“电子线路CAD”教学中的信号完整性分析

［摘 要］ “电子线路CAD”是普通高等学校电子信息大类本科生一门重要的专业技能课程。随着现代数字电子技术的发展，高速器件和高速数字系统的使用越来越频繁，高速数字系统设计面临的最严峻挑战就是信号完整性。在本科“电子线路CAD”课程教学中，融入信号完整性分析和设计，帮助学生理解使信号完整性问题最小化的基本设计原则，将应用型本科人才培养与当前工业发展的实际需求更为紧密地结合。

［关键词］ 电子线路CAD；信号完整性；仿真实践；应用型人才

［基金项目］ 2021年度长沙理工大学教改项目“‘电子线路CAD’混合式教学方法探讨”（XJG21-070）

［作者简介］ 刘 斯（1984—），女，湖南娄底人，博士，长沙理工大学物理与电子科学学院副教授，主要从事电磁场与电磁波研究；高中磊（1989—），男，山东济宁人，博士，长沙理工大学物理与电子科学学院副教授，主要从事电磁场与电磁波研究；李亚捷（1980—），女，山西太原人，博士，长沙理工大学物理与电子科学学院副教授，主要从事光纤通信技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）20-0038-04 ［收稿日期］ 2022-05-21

引言

“电子线路CAD”是普通高等学校电子信息大类本科生的一门重要的专业技能课程。通过对“电子线路CAD”设计软件的学习，以软件应用、工艺与规范、布局布线技术为教学内容，学生能够了解PCB电路板的相关知识与规范，掌握常用的电子CAD设计软件基本操作以及PCB设计流程、设计方法与制作等技能，了解PCB板的生产制作工艺。“电子线路CAD”是一门理论性和实践性都很强的课程，具有工艺规范性强、实践性强、技术性强等特点。教师需要在教学中，引导学生将模拟电路、数字电路及信号与系统等基础知识灵活运用于电路的设计，培养并完善学生PCB设计的以下实践能力：掌握Altium Designer（以下简称AD）等电子线路CAD设计软件的安装方法；了解PCB电路板的相关知识与规范；掌握常用的电子CAD设计软件基本操作；掌握电路PCB的设计流程，能够根据工程规范画出原理图及PCB；了解PCB制作工艺流程；根据实际应用要求，优化PCB布局布线。

值得注意的是，在关于PCB设计优化的教学中，教师应以培养应用型人才为目标，将课程实践与当前社会实际生产需求紧密结合［1］。在印刷电路板的早期设计阶段，对PCB的要求很简单，只要电路板能够为元器件提供机械安装，并能够与相应引脚连接在一起即可。随着现代科技的迅速发展，高速器件的使用和高速数字系统设计越来越多，芯片集成度越来越高，PCB板越来越密，信号电压幅度越来越低，高速串行总行使用越来越频繁，电子和电气设备的数量和种类不断增加，电磁环境也日益复杂。在复杂的电磁环境中，高数据率、高时钟速率和高密度电路的PCB设计中经常会出现信号完整性问题，从而引起信号失真、数据错误、时序错误、系统误差甚至系统崩溃。因此在“电子线路CAD”教学中融入信号完整性分析和设计，帮助学生掌握相关的基础知识，理解基于信号完整性分析的PCB设计基本原则，从经验法则和数值仿真的角度，了解分析信号完整性和优化高速电路PCB的基本方法，非常有助于提高电子信息技术专业人才的培养质量。

一、现状分析

（一）教学内容

传统的“电子线路CAD”教学内容将重点放在软件的使用、设计规范、制版方法和流程等方面，很少从实践的角度引入信号完整性问题的分析。而有关信号完整性问题，要求学生具有较强的电子线路、电磁场与电磁波的理论基础，能够从电子工程和物理学的角度理解信号完整性问题。这部分内容抽象难懂，需要比较扎实的数理基础，大部分学生学习的困难很大。

此外，现有教学实验内容大多为CAD技术的简单应用，设计性实验极少。学生在实践过程中，大多只是按教科书上的流程对软件进行操作，被动地通过上机实验来熟悉规范流程，这使得大多数学生的学习兴趣不高，没有实践的积极性和主动性，无法在实验过程中对已经学习过的电子工程技术知识进行融会贯通，更谈不上进一步理解现代技术发展对“电子线路CAD”课程学习的新要求［2-3］。

