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摘 要： 作者根据多年的教学实践，从Cadence SPB实践教学平台的功能出发，针对电子类应用型人才的培养目标，通过实例介绍其Pspice仿真方法与印刷电路板的设计方法及关键操作步骤。在EDA实践教学中使用理论与实践相结合的“教学做一体化”模式，激发了学生的学习热情和兴趣，提高了学生理论分析和通过实践解决问题的能力。
关键词： 实践教学 Pspice仿真 印刷电路板设计
EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）技术是现代电子设计领域的核心，它以计算机为工作平台，综合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术的最新研究成果，提供了一种融合计算机技术与信息技术的电子系统设计方法，其发展和应用极大地推动了电子工业的发展。现在，功能强大的EDA技术已成为电子设计开发人员不可缺少的一项主要技术[1-3]。当前，为了适应电子设计的发展及改进现有人才培养模式，培养出更优秀的应用型人才，各大高校电类专业都开设了EDA的相关课程，通过该课程的学习，可使学生系统掌握现代电子设计方法，提高学生的工程应用实践能力。
利用EDA技术领域的CAD通用软件包，可以辅助进行IC设计、电子电路设计和PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）设计等三方面的设计工作，主要包括电子系统的设计、分析和仿真及印刷线路板的设计三方面内容。目前，大部分高校主要针对基于大规模可编程逻辑器件的数字系统的设计开设了相关课程，对可编程逻辑器件、硬件描述语言及相关软件开发工具的使用进行了教学。一些应用型背景较强的学校则开设了电子线路CAD的相关课程（如“印刷电路板原理图与PCB设计”），但大部分院校使用的教学平台主要是基于澳大利亚Altium公司的设计平台Altium Designer[4-6]。
Cadence SPB开发平台是美国Cadence公司新一代的系统互连设计平台，整合原理图设计、PCB工具和信号仿真分析等工具，是目前高端PCB设计领域最流行的EDA工具之一[7，8]。相比Altium Designer设计平台，Cadence SPB更适合超多层及高速复杂印刷线路板的设计与制作，具有强大的布线和信号完整性分析功能，适高速布线和大量需要进行信号完整性分析的场合，主要针对复杂、高速和高端应用。同时，Cadence SPB的另一优势是具备强大的Pspice仿真功能。在电子设计过程中，仿真可以在生产期之前发现设计缺陷，从而节省研发经费，同时在计算机上对电路仿真可以节省时间，并可在最坏的情况下对电路进行评估，提高开发产品稳定性和安全性。因此，为了使应用型本科大学生更好地学习和掌握EDA技术，作者在常熟理工学院自动化专业实施了以Cadence SPB为实践教学平台的EDA实践教学，并利用理论与实践相结合的“教学做一体化”教学模式，以任务驱动教学法和项目教学法交替进行授课，取得较好的教学效果。
1.电路仿真实践
Cadence SPB开发平台的Pspice具有丰富的仿真元器件库，Cadence Pspice自带的元件库大约有50，000种，这些器件都具有Pspice模型，可直接调用[9，10]。同时，可以根据自己所采用芯片的数据建立自己的器件仿真模型，并利用直观的原理图进行仿真，对电路进行直流分析、交流分析、瞬态分析、噪声分析和傅里叶分析等分析，还可使用蒙特卡罗及最坏情况分析方法进行容差分析，利用Cadence Pspice对电路的这些分析使设计更接近实际情况，大大增加模拟的可信度。
