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1、2022/7/251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2022/7/2521.1 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。2022/7/253 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

2、和電氣部分分別展開(kāi)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。2022/7/2541.2 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。2022/7/255電力：電力是電氣的強(qiáng)電部分

3、，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)取?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。2022/7/256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(kāi)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

4、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。2022/7/2571.2.2 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

5、往是高頻或特高頻，以KHz、MHz 、GHz計(jì)。 2022/7/2581.3 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 VLSI 2022/7/259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(ài)迪生效應(yīng)” - 弗萊

6、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。2022/7/2510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

7、速度每秒5000次。 2022/7/2511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(kāi)始了。 肖克利 - William Shockley(坐) 巴丁 - John Bardeen(左) 布拉坦 - Walter Brattain (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。2022/7/2512晶體管及其

8、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)；2022/7/2513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

9、，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。 2022/7/2514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Intel Ted Hoff型號(hào)：4004 2300 晶體管2022/7/2515集成電路的規(guī)模： SSI 小規(guī)模集成電路(Small Scale Integrated circuit) MSI 中規(guī)模集成電路(Medium Scale Integrated circuit) LSI 大規(guī)模

10、集成電路(Large Scale Integrated circuit) VLSI 超大規(guī)模集成電路(Very Large Scale Integrated circuit) ULSI 特大規(guī)模集成電路(Ultra Large Scale Integrated circuit) GSI 巨大規(guī)模集成電路(Gigantic Scale Integrated circuit） 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 2022/7/2516大規(guī)模集成電路時(shí)代： 集成電路中晶

11、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。 可編程邏輯：硬件可編程 FPGA: Field Programmable Gate Array CPLD: Complex Programmable Logic Device 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 （ System On Chip ）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。2022/7/2517Apple A42022/7/25181.3.2 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

12、類 Computer Aided Design 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)?？商峁┻B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 Electronic Design Automation 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。可提供邏輯編譯、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。2022/7/2519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

13、：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。2022/7/25202022/7/2521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

14、真、測(cè)試； 實(shí)現(xiàn)編程、下載。2022/7/25221.5 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, Altium Designer） PADS DesignWorks 聯(lián)創(chuàng)電路設(shè)計(jì)系統(tǒng) (Liatro Electrical Design) 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(kāi)設(shè)此門選修課2022/7/25231.5.2 PROTEL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(kāi)發(fā)為印刷電

15、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 Advanced PCB1997 年發(fā)布集成軟件包 Protel 981999 年又發(fā)布 Protel 99 和 Protel 99 SE2002 年發(fā)布 Protel DXP2004 年發(fā)布 Protel DXP 20042008 年發(fā)布 Altium Designer （EDA類）2022/7/25241.6 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)

16、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2022/7/25251.6.1 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2022/7/2526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：

17、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。 2022/7/25271.6.2 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2022/7/2528設(shè)計(jì)文件舉例 - 電路原理圖：2022/7/2529設(shè)

18、計(jì)文件舉例 - 電路板圖：2022/7/2530設(shè)計(jì)文件舉例 - 鉆孔圖：局部放大2022/7/2531設(shè)計(jì)文件舉例 - 導(dǎo)線圖：元件面 Top lay焊接面 Bottom lay2022/7/2532設(shè)計(jì)文件舉例 - 阻焊、助焊圖：阻焊圖 Paste 助焊圖 Solder（局部）2022/7/2533設(shè)計(jì)文件舉例 - 絲網(wǎng)印刷、外形圖：絲網(wǎng)印刷圖 Over lay （局部） 外形圖 Mechanical2022/7/2534設(shè)計(jì)文件舉例 - 材料清單：2022/7/25351.6.3 IC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