現(xiàn)代電路作業(yè)

1、1·簡介幾乎所有的工程技術(shù)領(lǐng)域都涉及到信號,這些信號包括電的、磁的、機(jī)械的、熱的、聲的、光的及生物體的等各個方面。為了能將這些信號用于實際工程,需要對信號進(jìn)行諸如采集、濾波、放大、變換、壓縮、估值與識別等加工處理。目前,信號處理影響和改變著微電子、信息科學(xué)等技術(shù)的發(fā)展,被廣泛應(yīng)用于諸如通信、控制、雷達(dá)、人造衛(wèi)星、儀器、儀表和計算機(jī)等眾多領(lǐng)域。而按照被處理的信號分類,信號處理可以分為模擬信號處理和數(shù)字信號處理(Digital SignalProcessing, DSP),相應(yīng)的系統(tǒng)分別稱為模擬、數(shù)字信號處理系統(tǒng)。對溫度和工藝的變化數(shù)字信號比模擬信號穩(wěn)定,在數(shù)字表示中,可以通過改變信號的

2、字長來更好地控制精度,同時,相對于信號和噪聲獎同時被放大的模擬信號處理技術(shù)中,數(shù)字信號處理技術(shù)可以在放大信號的同時取出噪聲和干擾。另外,數(shù)字信號還可以被不帶誤差地存儲和恢復(fù)、發(fā)送和接收、處理。因此,可以用高精度、大信噪比、可重構(gòu)的數(shù)字技術(shù)來實現(xiàn)許多復(fù)雜的系統(tǒng)。從20世紀(jì)60年代以來,隨著信息學(xué)科和計算機(jī)的高速發(fā)展,數(shù)字信號處理技術(shù)迅速發(fā)展。70年代以來,隨著電子計算機(jī)、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路以及微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展,數(shù)字信號處理理論得到迅猛發(fā)展,理論體系和框架逐漸趨于成熟,數(shù)字信號處理技術(shù)在各個領(lǐng)域的重要性也日益顯著。電子電路與系統(tǒng)分析設(shè)計軟件有很多,早期的有Smartwork、A

3、utoBoard、EE System、PCAD、Tango?，F(xiàn)常用的有如下幾種。PSpice:新推出的版本為PSpice9.1,是功能強(qiáng)大的模擬電路和數(shù)字電路混合仿真EDA軟件,它可以進(jìn)行各種的電路仿真、激勵建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出、并在同一個窗口內(nèi)同時顯示模擬與數(shù)字的仿真結(jié)果。Protel:是Tango的升級版本。早期的Protel主要作為印制板自動布線工具使用,只有電原理圖繪制和印制板設(shè)計功能,后發(fā)展到Protel99se,最近在并購后改名為Altium公司,推出的最新版本ProtelDXP是個龐大的EDA軟件,包含電原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號仿真、多

4、層印制電路板設(shè)計(包含印制電路板自動布線)、可編程邏輯器件設(shè)計、圖表和電子表格生成、支持宏操作等功能,是個完整的板級全方位電子設(shè)計系統(tǒng)。OrCAD:是由OrCAD公司于20世紀(jì)80年代末推出的EDA軟件,OrCAD界面友好直觀,集成了電原理圖繪制、印制電路板設(shè)計、模擬與數(shù)字電路混合仿真、可編程邏輯器件設(shè)計等功能,其元器件庫是所有EDA軟件中最豐富的,達(dá)8 500個,收入了幾乎所有的通用電子元器件模塊。EWB或Multisim2001:EWB(Electronics Work-bench)軟件是加拿大交互圖像技術(shù)有限公司在20世紀(jì)90年代初推出的EDA軟件,最新版本是Multi-sim2001,

5、具有強(qiáng)大的仿真功能和虛擬儀器功能,在桌面上提供了萬用表、示波器、信號發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器等工具。由于EWB的容量小,而且直接拷貝就可以使用,在電子行業(yè)普及速度極快。VISIO:是VISIO公司在1991年推出的用于制作圖表的軟件,可以繪出各種流程圖,如單片機(jī)、電路、工藝、程序流程圖以及組織結(jié)構(gòu)圖、商業(yè)行銷圖、辦公室布局圖、方位圖等。EAD2002:是廈門超倫軟件公司推出的EDA軟件,主要用于電子線路圖、印制電路板和電氣工程圖的計算機(jī)輔助設(shè)計,具有繪圖、輸出、建庫、自動化布局布線、設(shè)計優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)化等完整的功能。其符號采用中國國家標(biāo)準(zhǔn),比其他EDA方便快捷。Isp

