01EDA课程设计.doc

齐齐哈尔大学通信与电子工程学院 通信2005本 EDA课程设计报告摘要EDA技术是现代电子设计的重要手段，文章阐述了EDA技术的基本特征，系统级设计方法，并通过一个实例来介绍EDA技术的应用。文章运用EDA的设计软件之一Protel DXP来设计了基于单片机的数字电子时钟的原理图与PCB图。EDA仿真技术贯穿于电子系统设计的整个环节，通过仿真检查确保设计中问题早期发现，缩短硬件设计的周期，奠定系统的正确性和可行性。电子系统的电路设计经过几个层次的仿真来完成，通过一个实例介绍了EDA仿真技术在电子系统设计中的应用，强调EDA仿真技术在现代电子系统的重要地位及作用。关键词：EDA；Protel DXPAbstractEDA design of modern electronic technology is an important tool, the article describes the basic features of EDA technologies, system-level design, and through an example to introduce EDA technology. Using one of the EDA design software - Protel DXP to design a single chip based on the number of clock electronic schematic diagram and PCB. EDA simulation technology through the electronic system designed to link the whole, through the simulation check to ensure that the design of early detection of problems, reduce the hardware design cycle, lay the correctness and feasibility of the system. Electronic circuit design of the system through several levels of simulation to be completed by the EDA to introduce an example of simulation technology in the electronic system design, EDA emphasis on simulation technology in modern electronic systems and the status of an important role.Keywords EDA; Protel DXP目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 EDA概述11.1.2 EDA 技术的基本特征21.2 EDA技术发展趋势3第2章 EDA常用软件42.1 常用软件介绍42.1.1 MATLAB介绍42.1.2 Multisim介绍42.1.3 Protel DXP介绍52.2 Protel DXP在实际应用中的技术介绍52.2.1 印刷电路板图设计的基本原则要求7第3章 原理图设计及PCB生成83.1 各部分原理图83.2 整体原理图及PCB（如附录）9结 论10致 谢11参考文献12附 录13III第1章 绪论1.1 课题背景进入21世纪，随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，人类进入了一个全新的信息时代。以数字化为特征的电子信息产品，诸如PC，PDA，DC，DV，DTV，Web浏览器、手机等等，成为现代社会不可或缺的一部分。电子信息产品功能不断扩展、性能不断提高，更新换代的步伐越来越快，而同时其价格却一 直呈下降趋势。实现这种进步的主要因素是集成电路制造技术和电子设计技术的发展。前者以微细加工技术为代表，目前已进展到深亚微米和超深亚微米阶段，主流生产工艺技术为013025m，可以在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管。后者的核心就是EDA（电子设计自动化）技术，EDA是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术，并汇集了计算机图形学、拓扑学和计算数学等众多学科而发展起来的一项电子设计的自动化技术，EDA技术已经成为现代电子系统设计的重要手段。1.1.1 EDA概述EDA是电子设计自动化(E1echonics Des5p AMtoM60n)的缩写。由于它是一门刚刚发展起来的新技术，涉及面广，丰富，理解各异，所以尚无一个确切的定义。但从EDA技术的几个主要方面的内容来看，可以理解为：EDA技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设计电子系统到硬件系统的一门新技术。