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计算机辅助设计师

计算机辅助设计
computer aided design

利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作 。简称cad。 在工程和产品设计中,计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较,以决定最优方案;各种设计信息,不论是数字的、文字的或图形的,都能存放在计算机的内存或外存里,并能快速地检索;设计人员通常用草图开始设计,将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成;由计算机自动产生的设计结果,可以快速作出图形显示出来,使设计人员及时对设计作出判断和修改;利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。cad 能够减轻设计人员的劳动,缩短设计周期和提高设计质量。
发展概况 20世纪50年代在美国诞生第一台计算机绘图系统,开始出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。60年代初期出现了cad 的曲面片技术,中期推出商品化的计算机绘图设备。70年代,完整的cad 系统开始形成,后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器 , 推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备,促进了cad技术的发展。80 年代,随着强有力的超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件的出现,工程工作站问世 ,cad技术在中小型企业逐步普及。80 年代中期以来,cad 技术向标准化、集成化、智能化方向发展。一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出,为cad 技术的推广、软件的移植和数据共享起了重要的促进作用;系统构造由过去的单一功能变成综合功能,出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统;固化技术、网络技术、多处理机和并行处理技术在cad中的应用,极大地提高了cad系统的性能;人工智能和专家系统技术引入cad,出现了智能cad技术,使cad 系统的问题求解能力大为增强,设计过程更趋自动化。现在,cad 已在电子和电气、科学研究、机械设计 、软件开发、机器人、服装业、出版业、工厂自动化、土木建筑、地质、计算机艺术等各个领域得到广泛应用。
系统组成 通常以具有图形功能的交互计算机系统为基础,主要设备有:计算机主机,图形显示终端,图形输入板,绘图仪,扫描仪,打印机,磁带机,以及各类软件。
工程工作站一般指具有超级小型机功能和三维图形处理能力的一种单用户交互式计算机系统。它有较强的计算能力,用规范的图形软件,有高分辨率的显示终端,可以联在资源共享的局域网上工作,已形成最流行的cad系统。
个人计算机(pc)系统价格低廉,操作方便,使用灵活。80年代以后,pc机性能不断翻新,硬件和软件发展迅猛,加之图形卡、高分辨率图形显示器的应用,以及pc机网络技术的发展,由pc机构成的cad 系统已大量涌现,而且呈上升趋势。

计算机所设计的二次曲面——球面

图形输入输出设备 除了计算机主机和一般的外围设备外,计算机辅助设计主要使用图形输入输出设备。交互图形系统对cad 尤为重要。图形输入设备的一般作用是把平面上点的坐标送入计算机。常见的输入设备有键盘、光笔、触摸屏、操纵杆、跟踪球、鼠标器、图形输入板和数字化仪。图形输出设备分为软拷贝和硬拷贝两大类。软拷贝设备指各种图形显示设备,是人机交互必不可少的;硬拷贝设备常用作图形显示的附属设备,它把屏幕上的图像复印出来,以便保存。常用的图形显示有三种:有向束显示、存储管显示和光栅扫描显示。有向束显示应用最早,为了使图像清晰,电子束必须不断重画图形,故又称刷新显示,它易于擦除和修改图形,适于作交互图形的手段。存储管显示保存图像而不必刷新,故能显示大量数据,且价格较低。光栅扫描系统能提供彩色图像,图像信息可存放在所谓帧缓冲存储器里,图像的分辨率较高。
cad软件 除计算机本身的软件如操作系统、编译程序外,cad主要使用交互式图形显示软件、cad应用软件和数据管理软件3类软件。
交互式图形显示软件用于图形显示的开窗、剪辑、观看,图形的变换、修改,以及相应的人机交互。cad 应用软件提供几何造型、特征计算、绘图等功能 , 以完成面向各专业领域的各种专门设计。构造应用软件的四个要素是:算法 、数据结构、用户界面和数据管理。数据管理软件用于存储 、检索和处理大量数据,包括文字和图形信息。为此,需要建立工程数据库系统。它同一般的数据库系统相比有如下特点:数据类型更加多样,设计过程中实体关系复杂,库中数值和数据结构经常发生变动,设计者的操作主要是一种实时性的交互处理。
基本技术 主要包括交互技术、图形变换技术、曲面造型和实体造型技术等。
在计算机辅助设计中,交互技术是必不可少的。交互式cad系统, 指用户在使用计算机系统进行设计时,人和机器可以及时地交换信息。采用交互式系统,人们可以边构思 、边打样、边修改,随时可从图形终端屏幕上看到每一步操作的显示结果,非常直观。
图形变换的主要功能是把用户坐标系和图形输出设备的坐标系联系起来;对图形作平移、旋转、缩放、透视变换 ;通过矩阵运算来实现图形变换。
计算机设计自动化 计算机自身的cad,旨在实现计算机自身设计和研制过程的自动化或半自动化。研究内容包括功能设计自动化和组装设计自动化,涉及计算机硬件描述语言、系统级模拟、自动逻辑综合、逻辑模拟、微程序设计自动化、自动逻辑划分、自动布局布线,以及相应的交互图形系统和工程数据库系统。集成电路 cad有时也列入计算机设计自动化的范围。

