淺談電子工程設(shè)計的EDA技術(shù)
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葛云海1由 分享
摘要介紹EDA技術(shù)的基本概念和發(fā)展過程,以及EDA技術(shù)的基本特點和使用的軟件,以及EDA技術(shù)在電子工程設(shè)計中的重要作用,最后指出EDA技術(shù)發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞EDA技術(shù);電子工程
1EDA技術(shù)的基本概念
EDA是電子設(shè)計自動化(Electronic Design Automation)的縮寫,是從CAD(計算機輔助設(shè)計)、CAM(計算機輔助制造)、CAT(計算機輔助測試)和CAE(計算機輔助工程)的概念發(fā)展而來的。EDA技術(shù)是以計算機為工具,集數(shù)據(jù)庫、圖形學(xué)、圖論與拓?fù)溥壿?、計算?shù)學(xué)、優(yōu)化理論等多學(xué)科最新理論于一體,是計算機信息技術(shù)、微電子技術(shù)、電路理論、信息分析與信號處理的結(jié)晶。
2EDA技術(shù)的發(fā)展過程
EDA技術(shù)的發(fā)展過程反映了近代電子產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)的一段歷史進(jìn)程,大致分為3個時期。
1)初級階段:早期階段即是CAD(Computer Assist Design)階段,大致在20世紀(jì)70年代,當(dāng)時中小規(guī)模集成電路已經(jīng)出現(xiàn),傳統(tǒng)的手工制圖設(shè)計印刷電路板和集成電路的方法效率低、花費大、制造周期長。人們開始借助于計算機完成印制電路板一PCB設(shè)計,將產(chǎn)品設(shè)計過程中高重復(fù)性的繁雜勞動如布圖布線工作用二維平面圖形編輯與分析的CAD工具代替,主要功能是交互圖形編輯,設(shè)計規(guī)則檢查,解決晶體管級版圖設(shè)計、PCB布局布線、門級電路模擬和測試。
2)發(fā)展階段:20世紀(jì)80年代是EDA技術(shù)的發(fā)展和完善階段,即進(jìn)入到CAE(Computer Assist Engineering Design)階段。由于集成電路規(guī)模的逐步擴(kuò)大和電子系統(tǒng)的日趨復(fù)雜,人們進(jìn)一步開發(fā)設(shè)計軟件,將各個CAD工具集成為系統(tǒng),從而加強了電路功能設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計,該時期的EDA技術(shù)已經(jīng)延伸到半導(dǎo)體芯片的設(shè)計,生產(chǎn)出可編程半導(dǎo)體芯片。
3)成熟階段:20世紀(jì)90年代以后微電子技術(shù)突飛猛進(jìn),一個芯片上可以集成幾百萬、幾千萬乃至上億個晶體管,這給EDA技術(shù)提出了更高的要求,也促進(jìn)了EDA技術(shù)的大發(fā)展。各公司相繼開發(fā)出了大規(guī)模的EDA軟件系統(tǒng),這時出現(xiàn)了以高級語言描述、系統(tǒng)級仿真和綜合技術(shù)為特征的EDA技術(shù)。
3EDA技術(shù)的特點
EDA技術(shù)代表了當(dāng)今電子設(shè)計技術(shù)的最新發(fā)展方向,它的基本特征是采用高級語言描述,即硬件描述語言HDL(Hardware Description Language),就是可以描述硬件電路的功能。信號連接關(guān)系及定時關(guān)系的語言。它比電原理圖更有效地表示硬件電路的特性,同時具有系統(tǒng)仿真和綜合能力,具體歸納為以下幾點:
1)現(xiàn)代化EDA技術(shù)大多采用“自頂向下(Top-Down)”的設(shè)計程序,從而確保設(shè)計方案整體的合理和優(yōu)化,避免“自底向上(Bottom-up)”設(shè)計過程使局部優(yōu)化,整體結(jié)構(gòu)較差的缺陷。
2)HDL給設(shè)計帶來很多優(yōu)點:①語言公開可利用;②語言描述范圍寬廣;③使設(shè)計與工藝無關(guān);④可以系統(tǒng)編程和現(xiàn)場編程,使設(shè)計便于交流、保存、修改和重復(fù)使用,能夠?qū)崿F(xiàn)在線升級。
3)自動化程度高,設(shè)計過程中隨時可以進(jìn)行各級的仿真、糾錯和調(diào)試,使設(shè)計者能早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計上的錯誤,避免設(shè)計工作的浪費,同時設(shè)計人員可以拋開一些具體細(xì)節(jié)問題,從而把主要精力集中在系統(tǒng)的開發(fā)上,保證設(shè)計的高效率、低成本,且產(chǎn)品開發(fā)周期短、循環(huán)快。
4)可以并行操作,現(xiàn)代EDA技術(shù)建立了并行工程框架結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境。從而保證和支持多人同時并行地進(jìn)行電子系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。
