电子系统设计与仿真概述PPT课件

电子系统设计与仿真概述,西安工业大学电信学院信通系雷鸣,第一讲Lecture1,研究生课程,Electronicsystemdesignandsumulation,2020/5/13,第一讲电子系统设计与仿真概述,2,课程内容及课时安排,电子系统设计与仿真技术概述2次集成电路原理与概述4次仿真建模的基础SPICE模型与PCB设计方法4次数字系统设计与仿真22次,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,3,课程要求,本课程为电子专业的研究生选修课，适合于该专业各个研究方向的研究生。课程教学目的是要求学生掌握系统级别的电子系统的设计方法原理和仿真工具的使用。本课程包括数字系统的FPGA设计、高级硬件描述语言的设计、仿真基础Spice分析，PCB的设计与分析。学会利用计算机仿真技术运用于各自研究方向及领域进行系统设计、分析的能力，培养对电子系统的高层设计能力；同时通过授课、作业、用例分析和基本培训，培养学生的系统仿真设计思维。,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,4,课程先修知识及考核,先修知识要求1、模拟电路；2、数字电路考核内容课程作业20（上机设计作业及资料翻译）课程考试60上课情况10,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,5,第一讲电子系统设计与仿真概述,第一节本课的概念与应用领域第二节传统电子系统设计流程与方法第三节现代电子产品的特点第四节仿真在产品设计中的作用,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,6,第一节本课的概念与应用领域,Electronicsystemdesignandsumulation（范围广）EDA=电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）EDA是电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，来设计电子产品的方法。,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,7,计算机辅助工具,产品设计,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,8,1.1常用电子系统设计与仿真软件,PCB类PCB（Printed-CircuitBoard）设计软件种类很多，如Protel、OrCAD、Viewlogic、PowerPCB、CadencePSD、MentorGraphices的ExpeditionPCB、ZukenCadStart、Winboard/Windraft/Ivex-SPICE、PCBStudio、TANGO、PCBWizard（与LiveWire配套的PCB制作软件包）、ultiBOARD7（与multiSIM2001配套的PCB制作软件包）等等。,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,9,IC设计类工具很多，其中按市场所占份额排行为Cadence、MentorGraphics和Synopsys。这三家都是ASIC设计领域相当有名的软件供应商。其它公司的软件相对来说使用者较少。中国华大公司也提供ASIC设计软件（熊猫）；,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,10,射频天线类：1、ADS仿真软件2、在高速和高频电磁仿真软件领域，ansoft公司推出HFSSV11；3、ZELAND软件；,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,11,第二节传统电子系统设计流程与方法,找寻合适的集成电路或其它器件根据需要进行原理图设计根据器件及电磁兼容要求进行结构设计印刷电路板设计（PCB设计）结构和电路板加工、器件采购电装与调试发现问题，返回,自下而上的设计方法（适合小规模电子系统）,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,12,硬件电路设计的传统流程,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,13,旧的硬件设计特点（数字电路设计方法）,1：采用自下而上的设计方法2：采用通用元器件3：在硬件模块电路搭成之后才能进行调试4：设计文件以电路原理图为中心,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,14,硬件设计可能出现的问题,原理设计：器件或电路达不到要求结构设计：各部分机械配合尺寸有误电磁兼容问题：工作稳定性、辐射特性等主频提高、布线密度增加、产品体积缩小导致传输时延、反射、串扰、电磁干扰、地/电层噪声、热辐射等增加地电平面的分割以及地电平面上有过孔、通孔等，导致信号回流路径的不确定性,任何问题都可能导致设计修改，从而使周期延长,还有软件！,signalintegrity,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,15,硬件实现方法：不同的性能价格和难度,硬逻辑实现方法：分立器件的实现方法：如用三极管实现反向器基于标准集成电路的实现方法：基于可编程逻辑器件的实现方法基于定制集成电路的实现方法微型计算机（软件）实现方法：,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,16,第三节现代电子产品的特点,1：现在电子产品类型2：以半导体为依托,以SOC为方向3：产品性能提高,复杂度增加4：产品速度大幅度提高;5：商业电子产品更新换代加快;6：产品研发管理困难;,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,17,世界上最小的计算机,来自美国密歇根大学研究人员开发的世界上最小的计算机,其体积只有1立方毫米,包括一个超级节能的微型处理器、一个压力传感器、一枚记忆卡、一块太阳能电池、一片薄薄的蓄电池和一个无线收发装置。