“電子線路CAD”教學中的信號完整性分析

劉斯 高中磊 李亞捷

［摘 要］ “電子線路CAD”是普通高等學校電子信息大類本科生一門重要的專業技能課程。隨著現代數字電子技術的發展，高速器件和高速數字系統的使用越來越頻繁，高速數字系統設計面臨的最嚴峻挑戰就是信號完整性。在本科“電子線路CAD”課程教學中，融入信號完整性分析和設計，幫助學生理解使信號完整性問題最小化的基本設計原則，將應用型本科人才培養與當前工業發展的實際需求更為緊密地結合。

［關鍵詞］ 電子線路CAD；信號完整性；仿真實踐；應用型人才

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

［作者簡介］ 劉 斯（1984—），女，湖南婁底人，博士，長沙理工大學物理與電子科學學院副教授，主要從事電磁場與電磁波研究；高中磊（1989—），男，山東濟寧人，博士，長沙理工大學物理與電子科學學院副教授，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，長沙理工大學物理與電子科學學院副教授，主要從事光纖通信技術研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ 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”是普通高等學校電子信息大類本科生的一門重要的專業技能課程。通過對“電子線路CAD”設計軟件的學習，以軟件應用、工藝與規范、布局布線技術為教學內容，學生能夠了解PCB電路板的相關知識與規范，掌握常用的電子CAD設計軟件基本操作以及PCB設計流程、設計方法與制作等技能，了解PCB板的生產制作工藝。“電子線路CAD”是一門理論性和實踐性都很強的課程，具有工藝規范性強、實踐性強、技術性強等特點。教師需要在教學中，引導學生將模擬電路、數字電路及信號與系統等基礎知識靈活運用于電路的設計，培養并完善學生PCB設計的以下實踐能力：掌握Altium Designer（以下簡稱AD）等電子線路CAD設計軟件的安裝方法；了解PCB電路板的相關知識與規范；掌握常用的電子CAD設計軟件基本操作；掌握電路PCB的設計流程，能夠根據工程規范畫出原理圖及PCB；了解PCB制作工藝流程；根據實際應用要求，優化PCB布局布線。

值得注意的是，在關于PCB設計優化的教學中，教師應以培養應用型人才為目標，將課程實踐與當前社會實際生產需求緊密結合［1］。在印刷電路板的早期設計階段，對PCB的要求很簡單，只要電路板能夠為元器件提供機械安裝，并能夠與相應引腳連接在一起即可。隨著現代科技的迅速發展，高速器件的使用和高速數字系統設計越來越多，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，電子和電氣設備的數量和種類不斷增加，電磁環境也日益復雜。在復雜的電磁環境中，高數據率、高時鐘速率和高密度電路的PCB設計中經常會出現信號完整性問題，從而引起信號失真、數據錯誤、時序錯誤、系統誤差甚至系統崩潰。因此在“電子線路CAD”教學中融入信號完整性分析和設計，幫助學生掌握相關的基礎知識，理解基于信號完整性分析的PCB設計基本原則，從經驗法則和數值仿真的角度，了解分析信號完整性和優化高速電路PCB的基本方法，非常有助于提高電子信息技術專業人才的培養質量。

一、現狀分析

（一）教學內容

傳統的“電子線路CAD”教學內容將重點放在軟件的使用、設計規范、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。而有關信號完整性問題，要求學生具有較強的電子線路、電磁場與電磁波的理論基礎，能夠從電子工程和物理學的角度理解信號完整性問題。這部分內容抽象難懂，需要比較扎實的數理基礎，大部分學生學習的困難很大。

此外，現有教學實驗內容大多為CAD技術的簡單應用，設計性實驗極少。學生在實踐過程中，大多只是按教科書上的流程對軟件進行操作，被動地通過上機實驗來熟悉規范流程，這使得大多數學生的學習興趣不高，沒有實踐的積極性和主動性，無法在實驗過程中對已經學習過的電子工程技術知識進行融會貫通，更談不上進一步理解現代技術發展對“電子線路CAD”課程學習的新要求［2-3］。

（二）教學手段

信號完整性分析涉及理論推導、實用技術以及工程實踐等多個方面，強調理論推導和數學上的嚴格性、工程操作中的嚴謹性。但當前“電子線路CAD”課程教學模式依舊是傳統的以教師為主體的“灌輸式”教學模式，教師講授、演示、操作，大部分學生在學習中死記硬背或者只在一旁觀看，很少利用學校的操作平臺或者EDA機房同步進行教師講授和學生實踐，從而使學生感到枯燥、乏味，學習積極性不高。這樣的課堂教學模式很難取得理想的教學效果。

