电子设计CAD基础课件.ppt

电子设计电子设计CADCAD基础基础主讲：刘明山联系方式： 办公室：一敎325 电 话： 邮 箱：电子设计CAD基础教学安排教学安排n n学时：32 其中理论教学16学时，实验16学时n n教材：电子电路CAD与OrCAD技术n n讲课内容：n n电路电路CADCAD基础知识基础知识n n电路设计方法电路设计方法n n OrCAD OrCAD软件使用软件使用n n考核方式：平时出勤、作业、实验（包括实验完成情况和实验报告）电子设计CAD基础第第1 1章章 绪绪 论论一、PSPICE软件的发展二、CAD软件三、电子系统设计方法四、软件使用的问题电子设计CAD基础绪绪 论：论：一、一、PSPICE软件的发展软件的发展n nPSPICEPSPICE：：PC Simulation Program of Integrated Circuit PC Simulation Program of Integrated Circuit EmphasisEmphasis 侧重于集成电路的模拟程序侧重于集成电路的模拟程序n n 功能：直流、交流、瞬态、温度等功能：直流、交流、瞬态、温度等n n SPICE SPICE是由美国加利福尼亚大学伯克莱分校七十年代研制，是由美国加利福尼亚大学伯克莱分校七十年代研制，至今已至今已2020多个版本，其微机版本为多个版本，其微机版本为PSPICEPSPICE。

n nEDAEDA技术发展历程大致可分为三个阶段技术发展历程大致可分为三个阶段2020世纪世纪7070年代为年代为计算机辅助设计（计算机辅助设计（CADCAD）阶段，人们开始用计算机取代手）阶段，人们开始用计算机取代手工操作进行工操作进行ICIC版图编辑、版图编辑、PCBPCB布局、布线布局、布线8080年代为计算年代为计算机辅助工程（机辅助工程（CAECAE）阶段与）阶段与CADCAD相比，相比，CAECAE除了有纯粹除了有纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能分析和结构设计，的图形绘制功能外，又增加了电路功能分析和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计2020世纪世纪9090年代为电子系统设计自动化（年代为电子系统设计自动化（EDAEDA）阶段，）阶段，同时又出现了计算机辅助工艺（同时又出现了计算机辅助工艺（CAPPCAPP）、计算机辅助制）、计算机辅助制造（造（CAMCAM）等电子设计CAD基础绪绪 论：论：二、二、CAD软件软件n n1．OrCADn n（1）SDT、PSPICE、VST、PCB，n n（2）Capture、Pspice A/D、PCB、CPLD……电子设计CAD基础绪绪 论：论：二、二、CAD软件软件n n2. Protel2. Proteln n Protel Protel 软件是绘制电路图、印刷电路板图方面很软件是绘制电路图、印刷电路板图方面很流行的一种软件。

它是由澳大利亚流行的一种软件它是由澳大利亚Protel(2001Protel(2001更更名为名为Altium)Altium)公司推出的公司推出的ProtelProtel软件具有方便、易软件具有方便、易学及快速的特点，于学及快速的特点，于2020世纪世纪9090年代初（当时年代初（当时DOSDOS版本软件称为版本软件称为TANGOTANGO）开始在国内流行包括电）开始在国内流行包括电路图（路图（SchematicsSchematics）设计工具、印刷电路板）设计工具、印刷电路板（（Printed Circuit BoardPrinted Circuit Board）设计工具、电路仿真工具、）设计工具、电路仿真工具、可编程逻辑设计工具、文本和电子表格编辑器可编程逻辑设计工具、文本和电子表格编辑器电子设计CAD基础绪绪 论：论：二、二、CAD软件软件n n3.EWB Multisimn nMultisim是一种专门用于电子电路仿真和设计的EDA工具软件，属于Electronics workbench(EWB)系列软件的高版本EWB由加拿大Interactive Image Technologies(IIT)公司于1988年推出，IIT公司从EWB6.0版本开始，将电路图输入仿真设计的模块更名为Multisim。