4EDA技術(shù)的作用
EDA技術(shù)在電子工程設(shè)計中發(fā)揮著不可替代的作用,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
4.1驗證電路設(shè)計方案的正確性
設(shè)計方案確定之后,首先采用系統(tǒng)仿真或結(jié)構(gòu)模擬的方法驗證設(shè)計方案的可行性,這只要確定系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)(數(shù)學(xué)模型)便可實現(xiàn)。這種系統(tǒng)仿真技術(shù)可推廣應(yīng)用于非電專業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計,或某種新理論、新構(gòu)思的設(shè)計方案。仿真之后對構(gòu)成系統(tǒng)的各電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析,以判斷電路結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性及性能指標(biāo)的可實現(xiàn)性。這種量化分析方法對于提高工程設(shè)計水平和產(chǎn)品質(zhì)量,具有重要的指導(dǎo)意義。
4.2電路特性的優(yōu)化設(shè)計
元器件的容差和工作環(huán)境溫度將對電路的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的設(shè)計方法很難對這種影響進(jìn)行全面的分析,也就很難實現(xiàn)整體的優(yōu)化設(shè)計。EDA技術(shù)中的溫度分析和統(tǒng)計分析功能可以分析各種溫度條件下的電路特性,便于確定最佳元件參數(shù)、最佳電路結(jié)構(gòu)以及適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)穩(wěn)定裕度,真正做到優(yōu)化設(shè)計。
4.3實現(xiàn)電路特性的模擬測試
電子電路設(shè)計過程中,大量的工作是數(shù)據(jù)測試和特性分析。但是受測試手段和儀器精度所限,測試問題很多。采用EDA技術(shù)后,可以方便地實現(xiàn)全功能測試。
5EDA技術(shù)的軟件
目前EDA技術(shù)的軟件很多,如EWB、PROTELL等。
1)EWB(Electronics Workbench)軟件。EWB是基于PC平臺的電子設(shè)計軟件,由加拿大Interactive Image Technologies Ltd.公司研制開發(fā),該軟件具有以下特點:①集成化工具:一體化設(shè)計環(huán)境可將原理圖編輯、SPICE仿真和波形分析、仿真電路的在線修改、選用虛擬儀器、借助14種分析工具輸出結(jié)果等操作在一個集成系統(tǒng)中完成。②仿真器:交互式32位SPICE強化支持自然方式的模擬、數(shù)字和數(shù)/?；旌显Ｗ詣硬迦胄盘栟D(zhuǎn)換界面,支持多級層次化元件的嵌套,對電路的大小和復(fù)雜沒有限制。只有提供原理圖網(wǎng)絡(luò)表和輸入信號,打開仿真開關(guān)就會在一定的時間內(nèi)將仿真結(jié)果輸出。③原理圖輸入:鼠標(biāo)點擊一拖動界面,點一點自動連線。分層的工作環(huán)境,手工調(diào)整元器件時自動重排線路,自動分配元器件的參考編號,對元器件尺寸大小沒有限制。④分析:虛擬測試設(shè)備能提供快捷、簡單的分析。主要包括直流工作點、瞬態(tài)、交流頻率掃描、付立葉、噪聲、失真度、參數(shù)掃描、零極點、傳遞函數(shù)、直流靈敏度、最差情況、蒙特卡洛法等14種分析工具,可以在線顯示圖形并具有很大的靈活性。⑤設(shè)計文件夾:同時儲存所有的設(shè)計電路信息,包括電路結(jié)構(gòu)、SHCE參數(shù)、所有使用模型的設(shè)置和拷貝。全部存放在一個設(shè)計文件中,便于設(shè)計數(shù)據(jù)共享以及丟失或損壞的數(shù)據(jù)恢復(fù)。⑥接口:標(biāo)準(zhǔn)的SPICE網(wǎng)表,既可以輸入其他CAD生成的SHCE網(wǎng)絡(luò)連接表并行成原理圖供EWB使用,也可以將原理圖輸出到其他PCS工具中直接制作線路板。
2)PROTEL軟件。廣泛應(yīng)用的Protel99主要分為兩大部分:用于電路原理圖的設(shè)計原理圖設(shè)計系統(tǒng)(Advanced Schematic)和用于印刷電路板設(shè)計的印刷電路板設(shè)計系統(tǒng)(Advanced PCB)。
6EDA技術(shù)的發(fā)展趨勢
高層次設(shè)計技術(shù)是近幾年來國際上在EDA技術(shù)領(lǐng)域研究、開發(fā)、應(yīng)用的熱門課題,并且發(fā)展非常迅速,成效異常顯著。這一領(lǐng)域主要包括功能強大的硬件描述語言、高層次綜合技術(shù)、高層次模擬技術(shù)以及測試設(shè)計的綜合技術(shù)等。相信隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步,作為EDA發(fā)展方向的高層次自動化設(shè)計技術(shù)必將取得更輝煌的成績。
