EDA技術(shù)基礎(chǔ)教程

會(huì)計(jì)學(xué)1EDA技術(shù)基礎(chǔ)教程EDA技術(shù)的知識(shí)體系EDA技術(shù)內(nèi)容豐富，主要可以劃分為三個(gè)層次：

EDA技術(shù)

ASIC和SoC設(shè)計(jì)

硬件描述語(yǔ)言HDL，如VHDL

EDA工具軟件的使用

第1頁(yè)/共67頁(yè)1.1.2EDA技術(shù)的發(fā)展1、70年代：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算2、80年代：計(jì)算機(jī)輔助工程CAE計(jì)算機(jī)繪圖，如PROTEL3、90年代以后：EDAEDA技術(shù)：是依賴功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，在EDA工具軟件平臺(tái)上，以HDL為手段為系統(tǒng)邏輯描述完成的設(shè)計(jì)文件，自動(dòng)地完成邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、邏輯分割、邏輯綜合、結(jié)構(gòu)綜合(布局布線)，以及邏輯優(yōu)化和仿真調(diào)試，直至實(shí)現(xiàn)既定的電子線路系統(tǒng)功能。HDL：HardwareDescriptionLanguage硬件描述語(yǔ)言第2頁(yè)/共67頁(yè)1.1.3EDA技術(shù)的重要性20世紀(jì)90年代以后，EDA技術(shù)的發(fā)展使現(xiàn)代電子產(chǎn)品正在以前所未有的革新速度，向著功能多樣化、體積最小化、功耗最低化迅速發(fā)展。集成電路的設(shè)計(jì)不斷向超大規(guī)模、極低功耗和超高速的方向發(fā)展；專用集成電路ASIC的設(shè)計(jì)成本不斷降低，在功能上，現(xiàn)代的集成電路已能實(shí)現(xiàn)單片電子系統(tǒng)SOC(SystemOnaChip)的功能。第3頁(yè)/共67頁(yè)1.2EDA技術(shù)的作用與特點(diǎn) 1.2.1EDA技術(shù)的基本作用：1.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案驗(yàn)證2.電子電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)3.電路性能的仿真分析第4頁(yè)/共67頁(yè)1.3EDA技術(shù)的設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用1.3.1EDA技術(shù)的設(shè)計(jì)方法：

EDA技術(shù)采用的設(shè)計(jì)思想：自頂向下（Toptodown）。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是自底向上（Bottom-Up）的構(gòu)造出一個(gè)新的系統(tǒng)，如同一磚一瓦地建造金字塔，效率低且成本高。

第5頁(yè)/共67頁(yè) 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法：Bottom-up，基于電路板的設(shè)計(jì)方法固定功能元件電路板設(shè)計(jì)完整系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)功能需求輸入輸出第6頁(yè)/共67頁(yè)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的缺點(diǎn)

1.設(shè)計(jì)依賴于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)。

2.設(shè)計(jì)依賴于現(xiàn)有的通用元器件。

3.設(shè)計(jì)后期的仿真不易實(shí)現(xiàn)和調(diào)試復(fù)雜。

4.自下而上設(shè)計(jì)思想的局限。

5.設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)周期長(zhǎng)，靈活性差，耗時(shí)耗力，效率低下。

第7頁(yè)/共67頁(yè)系統(tǒng)規(guī)格設(shè)計(jì)功能級(jí)描述功能級(jí)仿真邏輯綜合、優(yōu)化、布局布線定時(shí)仿真、定時(shí)檢查輸出門(mén)級(jí)網(wǎng)表ASIC芯片投片、PLD器件編程、測(cè)試ASIC:ApplicationSpecificIntegratedCircuitsPLD:ProgrammableLogicDevices自頂向下設(shè)計(jì)方法第8頁(yè)/共67頁(yè)