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

（三）考核手段

目前課程教學大多側重于對PCB繪圖的考核，但是缺乏對實際制版乃至實際電路調試考核的要求和評價體系，這樣的考核方式不利于激發學生的學習主動性，也不能全面客觀地評價學生電子線路設計的實踐水平。

二、教學方法改革探索

為解決以上問題，一方面要求教師在理論教學和實踐教學方面對課程內容進行擴充和改革。理論教學需要結合當前電子產品設計中信號完整性問題的重要性、基本概念和基本設計原則；實踐教學則需要增加信號完整性仿真和測試實驗環節，通過設計性實驗調動學生自主學習的興趣，并通過綜合性項目實踐引導學生積極運用知識分析和解決問題，培養學生的知識綜合應用能力和創新能力。另一方面要求教師采用新穎、多元的教學手段。例如，理論教學方面要采用各種方法和手段激發學生對課程的興趣，盡量減少數學公式推導，并且通過演示式教學中的動畫、視頻、仿真等幫助學生理解信號完整性問題的原理和概念，在實踐教學方面則可以通過線上線下交互式教學，實現針對每一個學生的“單獨指導”和因材施教。

（一）理論教學改革

1.教學內容。隨著時代的發展，高速芯片和高速系統的應用越來越廣泛，針對應用型本科人才的教學內容不應僅局限于對CAD軟件的操作和簡單應用，而是應與時俱進，符合當前工業發展的需求。信號完整性問題則是高速電路或高頻電路設計過程中互連線與數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，包括對信號完整性的基本認知、信號完整性的含義、信號完整性會引發的具體問題和典型表象。

其次，教學應該結合“數字電路基礎”“磁場與電磁波”“高頻電子線路”“傳輸線理論”等多門課程的基礎知識，融入信號完整性基本概念的教學，引導學生從“電路傳輸”轉變為“電磁場能量傳輸”角度理解信號傳輸過程和電子產品設計工藝，為學生今后的工作實踐打下較為完備的理論基礎。包括但不限于：將時域、頻域、阻抗、傳輸線、和差分技術等內容從信號完整性的角度進行解釋；對信號質量的各種指標，包括幅度、噪聲、上升或下降時間、延時等進行簡要介紹；對信號完整性當中的反射、串擾、振鈴、誤碼、諧振、衰減、地彈和電磁干擾等基本現象和產生原因進行深入淺出的分析。

最后，在電子線路設計的過程中還應該融入信號完整性的基本問題和設計原則教學。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絡中，由于阻抗突變引起的反射或者失真；（2）兩個或者多個網絡之間的電磁能量耦合導致的串擾；（3）電源和接地網絡中的阻抗壓降引起的軌道塌陷，即電源完整性；（4）來自系統或外界的電磁干擾，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”課程講授當中有具體的要求，例如：針對單個網絡的信號完整性設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撲結果的布線規則，必要時應添加額外的器件以達到阻抗匹配的目的；減少信號線的長度，增加線與線之間的寬度以減少網絡之間的串擾；增加片內去耦電容，減小電源分配網絡的阻抗；減少輻射源，正確使用屏蔽以減少天線效應等。這些通用原則和經驗法則教學能夠讓學生直觀、快速地掌握高速電路設計的基本要點，深化學生對于基本原理的理解，培養學生良好的工程判斷直覺。

2.教學手段。理論教學一般來講比較枯燥，因此在教學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行多元化呈現，增強理論教學的趣味性，吸引學生的注意力；另一方面需要結合當前學生的興趣對實際問題中的信號完整性問題進行講解，例如在講解系統性電磁兼容的相關概念時，可以結合現代大學生熟悉的電子產品如手機、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防護進行介紹，并利用各種網絡資源，包括視頻、動畫等，對電磁兼容等抽象的概念和原理進行形象化演示，幫助學生透徹理解。

