電子CAD與電子制作
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1、什么是電子CAD 電子CAD與電子制作 學(xué)院: 專(zhuān)業(yè): 學(xué)號(hào): 學(xué)生姓名: —;什么是電子CAD 隨著電子技術(shù)的發(fā)展和新型元器件、集成電路的廣泛應(yīng)用,電路的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜, 對(duì)電路的要求也越來(lái)越精密,電子線(xiàn)路CAD在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。 1 .發(fā)展概述 (Computer Aided Design,簡(jiǎn)稱(chēng)CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))是計(jì)算機(jī)在工程技術(shù)上的一項(xiàng)重 要應(yīng)用,最近全國(guó)CAD應(yīng)用工程協(xié)調(diào)小組在《中國(guó)計(jì)算機(jī)報(bào)》上撰文強(qiáng)調(diào)應(yīng)發(fā)揮政府宏觀(guān) 調(diào)控作用推動(dòng)我國(guó)CAD產(chǎn)業(yè)發(fā)展.文中指出政府和行業(yè)應(yīng)采取促進(jìn)和鼓勵(lì)企事業(yè)單位推廣應(yīng) 用CAD技術(shù),CAD技術(shù)在企事業(yè)單位的應(yīng)用,應(yīng)作為單
2、位領(lǐng)導(dǎo)任職目標(biāo),政績(jī)考核基本內(nèi)容 之一而電路CAI〕是CAD技術(shù)中發(fā)展較早和比較成熟的一個(gè)方面,國(guó)外一些技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家 電路CAD應(yīng)用技術(shù)已相當(dāng)成熟和普及,國(guó)內(nèi)電路(汰D技術(shù)的應(yīng)用方興未艾,在科研工程及 高校教學(xué)領(lǐng)域中正在普及.在相關(guān)行業(yè)使工程技術(shù)人員迅速掌握電路CAD應(yīng)用技術(shù)是提高我 國(guó)電子產(chǎn)品及工程設(shè)計(jì)質(zhì)量,使之具有國(guó)際先進(jìn)水平的一項(xiàng)重要手段.在電子電路CAD領(lǐng)域 中,電路仿真即電路的計(jì)算機(jī)輔助分析(Computer Aided Analysis簡(jiǎn)稱(chēng)CAA),是電路CAD 的核心部分,尤其是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的分析與設(shè)計(jì)都離不開(kāi)電路CAA與CAD程 序的應(yīng)用.現(xiàn)在CAA與CAD應(yīng)用軟
3、件的用途早已超過(guò)了這個(gè)范圍,很多電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作 者常用它模擬和驗(yàn)證自己的電路設(shè)計(jì). 2 .電子線(xiàn)路CAD原理 2. 1傳統(tǒng)電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)的缺陷 傳統(tǒng)的電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)通常要經(jīng)歷初步設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)試制、小批量生產(chǎn)、正式投產(chǎn)四個(gè)階 段,而且還必須經(jīng)過(guò)這四個(gè)階段的不斷反復(fù)才能完成,因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是以實(shí)驗(yàn) 為主,輔以定性分析和定量估算的一種設(shè)計(jì)過(guò)程.傳統(tǒng)的電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)一般以典型電路的 分析為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)者根據(jù)已有的公式、圖表等依靠手算和簡(jiǎn)單的計(jì)算工具進(jìn)行計(jì)算,因此, 既難以跳出固有框框的限制,又難以進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算分析.計(jì)算時(shí)一般要對(duì)元器件的等效電 路和數(shù)學(xué)模型作大量的近似和簡(jiǎn)化處理,而且要忽略一