6、EXPERT和PAC-Designer:是美國Lattice公司推出的在系統(tǒng)可編程數(shù)字電路(IspPLD)和在系統(tǒng)可編程模擬電路(IspPAC)的開發(fā)軟件。IspEXPERT含有宏庫,有500個宏元件可供調(diào)用,其下載軟件為isp菊花鏈下載軟件。PADS:美國Mentor Graphics公司的PADS是1套完整的電子設(shè)計自動化系統(tǒng),包括PowerLogic、PowerPCB、HyperLynx、CAM350、PowerBGA 5個部分。PowerLogic采用平面分圖和層次化設(shè)計以及混合應(yīng)用的方式,可完成多達(dá)128頁的復(fù)雜電子系統(tǒng)原理圖設(shè)計。PowerPCB是目前最好的PCB設(shè)計工具,具有功能

7、智能化、集成化、易于使用等特點(diǎn)。HyperL-ynx是信號完整性解決方案套裝軟件,提供門特性、傳輸特性、信號完整性、電磁干擾和電磁兼容性分析功能。CAM350解決PCB板最終的生產(chǎn)加工問題,優(yōu)化制造設(shè)計,具有先進(jìn)的可制造性分析PowerBGA提供封裝設(shè)計。其它如可編程邏輯器件(PLD)設(shè)計軟件有Al-tera公司的MaxplusII、Lattice公司的ispLEVER、Xilinx公司的ISE/Foundation和Synopsys公司的FPGAComplierII等,還有用于變壓器設(shè)計、電氣設(shè)計、集成電路設(shè)計的軟件和單片機(jī)仿真軟件等。EDA公司300家左右,大的有:Cadence(齊全的E

8、DA產(chǎn)品系列),synopsis(行為級綜合器),MentorGraphics(PCB板設(shè)計軟件),Avant(SOC設(shè)計工具)。PSpice、EWB、OrCAD/Pspice9等可以在PC機(jī)運(yùn)行,而工業(yè)級EDA軟件可以安裝在服務(wù)器上,以License浮動方式運(yùn)行以提高使用效率。工作站模擬設(shè)計工具如Cadence公司的SpectreHDL(高級模擬電路行為建模系統(tǒng))和AnalogArtistDesignSystem(高性能模擬和混合信號設(shè)計系統(tǒng))。MATLAB是1種功能強(qiáng)、效率高、便于進(jìn)行科學(xué)和工程計算的交互式軟件。它除了傳統(tǒng)的交互式編程之外,還提供了大量的MATLAB配套工具箱和與其它語言(

9、C、FORTRAN等)的接口,使其功能日益強(qiáng)大,因此可被用來進(jìn)行系統(tǒng)級仿真。另外,MATLAB具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和作圖功能,與其他軟件結(jié)合,可對電路中一些復(fù)雜過程和現(xiàn)象做更精確細(xì)致的分析。例如將PSpice與MATLAB結(jié)合起來對功率電子電路的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)波形、瞬時功耗及平均功耗等進(jìn)行分析,能繪制曲線簇和進(jìn)行系統(tǒng)級仿真,彌補(bǔ)大多數(shù)EDA軟件的不足。以往用MATLAB進(jìn)行電路仿真,或是建立數(shù)學(xué)模型后,利用其科學(xué)計算功能輔助計算,或是將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為編程,用其繪圖功能顯示結(jié)果,2種方法過程都太復(fù)雜。現(xiàn)在的方法是用MATLAB的SIMULINK動態(tài)仿真技術(shù),PSB(電力系統(tǒng)模塊)可用于電路系統(tǒng)、電力電

10、子系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、電力傳輸過程等仿真。例如,對模擬電路仿真:可將繪制的電路圖模型自動轉(zhuǎn)化為狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式,然后在SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行仿真。先將電路用PSB中的電源(含受控源)、電路元件(RLC等)、功率電子器件(晶閘管、可控硅等)、連線器等模塊連接電路,再設(shè)置元件參數(shù),并連接電壓表電流表等測量儀表,即可以測電壓電流,通過示波器可以直接觀察電壓電流值。但電路元件子模塊中無BJT三極管及運(yùn)算放大器等元件,因此用MATLAB直接分析晶體管和運(yùn)放構(gòu)成的電路需要建立其模型。對數(shù)字電路仿真:用SIMULINK提供的數(shù)字電路仿真常用模塊:信號源(時鐘、階躍、脈沖等)、輸出設(shè)備、觸發(fā)器(在SIM

