《电路CAD与仿真》教案_8241_2140_20120905125309.doc

电路CAD与仿真教案（第一讲）授课专业测控技术与仪器授课年级大学本科三年级章次名称第1、2章 原理图设计基础及方法讲次名称第1讲 电路板基础知识及电路原理图设计教学目的1、了解电路板的基本结构；2、了解电路板设计的基本步骤；3、熟悉Protel99 SE电路原理图编辑器的软件环境及设置；4、掌握Protel电路原理图的设计方法；教学内容1、电路CAD基础知识，包括电路板类型、Protel设计环境及文件类型；2、电路原理图设计基础1)原理图编辑器使用环境介绍；2)库文件及库中元器件的查找方法；3)原理图编辑器中各工具的使用方法；3、原理图设计方法1）元件放置、编辑及调整方法；2)绘制电路工具和绘图工具的使用；3）电器法则测试方法；4）生成网络表；教学重点和难点重点：（1）绘制电路工具的使用；（2）原理图正确性检查；难点：电路原理图的正确绘制教学方法学时安排课堂教学2学时，采用多媒体教案。重点讲解设计过程，使学生理解和掌握电路原理图的基本设计方法，能够独立绘制电路原理图。作业安排留实验1、实验2的作业。教 学 内 容教 学 设 计时间一、引言介绍本门课的基本情况：授课课时及实验安排、考试方式、课程的教学内容与基本要求，教材、相关专业网站及学习方法；从乔布斯的去世引入苹果的产品，进而得出电路设计的重要性。让学生结合日常生活，举几个需要电路板的实例，提问1-2名学生，调动学生思维积极性。5分钟二、电路CAD基本知识介绍Protel 99SE常用的一些概念、符号及定义。包括：1) 电路板的类型及选择；2）电路板设计的基本步骤；3）常用的编辑器；4）涉及的文件类型；结合电路板设计基本步骤的图介绍常用编辑器及涉及的文件类型，强调需要学生重点掌握的内容10分钟三、原理图设计基础介绍与原理图有关的概念以及原理图编辑器的使用，包括：1) 原理图编辑器中元件库文件及元件的查找与添加；2）原理图编辑器的工具栏及画面管理；3）原理图图纸、网格及光标的设置；结合TTL-232电平转换实例介绍Protel 99SE软件的应用环境，使学生能够熟练掌握原理图编辑器的基本操作35分钟教 学 内 容教 学 设 计时间四、原理图设计1、装载元件库介绍原理图绘制过程中常用的元件库并介绍元件库的装载和卸载过程。2、放置元器件介绍两种获取元器件的常用方法：1) 通过输入元件编号来获取元件；2) 从元件列表中选取元器件；3、编辑元件介绍元器件的编辑方法以及电路原理图中元器件的常用属性。4、元件位置的调整1) 介绍原理图中对象的三种选取方法；2) 介绍元器件的移动方法及各方法间的区别；3) 单个及多个元器件的移动方法；4) 元器件的旋转方法；5) 元件选择的取消与删除；6) 元器件的阵列粘贴；5、元件的排列介绍元器件的各种对齐排列方法，包括：左对齐、右对齐、水平中线对齐、水平平铺、顶端对齐、底端对齐、垂直中线对齐、垂直均布及综合排列对齐。6、放置电源和接地元件介绍常用的电源与地线符号的意义及放置方法；7、放置节点和连接线路介绍节点与连线的意义及放置方式，尤其注意连线与绘图工具中绘制直线的区别。结合TTL-232电平转换原理图介绍原理图设计的过程难点：注意wire和line的区别，有无节点的区别35分钟教 学 内 容教 学 设 计时间8、更新元件流水号介绍元件流水号的意义及更新流水号的方法；9、保存文件介绍文件保存的方法；10、电气规则检查(ERC)介绍电气规则检查的意义、方法及规则设置；11、生成网络表介绍生成网络表的方法、网络表文件中各部分的含义及网络表的用途。