EDA概述、技术基础教程、技术及其发展

1、EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 第1章 EDA概述 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 1.1 EDA技术及其发展 n1.1.1 EDA技术的概念 EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）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，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由 计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优 化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适

2、配编译、逻辑映射和编程下载等工作。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 EDA技术的知识体系技术的知识体系 EDAEDA技术内容丰富，主要可以划分为三个层次：技术内容丰富，主要可以划分为三个层次： EDAEDA技术 技术 ASICASIC和和SoCSoC设计设计 硬件描述语言硬件描述语言HDL，如，如VHDL EDA工具软件的使用工具软件的使用 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 1.1.2 EDA技术的发展 1、70年代：计算机辅助设计CAD 计算机辅助计算 2、80年代：计算机辅助工程CAE 计算机绘图，如PROTEL 3、90年代以后：EDA EDA技术：是依赖功能强大的计算

3、机，在EDA工具软件平台上， 以HDL为手段为系统逻辑描述完成的设计文件，自动地完 成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合 (布局布线)，以及逻辑优化和仿真调试，直至实现既定的 电子线路系统功能。 HDL：Hardware Description Language硬件描述语言 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 1.1.3 EDA技术的重要性技术的重要性 20世纪世纪90年代以后，年代以后，EDA技术的发展使现代电子产品技术的发展使现代电子产品 正在以前所未有的革新速度，向着功能多样化、体正在以前所未有的革新速度，向着功能多样化、体 积最小化、功耗最低化迅速发展。集成电路的设

4、计积最小化、功耗最低化迅速发展。集成电路的设计 不断向超大规模、极低功耗和超高速的方向发展；不断向超大规模、极低功耗和超高速的方向发展； 专用集成电路专用集成电路ASIC的设计成本不断降低，在功能上，的设计成本不断降低，在功能上， 现代的集成电路已能实现单片电子系统现代的集成电路已能实现单片电子系统SOC (System On a Chip)的功能。的功能。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 1.2 EDA技术的作用与特点 1.2.1 EDA技术的基本作用： 1.电子系统设计的方案验证 2.电子电路的优化设计 3.电路性能的仿真分析 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 1.3 E

5、DA技术的设计方法与应用 n1.3.1 EDA技术的设计方法： EDA技术采用的设计思想：自顶向下（Top to down）。 传统的设计方法是自底向上（传统的设计方法是自底向上（Bottom-Up）的构）的构 造出一个新的系统，如同一砖一瓦地建造金字塔，造出一个新的系统，如同一砖一瓦地建造金字塔， 效率低且成本高。效率低且成本高。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 传统设计方法：传统设计方法：Bottom-upBottom-up，基于电路板的，基于电路板的 设计方法设计方法 固定功能元件固定功能元件 电路板设计电路板设计 完整系统构成完整系统构成 系统功能需求系统功能需求 输入输出

6、EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 传统设计方法的缺点传统设计方法的缺点 n 1. 设计依赖于设计师的经验。设计依赖于设计师的经验。 n 2. 设计依赖于现有的通用元器件。设计依赖于现有的通用元器件。 n 3. 设计后期的仿真不易实现和调试复设计后期的仿真不易实现和调试复 杂。杂。 n 4. 自下而上设计思想的局限。自下而上设计思想的局限。 n 5. 设计实现周期长，灵活性差，耗时设计实现周期长，灵活性差，耗时 n 耗力，效率低下。耗力，效率低下。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 系统规格设计系统规格设计 功能级描述功能级描述 功能级仿真功能级仿真 逻辑综合、优化、布局布线逻辑

7、综合、优化、布局布线 定时仿真、定时检查定时仿真、定时检查 输出门级网表输出门级网表 ASICASIC芯片投片、芯片投片、PLDPLD器件编程、测试器件编程、测试 ASIC:Application Specific Integrated Circuits PLD: Programmable Logic Devices 自顶向自顶向 下设计下设计 方法方法 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 EDA技术的设计方法可分为：系统级、电 路级和物理或芯片级。 物理级：IC板图的设计 系统级：面向大型复杂的电子产品 电路级：具体的电路或单元，它是电子设计 系统构成的基础，常用的EDA多属于电路级设

