劉斯 高中磊 李亞捷

［摘 要］ “電子線路CAD”是普通高等學(xué)校電子信息大類本科生一門重要的專業(yè)技能課程。隨著現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，高速器件和高速數(shù)字系統(tǒng)的使用越來越頻繁，高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)就是信號完整性。在本科“電子線路CAD”課程教學(xué)中，融入信號完整性分析和設(shè)計，幫助學(xué)生理解使信號完整性問題最小化的基本設(shè)計原則，將應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)與當(dāng)前工業(yè)發(fā)展的實際需求更為緊密地結(jié)合。

［關(guān)鍵詞］ 電子線路CAD；信號完整性；仿真實踐；應(yīng)用型人才

［基金項目］ 2021年度長沙理工大學(xué)教改項目“‘電子線路CAD混合式教學(xué)方法探討”（XJG21-070）

［作者簡介］ 劉 斯（1984—），女，湖南婁底人，博士，長沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院副教授，主要從事電磁場與電磁波研究；高中磊（1989—），男，山東濟(jì)寧人，博士，長沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院副教授，主要從事電磁場與電磁波研究；李亞捷（1980—），女，山西太原人，博士，長沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院副教授，主要從事光纖通信技術(shù)研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）20-0038-04［收稿日期］ 2022-05-21

引言

“電子線路CAD”是普通高等學(xué)校電子信息大類本科生的一門重要的專業(yè)技能課程。通過對“電子線路CAD”設(shè)計軟件的學(xué)習(xí)，以軟件應(yīng)用、工藝與規(guī)范、布局布線技術(shù)為教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生能夠了解PCB電路板的相關(guān)知識與規(guī)范，掌握常用的電子CAD設(shè)計軟件基本操作以及PCB設(shè)計流程、設(shè)計方法與制作等技能，了解PCB板的生產(chǎn)制作工藝?！半娮泳€路CAD”是一門理論性和實踐性都很強(qiáng)的課程，具有工藝規(guī)范性強(qiáng)、實踐性強(qiáng)、技術(shù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。教師需要在教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生將模擬電路、數(shù)字電路及信號與系統(tǒng)等基礎(chǔ)知識靈活運(yùn)用于電路的設(shè)計，培養(yǎng)并完善學(xué)生PCB設(shè)計的以下實踐能力：掌握Altium Designer（以下簡稱AD）等電子線路CAD設(shè)計軟件的安裝方法；了解PCB電路板的相關(guān)知識與規(guī)范；掌握常用的電子CAD設(shè)計軟件基本操作；掌握電路PCB的設(shè)計流程，能夠根據(jù)工程規(guī)范畫出原理圖及PCB；了解PCB制作工藝流程；根據(jù)實際應(yīng)用要求，優(yōu)化PCB布局布線。

值得注意的是，在關(guān)于PCB設(shè)計優(yōu)化的教學(xué)中，教師應(yīng)以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，將課程實踐與當(dāng)前社會實際生產(chǎn)需求緊密結(jié)合［1］。在印刷電路板的早期設(shè)計階段，對PCB的要求很簡單，只要電路板能夠為元器件提供機(jī)械安裝，并能夠與相應(yīng)引腳連接在一起即可。隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，高速器件的使用和高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計越來越多，芯片集成度越來越高，PCB板越來越密，信號電壓幅度越來越低，高速串行總行使用越來越頻繁，電子和電氣設(shè)備的數(shù)量和種類不斷增加，電磁環(huán)境也日益復(fù)雜。在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，高數(shù)據(jù)率、高時鐘速率和高密度電路的PCB設(shè)計中經(jīng)常會出現(xiàn)信號完整性問題，從而引起信號失真、數(shù)據(jù)錯誤、時序錯誤、系統(tǒng)誤差甚至系統(tǒng)崩潰。因此在“電子線路CAD”教學(xué)中融入信號完整性分析和設(shè)計，幫助學(xué)生掌握相關(guān)的基礎(chǔ)知識，理解基于信號完整性分析的PCB設(shè)計基本原則，從經(jīng)驗法則和數(shù)值仿真的角度，了解分析信號完整性和優(yōu)化高速電路PCB的基本方法，非常有助于提高電子信息技術(shù)專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