以TTL-232电平转换实例介绍各操作步骤10分钟五、作业布置实验一、实验二的作业，要求学生利用接下来的两次课时间分别完成电平转换原理图及单片机最小系统原理图的设计，强调其中容易出错的环节，让学生通过4学时的实际动手熟悉Protel软件环境的配置，了解电路原理图设计的方法及过程，掌握绘制电路工具和绘图工具的使用以及元件编辑、调整的方法。实验课时辅导，及时发现并纠正学生原理图绘制过程中的错误5分钟传感器原理及应用教案（第二讲）授课专业测控技术与仪器授课年级大学本科三年级章次名称第3章 制作元件与建立元件库第4章 层次原理图设计讲次名称第2讲 元件制作、元件库建立与层次原理图的设计教学目的1、掌握原理图元件符号的制作方法；2、掌握元件库的建立与维护方法；3、掌握层次原理图的设计方法；4、能够用原理图生成正确的网络表文件；教学内容1、 元件库编辑器的使用；2、 利用原理图元件库编辑器创建新元件的过程；3、 层次原理图的定义及设计方法教学重点和难点重点：（1）元件库编辑器的使用方法；（2）元件库中元件器的维护与管理；（3）层次原理图的设计方法；难点：层次原理图之间的关系及接口描述；教学方法学时安排课堂教学2学时，采用多媒体电子教案。通过实际操作重点讲解设计过程，使学生理解和掌握元器件的制作过程及层次原理图的设计方法。作业安排留实验3的作业。30教 学 内 容教 学 设 计时间温 故打开23份包含典型错误的实验1和实验2的作业，让同学找出其中的错误并进行点评。通过点评作业的方式回顾上一节课的内容，通过未知元器件及大型系统设计的要求引出本节课程的内容。15分钟一、元件制作及元件库建立1、元件库编辑器1) 元件库编辑器的加载；2) 元件库编辑器中常用绘图工具介绍；2、元件库的管理1) 元件管理器2) 利用Tools菜单管理元件3) 元件的查找3、通过制作一个元件介绍绘图工具1) 一般绘图工具2) 绘制引脚4、产生元件报表1) 生成元件报表2) 元件库报表3) 元件规则检查表以D触发器为例通过课堂演示介绍利用元器件编辑器创建一个新元件的过程，包括元器件的绘制、管理、属性设置和报表生成35分钟教 学 内 容教 学 设 计时间二、层次原理图设计基础1、概念层次图是一种模块化设计方法，把整个设计项目分成若干基本功能模块，各模块用一个完整的原理图表达。2、层次原理图的基本符号层次原理图设计的关键是正确传递层次间的信号，主要依靠三种基本电路符号实现，各符号及用途如下：1) 方块电路：代表一个复杂电路原理图。2) 电路进出点：代表方块电路的输入输出引脚。3) 电路输入输出点：实现两个网络的连接。3、层次原理图的两种基本设计方法1) 自顶而下的层次电路设计方法首先产生方块电路图，再由方块电路来产生具体原理图，即首先设计主控模块图，再将各个模块具体化。2) 自下而上的层次电路设计方法首先画出原理图，再由原理图来产生方块电路图的方法，即先设计局部，在组合成总体。 以神九、天宫为例引入大型系统电路设计的基本方法。 注意生成时是否选择反向引脚方向。15分钟三、层次原理图设计举例以4串口为例介绍层次原理图设计过程，4串口电路包括ISA总线和地址解码两部分，设计时可以采用上述两种方法。先以自上而下方式进行介绍，主要步骤包括：1) 建立层次原理图文件(*.prj)2) 放置方框图并设置属性；3) 放置出入端口；4) 方框图连线5) 利用方框图生成原理图文件；6) 分别绘制各子原理图文件； 课堂实际演示上述两种方法。15分钟教 学 内 容教 学 设 计时间四、层次原理图后期处理1、生成层次表执行Report-Design hierarchy可自动生产该原理图的层次关系。2、生产ERC表ERC表主要用于进行电气规则检查，以确定电路图是否有问题。