电气电子工程软件实践教程

作为在计算机仿真计算和电子设计自动化领域广泛应用的两类软件，MATLAB和Altium Designer是各大高校电气电子专业软件实践类课程的必修内容。为更好地满足实践教学需求，特组织一线教师，凭借其多年的教学和工程经验，编写了本软件实践教程。

本书共分为两篇，第一篇是MATLAB实践训练，包括第1~5章，主要介绍MATLAB语言的基础知识，包括基本的操作命令、数据类型、基本运算、计算可视化及程序设计等，并针对专业特点，通过实例，重点介绍了MATLAB在工程数学中的典型应用、电子电路的计算机仿真技术，以及自动控制系统的建模方法和仿真技巧。第二篇是Altium Designer实践训练，包括第6~10章，首先介绍了印制电路板(PCB)设计相关的基本概念、专业术语，然后围绕IAP15实验板的PCB设计，系统地介绍了PCB设计的全过程，最后通过PCB的综合设计案例，帮助读者在实践中应用所学知识，并具备电路设计与制作的能力。

本书具有以下特点： 

(1) MATLAB实践训练部分由浅入深，循序渐进，层次清晰，图文并茂，先讲解后实例。

(2) MATLAB实践训练部分实例丰富，内容涉及多门专业课程，如模拟电路、数字电路、自控原理等，尤其在工程数学中的应用部分，更适合电气电子类专业的需求。

(3) 在Altium Designer实践训练部分，以一个IAP15实验板的PCB设计贯穿整个实践过程，将其涉及的操作合理地串接到一起进行讲解，编写过程中遵循简明的理念，以便读者快速掌握软件基本操作。

(4) 在Altium Designer实践训练部分，将相关专用术语、元件常见封装形式和各种设计规范等概念性的内容合理地穿插于整个PCB设计过程中。

(5) 两篇都结合专业需求，提供了综合性的工程实践案例，有助于读者将专业软件和专业应用紧密结合，为课程设计、学科竞赛、毕业设计打下一定基础。

(6) 提供了丰富的学习资源，包括MATLAB实践训练所有实例的源程序，Altium Designer实践训练全部案例的PCB设计源文件、涉及的元件数据手册等。同时为配合教学需要，每章都提供了相应的上机实践任务。

本书由南京航空航天大学金城学院陈薇、刘慧、卢静、吴玲编写，全书由陈薇、刘慧担任主编并负责统编、定稿。本书在编写的过程中得到了南京航空航天大学金城学院郝雯娟教授的大力支持和帮助。

本书的编写工作还得到了新能源汽车电子产业界专家的支持和帮助，如南京众控电子科技有限公司总经理张旻、南京海贝斯智能科技有限公司高级工程师宋路程。他们在综合性工程实践案例的选择上，提供了许多宝贵的意见，确保了案例在满足实践教学的基础上，又符合实际生产需求，充分体现产教融合特色，在此表示衷心的感谢。

另外，本书受到江苏省一流专业建设项目(电气工程及其自动化、车辆工程)和江苏省现代教育技术研究2022年度课题(2022R99394)的支持。

由于编写时间仓促，加之作者水平有限，书中难免有疏漏之处，恳请读者和同行批评指正。

编者
2022年8月

本书采用案例教学和任务教学相结合的编写方式，分2个篇章，分别介绍了MATLAB和Altium Designer这两个软件在电气电子及相关专业中的应用。 第一篇以MATLAB软件为平台，由浅入深地介绍了MATLAB语言的基础知识，包括基本数据类型及运算、计算可视化、程序设计，同时结合实例介绍了MATLAB在工程数学中的应用，电子电路的计算机仿真技术，并通过综合性的应用实例使初学者快速掌握自动控制系统的建模方法和仿真技巧。 第二篇以PCB设计软件Altium Designer为平台，围绕IAP15实验板的PCB设计，系统地介绍了PCB设计的全过程，以及PCB设计常用术语、常见元器件封装等相关内容，最后通过具有代表性的工程案例，使初学者理论和实践结合，进一步巩固所学，积累设计经验，并初步具备电子电路设计与制作的能力。 本书配备大量实例和上机实践任务，以便读者更有效地掌握这两个软件的基本应用。 本书可以作为高等学校电气电子及相关专业的软件实践课程教材，也可以作为MATLAB、Altium Designer软件用户的入门培训用书。

陈薇，讲师，南京航空航天大学金城学院，自动化专业专职教师，主要负责《专业软件实训》、《工程数学仿真应用软件设计》实践类课程的教学工作，以及《微机原理与接口技术》、《数字电子技术》等理论课程的教学工作。主要研究方向为测控系统、楼宇自动化系统。

