EDA技术基础教程.ppt

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1、第1章 EDA概述,1.1 EDA技术及其发展,1.1.1 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配编译、逻辑映射和编程下载等工作。,EDA技术的知识体系,EDA技术内容丰富，主要可以划分为三个层次：,

2、EDA技术,ASIC和SoC设计,硬件描述语言HDL，如VHDL,EDA工具软件的使用,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PROTEL3、90年代以后：EDAEDA技术：是依赖功能强大的计算机，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,1.1.3 EDA技术的重要性,20世

3、纪90年代以后，EDA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；专用集成电路ASIC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SOC(System On a Chip)的功能。,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,1.3 EDA技术的设计方法与应用,1.3.1 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

4、自底向上（Bottom-Up）的构造出一个新的系统，如同一砖一瓦地建造金字塔，效率低且成本高。,传统设计方法：Bottom-up，基于电路板的设计方法,固定功能元件,电路板设计,完整系统构成,系统功能需求,输入,输出,传统设计方法的缺点,1.设计依赖于设计师的经验。2.设计依赖于现有的通用元器件。3.设计后期的仿真不易实现和调试复杂。4.自下而上设计思想的局限。5.设计实现周期长，灵活性差，耗时 耗力，效率低下。,系统规格设计,功能级描述,功能级仿真,逻辑综合、优化、布局布线,定时仿真、定时检查,输出门级网表,ASIC芯片投片、PLD器件编程、测试,ASIC:Application Speci

5、fic Integrated CircuitsPLD:Programmable Logic Devices,自顶向下设计方法,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多属于电路级设计。,1 电路级设计,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。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。,2 系统

6、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计算机，EDA系统就能以规则驱动的方式自动完成设计。,1.3.2 EDA技术的应用,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涉及的领域：,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EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部

7、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行模拟，都可能涉及到EDA技术。,EDA技术的应用,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,电子电路设计与仿真软件,SPICE（Simulation Program with Integrated 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。SABER：外围电路的分析软件。结构上采用硬件描

8、述语言和单内核混合仿真方案。价格昂贵，使用较少。,Multisim：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，对计算机配置要求不高。Matlab：一种动态系统设计、仿真和分析的可视化设计软件。,PCB设计软件,PCB(Printed Circuit Board)ProtelPower PCB,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

9、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,第2章 multisim 2001系统,2.1 multisim 2001系统简介,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。,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”。Multisim 2001是一个原理电路设计、电路功能测试的虚

10、拟仿真软件。,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。,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、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。,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

11、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,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,软件Protel及电路仿真软 件PSpice之间的文件接口，也能通过Windo

12、ws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,；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。,2.2 multis

13、im的基本界面,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,2.2.2 multisim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,2.2.3 multisim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,2.2.4 multisim的元器件库,基本器件库,晶体管库,TTL

14、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,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。,基本元器件库,基本

15、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。,基本元器件库,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。

16、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。,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。,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。,TTL元器件库,CMOS元器件库,混杂数字器件库,数字

17、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，不能转换成版图文件。,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。,混杂部件库,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。,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

18、能,2.2.5 multisim仪器仪表库,2.3 仪器仪表的使用,2.3.1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。,数字显示口,交直流选择,正端,档位选择参数设置负端,图2.3.1数字多用表面板图,2.3.2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。

19、,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1V999kV；偏置设置范围为一999kV999kV。,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,1.3.3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。,图1.3.3 示波器的面板图,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。

20、1.时基（Time base）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。,（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位置的调节范围从一5.005.00。,（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。A B、B A方式：X轴与Y轴都显示电压值。Add方式：X轴显示时间，Y轴显示A通道、B通道的

21、输入电压之和。,2.示波器输入通道（Channel A/B）的设置（1）Y轴刻度 Y轴电压刻度范围从10VDiv5kVDiv，可以根据输入信号大小来选择Y轴刻度值的大小，使信号波形在示波器显示屏上显示出合适的幅度。,（2）Y轴位置(Y position)Y轴位置控制Y轴的起始点。当Y的位置调到0时，Y轴的起始点与X轴重合，如果将Y轴位置增加到1.00，Y轴原点位置从X轴向上移一大格，若将Y轴位置减小到-1.00，Y轴原点位置从X轴向下移一大格。Y轴位置的调节范围从-3.003.00。改变A、B通道的Y轴位置有助于比较或分辨两通道的波形。,（3）Y轴输入方式 Y轴输入方式即信号输入的耦合方式。当

22、用AC耦合时，示波器显示信号的交流分量。当用DC耦合时，显示的是信号的AC和DC分量之和。当用0耦合时，在Y轴设置的原点位置显示一条水平直线。,3.触发方式（Trigger）调整（1）触发信号选择 触发信号选择一般选择自动触发（Auto）.选择“A”或“B”，则用相应通道的信号作为触发信号。选择“EXT”，则由外触发输入信号触发。选择“Sing”为单脉冲触发。选择“Nor”为一般脉冲触发。,（2）触发沿（Edge）选择 触发沿（Edge）可选择上升沿或下降沿触发。（3）触发电平（Level）选择 触发电平（Level）选择触发电平范围。,4.示波器显示波形读数 要显示波形读数的精确值时，可用鼠标将垂直光标拖到需要读取数据的位置。显示屏幕下方的方框内，显示光标与波形垂直相交点处的时间和电压值，以及两光标位置之间的时间、电压的差值。,用鼠标单击“Reverse”按钮可改变示波器屏幕的背景颜色。用鼠标单击“Save”按钮可按ASCII码格式存储波形读数。,