4、些寄生參量的影響,這就使得計(jì)算 結(jié)果與實(shí)際性能經(jīng)常差距很大,需要經(jīng)過(guò)費(fèi)時(shí)頗長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)調(diào)試反復(fù)湊試來(lái)修正原有的設(shè)計(jì)。 由于手算無(wú)法對(duì)電路進(jìn)行靈敏度和統(tǒng)計(jì)分析,使得設(shè)計(jì)者不可能規(guī)定元件容差的合理 范圍,常造成電路中元件互換性差,產(chǎn)品合格率低.另外,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不便于模擬電子 線(xiàn)路中某些故障分析,因而難以確保產(chǎn)品的可靠性.這些矛盾隨著電子線(xiàn)路的日益復(fù)雜 而日趨尖銳.再有,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法無(wú)法勝任大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)工作. 2. 2現(xiàn)代電路設(shè)計(jì) 現(xiàn)代電路設(shè)計(jì)即電路CAD是以電子計(jì)算機(jī)為主要工具的.計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,改變了電路設(shè) 計(jì)的方式.首先,由于計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力強(qiáng),有可能采用精確的模型,自
5、動(dòng)建立電路或系統(tǒng) 方程,并用它分析、計(jì)算電路的性能指標(biāo),如不滿(mǎn)足,還可自動(dòng)修改參數(shù),使所設(shè)計(jì)電 路達(dá)到最優(yōu)化的目的.其次,電子計(jì)算機(jī)可用于直接模擬電路的各種功能,用功能程序代替 大量的儀器儀表,對(duì)電路進(jìn)行各種分析、計(jì)算和模擬,而不需要任何實(shí)際元件.因此,有人 稱(chēng)計(jì)算機(jī)為“現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室”.可見(jiàn),電子計(jì)算機(jī)這一強(qiáng)有力的工具,使設(shè)計(jì)過(guò)程由搭接實(shí) 驗(yàn)電路進(jìn)行湊試為主的方式,改變?yōu)橐杂?jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算和最優(yōu)化為主的設(shè)計(jì)方式.由于 CAD把電子計(jì)算機(jī)的快速、高精度、存儲(chǔ)容量大、嚴(yán)格的邏輯判斷和優(yōu)良的數(shù)據(jù)處理能力與 人的創(chuàng)造性思維能力充分結(jié)合起來(lái),因而,比傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法優(yōu)越得多.具體 體現(xiàn)在下述幾方面:
6、 (1) 設(shè)計(jì)效率高,使設(shè)計(jì)周期大大縮短; (2) 設(shè)計(jì)質(zhì)量和產(chǎn)品合格率大大提高; (3) 可節(jié)約原材料和儀器儀表等,從而降低了成本; (4) 可模擬各種極限情況,如超低頻、大功率、高溫、低溫等; (5) 代替人的重復(fù)性勞動(dòng),節(jié)約人力資源. 目前,計(jì)算機(jī)應(yīng)用于電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)的許多階段.