《電子線(xiàn)路CAD》課件-第1章

1.1電子線(xiàn)路CAD的意義1.2常用電子線(xiàn)路CAD軟件1.3本書(shū)主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)中采用CAD技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)縮短設(shè)計(jì)周期。采用CAD技術(shù)，用計(jì)算機(jī)模擬代替搭試驗(yàn)電路的方法，可以減輕設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證階段的工作量，大大加速設(shè)計(jì)進(jìn)程。例如，在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，采用Protel中的自動(dòng)布局布線(xiàn)和功能強(qiáng)大的后處理功能，可以很方便地完成印刷電路板的設(shè)計(jì)，將人們從繁瑣的純手工布線(xiàn)中解放出來(lái)。1.1電子線(xiàn)路CAD的意義

(2)節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)用。搭試驗(yàn)電路費(fèi)用高、效率低，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬驗(yàn)證則可以減少硬件的投資，節(jié)省研制費(fèi)用。

(3)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。CAD技術(shù)采用精確的模型來(lái)計(jì)算電路特性，可以很容易地實(shí)現(xiàn)靈敏度分析、容差分析、參數(shù)優(yōu)化、成品率模擬和最壞情況分析等各種分析，在節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)用的同時(shí)也提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

(4)共享設(shè)計(jì)資源。在CAD系統(tǒng)中，成熟的單元設(shè)計(jì)及各種模型和模型參數(shù)均存放在數(shù)據(jù)庫(kù)文件中，用戶(hù)可直接分享這些設(shè)計(jì)資源，特別是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容進(jìn)行修改或增添新內(nèi)容后，用戶(hù)可及時(shí)利用這些最新的結(jié)果。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，需設(shè)計(jì)的電路越來(lái)越復(fù)雜，規(guī)模也越來(lái)越大，在這種情況下，離開(kāi)CAD技術(shù)幾乎無(wú)法完成現(xiàn)代的電子電路設(shè)計(jì)任務(wù)。根據(jù)電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)任務(wù)的需要，目前可用于設(shè)計(jì)過(guò)程的CAD軟件包括如下幾類(lèi)：

(1)通用電路模擬軟件：是對(duì)一般電子電路進(jìn)行模擬驗(yàn)證的軟件。該軟件可根據(jù)給出的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電路中所用的元器件參數(shù)，模擬分析該電路的直流、交流和瞬態(tài)等各種特性，并進(jìn)而進(jìn)行靈敏度分析、成品率模擬和最壞情況分析等類(lèi)型的分析。例如PSpice、EWB等就屬于這種軟件。

(2)專(zhuān)用電路設(shè)計(jì)軟件：是指專(zhuān)門(mén)用于某些特定類(lèi)型電路(例如由PLD和FPGA等可編程器件構(gòu)成的電路)的設(shè)計(jì)軟件。與通用模擬軟件相比，這類(lèi)軟件適用面窄，但在其適用范圍內(nèi)功能則更強(qiáng)，往往還具有優(yōu)化設(shè)計(jì)的功能。

(3)印刷電路板布局布線(xiàn)軟件：該類(lèi)軟件具有自動(dòng)布局布線(xiàn)功能，一般只需用戶(hù)進(jìn)行少量的人工干預(yù)就可完成印刷電路板的設(shè)計(jì)任務(wù)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，CAD軟件的功能越來(lái)越強(qiáng)大，一種軟件往往包含以上各部分功能，例如Protel。在計(jì)算機(jī)上，利用電子線(xiàn)路CAD軟件進(jìn)行完整的電路設(shè)計(jì)的一般過(guò)程如下：

(1)編輯原理圖。原理圖編輯是電路CAD設(shè)計(jì)的前提，因此原理圖編輯是電路CAD軟件必備的功能。

(2)電路仿真。電路功能、性能主要由原理圖決定，編輯好原理圖后，在制作電路板前，一定要對(duì)電路的功能、性能指標(biāo)進(jìn)行仿真測(cè)試。

(3)設(shè)計(jì)、編輯印制電路板(PCB)。PCB設(shè)計(jì)是電路CAD設(shè)計(jì)的最終目的，因此PCB功能的強(qiáng)弱(如自動(dòng)布局、布線(xiàn)效果)是衡量電路CAD軟件性能的指標(biāo)之一。