第一篇MATLAB实践训练

第1章MATLAB基础

1.1MATLAB入门

1.1.1MATLAB工作环境

1.1.2MATLAB基本命令

1.2MATLAB基本数据类型

1.2.1变量和常量

1.2.2字符串变量

1.3MATLAB基本运算

1.3.1矩阵和数组运算

1.3.2多项式运算

1.3.3符号运算

本章实践任务

第2章MATLAB计算可视化及程序设计

2.1MATLAB的基本绘图命令

2.2MATLAB程序设计

2.2.1程序流程控制

2.2.2M文件

本章实践任务

第3章MATLAB在工程数学中的应用

3.1代数方程的求解

3.1.1线性方程组的求解

3.1.2非线性方程组的求解

3.2曲线拟合

3.3插值运算

3.3.1一维插值

3.3.2二维插值

3.4数值积分和微分

3.4.1数值积分

3.4.2数值微分

3.5常微分方程的求解

3.5.1常微分方程的解析解

3.5.2常微分方程的数值解

3.6傅里叶变换

3.6.1傅里叶变换的命令函数

3.6.2快速傅里叶变换（FFT）

本章实践任务

第4章Simulink仿真应用实例

4.1Simulink快速入门

4.1.1Simulink的工作环境

4.1.2模块基本操作

4.1.3Simulink常用模块库介绍

4.1.4Simulink仿真步骤

4.2电力电子电路的建模与仿真

4.2.1直流稳态电路的仿真分析

4.2.2正弦交流电路的仿真分析

4.2.3动态电路的仿真分析

4.2.4数字电路的仿真分析

4.2.5功率电子电路的仿真分析

本章实践任务

第5章MATLAB综合应用实例

5.1单级倒立摆PD控制器MATLAB仿真

5.1.1问题描述

5.1.2控制器设计

5.1.3MALTAB仿真

5.2倒立摆LQR控制器MATLAB仿真

5.2.1S函数介绍

5.2.2问题描述

5.2.3控制器设计

5.2.4MATLAB仿真

5.3移动机器人的P 前馈控制MATLAB仿真

5.3.1MATLAB Function与Function模块介绍

5.3.2问题描述

5.3.3控制器设计

5.3.4MATLAB仿真

5.4单级倒立摆控制系统的GUI设计

5.4.1GUI介绍

5.4.2演示界面的GUI设计

5.4.3MATLAB仿真

本章实践任务

第二篇Altium Designer实践训练

第6章印制电路板及其设计软件

6.1初识印制电路板

6.1.1印制电路板的类型

6.1.2印制电路板中的常用术语

6.1.3印制电路板的设计流程

6.2PCB计算机辅助设计软件

6.2.1PCB设计软件介绍

6.2.2Altium Designer的功能特点

6.3Altium Designer的文件管理系统

6.3.1Altium Designer工程文件的组成

6.3.2新工程及各类文件的创建

6.3.3添加文件或移除文件

本章实践任务

第7章原理图库和元件库的创建

7.1原理图库常用绘图命令

7.2元件原理图符号的绘制

7.2.1手工绘制元件原理图符号

7.2.2利用符号向导绘制元件原理图符号

7.2.3绘制含有子部件的元件原理图符号

7.3常见元件的封装

7.3.1电阻、电容、电感元件的封装

7.3.2二极管的封装

7.3.3三极管的封装

7.3.4芯片的封装

7.3.5接插件的封装

7.4PCB元件库常用绘图命令

7.5元件封装的绘制

7.5.1手工绘制封装

7.5.2利用IPC封装向导制作封装

7.6元件原理图符号和封装的关联

7.7封装管理器的使用

本章实践任务

第8章原理图设计

8.1原理图设计基础

8.1.1原理图设计流程

8.1.2原理图规范化设置

8.2元件的放置

8.2.1元件库的分类

8.2.2查找并放置元件

8.2.3元件属性的编辑

8.3电气连接的放置

8.3.1导线的放置

8.3.2网络标签的放置

8.3.3电源和接地符号的放置

8.3.4忽略ERC测试点的放置

8.4非电气对象的放置

8.5原理图的编译及查错

8.6原理图网络表的生成

本章实践任务

第9章PCB设计

9.1PCB设计流程

9.2PCB设计环境简介

9.3PCB板框及定位孔设计

9.3.1PCB板框设计

9.3.2定位孔设计

9.4原理图信息导入PCB文件的方法

9.5PCB设计常用规则的设置

9.6元件的布局

9.6.1布局的原则

9.6.2布局的基本操作

9.7元件的布线

9.7.1布线的原则

9.7.2布线的基本操作

9.8设计规则检查（DRC）

9.9生产文件的导出

9.9.1Gerber文件的导出

9.9.2BOM文件的导出

9.9.3丝印文件的导出

9.9.4坐标文件的导出

本章实践任务

第10章PCB综合设计实践

10.1多路波形信号发生器电路设计

10.1.1电路功能分析

10.1.2原理图设计

10.1.3PCB设计

10.2四人抢答器电路设计

10.2.1电路功能分析

10.2.2原理图设计

10.2.3PCB设计

10.3工程车语音预警电路设计

10.3.1电路功能分析

10.3.2原理图设计

10.3.3PCB设计

10.4LED灯控制器电路设计

10.4.1电路功能分析

10.4.2原理图设计

10.4.3PCB设计

本章实践任务

参考文献

本书具有以下特点： 
（1）MATLAB实践训练部分由浅入深，循序渐进，层次清晰，图文并茂，先讲解后实例。 
（2）MATLAB实践训练部分实例丰富，内容涉及多门专业课程，如模拟电路、数字电路、自控原理等，尤其在工程数学中的应用部分，更适合电气电子类专业的需求。 
（3）Altium Designer实践训练部分，以一个IAP15实验板的PCB设计贯穿整个实践过程，将其涉及到的操作合理地串接到一起进行讲解，编写过程中遵循简明的理念，以便读者快速掌握软件基本操作。 
（4）Altium Designer实践训练部分，将相关专用术语、元器件常见封装类型和各种设计规范等概念性内容的介绍，合理地穿插于整个PCB设计过程中。 
（5）两个篇章都结合专业需求，提供了综合性的工程实践案例，有助于读者将专业软件和专业应用紧密结合，为课程设计、学科竞赛、毕业设计打下一定基础。 
（6）提供丰富的学习资源，包括MATLAB实践训练所有实例的源程序，Altium Designer实践训练全部案例的PCB设计源文件、涉及到的元器件数据手册等。同时为配合教学需要，每章都提供了相应的上机实践任务。