可以实现逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化，逻辑布局布线、逻辑仿真。完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。EDA技术是伴随着计算机、集成电路、电子系统的设计发展起来的，至今已有30多年的历程。大致可以分为三个发展阶段。20世纪70年代的CAD(计算机辅助设计)阶段：这一阶段的主要特征是利用计算机辅助进行电路原理图编辑，PCB布同布线，使得设计师从传统高度重复繁杂的绘图劳动中解脱出来。20世纪80年代的QtE(计算机辅助工程设计)阶段：这一阶段的主要特征是以逻辑摸拟、定时、故障仿真、自动布局布线为核心，重点解决电路设计的功能检测等，使设计而能在产品制作之前预知产品的功能与性能。20世纪90年代是EDA(电子设计自动化)阶段：这一阶段的主要特征是以高级描述语言，系统级仿真和综合技术为特点，采用“自顶向下”的设计理念，将设计前期的许多高层次设计由EDA工具来完成。EDA是电子技术设计自动化，也就是能够帮助人们设计电子电路或系统的软件工具。该工具可以在电子产品的各个设计阶段发挥作用，使设计更复杂的电路和系统成为可能。在原理图设计阶段，可以使用EDA中的仿真工具论证设计的正确性；在芯片设计阶段，可以使用EDA中的芯片设计工具设计制作芯片的版图：在电路板设计阶段，可以使用EDA中电路板设计工具设计多层电路板。特别是支持硬件描述语言的EDA工具的出现，使复杂数字系统设计自动化成为可能，只要用硬件描述语言将数字系统的行为描述正确，就可以进行该数字系统的芯片设计与制造。有专家认为，21世纪将是四A技术的高速发展期，EDA技术将是对21世纪产生重大的十大技术之一。1.1.2 EDA 技术的基本特征EDA技术已有30年的发展历程，大致可分3个阶段：20世纪70年代为计算机辅助设计（CAD）阶段，20世纪80年代为计算机辅助工程（CAE）阶段，20世纪90年代为电子系统设计自动化（ESDA）阶段。EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，其基本特征是：设计人员按照“自顶向下”（Top-down）的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路（ASIC）实现，然后采用硬件描述语言（HDL）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在汁算机上自动处理完成。设计者采用的设计方法是一种高层次的”自顶向下”的全新设计方法，这种设汁方法首先从系统设计人手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框图一级进行仿真、纠错并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行驶证。然后，用综合优化工具生成具体门电路的表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路(ASIC)。设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这既有利于早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，又减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次性成功率。 由于电子产品的复杂度和集成度的日益提高，一般分离的中小规模集成电路组合已不能满足要求，电路设计逐步地从中小规模芯片转为大规模、超大规模芯片，具有高速度、高集成度、低功耗的可编程IC器件已蓬勃发展起来。在EDA技术中所用的大规模、超大规模芯片被称为可编程ASIC芯片，这些可编程逻辑器件自70年代以来，经历了CPm、IzPGA 、CPLD、FPGA几个发展阶段，其中CPm(复杂可编程逻辑器件)IzPGA(现场可编程逻辑器件)肩高密度可编程逻辑器件，目前集成度已高达200万门片以上，它将掩模ASIC集成度高的优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起，特别适合于样品研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上市，而当市场扩大时，它可以很容易地转由掩模ASIC实现，因此开发风险也大为降低。运用EDA中的工具软件能全方位地利用计算机自动设计、仿真和调试。EDA常用软件：EDA工具层出不穷，目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有：multiSIM7(原EWB的最新版本)、PSPICE、OrCAD、PCAD、Protel、Viewlogic、Mentor、Graphics、Synopsys、LSIIogic、Cadence、MicroSim，ISE，modelsim等等。