本書(shū)主要介紹兩種目前在電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的CAD軟件——PSpice和Protel。前者是經(jīng)典的電路設(shè)計(jì)和仿真工具，后者不但可以完成常用的模擬和數(shù)字電路的分析設(shè)計(jì)，還是目前最主流的PCB板設(shè)計(jì)工具，具有強(qiáng)大的功能。1.2.1PSpice

PSpice是在SPICE的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。最初的SPICE(SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis)是在20世紀(jì)70年代，由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克萊分校在模擬電子電路的研究中開(kāi)發(fā)的一種用以分析、設(shè)計(jì)和測(cè)試復(fù)雜電子電路的軟件工具。其后，美國(guó)的MicroSim公司進(jìn)一步將其逐步完善，包裝為一個(gè)能應(yīng)用于不同領(lǐng)域的商品化版本。為了能在PC機(jī)上運(yùn)行SPICE，MicroSim公司在1983年推出PSpice軟件產(chǎn)品，PSpice與SPICE使用同樣的運(yùn)算規(guī)則和語(yǔ)法。1.2常用電子線(xiàn)路CAD軟件自從這個(gè)程序問(wèn)世以來(lái)，由于它的強(qiáng)大功能，在全世界的電工、電子工程界得到了廣泛的應(yīng)用。在大學(xué)里，它是工科類(lèi)學(xué)生必會(huì)的分析與設(shè)計(jì)電路的工具；在科研開(kāi)發(fā)部門(mén)，它是產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、試驗(yàn)到定型過(guò)程中不可缺少的工具。此后PSpice的版本不斷更新，功能不斷完善，在1988年P(guān)Spice已被定為美國(guó)國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前大多數(shù)電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)仿真軟件都是以PSpice為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。20世紀(jì)80年代以來(lái)，采用自由格式語(yǔ)言的Pspice5.0版本在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用。最初的PSpice是采用網(wǎng)單文件的方式輸入的，用戶(hù)需要編寫(xiě)待分析的電路系統(tǒng)源程序(網(wǎng)單文件)。?PSpice從6.0版本開(kāi)始引入圖形界面，此版本的PSpice不僅可以接收網(wǎng)單文件，還可以接收以圖形方式輸入，即只要按規(guī)則在輸入窗口中繪制好電路原理圖，就可以開(kāi)始分析和仿真。它改變了之前版本輸入電路必須采用文本方式的不便，設(shè)計(jì)者采用圖形輸入方式就可以很直觀方便地在電路設(shè)計(jì)窗口繪制電路，并對(duì)電路進(jìn)行各種模擬分析，如不符合設(shè)計(jì)要求，可隨時(shí)調(diào)整電路結(jié)構(gòu)及元器件參數(shù)，重新進(jìn)行模擬分析，直到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。這種電子電路的分析、設(shè)計(jì)與仿真工作蘊(yùn)含于輕點(diǎn)鼠標(biāo)之間，大大提高了電子電路設(shè)計(jì)者的工作質(zhì)量和效率。這也進(jìn)一步推動(dòng)了PSpice的廣泛應(yīng)用。

1998年世界上著名的EDA商業(yè)軟件開(kāi)發(fā)商O(píng)RCAD公司與MicroSim公司正式合并，此后MicroSim公司的PSpice產(chǎn)品正式并入ORCAD公司的商業(yè)CAD系統(tǒng)中。1998年，ORCAD公司正式推出OrCADPSpiceRelease9.0，與傳統(tǒng)的SPICE相比較，OrCADPSpiceRelease9.0及其以后版本界面更加直觀方便，分析功能更強(qiáng)，元器件參數(shù)庫(kù)及宏模型庫(kù)也更加豐富。

OrCAD是一個(gè)軟件包，其進(jìn)行電路模擬分析的核心軟件是PSpiceA/D，其主要分析功能有：

(1)直流特性分析：包括靜態(tài)工作點(diǎn)(BiasPointDetail)、直流靈敏度(DCSensitivity)、直流傳輸特性(TF,TransferFunction)和直流特性?huà)呙?DCSweep)分析。

