CAD论文

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　物理与电子学院课程

　浅谈电子 CAD 发展与课程应用

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　 浅谈电子 CAD 发展与课程应用

　摘要:CAD 技术就是２１世纪最重要的三大工业技术之一,本文回顾了 CAD 技术的发展趋势与我国目前 CAD 技术的普及的现状,展望了 CAD 技术的未来。并系统介绍了使用软件设计印制电路板的一般步骤,接下来以直流调速电路为例阐述了直流调速电路板设计的方法、步骤。

　关键词:CAD 技术 发展 布局 布线 Abstract:CAD technology is one of the three most important industrial technology in twenty-first Century, this paper reviews the development trend of CAD technology and the popularization of CAD in our country at present situation, the prospect of CAD technology in the future、 The general steps of using software to design printed circuit board are introduced、 Then, the design method and steps of DC speed regulating circuit board are expounded by taking DC speed regulating circuit as an example、 Key words:CAD technology; development; layout; cabling 一、什么就是 CAD CAD(Computer Ai-ded Design,计算机辅助设计)技术就是计算机发展中重要的实用化成果,它引发了各个行业设计领域的一场革命。计算机辅助使得工程设计人员从繁重的脑力劳动中开始解脱,它使技术人员有更多的精力从事创造性的活动。六十年代初,美国麻省理工学院

　的 APT(自动编程工具)标志着 CAM(Computer Aided Manu-facturing),计算机辅助的开始。人们逐渐认识到,在设计与制造的各个环节,可以反复的利用系统的一次输入信息及处理后的二次信息,从而使计算机辅助渗透到设计与制造的全过程。总的来说,CAD 发展过程就就是从计算机辅助绘图到计算机辅助设计,从二维绘图到三维造型,进而到三维集成的设计过程。

　在当代,广义的 CAD 则就是指 CAD/CAE/CAM 的高度集中,其中 CAD 侧重于产品的设计与开发,CAE(Computer Aided Engi-neer)侧重于产品的优化与分析,CAM侧重于产品的加工与制造。

　CAD 的主导就是人,而计算机就是工具。CAD 系统就是将人的创造性思维、专业知识及实践经验与计算机高速运算能力、大量信息储存及逻辑判断能力有机结合,实现人机信息交流及交互工作的系统。CAD 又就是现代设计相关学科综合应用的新技术,它把常规设计原理,计算机软硬件技术与各种现代设计方法有机的综合运用。

　 电子 CAD 的含义就是使用计算机来完成电子线路的设计过程,包括电路原理图的编辑、电路功能仿真、工作环境模拟、印制板设计与检测等。现在芯片的规模越来越大,很难想象一个新产品的研制能够不采用 CAD 而完全依靠过去人用烙铁搭接试验板的方法。

　二、 我国 CAD 技术发展历程 ２０世纪７０年代,我国开始对 CAD 技术进行研究,主要就是针对应用在航空与造船领域的二维绘图软件。７０年代初,设计人员借助计算机对一些复杂的工业产品的设计、科学计算、曲线拟合数值等进行设计与计算,速度、精确性与工作效率得到大幅提高。在此过程中也培养了一批质量较高的计算机应用队伍,她们成为 CAD 技术研究开发的骨干力量。随着我国工业发展的需要,大量数控机床被引进,数控自动编程系统的研究开发已经成为工作重点,７０年代中期,国内一些科研实力较强的单位与高校开始开发与研究了数控自动编程语言并将其应用于生产。航空工业与机械工业等相关部门还开发出了针对数控铣床、车床、加工中心、线切割机、火花切割机等机床的系统,类似于国标ＡＰＴ数控语言。在此过程中成长起来的技术人员成为日后我国 CAD／ＣＡＭ技术的发展与推广应用的核心力量。

　２０世纪８０年代,部分大型设计院与企业引进 CAD 系统,在国家“七五”计划期间,我国

　CAD 技术快速发展并普及开来。在《重点机械产品计算机辅助设计(CAD)系统开发》这个国家重点科技攻关项目中,共设三大课题４０个专题集,全国高校、科研单位、工厂等共计３０多个单位的２ ５００多科研与工作人员参与项目攻关。与此同时,各工业领域与部门也开展了针对具有本行业特点的 CAD／ＣＡＭ技术攻关。上世纪９０年代以来,国内许多科研单位、大型企业、高校都致力于 CAD 系统的开发与科研工作,相继开发了用于绘图、分析、计算与图纸档案管理的 CAD 软件。Ａｕｔｏｄｅｓｋ公司开发生产的的Ａｕ－ｔｏCAD 软件就是目前国际上使用最多的 CAD 软件,国产的 CAD 类软件有华正ＣＡＸＡ电子图版、浙大２ＤＤＳ,华中理工大学的ＩＵＴＥCAD 与中科院开发的ＤＩCAD。