下面以一个反相放大电路的教学实例说明Cadence Pspice的仿真功能。
Cadence SPB开发平台的Pspice仿真分析过程如图1所示。在Cadence SPB实践教学过程中，可以利用直观的原理图进行仿真分析，通过理论讲解与实践操作，使学生通过电路的信号相应理解与掌握所学知识。Cadence Pspice仿真流程如下：首先绘制电路原理图，然后选择分析方法并设置仿真参数，运行仿真后得到仿真结果，如果仿真结果符合要求，则仿真结束，否则修改电路结构或元件参数再进行仿真，直到仿真结果符合要求为止。
打开OrCAD Capture软件包绘制如图2所示反相放大电路图，图中电源及接地属于Source模型库，电阻属于Analog模型库，运算放大器uA741属于Opam模型库，相关设置参数如图所示。
V2是一个正弦波激励源，其直流偏置电压VOFF设置为0V，交流幅值的峰值设置为5V，频率FREQ设置为100Hz，交流分析参数AC的幅值设置为1V。在瞬态分析时，运行时间为100ms，步长为0.1ms，进行傅里叶分析时，基波频率设置为100Hz，并计算到9次谐波。反相放大电路时域响应仿真结果如图3所示，作为对照，将输入信号也进行了显示。可见运放电路对输入信号实现了反相和放大的作用，结果非常直观地显示了电路的功能，将仿真结果获得的放大倍数与电路理论计算出的放大倍数进行比较，使学生加深对电路原理的理解，同时提高了学生分析复杂电路的能力。
对于频谱分析，可使用直角坐标或对数坐标显示，直角坐标和对数坐标显示的傅里叶频谱结果分别如图4所示，由图可以直观地看到基波分量与各次谐波分量的幅度值在频谱上的分布，对数显示的结果则可以看到频谱分布的更多细节。从结果看，基波分量的振幅及相位最大，其他的各次谐波越来越小，所以放大电路对基波信号的放大作用是主要的。也可点选View/Output File菜单命令查看电路系统设计参数、瞬态分析及傅里叶分析的文字结果，可以从文字结果中详细看到基波分量、第2至第9次谐波分量的幅度值、相位值及归一化的幅值、相位值及总的谐波失真系数等关键仿真参数。
2.PCB板设计实践
在利用Cadence SPB开发平台进行印刷电路板设计的实践教学中，以培养学生电子线路板设计能力为核心，基于印刷电路板制作的工作过程构建整个教学过程，将项目案例作为载体引入印刷电路板设计的实践教学过程中，通过接近真实产品的开发过程，给学生一个实际演练的机会，使学生加深前期学习过的相关理论知识的理解，掌握印刷电路板设计的基本流程，通过结合同一时期所开设的单片机实验实践教学内容，使学生更深入地了解做单片机实验时实验箱各器件的工作原理，通过这种“教学做一体化”教学模式，让学生清楚自己在进入未来的工作岗位前，需要掌握一些什么开发工具，并且通过项目教学实例，使学生明白自己到达工作岗位后，到底可以做些什么。 单片机最小系统是一个典型的实践教学项目，通过这个项目的学习与制作，可使学生更深入地理解单片机系统硬件原理，为课程设计及后续的毕业设计打下良好的系统分析与电路板设计制作基础，并可通过整个设计过程，带领学生将最小板制作焊接出来，使学生经历由原理图到设计制作PCB的全部生产过程。学生通过该项目的实施，学到接近真实产品的生产过程训练。