諸如:在方案設(shè)計(jì)階段,計(jì)算機(jī)可用來(lái) 對(duì)各種預(yù)選的電子線(xiàn)路方案進(jìn)行分析與比較,選取最佳方案;在方案設(shè)計(jì)成功后,計(jì)算機(jī)可 進(jìn)行印刷線(xiàn)路板和集成電路板的布線(xiàn)設(shè)計(jì);在成綴階段,計(jì)算機(jī)可完成對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處 理和分析等.但是利用計(jì)算機(jī)對(duì)電子線(xiàn)路進(jìn)行設(shè)計(jì)雖然具有以上優(yōu)點(diǎn),目前卻不能用于實(shí)現(xiàn) 對(duì)電子線(xiàn)路的完全自動(dòng)化設(shè)計(jì)
7、一般說(shuō)來(lái),這種設(shè)計(jì)過(guò)程還是要依賴(lài)于人的智慧和勞動(dòng),依 賴(lài)于對(duì)計(jì)算機(jī)的妥善使用.總之,在此過(guò)程中,設(shè)計(jì)者的思考和意圖仍占主導(dǎo)地位,而計(jì)算 機(jī)僅僅作為一種有效的設(shè)計(jì)工具.因此人們把上述過(guò)程稱(chēng)為計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)(Computer Aided Circuit Design,簡(jiǎn)稱(chēng) CACD). 至此,我們可以對(duì)電路CAD作一簡(jiǎn)單的概述:電路CAD是設(shè)計(jì)電子電路的一種方法,該 方法中,人們利用已設(shè)計(jì)好的各種電路分析程序在電子計(jì)算機(jī)上輔助人工完成電子電路的 設(shè)計(jì)任務(wù). 3. 電路仿真軟件PSPICE 3.1 PSPICE的介紹 隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Compu
8、ter Aided Design,即CAD)為基礎(chǔ)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA技術(shù)已滲透到電子電路設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)。如電 路圖生成、邏輯模擬、電路分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、印制板設(shè)計(jì)等。它引發(fā)了電子電路的分析與 設(shè)計(jì)方法的重大變革,改變了以定量估算和電路實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,使設(shè)計(jì)人員不 必先搭焊實(shí)際電路而直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)仿真階段,實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上調(diào)用元器件庫(kù)、連線(xiàn)畫(huà)圖、 編制激勵(lì)信號(hào)源、調(diào)用參數(shù)庫(kù)、確定跟蹤點(diǎn)及模擬程序等手段去設(shè)計(jì)電路。為此,一批電路 CAD工具相繼推出。其中,電路仿真軟件PSpice是眾多CAD工具中的一個(gè)重要組成部分,掌 握計(jì)算機(jī)電路仿真分析方法已成為電子電路分析和設(shè)計(jì)人員的基本技能。
9、PSpice 軟件的前身是 SPICE,其全稱(chēng)為 Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis,主要用于大規(guī)模集成電路的模擬程序。PSpice是由美國(guó)MicroSim公司推出的基 于SPICE程序的PC機(jī)版本。 3.2 PSPICE的功能 PSpice是一個(gè)電路模擬“實(shí)驗(yàn)臺(tái)”。該仿真工具以電路理論、數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技 術(shù)為基礎(chǔ)而實(shí)現(xiàn)。它采用數(shù)學(xué)模型和仿真算法,利用計(jì)算機(jī)計(jì)算、存儲(chǔ)和圖形處理的高速和 高效率,以電路理論為依據(jù),設(shè)計(jì)出各種功能的應(yīng)用程序來(lái)取代實(shí)際元器件構(gòu)成的硬件。即 在建立起電路之前,幫助設(shè)計(jì)人員運(yùn)行和分析電路的設(shè)計(jì)
