结合电路设计的“电子CAD”教学方法

摘 要：电子CAD课程是一门实践性很强的电子类专业课,其教学目标是要求学生熟练掌握PCB设计软件进行原理图和PCB绘制.为达到这个目标,需要学生具有电路设计的基础知识.传统教学方法仅针对软件本身,剥离电路设计知识的做法使得学生难以体会这门软件的用途,导致学习效果不甚理想.针对这一情况,提出围绕51单片机应用系统搭建的PCB设计软件讲授方法,根据实际产品开展简单原理图、层次原理图、复杂原理图、简单PCB、复杂PCB以及元件库绘制的传授与实训.

关 键 词：电子CAD；PCB；教学方法

作者简介：袁红星（1980-）,男,安徽安庆人,宁波工程学院电子与信息工程学院,高级工程师；吴少群（1981-）,女,安徽安庆人,宁波工程学院电子与信息工程学院,讲师.（浙江宁波315016）

中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1007-0079（2013）08-0029-02

“电子CAD”课程的教学目标是要求学生掌握PCB设计软件的基本功能和应用,包括原理图设计、绘制、PCB板设计、绘制、集成元件库制作等内容.国内大多数高校都开设了这门课程,并普遍采用Protel这一软件工具.劳文薇等人将项目驱动教学法引入“电子CAD”课程,探讨了项目选择、情景设计和教学过程中项目的实施等问题.[1]王鹏探讨了Protel软件在EDA课程中的整合作用.[2]李珍等人从建立设计理念、规范设计操作、抓好上机实践环节三个方面探讨如何提高Protel软件的教学效果.[3]这些教学方法的探索和实践有效改善了“电子CAD”的教学效果.但现有研究主要针对这门课程本身,对于“电子CAD”和其他课程间互动和关联的探讨较少.“电子CAD”是一门集理论知识与实际技能于一体的实践课程,让学生建立正确的设计理念,熟练掌握PCB设计软件的基本功能,离不开电路设计理论.因而讲授这门课程时和电路设计剥离开来只就软件使用本身讲这门课将会导致很多学生不知道学完这门课可以干什么或应该掌握到什么程度.其结果是大部分同学学完这门课之后仍不能独立进行PCB设计.这门课程是学生后续进行课程设计、毕业设计和电子竞赛的基础,对于学生就业也有很大帮助.如何在短短的一学期内让学生熟练掌握PCB设计软件的使用方法,培养学生的设计理念和工程素养是“电子CAD”课程需要探讨的课题.为了改革目前“电子CAD”课程的教学方法,下面探索将电路设计引入PCB设计软件进行讲解和实践的教学方法.

一、内容选择

电路设计内容广泛,需要精心选择适合电子CAD课程的部分.考虑到这门课程主要面向低年级学生,教师选择了以STC单片机为核心的应用系统.这是因为STC单片机是以51内核为主的单片机,指令代码完全兼容传统8051,具有ISP在线程序下载功能,便于调试,而相关的元器件大多数学校实验室已配备,不需另行购写.另外,51单片机的设计资料网络上非常丰富,学习容易入门,学生可获取海量学习资源,可在较短时间内熟悉和掌握其基本开发方法.

二、内容设计

原理图的设计、绘制、PCB的设计、绘制以及集成元件库的制作都紧紧围绕STC单片机应用系统展开.

对于简单原理图设计,下面对STC单片机最小应用系统进行介绍.该系统只包含了电源、复位、串口和LED灯驱动等基本模块,整个系统便于理解和设计.课程导论时以该系统为蓝本,讲述如何根据设计任务进行电路设计,再到Protel软件的原理图绘制、PCB绘制和厂家制板,直到最后电路板焊接,并要求学生用面包板搭建出该系统,增强学生对实物的认识.在此基础上要求学生用Protel软件绘制出该系统的原理图,并生成PCB板,使学生了解Protel软件设计电路板的整个流程和基本操作方法.进一步为增强学生将设计文件转换成实际产品的工程素养,从学生作品中挑选出最好的作为代表,并用教师个人科研经费将该作品送到制板厂进行实物制作.电路板返回后,利用周末时间将学生召集到一起进行焊接培训,将元器件焊接到电路板上,形成一个实际可用的STC最小应用系统.对51单片机软件KeilC51使用方法进行简单介绍,让学生了解如何在KeilC51中进行程序编写、编译、调试,并下载到单片机中.最后,用一个简单的流水灯实验在制作的电路板上进行演示.这一完整流程极大激发了学生学习的热情,并使他们真正懂得自己的设计如何影响到实际产品,如何从工程角度深入学习Protel软件的原理图绘制和PCB设计.