(2)交流分析：包括頻率特性(ACSweep)和噪聲特性(Noise)分析。

(3)瞬態(tài)分析：包括瞬態(tài)響應(yīng)分析(TransientAnalysis)和傅里葉分析(FourierAnalysis)。

(4)參數(shù)掃描：包括溫度特性分析(TemperatureAnalysis)和參數(shù)掃描分析(ParametricAnalysis)。

(5)統(tǒng)計(jì)分析：包括蒙特卡羅分析(MC，MonteCarlo)和最壞情況分析(WC，WorstCase)。

(6)邏輯模擬：包括數(shù)字模擬(DigitalSimulation)、數(shù)/模混合模擬(MixedA/DSimulation)和最壞情況時(shí)序分析(WorstCasetimingAnalysis)。為使模擬工作做得更快更好、更具靈活性，OrCAD軟件包提供了5個(gè)配套軟件與之相配合：電路圖生成軟件(Capture)、激勵(lì)信號(hào)編輯軟件(StimulusEditor)、模型參數(shù)提取軟件(ModelEditor)、波形顯示和分析模塊軟件(Probe)和優(yōu)化程序軟件(Optimizer)，從而使OrCAD/PSpice具有了電子工程設(shè)計(jì)的全部分析功能，不但能完成模擬或數(shù)字電路分析，而且能完成數(shù)/?；旌想娐贩治觥?.2.2ProtelDXP

Protel系列電子設(shè)計(jì)軟件是在CAD行業(yè)中，特別是在PCB(PrintedCircuitBoard，印制電路板)設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有多年發(fā)展歷史的設(shè)計(jì)軟件。由于其功能強(qiáng)大，界面友好，操作簡(jiǎn)便實(shí)用，問(wèn)世以后很快被廣大電子設(shè)計(jì)工程師所接受和熟悉，并成為發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的CAD軟件之一。在20世紀(jì)80年代到90年代初期，Protel經(jīng)歷了從DOS操作系統(tǒng)下的TANGO軟件到Windows操作系統(tǒng)下的ProtelforWindows產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變，也使Protel軟件確立了在Windows平臺(tái)CAD軟件中的領(lǐng)導(dǎo)地位，逐步成為PC平臺(tái)上最流行的CAD軟件。

1996年P(guān)rotel公司收購(gòu)了美國(guó)NeuroCAD公司，成為世界上擁有基于形狀(Shape-Based)的無(wú)網(wǎng)格布線(xiàn)技術(shù)的少數(shù)幾家公司之一。同年，該公司又收購(gòu)了一家專(zhuān)做可編程邏輯電路設(shè)計(jì)的科技公司，因此在1996年相繼推出了無(wú)網(wǎng)格自動(dòng)布線(xiàn)器和PLD兩個(gè)模塊。接下來(lái)，Protel公司在1996年底推出EDA/Client的第三代版本Protel3之后，1998年又推出了EDA/Client98，成為第一個(gè)包含5個(gè)核心模塊的真正32位EDA工具，它是將AdvancedSCH98(電路原理圖設(shè)計(jì))、PCB98(印刷電路板設(shè)計(jì))、Route98(無(wú)網(wǎng)格布線(xiàn)器)、PLD98(可編程邏輯電路設(shè)計(jì))、SIM98(電路圖模擬/仿真)集成于一體的一個(gè)無(wú)縫連接的設(shè)計(jì)平臺(tái)。

1998年，Protel公司引進(jìn)MicroCodeEngineering公司的仿真技術(shù)和InCasesEngineeringGmbh公司的信號(hào)完整性分析技術(shù)，于1999年正式推出Protel99——具有PDM(設(shè)計(jì)過(guò)程管理)功能的強(qiáng)大CAD綜合設(shè)計(jì)環(huán)境。2000年，Protel公司兼并了美國(guó)著名的EDA公司ACCEL。隨后推出了Protel99SE，進(jìn)一步完善了Protel99軟件的高端功能，步入了與傳統(tǒng)UNIX上大型CAD軟件相抗衡的局面?；赪indows平臺(tái)的Protel經(jīng)過(guò)近10年的發(fā)展，到Protel99SE，已經(jīng)集強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力、復(fù)雜工藝的可生產(chǎn)性和PDM于一體，可完整地實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品從電學(xué)概念設(shè)計(jì)到生成物理生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全過(guò)程，包括中間所有分析的仿真和驗(yàn)證，滿(mǎn)足了產(chǎn)品的高可靠性，極大地縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本。

ProtelDXP是Protel系列軟件的第七代基于Windows平臺(tái)的產(chǎn)品，于2002年7月面世。這個(gè)版本是Altium公司在繼Protel99SE之后經(jīng)過(guò)近3年研究得出的結(jié)果，其中有不少新的方法是在PC平臺(tái)上的首次應(yīng)用。ProtelDXP是一款面向PCB設(shè)計(jì)項(xiàng)目，為用戶(hù)提供板級(jí)設(shè)計(jì)全線(xiàn)解決方案、多方位實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)的EDA軟件。它具有真正的多重捕獲、多重分析、多重執(zhí)行的設(shè)計(jì)環(huán)境。本書(shū)就是基于ProtelDXP版本來(lái)介紹它的應(yīng)用的。與之前的Protel版本相比，ProtelDXP具有如下特點(diǎn)：