關(guān)鍵詞EDA技術(shù);電子工程
1EDA技術(shù)的基本概念
EDA是電子設(shè)計自動化(Electronic Design Automation)的縮寫,是從CAD(計算機輔助設(shè)計)、CAM(計算機輔助制造)、CAT(計算機輔助測試)和CAE(計算機輔助工程)的概念發(fā)展而來的。EDA技術(shù)是以計算機為工具,集數(shù)據(jù)庫、圖形學(xué)、圖論與拓?fù)溥壿?、計算?shù)學(xué)、優(yōu)化理論等多學(xué)科最新理論于一體,是計算機信息技術(shù)、微電子技術(shù)、電路理論、信息分析與信號處理的結(jié)晶。
2EDA技術(shù)的發(fā)展過程
EDA技術(shù)的發(fā)展過程反映了近代電子產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)的一段歷史進(jìn)程,大致分為3個時期。
1)初級階段:早期階段即是CAD(Computer Assist Design)階段,大致在20世紀(jì)70年代,當(dāng)時中小規(guī)模集成電路已經(jīng)出現(xiàn),傳統(tǒng)的手工制圖設(shè)計印刷電路板和集成電路的方法效率低、花費大、制造周期長。人們開始借助于計算機完成印制電路板一PCB設(shè)計,將產(chǎn)品設(shè)計過程中高重復(fù)性的繁雜勞動如布圖布線工作用二維平面圖形編輯與分析的CAD工具代替,主要功能是交互圖形編輯,設(shè)計規(guī)則檢查,解決晶體管級版圖設(shè)計、PCB布局布線、門級電路模擬和測試。
2)發(fā)展階段:20世紀(jì)80年代是EDA技術(shù)的發(fā)展和完善階段,即進(jìn)入到CAE(Computer Assist Engineering Design)階段。由于集成電路規(guī)模的逐步擴(kuò)大和電子系統(tǒng)的日趨復(fù)雜,人們進(jìn)一步開發(fā)設(shè)計軟件,將各個CAD工具集成為系統(tǒng),從而加強了電路功能設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計,該時期的EDA技術(shù)已經(jīng)延伸到半導(dǎo)體芯片的設(shè)計,生產(chǎn)出可編程半導(dǎo)體芯片。
3)成熟階段:20世紀(jì)90年代以后微電子技術(shù)突飛猛進(jìn),一個芯片上可以集成幾百萬、幾千萬乃至上億個晶體管,這給EDA技術(shù)提出了更高的要求,也促進(jìn)了EDA技術(shù)的大發(fā)展。各公司相繼開發(fā)出了大規(guī)模的EDA軟件系統(tǒng),這時出現(xiàn)了以高級語言描述、系統(tǒng)級仿真和綜合技術(shù)為特征的EDA技術(shù)。
3EDA技術(shù)的特點
EDA技術(shù)代表了當(dāng)今電子設(shè)計技術(shù)的最新發(fā)展方向,它的基本特征是采用高級語言描述,即硬件描述語言HDL(Hardware Description Language),就是可以描述硬件電路的功能。信號連接關(guān)系及定時關(guān)系的語言。它比電原理圖更有效地表示硬件電路的特性,同時具有系統(tǒng)仿真和綜合能力,具體歸納為以下幾點:
1)現(xiàn)代化EDA技術(shù)大多采用“自頂向下(Top-Down)”的設(shè)計程序,從而確保設(shè)計方案整體的合理和優(yōu)化,避免“自底向上(Bottom-up)”設(shè)計過程使局部優(yōu)化,整體結(jié)構(gòu)較差的缺陷。
2)HDL給設(shè)計帶來很多優(yōu)點:①語言公開可利用;②語言描述范圍寬廣;③使設(shè)計與工藝無關(guān);④可以系統(tǒng)編程和現(xiàn)場編程,使設(shè)計便于交流、保存、修改和重復(fù)使用,能夠?qū)崿F(xiàn)在線升級。
3)自動化程度高,設(shè)計過程中隨時可以進(jìn)行各級的仿真、糾錯和調(diào)試,使設(shè)計者能早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計上的錯誤,避免設(shè)計工作的浪費,同時設(shè)計人員可以拋開一些具體細(xì)節(jié)問題,從而把主要精力集中在系統(tǒng)的開發(fā)上,保證設(shè)計的高效率、低成本,且產(chǎn)品開發(fā)周期短、循環(huán)快。
4)可以并行操作,現(xiàn)代EDA技術(shù)建立了并行工程框架結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境。從而保證和支持多人同時并行地進(jìn)行電子系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。
4EDA技術(shù)的作用