这些工具都有较强的功能，一般可用于几个方面，例如很多软件都可以进行电路设计与仿真，同进还可以进行PCB自动布局布线，可输出多种网表文件与第三方软件接口。1.2 EDA技术发展趋势EDA技术在进入21世纪后，由于更大规模的FPGA的不断推出，在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA软件不断更新、增加，使电子EDA技术得到了更大的发展。电子技术全方位纳入EDA领域，EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容，突出表现在以下几个方面：使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成为可能；基于EDA工具的ASIC设计标准单元已涵盖大规模电子系统及IP核模块；软硬件IP核在电子行业的产业领域、技术领域和设计应用领域得到进一步确认；可以说电子EDA技术是电子设计领域的一场革命。传统的“固定功能集成块十连线”的设计方法正逐步地退出舞台，而基于芯片的设计方法正成为现代电子系统设计的主流。随着的进步，电子产品的更新日新月异，EDA技术作为电子产品开发研制的源动力，已成为现代电子设计的核心。所以发展EDA技术将是电子设计领域和电子产业界的一场重大的技术革命， EDA技术在我国尚未普及，掌握和普及这一全新的技术，将对我国电子技术的发展具有深远的意义。第2章 EDA常用软件2.1 常用软件介绍2.1.1 MATLAB介绍MATLAB 是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。使用 MATLAB，可以较使用传统的编程语言（如 C、C+ 和 Fortran）更快地解决技术计算问题.MATLAB的一大特性是有众多的面向具体应用的工具箱和仿真块，包含了完整的函数集用来对图像信号处理、控制系统设计、神经网络等特殊应用进行分析和设计。它具有数据采集、报告生成和MATLAB语言编程产生独立C/C+代码等功能。MATLAB产品族具有下列功能：数据分析；数值和符号计算、工程与科学绘图；控制系统设计；数字图像信号处理；财务工程；建模、仿真、原型开发；应用开发；图形用户界面设计等。MATLAB产品族被广泛应用于信号与图像处理、控制系统设计、通讯系统仿真等诸多领域。开放式的结构使MATLAB产品族很容易针对特定的需求进行扩充，从而在不断深化对问题的认识同时，提高自身的竞争力。2.1.2 Multisim介绍Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。Multisim（EWB的最新版本）软件是Interactive Image Technologies Ltd在20世纪末推出的电路仿真软件。其最新版本为Multisim7，目前普遍使用的是Multisim2001，相对于其它EDA软件，它具有更加形象直观的人机交互界面，特别是其仪器仪表库中的各仪器仪表与操作真实实验中的实际仪器仪表完全没有两样，但它对模数电路的混合仿真功能却毫不逊色，几乎能够100%地仿真出真实电路的结果，并且它在仪器仪表库中还提供了万用表、信号发生器、瓦特表、双踪示波器（对于Multisim7还具有四踪示波器）、波特仪（相当实际中的扫频仪）、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、失真度分析仪、频谱分析仪、网络分析仪和电压表及电流表等仪器仪表。还提供了我们日常常见的各种建模精确的元器件，比如电阻、电容、电感、三极管、二极管、继电器、可控硅、数码管等等。模拟集成电路方面有各种运算放大器、其他常用集成电路。数字电路方面有74系列集成电路、4000系列集成电路、等等还支持自制元器件。Multisim7还具有I-V分析仪（相当于真实环境中的晶体管特性图示仪）和Agilent信号发生器、Agilent万用表、Agilent示波器和动态逻辑平笔等。同时它还能进行VHDL仿真和Verilog HDL仿真。2.1.3 Protel DXP介绍Protel DXP是Altium公司作为EDA领域里的一个领先公司，在原来Protel 99SE的基础上，应用最先进的软件设计方法，率先推出了一款基于Windows2000和Windows XP操作系统的EDA设计软件Protel DXP。Protel DXP在前版本的基础上增加了许多新的功能。新的可定制设计环境功能包括双显示器支持，可固定、浮动以及弹出面板，强大的过滤和对象定位功能及增强的用户界面等。Protel DXP是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。Protel DXP运行在优化的设计浏览器平台上，并且具备当今所有先进的设计特点，能够处理各种复杂的PCB设计过程。通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，Protel DXP提供了全面的设计解决方案。