一、現(xiàn)狀分析

（一）教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)的“電子線路CAD”教學(xué)內(nèi)容將重點(diǎn)放在軟件的使用、設(shè)計規(guī)范、制版方法和流程等方面，很少從實踐的角度引入信號完整性問題的分析。而有關(guān)信號完整性問題，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的電子線路、電磁場與電磁波的理論基礎(chǔ)，能夠從電子工程和物理學(xué)的角度理解信號完整性問題。這部分內(nèi)容抽象難懂，需要比較扎實的數(shù)理基礎(chǔ)，大部分學(xué)生學(xué)習(xí)的困難很大。

此外，現(xiàn)有教學(xué)實驗內(nèi)容大多為CAD技術(shù)的簡單應(yīng)用，設(shè)計性實驗極少。學(xué)生在實踐過程中，大多只是按教科書上的流程對軟件進(jìn)行操作，被動地通過上機(jī)實驗來熟悉規(guī)范流程，這使得大多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高，沒有實踐的積極性和主動性，無法在實驗過程中對已經(jīng)學(xué)習(xí)過的電子工程技術(shù)知識進(jìn)行融會貫通，更談不上進(jìn)一步理解現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展對“電子線路CAD”課程學(xué)習(xí)的新要求［2-3］。

（二）教學(xué)手段

信號完整性分析涉及理論推導(dǎo)、實用技術(shù)以及工程實踐等多個方面，強(qiáng)調(diào)理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)上的嚴(yán)格性、工程操作中的嚴(yán)謹(jǐn)性。但當(dāng)前“電子線路CAD”課程教學(xué)模式依舊是傳統(tǒng)的以教師為主體的“灌輸式”教學(xué)模式，教師講授、演示、操作，大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)中死記硬背或者只在一旁觀看，很少利用學(xué)校的操作平臺或者EDA機(jī)房同步進(jìn)行教師講授和學(xué)生實踐，從而使學(xué)生感到枯燥、乏味，學(xué)習(xí)積極性不高。這樣的課堂教學(xué)模式很難取得理想的教學(xué)效果。

另外，仿真功能為電子設(shè)計提供了一個方便的實驗平臺，有助于學(xué)生快速理解高速電路中信號完整性問題的基本概念，從實驗現(xiàn)象中直觀感受信號完整性問題的重要性。現(xiàn)階段高校教師普遍教學(xué)任務(wù)重，課堂教學(xué)進(jìn)度快，很多教師忽視了“電子線路CAD”技術(shù)中的仿真功能的教學(xué)。

（三）考核手段

目前課程教學(xué)大多側(cè)重于對PCB繪圖的考核，但是缺乏對實際制版乃至實際電路調(diào)試考核的要求和評價體系，這樣的考核方式不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，也不能全面客觀地評價學(xué)生電子線路設(shè)計的實踐水平。

二、教學(xué)方法改革探索

為解決以上問題，一方面要求教師在理論教學(xué)和實踐教學(xué)方面對課程內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)充和改革。理論教學(xué)需要結(jié)合當(dāng)前電子產(chǎn)品設(shè)計中信號完整性問題的重要性、基本概念和基本設(shè)計原則；實踐教學(xué)則需要增加信號完整性仿真和測試實驗環(huán)節(jié)，通過設(shè)計性實驗調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，并通過綜合性項目實踐引導(dǎo)學(xué)生積極運(yùn)用知識分析和解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的知識綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。另一方面要求教師采用新穎、多元的教學(xué)手段。例如，理論教學(xué)方面要采用各種方法和手段激發(fā)學(xué)生對課程的興趣，盡量減少數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，并且通過演示式教學(xué)中的動畫、視頻、仿真等幫助學(xué)生理解信號完整性問題的原理和概念，在實踐教學(xué)方面則可以通過線上線下交互式教學(xué)，實現(xiàn)針對每一個學(xué)生的“單獨(dú)指導(dǎo)”和因材施教。