EDA技術(shù)的設(shè)計(jì)方法可分為：系統(tǒng)級(jí)、電路級(jí)和物理或芯片級(jí)。

物理級(jí)：IC板圖的設(shè)計(jì)系統(tǒng)級(jí)：面向大型復(fù)雜的電子產(chǎn)品電路級(jí)：具體的電路或單元，它是電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)，常用的EDA多屬于電路級(jí)設(shè)計(jì)。第9頁(yè)/共67頁(yè)1電路級(jí)設(shè)計(jì)電子工程師確定設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，選擇實(shí)現(xiàn)該方案的合適的元器件，根據(jù)電路指標(biāo)設(shè)計(jì)原理圖，并進(jìn)行電路的功能仿真，包括故障分析、交直流分析和瞬態(tài)分析等等。后仿真,電路性能的仿真，主要是檢驗(yàn)PCB板在實(shí)際工作環(huán)境中的可行性，盡早的發(fā)現(xiàn)缺陷和問(wèn)題并進(jìn)行修改。第10頁(yè)/共67頁(yè)2系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)是一種概念驅(qū)動(dòng)式設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員無(wú)須通過(guò)原理圖描述電路，而是針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行功能描述。 由于擺脫了電路細(xì)節(jié)的束縛，設(shè)計(jì)人員可以集中精力于概念的構(gòu)思和方案設(shè)計(jì)上面。再以描述語(yǔ)言把概念構(gòu)思輸入計(jì)算機(jī)，EDA系統(tǒng)就能以規(guī)則驅(qū)動(dòng)的方式自動(dòng)完成設(shè)計(jì)。第11頁(yè)/共67頁(yè)1.3.2EDA技術(shù)的應(yīng)用

EDA技術(shù)貫穿于整個(gè)電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的全過(guò)程，應(yīng)用領(lǐng)域:

從低頻電路到高頻電路、從線性電路到非線性電路、從模擬電路到數(shù)字電路、從分立元件到集成電路的各方面。

第12頁(yè)/共67頁(yè)EDA涉及的領(lǐng)域：

包括在機(jī)械、電子、通信、航空航天、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學(xué)、軍事等各個(gè)領(lǐng)域，都有EDA的應(yīng)用。目前EDA

技術(shù)已在各大公司、企事業(yè)單位和科研教學(xué)部門(mén)廣泛使用。例如在飛機(jī)制造過(guò)程中，從設(shè)計(jì)、性能測(cè)試及特性分析直到飛行模擬，都可能涉及到EDA技術(shù)。第13頁(yè)/共67頁(yè)EDA技術(shù)的應(yīng)用第14頁(yè)/共67頁(yè)1.4.1常用的EDA軟件 常用的EDA軟件可分為： 電路設(shè)計(jì)與仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件、IC和PLD設(shè)計(jì)軟件第15頁(yè)/共67頁(yè)電子電路設(shè)計(jì)與仿真軟件

SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis） SPICE可對(duì)電路進(jìn)行非線性直流分析、非線性瞬態(tài)分析和線性交流分析。被分析的電路中的元件可包括電阻、電容、電感、互感、獨(dú)立電壓源、獨(dú)立電流源、各種線性受控源、傳輸線以及有源半導(dǎo)體器件。SABER：外圍電路的分析軟件。結(jié)構(gòu)上采用硬件描述語(yǔ)言和單內(nèi)核混合仿真方案。價(jià)格昂貴，使用較少。第16頁(yè)/共67頁(yè)Multisim：EWB(ElectronicWorkbench,電子工作平臺(tái))的新版本。適用于板級(jí)的模擬∕數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。目前國(guó)內(nèi)常用的Multisim2001版本，功能強(qiáng)大，對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求不高。Matlab：一種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真和分析的可視化設(shè)計(jì)軟件。第17頁(yè)/共67頁(yè)P(yáng)CB設(shè)計(jì)軟件PCB(PrintedCircuitBoard)ProtelPowerPCB第18頁(yè)/共67頁(yè)1.4.2本書(shū)選用的EDA軟件典型的EDA軟件主要實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)任務(wù)：電路原理圖的創(chuàng)建、混合信號(hào)的仿真和PCB的設(shè)計(jì)。 本書(shū)EDA軟件:Multisim2001和Protel2004 Multisim：側(cè)重在電路的仿真分析 Protel：側(cè)重電路原理圖設(shè)計(jì)和PCB板設(shè)計(jì)第19頁(yè)/共67頁(yè)

