电子线路板设计研究

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【摘要】随着智能制造的普及和发展，电子芯片的应用领域越来越多，不仅包括传统的计算机、航空航天等高精尖仪器，同时还包括汽车、塔吊等路桥设备。电子芯片最为重要的组件就是电子线路板（PCB），其影响电子芯片的运行准确度、使用寿命，因此快速、准确、可靠的设计电子线路板成为许多学者研究的热点，本文基于笔者多年的工作实践，详细地描述电子线路板设计方法，重点列举了AltiumDesigner、PROTEL、Allegro等设计软件的应用优势，展望了未来电子线路板设计的方法，为电子线路板设计提供强大的支撑。

【关键词】电子线路板；AltiumDesigner；PROTEL；Allegro

1.引言

电子线路板又被称为印制电路板（PrintedCircuitBoard,PCB），能够选择部署导电图形和连通孔，利用印刷法形成一个元器件连接导电图，可以实现各个信号在板层之间进行有效的传输。目前，经过多年的发展和改进，电子线路板已经成为电子设备、电子仪器、电子计算机中不可缺少重要组件。电子技术的迅速发展导致电子产品的集成度越来越高，承载的功能也越来越复杂，电子线路板的制造质量直接影响电子仪器设备的可靠性、稳定性。目前，电子线路板制造技术也从原来的单面板发展到了双面板、多层板、高密度互连板等，在促进电子产品想着微型化、轻量化、高可靠的趋势发展的同时，电子线路板设计越来越困难。因此，电子线路板设计成为众多硬件公司的研发热点，经过多年的研究，电子线路板从传统的人工设计模式已经发展到了自动化设计，诞生了许多的设计工具，比如Mentor、Zuken、Allegro、Protel等。Zuken属于高端的电子线路板设计工具，用户较少，市场普及的也少；Allegro是一种高端工具，在许多专业的公司中得到了广泛应用，适用于多媒体等芯片产品的研发，Protel是一个大众化的设计工具，能够设计简单的多层板，运行速度非常慢。因此，电子线路板设计时，不仅需要掌握以上设计工具，同时还要结合当前电子芯片的发展方向，引入机器学习、分布计算等技术，提高电子线路板的设计效率、准确度和可靠性。

2.新时期电子线路板设计方法

目前，电子线路板经过多年普及，已经具有高密度化、高可靠性、可设计性、可生产性、可维护性等特点，以便满足电子产品对PCB的各种要求，通过设计标准化、规范化、自动化可以高效率的设计PCB。目前，电子线路板（PCB）设计已经进入到了自动化、集成化、工具化时代，为了提高电子线路板的设计效率、准确度，许多公司研制了先进的设计工具，常见的工具包括AltiumDesigner、PROTEL和Allegro等[1]。PROTEL是Altium公司研发的一个电子线路板设计软件，也是应用最为广泛的工具之一，在许多的电子芯片设计公司应用。PROTEL运行于DOS系统，能够实现线路板自动布线，对运行环境的硬件要求很低，目前最为先进的PROTEL软件为DSP2004，能够运行于Windows95环境下，包含了电路原理图绘制、模数电路混合信仿真、多次印制电路板设计，能够生成电子表格，支持宏操作，具有客户机/服务器架构，同时还可以兼容Excel、OrCAD、PSPIC等软件，主要适用于单层板、多层板，但是运行速度也非常慢。PROTEL99SE是新一代的PCB设计工具，其拥有强大的、智能化的自动布线能力，大大提高了电路板印制效率，降低了设计人员的工作强度，操作简单方便，容易学习和掌握，普及程度也非常广泛[2]。AltiumDesigner是Altium公司推出的一体化电子产品开工工具，该工具主要部署于Windows操作系统，能够将原理图设计、电路仿真、拓扑逻辑自动布线、PCB绘制编辑、信号完整性分析、设计输出等技术完美的结合在一起，为设计者提供全新的设计解决方案，同时更加轻松的设计一个电子线路板。目前，AltiumDesigner已经成为电子行业知名度最高的工具之一，也是电子线路板设计师的得力工具，是电子芯片产品设计、实验、测试、定型过程中不可缺少的设计工具[3]。Allegro是Cadence公司研发的一个电子线路板设计布线工具，能够为设计师提供良好的交互接口，具有一个强大的、完善的功能，可以与前端产品Capture等结合在一起，为高速、高密度、多层次的PCB设计提供完美的布线方案。Allegro为用户提供了简洁明了的接口，能够设计电子线路板的规则数据，自动的摆放零部件，按照布线规则处理、检查数据，重复使用相同性质的电子线路板。PADS是一款由MentorGraphics公司研发的、设计PCB板的软件工具，其主要包括四个关键组成部分，分别是PADSLogic、PADSLayout和PADSRouter，能够实现CAM加工软件、机械设计软件和PCB设计之间的接口，为不同的PCB板设计提供了强大的数据转换和传输通道。目前，PADS经过多年的普及和使用，已经诞生了很多的版本，这些版本包括定义设计、版本配置、电路设计等功能，同时增加了类比模拟、信号整合功能，PADS还可以为PCB设计提供一个可以参考的数据资料库，能够让使用者安装产品，开始快速的设计和开发，不需要花费更多的时间浪费在资料查找上，提高了PCB设计的成效[4]。