　自２０世纪９０年代后,我国在 CAD 技术的开发、研究与推广上有较大进展,但相较于发达国家仍有很大差距。国内 CAD 软件功能相对比较单一、集成度低、稳定性差、缺乏竞争力,对于工程设计与施工人员来说,CAD 系统仅仅只就是摆脱传统手工制图的工具,很多 CAD 系统深层次的功能没有得到充分应用,使用 CAD 技术进行产品设计、仿真与计算的比例还需进一步提高。对 CAD 系统二次开发的力度不够,这些都极大的制约了 CAD 技术在制造产业发回更大的作用

　三、 CAD 技术的发展趋势 我国工业正面临着经济全球化的大环境,市场全球化与品种多样化的需求必将使新技术、新工艺围绕 CAD 系统展开研发与革新。所以集成化、智能化、参数化、网络化也必将成为 CAD系统发展趋势的主要方向。

　１ 集成化 集成化的目标就是提高产品设计生产的自动化程度,就是目前 CAD 技术发展的主要趋势之一。要求 CAD 系统的硬件与软件功能齐全,生产的每一个阶段都有效的使用 CAD 技术,要求CAD 系统内部各模块之间有集成,或多种 CAD 系统之间有集成。

　２ 智能化

　设计工作就是一个反复修改的过程,设计者应将多门专业知识融会贯通并在 CAD 中实现,这样才能得到较好的设计结果。然而,目前的 CAD 系统无法解决此类问题。随着人工智能的发展,可将人工智能技术引入 CAD 系统中,使 CAD 可以模拟人的思维,模拟专家解决问题的过程,利用已有的数据,通过分析与运算,得到令人满意的设计效果。这也就是 CAD 技术发展的主要趋势之一。

　３ 参数化 伴随着计算机的硬件技术的发展日益先进,CAD技术也逐渐从一维绘图发展到二维绘图再发展到到三维建模。参数化、变量化的设计思想与特征造型似的工作效率极大提高,有效地减少了设计工作量与重复劳动,这也就是 CAD 技术的发展趋势之一。用参数来约束设计对象,能够使形状结构的设计结果更精确与完整的表达,从而为建立产品的集成信息模型服务。

　４ 网络化 当今世界互联网技术与电子商务突飞猛进,基于互联网的 CAD 产品,能使二维图纸以电子形式更加高效的传播,设计人员可以通过互联网快速传输文件,实时进行交流与协作,生产企业通过这种网络协作的模式,降低设计与制造成本、提高产品质量, 加快新品上市速度。

　四、电子 CAD 软件设计电路板的一般步骤

　1.绘制正确的原理图与确定元件封装

　绘制电路原理图就是进行印制电路板设计的前期工作。电路原理图设计完成后应确认元器件的封装就是所需的形式,并利用系统工具编译检查错误,检查后应无问题。

　2.创建正确的网络表

　网络表就是电路原理图设计系统与印制电路板设计系统的接口,就是连接原理图与印制电路板图的桥梁,就是电路板自动布线的灵魂,所以在绘制 PCB 电路板之前一定要先得到正确的网络表。

　3.规划电路板

　这就是一项极其重要的工作,就是确定印制电路板设计的框架,就是决定最终电路板设计成败的关键因素之一。这个规划包括电路板的形状、尺寸,电路板的安装方式,采用几层的电路板以及在禁止布线层上绘制 PCB 板的外型轮廓等。

　4.载入元器件封装库及网络表

　正确并全部载入所需的元器件封装库就是很关键的一步,否则就不能正确载入网络表。网络表中包含了各个元器件的封装形式,以及元件之间的连接关系,因此导入网络表之后就得到了 PCB 的后续设计的基础。

　5.元件的布局

　PCB Editor 提供了自动布局与手动布局的功能,利用系统的自动布局功能可以将元件自动布置在电路板内,但自动布置的结果绝大部分不会使我们满意,需要从机械结构、散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面综合考虑,手工加以调整,一般要先布置与机械尺寸有关的器件并锁定这些器件,然后布置较大的、占用空间较多的器件与电路的核心器件,最后布置外围的小元件。