后面的课程则逐个向该系统添加功能模块,如数码管、键盘、EEPROM、继电器等,逐步开展复杂原理图绘制、层次原理图绘制、复杂PCB设计和元件原理图库及PCB封装库绘制的课程讲授.由于结合实物进行软件讲解激发了学生学习这门软件的热情,也使得他们认识到这门软件可以用来干什么,自己需要掌握到什么程度.

三、结合电路板实物进行PCB设计规则和布局、布线的讲解

对PCB设计规则的理解以及PCB布局、布线的掌握是学习PCB设计软件的核心和关键.如果脱离实际电路板进行这些内容的传授,则学生会觉得抽象而难以理解和掌握.为此,下面围绕前面制作的电路板逐个进行讲解.

1.PCB布局

首先,以STC单片机为核心进行布局,使学生掌握“先难后易、先大后小”的布局原则.对于最重要的单元电路和核心元器件要优先进行放置.

其次,对照电路板说明为什么要参照原理图的信号流向进行主要元器件的布局,使学生理解布局对电路调试、测试的影响.

再次,结合电路板制作成本和可靠性说明布局时要尽量满足以下原则：关键信号线最短,总的连线尽可能短,模拟信号与数字信号分开.并从单片机工作时序着手,说明在控制器和处理器等数字器件上加上去耦电容的必要性.

最后,从生产和检验的角度说明布局需注意的事项.为便于串口调试和程序加载,应该将串口电路放置在靠近电路板边缘的位置；而为了便于电源端子的插拔,也需要将电源电路放置在电路板边缘位置.2.PCB布线

布线是PCB设计中最重要的部分,直接决定了电路板性能的好坏.为此,结合实际电路板,从三个层次上逐步加强学生的设计能力,即：布通、满足电气性能和美观.布通是最基本的要求,这里主要通过Protel软件的自动布线功能对学生进行实训.为了使自动布线能够达到基本要求,结合实际电路板说明为什么在布线前要设置布线宽度规则,对地线和电源线加宽.另外,给学生讲解如何根据DRC检查对布线结果进行检查,看是否达到预定要求.掌握布通技巧后结合电路板电气性能、可靠性说明如何对布线进行优化.这部分内容对应教科书的PCB后期设计章节.为保证电气性能,要求学生在布线时尽量加宽电源线和地线的宽度,满足的要求是：地线>电源线>信号线；相邻电路层布线要相互垂直,避免平行的情况发生；时钟线要尽量短,对关键信号点预留测试点,以便系统不能工作时判断是否因为时钟信号未能满足要求；对未布线区域进行敷铜.在掌握满足电气性能的基础上进一步要求学生布线尽可能美观.

四、通过大学生科创项目争取经费支持

由于制作实物涉及到费用问题,虽然51应用系统成本很低,但对于学生而言也是一个负担,完全由授课教师承担制作费用也不现实.考虑到这些情况,要积极组织学生申报省级和校级大学生科创项目,争取经费的支持.并鼓励学生组建项目组,进行资源共享,并分摊成本.

五、教学效果

通过这些尝试后明显激发了学生的学习积极性,提高了学生使用PCB设计软件的熟练程度.在所授电子科学与技术两个新生班级76个学生中产生较大影响,一个项目组申报的省级大学生科创项目成功立项,获4000元经费资助；一个项目组申报的校级大学生科创项目获2000元经费资助；两个班有40%的学生主动报名参加学校电子协会,学习焊接工艺.虽然这两个班是刚入学的新生班,但在这门课的带动下,他们充分利用课余时间开始自学单片机、C语言编程、数字电路和模拟电路.对于他们后续学习无疑是极大的推动.

六、结束语

“电子CAD”课程是电子类专业重要的基础课程,其中讲授的PCB软件使用技巧是学生进行后续课程设计、毕业设计和参与电子竞赛所必须掌握的基本技能.围绕该软件在电路设计中的实际应用逐步进行简单原理图、复杂原理图、层次原理图、简单PCB、复杂PCB以及元件集成库绘制方法的授课.经过近一学期的教学实践表明,通过这种教学方法学生能很快掌握使用PCB软件进行电路板设计的技能.同时,这一讲授方法对于培养学生的工程素养也有较大帮助.由于授课中挑选出部分优秀作品进行了实物制作,使他们深刻体会到设计对产品的影响以及如何根据产品的要求进行电路设计的规划和实施.今后,教师们将积极向学校和上级部门申请教改项目,为这一教学方法的实施争取经费支持.