（一）理論教學(xué)改革

1.教學(xué)內(nèi)容。隨著時代的發(fā)展，高速芯片和高速系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，針對應(yīng)用型本科人才的教學(xué)內(nèi)容不應(yīng)僅局限于對CAD軟件的操作和簡單應(yīng)用，而是應(yīng)與時俱進(jìn)，符合當(dāng)前工業(yè)發(fā)展的需求。信號完整性問題則是高速電路或高頻電路設(shè)計過程中互連線與數(shù)字信號的電壓電流相互作用時所引起的所有問題。信號完整性設(shè)計能夠保證信號波形的邏輯電平、時序和相位的要求，保證信息傳遞的可靠性和有效性。因此，“電子線路CAD”課程中首先要融入的是對信號完整性的重要性理解的教學(xué)，包括對信號完整性的基本認(rèn)知、信號完整性的含義、信號完整性會引發(fā)的具體問題和典型表象。

其次，教學(xué)應(yīng)該結(jié)合“數(shù)字電路基礎(chǔ)”“磁場與電磁波”“高頻電子線路”“傳輸線理論”等多門課程的基礎(chǔ)知識，融入信號完整性基本概念的教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生從“電路傳輸”轉(zhuǎn)變?yōu)椤半姶艌瞿芰總鬏敗苯嵌壤斫庑盘杺鬏斶^程和電子產(chǎn)品設(shè)計工藝，為學(xué)生今后的工作實踐打下較為完備的理論基礎(chǔ)。包括但不限于：將時域、頻域、阻抗、傳輸線、和差分技術(shù)等內(nèi)容從信號完整性的角度進(jìn)行解釋；對信號質(zhì)量的各種指標(biāo)，包括幅度、噪聲、上升或下降時間、延時等進(jìn)行簡要介紹；對信號完整性當(dāng)中的反射、串?dāng)_、振鈴、誤碼、諧振、衰減、地彈和電磁干擾等基本現(xiàn)象和產(chǎn)生原因進(jìn)行深入淺出的分析。

最后，在電子線路設(shè)計的過程中還應(yīng)該融入信號完整性的基本問題和設(shè)計原則教學(xué)。信號完整性的問題主要分為四大類：（1）在單條傳輸線或者單個網(wǎng)絡(luò)中，由于阻抗突變引起的反射或者失真；（2）兩個或者多個網(wǎng)絡(luò)之間的電磁能量耦合導(dǎo)致的串?dāng)_；（3）電源和接地網(wǎng)絡(luò)中的阻抗壓降引起的軌道塌陷，即電源完整性；（4）來自系統(tǒng)或外界的電磁干擾，即高速電路的電磁兼容問題。針對這四類問題，在“電子線路CAD”課程講授當(dāng)中有具體的要求，例如：針對單個網(wǎng)絡(luò)的信號完整性設(shè)計通常要求使用均勻的傳輸線和使得沿線阻抗保持不變的拓?fù)浣Y(jié)果的布線規(guī)則，必要時應(yīng)添加額外的器件以達(dá)到阻抗匹配的目的；減少信號線的長度，增加線與線之間的寬度以減少網(wǎng)絡(luò)之間的串?dāng)_；增加片內(nèi)去耦電容，減小電源分配網(wǎng)絡(luò)的阻抗；減少輻射源，正確使用屏蔽以減少天線效應(yīng)等。這些通用原則和經(jīng)驗法則教學(xué)能夠讓學(xué)生直觀、快速地掌握高速電路設(shè)計的基本要點(diǎn)，深化學(xué)生對于基本原理的理解，培養(yǎng)學(xué)生良好的工程判斷直覺。