3、生成网络表网络表是表明电路原理图或印制板图元件连接关系的文本文件，是有原理图过渡到印制板图的中间过程。4、元件列表用于整理一个电路或一个项目文件中的所有元件。 学会ERC规则设置 学会生成网络表选项的设置 掌握并能读懂网络表的格式 掌握元件列表文件的字段选择方法15分钟五、作业布置实验三的作业，让学生能熟练运用Protel 原理图元件库编辑器创建新的元件库及元件，为后续课程的学习打下基础。5分钟传感器原理及应用教案（第三讲）授课专业测控技术与仪器授课年级大学本科三年级章次名称第5章 印制板设计基础第6章 创建PCB封装讲次名称第3讲 印制板设计基础及PCB元件封装教学目的使学生了解印制板设计的基础知识，掌握印制板设计的步骤和PCB元件封装的设计过程，最终能够自行设计简单的印制电路板教学内容1、 印制电路板设计基础知识；2、 印制电路板设计流程；3、 PCB电路参数设置方法(design rules);4、 创建PCB元件封装的方法；教学重点和难点重点：（1）印制板电路设计流程；（2）PCB电路参数设置方法；（3）创建PCB元件封装的方法；难点：PCB电路参数的合理设置；教学方法学时安排课堂教学2学时，采用多媒体电子教案与软件演示。通过实际操作重点讲解PCB印制板设计过程，使学生掌握印制板设计的一般过程并能自行创建PCB元件封装。作业安排留作业让大家熟悉PCB板设计过程。教 学 内 容教 学 设 计时间温 故打开23份包含典型错误的实验3的作业，让同学找出其中的错误并进行点评。通过点评作业的方式回顾原理图的设计过程及内容，并说明正确设计原理图的目的是为了印制板图的设计，从而引出本次课程的内容。10分钟一、印制电路板设计基础知识1、印制电路板的结构介绍单面板、双面板、多层板的区别及用途；2、介绍元件PCB封装知识介绍元件PCB封装的含义及常用的元件封装形式；3、介绍印制电路板的基本元素铜膜线、助焊膜、阻焊膜，焊点、过孔、飞线的概念及各自的作用。10分钟二、印制电路板设计流程印制电路板设计一般遵循如下流程：1) 绘制电路原理图；2) 生成网络表；3) 定义电路板大小尺寸、层数及环境参数等；4) 装载元件封装库和网络表；5) 合理设置并使用设计规则；6) 元件布局；7) 先自动布线再手动调整；8) DRC检查至无错，有错误修改原理图并重复2)；重点：元件布局和布线的原则10分钟教 学 内 容教 学 设 计时间三、PCB编辑器的使用1、新建PCB文件创建PCB文件并命名，熟悉PCB编辑器环境；2、加载元件封装库能够正确加载和卸载需要的PCB元件封装库；3、工具栏的正确使用能够利用工具栏的各种工具合理放置电路板的导线、过孔、焊盘、元件等元素。4、设置电路板的工作层1) 层的管理可添加、删除内电层及机械各层；2) 层的类型信号层、内电层、机械层、阻焊层、防护层、丝印层、钻孔层及其它各层的含义及作用；3) 工作层面的设置Design-Options设置；5、PCB电路参数设置通过Tools-Preference命令对Options、Display、Colors、Show/Hide、Default、Signal Integrity等选项卡进行参数设置。 通过软件演示的方式介绍上述功能20分钟四、元器件封装的制作1、元器件封装的基础知识1) 元器件的外形：元器件安装到电路板上后在电路板上的投影即为元器件的外形。2) 焊盘：用于安装元器件的引脚。3) 封装：实际元器件焊接到电路板上时，在电路板上所显示的外形和焊点位置关系的集合。4) 制作元器件封装的两种方法和流程。 课堂实际演示上述两种方法。