1 引言

在国家推行“无纸绘图”的环境下，掌握电子 CAD 技术，既是学生胜任现代电子设计工作的必备条件，也是满足社会对复合型人才需求的必然要求^[1]。该课程顺势成为物联网专业的重要实践课程，教学目的在于培养学生运用电子CAD工具完成电子产品设计的全流程工作，包括电路仿真验证、原理图设计与元件库创建、封装库制作、PCB设计与制作、设计文档输出等；提升学生的工程素养，培养其分析和解决实际问题的能力；通过项目式教学激发学生的创新思维，提高学生的学习兴趣，为其后续课程学习、学科竞赛及职业发展奠定坚实的基础。

值得注意的是，该课程综合性突出，与模拟电子技术、数字电子技术、单片机原理及应用等课程联系紧密^[1]。同时，电子CAD工具具有多样性特点，在教学中应优化电子CAD课程与专业课程的衔接策略。基于此，本文分析高校主要使用的计算机辅助设计工具，着重探讨电子CAD与相关课程的协同发展，助力学生深化知识理解与掌握，培养学生的综合实践能力，为课程改革提供参考。

2 电子CAD工具的分析

2.1 Altium Designer

Altium公司的前身是Protel公司，于2006年推出了Protel系列的高端版本—Altium Designer 6系列，并自该系列的6.9版本以后以年份命名^[2]。截至目前，已经推出Altium Designer 25版本。凭借进入国内时间早的优势，Protel曾是众多电子工程师的入门软件，也被大量高校用于教学。随着Protel停止维护，其升级版本Altium Designer延续了Protel易上手的特点，且网络学习资源丰富，适合初学者掌握基础电子设计工作，逐渐成为高校教学的新选择。

Altium Designer实现了电子产品一体化开发所需技术的高度集成，在单一设计环境中整合板级和FPGA系统设计、嵌入式软件开发、PCB版图设计制造及现代设计数据管理功能^[2]。其采用集成库模式，将原理图符号、PCB封装、仿真模型、信号完整性分析、3D等模型数据及其关联关系整合，减少设计流程中器件关联操作，便于统一管理，提高设计效率；具备快速生成多管脚原理图符号、符合IPC标准的封装生成工具，自带基础分类库、制造商专用库、特殊分类库，显著提升设计效率与规范性；支持层次化、多通道设计，方便复杂项目管理与设计复用；“智能粘贴”“跨应用资源交互”等功能优化设计流程；搭载的Situs拓扑逻辑布线器结合先进算法，在高速、高密度板布线及信号完整性仿真方面表现出色，并支持多人协同设计，满足团队协作需求。

然而，Altium Designer软件也存在明显局限性。随着功能的强大和操作的人性化，软件的体积变得庞大、占用内存较高，运行效率受影响；作为国外商业软件，虽然其有免费试用期，但其授权价格较高，对教育机构和个人用户存在一定经济门槛。

2.2 Proteus

Proteus是由英国Lab Center Electronics公司开发的一款功能强大的电子CAD工具软件^[3]，被广泛应用于电子产品的开发和设计过程。其以电路仿真为核心竞争力，具有丰富的元件库和强大的仿真引擎,同时整合原理图设计与PCB布局功能，为电子设计与教学提供一站式解决方案，涵盖了从电路设计到产品落地的完整流程，支持模拟电路、数字电路、混合信号电路及51、STM32、AVR、MSP430系列等的单片机与外围电路的设计和协同仿真，能够将Keil工具生成的HEX文件导入到单片机中进行仿真，在原理图中模拟实物运行状态与过程，仿真效果贴近真实。达到不借助开发板就能实现软硬件的协同验证，给单片机等课程的学习带来了良好的体验。软件本身还集成了各种常用的仪器，如电压表、电流表、信号发生器、逻辑分析仪等，可以满足信号分析的基本需求^[4]。

2.3 Multisim

Multisim是由美国NI公司推出的一款基于Windows平台的电子电路仿真与设计工具，元件库丰富，几乎包括了模数电课程中需要的所有元器件，学生可直接从元件库内调用相应的元件完成电路设计，通过调试后即可实时观察实验现象与结果，并且可根据自己的需求修改元件的参数，有助于学生理解元器件的使用功能及使用方法^[5]-[6]。软件界面设置清晰，操作简易方便，采用直观的图形化界面，将元件库、电路编辑区和虚拟仪器面板合理布局，学生容易上手。还提供了多种虚拟仪器，包括万用表、函数发生器、示波器、逻辑分析仪等，能够满足各种测量需求，在仿真功能方面，支持多种分析模式，如直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析等，可以帮助用户深入理解电路的工作原理和性能特点^[7]。仿真引擎基于SPICE算法，结果较为准确可靠，能够真实反映实际电路的运行情况。