它每隔15分钟自动启动记录数据,耗电量仅为110亿。只要在户外阳光下暴露15个小时，就能充满电。主要为青光眼患者研制，放置在患者眼球内可以监测眼压，方便医生及时为病人缓解痛苦。,1：现在电子产品类型,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,18,无线传感器网络WSN,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,19,智能微尘(smartdust),由超微型传感器、微处理器、无线电收发装置和使它们能够组成一个无线网络的软件共同组成。能够相互定位，收集数据并向基站传递信息。,由于硅片技术和生产工艺的突飞猛进，集成有传感器、计算电路、双向无线通信模块和供电模块的微尘器件的体积已经缩小到了沙粒般大小，但它却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。未来的智能微尘甚至可以悬浮在空中几个小时，搜集、处理、发射信息，它能够仅依靠微型电池工作多年。智能微尘的远程传感器芯片能够跟踪敌人的军事行动，可以把大量智能微尘装在宣传品、子弹或炮弹中，在目标地点撒落下去，形成严密的监视网络，敌国的军事力量和人员、物资的流动自然一清二楚。,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,20,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,21,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,22,2：以半导体为依托，以SOC为方向,Thenumberoftransistorsperintegratedcircuitwoulddoubleevery18month.,Dr.GordonE.MooreisChairmanEmeritusofIntelCorporation.Heco-foundedIntelin1968,servinginitiallyasExecutiveVicePresident.HebecamePresidentandChiefExecutiveOfficerin1975andheldthatpostuntilbeingelectedChairmanandCEOin1979.HeremainedCEOuntil1987andservedasChairmanuntilbeingnamedChairmanEmeritusin1997.,这个论断是在第一块平面集成电路产生4年以后的1965年做出的。当时认为这个发展趋势将持续到1975年。事实上，这个发展规律目前还在延续。,集成电路发展的Moore定律,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,23,1947年12月23日第一个晶体管NPNGe晶体管W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain,获得1956年Nobel物理奖,Gallery,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,24,1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片,获得2000年Nobel物理奖,Gallery,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,25,Gallery-EarlyProcessors,MosTechnology6502,Intel4004FirstP-2300 xtorsL=10m,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,26,Intel4004,Introductiondate:November15,1971Clockspeed:108KHzNumberoftransistors:2,300(10microns)Buswidth:4bitsAddressablememory:640bytesTypicaluse:calculator,firstmicrocomputerchip,arithmeticmanipulation,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,27,Gallery-CurrentProcessors,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,28,Gallery-CurrentProcessors,四核的Corei7拥有7.31亿个晶体管，核心Die面积为270mm2；,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,29,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,30,Gallery-GraphicsProcessor,192个CUDA(ComputeUnifiedDeviceArchitecture)，Tegrak1,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,33,Gallery-CurrentFPGA,XilinxVirtex-7FPGA,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,35,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,36,集成系统芯片情况及发展预测,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,37,集成电路在GWB(世界生产总值)中的比重）,GWPGrossWorldProduct,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,38,硬件设计从量变到质变-4个技术年代,电路集成CI：74ls04功能集成FI：A/D、D/A转换器、测量放大器技术集成TI:收音机、CPU、万用表的专用IC.