电子设计CAD基础绪绪 论：论：二、二、CAD软件软件n n3.EWB Multisim特点：n n（1）最突出的是软件中提供了各种虚拟仪器n n（2）软件带有丰富的电路元件库n n（3）采用直观的电路图输入方式n n（4）操作方便、易学易用，很适合电子类课程的教学和实验电子设计CAD基础绪绪 论：论：二、二、CAD软件软件n n其中的电路分析软件内核都是SPICE电子设计CAD基础绪绪 论：论：三、电子系统设计方法三、电子系统设计方法n n 1．自下而上 电路→功能→系统→n n 2．自上而下 系统→功能→电路→n n最后是物理实现：PCB设计、制版、焊接电子设计CAD基础绪绪 论：论：四、软件使用的问题四、软件使用的问题1．器件型号2. 器件参数3．与实际存在一定差距电子设计CAD基础第第2 2章章 网络图论基础网络图论基础2.1 网络的图网络的图2.2 2.2 关联矩阵、回路矩阵和割集矩阵关联矩阵、回路矩阵和割集矩阵2.3 2.3 两种约束关系两种约束关系电子设计CAD基础2.1 2.1 网络的图2.1.1 2.1.1 网络的图网络的图(Graph)(Graph)2.1.2 2.1.2 树树(Tree)(Tree)2.1.3 2.1.3 基本回路基本回路2.1.4 2.1.4 基本割集基本割集电子设计CAD基础2.1.1 2.1.1 网络的图网络的图(Graph)(Graph)n n网络的图：是一组支路和一组结点的集合，它反映电路图中各元件的互联关系亦称拓扑图。

图a所示为通常的电路图，图b所示为该电路消除元件属性后，抽象为线段与点的集合形成的网络拓扑图 电子设计CAD基础 a)a)实际电路图实际电路图 b) b)对应对应a)a)的拓扑图的拓扑图有向图：带有电压和电流的关联参考方向的网络图，称为有向图有向图：带有电压和电流的关联参考方向的网络图，称为有向图电子设计CAD基础连通图：若网络图连通图：若网络图连通图：若网络图连通图：若网络图GG中任意两结点之间至少有一条中任意两结点之间至少有一条中任意两结点之间至少有一条中任意两结点之间至少有一条支路相联，则称为连通图支路相联，则称为连通图支路相联，则称为连通图支路相联，则称为连通图a) a) 空心变压器电路空心变压器电路 b) b) 拓扑图（非连通图拓扑图（非连通图 ））电子设计CAD基础子图：如果一个图子图：如果一个图子图：如果一个图子图：如果一个图G1G1G1G1的全部支路和结点，包含在另一个图的全部支路和结点，包含在另一个图的全部支路和结点，包含在另一个图的全部支路和结点，包含在另一个图G G G G的支路和结点的集合之中，则称的支路和结点的集合之中，则称的支路和结点的集合之中，则称的支路和结点的集合之中，则称G1G1G1G1为为为为G G G G的一个子图。

的一个子图的一个子图的一个子图电子设计CAD基础2.1.22.1.2树树(Tree)(Tree)n n树：是包含图G的所有结点，但不构成回路的一个连通子图，如图所示即为网络图的一个树 电子设计CAD基础2.1.22.1.2树树(Tree)(Tree)n n树支：构成图树支：构成图G G一个树的支路称为树支（一个树的支路称为树支（btbt）；树）；树支以外的支路称为连支（支以外的支路称为连支（blbl），连支与所连结点），连支与所连结点构成该树的余树构成该树的余树n nbt=n -1 bt=n -1 n nbl=b-(n-1) bl=b-(n-1) n n式中，式中，b b为图为图G G的支路数，的支路数，n n为结点数，为结点数，btbt为树支数，为树支数，blbl为连支数为连支数电子设计CAD基础2.1.32.1.3基本回路基本回路n n基本回路：对于任何一个树，每加上一个连支所基本回路：对于任何一个树，每加上一个连支所构成的回路，称为基本回路构成的回路，称为基本回路n n基本回路数等于连支数基本回路数等于连支数blbl。