Protel DXP 2004已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是由多个模块组成的系统工具，分别是SCH（原理图）设计、SCH（原理图）仿真、PCB（印制电路板）设计、Auto Router（自动布线器）和FPGA设计等，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。与较早的版本Protel99相比，Protel DXP 2004不仅在外观上显得更加豪华、人性化，而且极大地强化了电路设计的同步化，同时整合了VHDL和FPGA设计系统，其功能大大加强了。2.2 Protel DXP在实际应用中的技术介绍如下图是Protel DXP的工作界面：Protel DXP的工作界面图在运用Protel DXP绘制原理图和制作PCB的过程中最重要的是PCB制作环节，PCB的制作直接影响到整个产品的性能，所以在PCB的制作过程中要合理的安排元器件的放置以及避免一些没必要的干扰。下面就是PCB制作过程中的一些使用技巧。在高速PCB设计中，看似简单的过孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应.为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响，在设计中可以尽量做到：1、从成本和信号质量两方面考虑,选择合理尺寸的过孔大小。比如对6-10层的内 存模块PCB设计来说,选用10/20Mil(钻孔/焊盘)的过孔较好，对于一些高密度的小尺寸的板子，也可以尝试使用8/18Mil的过孔.目前技术条件下，很难使用更小尺寸的过孔了。对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸，以减小阻抗。 2、PCB板上的信号走线尽量不换层，也就是说尽量不要使用不必要的过孔。 3、电源和地的管脚要就近打过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好，因为它们会 导致电感的增加.同时电源和地的引线要尽可能粗，以减少阻抗。4、在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔，以便为信号提供最近的回路.甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地过孔。当然,在设计时还需要灵活多变。前面讨论的过孔模型是每层均有焊盘的情况，也有的时候,我们可以将某些层的焊盘减小甚至去掉。特别是在过孔密度非常大的情况下，可能会导致在铺铜层形成一个隔断回路的断槽,解决这样的问题除了移动过孔的位置，我们还可以考虑将过孔在该铺铜层的焊盘尺寸减小。 2.2.1 印刷电路板图设计的基本原则要求 1印刷电路板的设计从确定板的尺寸大小开始，印刷电路板的尺寸因受机箱外壳大小限制，以能恰好安放入外壳内为宜,其次，应考虑印刷电路板与外接元器件(主要是电位器、插口或另外印刷电路板)的连接方式。印刷电路板与外接元件一般是通过塑料导线或金属隔离线进行连接。但有时也设计成插座形式。即：在设备内安装一个插入式印刷电路板要留出充当插口的接触位置。对于安装在印刷电路板上的较大的元件，要加金属附件固定，以提高耐振、耐冲击性能。 2布线图设计的基本方法 首先需要对所选用元件器及各种插座的规格、尺寸、面积等有完全的了解；对各部件的位置安排作合理的、仔细的考虑,主要是从电磁场兼容性、抗干扰的角度，走线短，交叉少，电源地的路径及去耦等方面考虑。各部件位置定出后，就是各部件的连线，按照电路图连接有关引脚，完成的方法有多种，印刷线路图的设计有计算机辅助设计与手工设计方法两种。 3印刷电路板中各元件之间的接线安排方式如下：(1)印刷电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决。 (2)电阻、二极管、管状电容器等元件有“立式”，“卧式”两种安装方式。立式指的是元件体垂直于电路板安装、焊接，其优点是节省空间，卧式指的是元件体平行并紧贴于电路板安装，焊接其优点是元件安装的机械强度较好，这两种不同的安装元件，印刷电路板上的元件孔距是不一样的。 (3)同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。特别是本级晶体管基极、发射极的接地点不能离得太远，否则因两个接地点间的铜箔太长会引起干扰与自激，采用这样“一点接地法”的电路，工作较稳定，不易自激。 (4)总地线必须严格按高频-中频-低频一级级地按弱电到强电的顺序排列原则，切不可随便翻来复去乱接,级与级间宁肯可接线长点，也要遵守这一规定.特别是变频头、再生头、调频头的接地线安排要求更为严格，如有不当就会产生自激以致无法工作。(5)强电流引线(公共地线，功放电源引线等)应尽可能宽些，以降低布线电阻及其电压降，可减小寄生耦合而产生的自激。 第3章 原理图设计及PCB生成3.1 各部分原理图通过对EDA的学习及运用其软件设计并绘制原各部分理图如下： 数码管电路图复位电路图DS18B20芯片电路报警器电路图DS1302