2.教學(xué)手段。理論教學(xué)一般來講比較枯燥，因此在教學(xué)手段上一方面需要借助多種多媒體手段對一些死板的概念進(jìn)行多元化呈現(xiàn)，增強(qiáng)理論教學(xué)的趣味性，吸引學(xué)生的注意力；另一方面需要結(jié)合當(dāng)前學(xué)生的興趣對實際問題中的信號完整性問題進(jìn)行講解，例如在講解系統(tǒng)性電磁兼容的相關(guān)概念時，可以結(jié)合現(xiàn)代大學(xué)生熟悉的電子產(chǎn)品如手機(jī)、筆記本電腦等，對電磁輻射是什么、電磁輻射的危害，電磁輻射的傳播及電磁屏蔽及系統(tǒng)防護(hù)進(jìn)行介紹，并利用各種網(wǎng)絡(luò)資源，包括視頻、動畫等，對電磁兼容等抽象的概念和原理進(jìn)行形象化演示，幫助學(xué)生透徹理解。

（二）實踐教學(xué)改革

1.教學(xué)內(nèi)容。實踐教學(xué)的本質(zhì)要求是透過實驗現(xiàn)象幫助學(xué)生深入理解問題的實質(zhì)。“電子線路CAD”作為一門應(yīng)用型極強(qiáng)的課程，在教學(xué)中應(yīng)進(jìn)一步增加實踐環(huán)節(jié)，將理論講述、演示和上機(jī)實驗有機(jī)地結(jié)合起來，這有利于調(diào)動學(xué)生對實際操作的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維。實踐教學(xué)內(nèi)容不僅需要通過增加設(shè)計性實驗和項目型綜合實驗［4-5］，運(yùn)用“任務(wù)驅(qū)動”激勵學(xué)生將所學(xué)知識融會貫通，并將其運(yùn)用于實際問題解決［6-7］；還需要增加計算機(jī)仿真實驗和測試性實驗，培養(yǎng)學(xué)生在實際中運(yùn)用多種工具分析和解決信號完整性問題的能力。

大量工程實踐表明，綜合使用“設(shè)計/建模/仿真”這一過程，可以極大地節(jié)約資源，在設(shè)計周期內(nèi)快速選擇最好的技術(shù)、建立最優(yōu)的設(shè)計規(guī)則。在實踐教學(xué)中，適當(dāng)重視仿真實驗教學(xué)，能夠幫助學(xué)生以實際波形輸出的方式對信號完整性中反射和串?dāng)_等問題的現(xiàn)象和重要性有形象化的深入理解，更有利于完善學(xué)生電路項目設(shè)計的綜合能力，提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。在實際設(shè)計中要求學(xué)生首先應(yīng)該對目標(biāo)電路板的信號進(jìn)行分類，分析潛在的信號完整性風(fēng)險，確定設(shè)計的總體原則，在原理圖設(shè)計和PCB設(shè)計階段均可借助專業(yè)設(shè)計軟件進(jìn)行信號完整性規(guī)則設(shè)置、仿真和性能驗證。電子線路CAD設(shè)計常用工具如AD就提供了強(qiáng)大的信號完整性分析工具，其所產(chǎn)生的仿真結(jié)果能夠支持包括差分對信號在內(nèi)的高速電路信號分析。AD所提供的集成器件庫包含了大量常用器件的IBIS模型，采用成熟的傳輸線計算方法以及I/O緩沖宏模型，能夠通過對信號路線的阻抗計算，得到信號響應(yīng)和失真等數(shù)據(jù)用以檢查設(shè)計信號的可靠性。AD還提供既可以在原理圖又可以在PCB編輯器內(nèi)實現(xiàn)信號完整性分析的功能。在原理圖設(shè)計階段，AD可設(shè)置傳輸線平均線長和特征阻抗值等，而仿真器采用規(guī)則設(shè)置中的信號完整性規(guī)則約束，包括激勵源和供電網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行仿真。在PCB設(shè)計階段則可以通過仿真工具量化信號的各項性能指標(biāo)，并基于仿真結(jié)果進(jìn)行調(diào)試和修改。這些內(nèi)容都應(yīng)該通過具體實驗項目融入課程教學(xué)。

