1、电子设计CAD基础,主讲：刘明山联系方式：办公室：一敎325电 话：13504314285邮 箱：,教学安排,学时：32 其中理论教学16学时，实验16学时 教材：电子电路CAD与OrCAD技术 讲课内容： 电路CAD基础知识 电路设计方法OrCAD软件使用 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）,第1章 绪 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,绪 论：一、PSPICE软件的发展,PSPICE：PC Simulation Program of Integrated Circuit Emphasis侧重于集成电路的模拟程
2、序功能：直流、交流、瞬态、温度等SPICE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20多个版本，其微机版本为PSPICE。 EDA技术发展历程大致可分为三个阶段。20世纪70年代为计算机辅助设计（CAD）阶段，人们开始用计算机取代手工操作进行IC版图编辑、PCB布局、布线。80年代为计算机辅助工程（CAE）阶段。与CAD相比，CAE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，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。20世纪90年代为电子系统设计自动化（EDA）阶段，同时又出现了计算机辅助工艺（CAPP）、计算机辅助制造（CAM）等。,绪 论：二、CA
3、D软件,1OrCAD （1）SDT、PSPICE、VST、PCB， （2）Capture、Pspice A/D、PCB、CPLD,绪 论：二、CAD软件,2. ProtelProtel 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Protel(2001更名为Altium)公司推出的。Protel软件具有方便、易学及快速的特点，于20世纪90年代初（当时DOS版本软件称为TANGO）开始在国内流行。包括电路图（Schematics）设计工具、印刷电路板（Printed Circuit Board）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。,绪 论：二
4、、CAD软件,3.EWB Multisim Multisim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。,绪 论：二、CAD软件,3.EWB Multisim特点： （1）最突出的是软件中提供了各种虚拟仪器 （2）软件带有丰富的电路元件库 （3）采用直观的电路图输入方式 （4）操作方便、易学易用，很适合电子类课程的教学和实验,绪
5、 论：二、CAD软件,其中的电路分析软件内核都是SPICE。,绪 论：三、电子系统设计方法,1自下而上电路功能系统2自上而下系统功能电路最后是物理实现：PCB设计、制版、焊接,绪 论：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,第2章 网络图论基础,2.1 网络的图 2.2 关联矩阵、回路矩阵和割集矩阵 2.3 两种约束关系,2.1 网络的图,2.1.1 网络的图(Graph) 2.1.2 树(Tree) 2.1.3 基本回路 2.1.4 基本割集,2.1.1 网络的图(Graph),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
6、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 。,a)实际电路图 b)对应a)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。,连通图：若网络图G中任意两结点之间至少有一条支路相联，则称为连通图。,a) 空心变压器电路 b) 拓扑图（非连通图 ）,子图：如果一个图G1的全部支路和结点，包含在另一个图G的支路和结点的集合之中，则称G1为G的一个子图。,2.1.2树(Tree),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。,2.1.2树(Tree),树支：构成图G一个树的支路称为树支（bt）；树支以
7、外的支路称为连支（bl），连支与所连结点构成该树的余树。 bt=n -1 bl=b-(n-1) 式中，b为图G的支路数，n为结点数，bt为树支数，bl为连支数。,2.1.3基本回路,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。基本回路数等于连支数bl。,2.1.4 基本割集,割集：是连通图G中符合下列特性的支路集合： 1.移去该支路集合的所有支路，连通图G被分成两个分离的子图； 2.但是，如果少移去其中任一支路，图仍然是连通的。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，图中粗实线为树支。,2.1.4 基本割集,基本割集,2.2 关联矩阵、回