2.4 嘉立创EDA

嘉立创EDA是嘉立创科技集团旗下子公司于2010年开始研发的国产板级EDA设计软件，打破了国外技术垄断，将电路设计、仿真、PCB绘制和团队协作集成于一体，为国内电子工程师提供了全新的设计工具选择^[8]。软件采用云端架构，基于浏览器运行，本体仅200MB左右，安装简便无需破解。其服务器部署在国内，访问速度快，支持AD文件导入导出，兼容性强。与国外主流工具相比，全中文界面降低了使用门槛；“工程+原理图”一体化设计简化了文件管理；“符号+封装+3D模型”三图一体的元件展示提升了设计效率^[9]。嘉立创EDA深度整合了立创商城资源，支持实时查看元件库存和价格。开创了“拼单智造”模式，将EDA软件与PCB制造服务无缝衔接。工程师可在线完成从设计到打样的全流程，最快12小时即可出货^[10]。

计算机辅助设计软件在电子行业内非常重要，没有了该软件，无法完成电路原理图和PCB的设计，更不能生成PCB打样用的Gerber文件。目前我国的主流软件大多还是以国外的为主。而嘉立创的出现，紧跟国产化软硬件的替代潮流，免去国外PCB工具版权困扰，降低了学习成本，优化了设计流程，打通了产业闭环。

3 教学实践

3.1模拟电子技术

模拟电子技术是物联网工程的专业必修课，旨在通过讲授半导体器件、放大电路、集成运放、反馈电路、信号运算与处理等内容，培养学生掌握模拟电子技术的基本理论、方法和技能，使其具备分析与设计模拟电子电路的能力，为后续课程奠定理论与实践基础。该课程采用“理论课+实验课”模式进行教学，传统实验课多以实验箱完成验证性实验，主要锻炼学生的模仿能力，限制了其主观能动性。目前，许多高校已转向“仿真+电路制作”的实验模式：学生首先利用电子CAD工具进行电路设计与仿真，通过调整元器件或参数使仿真结果符合要求，再搭建实际电路完成最终验证。尽管仿真与实际电路可能因元器件标称值与实测值偏差、外界干扰或电源精度等因素存在差异，需局部调整参数，但相比如图1所示的传统面包板实验易出现接口松动、接触不良等问题，这种方法显著降低了实验门槛，避免出现因操作繁琐导致的学生信心受挫现象。此外，传统面包板实验受限于场地、元器件数量及种类，且无法体现实际电子产品开发流程（如大规模生产要求），而仿真与电路制作结合的模式不仅提升了实验灵活性，也更贴合工程实践需求。

Figure 1.

图1 两级放大电路的面包板搭建电路

为了提高学生的学习积极性，提升电路设计效率，并方便元器件和参数的调整与验证，本课程引入了电子CAD工具。图2展示了Multisim的仿真电路图，该软件集成了多种仿真工具，可帮助学生直观分析电路性能，例如观察输入/输出波形变化、使用万用表测量关键参数等。这种方式减少了繁琐的电路搭建过程，使学生能更专注于电路原理的理解和实践应用。当仿真结果达到实验要求后，再在面包板上进行电路搭建验证，但是若想使电路稳定运行，抗干扰、抗机械损伤能力提升，建议引入PCB设计（可选择Altium Designer或者嘉立创软件），并完成元器件焊接（如图6所示），使其更贴近实际工程应用。可见电子CAD工具对模拟电子技术的学习具有显著促进作用。

Figure 2.

图2两级放大电路的Multisim仿真

3.2数字电子技术

数字电子技术是物联网工程的一门专业必修课，主要讲授数字逻辑基础、逻辑代数、组合逻辑电路、时序逻辑电路等知识，使学生系统地掌握数字电路的基础知识和相关基本技能；通过查阅集成电路手册，正确选用所需的数字集成芯片；学会数字系统的分析和设计方法、系统调试及故障排除，为后续专业课学习打下基础。但其内容比较抽象,逻辑性较强,且涉及大量的集成电路模块,具有较强的专业性。因此开设了实验课程,帮助学生理解数字电路各个模块的工作原理，具备灵活运用“数字电路”模块设计的能力^[11]。

传统数电实验和传统模电实验一样，也是使用实验箱验证的方式，为了提高学生的学习兴趣，培养学生的创新思维，引入电子 CAD工具。如图3，在教材上的例题“用两片8线-3线编码器CD4532组成16线-4线优先编码器”的基础上增加0-15进制的开关输入，集成译码器、数码管和字发生器，实现开关输入数字的自动循环显示。并且利用Multisim中的逻辑转换器可以实现真值表、原理图、表达式之间的相互转化，该功能不仅可以帮助学生快速验证其对三者的转换是否正确，而且提高了电路设计效率，但是此功能需要教师正确引导学生使用，避免学生过度依赖工具而弱化手工逻辑推导能力。

Figure 3.

图3 Multisim在数电中的仿真案例

除了Multisim软件，Proteus软件同样支持模拟与数字电路的仿真功能，图4为学生设计的交通灯电路及仿真。虽然Proteus还具备PCB的设计和绘制功能，但学生最终选择使用嘉立创EDA来完成，原因主要在于可直接通过立创商城完成元器件的选购，采购比较便利；嘉立创经常推出优惠卷促销方式，制板价格比较实惠；支持一站式完成元器件的采购与PCB制板流程，省时省力。图5和图6为学生使用嘉立创EDA实现PCB的设计与实物制作。

Figure 4.