EDA技術(shù)在電子工程設(shè)計中發(fā)揮著不可替代的作用,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
4.1驗證電路設(shè)計方案的正確性
設(shè)計方案確定之后,首先采用系統(tǒng)仿真或結(jié)構(gòu)模擬的方法驗證設(shè)計方案的可行性,這只要確定系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)(數(shù)學(xué)模型)便可實現(xiàn)。這種系統(tǒng)仿真技術(shù)可推廣應(yīng)用于非電專業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計,或某種新理論、新構(gòu)思的設(shè)計方案。仿真之后對構(gòu)成系統(tǒng)的各電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析,以判斷電路結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性及性能指標(biāo)的可實現(xiàn)性。這種量化分析方法對于提高工程設(shè)計水平和產(chǎn)品質(zhì)量,具有重要的指導(dǎo)意義。
4.2電路特性的優(yōu)化設(shè)計
元器件的容差和工作環(huán)境溫度將對電路的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的設(shè)計方法很難對這種影響進(jìn)行全面的分析,也就很難實現(xiàn)整體的優(yōu)化設(shè)計。EDA技術(shù)中的溫度分析和統(tǒng)計分析功能可以分析各種溫度條件下的電路特性,便于確定最佳元件參數(shù)、最佳電路結(jié)構(gòu)以及適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)穩(wěn)定裕度,真正做到優(yōu)化設(shè)計。
4.3實現(xiàn)電路特性的模擬測試
電子電路設(shè)計過程中,大量的工作是數(shù)據(jù)測試和特性分析。但是受測試手段和儀器精度所限,測試問題很多。采用EDA技術(shù)后,可以方便地實現(xiàn)全功能測試。
5EDA技術(shù)的軟件
目前EDA技術(shù)的軟件很多,如EWB、PROTELL等。
1)EWB(Electronics Workbench)軟件。EWB是基于PC平臺的電子設(shè)計軟件,由加拿大Interactive Image Technologies Ltd.公司研制開發(fā),該軟件具有以下特點:①集成化工具:一體化設(shè)計環(huán)境可將原理圖編輯、SPICE仿真和波形分析、仿真電路的在線修改、選用虛擬儀器、借助14種分析工具輸出結(jié)果等操作在一個集成系統(tǒng)中完成。②仿真器:交互式32位SPICE強化支持自然方式的模擬、數(shù)字和數(shù)/?；旌显Ｗ詣硬迦胄盘栟D(zhuǎn)換界面,支持多級層次化元件的嵌套,對電路的大小和復(fù)雜沒有限制。只有提供原理圖網(wǎng)絡(luò)表和輸入信號,打開仿真開關(guān)就會在一定的時間內(nèi)將仿真結(jié)果輸出。③原理圖輸入:鼠標(biāo)點擊一拖動界面,點一點自動連線。分層的工作環(huán)境,手工調(diào)整元器件時自動重排線路,自動分配元器件的參考編號,對元器件尺寸大小沒有限制。④分析:虛擬測試設(shè)備能提供快捷、簡單的分析。主要包括直流工作點、瞬態(tài)、交流頻率掃描、付立葉、噪聲、失真度、參數(shù)掃描、零極點、傳遞函數(shù)、直流靈敏度、最差情況、蒙特卡洛法等14種分析工具,可以在線顯示圖形并具有很大的靈活性。⑤設(shè)計文件夾:同時儲存所有的設(shè)計電路信息,包括電路結(jié)構(gòu)、SHCE參數(shù)、所有使用模型的設(shè)置和拷貝。全部存放在一個設(shè)計文件中,便于設(shè)計數(shù)據(jù)共享以及丟失或損壞的數(shù)據(jù)恢復(fù)。⑥接口:標(biāo)準(zhǔn)的SPICE網(wǎng)表,既可以輸入其他CAD生成的SHCE網(wǎng)絡(luò)連接表并行成原理圖供EWB使用,也可以將原理圖輸出到其他PCS工具中直接制作線路板。
2)PROTEL軟件。廣泛應(yīng)用的Protel99主要分為兩大部分:用于電路原理圖的設(shè)計原理圖設(shè)計系統(tǒng)(Advanced Schematic)和用于印刷電路板設(shè)計的印刷電路板設(shè)計系統(tǒng)(Advanced PCB)。
6EDA技術(shù)的發(fā)展趨勢
高層次設(shè)計技術(shù)是近幾年來國際上在EDA技術(shù)領(lǐng)域研究、開發(fā)、應(yīng)用的熱門課題,并且發(fā)展非常迅速,成效異常顯著。這一領(lǐng)域主要包括功能強大的硬件描述語言、高層次綜合技術(shù)、高層次模擬技術(shù)以及測試設(shè)計的綜合技術(shù)等。相信隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步,作為EDA發(fā)展方向的高層次自動化設(shè)計技術(shù)必將取得更輝煌的成績。