摘" 要：电子线路CAD是电子信息类专业中一门实践性要求很高的专业课程，在培养学生的工程实践与创新能力方面发挥了关键作用。基于以成果为导向的OBE教学理念，引入我国自主知识产权、简单易用的立创EDA软件，为课程的实践教学环节提供有力支持。通过这一软件，学生得以完成从电路仿真到元件选型，再到原理图和PCB绘制，以及最终PCB打样的完整流程。立创EDA软件还在学科竞赛、课程设计以及毕业设计等环节获得了较好的应用，帮助学生更深层次理解电子产品的设计和制造流程，为学生将来的职业发展奠定了坚实的基础。
关键词：电子线路CAD；实践课程；PCB；立创EDA
中图分类号：TP39；G434" 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）09-0163-05
The Application of EasyEDA in Practical Teaching of Electronic Information Courses in Universities
CHENG Liangliang， JIN Qingxue， JIANG Shengli， ZHAO Xiaohu， YANG Jing
（School of Electronic Information and Integrated Circuits， Hefei Normal University， Hefei" 230601， China）
Abstract： Electronic Circuit CAD is a highly practical course within the electronic information field， playing a pivotal role in nurturing students engineering practice and innovation capabilities. Based on the results oriented OBE teaching concept， the introduction of Chinas independent intellectual property rights and easy-to-use EasyEDA software provides strong support for the practical teaching process of the course. Through this software， students are able to complete the entire process， from circuit simulation to component selection， schematic and PCB drawing， and ultimately PCB sampling. EasyEDA software has also found successful application in academic competitions， course projects， and graduation designs， assisting students in gaining a deeper understanding of the design and manufacturing processes of electronic products and laying a solid foundation for their future career development.
Keywords： electronic circuit CAD; practical course; PCB; EasyEDA
0" 引" 言
随着工业互联网的发展，全球已进入智能化时代。为了更好地利用信息化技术促进工业生产，德国提出了“工业4.0”，美国提出了先进制造伙伴（Advanced Manufacturing Partnership， AMP）计划，而我国作为传统制造大国，则提出了“中国制造2025”[1]战略规
划，旨在从制造大国向制造强国转变。这对电子信息类工科专业来说，既是挑战，也是机遇，我校作为应用型本科高校，要求电子信息类专业学生应具备电子电路的仿真、设计及制作能力。
电子设计自动化（Electronic Design Automation， EDA）是指通过采用计算机等先进工具辅助完成电子产品的设计和制造，目前的EDA软件在电子电路仿真、电子线路设计、芯片设计及验证等多个领域得到广泛的应用[2-5]。以印刷线路板（Printed Circuit Board ，