图4 交通灯电路及仿真

Figure 5.

图5 交通灯电路的PCB绘制

Figure 6.

图6 交通灯电路的实物图

3.3单片机原理及应用

单片机原理及应用课程主要讲解单片机的原理及应用，内容涵盖单片机片内硬件结构、各功能部件的工作原理及应用、扩展接口及外围电路的设计等。图7为学生进行的智能井盖监测系统设计，该系统通过Proteus软件进行仿真，将Keil编写的HEX文件导入到STM32单片机中实现该系统的软硬件联合仿真验证。体现了电子CAD工具在该课程学习中的有效应用。与课程教材通常仅针对一款主要的单片机（如51或者STM32）不同，该软件内部元件库资源丰富，允许学生根据项目需求灵活选择单片机类型。同时软硬件的结合能够方便学生排查软件和硬件问题。待验证无误后，可通过专门的 PCB 绘图软件完成电路板的绘制与制作，最终形成实物。

Figure 7.

图7 智能井盖监测系统设计

3.4项目式驱动教学

大学生电子设计大赛、蓝桥杯等学科竞赛的硬件设计离不开电子CAD工具支持，但这类竞赛多面向学优生或电子设计爱好者，难以覆盖大多数学生。当前不少教师在课内推行的项目式教学，也常局限于本课程的硬件设计。对此，本文提出结合社会资源，鼓励学生参与课外实践，利用课外学习资源提升实践能力，避免与社会脱节。例如，鼓励学生参加嘉立创公司开设的实训营，直观体验从电路设计、器件选择、PCB 绘制、元器件购买及焊接到测试、调试的完整电子设计流程。以2025年的机器狗项目为例，该实训营不仅指导参与者完成电路软硬件设计，还支持在立创商城直接下单 3D 打印外壳，实现了软硬件结合加外壳设计的成品制作，班级学生参与后反响热烈，展示时表现出极高的积极性。

4 总结

从上面内容可以看出，在教授电子CAD课程时，教师不应该仅限在只教学生会使用一种工具，而应该结合学生的专业特点及后续课程安排，贯穿电子设计全流程，培养学生选择适配工具的能力。对于将电子CAD课程开设在模数电和单片机课程之前的专业，学生学习该门课程时虽然只会进行简单的电路设计与模仿绘制，但随着后续课程的推进，学生会逐步深化对电子CAD的理解与掌握，并能够借助适配的工具促进对后续课程的理解和实践。对于电子CAD课程开设在上述课程之后的专业，学生因为已经有相关电路或单片机知识基础，学习电子CAD课程会更加轻松。虽然看似学好该门课程需要掌握的计算机辅助设计工具比较多，但是大多数软件操作界面与流程具有共同性，学生学起来不是很难，教师只需要教授学生熟练掌握一种工具，让学生了解其他工具特点，引导学生能够选择适配工具即可。电子 CAD 作为电路板绘制、电路设计及 PCB 制作的基础课程，其扎实掌握需以模数电、单片机等课程体系为支撑，同时该课程也能助力学生深入理解和实践这些关联课程。

参考文献

[1]张涛.电子CAD课程的教学探讨[J].自动化与仪器仪表,2006(1):72-73.

[2]闫聪聪,杨玉龙.Altium Designer 16基础实例教程[M].人民有限出版社,2017.

[3]李菲,张晓荣.基于Proteus仿真软件的数字电子时钟设计与实现[J].电脑知识与技术,2023,19(34):41-44+51.

[4]候倍倍.基于Proteus的“数字电路”实验课程智慧教学探索[J].无线互联科技,2024,21(22):104-108.

[5]张辉,何春燕,王玮.Multisim在模拟电路和数字电路课程中的应用[J]电子制作,2021:17-19.

[6]赵年顺,李铮,周云艳,等.Multisim在电工类课程教学中的应用效果探究[J].电脑与信息技术,2023,31(06):33-35+78.

[7]张磊.基于虚拟仪器的便携式多功能综合电子实验平台的设计[J].科学技术创新,2020,(09):102-103.

[8]叶成彬.“嘉立创EDA”校企联合实验室建设研究[J].装备制造技术,2023,(10):126-129.

[9]尹小田,李静.嘉立创EDA在印制电路板设计与制作的优势和应用[J].现代信息科技,2025,9(01):183-187.

[10]郜小平.嘉立创拼单智造为工程师提供“热带雨林式”创新生态[N].南方日报,2024-11-29(T14).

[11]宋阳,贾惠芹,刘昕,等.基于工程能力的数字电路实验教学设计与实践[J].电子技术,2024(3):363-365.

作者简介：孟星（1990—），女，汉，云南昭阳区，硕士，助教，毕业于四川大学，就职于昭通学院，电气工程及其自动化）

基金项目：昭通学院一流本科课程项目；项目名称：数字电子技术；项目编号：Ztujk202557