(1)智能集成的工作區(qū)界面。ProtelDXP采用了比以往更為靈活的界面，能適應(yīng)各種設(shè)計(jì)需要。這些面板可以提供便捷、實(shí)用的功能。

(2)引入全新的項(xiàng)目管理概念。使用ProtelDXP進(jìn)行設(shè)計(jì)是從創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目開(kāi)始的，這些項(xiàng)目把所有的設(shè)計(jì)元素鏈接在一起，這些元素包括原理圖、網(wǎng)絡(luò)表源文件、PCB文件等一系列設(shè)計(jì)中的文件。在項(xiàng)目中也可以把輸出設(shè)置進(jìn)行保存，包括原理圖和PCB的打印設(shè)置，鉆孔文件以及材料清單的輸出設(shè)置。

(3)集成的元件庫(kù)。ProtelDXP采用了與以往不同的元件庫(kù)形式，它采用了一種新的庫(kù)管理模式——集成元件庫(kù)(IntegratedLibrary)管理。在集成元件庫(kù)下，元件的原理圖符號(hào)、PCB元件封裝和電路仿真所用的仿真模型，以及信號(hào)完整性分析所用的元件管腳模型，都可以通過(guò)鏈接的方式，在調(diào)用元件時(shí)可以把信息同步地傳送給具體的設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

(4)在原理圖中設(shè)置PCB設(shè)計(jì)規(guī)則及進(jìn)行信號(hào)完整性分析。ProtelDXP在原理圖輸入過(guò)程中不僅可以方便地添加元件的信號(hào)完整性模型，還可以對(duì)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)定義具體的設(shè)計(jì)規(guī)則，甚至可以為某個(gè)元件的管腳(Pin)定義設(shè)計(jì)規(guī)則，這些設(shè)計(jì)規(guī)則會(huì)在后期制作PCB文件的時(shí)候自動(dòng)加載。

(5)?Situs拓?fù)溥壿嫴季€(xiàn)器。由于電子器件幾何形狀比較復(fù)雜，以往基于柵格和基于圖形的布線(xiàn)方式往往不能充分利用有限的板上空間或者不能保證很高的布通率。Altium公司在ProtelDXP中引入了新一代布線(xiàn)器——Situs布線(xiàn)器。Situs布線(xiàn)器是一款基于拓?fù)溥壿嫹治龅牟季€(xiàn)器，可以勝任大面積、高密度的電路板的自動(dòng)布線(xiàn)。

(6)全面的設(shè)計(jì)分析。在ProtelDXP中可以直接從原理圖編輯環(huán)境進(jìn)入仿真操作，由于集成庫(kù)把每個(gè)元件的不同模型有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使得DXP中的仿真變得更加直觀。DXP中的界面也做了改進(jìn)，可以在同一窗口中顯示各種數(shù)據(jù)。本書(shū)從應(yīng)用角度出發(fā)，結(jié)合電路設(shè)計(jì)中的實(shí)際問(wèn)題，系統(tǒng)地介紹PSpice(OrCAD9.2)和ProtelDXP的各種功能和應(yīng)用技巧。

在PSpice中，首先介紹利用OrCAD/CaptureCIS繪制電路原理圖的方法，包括如何創(chuàng)建新的設(shè)計(jì)項(xiàng)目、繪制電路原理圖以及圖形的后處理工作；然后介紹了OrCAD/PSpice的模擬仿真功能，詳細(xì)闡述了4種基本電路特性分析的參數(shù)設(shè)置、波形觀測(cè)并分析輸出結(jié)果的過(guò)程，在此基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)了借助PSpice的各種模擬分析功能進(jìn)行電子線(xiàn)路的設(shè)計(jì)的一般方法，其中著重講述了參數(shù)掃描分析在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。1.3本書(shū)主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法在ProtelDXP中，首先介紹了軟件的基本知識(shí)，在此基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)了電路原理圖的繪制，包括簡(jiǎn)單電路原理圖和層次原理圖的繪制方法，以及網(wǎng)絡(luò)表文件的生成；在熟練掌握原理圖繪制