硬件開發(fā)
EDA技術(shù)PCB設(shè)計
EDA技術(shù)在PCB設(shè)計中的發(fā)展與應(yīng)用
隨著科學研究與技術(shù)開發(fā)的市場化，采用傳統(tǒng)的電子設(shè)計手段在較短的時間內(nèi)完成復雜電子系統(tǒng)的設(shè)計，已經(jīng)越來越難完成了。為適應(yīng)這種現(xiàn)狀，日趨完善的EDA技術(shù)正在逐步取代傳統(tǒng)的電子設(shè)計方法。EDA是目前最新、最全面的電子設(shè)計技術(shù)及工具，它的出現(xiàn)為電子設(shè)計工作者提供了一種全新的設(shè)計方法，它覆蓋了電子設(shè)計的主要環(huán)節(jié)，對所設(shè)計的電路進行仿真、電磁性和信號完整性分析，從而對電路設(shè)計和印刷板設(shè)計進行綜合認證，得出最佳的設(shè)計參數(shù)，并進行產(chǎn)品的定性。
一、EDA軟件簡介
“EDA”就是Electronic Design Autom ation(電子設(shè)計自動化)，也就是能夠幫助人們設(shè)計電子電路或系統(tǒng)的軟件工具，該工具可以使設(shè)計更復雜的電路和系統(tǒng)成為可能。目前進入我國并具有廣泛影響的EDA軟件有：muhisim7、OW_AD、Protel、Viewlogio、Mentor、Synopsys、PCBWId、Cadence、MicmSim等等，這些軟件各具特色，大體分為芯片級設(shè)計工具、電路板級設(shè)計工具、可編程邏輯器件開發(fā)工具和電路仿真工具等幾類；其中Protel是國內(nèi)最流行、使用最廣泛的一種印制電路板(PCB)設(shè)計的首選軟件，由澳大利亞protdTechnology公司出品，過去只是用來進行原理圖輸入和PCB版圖設(shè)計，從Protel 98開始，加入了模擬數(shù)字混合電路仿真模塊(SIM)和可編程邏輯器件設(shè)計模塊(PLD)，1999年P(guān)rotel推出了功能更加強大的EDA綜合設(shè)計環(huán)境Protel 99，它將EDA的全部內(nèi)容整合為一體，成為完整的EDA軟件，因而該軟件發(fā)展?jié)摿艽?，但它最具特色和最強大的功能仍是原理圖輸人和PCB版圖設(shè)計；另外還有Ultiboard與Multisim配套的PCB設(shè)計軟件，PCBWizard與LivaWire配套的PCB制作軟件包等等。
二、EDA技術(shù)的發(fā)展歷程
EDA技術(shù)是一門涉及計算機圖形學、微電子工藝等學科的綜合性技術(shù)，隨著計算機、集成電路、電子系統(tǒng)設(shè)計的發(fā)展，經(jīng)歷了一個由淺到深的過程。
從20世紀60年代中期開始，人們就利用各種計算機輔助設(shè)計工具來取代手工操作，進行IC版圖編輯和PCB布局布線，改變了傳統(tǒng)的手土方法制圖和設(shè)計集成電路方法，由于PCB布局布線工具受到計算機工作平臺的制約，其支持的設(shè)計工作有限，性能比較差。
20世紀80年代，由于各種設(shè)計工具(如原理圖輸入、版圖自動布局)均已齊全，人們采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理技術(shù)將各個工具集成為一個系統(tǒng)，提供標準元件庫，使設(shè)計工作方便快捷，但在設(shè)計過程中，自動化和智能化程度還不高，各種EDA軟件界面千差萬別，學習使用困難，并且互不兼容，直接影響到設(shè)計環(huán)節(jié)問的銜接。
20世紀90年代以來，電子工藝水平已經(jīng)達到了深亞微米級，人們開始追求貫徹整個設(shè)計過程的自動化，把精力集中在創(chuàng)造性的方案與概念構(gòu)思上，從而可以提高設(shè)計效率，縮短產(chǎn)品的研制周期。這時的EDA工具不僅具有電子系統(tǒng)設(shè)計的能力，而且能提供獨立于工藝和廠家的系統(tǒng)級設(shè)計能力，具有高級抽象的設(shè)計構(gòu)思手段。
三、EDA技術(shù)的基本特征
利用EDA工具，電子設(shè)計師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計電子系統(tǒng)，大量工作可以通過計算機完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計、性能分析到設(shè)計IC版圖或PCB版圖的整個過程在計算機上自動處理完成。
（1）用軟件設(shè)計的方法來設(shè)計硬件，硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是由有關(guān)的開發(fā)軟件自動完成的，設(shè)計輸入可以是原理圖V H DL語言，通過軟件設(shè)計方式的測試，實現(xiàn)對特定功能硬件電路的設(shè)計，而硬件設(shè)計的修改工作也如同修改軟件程序一樣快捷方便，設(shè)計的整個過程幾乎不涉及任何硬件，可操作性、產(chǎn)品互換性強。
（2）不同公司的軟件工具集成到一個統(tǒng)一的計算機平臺上，使之成為一個完整的EDA系統(tǒng)，實現(xiàn)各種EDA工具間的優(yōu)化組合和資源共享；采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，不同設(shè)計風格和應(yīng)用場合的要求使各具特色的EDA工具被集成在同一個工作站上，從而使EDA框架標準化；各個仿真器對同一個設(shè)計進行協(xié)同仿真，進一步提高了EDA系統(tǒng)的工作效率和靈活性。