单片机最小系统原理如图5所示，系统由单片机芯片、晶振、电源、流水灯指示及扩展接口插座组成，使用Cadence SPB开发平台的Design Entry CIS软件包中的Capture工具设计原理图，设计过程有些元件的外形及对应封装系统库中不存在，因此必须自己添加这些元件的原理图库或封装库。在原理图画好且封装库设置好后，可以生成网络表（Net List）；接下来使用PCB Editor软件包中的Allegro PCB Design工具建立电路板（以及元件的封装信息，构成该设计工程的封装库），在设置好格点大小、板子层数、最小线宽、最小线间距、焊盘最小间距及板子的尺寸后，即可导入由原理图生成的网络表，但要注意在导入网络表前必须指定元件的PCB封装库路径。成功导入网络表后，可以进行布局操作，根据原理图在PCB中合理摆放元件，元件布局完成后，即可利用Allegro强大的布线功能进行布线操作，布线完成后，即得到如图6所示的PCB设计电路图。在最后输出提供给PCB生产商的Gerber文件之前，还必须给电路做一些必要的检测工作，检查元件封装、有无未连接的网络等，为了避免干扰，可以给PCB铺铜，对于复杂、高速电路，可以进行信号完整性等分析。在这些工作完成后，即可输出将走线层、阻焊层、丝印层、钻孔文件等底片文件，最后将输出的Gerber文件提供给PCB制板商。至此，利用Cadence SPB开发平台设计PCB板的实践教学过程顺利结束，接下来就是等待PCB电路板制作出来后，进行元器件焊接及调试硬件系统的实践过程。
本文通过Pspice仿真与PCB设计的教学实例研究Cadence SPB开发平台在EDA技术课程实践教学中的应用，Cadence SPB开发平台提供综合原理图设计、电路原理仿真与PCB设计等应用型本科大学生要掌握的EDA技术的一个实践教学平台，基于该实践教学平台，采用理实一体化的教学模式，可帮助学生快速掌握业界最先进EDA设计工具的使用，使学生系统掌握接近业界生产实际的知识和技能，并使学生对在校期间学到的不同学科的电子设计知识做到融会贯通，提升学生的自主创新意识和工程实践能力。
参考文献：
[1]王彩凤，李卫兵，齐爱学等.基于应用型人才培养的EDA实践教学模式改革研究[J].教育教学论坛，2014，（28）：52-54.
[2]吴冰，李森森.EDA技术的发展与应用[J].北京：电子世界，2000，9：20-21.
[3]潘松，黄继业.EDA技术实用教程[M].北京：科学出版社，2013.8.
[4]牛耀国，朱朝霞，芮新芳.Altium Designer软件在印刷电路板设计中的应用[J].北京：电子科技，2011，8：128-130.
[5]何丽红，洪海山.基于Altium Designer的电子电路仿真设计[J].计算机与网络，2013，19：62-65.
[6]张辉.浅谈Protel 99SE在PCB设计中的应用[J].教育教学论坛，2015，17：251-252.
[7]周润景，刘梦男，苏良昱.Cadence高速电路板设计与仿真（第4版）—原理图与PCB设计[M].北京：电子工业出版社，2011.7.
[8]于争.Cadence SPB 15.7工程实例入门[M].北京：电子工业出版社，2010.5.
[9]贾新章，游海龙，高海霞，张岩龙.电子线路CAD与优化设计—基于Cadence/PSpice[M].北京：电子工业出版社，2014.4.
[10]徐蕾.基于Cadence的国产电路瞬态仿真建模研究[J].北京：系统仿真学报，2013，25（12）：2979-2985.