15分钟教 学 内 容教 学 设 计时间2、元器件封装库编辑器的使用1) 创建新的元器件封装库以打开编辑器；2) 编辑器管理窗口包含的内容：Mask区、元件列表栏、封装浏览按钮、编辑按钮、焊盘列表栏；3) 绘图工具栏中各按钮的含义及应用。3、利用生成向导创建元器件的封装以功率电阻封装设计为例介绍如何利用生成向导创建元器件的封装。4、手工创建元器件的封装对于一些异形的非标准元器件封装，必须采用手工的方式创建其封装。举例演示手工创建的过程如下：1) 环境参数的设置；2) 利用new components 增加新的元器件；3) 元器件外形的绘制(注意顶层和底层)；4) 放置焊盘并调整间距；（注意准确测量其大小）；5) 更改库中元件名称； 在软件上演示功率电阻封装的制作过程。30分钟五、作业课下熟悉PCB图编辑器及PCB元件库编辑器的使用，能够熟练进行PCB板的设计并制作库中没有的元器件封装，为后续课程的学习打下基础。5分钟传感器原理及应用教案（第四讲）授课专业测控技术与仪器授课年级大学本科三年级章次名称第7章 印制电路板设计讲次名称第4讲 印制电路板设计教学目的掌握印制板设计的步骤并能自行设计印制电路板。教学内容1、 软件环境设置和电路板规划；2、 网络表与元件的装入方法；3、 组件的自动布局及手工调整；4、 自动布线后的设计规则检查；5、 手工调整布线方法；教学重点和难点重点：(1) 印刷电路板图设计的方法和详细过程；（2）元器件的布局原则；（3）电路板的布线原则；难点：PCB电路参数的合理设置；教学方法学时安排课堂教学2学时，采用多媒体电子教案与软件演示。通过实际操作重点讲解PCB印制板设计过程，使学生掌握并能自行设计制作印制板PCB图。作业安排留实验4、实验5和实验6的作业，让学生通过实验熟悉电路板PCB图设计及元件封装制作的过程。教 学 内 容教 学 设 计时间温 故（提问） 1、元器件封装制作的两种方法；2、PCB图设计的流程；通过提问了解学生对上节课掌握的情况。5分钟一、PCB绘图工具介绍PCB绘图工具是进行PCB设计的基础，主要的工具如下：1) 绘制导线（注意工作层）；2) 放置焊盘；3) 放置过孔；4) 补泪滴设置；5) 放置字符串；6) 放置坐标；7) 放置尺寸标注；8) 设置原点；9) 绘制圆或圆弧边缘法、中心法、角度旋转法10) 放置填充；11) 放置多边形平面注意填充方式；12) 放置切分多边形；13) 放置空间定义；20分钟二、电路板布局及布线规则1、电路板元器件布局规则2、电路板布线原则重点与难点20分钟教 学 内 容教 学 设 计时间三、PCB电路板图设计步骤1、准备原理图和网络表绘制电路原理图并生成正确的网络表备用。2、电路板规划及电气定义1）手动规划电路板：2）使用向导生成电路板3、网络表与元件的装入1) 正确装入元件库；2) 正确装载网络表，若存在错误，修改原理图，重新生成并装载；4、元件的布局自动布局与手动布局相结合，以手动布局为主。5、添加网络连接添加需要自行添加的网络。6、自动布线进行布线规则设置并自动布线，需要设置如下规则：1) 工作层面的设置2) 自动布线规则的设置包括安全间距、拐角方式、优先级、过孔及焊盘类型等。7、布线的手动调整利用手动方式修改自动布线的结果。8、DRC 设计规则检查利用设计规则对PCB板布局及布线进行检查，发现错误后更改并重新检查直至无错误为止。 通过软件演示的方式介绍上述功能50分钟三、作业留实验4、实验5和实验6的作业，让学生通过实验熟悉电路板PCB图设计及元件封装制作的过程。5分钟传感器原理及应用教案（第五讲）授课专业测控技术与仪器授课年级大学本科三年级章次名称第8章 电路原理图仿真讲次名称第5讲 电路原理图仿真教学目的学会对电路原理图进行仿真。