10、,以便修改和優(yōu)化。這對(duì)提高設(shè)計(jì) 質(zhì)量,節(jié)省設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi),縮短設(shè)計(jì)周期大有益處,同時(shí)還為電路設(shè)計(jì)者提供一個(gè)創(chuàng)造性的工作 環(huán)境。目前,基于Windows平臺(tái)的PSpice可對(duì)電路完成如下工作: (1) 能對(duì)模擬電路性能仿真。如直流分析、交流小信號(hào)分析、瞬態(tài)分析、統(tǒng)計(jì)分析、參 數(shù)掃描分析以及優(yōu)化 設(shè)計(jì)等較為復(fù)雜電路特性分析。 (2) 能對(duì)數(shù)字電路、數(shù)/?;旌想娐愤M(jìn)行仿真。 3.3 PSPICE軟件構(gòu)成 目前在國(guó)內(nèi)使用較多的是PSpice6.2,它主要包括如下6個(gè)軟件包:原理圖編輯器 Schematics、數(shù)據(jù)處理器PSpice(電路仿真程序,是PSpice的核心);后處理器Probe(相當(dāng) 于
11、一個(gè)示波器)、信號(hào)源編輯器Stmed、器件建模工具Parts及元器件模型參數(shù)庫(kù)。 4. 結(jié)語(yǔ) PSpice確實(shí)是一個(gè)模擬“實(shí)驗(yàn)臺(tái)”,利用它,可完成許多電路實(shí)驗(yàn)和測(cè)試,以便修改和優(yōu) 化設(shè)計(jì),這對(duì)從事電子工程、信息工程和自動(dòng)控制等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員具有很高的實(shí)用價(jià)值。 當(dāng)然,PSpice也有一定缺點(diǎn),據(jù)研究表明,器件模型僅對(duì)小功率器件提出,而對(duì)于電子電路中 的大功率器件存在的高電壓、大注入現(xiàn)象不盡適用等。 二;電源完整性設(shè)計(jì)電容的去耦半徑 電容的去耦半徑 電容去耦的一個(gè)重要問(wèn)題是電容的去耦半徑。大多數(shù)資料中都會(huì)提到電容擺放要盡量靠 近芯片,多數(shù)資料都是從減小回路電感的角度來(lái)談這個(gè)擺放距離問(wèn)題
12、。確實(shí),減小電感是 一個(gè)重要原因,但是還有一個(gè)重要的原因大多數(shù)資料都沒(méi)有提及,那就是電容去耦半徑問(wèn) 題。如果電容擺放離芯片過(guò)遠(yuǎn),超出了它的去耦半徑,電容將失去它的去耦的作用。 理解去耦半徑最好的辦法就是考察噪聲源和電容補(bǔ)償電流之間的相位關(guān)系。當(dāng)芯片對(duì)電 流的需求發(fā)生變化時(shí),會(huì)在電源平面的一個(gè)很小的局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電壓擾動(dòng),電容要補(bǔ)償 這一電流(或電壓),就必須先感知到這個(gè)電壓擾動(dòng)。信號(hào)在介質(zhì)中傳播需要一定的時(shí)間, 因此從發(fā)生局部電壓擾動(dòng)到電容感知到這一擾動(dòng)之間有一個(gè)時(shí)間延遲。同樣,電容的補(bǔ)償 電流到達(dá)擾動(dòng)區(qū)也需要一個(gè)延遲。因此必然造成噪聲源和電容補(bǔ)償電流之間的相位上的不 一致。 特定的電容,
13、對(duì)與它自諧振頻率相同的噪聲補(bǔ)償效果最好,我們以這個(gè)頻率來(lái)衡量這種 相位關(guān)系。設(shè)自諧振頻率為f,對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為日,補(bǔ)償電流表達(dá)式可寫(xiě)為: I = Ae f 其中,A是電流幅度,R為需要補(bǔ)償?shù)膮^(qū)域到電容的距離,C為信號(hào)傳播速度。 當(dāng)擾動(dòng)區(qū)到電容的距離達(dá)到"網(wǎng)時(shí),補(bǔ)償電流的相位為汗,和噪聲源相位剛好差180度, 即完全反相。此時(shí)補(bǔ)償電流不再起作用,去耦作用失效,補(bǔ)償?shù)哪芰繜o(wú)法及時(shí)送達(dá)。為了 能有效傳遞補(bǔ)償能量,應(yīng)使噪聲源和補(bǔ)償電流的相位差盡可能的小,最好是同相位的。距 離越近,相位差越小,補(bǔ)償能量傳遞越多,如果距離為0,則補(bǔ)償能量百分之百傳遞到擾動(dòng) 區(qū)。這就要求噪聲源距離電容盡可能的近,要遠(yuǎn)小于初