关键词： 实践教学 Pspice仿真 印刷电路板设计
EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）技术是现代电子设计领域的核心，它以计算机为工作平台，综合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术的最新研究成果，提供了一种融合计算机技术与信息技术的电子系统设计方法，其发展和应用极大地推动了电子工业的发展。现在，功能强大的EDA技术已成为电子设计开发人员不可缺少的一项主要技术[1-3]。当前，为了适应电子设计的发展及改进现有人才培养模式，培养出更优秀的应用型人才，各大高校电类专业都开设了EDA的相关课程，通过该课程的学习，可使学生系统掌握现代电子设计方法，提高学生的工程应用实践能力。
利用EDA技术领域的CAD通用软件包，可以辅助进行IC设计、电子电路设计和PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）设计等三方面的设计工作，主要包括电子系统的设计、分析和仿真及印刷线路板的设计三方面内容。目前，大部分高校主要针对基于大规模可编程逻辑器件的数字系统的设计开设了相关课程，对可编程逻辑器件、硬件描述语言及相关软件开发工具的使用进行了教学。一些应用型背景较强的学校则开设了电子线路CAD的相关课程（如“印刷电路板原理图与PCB设计”），但大部分院校使用的教学平台主要是基于澳大利亚Altium公司的设计平台Altium Designer[4-6]。
Cadence SPB开发平台是美国Cadence公司新一代的系统互连设计平台，整合原理图设计、PCB工具和信号仿真分析等工具，是目前高端PCB设计领域最流行的EDA工具之一[7，8]。相比Altium Designer设计平台，Cadence SPB更适合超多层及高速复杂印刷线路板的设计与制作，具有强大的布线和信号完整性分析功能，适高速布线和大量需要进行信号完整性分析的场合，主要针对复杂、高速和高端应用。同时，Cadence SPB的另一优势是具备强大的Pspice仿真功能。在电子设计过程中，仿真可以在生产期之前发现设计缺陷，从而节省研发经费，同时在计算机上对电路仿真可以节省时间，并可在最坏的情况下对电路进行评估，提高开发产品稳定性和安全性。因此，为了使应用型本科大学生更好地学习和掌握EDA技术，作者在常熟理工学院自动化专业实施了以Cadence SPB为实践教学平台的EDA实践教学，并利用理论与实践相结合的“教学做一体化”教学模式，以任务驱动教学法和项目教学法交替进行授课，取得较好的教学效果。
1.电路仿真实践
Cadence SPB开发平台的Pspice具有丰富的仿真元器件库，Cadence Pspice自带的元件库大约有50，000种，这些器件都具有Pspice模型，可直接调用[9，10]。同时，可以根据自己所采用芯片的数据建立自己的器件仿真模型，并利用直观的原理图进行仿真，对电路进行直流分析、交流分析、瞬态分析、噪声分析和傅里叶分析等分析，还可使用蒙特卡罗及最坏情况分析方法进行容差分析，利用Cadence Pspice对电路的这些分析使设计更接近实际情况，大大增加模拟的可信度。
下面以一个反相放大电路的教学实例说明Cadence Pspice的仿真功能。
Cadence SPB开发平台的Pspice仿真分析过程如图1所示。在Cadence SPB实践教学过程中，可以利用直观的原理图进行仿真分析，通过理论讲解与实践操作，使学生通过电路的信号相应理解与掌握所学知识。Cadence Pspice仿真流程如下：首先绘制电路原理图，然后选择分析方法并设置仿真参数，运行仿真后得到仿真结果，如果仿真结果符合要求，则仿真结束，否则修改电路结构或元件参数再进行仿真，直到仿真结果符合要求为止。
打开OrCAD Capture软件包绘制如图2所示反相放大电路图，图中电源及接地属于Source模型库，电阻属于Analog模型库，运算放大器uA741属于Opam模型库，相关设置参数如图所示。
V2是一个正弦波激励源，其直流偏置电压VOFF设置为0V，交流幅值的峰值设置为5V，频率FREQ设置为100Hz，交流分析参数AC的幅值设置为1V。在瞬态分析时，运行时间为100ms，步长为0.1ms，进行傅里叶分析时，基波频率设置为100Hz，并计算到9次谐波。反相放大电路时域响应仿真结果如图3所示，作为对照，将输入信号也进行了显示。可见运放电路对输入信号实现了反相和放大的作用，结果非常直观地显示了电路的功能，将仿真结果获得的放大倍数与电路理论计算出的放大倍数进行比较，使学生加深对电路原理的理解，同时提高了学生分析复杂电路的能力。