8、 计。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 1 电路级设计 n 电子工程师确定设计方案的基础上， 选择实现该方案的合适的元器件，根据 电路指标设计原理图，并进行电路的功 能仿真，包括故障分析、交直流分析和 瞬态分析等等。 n 后仿真,电路性能的仿真，主要是检验 PCB板在实际工作环境中的可行性，尽早 的发现缺陷和问题并进行修改。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 2 系统级设计 系统级设计是一种概念驱动式设计。 设计人员无须通过原理图描述电路，而 是针对设计目标进行功能描述。 由于摆脱了电路细节的束缚，设计人 员可以集中精力于概念的构思和方案设 计上面。再以描述语言把概念构思输入

9、 计算机，EDA系统就能以规则驱动的方式 自动完成设计。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 1.3.2 EDA技术的应用 n EDA技术贯穿于整个电子产品开发的 全过程，应用领域: 从低频电路到高频电路、从线性电路 到非线性电路、从模拟电路到数字电路、 从分立元件到集成电路的各方面。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 nEDA涉及的领域： 包括在机械、电子、通信、航空航天、化包括在机械、电子、通信、航空航天、化 工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有 EDAEDA的应用。目前的应用。目前EDAEDA 技术已在各大公司、企事技术已在各

10、大公司、企事 业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制 造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞 行模拟，都可能涉及到行模拟，都可能涉及到EDAEDA技术。技术。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 EDA技术的应用 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 1.4.1常用的EDA软件 常用的EDA软件可分为： 电路设计与仿真软件、PCB设计软件、 IC和PLD设计软件 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 电子电路设计与仿真软件 n SPICE（Simulation Program with I

11、ntegrated Circuit Emphasis） SPICE可对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态 分析和线性交流分析。被分析的电路中的元件可包括 电阻、电容、电感、互感、独立电压源、独立电流源、 各种线性受控源、传输线以及有源半导体器件。 nSABER：外围电路的分析软件。结构上采用硬件描述语 言和单内核混合仿真方案。价格昂贵，使用较少。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 nMultisim：EWB(Electronic Workbench,电子 工作平台)的新版本。适用于板级的模拟数 字电路板的设计工作。目前国内常用的 Multisim2001版本，功能强大，对计算机配置 要

12、求不高。 nMatlab：一种动态系统设计、仿真和分析的可 视化设计软件。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 PCB设计软件 PCB(Printed Circuit Board) nProtel nPower PCB EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 1.4.2 本书选用的EDA软件 典型的EDA软件主要实现三项任务： 电路原理图的创建、混合信号的仿真和 PCB的设计。 本书EDA软件:Multisim2001 和 Protel2004 Multisim：侧重在电路的仿真分析 Protel ：侧重电路原理图设计和PCB 板设计 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 第2章

13、multisim 2001系统 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 2.1 multisim 2001系统简介系统简介 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 Multisim2001是加拿大Interactive Image Technologies公司2001年推出的Multisim最新版 本， 是该公司电子线路仿真软件EWB （Electronics Workbench，虚拟电子工作台）的 升级版。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 Multisim 2001用软件的方法虚拟电子与电工元器件 ，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器 件”、“软件即仪器”。Multi

14、sim 2001是一个原理电 路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 Multisim 2001的虚拟测试仪器仪表种类齐 全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数 信号发生器、双踪示波器、直流电源；而且还有 一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字 信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、 频谱分析仪和网络分析仪等。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 Multisim 2001具有较为详细的电路分析功能， 可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域 分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析 和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析

