装方式：将表面贴装元器件贴、焊到印制电路板表面，电路板上只需焊盘，无需安装孔。称之为表面安装技术 SMT（Surface Mount Technology），相应的元器件称为 SMD 表面贴装器件（Surface Mounted Devices） • 目前不同的封装形式有近百种，SMD 是主流。

50. 常见的嵌入式IC封装方式 • DIP（Dual In-line Package） 双列直插式封装 • PLCC（plastic leaded chip carrier）带引线的塑料芯片载体 • SOIC（small out-line integrated circuit）小尺寸封装 • PQFP（Plastic Quad Flat Package）塑料四边引出扁平封装 • BGA（ball grid array） 球形触点阵列