14、4。實(shí)際應(yīng)用中,這一距離最好控制 在W-我5 0 15、徑很大,這也是為什么我們不太關(guān)注大電容在電路板上放置位 置的原因。對(duì)于小電容,因去耦半徑很小,應(yīng)盡可能的靠近需要去耦的芯片,這正是大多 數(shù)資料上都會(huì)反復(fù)強(qiáng)調(diào)的,小電容要盡可能近的靠近芯片放置。
三;電源完整性設(shè)計(jì)電容的安裝方法
電容的安裝方法
電容的擺放
對(duì)于電容的安裝,首先要提到的就是安裝距離。容值最小的電容,有最高的諧振頻率, 去耦半徑最小,因此放在最靠近芯片的位置。容值稍大些的可以距離稍遠(yuǎn),最外層放置容 值最大的。但是,所有對(duì)該芯片去耦的電容都盡量靠近芯片。下面的圖14就是一個(gè)擺放位 置的例子。本例中的電容等級(jí)大致遵循10倍等級(jí)關(guān)系。
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目目
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圖14電容擺放位置示例
還有一點(diǎn)要注意,在放 17、置時(shí),最好均勻分布在芯片的四周,對(duì)每一個(gè)容值等級(jí)都要這樣。 通常芯片在設(shè)計(jì)的時(shí)候就考慮到了電源和地引腳的排列位置,一般都是均勻分布在芯片的 四個(gè)邊上的。因此,電壓擾動(dòng)在芯片的四周都存在,去耦也必須對(duì)整個(gè)芯片所在區(qū)域均勻 去耦。如果把上圖中的680pF電容都放在芯片的上部,由于存在去耦半徑問(wèn)題,那么就不 能對(duì)芯片下部的電壓擾動(dòng)很好的去耦。
電容的安裝
在安裝電容時(shí),要從焊盤(pán)拉出一小段引出線(xiàn),然后通過(guò)過(guò)孔和電源平面連接,接地端也 是同樣。這樣流經(jīng)電容的電流回路為:電源平面-> 過(guò)孔-> 引出線(xiàn)-> 焊盤(pán)-> 電容-> 焊盤(pán)->
引出線(xiàn)-> 過(guò)孔-> 地平面,圖15直觀(guān)的顯示了電流的回流路徑。 18、
0402 Body _ . _
Suitiee Tiace
S?lderable E nd Termin al
Cap?he>r Solder Lmd:
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圖15流經(jīng)電容的電流回路
放置過(guò)孔的基本原則就是讓這一環(huán)路面積最小,進(jìn)而使總的寄生電感最小。圖16顯示 了幾種過(guò)孔放置方法。
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圖16高頻電容過(guò)孔放置方法
第一種方法從焊盤(pán) 19、引出很長(zhǎng)的引出線(xiàn)然后連接過(guò)孔,這會(huì)引入很大的寄生電感,一定要 避免這樣做,這時(shí)最糟糕的安裝方式。
第二種方法在焊盤(pán)的兩個(gè)端點(diǎn)緊鄰焊盤(pán)打孔,比第一種方法路面積小得多,寄生電感也 較小,可以接受。
第三種在焊盤(pán)側(cè)面打孔,進(jìn)一步減小了回路面積,寄生電感比第二種更小,是比較好的 方法。
第四種在焊盤(pán)兩側(cè)都打孔,和第三種方法相比,相當(dāng)于電容每一端都是通過(guò)過(guò)孔的并聯(lián) 接入電源平面和地平面,比第三種寄生電感更小,只要空間允許,盡量用這種方法。
最后一種方法在焊盤(pán)上直接打孔,寄生電感最小,但是焊接是可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題,是否使 用要看加工能力和方式。
推薦使用第三種和第四種方法。
需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn):有些工程 20、師為了節(jié)省空間,有時(shí)讓多個(gè)電容使用公共過(guò)孔。任何情況下 都不要這樣做。最好想辦法優(yōu)化電容組合的設(shè)計(jì),減少電容數(shù)量。