PCB）设计为例，市场主流的EDA软件有Altium Designer（由早期的版本Protel 99SE发展而来）、PADS（Power PCB发展而来）、Cadence Allegro和立创EDA等。其中，立创EDA为我国自主设计的软件，近年来发展迅猛，它分为标准版和专业版两种，前者面向学生群体，具有仿真功能，后者面向工程师，可完成相对复杂的电路板设计，软件支持客户端和浏览器两种访问方式。由于集成了大量元件符号库及PCB封装库，使学生、工程师可将重心放在电路的设计及优化上，避开了耗费时间的原理图和封装库的设计环节，提升了设计效率。软件集成“一键PCB/SMT下单”及“一键元件下单”功能，可完成印刷电路板装配（Printed Circuit Board Assembly， PCBA）的一整套流程。值得一提的是，该软件终身免费，不存在版权问题。
1" 电子线路CAD课程简介及目前遇到的问题
电子线路CAD [6]是面向电子信息工程、通信工程、微电子科学与技术等电子信息类专业学生开设的专业课程，受众较广。该课程一般在大二下学期开设，它的先修课程是电路分析基础、模拟电子技术和数字电子技术等；后修课程是EDA技术和VHDL，该课程主要教授学生利用计算机辅助设计（Computer-Aided Design， CAD）完成电子电路及PCB的设计，它包含理论和实践教学。PCB通过在电路板上印刷导电（通常是铜）图案，从而连接电阻、电容、电感及集成电路芯片等电子元器件或模块，具有连通内部信号的作用。在PCB发明之前，元器件之间由人工通过导线连接，使得复杂高精密电路的制作很难实现。
电子线路CAD是实践性要求较高的专业课程，通过完成PCB制板、并将设计图与实物进行对照可帮助学生进一步理解PCB。例如，学生能够认识到：用于展示图案或文字的丝印层颜色默认是黄色，而在实物上一般为白色显示；不同颜色的PCB其实对应的是阻焊层，在生产时通过加入不同颜色的阻焊剂，可制作红色、紫色、黑色、黄色和绿色的电路板。此外，PCB厂家对过孔直径、线宽都有最小尺寸要求。因此学生若能制作出自己的一块PCB，则对印制线路板有了更深刻的认识，也增长了对这门课的兴趣。更重要的是，学生通过将PCB实物和设计图进行对比，能够更直观发现设计不合理的地方，在下次设计时进行避免，如板子的尺寸过大、元件与电路板边缘距离过小，丝印层与元件轮廓重叠等。通过完成PCB设计和制板等流程，学生的能力能够得到进一步的提升，为后续的电子信息类学科竞赛、专业课程设计以及毕业设计打下了牢固的基础。在前期教学过程中，课程组老师将实物制作纳入考核方式中，引导学生完成PCB制板。比如，完成PCB的设计并制板的学生，经过老师评估后进行加分，取得了一定的成效，但总体而言参与率依然较低，图1为学生设计并制板的PCB实物。
PCB可用于学科竞赛、专业课程设计和毕业设计的硬件电路设计环节。相关学科竞赛主要有全国/安徽省电子设计竞赛、全国大学生智能车竞赛、安徽省物联网设计竞赛、安徽省百所高校百万大学生科普创意创新大赛等，这些竞赛可以将理论与实践有效结合，而PCB作为电子元器件的承载平台，其稳定性、设计的合理性影响作品的成功率。在专业课程设计课程中，学生大都基于单片机进行选题，也有部分学生运用所学的可编程逻辑器件（Programmable Logic Device， PLD）进行开发，但很多同学以电路仿真为主。而在涉及硬件电路的毕业设计选题中，不少同学基于“万能”的洞洞板进行焊接和调试。
综上所述，在实际教学过程中，仅有少数学生完成了PCB的制板，多数学生最终未完成PCB的制板，对电子线路板的结构仍然缺乏直观的感知，导致学习兴趣和积极性下降。学生在后续专业课程设计等实践类课程和毕业设计环节，经常涉及硬件相关的课题，由于没有利用所学的EDA软件完成PCB的实际制作，仅通过洞洞板进行连线，完成焊接和调试，导致设计效率较低，且实践环节中所完成的实物缺乏可靠性和美观性，而且使用洞洞板对QFP等封装的元器件，由于引脚间距较小而束手无策。
2" 立创EDA软件帮助提高PCB设计效率
一般来说，PCB的设计流程包括电路设计、电路仿真、原理图绘制、PCB绘制等，如图2所示，电路仿真可帮助优化电路结构和元器件参数，3D视图可对PCB的布局、布线结果进行优化。课程组老师在电子线路CAD授课过程中，发现学生一开始的积极性较高，但随着项目的推进，学生的兴趣下降，进而导致仅有少数学生在学期末完成了PCB制板，大部分学生未完成PCB实物制作，可能的原因是元件库缺少、下单流程的不熟悉等，因此，将立创EDA引入课程教学、学科竞赛等环节，降低学生的学习难度，提升硬件电路设计效率。
2.1" 集成仿真功能
完成电路设计后，对其进行仿真可验证电路的功能是否正常，同时仿真可帮助工程师/学生优化电路参数。立创EDA标准版集成电路仿真功能[7]，仿真程序基于功能强大的LTspice，主要用于模拟和数字电路仿真，包括静态工作点分析、DC扫描分析、小信号频域分析等。学生在绘制基本功能电路前，将软件切换到仿真界面，选取仿真库中的元件并进行连接，增加仿真需要的信号源和示波器后，可直观看到各节点波形，因此可通过此方式查看设计是否正确，如图3所示。
