透析電子工程設計的EDA技術

1 EDA技術的基本概念

EDA是電子設計自動化(Electronic Design Automation)的縮寫，是從CAD(計算機輔助設計)、CAM(計算機輔助制造)、CAT(計算機輔助測試)和CAE(計算機輔助工程)的概念發(fā)展而來的。EDA技術是以計算機為工具，集數(shù)據(jù)庫、圖形學、圖論與拓撲邏輯、計算數(shù)學、優(yōu)化理論等多學科最新理論于一體，是計算機信息技術、微電子技術、電路理論、信息分析與信號處理的結晶。

2 EDA技術的發(fā)展過程

EDA技術的發(fā)展過程反映了近代電子產(chǎn)品設計技術的一段歷史進程，大致分為3個時期。

1)初級階段：早期階段即足CAD(Computer Assist Design)階段，大致在20世紀70年代，當時中小規(guī)模集成電路已經(jīng)出現(xiàn)，傳統(tǒng)的手工制圖設計印刷電路板和集成電路的方法效率低、花費大、制造周期長。人們開始借助于計算機完成印制電路板-PCB設計，將產(chǎn)品設計過程中高重復性的繁雜勞動如布圖布線工作用二維平面圖形編輯與分析的CAD工具代替，主要功能是交互圖形編輯。設計規(guī)則檢查，解決晶體管級版圖設計、PCB布局布線、門級電路模擬和測試。

2)發(fā)展階段：20世紀80年代是EDA技術的發(fā)展和完善階段，即進入到CAE(Computer Assist Engineering Design)階段。由于集成電路規(guī)模的逐步擴大和電子系統(tǒng)的日趨復雜，人們進涉開發(fā)設計軟件，將各個CAD工具集成為系統(tǒng)，從而加強了電路功能設計和結構設計，該時期的EDA技術已經(jīng)延伸到半導體芯片的設計，生產(chǎn)出可編程半導體芯片。

3)成熟階段：20世紀90年代以后微電子技術突飛猛進，一個芯片上可以集成幾百萬、幾千萬乃至上億個晶體管，這給EDA技術提出了更高的要求，也促進了EDA技術的大發(fā)展。各公司相繼開發(fā)出了大規(guī)模的EDA軟件系統(tǒng)，這時出現(xiàn)了以高級語言描述、系統(tǒng)級仿真和綜合技術為特征的EDA技術。

3 EDA技術的特點

EDA技術代表了當今電子設計技術的最新發(fā)展方向，它的基本特征是采用高級語言描述，即硬件描述語言HDL(HardWare Description Language)，就是可以描述硬件電路的功能。信號連接關系及定時關系的語言。它比電原理圖更有效地表示硬件電路的特性，同時具有系統(tǒng)仿真和綜合能力。具體歸納為以下幾點：

1)現(xiàn)代化EDA技術大多采用“自頂向下(Top_Down)”的設計程序，從而確保設計方案整體的合理和優(yōu)化，避免“自底向上(Bottom-up)”設計過程使局部優(yōu)化，整體結構較差的缺陷。

2)HDL給設計帶來很多優(yōu)點：①語言公開可利用;②語言描述范圍寬廣;③使設計與工藝無關;④可以系統(tǒng)編程和現(xiàn)場編程，使設計便于交流、保存、修改和重復使用，能夠實現(xiàn)在線升級。

3)自動化程度高，設計過程中隨時可以進行各級的仿真、糾錯和調試，使設計者能早期發(fā)現(xiàn)結構設計上的錯誤，避免設計工作的浪費，同時設計人員可以拋開一些具體細節(jié)問題。從而把主要精力集中在系統(tǒng)的開發(fā)上，保證設計的高效率、低成本，且產(chǎn)品開發(fā)周期短、循環(huán)快。

4)可以并行操作，現(xiàn)代EDA技術建立了并行工程框架結構的工作環(huán)境。從而保證和支持多人同時并行地進行電子系統(tǒng)的設計和開發(fā)。

4 EDA技術的作用

EDA技術在電子工程設計中發(fā)揮著不可替代的作用，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