一. 使用教材:主教材【计算机辅助设计 (讲义)      信息学院通信电子工程系 2004年 】
         辅助教材【Protel  DXP      唐清善等     中国水利水出版社  2004年  】
         参考教材【计算机辅助设计技术基础教程   唐 龙等  清华大学出版社2002年】


二.课程简介

计算机辅助设计是计算机最早,最重要的应用之一,也是计算机科学和技术发展的主要动力之一。目前计算机辅助设计已成为现代各行各业不可缺少的技术基础和可持续发展的必要手段,并已创造出极其巨大的社会财富。本课程主要介绍计算机辅助设计技术的基础知识,重点是电路的计算机辅助分析与设计的基本原理和基本算法,交互与接口技术等,电路实用软件的应用。本课程内容是计算机技术应用基础,应受到电子信息类学生的重视。
. 选课建议
  适合电子信息工程专业三,四年级学生
 
四.课程任务和教学目标
本课程是电子信息工程专业学生的一门选修课程,它是一门计算机技术基础课。它涉及电路知识、算法与程序设计。通过对电路的计算机辅助分析与设计问题的深入讨论,应使学生了解和掌握电路的计算机辅助分析与设计的基本原理和基本算法,交互与接口技术等,掌握具有代表性的电子电路CAD软件的使用方法;举一反三,使学生了解计算机辅助分析与设计技术解决问题的一般方法与步骤。
 
五.课程基本内容及要求
 
第一章 绪论    (2学时)
     1.1  CAD技术的发展和应用
1.2  电子电路CAD技术
1.3  网络拓扑的基础知识
本章重点:了解电子电路CAD技术的特点,学习和掌握网络拓扑的基础知识。
 
    第二章 线性电路分析技术  (6学时)
      2.1 概述
2.2 器件模型与复合支路
2.3 节点分析法
2.4 改进节点分析法
2.5 线性电路稳态分析程序
2.6 *稀疏表格法
2.7 瞬态电路伴随模型法
 本章重点:掌握电路CAD的改进节点分析法,伴随模型分析法;掌握电路的计算机分析
方法的要点与步骤。上机实验(课内4学时
 
    第三章  非线性电路分析    (2学时)
      3.1 非线性电路的直流分析
      3.2 非线性电路的伴随模型法  
 本章重点:了解与掌握非线性电路分析的基本方法,掌握非线性电路的伴随模型分析法。
 
第四章  灵敏度与容差分析   (4学时)
      4.1 概述
      4.2 增量网络法法
4.3 伴随网络法
4.4 容差分析
本章重点:介绍电路的灵敏度定义与容差分析,掌握伴随网络法计算电路的灵敏度与容差。
 
第五章 电子电路的最优化设计  (4学时)
      5.1 概述 
      5.2 最优化基本算法
      5.3 电路的最优化设计
本章重点:了介和掌握最优化技术基本原理和基本方法,及最优化技术在电子电路设计
中的应用。
       
第六章图形生成与交互技术  (4学时)
      6.1 概述
      6.2 图形变换
6.3 二维图形生成技术
6. 4 交互技术与用户接口
本章重点:了介和掌握电子电路CAD中涉及的图形的几何变换,二维图形生成技术和交互
技术等。
 
第七章  电路工具软件使用(上机实验)  (4学时)
本章重点: 学习ProteL工具软件的使用方法。掌握原理图的设计,PCB设计,相关报表
           生成及电路仿真等。
 
 
机  动            (2学时)
 
课程基本要求:通过学习掌握电路的计算机辅助分析与设计方法的要点与步骤;掌握线性电路分析中节点分析法,改进节点分析法,伴随模型法等方法;了解与初步掌握非线性电路分析中伴随模型法等基本方法;理解与掌握灵敏度与容差分析的概念,分析与计算方法;初步掌握最优化技术基本原理和基本方法, 及最优化技术在电子电路设计中的应用;了解和掌握图形几何变换,二维图形生成技术和交互技术等;掌握PROTEL软件的使用方法。
 
 
 
 
六.课内实验名称及基本要求
实验名称:
1  线形直流电路分析程序设计     (4学时)
2         电路工具软件Protel的应用     (4学时)
 
  
 
基本要求:
   1    掌握线性直流电路改进节点分析法,应用自己熟悉的某种程序设计语言,
独立完成线性直流电路分析程序的设计。
2          学会使用PROTEL软件绘制电路原理图, PCB设计及电路仿真分析。
3          课程内用于上机实验的课时较少,需要学生课外安排一定量的时间实践。


 


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