第2章multisim2001系統(tǒng)第20頁(yè)/共67頁(yè)2.1multisim2001系統(tǒng)簡(jiǎn)介

第21頁(yè)/共67頁(yè)Multisim2001是加拿大InteractiveImageTechnologies公司2001年推出的Multisim最新版本，是該公司電子線路仿真軟件EWB（ElectronicsWorkbench，虛擬電子工作臺(tái)）的升級(jí)版。第22頁(yè)/共67頁(yè)Multisim2001用軟件的方法虛擬電子與電工元器件，虛擬電子與電工儀器和儀表，實(shí)現(xiàn)了“軟件即元器件”、“軟件即儀器”。Multisim2001是一個(gè)原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬仿真軟件。第23頁(yè)/共67頁(yè)Multisim2001的虛擬測(cè)試儀器儀表種類齊全，有一般實(shí)驗(yàn)用的通用儀器，如萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源；而且還有一般實(shí)驗(yàn)室少有或沒(méi)有的儀器，如波特圖儀、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、失真儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等。第24頁(yè)/共67頁(yè)Multisim2001具有較為詳細(xì)的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、離散傅里葉分析、電路零極點(diǎn)分析、交直流靈敏度分析等電路分析方法，以幫助設(shè)計(jì)人員分析電路的性能。第25頁(yè)/共67頁(yè)Multisim2001可以設(shè)計(jì)、測(cè)試和演示各種電子電路，包括電工學(xué)、模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路及部分微機(jī)接口電路等?？梢詫?duì)被仿真的電路中的元器件設(shè)置各種故障，如開(kāi)路、短路和不同程度的漏電等，從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。在進(jìn)行仿真的同時(shí)，軟件還可以存儲(chǔ)測(cè)試點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)，列出被仿真電路的所有第26頁(yè)/共67頁(yè)元器件清單，以及存儲(chǔ)測(cè)試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形和具體數(shù)據(jù)等。Multisim2001有豐富的Help功能，其Help系統(tǒng)不僅包括軟件本身的操作指南，更重要的是包含有元器件的功能解說(shuō)，Help中這種元器件功能解說(shuō)有利于使用EWB進(jìn)行CAI教學(xué)。另外，EWB還提供了與國(guó)內(nèi)外流行的印刷電路板設(shè)計(jì)自動(dòng)化第27頁(yè)/共67頁(yè)軟件Protel及電路仿真軟件PSpice之間的文件接口，也能通過(guò)Windows的剪貼板把電路圖送往文字處理系統(tǒng)中進(jìn)行編輯排版。支持VHDL和VerilogHDL語(yǔ)言的電路仿真與設(shè)計(jì)。利用Multisim2001可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與虛擬實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)方法相比，具有如下特點(diǎn)：設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)可以同步進(jìn)行，可以邊設(shè)計(jì)邊實(shí)驗(yàn)，修改調(diào)試方便第28頁(yè)/共67頁(yè)；設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)用的元器件及測(cè)試儀器儀表齊全，可以完成各種類型的電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)；可方便地對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和分析；可直接打印輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、測(cè)試參數(shù)、曲線和電路原理圖；實(shí)驗(yàn)中不消耗實(shí)際的元器件，實(shí)驗(yàn)所需元器件的種類和數(shù)量不受限制，實(shí)驗(yàn)成本低，實(shí)驗(yàn)速度快，效率高；設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)成功的電路可以直接在產(chǎn)品中使用。第29頁(yè)/共67頁(yè)2.2multisim的基本界面

第30頁(yè)/共67頁(yè)元器件欄暫停/恢復(fù)開(kāi)關(guān)啟動(dòng)/停止開(kāi)關(guān)菜單欄工具欄電路工作區(qū)圖2.2.1multisim的主窗口第31頁(yè)/共67頁(yè)

2.2.2multisim菜單欄multisim2001有9個(gè)主菜單，如圖1.2.2所示，菜單中提供了本軟件幾乎所有的功能命令。

文件窗口顯示仿真工具幫助編輯放置傳輸選項(xiàng)圖2.2.2multisim2001的9個(gè)主菜單第32頁(yè)/共67頁(yè)2.2.3multisim工具欄

新建存盤(pán)復(fù)制打印放大元件儀表分析

HDL傳輸報(bào)告后處理仿真器元器件編輯縮小幫助粘貼剪切打開(kāi)

第33頁(yè)/共67頁(yè)2.2.4multisim的元器件庫(kù)

基本器件庫(kù)晶體管庫(kù)