由于印制線(xiàn)越寬,電感越小,從焊盤(pán)到過(guò)孔的引出線(xiàn)盡量加寬,如果可能,盡量和焊盤(pán) 寬度相同。這樣即使是0402封裝的電容,你也可以使用20mil寬的引出線(xiàn)。引出線(xiàn)和過(guò)孔 安裝如圖17所示,注意圖中的各種尺寸。
30 mil
圖17推薦的高頻電容過(guò)孔放置方法
對(duì)于大尺寸的電容,比如板級(jí)濾波所用的鉭電容,推薦用圖18中的安裝方法。
圖18低頻大電容過(guò)孔放置
四;電子CAD與電子制作學(xué)習(xí)心得 21、
本學(xué)期我選修了《電子CAD與電子制作》這門(mén)課程。電子線(xiàn)路CAD是一門(mén)實(shí)用的課 程,是從事電子與信息行業(yè)的人員必須掌握的一種重要工具,同時(shí),它也是我們必須掌握 的最基本的工具。AA在學(xué)習(xí)這門(mén)課程的過(guò)程中,我們?cè)诶蠋煹闹笇?dǎo)和幫助下,從一開(kāi)始什 么都不懂到現(xiàn)在的基本掌握,從理論學(xué)習(xí)到自己動(dòng)手操作實(shí)踐,一步一步,我們朝著更高 的方向邁進(jìn)。下面,就我在學(xué)習(xí)過(guò)程中的一些問(wèn)題和想法,談?wù)勎业膶W(xué)習(xí)的心得體會(huì):AA 首先,電子線(xiàn)路CAD是一門(mén)考驗(yàn)動(dòng)手能力的課程。正像大家所說(shuō),電子線(xiàn)路CAD是我們 從事電子信息工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)人員必須掌握一門(mén)重要的基本工具,其重要性不言而喻。既然如 此的重要,對(duì)我們來(lái)說(shuō),其要求肯定 22、也不是掌握一點(diǎn)理論知識(shí)、書(shū)本經(jīng)驗(yàn),而是掌握其實(shí) 際應(yīng)用的貨真價(jià)實(shí)的動(dòng)手能力。只有真正的動(dòng)手操作,才可以將理論聯(lián)系實(shí)際,將課本上 的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為一種實(shí)際動(dòng)手操作能力,從而徹底地掌握它。AA其次,電子線(xiàn)路CAD 是一門(mén)考驗(yàn)大家耐心和細(xì)致的課程。眾所周知,電子信息行業(yè)涉及面極廣,所應(yīng)用的知識(shí) 更是種類(lèi)繁多,如果從事這方面的工作,對(duì)從業(yè)者的細(xì)致耐心的考驗(yàn)是必不可少的。然而, 在學(xué)習(xí)的過(guò)程中,我們被要求要認(rèn)真細(xì)致的完成作業(yè)和實(shí)踐課程,這為我們以后從事這一 方面的工作打下良好的基礎(chǔ),養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)審慎的科學(xué)態(tài)度。例如最簡(jiǎn)單的電氣連接的檢驗(yàn)…… 雖然是基礎(chǔ)的問(wèn)題,卻是我們必須注意的問(wèn)題。AA第三,電子線(xiàn)路CAD是一個(gè)橋梁和紐 帶,它和其它幾種程序軟件工具一起,成功地串聯(lián)了現(xiàn)在我們所學(xué)習(xí)的知識(shí)。以往我們的 學(xué)習(xí)除了一些基礎(chǔ)性的學(xué)科如數(shù)學(xué)以外,其他課程各個(gè)獨(dú)立,很難或者很少發(fā)生交叉;電 路電子線(xiàn)路CAD和其它幾種軟件如Max+plus的出現(xiàn),讓我們的學(xué)習(xí)內(nèi)容發(fā)生交叉。我們 所掌握的電路知識(shí)、通信知識(shí)終于有了一個(gè)個(gè)交匯點(diǎn)可以讓我們?nèi)跁?huì)貫通,使我們可以有 意識(shí)的建立一個(gè)知識(shí)的構(gòu)建。AA以上是我在學(xué)習(xí)《電子CAD與電子制作》這門(mén)課程中的 一些體會(huì)和看法。也是我的學(xué)習(xí)的態(tài)度,同時(shí)也是我的學(xué)習(xí)收獲之一。
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