通用信息-天津大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院課件

2023/9/271計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

天津大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院

第一章:電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述2023/8/81計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

天津大學(xué)計(jì)2023/9/2721.1機(jī)電系統(tǒng)

1.1.1機(jī)電系統(tǒng)的概念及組成機(jī)電系統(tǒng)是機(jī)械和電氣的組合系統(tǒng)，機(jī)電配合實(shí)現(xiàn)一定的應(yīng)用功能。機(jī)電系統(tǒng)亦被稱為機(jī)電一體化系統(tǒng)。機(jī)械部分：是系統(tǒng)的功能部件，包括與應(yīng)用功能相關(guān)的機(jī)械設(shè)備及其連接、傳動(dòng)組件。電氣部分：是系統(tǒng)的動(dòng)力源和控制核心，包括各種電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備，以及檢測(cè)、運(yùn)算、操縱等電子控制器件。2023/8/821.1機(jī)電系統(tǒng)2023/9/273

1.1.2機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作可分為機(jī)電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)到系統(tǒng)各個(gè)子模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)等幾個(gè)階段。本課程不涉及概念設(shè)計(jì)等內(nèi)容，詳細(xì)設(shè)計(jì)工作則針對(duì)機(jī)械部分和電氣部分分別展開機(jī)械部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)正是本課程前半部分的內(nèi)容，其常用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具是AUTOCAD系列軟件。電氣部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)將是本課程后半部分的內(nèi)容，基于計(jì)算機(jī)專業(yè)的研究方向，我們的關(guān)注重點(diǎn)是電氣系統(tǒng)中與控制、檢測(cè)等內(nèi)容相關(guān)的部分。2023/8/831.1.2機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(lái)源于對(duì)“蒸汽”一詞的使用習(xí)慣。因?yàn)樵缙诘墓I(yè)動(dòng)力來(lái)源于蒸汽及蒸汽機(jī)，電發(fā)明后代替蒸汽成為主要的動(dòng)力源，故稱之為電氣。這是電氣的廣義解釋。按照學(xué)科劃分，電氣包含電力與電子學(xué)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(qiáng)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(zhuǎn)換設(shè)備）、使用（電動(dòng)設(shè)備）。電力系統(tǒng)的主要工作目標(biāo)是提供動(dòng)力。電子：電子是指電氣的弱電部分，主要涉及自動(dòng)控制、參數(shù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)運(yùn)算、信息傳輸?shù)?。電子系統(tǒng)主要工作目標(biāo)是對(duì)信息的加工、處理、變換、傳輸，提供自動(dòng)或智能的檢測(cè)和控制。2023/8/85電力：電力是電氣的強(qiáng)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(shè)備。電器是具體的設(shè)備，電器可同時(shí)含有電力和電子系統(tǒng)。學(xué)術(shù)定義：凡是根據(jù)外界特定的信號(hào)和要求，自動(dòng)或手動(dòng)接通或斷開電路，繼續(xù)或連續(xù)地改變電路參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的切換、控制、保護(hù)、檢測(cè)及調(diào)節(jié)的電氣設(shè)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(chǔ)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(gòu)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(shè)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(qiáng)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(qiáng)電功率以KW、MW計(jì)、電壓以V、KV計(jì)，電流以A、KA計(jì)；弱電功率以W、mW計(jì)，電壓以V、mV計(jì)，電流以mA、uA計(jì)，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(gòu)成。交流頻率不同：強(qiáng)電的頻率一般是50Hz（國(guó)標(biāo)）或60Hz（美標(biāo)），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(jì)。

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(shè)計(jì)由于電子系統(tǒng)僅需要較小的功耗即可有效的進(jìn)行信息處理工作，性價(jià)比極高，特別適合在自動(dòng)控制、參數(shù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)運(yùn)算、信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用，因此設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的歷史電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的歷史變遷是和電子元器件的發(fā)展緊密相關(guān)的。電子管–晶體管–集成電路–VLSI2023/8/881.3電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)2023/9/279電子管時(shí)代：1904年，英國(guó)科學(xué)家弗萊明發(fā)明的真空二極管申請(qǐng)了專利，它標(biāo)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(shí)代。

(“愛迪生效應(yīng)”--弗萊明“閥”)

1906年，德-福雷斯特在二極管的基礎(chǔ)上發(fā)明了三極管，使電子管真正成為能廣泛應(yīng)用的電子器件。電子管是靠加熱電阻絲放出電子束，進(jìn)而對(duì)電子束進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的，其工作電流較大、體積也較大。使用時(shí)電氣連接一般是導(dǎo)線直連，機(jī)械結(jié)構(gòu)固定；設(shè)計(jì)時(shí)主要是手工繪制電路圖，畫出原理圖和機(jī)械安裝圖。2023/8/89電子管時(shí)代：2023/9/2710電子管及其典型應(yīng)用：

