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电子线路板设计研究

【摘要】随着智能制造的普及和发展,电子芯片的应用领域越来越多,不仅包括传统的计算机、航空航天等高精尖仪器,同时还包括汽车、塔吊等路桥设备。电子芯片最为重要的组件就是电子线路板(PCB),其影响电子芯片的运行准确度、使用寿命,因此快速、准确、可靠的设计电子线路板成为许多学者研究的热点,本文基于笔者多年的工作实践,详细地描述电子线路板设计方法,重点列举了AltiumDesigner、PROTEL、Allegro等设计软件的应用优势,展望了未来电子线路板设计的方法,为电子线路板设计提供强大的支撑。

【关键词】电子线路板;AltiumDesigner;PROTEL;Allegro

1.引言

电子线路板又被称为印制电路板(PrintedCircuitBoard,PCB),能够选择部署导电图形和连通孔,利用印刷法形成一个元器件连接导电图,可以实现各个信号在板层之间进行有效的传输。目前,经过多年的发展和改进,电子线路板已经成为电子设备、电子仪器、电子计算机中不可缺少重要组件。电子技术的迅速发展导致电子产品的集成度越来越高,承载的功能也越来越复杂,电子线路板的制造质量直接影响电子仪器设备的可靠性、稳定性。目前,电子线路板制造技术也从原来的单面板发展到了双面板、多层板、高密度互连板等,在促进电子产品想着微型化、轻量化、高可靠的趋势发展的同时,电子线路板设计越来越困难。因此,电子线路板设计成为众多硬件公司的研发热点,经过多年的研究,电子线路板从传统的人工设计模式已经发展到了自动化设计,诞生了许多的设计工具,比如Mentor、Zuken、Allegro、Protel等。Zuken属于高端的电子线路板设计工具,用户较少,市场普及的也少;Allegro是一种高端工具,在许多专业的公司中得到了广泛应用,适用于多媒体等芯片产品的研发,Protel是一个大众化的设计工具,能够设计简单的多层板,运行速度非常慢。因此,电子线路板设计时,不仅需要掌握以上设计工具,同时还要结合当前电子芯片的发展方向,引入机器学习、分布计算等技术,提高电子线路板的设计效率、准确度和可靠性。

2.新时期电子线路板设计方法

目前,电子线路板经过多年普及,已经具有高密度化、高可靠性、可设计性、可生产性、可维护性等特点,以便满足电子产品对PCB的各种要求,通过设计标准化、规范化、自动化可以高效率的设计PCB。目前,电子线路板(PCB)设计已经进入到了自动化、集成化、工具化时代,为了提高电子线路板的设计效率、准确度,许多公司研制了先进的设计工具,常见的工具包括AltiumDesigner、PROTEL和Allegro等[1]。PROTEL是Altium公司研发的一个电子线路板设计软件,也是应用最为广泛的工具之一,在许多的电子芯片设计公司应用。PROTEL运行于DOS系统,能够实现线路板自动布线,对运行环境的硬件要求很低,目前最为先进的PROTEL软件为DSP2004,能够运行于Windows95环境下,包含了电路原理图绘制、模数电路混合信仿真、多次印制电路板设计,能够生成电子表格,支持宏操作,具有客户机/服务器架构,同时还可以兼容Excel、OrCAD、PSPIC等软件,主要适用于单层板、多层板,但是运行速度也非常慢。PROTEL99SE是新一代的PCB设计工具,其拥有强大的、智能化的自动布线能力,大大提高了电路板印制效率,降低了设计人员的工作强度,操作简单方便,容易学习和掌握,普及程度也非常广泛[2]。AltiumDesigner是Altium公司推出的一体化电子产品开工工具,该工具主要部署于Windows操作系统,能够将原理图设计、电路仿真、拓扑逻辑自动布线、PCB绘制编辑、信号完整性分析、设计输出等技术完美的结合在一起,为设计者提供全新的设计解决方案,同时更加轻松的设计一个电子线路板。目前,AltiumDesigner已经成为电子行业知名度最高的工具之一,也是电子线路板设计师的得力工具,是电子芯片产品设计、实验、测试、定型过程中不可缺少的设计工具[3]。Allegro是Cadence公司研发的一个电子线路板设计布线工具,能够为设计师提供良好的交互接口,具有一个强大的、完善的功能,可以与前端产品Capture等结合在一起,为高速、高密度、多层次的PCB设计提供完美的布线方案。Allegro为用户提供了简洁明了的接口,能够设计电子线路板的规则数据,自动的摆放零部件,按照布线规则处理、检查数据,重复使用相同性质的电子线路板。PADS是一款由MentorGraphics公司研发的、设计PCB板的软件工具,其主要包括四个关键组成部分,分别是PADSLogic、PADSLayout和PADSRouter,能够实现CAM加工软件、机械设计软件和PCB设计之间的接口,为不同的PCB板设计提供了强大的数据转换和传输通道。目前,PADS经过多年的普及和使用,已经诞生了很多的版本,这些版本包括定义设计、版本配置、电路设计等功能,同时增加了类比模拟、信号整合功能,PADS还可以为PCB设计提供一个可以参考的数据资料库,能够让使用者安装产品,开始快速的设计和开发,不需要花费更多的时间浪费在资料查找上,提高了PCB设计的成效[4]。

