1、2022/7/251計算機輔助設計 天津大學計算機學院 第一章: 電子系統設計概述2022/7/2521.1 機電系統 1.1.1 機電系統的概念及組成 機電系統是機械和電氣的組合系統，機電配合實現一定的應用功能。機電系統亦被稱為機電一體化系統。機械部分：是系統的功能部件，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。2022/7/253 1.1.2 機電系統的設計 系統的設計工作可分為機電一體化系統概念設計到系統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容，詳細設計工作則針對機械部分

2、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容，基于計算機專業的研究方向，我們的關注重點是電氣系統中與控制、檢測等內容相關的部分。2022/7/2541.2 電氣系統基本概念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。因為早期的工業動力來源于蒸汽及蒸汽機，電發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。2022/7/255電力：電力是電氣的強電部分

3、，主要涉及電能的提供（發電系統）、傳輸（輸電系統）、變換（高低壓轉換設備）、使用（電動設備）。 電力系統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、參數檢測、數據運算、信息傳輸等。 電子系統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。2022/7/256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。 學術定義：凡是根據外界特定的信號和要求，自動或手動接通或斷開電路，繼續或連續地改變電路參數，實現對電路的切換、控制、保護、檢測及調節的電氣設備均稱為電器。電子元器件：電子系統的組成部件 電子元件：具有單一功

4、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。2022/7/2571.2.2 電力系統與電子系統的區別 電力系統也稱強電系統，電子系統也稱弱電系統，它們的主要區別是：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。 2022/7/2581.3 電子系統設計 由于電子系統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、參數檢測、數據運算、信息傳輸等領域應用，因此設計各種不同功能和性能的電子產品一直是電子工程師們的主要工作之一。1.3.1 電子系統設計的歷史 電子系統設計工作的歷史變遷是和電子元器件的發展緊密相關的。 電子管 晶體管 集成電路 VLSI 2022/7/259電子管時代： 1904年，英國科學家弗萊明發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

6、明“閥” ) 1906年，德-福雷斯特在二極管的基礎上發明了三極管，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。2022/7/2510電子管及其典型應用： 外形、電路： 產品：電子管收音機、 二戰期間，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

7、速度每秒5000次。 2022/7/2511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，電子時代的飛速發展開始了。 肖克利 - William Shockley(坐) 巴丁 - John Bardeen(左) 布拉坦 - Walter Brattain (右) 共同發明晶體管，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。2022/7/2512晶體管及其

8、典型應用：外形、電路： 產品 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；2022/7/2513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明人。 1968年，諾伊斯同戈登摩爾（GordonMoore）、安迪格魯夫（AndyGrove）一起創立了英特爾公司。 集成電路將晶體管、電子元件及連線統一制作在一個硅片上，體積極小

9、，已經不可能靠手工來完成繪圖工作，使用計算機輔助設計系統是必須的。 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，通過自動化生產設備完成加工。 2022/7/2514集成電路產品： 基本邏輯：數字邏輯門電路、寄存器 存儲器：ROM、RAM 中央處理器：CPU 1971年Intel Ted Hoff型號：4004 2300 晶體管2022/7/2515集成電路的規模： SSI 小規模集成電路(Small Scale Integrated circuit) MSI 中規模集成電路(Medium Scale Integrated circuit) LSI 大規模

10、集成電路(Large Scale Integrated circuit) VLSI 超大規模集成電路(Very Large Scale Integrated circuit) ULSI 特大規模集成電路(Ultra Large Scale Integrated circuit) GSI 巨大規模集成電路(Gigantic Scale Integrated circuit） 規模分類：名稱：元件數 / 芯片 SSI： 100 MSI： 102 103 LSI： 103 105 VLSI：105 107 (百萬級) ULSI：107 109 2022/7/2516大規模集成電路時代： 集成電路中晶

11、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: Field Programmable Gate Array CPLD: Complex Programmable Logic Device 出現了可復用、可交易的標準設計成品 - IP核 片上系統- SOC （ System On Chip ）電子邏輯設計可部分自動實現，芯片內、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。2022/7/2517Apple A42022/7/25181.3.2 電子系統設計工具 電子系統設計工具目前可以分為兩大種類：插件板級：CAD

12、類 Computer Aided Design 此類設計工具是基于電子元器件的，包括模擬電路、數字電路、組合邏輯、時序邏輯的電路設計。可提供連線幫助、邏輯仿真、印刷線路板輔助設計。 芯片系統級：EDA類 Electronic Design Automation 此類設計工具是基于電子元件和IP核的，主要進行功能數字電路的設計，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、優化、布局、布線、仿真、邏輯映射和編程下載。2022/7/2519插件板級電子系統設計:使用現有的電子元器件；通過設計者本人的知識積累和創造發明，完成系統的功能設計； 設計成果：電子系統原理圖 輔助工具

13、：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，實現結構的檢測與檢查。2022/7/25202022/7/2521芯片系統級電子系統設計: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、優化； 器件布局、布線； 邏輯仿

14、真、測試； 實現編程、下載。2022/7/25221.5 計算機輔助電子系統設計1.5.1 各種電子系統設計軟件插件板級 PROTEL系列（TANGO, PROTEL, Altium Designer） PADS DesignWorks 聯創電路設計系統 (Liatro Electrical Design) VLSI系統級 （略） 本部分內容在“VLSI系統設計”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公司的產品。Altium的前身為Protel 國際有限公司，1985 年創建，開發為印刷電

15、路板提供輔助設計的軟件。最初設計 DOS 環境下的 PCB 設計工具1991年發布基于Windows 的 Advanced PCB1997 年發布集成軟件包 Protel 981999 年又發布 Protel 99 和 Protel 99 SE2002 年發布 Protel DXP2004 年發布 Protel DXP 20042008 年發布 Altium Designer （EDA類）2022/7/25241.6 插件板電子系統的設計制造 使用現有的電子元器件，依據指定的功能需求，完成支持該功能系統的硬件設計、制造、調試。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

16、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 制正相導線圖形：由不同貼膜狀態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2022/7/2526電路板的加工（續）： 去膜：去除保護膜，呈現未被腐蝕的覆銅 清洗： 表面清洗，為后續處理做準備 插頭電鍍：電路板接頭電鍍（鍍金） 鍍錫：

17、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。 2022/7/25271.6.2 插件板電子系統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2022/7/2528設計文件舉例 - 電路原理圖：2022/7/2529設

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