15、、 交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人 员分析电路的性能。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 Multisim 2001可以设计、测试和演示各种电 子电路，包括电工学、模拟电路、数字电路、射 频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的 电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和 不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的 电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以 存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 元器件清单，以及存储测 试仪器的工作状态、显 示波形和具体数据等。 Multisim 2001有丰富的Help功能，其Help系

16、 统不仅包括软件本身的操作指南，更重要的是包 含有元器件的功能解说，Help中这种元器件功能 解说有利于使用EWB进行CAI教学。另外，EWB 还提供了与国内外流行的印刷电路板设计自动化 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 软件Protel及电路仿真软 件PSpice之间的文件接口 ，也能通过Windows的剪贴板把电路图送往文字处 理系统中进行编辑排版。支持VHDL和Verilog HDL 语言的电路仿真与设计。利用Multisim 2001可以实 现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路 设计与实验方法相比，具有如下特点：设计与实验 可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便

17、EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 ；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可 以完成各种类型的电路设计与实验；可方便地对电 路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、 测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际 的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制， 实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成 功的电路可以直接在产品中使用。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 2.2 multisim的基本界面的基本界面 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 元器件栏 暂停/恢复开关 启动/停止开关 菜单栏 工具栏 电路工作区 图2.2.1 multisim的主窗口 EDA

18、概述、技术基础教程、技术及 其发展 2.2.2 multisim菜单栏菜单栏 multisim2001有9个主菜单，如图1.2.2所 示，菜单中提供了本软件几乎所有的功能命令。 文件 窗口显示 仿真 工具 帮助 编辑 放置 传输 选项 图2.2.2 multisim2001的9个主菜单 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 2.2.3 multisim工具栏工具栏 新建 存盘 复制 打印 放大 元件 仪表 分析 HDL 传输 报告 后处理 仿真器 元器件 编辑 缩小 帮助 粘贴 剪切 打开 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 2.2.4 multisim的元器件库的元器件库 基本器件

19、库 晶体管库 TTL器件库 混合集成电 路库 指示 器件库 控制器件 库 机电类 器件库 电源/信 号源库 二极管库 模拟集成 电路库 CMOS器件 库 数字器件 库 其他器 件库 射频 元器件 库 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 电源/信号源库 电源库中共有 30 个电源器件，有为电路提供电能的功率电源，有作 为输入信号的各式各样的信号源及产生电信号转变的控制电源，还有 1 个 接地端和 1 个数字电路接地端。 Multisim 把电源类的器件全部当作虚拟器件，因而不能使用 Multisim 中的元件编辑工具对其模型及符号等进行修改或重新创建，只能通过自身 的属性对话框对其相关参数

20、直接进行设置。在将电路文件输出给 PCB 版图 设计等程序时，不输出电源。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 基本元器件库 基本元器件库中包含现实元件箱 22 个，每个现实元件箱 中又存放着若干个与现实元件一致的仿真软件供选用。还有 7 个虚拟元件箱，其中的元件不需要选择，而是直接调用，然后 再通过其属性对话框设置其参数值。不过，在选择元件是还是 应该尽量到现实元件箱中去选取，这不仅是因为选用现实元件 能使仿真更接近于现实情况，还在于现实的元件都有元件封装 标准，可将仿真后的电路图直接转换成 PCB 文件。但在选取 不到某些参数或要进行温度扫描活参数扫描分析时，就要选用 虚拟元件。 E

21、DA概述、技术基础教程、技术及 其发展 基本元器件库 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 二极管库 二极管库中包含着 11 个元件箱，虽然仅有一个虚拟元件箱，但发光 二极管元件箱存放的是交互式元件，其处理方式也基本等同于虚拟元件。 二极管库中的虚拟器件的参数是可以任意设置的，非虚拟元器件的参数是 固定的，但可选择。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 晶体管库 晶体管库中共有 33 个元件箱，其中 17 个现实元件箱中存放着 Generic 等世界著名晶体管制造厂商的众多晶体管元件模型，都有较高的 精度。还有 16 个虚拟元件箱，虚拟元件箱中的虚拟晶体管相当于理想晶 体管。可以通过