教学内容1、 仿真环境的设置；2、 仿真原理图设计；3、 仿真的进行及结果显示；教学重点和难点重点：(1) 仿真元件的类型；（2）仿真原理图的设计；（3）仿真分析类型及设置；难点：仿真分析类型及设置方法；教学方法学时安排课堂教学2学时，采用多媒体电子教案与软件演示相结合方式。通过实例讲解电路原理图仿真的过程。作业安排留实验7的作业，让学生通过实验熟悉原理图仿真的过程，对设计起到指导作用。教 学 内 容教 学 设 计时间温 故以包含典型错误的实验46作业为例，让同学找出其中的错误并进行点评。每个作业点名45名同学回答问题，了解大家出勤及知识掌握情况40分钟一、电路原理图仿真过程1、仿真分析环境介绍软件环境：Protel Advanced SIM99，介绍界面窗口各部分的功能；2、仿真原理图设计仿真原理图的绘制也在原理图编辑器中进行，只是需要采用仿真元器件，详细介绍常用的仿真元器件库及元件的仿真属性设置；3、仿真信号源仿真之前必须提供信号激励源，常用的有10种：1) 直流源电压、电流源；2) 正弦仿真源电压、电流源；3) 周期脉冲源电压、电流源；4) 分段线性源电压、电流源；5) 指数激励源电压、电流源；6) 单频调频源电压、电流源；7) 线性受控源共4种电压、电流输入输出组合8) 非线性受控源电压、电流源；9) 频率/电压转换器输入频率，输出电压10) 压控振荡器(VCO)仿真源仿真之前必须正确设置激励源的属性，以正弦电压源为例，包括峰值、频率、阻尼因子等。20分钟教 学 内 容教 学 设 计时间4、仿真初始状态设置设置初始状态是为计算偏置点而设定一个或多个电压(或电流值)，使电路在两个或多个稳定工作点中选择一个作为初始值，以便仿真顺利进行。包括：1) 节点电压设置(.NS)2) 初始条件设置(.IC)5、仿真分析类型及设置以非稳态多谐振荡器为例介绍Protel Advanced SIM99可以进行的9种类型仿真：1) 静态工作点分析2) 瞬态/傅里叶分析3) 交流小信号分析4) 直流扫描分析5) 噪声分析6) 传递函数分析7) 温度扫描分析8) 参数扫描分析9) 蒙特卡罗分析6、仿真原理图设计实例将幅值170V的正弦波信号经过10:1的变压器变压、桥式整流器的整流以及滤波等一系列变化后，得到一个相当平稳的低压直流信号。在仿真时要求对电路进行静态工作点、瞬态和交流小信号分析，同时输出输入、输出及中间点波形。 通过软件一步步演示正弦波变压器仿真图的设计和仿真过程45分钟二、作业留实验7的作业，让学生通过实验熟悉仿真原理图设计和仿真的过程。5分钟传感器原理及应用教案（第六讲）授课专业测控技术与仪器授课年级大学本科三年级章次名称第9章 可编程逻辑器件设计讲次名称第6讲 可编程逻辑器件设计教学目的让学生了解基于Protel的可编程逻辑器件设计方法教学内容1、 可编程逻辑器件及常用设计工具比较；2、 PLD设计；3、 CUPL语言；4、 基于CUPL的PLD设计；5、 PLD设计实例；教学重点和难点重点：CUPL设计语言；难点：CUPL设计语言；教学方法学时安排课堂教学2学时，采用多媒体电子教案与软件演示相结合的手段，使学生掌握基于CUPL的PLD设计方法。作业安排留实验8、实验9的作业，让学生掌握PCB印制板综合设计的方法。教 学 内 容教 学 设 计时间温 故（提问）提问：51单片机低8位地址线的生成方法，说明PLD相对74LS373的优点。 通过提问说明前面设计的小问题，进而引出本节课的内容。5分钟一、PLD器件及设计工具1) 逻辑器件的分类；2) PLD设计的内容；3) 常用的编译器介绍；10分钟二、基于原理图形式的PLD设计以解码电路为例介绍以原理图形式描述的PLD设计过程。