对于频谱分析，可使用直角坐标或对数坐标显示，直角坐标和对数坐标显示的傅里叶频谱结果分别如图4所示，由图可以直观地看到基波分量与各次谐波分量的幅度值在频谱上的分布，对数显示的结果则可以看到频谱分布的更多细节。从结果看，基波分量的振幅及相位最大，其他的各次谐波越来越小，所以放大电路对基波信号的放大作用是主要的。也可点选View/Output File菜单命令查看电路系统设计参数、瞬态分析及傅里叶分析的文字结果，可以从文字结果中详细看到基波分量、第2至第9次谐波分量的幅度值、相位值及归一化的幅值、相位值及总的谐波失真系数等关键仿真参数。
2.PCB板设计实践
在利用Cadence SPB开发平台进行印刷电路板设计的实践教学中，以培养学生电子线路板设计能力为核心，基于印刷电路板制作的工作过程构建整个教学过程，将项目案例作为载体引入印刷电路板设计的实践教学过程中，通过接近真实产品的开发过程，给学生一个实际演练的机会，使学生加深前期学习过的相关理论知识的理解，掌握印刷电路板设计的基本流程，通过结合同一时期所开设的单片机实验实践教学内容，使学生更深入地了解做单片机实验时实验箱各器件的工作原理，通过这种“教学做一体化”教学模式，让学生清楚自己在进入未来的工作岗位前，需要掌握一些什么开发工具，并且通过项目教学实例，使学生明白自己到达工作岗位后，到底可以做些什么。 单片机最小系统是一个典型的实践教学项目，通过这个项目的学习与制作，可使学生更深入地理解单片机系统硬件原理，为课程设计及后续的毕业设计打下良好的系统分析与电路板设计制作基础，并可通过整个设计过程，带领学生将最小板制作焊接出来，使学生经历由原理图到设计制作PCB的全部生产过程。学生通过该项目的实施，学到接近真实产品的生产过程训练。
单片机最小系统原理如图5所示，系统由单片机芯片、晶振、电源、流水灯指示及扩展接口插座组成，使用Cadence SPB开发平台的Design Entry CIS软件包中的Capture工具设计原理图，设计过程有些元件的外形及对应封装系统库中不存在，因此必须自己添加这些元件的原理图库或封装库。在原理图画好且封装库设置好后，可以生成网络表（Net List）；接下来使用PCB Editor软件包中的Allegro PCB Design工具建立电路板（以及元件的封装信息，构成该设计工程的封装库），在设置好格点大小、板子层数、最小线宽、最小线间距、焊盘最小间距及板子的尺寸后，即可导入由原理图生成的网络表，但要注意在导入网络表前必须指定元件的PCB封装库路径。成功导入网络表后，可以进行布局操作，根据原理图在PCB中合理摆放元件，元件布局完成后，即可利用Allegro强大的布线功能进行布线操作，布线完成后，即得到如图6所示的PCB设计电路图。在最后输出提供给PCB生产商的Gerber文件之前，还必须给电路做一些必要的检测工作，检查元件封装、有无未连接的网络等，为了避免干扰，可以给PCB铺铜，对于复杂、高速电路，可以进行信号完整性等分析。在这些工作完成后，即可输出将走线层、阻焊层、丝印层、钻孔文件等底片文件，最后将输出的Gerber文件提供给PCB制板商。至此，利用Cadence SPB开发平台设计PCB板的实践教学过程顺利结束，接下来就是等待PCB电路板制作出来后，进行元器件焊接及调试硬件系统的实践过程。
本文通过Pspice仿真与PCB设计的教学实例研究Cadence SPB开发平台在EDA技术课程实践教学中的应用，Cadence SPB开发平台提供综合原理图设计、电路原理仿真与PCB设计等应用型本科大学生要掌握的EDA技术的一个实践教学平台，基于该实践教学平台，采用理实一体化的教学模式，可帮助学生快速掌握业界最先进EDA设计工具的使用，使学生系统掌握接近业界生产实际的知识和技能，并使学生对在校期间学到的不同学科的电子设计知识做到融会贯通，提升学生的自主创新意识和工程实践能力。
参考文献：
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[10]徐蕾.基于Cadence的国产电路瞬态仿真建模研究[J].北京：系统仿真学报，2013，25（12）：2979-2985.