8、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。,24,2.2.1 关联矩阵,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，称为关联矩阵。 设有向图的结点数n，支路数为b，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一个（nb）阶的矩阵，用Aa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 aij =1，表示支路j与结点i相关联，并且它的方向是从结点i联出； aij = -1，表示支路j与结点i相关联，但是它的方向是从结点i联入； aij = 0，表示支路j与结点i无关联。,2.2.1
9、关联矩阵,2.2.1 关联矩阵,Aa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，因此每一列中只有两个非零元素：1和-1。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 Aa的行不是彼此独立的。即是说Aa中的任一行都可以从其它(n-1)行导出。 若把 Aa的任一行划去，比如将式中第3行划去，则得(n-1)b阶的(降阶的)关联矩阵，以A表示,2.2.2 (基本)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l，支路数为b，并对所有的独立回
10、路与支路都进行编号。则该有向图的(基本)回路矩阵为一个（lb）阶的矩阵，用B表示。如果它的行对应于一个基本回路Bf（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），列对应于支路，它的任一元素定义如下： bij =1，表示支路j与基本回路i相关联，并且它们的方向一致（以连支的方向为基本回路i的绕行方向)； bij =-1，表示支路j与基本回路i相关联，但是它们的方向相反； bij =0，表示支路j与基本回路i无关联。,2.2.2 (基本)回路矩阵,例如，独立回路数等于连支数为3。若仍选1、2、3支路为树支，每一次用一个连支画成基本回路，,2.2.2 (基本)回路矩阵,
11、像这样将l个连支依次排列，则 Bf中将出现l阶单位子矩阵，即,式中下标 t和 各表示与树支和连支对应的部分。,2.2.3 (基本)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n-1，支路数为b，并对所有的独立割集与支路都进行编号。则该有向图的割集距阵为一个（(n-1)b）阶的矩阵，用Q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），列对应于支路，它的任一元素定义如下： qij =1，表示支路
12、j与基本割集i相关联，并且它们的方向一致（以树支的方向作为基本割集i的方向)； qij =-1 ，表示支路j与基本割集i相关联，但是它们的方向相反； qij =0， 表示支路j与基本割集i无关联。,2.2.3 (基本)割集矩阵,例如，基本割集数等于树支数为3。若仍选1、2、3支路为树支，每一次用一个树支构成基本割集。,2.2.3 (基本)割集矩阵,对应的(基本)割集矩阵Qf为,象这样将n-1个树支依次排列，则Qf中将出现(n-1)阶单位子矩阵，即,式中下标 t和l各表示与树支和连支对应的部分。,2.3 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
13、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。,2.3.1 KCL 的矩阵形式,电路中的b条支路电流可以用一个b阶列向量来表示，仍用上例即,2.3.1 KCL 的矩阵形式,若用A矩阵左乘支路电流列向量i，则得,2.3.1 KCL 的矩阵形式,概括地说，即用A矩阵（n-1）b阶）左乘支路电流列向量i（b阶列向量）则得一个（n-1）阶列向量 Ai=0 （2-5） 式（2-5）是用A矩阵表示的KCL的矩阵形式。,2.3.2 KVL 的矩阵形式,电路中b个支路电
14、压也可以用一个b阶列向量来表示，即 (n-1)个独立结点电压可以用一个(n-1)阶向量来表示，即,2.3.2 KVL 的矩阵形式,沿用上例，则有,2.3.2 KVL 的矩阵形式,从上例可以看出A矩阵的每一列，亦即 A矩阵的每一行，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系。概括地说，即 u=ATu （2-6）式（2-6）是用A矩阵表示的KVL的矩阵形式。,2.3.2 KVL 的矩阵形式,对于任一个连通图G，在支路排列顺序相同时，写出的矩阵A、B、Q(上述例题就是如此) KCL 和KVL的矩阵形式见表1-1。,表中用 Q矩阵表示的KCL 和KVL的矩阵形式，
15、可认为是 A矩阵的推广，即结点推广到高斯面，其中u为树支电压列向量。用B矩阵表示的KCL 和KVL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i为连支电流列向量，它与u树支电压列向量对偶。,2.3.3 元件约束关系,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u=Ri，电感支路的伏安关系为 u= 或 。 电导支路的伏安关系为 i=Gu，电容支路的伏安关系为 或 ，电压源支路的伏安关系为 或 依据上述的两种约束关系，就可以推导出电路方程组。,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,