　6.电路板布线

　这一步骤包括了布线规则的设置、自动布线、手工调整布线三个小步。布线规则包括走线安全间距、各种线宽、布线层、过孔大小、布线的拓扑结构等,这些规则需要根据所设计的电路板的实际情况进行设置。PCB Editor 提供的自动布线功能具有布通率高、速度快的优点,但自动布线后,经常存在许多令人不满意之处,需要手动加以调整,如:调整拐弯很多的连线,适当加宽电源线、地线,手工连接没有布通的连线,调整元件的标注字符等。

　7.进行设计规则检查

　为了确保电路板图符合设计规则,以及所有网络均已经正确连接,布线完毕后一定要做设计规则检查。

　8、 保存及输出电路板图

　五、应用实例――直流调速电路板图的设计

　下面以直流调速电路为例,并结合 Protel99SE 软件来介绍直流调速印制电路板设计的方法、步骤。

　1.创建设计数据库文件,绘制电路原理图并进行电气规则检查,确保电路图绘制正确

　(1) 新建原理图文件,进入原理图编辑系统,正确绘制直流调速电路原理图。

　(2) 进行电气规则检查,生成电气规则检查报告文件,检查并确保原理图绘制正确。

　 2、手工制作可控硅、电位器的封装,并确定原理图中各对应元件的封装

　(1) 新建封装库文件,制作可控硅的封装、电位器的封装,要求可控硅封装的三个焊盘呈等边三角形放置,各焊盘间的间距均为 5、08mm;要求电位器封装的三个焊盘呈等边三角形放置,各焊盘间的间距均为 6mm。

　(2) 确定原理图中各对应元件的封装。

　3、创建 PCB 板文件,规划电路板

　自定义双面电路板形状为矩形,尺寸为长 106mm,宽 114mm。

　4.装载网络表

　(1) 在原理图绘制正确,元件序号,类型,封装齐全、准确的前提下,从原理图中生成网络表。

　(2) 在 PCB 编辑系统中载入由原理图生成的网络表。

　5.元件的布局

　(1) 自动布局:执行自动布局菜单命令,进行全局自动布局。

　(2) 手工调整布局:自动布局后,电路板上元件的布局并非十分合理,需要采用手工方法对布局进一步调整。手工调整布局主要就是手动将元件移到合适的位置,并调整元件的排列方向,对元件进行移动、旋转、对齐等操作,并充分考虑布线,做到相互照应,便于布线、走线。在调整元件位置、方向的同时,也要调整元件标注字符的位置、方向。

　6.布线

　(1)自动布线:① 设置自动布线设计规则。电路板的最小安全间距规定为 0、3mm;走线的转角方式规定为 45°切面转角;布线层规定为底层布线,顶层放置元器件;电路板铜膜线走线的宽度规定为 1、2mm。

　② 执行自动布线菜单命令,进行全局自动布线。

　(2) 手工调整布线:自动布线的结果往往不能令人满意,需要在自动布线后进行手工调整。手工调整布线实际上就就是对布线进行删除、重布、移动等操作。另外,还要完成对标注字符的调整与添加、对电路的输入/输出的处理、导线的宽度调整、敷铜的放置与确定螺丝固定孔等操作。

　六、小结 CAD 技术就是专门从事工程与设计的科研与技术人员,使用在 CAD 系统依照产品的设计程序进行设计的一项技术,该技术可以对工程与产品进行分析计算、几何建模、图形绘制、仿真、工程数据库管理,它就是人类大脑的智慧与技术创新及与计算机系统相结合的产物。目前 CAD技术在机械工业、化工轻工、汽车电子、飞机船舶、建筑路桥等多个领域与行业已经有了广泛的使用。学好 CAD 受益匪浅。

　参考文献: [1]

　潘永雄、沙河编著、电子线路 CAD 实用教程(第三版)、西安:西安电子科技大学出版社,2007、1-2、

　[2]

　董兴仁.浅谈机械ＣＡＤ发展趋势［Ｊ］.科技情报开发与经济,２００１,(１):４１. [3]

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　 [4]

　葛飞.机械ＣＡＤ在工业设计中的现状及发展方向［Ｊ］.电脑知识与技术,２００５