4.1 驗證電路設計方案的正確性

設計方案確定之后，首先采用系統(tǒng)仿真或結構模擬的方法驗證設計方案的可行性，這只要確定系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)(數(shù)學模型)便可實現(xiàn)。這種系統(tǒng)仿真技術可推廣應用于非電專業(yè)的系統(tǒng)設計，或某種新理論、新構思的設計方案。仿真之后對構成系統(tǒng)的各電路結構進行模擬分析，以判斷電路結構設計的正確性及性能指標的可實現(xiàn)性。這種量化分析方法對于提高工程設計水平和產(chǎn)品質量，具有重要的指導意義。

4.2 電路特性的優(yōu)化設計

元器件的容差和工作環(huán)境溫度將對電路的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的設計方法很難對這種影響進行全面的分析。也就很難實現(xiàn)整體的優(yōu)化設計。EDA技術中的溫度分析和統(tǒng)計分析功能可以分析各種溫度條件下的電路特性，便于確定最佳元件參數(shù)、最佳電路結構以及適當?shù)南到y(tǒng)穩(wěn)定裕度，真正做到優(yōu)化設計。

4.3 實現(xiàn)電路特性的模擬測試

電子電路設計過程，大量的工作是數(shù)據(jù)測試和特性分析。但是受測試手段和儀器精度所限。測試問題很多。采用EDA技術后，可以方便地實現(xiàn)全功能測試。

5 EDA技術的軟件

目前EDA技術的軟件很多，如EWB、PROTELL等。

1)EWB(Electronics Workbench)軟件。EWB是基于PC平臺的電子設計軟件，由加拿大Interactive Image Technologies Ltd.公司研制開發(fā)，該軟件具有以下特點：

①集成化工具：一體化設計環(huán)境可將原理圖編輯、SPICE仿真和波形分析、仿真電路的在線修改、選用虛擬儀器、借助14種分析工具輸出結果等操作在一個集成系統(tǒng)中完成。

②仿真器：交互式32位SPICE強化支持自然方式的模擬、數(shù)字和數(shù)/?；旌显?。自動插入信號轉換界面，支持多級層次化元件的嵌套，對電路的大小和復雜沒有限制。只有提供原理圖網(wǎng)絡表和輸入信號，打開仿真開關就會在一定的時間內將仿真結果輸出。

③原理圖輸入：鼠標點擊—拖動界面，點—點自動連線。分層的工作環(huán)境，手工調整元器件時自動重排線路，自動分配元器件的參考編號，對元器件尺寸大小沒有限制。

④分析：虛擬測試設備能提供快捷、簡單的分析。主要包括直流工作點、瞬態(tài)，交流頻率掃描、付立葉、噪聲、失真度、參數(shù)掃描、零極點、傳遞函數(shù)、直流靈敏度、最差情況、蒙特卡洛法等14種分折工具，可以在線顯示圖形并具有很大的靈活性。

⑤設計文件夾：同時儲存所有的設計電路信息，包括電路結構、SHCE參數(shù)、所有使用模型的設置和拷貝。全部存放在—個設計文件中，便于設計數(shù)據(jù)共享以及丟失或損壞的數(shù)據(jù)恢復。

⑥接口：標準的SPICE網(wǎng)表，既可以輸入其他CAD生成的SHCE網(wǎng)絡連接表并行成原理圖供EWB使用。也可以將原理圖輸出到其他PCS工具中直接制作線路板。

2)PROTEL軟件。廣泛應用的Protel99主要分為兩大部分：用于電路原理圖的設計原理圖設計系統(tǒng)(Advanced Schematic)和用于印刷電路板設計的印刷電路板設計系統(tǒng)(Advanced PCB)。

6 EDA技術的發(fā)展趨勢

高層次設計技術是近幾年來國際上在EDA技術領域研究、開發(fā)、應用的熱門課題，并且發(fā)展非常迅速，成效異常顯著。這一領域主要包括功能強大的硬件描述語言、高層次綜合技術、高層次模擬技術以及測試設計的綜合技術等。相信隨著科學技術水平的不斷進步，作為EDA發(fā)展方向的高層次自動化設計技術必將取得更輝煌的成績。