3.未来电子线路板设计发展趋势

随着电子线路板的发展,其承载的功能越来越多,同时也会诞生很多的新型需求,呈现出新型特点,为了提高电子线路板设计的准确度,提高电子线路板设计师的工作效率,本文基于笔者的多年实践,针对电子线路板未来设计方法进行了展望,比如可以引入机器学习技术,提高设计工具的智能化程度。(1)引入互补对称设计理念由于电子线路板执行的操作多属于底层功能,因此很多的功能均相同,在设计电子线路板的时候仅仅位置不同,因此可以引入互补对称设计理念。传统电子线路板设计时,具有互不对称功能的电路元件都采用逐一绘制模式,绘制的时间非常长,元件需要按照顺序进行编号,不能够从元件上判断与谁互补。为了提高印制时间,引入互不对称理念,从功能层判断对称位置,实现信息加工和处理。(2)引入机器学习技术改进设计工具智能性目前,机器学习作为人工智能的一个重要技术,已经在多个领域得到广泛普及和使用,取得了显著的应用成效。电子线路板设计工具经过多年的运行积累了海量数据,为了提高设计效率、准确度,可以采用机器学习技术挖掘已有的设计数据,从这些数据中发掘潜在的有价值信息,进一步提高电子线路板设计效率。目前,常用的机器学习技术很多,比如BP神经网络算法、支持向量机算法、K均值算法等。BP神经网络可以模仿人的大脑神经系统,建立一个有规律的信息计算处理模式,引入深度学习规则,深度学习规则作为一个多层次的感知神经网络,利用强度值向量、矩阵向量等特征的数据进行深度学习,能够更加有效的实现特征识别和提取。支持向量机可以实现分类和回归分析,给定一组数据样本,建立训练学习模型,分配新的实例,将其划分为非概率的二元线性分类,支持向量机引入了自适应共振理论,进一步利用数据中隐含的有价值信息,根据这些信息进行挖掘和分类操作,从不同的角度进行分类,提高数据处理的准确度。

4.结束语

电子线路板作为电子产品元器件的重要支撑件,可以为电路元件、器件之间提供信号连接通道和载体,保证电子产品的准确、可靠运行。因此,利用AltiumDesigner、PROTEL和Allegro等工具可以快速、准确的设计电子线路板,能够保证电子设备的结构更加合理紧凑,提高电子产品的整机性能指标,降低设计师的劳动强度。同时,未来随着电子设计技术的改进和提升,电子线路板设计方法将会引入更加先进的理念和技术,比如机器学习、数据挖掘等,提高电子线路板设计的准确度。

参考文献

[1]刘光涛.AltiumDesigner在《电子线路CAD》课程教学中的应用[J].湖北成人教育学院学报,2017,23(1):75-77.

[2]熊丽萍,朱彩莲,杨润丰.基于《电子线路板设计与制作》教学的“数字钟”单面板设计--以ProtelDXP2004SP2为设计软件[J].电子世界,2014(21):199-200.

[3]朱郑喆,吴明赞,江蒙南,等.基于AllegroPCBSI的DSP最小系统板信号完整性仿真分析[J].科技创新导报,2015(24):70-71.

[4]唐赣.MentorGraphiCS宣布PADS创新平台又添压降分析和电子散热等新功能[J].中国集成电路,2016(6):6-7.

作者:陈彦霖 单位:广东文理职业学院

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