11、ULINK Extras模塊庫的Flip-Flops模塊組)、基本的數(shù)字邏輯運(yùn)算模塊和算術(shù)運(yùn)算模塊(分別在Fixed-Point模塊庫的Logic&Comparison和Math模塊組)進(jìn)行。其它數(shù)字電路模塊可以通過已有模塊構(gòu)筑和封裝。2. EDA在電路中的應(yīng)用2.1EDA電子設(shè)計自動化技術(shù)以計算機(jī)為工具,在EDA軟件開發(fā)平臺上,對以硬件描述語言為系統(tǒng)邏輯描述手段完成的設(shè)計文件自動完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯綜合及優(yōu)化邏輯仿真,直到對于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等。其顯著特點(diǎn)是日益強(qiáng)大的邏輯設(shè)計仿真測試技術(shù)。該技術(shù)只需通過計算機(jī)就能對所設(shè)計的電子系統(tǒng)從不同層次的系統(tǒng)性能

12、特點(diǎn)上,完成一系列準(zhǔn)確的測試和仿真操作?，F(xiàn)代電路與系統(tǒng)的實現(xiàn)是以各種系列的可編程器件為載體,以各種功能強(qiáng)大的編程平臺或開發(fā)軟件為工具進(jìn)行的;在系統(tǒng)可編程ISP技術(shù)與器件是LATTICE公司推出的一種設(shè)計電路和系統(tǒng)的最新技術(shù),ISP硬件靈活且易于軟件修改,真正實現(xiàn)電子電路與系統(tǒng)的硬件設(shè)計軟件化。2.2 ISP技術(shù)特點(diǎn)（1） ISP技術(shù)有利于設(shè)計與調(diào)試設(shè)計過程中,可以采用靈活多樣的輸入方式,可以進(jìn)行:原理圖(Schematic)輸入、ABELHDL輸入、VHDL輸入、VERILOG HDL輸入、原理圖與HDL混合輸入,滿足不同設(shè)計的需要,大大提高了設(shè)計速度;能方便、有效地對所設(shè)計的電路的系統(tǒng)進(jìn)行功

13、能仿真和時序仿真,能夠編譯、綜合,進(jìn)行邏輯優(yōu)化,將邏輯映射到器件中去,自動完成布局與布線,并生成編程所需的熔絲圖文件JEDEC,然后通過電纜下載到器件中去,完成硬件電路的設(shè)計,它允許設(shè)計、測試和制造工程師重組系統(tǒng)特性,而器件仍然保持焊接在電路板上,可以實現(xiàn)在同一硬件系統(tǒng)環(huán)境下,根據(jù)設(shè)計要求利用軟件實現(xiàn)功能重組,在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行設(shè)計編程,實現(xiàn)電子電路的硬件設(shè)計軟件化。（2) ISP技術(shù)有利于生產(chǎn)制造ISP技術(shù)提供的多功能硬件設(shè)計,減少了系統(tǒng)部件,有利于在板和系統(tǒng)級設(shè)計、編程與制造,進(jìn)一步簡化了制造流程,大大降低了成本,提高了系統(tǒng)質(zhì)量;ISP技術(shù)能在不浪費(fèi)電路板資源的情況下,進(jìn)行電路板級的測試,并能擴(kuò)

14、大故障尋跡的范圍,采用邊界掃描測試技術(shù),對含有成千上萬個PLD門密度的ISP高密度器件的編程、測試,僅需幾秒鐘就可完成。（3）先進(jìn)的E2CMOS工藝先進(jìn)的E2CMOS工藝使ISP器件具有高密度、低功耗、快速的擦除和再編程、參數(shù)可測試能力、功能可輸出能力,可以獲得最佳ISP參數(shù),保證一萬次以上的擦除和改寫,20年以上的信息保持期,有效的保密單元特性,允許器件編程、檢驗,然后加密,一經(jīng)加密,二進(jìn)制編程模式就不能從器件中讀出,加密后的器件可在擦除后再用。（4）廣闊的應(yīng)用前景ISP技術(shù)及其器件的應(yīng)用十分廣泛,在多媒體圖象編輯、電子測試儀、網(wǎng)絡(luò)布線器和電橋、電話轉(zhuǎn)換開關(guān)系統(tǒng)、硬件加速器、存儲器子系統(tǒng)、多