（二）實踐教學改革

1.教學內容。實踐教學的本質要求是透過實驗現象幫助學生深入理解問題的實質。“電子線路CAD”作為一門應用型極強的課程，在教學中應進一步增加實踐環節，將理論講述、演示和上機實驗有機地結合起來，這有利于調動學生對實際操作的興趣，培養學生的動手能力和創新思維。實踐教學內容不僅需要通過增加設計性實驗和項目型綜合實驗［4-5］，運用“任務驅動”激勵學生將所學知識融會貫通，并將其運用于實際問題解決［6-7］；還需要增加計算機仿真實驗和測試性實驗，培養學生在實際中運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“設計/建模/仿真”這一過程，可以極大地節約資源，在設計周期內快速選擇最好的技術、建立最優的設計規則。在實踐教學中，適當重視仿真實驗教學，能夠幫助學生以實際波形輸出的方式對信號完整性中反射和串擾等問題的現象和重要性有形象化的深入理解，更有利于完善學生電路項目設計的綜合能力，提高學生的專業素養。在實際設計中要求學生首先應該對目標電路板的信號進行分類，分析潛在的信號完整性風險，確定設計的總體原則，在原理圖設計和PCB設計階段均可借助專業設計軟件進行信號完整性規則設置、仿真和性能驗證。電子線路CAD設計常用工具如AD就提供了強大的信號完整性分析工具，其所產生的仿真結果能夠支持包括差分對信號在內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，得到信號響應和失真等數據用以檢查設計信號的可靠性。AD還提供既可以在原理圖又可以在PCB編輯器內實現信號完整性分析的功能。在原理圖設計階段，AD可設置傳輸線平均線長和特征阻抗值等，而仿真器采用規則設置中的信號完整性規則約束，包括激勵源和供電網絡等進行仿真。在PCB設計階段則可以通過仿真工具量化信號的各項性能指標，并基于仿真結果進行調試和修改。這些內容都應該通過具體實驗項目融入課程教學。

此外，一方面，可以在實踐教學中融入互連線測量的基本儀器，如對阻抗分析儀、矢量網絡分析儀和時域反射儀等進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，學生對電子產品設計中驗證設計過程有了切身的體會，并且對設計仿真實驗中的建模過程有了深入的理解。

2.教學手段。一方面，實踐教學應該與理論緊密結合，在學生的PCB設計過程中，應該結合局部電路對信號完整性問題最小的通用設計原則的教學內容，例如最小化平行布線與分布電容的關系、增加走線間距與電感耦合的關系、布線寬度與傳輸線阻抗的關系、減小驅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系等；另一方面，可采用機房教學，提高教學效率，并通過線上線下交互式教學方法，把問題的導入、分析和具體操作錄制成小視頻，供學生在實踐過程中隨時參考和評價，以促進整體教學質量的提升。

（三）考核方式改革

在考核方式上，傳統的筆試或者簡單上機操作的考核方式已經不能全面如實反映學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，加強過程性考核與應用能力考核，將考試和培養過程緊密結合。在教學過程中可以要求學生通過項目式方式，完成“仿真—設計—設計調試—制作—性能測試—結果反饋”的完整流程，并提交仿真報告、調試報告、最終設計圖紙，鼓勵學生制作PCB板，通過完成電路的焊接、安裝、調試以及最終測試項目性能，提交心得體會等一系列環節，全面評估學生的綜合設計能力和分析問題、解決問題的能力，并提升學生在課程學習過程中的成就感，激發對專業學習的熱情。

結語

“電子線路CAD”是一門與實踐結合非常緊密的課程。信號完整性問題在當前高速發展的應用電子技術中越來越重要。在“電子線路CAD”課程當前教學內容和手段的基礎上進一步擴展和完善，幫助學生建立信號完整性分析的基礎概念和思維，是本科教育與社會實際需求相結合的要求。在從理論教學和實踐教學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，這也要求教師要不斷更新專業知識，深入社會了解企業對人才的需求，不斷總結課程教學中的經驗，進一步提高課程建設水平。

參考文獻

［1］簡遠鳴，熊川.應用型本科電子線路CAD課程的教學探討［J］.教育教學論壇，2016（8）：185-186.

［2］趙永杰，郭英.項目教學在電子線路CAD教學中的探索與實踐［J］.吉林廣播電視大學學報，2010（5）：48-49+86.

［3］于洋，王巍.電子線路CAD課程教學改革探討［J］.遼寧工業大學學報（社會科學版），2013，15（1）：118-119.

［4］蔡坤，姜晟.“電子線路CAD”課程實驗教學改革的實踐［J］.實驗室研究與探索，2007（12）：302-303+349.

［5］陳曉平，李長杰，殷春芳，等.“電子線路CAD”案例教學法的實踐研究［J］.中國電力教育，2012（16）：38-39.

［6］方鳳才，王向紅，曾忠寧，等.高校《電子線路CAD》課程教學實踐研究［J］.廣西師范學院學報（自然科學版），2012，29（1）：120-124.

［7］宋瑾，林紅.《電子線路CAD》課程教學改革與實踐［J］.中國電力教育，2019（11）：74-75.

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