TTL器件庫(kù)混合集成電路庫(kù)指示器件庫(kù)控制器件庫(kù)機(jī)電類器件庫(kù)電源/信號(hào)源庫(kù)二極管庫(kù)模擬集成電路庫(kù)CMOS器件庫(kù)數(shù)字器件庫(kù)其他器件庫(kù)射頻元器件庫(kù)第34頁(yè)/共67頁(yè)電源/信號(hào)源庫(kù) 電源庫(kù)中共有30個(gè)電源器件，有為電路提供電能的功率電源，有作為輸入信號(hào)的各式各樣的信號(hào)源及產(chǎn)生電信號(hào)轉(zhuǎn)變的控制電源，還有1個(gè)接地端和1個(gè)數(shù)字電路接地端。 Multisim把電源類的器件全部當(dāng)作虛擬器件，因而不能使用Multisim中的元件編輯工具對(duì)其模型及符號(hào)等進(jìn)行修改或重新創(chuàng)建，只能通過(guò)自身的屬性對(duì)話框?qū)ζ湎嚓P(guān)參數(shù)直接進(jìn)行設(shè)置。在將電路文件輸出給PCB版圖設(shè)計(jì)等程序時(shí)，不輸出電源。第35頁(yè)/共67頁(yè)基本元器件庫(kù)

基本元器件庫(kù)中包含現(xiàn)實(shí)元件箱22個(gè)，每個(gè)現(xiàn)實(shí)元件箱中又存放著若干個(gè)與現(xiàn)實(shí)元件一致的仿真軟件供選用。還有7個(gè)虛擬元件箱，其中的元件不需要選擇，而是直接調(diào)用，然后再通過(guò)其屬性對(duì)話框設(shè)置其參數(shù)值。不過(guò)，在選擇元件是還是應(yīng)該盡量到現(xiàn)實(shí)元件箱中去選取，這不僅是因?yàn)檫x用現(xiàn)實(shí)元件能使仿真更接近于現(xiàn)實(shí)情況，還在于現(xiàn)實(shí)的元件都有元件封裝標(biāo)準(zhǔn)，可將仿真后的電路圖直接轉(zhuǎn)換成PCB文件。但在選取不到某些參數(shù)或要進(jìn)行溫度掃描活參數(shù)掃描分析時(shí)，就要選用虛擬元件。第36頁(yè)/共67頁(yè)基本元器件庫(kù)第37頁(yè)/共67頁(yè)二極管庫(kù)

二極管庫(kù)中包含著11個(gè)元件箱，雖然僅有一個(gè)虛擬元件箱，但發(fā)光二極管元件箱存放的是交互式元件，其處理方式也基本等同于虛擬元件。二極管庫(kù)中的虛擬器件的參數(shù)是可以任意設(shè)置的，非虛擬元器件的參數(shù)是固定的，但可選擇。第38頁(yè)/共67頁(yè)晶體管庫(kù) 晶體管庫(kù)中共有33個(gè)元件箱，其中17個(gè)現(xiàn)實(shí)元件箱中存放著Generic等世界著名晶體管制造廠商的眾多晶體管元件模型，都有較高的精度。還有16個(gè)虛擬元件箱，虛擬元件箱中的虛擬晶體管相當(dāng)于理想晶體管?？梢酝ㄟ^(guò)打開(kāi)其屬性對(duì)話框?qū)δＰ蛥?shù)進(jìn)行修改，修改后的模型只能本次使用，對(duì)庫(kù)中已有的模型沒(méi)有影響。第39頁(yè)/共67頁(yè)第40頁(yè)/共67頁(yè)模擬元器件庫(kù) 模擬集成電路庫(kù)包含9種運(yùn)算放大器。模擬集成電路庫(kù)中的虛擬器件的參數(shù)是可以任意設(shè)置的，非虛擬元器件的參數(shù)是固定的，但可選擇。第41頁(yè)/共67頁(yè)TTL元器件庫(kù)第42頁(yè)/共67頁(yè)CMOS元器件庫(kù)第43頁(yè)/共67頁(yè)混雜數(shù)字器件庫(kù)

數(shù)字元件庫(kù)中的TIL元件箱就是把常用的數(shù)字元件按照其功能存放的，不過(guò)它們都是虛擬元件，不能轉(zhuǎn)換成版圖文件。第44頁(yè)/共67頁(yè)混合元器件庫(kù)

混合集成電路庫(kù)中存放著6個(gè)元件箱，其中盡管ADC_DAC元件箱沒(méi)有綠色襯底，但仍屬于虛擬元件。第45頁(yè)/共67頁(yè)混雜部件庫(kù)第46頁(yè)/共67頁(yè)控制部件庫(kù) 控制器件庫(kù)共有12個(gè)常用的控制模塊，雖然這些控制模塊沒(méi)有綠色襯底，但仍屬于虛擬元件，既不能改動(dòng)其模型，只能在其屬性對(duì)話框中設(shè)置相關(guān)參數(shù)?？刂破骷?kù)包括乘法器、除法器等控制用器件。第47頁(yè)/共67頁(yè)數(shù)字多用表瓦特表示波器字信號(hào)發(fā)生器邏輯轉(zhuǎn)換器失真度分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀函數(shù)信號(hào)發(fā)生器波特圖儀邏輯分析儀頻譜分析儀圖1.2.19儀器儀表庫(kù)的圖標(biāo)及功能2.2.5multisim儀器儀表庫(kù)