15、路標(biāo)準(zhǔn)視頻畫面抓取器、數(shù)據(jù)捕獲、圖像處理、機(jī)器人/工業(yè)自動化、通信、醫(yī)療、計算機(jī)硬件等到方面得到了廣泛的應(yīng)用。3. 運(yùn)用ISP技術(shù)進(jìn)行電路設(shè)計的方法與技巧CPLD設(shè)計過程框圖如圖1所示。層次化設(shè)計圖形輸入文本輸入建立項目文件選擇器件設(shè)計編譯與仿真邏輯正確N管腳分配重新編譯N設(shè)計正確形成下載文件下載或編程1) 啟動ISP DESIGN EXPRET軟件:點(diǎn)擊startprogramslattice semiconductorISP Design EXPERT,進(jìn)入項目管理器窗口,創(chuàng)建一個新的設(shè)計項目;2) 器件選擇:雙擊ispLSI出現(xiàn)Device Selector對話框,在Selector D

16、evice欄中,根據(jù)設(shè)計規(guī)模與要求,選擇合適的器件。3) 輸入設(shè)計源文件:一個設(shè)計項目由一個或多個源文件組成,它們可以是原理圖文件、硬件描述語言文件、混合輸入文件,點(diǎn)擊Source/New菜單,選擇你所要設(shè)計源文件的類型,進(jìn)入設(shè)計狀態(tài),完成源文件設(shè)計,存盤、退出;另在一張原理圖編輯器窗口中,通過File/Matching Symbol菜單,建立一張原理圖符號,生成一個與原理圖文件相同名、相同功能的邏輯宏元件,它自動加到元件列表中,可以在更高層的圖紙中反復(fù)調(diào)用;4) 完成設(shè)計的編譯:點(diǎn)擊Source/New菜單,選擇ABELTestVectors,在文本編輯窗口中完成測試向量,存盤、退出;在項目

17、管理器窗口左邊的項目源文件(Sourcesin Project)中,選擇不同的源文件,原理圖文件、硬件描述語言文件、測試向量文件、雙擊編譯(Compile)處理過程功能條,完成編譯;5) 對設(shè)計進(jìn)行仿真:在項目管理器窗口左邊的項目源文件(Sources in Project)中,選擇測試向量文件,雙擊功能仿真(Functional Simulation)功能條,在出現(xiàn)的仿真控制窗口中,點(diǎn)擊Simulate,選Run,將打開波形觀察器,通過觀測輸入、輸出波形,就可以方便地、正確地判斷設(shè)計是否有錯誤,若有誤則反復(fù)修改和測試,直到達(dá)到要求為止;6) 將設(shè)計適配到Lattice器件中,完成了設(shè)計輸入、

18、編譯并通過仿真后,在項目管理器中選擇ispLIS器件名,雙擊Compile Design項目條,完成對源文件的編譯,然后,連接所有的源文件,最后進(jìn)行邏輯分割、布局和布線,產(chǎn)生JEDEC File文件,并在其前出現(xiàn)綠色對號即可;選中器件名,點(diǎn)擊TOOL/ispDCD,啟動IDCD下載軟件,將JEDEC File由計算機(jī)的并口經(jīng)過編程電纜送到芯片的編輯控制端,最終完成芯片設(shè)計。4. 模擬信號檢測儀以ISP技術(shù)設(shè)計CPLD芯片,輔助D/A轉(zhuǎn)換器、比較器等,完成對外界模擬信號的檢測、顯示,同時,這種聯(lián)合裝置可以代替低頻A/D轉(zhuǎn)換器的功能;其系統(tǒng)框圖如圖2所示。模擬信號輸入放大器數(shù)模轉(zhuǎn)換器CPLD比較器譯碼顯示CPLD芯片產(chǎn)生8位二進(jìn)制循環(huán)加法計數(shù)值D7D0,它們與AD558數(shù)據(jù)端相連,使D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生02.56V的斜波電壓,經(jīng)一級運(yùn)放放大一倍后成為05.12V?？勺冸娮杵髂M05V的模擬量輸入值,此值被接入另一