“电子线路CAD”教学中的信号完整性分析
刘斯高中磊李亚捷
［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）
［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
“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AltiumDesigner（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）教學手段
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