第48頁(yè)/共67頁(yè)2.3儀器儀表的使用

第49頁(yè)/共67頁(yè)2.3.1數(shù)字多用表（Multimeter）

數(shù)字多用表是一種可以用來(lái)測(cè)量交直流電壓、交直流電流、電阻及電路中兩點(diǎn)之間的分貝損耗，自動(dòng)調(diào)整量程的數(shù)字顯示的多用表。用鼠標(biāo)雙擊數(shù)字多用表圖標(biāo)，放大的數(shù)字多用表面板圖如圖2.3.1所示。第50頁(yè)/共67頁(yè)數(shù)字顯示口

交直流選擇正端

檔位選擇

參數(shù)設(shè)置

負(fù)端圖2.3.1數(shù)字多用表面板圖第51頁(yè)/共67頁(yè)2.3.2函數(shù)信號(hào)發(fā)生器（FunctionGenerator）

函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是可提供正弦波、三角波、方波三種不同波形的信號(hào)的電壓信號(hào)源。用鼠標(biāo)雙擊函數(shù)信號(hào)發(fā)生器圖標(biāo)，放大的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的面板圖如圖2.3.2所示。第52頁(yè)/共67頁(yè)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器其輸出波形、工作頻率、占空比、幅度和直流偏置，可用鼠標(biāo)來(lái)選擇波形選擇按鈕和在各窗口設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。頻率設(shè)置范圍為1Hz～999MHz；占空比調(diào)整值可從1％～99％：幅度設(shè)置范圍為1μV～999kV；偏置設(shè)置范圍為一999kV～999kV。第53頁(yè)/共67頁(yè)正弦波三角波方波頻率占空比幅度偏置

正端地負(fù)端圖2.3.2函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的面板圖第54頁(yè)/共67頁(yè)1.3.3示波器（Oscilloscope）

示波器用來(lái)顯示電信號(hào)波形的形狀、大小、頻率等參數(shù)的儀器。用鼠標(biāo)雙擊示波器圖標(biāo)，放大的示波器的面板圖如圖1.3.3所示。第55頁(yè)/共67頁(yè)圖1.3.3示波器的面板圖第56頁(yè)/共67頁(yè)示波器面板各按鍵的作用、調(diào)整及參數(shù)的設(shè)置與實(shí)際的示波器類似。1.時(shí)基（Timebase）控制部分的調(diào)整（1）時(shí)間基準(zhǔn)X軸刻度顯示示波器的時(shí)間基準(zhǔn)，其基準(zhǔn)為0.1ns／Div～1s／Div可供選擇。第57頁(yè)/共67頁(yè)（2）X軸位置控制X軸位置控制X軸的起始點(diǎn)。當(dāng)X的位置調(diào)到0時(shí)，信號(hào)從顯示器的左邊緣開(kāi)始，正值使起始點(diǎn)右移，負(fù)值使起始點(diǎn)左移。X位置的調(diào)節(jié)范圍從一5.00～＋5.00。第58頁(yè)/共67頁(yè)（3）顯示方式選擇顯示方式選擇示波器的顯示，可以從“幅度／時(shí)間（Y／T）”切換到“A通道／B通道中（A／B）”、“B通道／A通道（B／A）”

或“Add”方式。①Y／T方式：X軸顯示時(shí)間，Y軸顯示電壓值。②A／B、B／A方式：X軸與Y軸都顯示電壓值。③

Add方式：X軸顯示時(shí)間，Y軸顯示A通道、B通道的輸入電壓之和。第59頁(yè)/共67頁(yè)2.示波器輸入通道（ChannelA/B）的設(shè)置（1）Y軸刻度Y軸電壓刻度范圍從10μV／Div～5kV／Div，可以根據(jù)輸入信號(hào)大小來(lái)選擇Y軸刻度值的大小，使信號(hào)波形在示波器顯示屏上顯示出合適的幅度。第60頁(yè)/共67頁(yè)（2）Y軸位置(