3.未来电子线路板设计发展趋势

随着电子线路板的发展，其承载的功能越来越多，同时也会诞生很多的新型需求，呈现出新型特点，为了提高电子线路板设计的准确度，提高电子线路板设计师的工作效率，本文基于笔者的多年实践，针对电子线路板未来设计方法进行了展望，比如可以引入机器学习技术，提高设计工具的智能化程度。（1）引入互补对称设计理念由于电子线路板执行的操作多属于底层功能，因此很多的功能均相同，在设计电子线路板的时候仅仅位置不同，因此可以引入互补对称设计理念。传统电子线路板设计时，具有互不对称功能的电路元件都采用逐一绘制模式，绘制的时间非常长，元件需要按照顺序进行编号，不能够从元件上判断与谁互补。为了提高印制时间，引入互不对称理念，从功能层判断对称位置，实现信息加工和处理。（2）引入机器学习技术改进设计工具智能性目前，机器学习作为人工智能的一个重要技术，已经在多个领域得到广泛普及和使用，取得了显著的应用成效。电子线路板设计工具经过多年的运行积累了海量数据，为了提高设计效率、准确度，可以采用机器学习技术挖掘已有的设计数据，从这些数据中发掘潜在的有价值信息，进一步提高电子线路板设计效率。目前，常用的机器学习技术很多，比如BP神经网络算法、支持向量机算法、K均值算法等。BP神经网络可以模仿人的大脑神经系统，建立一个有规律的信息计算处理模式，引入深度学习规则，深度学习规则作为一个多层次的感知神经网络，利用强度值向量、矩阵向量等特征的数据进行深度学习，能够更加有效的实现特征识别和提取。支持向量机可以实现分类和回归分析，给定一组数据样本，建立训练学习模型，分配新的实例，将其划分为非概率的二元线性分类，支持向量机引入了自适应共振理论，进一步利用数据中隐含的有价值信息，根据这些信息进行挖掘和分类操作，从不同的角度进行分类，提高数据处理的准确度。

4.结束语

电子线路板作为电子产品元器件的重要支撑件，可以为电路元件、器件之间提供信号连接通道和载体，保证电子产品的准确、可靠运行。因此，利用AltiumDesigner、PROTEL和Allegro等工具可以快速、准确的设计电子线路板，能够保证电子设备的结构更加合理紧凑，提高电子产品的整机性能指标，降低设计师的劳动强度。同时，未来随着电子设计技术的改进和提升，电子线路板设计方法将会引入更加先进的理念和技术，比如机器学习、数据挖掘等，提高电子线路板设计的准确度。

参考文献

[1]刘光涛.AltiumDesigner在《电子线路CAD》课程教学中的应用[J].湖北成人教育学院学报,2017,23(1):75-77.

[2]熊丽萍,朱彩莲,杨润丰.基于《电子线路板设计与制作》教学的“数字钟”单面板设计--以ProtelDXP2004SP2为设计软件[J].电子世界,2014(21):199-200.

[3]朱郑喆,吴明赞,江蒙南,等.基于AllegroPCBSI的DSP最小系统板信号完整性仿真分析[J].科技创新导报,2015(24):70-71.

[4]唐赣.MentorGraphiCS宣布PADS创新平台又添压降分析和电子散热等新功能[J].中国集成电路,2016(6):6-7.

作者:陈彦霖 单位:广东文理职业学院