外形、電路：產(chǎn)品：電子管收音機(jī)、…

二戰(zhàn)期間，美國(guó)軍方要求賓州大學(xué)為它們?cè)O(shè)計(jì)一種以真空管取代繼電器來(lái)計(jì)算炮彈彈道的機(jī)器；1946年2月14日，這臺(tái)機(jī)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(shí)耗電20萬(wàn)千瓦。運(yùn)算速度每秒5000次。

2023/8/810電子管及其典型應(yīng)用：2023/9/2711晶體管時(shí)代：1947年12月第一個(gè)半導(dǎo)體晶體管在貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生，電子時(shí)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(xué)獎(jiǎng)。晶體管基于半導(dǎo)體技術(shù)，通過(guò)PN結(jié)的電特性來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)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(jí)，因此可以使用印刷電路板上較薄的銅線進(jìn)行連接。早期設(shè)計(jì)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(shí)代：2023/9/2712晶體管及其典型應(yīng)用：外形、電路：產(chǎn)品

半導(dǎo)體收音機(jī)、電視機(jī)；

1954年，貝爾實(shí)驗(yàn)室推出全晶體管計(jì)算機(jī)；2023/8/812晶體管及其典型應(yīng)用：2023/9/2713集成電路時(shí)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(dǎo)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(lái)生產(chǎn)半導(dǎo)體集成電路，基爾比、羅伊斯被認(rèn)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(gè)硅片上，體積極小，已經(jīng)不可能靠手工來(lái)完成繪圖工作，使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)是必須的。設(shè)計(jì)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(guò)自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備完成加工。

2023/8/813集成電路時(shí)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(chǔ)器：ROM、RAM中央處理器：CPU

…

1971年IntelTedHoff型號(hào)：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(wàn)級(jí))

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(shí)代：集成電路中晶體管的體積和導(dǎo)線寬度進(jìn)一步縮小，制造密度大幅度提高?？删幊踢壿嫞河布删幊蘁PGA:FieldProgrammableGateArrayCPLD:ComplexProgrammableLogicDevice出現(xiàn)了可復(fù)用、可交易的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)成品-IP核片上系統(tǒng)-SOC（SystemOnChip）電子邏輯設(shè)計(jì)可部分自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，芯片內(nèi)、外部電子零件的布局及其連接線均可自動(dòng)完成。設(shè)計(jì)工具使用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件。2023/8/816大規(guī)模集成電路時(shí)代：2023/9/2717AppleA42023/8/817AppleA42023/9/27181.3.2電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具目前可以分為兩大種類：插件板級(jí)：CAD類ComputerAidedDesign

此類設(shè)計(jì)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(shí)序邏輯的電路設(shè)計(jì)。可提供連線幫助、邏輯仿真、印刷線路板輔助設(shè)計(jì)。

芯片系統(tǒng)級(jí)：EDA類ElectronicDesignAutomation

此類設(shè)計(jì)工具是基于電子元件和IP核的，主要進(jìn)行功能數(shù)字電路的設(shè)計(jì)，使用硬件描述語(yǔ)言HDL完成設(shè)計(jì)文件?？商峁┻壿嬀幾g、化簡(jiǎn)、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(shè)計(jì)工具2023/9/2719插件板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì):使用現(xiàn)有的電子元器件；通過(guò)設(shè)計(jì)者本人的知識(shí)積累和創(chuàng)造發(fā)明，完成系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)成果：電子系統(tǒng)原理圖輔助工具：計(jì)算機(jī)輔助繪圖軟件基于原理圖完成功能電路實(shí)體的設(shè)計(jì)和制作。設(shè)計(jì)成果：具有特定功能的電路板輔助工具：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件原理圖元器件接點(diǎn)匯總；交互式電路板形狀定義；元器件的輔助或自動(dòng)布局；連接線的輔助或自動(dòng)布線；邏輯功能的仿真與驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)與檢查。2023/8/819插件板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì):2023/9/27202023/8/8202023/9/2721芯片系統(tǒng)級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì):基于半導(dǎo)體技術(shù)的功能電路設(shè)計(jì)–芯片設(shè)計(jì)按照確定的功能目標(biāo)組織、設(shè)計(jì)電路使用零件是電子元件或IP核；使用硬件描述語(yǔ)言HDL進(jìn)行設(shè)計(jì)描述；輔助工具：EDA軟件，交互式設(shè)計(jì)平臺(tái)，提供：輔助編輯、繪圖；邏輯化簡(jiǎn)、分割；功能綜合、優(yōu)化；器件布局、布線；邏輯仿真、測(cè)試；實(shí)現(xiàn)編程、下載。2023/8/821芯片系統(tǒng)級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì):2023/9/27221.5計(jì)算機(jī)輔助電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.5.1各種電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件插件板級(jí)PROTEL系列（TANGO,PROTEL,AltiumDesigner）