电子设计CAD基础2.1.4 2.1.4 基本割集基本割集n n割集：是连通图割集：是连通图G G中符合下列特性的支路集合：中符合下列特性的支路集合：1.1.移去该支路集合的所有支路，连通图移去该支路集合的所有支路，连通图G G被分成两个分离被分成两个分离的子图；的子图；2.2.但是，如果少移去其中任一支路，图仍然是连通的但是，如果少移去其中任一支路，图仍然是连通的n n基本割集：只包含一条树支的割集，称为基本割基本割集：只包含一条树支的割集，称为基本割集如图所示即为一个基本割集，图中粗实线为集如图所示即为一个基本割集，图中粗实线为树支电子设计CAD基础2.1.4 2.1.4 基本割集基本割集基本割集电子设计CAD基础2.2 关联矩阵、回路矩阵和割集矩阵关联矩阵、回路矩阵和割集矩阵 有向图的拓扑性质可以用关联矩阵、回路矩阵和割集矩阵来描述，下面介绍这三个矩阵电子设计CAD基础2.2.1 关联矩阵关联矩阵 一条支路联接于两个结点，则称该支路与这两个一条支路联接于两个结点，则称该支路与这两个结点相关联描述支路与结点的关联性质的矩阵，结点相关联描述支路与结点的关联性质的矩阵，称为关联矩阵。

称为关联矩阵 设有向图的结点数设有向图的结点数n n，支路数为，支路数为b b，并对所有支，并对所有支路与结点都进行编号则该有向图的关联矩阵为路与结点都进行编号则该有向图的关联矩阵为一个（一个（n×bn×b）阶的矩阵，用）阶的矩阵，用AaAa表示它的行对应表示它的行对应于结点，列对应于支路，它的任一元素定义如下于结点，列对应于支路，它的任一元素定义如下 a aij ij =1 =1，表示支路，表示支路j j与结点与结点i i相关联，并且它的相关联，并且它的方向是从结点方向是从结点i i联出；联出； a aij ij = -1 = -1，表示支路，表示支路j j与结点与结点i i相关联，但是它的相关联，但是它的方向是从结点方向是从结点i i联入；联入； a aij ij = 0 = 0，表示支路，表示支路j j与结点与结点i i无关联 24电子设计CAD基础2.2.1 关联矩阵关联矩阵电子设计CAD基础2.2.1 关联矩阵关联矩阵 AaAa的每一列对应于一条支路，由于一条支路联接于两个结的每一列对应于一条支路，由于一条支路联接于两个结点上，如从一个结点联出，则必定由另一个结点联入，因此每一点上，如从一个结点联出，则必定由另一个结点联入，因此每一列中只有两个非零元素：列中只有两个非零元素：1 1和和-1-1。

若把所有的行的元素按列相加，若把所有的行的元素按列相加，就会得到一行全为零的元素，所以就会得到一行全为零的元素，所以 Aa Aa的行不是彼此独立的即的行不是彼此独立的即是说是说AaAa中的任一行都可以从其它中的任一行都可以从其它(n-1)(n-1)行导出 若把若把 Aa Aa的任一行划去，比如将式中第的任一行划去，比如将式中第3 3行划去，则得行划去，则得(n-1)×b(n-1)×b阶阶的的( (降阶的降阶的) )关联矩阵，以关联矩阵，以A A表示表示电子设计CAD基础2.2.2 (基本基本)回路矩阵回路矩阵 回路矩阵：设一个回路是由某些支路组成的，则称这回路矩阵：设一个回路是由某些支路组成的，则称这些支路与该回路相关联支路与回路相关联的性质，可用些支路与该回路相关联支路与回路相关联的性质，可用回路矩阵来描述设有向图的独立回路数为回路矩阵来描述设有向图的独立回路数为l l，支路数为，支路数为b b，并对所有的独立回路与支路都进行编号则该有向图的，并对所有的独立回路与支路都进行编号则该有向图的( (基本基本) )回路矩阵为一个（回路矩阵为一个（l×bl×b）阶的矩阵，用）阶的矩阵，用B B表示。