（二）教学手段

信号完整性分析涉及理论推导、实用技术以及工程实践等多个方面，强调理论推导和数学上的严格性、工程操作中的严谨性。但当前“电子线路CAD”课程教学模式依旧是传统的以教师为主体的“灌输式”教学模式，教师讲授、演示、操作，大部分学生在学习中死记硬背或者只在一旁观看，很少利用学校的操作平台或者EDA机房同步进行教师讲授和学生实践，从而使学生感到枯燥、乏味，学习积极性不高。这样的课堂教学模式很难取得理想的教学效果。

另外，仿真功能为电子设计提供了一个方便的实验平台，有助于学生快速理解高速电路中信号完整性问题的基本概念，从实验现象中直观感受信号完整性问题的重要性。现阶段高校教师普遍教学任务重，课堂教学进度快，很多教师忽视了“电子线路CAD”技术中的仿真功能的教学。

（三）考核手段

目前课程教学大多侧重于对PCB绘图的考核，但是缺乏对实际制版乃至实际电路调试考核的要求和评价体系，这样的考核方式不利于激发学生的学习主动性，也不能全面客观地评价学生电子线路设计的实践水平。

二、教学方法改革探索

为解决以上问题，一方面要求教师在理论教学和实践教学方面对课程内容进行扩充和改革。理论教学需要结合当前电子产品设计中信号完整性问题的重要性、基本概念和基本设计原则；实践教学则需要增加信号完整性仿真和测试实验环节，通过设计性实验调动学生自主学习的兴趣，并通过综合性项目实践引导学生积极运用知识分析和解决问题，培养学生的知识综合应用能力和创新能力。另一方面要求教师采用新颖、多元的教学手段。例如，理论教学方面要采用各种方法和手段激发学生对课程的兴趣，尽量减少数学公式推导，并且通过演示式教学中的动画、视频、仿真等帮助学生理解信号完整性问题的原理和概念，在实践教学方面则可以通过线上线下交互式教学，实现针对每一个学生的“单独指导”和因材施教。

（一）理论教学改革

1.教学内容。随着时代的发展，高速芯片和高速系统的应用越来越广泛，针对应用型本科人才的教学内容不应仅局限于对CAD软件的操作和简单应用，而是应与时俱进，符合当前工业发展的需求。信号完整性问题则是高速电路或高频电路设计过程中互连线与数字信号的电压电流相互作用时所引起的所有问题。信号完整性设计能够保证信号波形的逻辑电平、时序和相位的要求，保证信息传递的可靠性和有效性。因此，“电子线路CAD”课程中首先要融入的是对信号完整性的重要性理解的教学，包括对信号完整性的基本认知、信号完整性的含义、信号完整性会引发的具体问题和典型表象。

其次，教学应该结合“数字电路基础”“磁场与电磁波”“高频电子线路”“传输线理论”等多门课程的基础知识，融入信号完整性基本概念的教学，引导学生从“电路传输”转变为“电磁场能量传输”角度理解信号传输过程和电子产品设计工艺，为学生今后的工作实践打下较为完备的理论基础。包括但不限于：将时域、频域、阻抗、传输线、和差分技术等内容从信号完整性的角度进行解释；对信号质量的各种指标，包括幅度、噪声、上升或下降时间、延时等进行简要介绍；对信号完整性当中的反射、串扰、振铃、误码、谐振、衰减、地弹和电磁干扰等基本现象和产生原因进行深入浅出的分析。

最后，在电子线路设计的过程中还应该融入信号完整性的基本问题和设计原则教学。信号完整性的问题主要分为四大类：（1）在单条传输线或者单个网络中，由于阻抗突变引起的反射或者失真；（2）两个或者多个网络之间的电磁能量耦合导致的串扰；（3）电源和接地网络中的阻抗压降引起的轨道塌陷，即电源完整性；（4）来自系统或外界的电磁干扰，即高速电路的电磁兼容问题。针对这四类问题，在“电子线路CAD”课程讲授当中有具体的要求，例如：针对单个网络的信号完整性设计通常要求使用均匀的传输线和使得沿线阻抗保持不变的拓扑结果的布线规则，必要时应添加额外的器件以达到阻抗匹配的目的；减少信号线的长度，增加线与线之间的宽度以减少网络之间的串扰；增加片内去耦电容，减小电源分配网络的阻抗；减少辐射源，正确使用屏蔽以减少天线效应等。这些通用原则和经验法则教学能够让学生直观、快速地掌握高速电路设计的基本要点，深化学生对于基本原理的理解，培养学生良好的工程判断直觉。