PADS

DesignWorks聯(lián)創(chuàng)電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)(LiatroElectricalDesign)……VLSI系統(tǒng)級(jí)（略）本部分內(nèi)容在“VLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程中講授，計(jì)算機(jī)學(xué)院在大學(xué)四年級(jí)上半學(xué)年開設(shè)此門選修課2023/8/8221.5計(jì)算機(jī)輔助電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guó)際有限公司，1985年創(chuàng)建，開發(fā)為印刷電路板提供輔助設(shè)計(jì)的軟件。最初設(shè)計(jì)DOS環(huán)境下的PCB設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、制造、調(diào)試。設(shè)計(jì)成果：功能電路板功能電路板的制造：

原理圖設(shè)計(jì)

電路板版圖設(shè)計(jì)

制作印刷電路板（設(shè)計(jì)結(jié)果）

準(zhǔn)備電子元器件（購(gòu)買獲得）

焊接、測(cè)試

成品2023/8/8241.6插件板電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dǎo)電過(guò)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(zhǔn)備

貼光：設(shè)計(jì)圖形帖附

光致掩蔽型干膜：通過(guò)光照改變覆銅板表面貼膜狀態(tài)

制正相導(dǎo)線圖形：由不同貼膜狀態(tài)完成局部覆銅面覆蓋保護(hù)

蝕刻：對(duì)未保護(hù)銅面進(jìn)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(hù)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(zhǔn)備

插頭電鍍：電路板接頭電鍍（鍍金）

鍍錫：焊點(diǎn)（可含導(dǎo)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(fēng)整平：藥劑烘干印制標(biāo)記符號(hào)：板面器件標(biāo)記、說(shuō)明等信息

外形加工：外形確認(rèn)、修整

檢驗(yàn)：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(shè)計(jì)文件加工電路板需要的設(shè)計(jì)文件：鉆孔：孔位、孔型圖貼光：導(dǎo)線圖（2幅：對(duì)應(yīng)正反面）鍍錫：焊點(diǎn)圖+導(dǎo)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(biāo)記符號(hào)：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(shè)計(jì)軟件生成2023/8/8271.6.2插件板電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件2023/9/2728設(shè)計(jì)文件舉例--電路原理圖：2023/8/828設(shè)計(jì)文件舉例--電路原理圖：2023/9/2729設(shè)計(jì)文件舉例--電路板圖：2023/8/829設(shè)計(jì)文件舉例--電路板圖：2023/9/2730設(shè)計(jì)文件舉例--鉆孔圖：局部放大2023/8/830設(shè)計(jì)文件舉例--鉆孔圖：局部放大2023/9/2731設(shè)計(jì)文件舉例--導(dǎo)線圖：元件面–Toplay焊接面–Bottomlay2023/8/831設(shè)計(jì)文件舉例--導(dǎo)線圖：元件面–2023/9/2732設(shè)計(jì)文件舉例--阻焊、助焊圖：阻焊圖–Paste助焊圖–Solder（局部）2023/8/832設(shè)計(jì)文件舉例--阻焊、助焊圖：阻焊圖2023/9/2733設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)文件舉例--絲網(wǎng)印刷、外形圖：絲2023/9/2734設(shè)計(jì)文件舉例--材料清單：2023/8/834設(shè)計(jì)文件舉例--材料清單：2023/9/27351.6.3IC芯片的封裝技術(shù)簡(jiǎn)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(shù)。封裝對(duì)于芯片來(lái)說(shuō)是必須的，因?yàn)樾酒仨毰c外界隔離，以防止空氣中的雜質(zhì)對(duì)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(lái)標(biāo)示。封裝直接關(guān)聯(lián)與芯片連接的PCB（印制電路板）的設(shè)計(jì)和制造2023/8/8351.6.3IC芯片的封裝技術(shù)簡(jiǎn)介所謂2023/9/2736封裝方式的分類傳統(tǒng)插裝方式：通過(guò)在印制電路板上打孔，將電子元件的引