2.2" 原理图和PCB绘制高效
立创EDA集成了超过100万的元件库，包括元件符号和对应的封装库，一同呈现的还有芯片实物图和参考报价，这些信息可帮助学生进行芯片选型和封装选择。如图4所示，在元件库中检索UA741运算放大器，输出列表包含SOIC-8、DIP-14以及PLCC-20等多个封装的芯片，可见不同型号芯片的尺寸和管脚定义均有差异。由于软件集成大量的元件库，使得学生在项目设计过程中可将主要精力集中在电路设计以及元器件的布局布线上，以最快时间完成电路板的制作，而无须过多占用宝贵的时间完成元件库的制作。立创EDA同时具备元件库的制作功能，当系统库找不到元件时，学生可自行完成库的制作。
学生在完成原理图设计后，通过菜单“设计—原理图转PCB”可将元器件及网表文件同步导入到PCB，在PCB编辑界面进行元件布局和布线。在此过程中可随时切换到3D视图，丰富的3D元件模型可帮助设计者提前预览电路板的样貌。如图5所示，左图为软件绘制的原理图，右上图为相应的PCB图，右下图为软件生成的3D图，可见集成的元件模型使得设计者对整个电路的空间尺寸有了感性认识，所有元件均为软件本身提供，例如元件RF1和RF2为SMA接口，相应的封装为HJ-SMA405。
学生在立创EDA软件中完成电路图和电路板的设计并检查后，可通过菜单“制造—一键PCB/SMT下单”进入下单界面，如图6所示。通过选择制板参数（如板厚、阻焊层颜色、板层等），即可成功将设计文件提交到嘉立创PCB制作工厂。如在默认情况下，板材类型选择常用的FR4，板子尺寸由系统自动计算，板层厚度为1.6 mm，阻焊层颜色为绿色，这些参数可根据项目需要进行修改。在软件界面的“制造”菜单下，也可点击“一键元件下单”即可进入元件采购页面，批量报价的方式节省了时间，也方便评估物料清单（Bill of Material， BOM）成本。
2.3" 作业管理方便
目前，主流的学习通、雨课堂等平台都不支持PCB文件的线上打开等功能，立创EDA教育版支持团队创建、作业布置、作业批改等功能。在MOOC教学过程中，高校教师较多使用雨课堂和学习通等软件进行作业布置及批改，试卷的发布及批改等。然而，学生以附件形式提交的PCB设计文件需要教师下载后依次打开，批改效率较低。立创EDA教育版[8]支持教师创建团队，从而对班级学生进行管理，通过“新建文件夹”的形式布置作业，学生在线提交作业后，老师可直接打开设计文件，并对不规范的地方进行标注，有效提高了教学效率。
2.4" 参考项目丰富
为了促进学生、工程师的交流和学习，软件厂商还开发了开源硬件社区（访问网址：www.oshwhub.com）网站。该平台提供了大量参考例程，涵盖了线性/开关电源、信号处理、嵌入式系统、可编程逻辑器件等多个模块，为正在进行EDA软件学习的学生提供了大量参考资料。项目采用标准版或专业版立创EDA绘制，可在线打开或下载，这为学生学习相关电子知识提供了大量项目案例。很多开源硬件为优秀的工程师或在校学生上传，学生设计的优秀作品也可通过该社区分享，提升学生的学习积极性和乐趣。
3" 实践教学案例
通过前期的教学实践，学生基本掌握了立创EDA的操作技巧。教学实践中发现，学生能够在较短时间内掌握该软件的电路设计技巧，完成PCB的设计及打样。因此，越来越多的学生使用该软件完成专业课程设计、学科竞赛或毕业设计过程中电路板的制作任务。例如，指导的学生自行完成了基于ESP8266 [9，10]的物联网项目PCB的设计和制作，参加了第十三届安徽省百所高校百万大学生科普创新创意大赛校内选拔赛中，并入围了省赛。图7是参赛学生使用该软件设计的PCB及制作的实物，左图为学生设计的PCB图2D和3D图，右图为打样后的PCB。通过对比发现，丝印层上的元件序号尺寸过小，PCB的定位孔尺寸过大，这为下一次PCB的设计提供了借鉴。
4" 结" 论
在电子线路设计环节，EDA软件能够提升硬件电路的设计和制作效率，具有不可替代的重要作用，目前已成为电子信息类专业学生必须掌握的技术。国外EDA软件经过很多年的发展，功能非常强大，在复杂电路板绘制方面具有优势，但学习门槛相对较高，且存在版权问题。通过华为和中兴事件，我们认识到提高国产EDA软件的使用率，对提升我国的电子信息产业的发展具有重要战略作用。作为国产EDA软件，立创EDA操作简单、功能丰富，而且该软件集成大量元件库（包括元件符号、封装及3D模型），学生可在有限的学时内完成原理图和PCB的绘制，通过软件集成的PCB下单功能，学生可直接将PCB设计文件发送到工厂进行生产，节省了宝贵的时间。综上所述，针对电子线路CAD、专业课程设计等专业实践课程，采用立创EDA软件进行教学可有效缓解目前遇到的问题，同时在一定程度上也能促进国产EDA软件的发展。
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作者简介：程亮亮（1987—），男，汉族，安徽池州人，讲师，博士，研究方向：信号与信息处理。