（3）EDA設(shè)計方法又稱為基于芯片的設(shè)計方法，集成化程度更高，可實現(xiàn)片上系統(tǒng)集成，進行更加復雜的電路芯片化設(shè)計和專用集成電路設(shè)計，使產(chǎn)品體積小、功耗低、可靠性高；可在系統(tǒng)編程或現(xiàn)場編程，使器件編程、重構(gòu)、修改簡單便利，可實現(xiàn)在線升級；可進行各種仿真，開發(fā)周期短，設(shè)計成本低，設(shè)計靈活性高。
（4）EDA技術(shù)根據(jù)設(shè)計輸入文件，將電子產(chǎn)品從電路功能仿真、性能分析、優(yōu)化設(shè)計到結(jié)果測試的全過程在計算機上自動處理完成，自動生成目標系統(tǒng)，使設(shè)計人員不必學習許多深入的專業(yè)知識，也可免除許多推導運算即可獲得優(yōu)化的設(shè)計成果，設(shè)計自動化程度高，減輕了設(shè)計人員的工作量，開發(fā)效率高。
四、EDA技術(shù)設(shè)計流程
EDA技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品檢測及產(chǎn)品開發(fā)等各個方面都具有優(yōu)異的功能，它能幫助專業(yè)技術(shù)人員進行快速的產(chǎn)品設(shè)計、檢測，真正做到“設(shè)計即正確”。
（1）在設(shè)計方式上，EDA技術(shù)為電子設(shè)計領(lǐng)域帶來根本性的變革，是一種面向未來的電子設(shè)計理念，利用EDA軟件，將傳統(tǒng)的“電路設(shè)計+硬件搭試+調(diào)試焊接”的模式轉(zhuǎn)變?yōu)樵谟嬎銠C上自動完成，人們在計算機中設(shè)計出電子電路的原理圖模型，然后驗證其理論上的可行性，接著畫出其印刷電路板，從而高效優(yōu)質(zhì)地完成從原理圖邏輯連接向電路元器件物理連接的轉(zhuǎn)化過程。改變傳統(tǒng)的子產(chǎn)品設(shè)計周期長、耗費材料多、設(shè)計費用高、不利于產(chǎn)品更新?lián)Q代的繁瑣而冗長的過程，解決當產(chǎn)品出現(xiàn)問題時依賴人的因素和面對大型的電子電路就顯得力不從心的問題。
（2）在設(shè)計方法上，設(shè)計者采用一種高層次的“自頂向下”的全新設(shè)計方法，首先在頂層進行功能方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后在方框圖一級進行仿真、糾錯，用硬件描述語言對高層次的系統(tǒng)行為進行描述，在系統(tǒng)一級進行驗證，再用綜合工具對產(chǎn)品進行優(yōu)化，其對應(yīng)的物理實現(xiàn)級可以是印刷電路板或?qū)Ｓ眉呻娐罚慌c過去選擇標準集成電路“自底向上”地構(gòu)造出一個新的系統(tǒng)相比，由于設(shè)計的主要仿真和調(diào)試過程是在高層次上完成的，這不僅有利于及早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計上的錯誤，避免設(shè)計工作的浪費，而且也減少了邏輯功能仿真的工作量，提高了設(shè)計的一次成功率。
（3）在電路設(shè)計流程中，差的信號完整性不是由某一因素導致的，而是由板級設(shè)計中多種因素共同引起的，設(shè)計人員首先確定設(shè)計方案，選擇合適的元器件，然后根據(jù)具體的元器件設(shè)計電路原理圖，接著進行故障分析、模擬電路的交直流分析、瞬態(tài)分析等第一次仿真。這一次仿真主要是將設(shè)計輸入EDA工具進行仿真，檢驗設(shè)計方案在功能方面的正確性，檢查邏輯功能的正確性；保證信號在信號線上的質(zhì)量，特別要注意在高速電路中，所使用的芯片的切換速度過快、連接元件布設(shè)不合理、電路的互聯(lián)不合理等引起信號的完整性問題的解決，具體主要包括串擾、反射、過沖與下沖、振蕩、信號延遲等。
（4）通過EDA系統(tǒng)，可事先排除大部分設(shè)計的缺陷，在計算機上仿真出近似于實際電路的數(shù)據(jù)和響應(yīng)波形。設(shè)計人員無須通過門級原理圖描述電路，而是針對設(shè)計目標進行功能描述，擺脫了電路細節(jié)的束縛，在制作PCB板之前還可以進行熱分析、噪聲及竄擾分析、電磁兼容分析、可靠性分析等，并且可以將分析后的結(jié)果參數(shù)反標回電路圖，進行第二次仿真，檢驗PC B板在實際工作環(huán)境中的可行性；制板過程中計算機在布線中把電磁干擾、熱干擾建成數(shù)學模型加以排除以保證布線質(zhì)量。由此可見，EDA技術(shù)使設(shè)計人員在實際的電子系統(tǒng)產(chǎn)生前，就可以全面地了解系統(tǒng)的功能特性及物理特性，從而將開發(fā)風險消除在設(shè)計階段，縮短了開發(fā)時間，降低了開發(fā)成本。
總結(jié)
EDA技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，巳成為現(xiàn)代電子設(shè)計的核心，隨著電子產(chǎn)品更新的加快，EDA技術(shù)作為電子產(chǎn)品開發(fā)研制的源動力，其應(yīng)用水平與普及程度，已成為衡量一個國家電子技術(shù)現(xiàn)代化水平的重要標志之一，所以發(fā)展EDA技術(shù)將是電子設(shè)計領(lǐng)域和電子產(chǎn)業(yè)界的一場重大的技術(shù)革命，掌握EDA技術(shù)已成為當今電子電路和硬件系統(tǒng)設(shè)計者的重要任務(wù)。
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