此外，一方面，可以在實踐教學(xué)中融入互連線測量的基本儀器，如對阻抗分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和時域反射儀等進(jìn)行簡單介紹和操作演示；另一方面，還可以融入對電磁兼容基本測試，包括對輻射騷擾、輻射抗擾、傳導(dǎo)騷擾和抗擾等實驗項目和基本儀器的介紹。通過熟悉這些基本測試實驗，學(xué)生對電子產(chǎn)品設(shè)計中驗證設(shè)計過程有了切身的體會，并且對設(shè)計仿真實驗中的建模過程有了深入的理解。

2.教學(xué)手段。一方面，實踐教學(xué)應(yīng)該與理論緊密結(jié)合，在學(xué)生的PCB設(shè)計過程中，應(yīng)該結(jié)合局部電路對信號完整性問題最小的通用設(shè)計原則的教學(xué)內(nèi)容，例如最小化平行布線與分布電容的關(guān)系、增加走線間距與電感耦合的關(guān)系、布線寬度與傳輸線阻抗的關(guān)系、減小驅(qū)動共模電流的電壓和增加共模電流路徑阻抗與電磁干擾之間的關(guān)系等；另一方面，可采用機(jī)房教學(xué)，提高教學(xué)效率，并通過線上線下交互式教學(xué)方法，把問題的導(dǎo)入、分析和具體操作錄制成小視頻，供學(xué)生在實踐過程中隨時參考和評價，以促進(jìn)整體教學(xué)質(zhì)量的提升。

（三）考核方式改革

在考核方式上，傳統(tǒng)的筆試或者簡單上機(jī)操作的考核方式已經(jīng)不能全面如實反映學(xué)生對理論知識的掌握及其綜合實踐能力，因此需要通過綜合性項目，加強(qiáng)過程性考核與應(yīng)用能力考核，將考試和培養(yǎng)過程緊密結(jié)合。在教學(xué)過程中可以要求學(xué)生通過項目式方式，完成“仿真—設(shè)計—設(shè)計調(diào)試—制作—性能測試—結(jié)果反饋”的完整流程，并提交仿真報告、調(diào)試報告、最終設(shè)計圖紙，鼓勵學(xué)生制作PCB板，通過完成電路的焊接、安裝、調(diào)試以及最終測試項目性能，提交心得體會等一系列環(huán)節(jié)，全面評估學(xué)生的綜合設(shè)計能力和分析問題、解決問題的能力，并提升學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中的成就感，激發(fā)對專業(yè)學(xué)習(xí)的熱情。

結(jié)語

“電子線路CAD”是一門與實踐結(jié)合非常緊密的課程。信號完整性問題在當(dāng)前高速發(fā)展的應(yīng)用電子技術(shù)中越來越重要。在“電子線路CAD”課程當(dāng)前教學(xué)內(nèi)容和手段的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展和完善，幫助學(xué)生建立信號完整性分析的基礎(chǔ)概念和思維，是本科教育與社會實際需求相結(jié)合的要求。在從理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩方面探討了如何將信號完整性融入“電子線路CAD”課程教學(xué)，這也要求教師要不斷更新專業(yè)知識，深入社會了解企業(yè)對人才的需求，不斷總結(jié)課程教學(xué)中的經(jīng)驗，進(jìn)一步提高課程建設(shè)水平。

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Application of Signal Integrity Analysis in Teaching Electronic Circuit CAD

LIU Si， GAO Zhong-lei， LI Ya-jie

（School of Physics and Electronic Sciences， Changsha University of Science and Technology，Changsha， Hunan 410114， China）

Abstract： Electronic Circuit CAD is a very important course to develop professional skills for electronic information undergraduates. With the development of modern digital electronic technology， the usage of high-speed devices and high-speed digital systems is rapidly increasing. The signal integrity becomes the most critical issue in the high-speed digital system designing. How to practice the signal integrity analysis during the teaching of Electronic Circuit CAD will be quiet helpful for the student to understand the basic concepts and principles. This study will provide a novel way to train the undergraduates to meet the requirements from the realistic needs of the current industrial development.

Key words： Electronic Circuit CAD; signal integrity; simulation practice; application-oriented talents