知识集成KI-IP内核与SOC,IPCORE（IntellectualProperty）,IP核是指用于产品应用专用集成电路（ASIC）或者可编辑逻辑器件（FPGA）的逻辑块或数据块。将一些在数字电路中常用但比较复杂的功能块，如FIR滤波器，SDRAM控制器，PCI接口等等设计成可修改参数的模块，让其他用户可以直接调用这些模块，这样就大大减轻了工程师的负担，避免重复劳动。(实现电子行业的流水线作业),SOC-SystemonChip,SoC：SystemonChip的缩写，称为芯片级系统，也有称片上系统，意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,41,3：产品性能提高复杂度增加,导致一项产品设计可能包含系统分析、软件设计、硬件PCB设计、ASIC设计、结构设计等多个专业领域；智能设备：图像识别、语音识别人性化设计：图形界面、语音输入、PEN输入,以原理图为中心的设计无法满足系统描述的要求；原理图数量庞大，无法分类整理,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,43,4：产品速度提高,WLAN、蓝牙、手机等无线设备占GDP44PC、PAD、嵌入式设备等智能设备的运行速度加快,电子产品设计时钟频率的分布情况,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,44,高速度导致设计问题,电磁兼容性信号完整性设备可靠性,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,45,电磁兼容性EMC,FCCPart15SUBPARTB規定：凡利用数字技术的电子装置或系统,及使用或产生脉冲频率超过10KHz之器材,皆须依规定进行测试认证后，才可以在美国市场销售.EMCElectroMagneticCompatibility,电磁兼容性EMC=EMI+EMSEMI:E.M.Interruption电磁干扰EMS:ElectricMagneticSusceptibility外界干扰的抵抗能力(免疫力),2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,46,电磁兼容性问题,.电磁干扰（EMI）问题环路设计，形成天线效应电源层的槽缝会构成了四分之一波长的天线.密集过孔（如BGA封装器件）.大型接插件（特别是背板）感性元件。注意：在元件面的两个平行放置的电感会构成变压器。,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,47,不合理的回流路径导致EMI,印制板,第一层信号,第三层电源地,第五层电源地,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,48,地电平面不完整引起的EMI,地电平面不完整会引起大的EMI不考虑地电平面不完整情况的仿真是不精确的,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,49,电源完整性问题,.大功率高速器件需要很大的瞬态电流.地层、电源层不完整分割、过孔接插件.滤波电容数量、容量、布局、类型,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,50,信号完整性SISignalIntegrity,在信号线上的信号质量差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。主要的信号完整性问题包括反射、振铃、地弹、串扰等。反射问题串扰问题过冲和振荡时延,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,51,反射问题,传输线上的回波。信号功率(电压和电流)的一部分传输到线上并达到负载处，但是有一部分被反射了。,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,52,多点反射,实际测量信号仿真结果,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,53,反射原因,源端与负载端阻抗不匹配布线的几何形状布线的走向，过孔不正确的线端接经过连接器的传输电源平面的不连续等,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,54,串扰问题,.串扰：两条信号线之间的耦合容性串扰当线路以一定的距离彼此靠近时，会出现这种情况。容性耦合引发耦合电流感性串扰.不需要的变压器的原线圈和次级线圈之间的信号耦合.感性耦合引发耦合电压。,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,55,串扰问题,PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。电容和电感的串扰随负载阻抗的增加而增加，因此所有易受串扰影响的线路都应当端接线路阻抗。,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,56,过冲和振荡,.过冲(overshoot)过冲能够引起假时钟或总线数据读/写错误。.振荡(ringing)振荡的现象是反复出现过冲和下冲。信号的振荡和环绕振荡由线上过度的电感和电容引起，振荡属于欠阻尼状态而环绕振荡属于过阻尼状态。振荡可以通过适当的端接予以减小，但不可能完全消除。,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,57,时延,一组总线内各信号的不同时延,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,58,5：商业电子产品更新换代加快,2020/5/13,EDA技术07春第一讲EDA技术概论,59,5：产品研发管理困难,工程项目组包括：软件、硬件、机械、电子及芯片、板级设计；各专业队伍可能不在一处、一个公司甚至一个国家项目交互采用网络项