2.教学手段。理论教学一般来讲比较枯燥，因此在教学手段上一方面需要借助多种多媒体手段对一些死板的概念进行多元化呈现，增强理论教学的趣味性，吸引学生的注意力；另一方面需要结合当前学生的兴趣对实际问题中的信号完整性问题进行讲解，例如在讲解系统性电磁兼容的相关概念时，可以结合现代大学生熟悉的电子产品如手机、笔记本电脑等，对电磁辐射是什么、电磁辐射的危害，电磁辐射的传播及电磁屏蔽及系统防护进行介绍，并利用各种网络资源，包括视频、动画等，对电磁兼容等抽象的概念和原理进行形象化演示，帮助学生透彻理解。

（二）实践教学改革

1.教学内容。实践教学的本质要求是透过实验现象帮助学生深入理解问题的实质。“电子线路CAD”作为一门应用型极强的课程，在教学中应进一步增加实践环节，将理论讲述、演示和上机实验有机地结合起来，这有利于调动学生对实际操作的兴趣，培养学生的动手能力和创新思维。实践教学内容不仅需要通过增加设计性实验和项目型综合实验［4-5］，运用“任务驱动”激励学生将所学知识融会贯通，并将其运用于实际问题解决［6-7］；还需要增加计算机仿真实验和测试性实验，培养学生在实际中运用多种工具分析和解决信号完整性问题的能力。

大量工程实践表明，综合使用“设计/建模/仿真”这一过程，可以极大地节约资源，在设计周期内快速选择最好的技术、建立最优的设计规则。在实践教学中，适当重视仿真实验教学，能够帮助学生以实际波形输出的方式对信号完整性中反射和串扰等问题的现象和重要性有形象化的深入理解，更有利于完善学生电路项目设计的综合能力，提高学生的专业素养。在实际设计中要求学生首先应该对目标电路板的信号进行分类，分析潜在的信号完整性风险，确定设计的总体原则，在原理图设计和PCB设计阶段均可借助专业设计软件进行信号完整性规则设置、仿真和性能验证。电子线路CAD设计常用工具如AD就提供了强大的信号完整性分析工具，其所产生的仿真结果能够支持包括差分对信号在内的高速电路信号分析。AD所提供的集成器件库包含了大量常用器件的IBIS模型，采用成熟的传输线计算方法以及I/O缓冲宏模型，能够通过对信号路线的阻抗计算，得到信号响应和失真等数据用以检查设计信号的可靠性。AD还提供既可以在原理图又可以在PCB编辑器内实现信号完整性分析的功能。在原理图设计阶段，AD可设置传输线平均线长和特征阻抗值等，而仿真器采用规则设置中的信号完整性规则约束，包括激励源和供电网络等进行仿真。在PCB设计阶段则可以通过仿真工具量化信号的各项性能指标，并基于仿真结果进行调试和修改。这些内容都应该通过具体实验项目融入课程教学。

此外，一方面，可以在实践教学中融入互连线测量的基本仪器，如对阻抗分析仪、矢量网络分析仪和时域反射仪等进行简单介绍和操作演示；另一方面，还可以融入对电磁兼容基本测试，包括对辐射骚扰、辐射抗扰、传导骚扰和抗扰等实验项目和基本仪器的介绍。通过熟悉这些基本测试实验，学生对电子产品设计中验证设计过程有了切身的体会，并且对设计仿真实验中的建模过程有了深入的理解。

2.教学手段。一方面，实践教学应该与理论紧密结合，在学生的PCB设计过程中，应该结合局部电路对信号完整性问题最小的通用设计原则的教学内容，例如最小化平行布线与分布电容的关系、增加走线间距与电感耦合的关系、布线宽度与传输线阻抗的关系、减小驱动共模电流的电压和增加共模电流路径阻抗与电磁干扰之间的关系等；另一方面，可采用机房教学，提高教学效率，并通过线上线下交互式教学方法，把问题的导入、分析和具体操作录制成小视频，供学生在实践过程中随时参考和评价，以促进整体教学质量的提升。