如果表示如果它的行对应于一个基本回路它的行对应于一个基本回路BfBf（我们多用这种基本回路，（我们多用这种基本回路，习惯上简称为回路，形成的矩阵亦习惯上简称为回路矩阵）习惯上简称为回路，形成的矩阵亦习惯上简称为回路矩阵），列对应于支路，它的任一元素定义如下：，列对应于支路，它的任一元素定义如下： b bij ij =1 =1，表示支路，表示支路j j与基本回路与基本回路i i相关联，并且它们的方相关联，并且它们的方向一致（以连支的方向为基本回路向一致（以连支的方向为基本回路i i的绕行方向的绕行方向) )；； b bij ij =-1 =-1，表示支路，表示支路j j与基本回路与基本回路i i相关联，但是它们的方相关联，但是它们的方向相反；向相反； b bij ij =0 =0，表示支路，表示支路j j与基本回路与基本回路i i无关联 电子设计CAD基础2.2.2 (基本基本)回路矩阵回路矩阵 例如，独立回路数等于连支数为例如，独立回路数等于连支数为3 3若仍选1 1、、2 2、、3 3支路为树支，每一次用一个连支画成基本回路，支路为树支，每一次用一个连支画成基本回路， 电子设计CAD基础2.2.2 (基本基本)回路矩阵回路矩阵n n像这样将像这样将l l个连支依次排列，则个连支依次排列，则 Bf Bf中将出现中将出现l l阶单阶单位子矩阵，即位子矩阵，即n n式中下标式中下标 t t和和 各表示与树支和连支对应的部分。

各表示与树支和连支对应的部分电子设计CAD基础2.2.3 (基本基本)割集矩阵割集矩阵 割集矩阵：设一个割集是由某些支路组成的，则称这些支割集矩阵：设一个割集是由某些支路组成的，则称这些支路与该割集相关联支路与割集相关联的性质，可用割集路与该割集相关联支路与割集相关联的性质，可用割集矩阵来描述设有向图的独立割集数为矩阵来描述设有向图的独立割集数为n-1n-1，支路数为，支路数为b b，，并对所有的独立割集与支路都进行编号则该有向图的割并对所有的独立割集与支路都进行编号则该有向图的割集距阵为一个（集距阵为一个（(n-1)×b(n-1)×b）阶的矩阵，用）阶的矩阵，用Q Q表示如果它的表示如果它的行对应于一个基本割集（即仅用一个树支构成的割集，也行对应于一个基本割集（即仅用一个树支构成的割集，也是独立的割集，我们多用这种基本割集，习惯上简称为割是独立的割集，我们多用这种基本割集，习惯上简称为割集，形成的矩阵习惯上亦简称为割集矩阵），列对应于支集，形成的矩阵习惯上亦简称为割集矩阵），列对应于支路，它的任一元素定义如下：路，它的任一元素定义如下： q qij ij =1 =1，表示支路，表示支路j j与基本割集与基本割集i i相关联，并且它们的方向相关联，并且它们的方向一致（以树支的方向作为基本割集一致（以树支的方向作为基本割集i i的方向的方向) )；； q qij ij =-1 =-1 ，表示支路，表示支路j j与基本割集与基本割集i i相关联，但是它们的方相关联，但是它们的方向相反；向相反； q qij ij =0 =0，， 表示支路表示支路j j与基本割集与基本割集i i无关联。

无关联 电子设计CAD基础 2.2.3 (基本基本)割集矩阵割集矩阵例如，基本割集数等于树支数为例如，基本割集数等于树支数为3 3若仍选1 1、、2 2、、3 3支路为树支路为树支，每一次用一个树支构成基本割集支，每一次用一个树支构成基本割集 电子设计CAD基础2.2.3 (基本基本)割集矩阵割集矩阵对应的对应的( (基本基本) )割集矩阵割集矩阵QfQf为为象这样将象这样将n-1n-1个树支依次排列，则个树支依次排列，则QfQf中将出现中将出现(n-1)(n-1)阶单位子阶单位子矩阵，即矩阵，即式中下标式中下标 t t和和l l各表示与树支和连支对应的部分各表示与树支和连支对应的部分电子设计CAD基础2.3 两种约束关系两种约束关系 电路的基本规律：一般是电路元器件的相互联接规律和元器件本身特性的规律，前者是只考虑相互联接的规律性，它与电路元器件的性质无关，称为拓扑约束关系；后者称为元件约束关系。