22、打开其属性对话框对模型参数进行修改，修改后的模型只 能本次使用，对库中已有的模型没有影响。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 模拟元器件库 模拟集成电路库包含 9 种运算放大器。模拟集成电路库中的虚拟器件 的参数是可以任意设置的，非虚拟元器件的参数是固定的，但可选择。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 TTL元器件库 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 CMOS元器件库 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 混杂数字器件库 数字元件库中的 TIL 元件箱就是把常用的数字元件按照其功能存放 的，不过它们都是虚拟元件，不能转换成版

23、图文件。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 混合元器件库 混合集成电路库中存放着 6 个元件箱，其中尽管 ADC_DAC 元件箱没有绿色衬底，但仍属于虚拟元件。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 混杂部件库 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 控制部件库 控制器件库共有 12 个常用的控制模块，虽然这些控制模 块没有绿色衬底，但仍属于虚拟元件，既不能改动其模型，只 能在其属性对话框中设置相关参数。控制器件库包括乘法器、 除法器等控制用器件。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 数字多用表 瓦特表 示波器 字信号发生 器 逻辑转换器 失真度分析仪 网络分析仪 函数信号

24、发生器 波特图仪 逻辑分析仪 频谱分析仪 图1.2.19 仪器仪表库的图标及功能 2.2.5 multisim仪器仪表库仪器仪表库 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 2.3 仪器仪表的使用仪器仪表的使用 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 2.3.1数字多用表数字多用表（Multimeter） 数字多用表是一种可以用来测量交直流电压、 交直流电流、电阻及电路中两点之间的分贝损耗， 自动调整量程的数字显示的多用表。 用鼠标双击数字多用表图标，放大的数字多 用表面板图如图2.3.1所示。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 数字显示口 交直流选择 正端 档位选择 参数设置 负端

25、 图2.3.1数字多用表面 板图 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 2.3.2函数信号发生器函数信号发生器（Function Generator） 函数信号发生器是可提供正弦波、三角波、 方波三种不同波形的信号的电压信号源。用鼠标 双击函数信号发生器图标，放大的函数信号发生 器的面板图如图2.3.2所示。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 函数信号发生器其输出波形、工作频率、 占空比、幅度和直流偏置，可用鼠标来选择波 形选择按钮和在各窗口设置相应的参数来实现 。频率设置范围为1Hz999MHz；占空比调整 值可从199：幅度设置范围为1V 999kV；偏置设置范围为一999kV

26、999kV。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 正弦波 三角波 方波 频率 占空比 幅度 偏置 正端 地 负端 图2.3.2 函数信号发生器的面板图 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 1.3.3示波器示波器（Oscilloscope） 示波器用来显示电信号波形的形状、 大小、频率等参数的仪器。用鼠标双击示波 器图标，放大的示波器的面板图如图1.3.3 所示。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 图1.3.3 示波器的面板图 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 示波器面板各按键的作用、调整及参数的 设置与实际的示波器类似。 1. 时基时基（Time base）控制部分的调整控制部分的调整 （1）时间基准 X轴刻度显示示波器的时间基准，其基准为 0.1ns Div1s Div可供选择。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 （2）X轴位置控制 X轴位置控制X轴的起始点。当X的位置调到0时 ，信号从显示器的左边缘开始，正值使起始点右移， 负值使起始点左移。X位置的调节范围从一5.00 5.00。 EDA概述、技术基础教程、技术及 其发展 （3）显示方式选择 显示方式选择示波器的显示，可以从“幅度时 间（Y T）”切换到“A通道 B通道中（A B）” 、 “ B通道 A通道（B A）” 或“Add”方式。 YT方式：X轴显示时间，Y轴显示电压值。