分析电路的拓扑约束关系是依据 KCL 和KVL，下面介绍 KCL 和KVL的矩阵形式和元件约束关系电子设计CAD基础2.3.1 KCL 的矩阵形式的矩阵形式 电路中的电路中的b b条支路电流可以用一个条支路电流可以用一个b b阶列向量来表示，仍用阶列向量来表示，仍用上例即上例即电子设计CAD基础2.3.1 KCL 的矩阵形式的矩阵形式n n若用A矩阵左乘支路电流列向量i，则得 电子设计CAD基础2.3.1 KCL 的矩阵形式的矩阵形式n n概括地说，即用概括地说，即用A A矩阵（（矩阵（（n-1n-1））×b×b阶）左乘支路阶）左乘支路电流列向量电流列向量i i（（b b阶列向量）则得一个（阶列向量）则得一个（n-1n-1）阶列）阶列向量向量 Ai=0 （2-5）n n 式（式（2-52-5）是用）是用A A矩阵表示的矩阵表示的KCLKCL的矩阵形式的矩阵形式电子设计CAD基础2.3.2 KVL 的矩阵形式的矩阵形式n n电路中电路中b b个支个支路电压也可以路电压也可以用一个用一个b b阶列阶列向量来表示，向量来表示，即即n n(n-1)(n-1)个独立结个独立结点电压可以用点电压可以用一个一个(n-1)(n-1)阶向阶向量来表示，即量来表示，即电子设计CAD基础2.3.2 KVL 的矩阵形式的矩阵形式n n沿用上例，则有电子设计CAD基础2.3.2 KVL 的矩阵形式的矩阵形式 从上例可以看出从上例可以看出A A矩阵的每一列，亦即矩阵的每一列，亦即 A A矩阵的矩阵的每一行，表示每一支路与对应的结点的关联关系，每一行，表示每一支路与对应的结点的关联关系，此式即是每一支路电压与对应结点电压的关联关此式即是每一支路电压与对应结点电压的关联关系。

概括地说，即系概括地说，即 u=ATu （2-6）式（式（2-62-6）是用）是用A A矩阵表示的矩阵表示的KVLKVL的矩阵形式的矩阵形式 电子设计CAD基础 2.3.2 KVL 的矩阵形式的矩阵形式 对于任一个连通图对于任一个连通图G G，在支路排列顺序相同时，写出的矩阵，在支路排列顺序相同时，写出的矩阵A A、、B B、、Q(Q(上述例题就是如此上述例题就是如此) KCL ) KCL 和和KVLKVL的矩阵形式见表的矩阵形式见表1-11-1 表中用表中用 Q Q矩阵表示的矩阵表示的KCL KCL 和和KVLKVL的矩阵形式，可认为是的矩阵形式，可认为是 A A矩阵的推广，即结点推广到高斯面，其中矩阵的推广，即结点推广到高斯面，其中u u为树支电压列向量为树支电压列向量用用B B矩阵表示的矩阵表示的KCL KCL 和和KVLKVL的矩阵形式，可依对偶原理得之，即的矩阵形式，可依对偶原理得之，即基本回路与基本割集对偶，其中基本回路与基本割集对偶，其中i i为连支电流列向量，它与为连支电流列向量，它与u u树支树支电压列向量对偶。

电压列向量对偶电子设计CAD基础2.3.3 元件约束关系元件约束关系 通常用元件的伏安关系（又称特性方程）表示：通常用元件的伏安关系（又称特性方程）表示： 电阻支路的伏安关系为电阻支路的伏安关系为u=Riu=Ri，， 电感支路的伏安关系为电感支路的伏安关系为 u= u= 或或 电导支路的伏安关系为电导支路的伏安关系为 i=Gu i=Gu，， 电容支路的伏安关系为电容支路的伏安关系为 或或 ，，电压源支路的伏安关系为电压源支路的伏安关系为 或或 依据上述的两种约束关系，就可以推导出电路方程组依据上述的两种约束关系，就可以推导出电路方程组电子设计CAD基础小结小结 利用图论及电路基本理论可以得出电路求解所需的矩阵方程。

图论：关联矩阵、回路矩阵、割集矩阵电路理论：电压定律、电流定律、伏安特性电子设计CAD基础。