2011电子设计自动化实践讲义

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1、大连理工大学城市学院电子信息工程教研室1第第1 1章章 电子设计自动化概述电子设计自动化概述本章主要介绍 EDA 技术及其发展和应用情况，以及相关的 EDA 工具软件 和大学期间将要学习和使用的相关 EDA 软件。1.1 EDA 技术及其发展技术及其发展EDA 是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写。EDA 技术 就是以计算机科学和微电子技术发展为先导，汇集了计算机图形学、拓扑逻辑 学、微电子工艺与结构学和计算数学等多种计算机应用学科最新成果的先进技 术，在先进的计算机上开发出来的一整套电子系统设计的软件工具。 EDA 技术的出现最初是为了解决集成电

2、路尤其是专用集成电路 （Application Specific IC，ASIC）的设计所面临的难度不断提高与设计周期不 断缩短的矛盾。但是，随着电子技术的发展和缩短电子系统设计周期的要求， EDA 技术得到了飞速的发展。 EDA 技术的发展始于 20 世纪 70 年代，至今经历了三个阶段，即计算机辅 助设计阶段、计算机辅助工程阶段和电子设计自动化阶段。1.1.1 计算机辅助设计阶段计算机辅助设计阶段20 世纪 70 年代是 EDA 发展的初级阶段。这一阶段的 EDA 称为计算机辅 助设计（Computer Aided Design，CAD） 。在这个阶段，工程师利用计算机辅助 设计电子系统的

3、电路图、印刷电路板和集成电路版图，主要解决绘图和计算问 题，但不能提供系统级的仿真与综合。这类专用软件大多以微机为工作平台， 易学易用，设计中小规模电子系统可靠有效，现在仍然有很多这类专用软件被 广泛应用于工程设计，如 SPICE。1.1.2 计算机辅助工程阶段计算机辅助工程阶段20 世纪 80 年代，由于集成电路与电子系统设计方法学及设计工具集成化方 面取得了许多成果，出现了计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）系统。这一阶段的主要特征是系统具备了自动布局布线和 电路的计算机仿真、分析和验证功能。其作用不仅仅是辅助设计，而且可以代 替人进行某种思维。但

4、是，此时的 CAE 对于复杂的电子设计很难达到要求，也 不利于设计的优化。1.1.3 电子设计自动化阶段电子设计自动化阶段20 世纪 90 年代以来，由于微电子技术的迅猛发展，出现了以高级语言描述、 系统仿真和综合技术为特征的第三代 EDA 技术，即采用一种新的设计概念 自顶而下（TopDown）的设计程式和并行工程（Concurrent Engineering）的 设计方法。设计者的精力主要集中在所设计电子产品的准确定义上，EDA 系统 则负责完成电子产品的系统级至物理级的设计。具体是设计者对整个系统进行 方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路（ASIC）实 现，然后采用

5、硬件描述语言完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生 成最终的目标器件。这样的设计方法被称为高层次的电子设计方法。1.2 常用常用 EDA 设计工具介绍设计工具介绍EDA 工具在 EDA 技术应用中占据极其重要的位置。EDA 的核心是利用计 算机实现电子设计的全程自动化，因此，基于计算机环境的 EDA 软件的支持是大连理工大学城市学院电子信息工程教研室2必不可少的。目前，进入我国并具有广泛影响的 EDA 软件有 Multisim、Protel、OrCAD、SPICE、Mentor Graphics 的产品、Synopsys 的系列 产品和 Cadence 的系列产品等。目前，EDA 主要辅

6、助进行三方面的设计工作， 即 IC 设计、电子电路设计和 PCB 设计。这里我们仅介绍电子电路设计和 PCB 设计，IC 设计有兴趣的同学可自行参考相关书籍进行了解学习。1.2.1 电路设计与仿真工具电路设计与仿真工具1、SPICE 仿真软件 SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）是由美国加州 大学推出的电路分析仿真软件，是 20 世纪 80 年代世界上应用最广的电路设计 软件。现在使用较多的是 PSPICE（Personal-SPICE） ，在同类产品中，它是功能 最为强大的模拟和数字电路混合仿真 EDA 软件。最

7、新推出的 PSPICE9.1 版本， 可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形 输出、数据输出，并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。无论对何 种器件何种电路进行仿真，都可以得到精确的仿真结果，并可以自行建立元器 件和元器件库。 2、Multisim 软件 Multisim 软件是加拿大图像交互技术公司推出的以 Windows 为基础的仿真 工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形 输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。该软件具有形 象直观的人机交互界面，特别是其仪器仪表库中的各种仪器仪表与操作真实实 验中的实际

8、仪器仪表完全没有两样，并且它还提供了我们常见的各种建模精确 的元器件，如电阻、电容、二极管、晶体管、各种运算放大器和其他常用的集 成电路等。此外，Multisim 还支持自制元器件。 Multisim 软件是我们大学期间所要学习的软件之一，尤其是在电路、模拟 电子线路、数字电路和高频电子线路的学习中，该软件所具有的丰富的仿真分 析能力，使得课程的学习和设计变得生动有趣。1.2.2 PCB 设计软件设计软件印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）设计软件种类很多，如 Protel、OrCAD、PowerPCB 等。目前 Protel 在我国用得最多，同时也是我们大 学期间

9、必须学习和熟练掌握的软件。因此仅对此软件进行介绍。 Protel 是 Protel 公司在 20 世纪 80 年代末推出的 CAD 工具，是 PCB 设计者 的首选软件。我们所学习和使用的是 Protel 2004。该软件提供了一套完全 集成的设计工具，这些设计工具能够让设计者很容易地从设计概念形成 PCB 设 计。它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制 电路板设计（包括印刷电路板自动布局布线） 、可编程逻辑器件设计等，还兼容 了如 OrCAD、PSPICE、Excel 等设计软件的文件格式。Protel 软件功能强大、 界面友好、使用方便，它最具代表性的是电路设计和

10、 PCB 设计。1.2.3 其他大学期间学习的相关软件其他大学期间学习的相关软件1、MATLAB 软件软件 MATLAB 软件也是我们大学期间所要了解和使用的软件之一，它强大的建 模和仿真功能能够加深同学们对信号与系统、通信原理和自动控制原理等课程 内容的学习和理解。 MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国 MathWorks大连理工大学城市学院电子信息工程教研室3公司出品的商业数学软件，主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的 高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态 系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视

11、窗环境中，为科学 研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的 解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如 C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB 主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。 MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、 测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱 （单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应 用领域内特定类型的问题。 2、Proteus 软件软件 Proteus 软件是英国

12、 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件。它 不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目 前最好的仿真单片机及外围器件的工具。对于该软件的学习和使用主要集中在 单片机小系统设计课程中。 Proteus 是世界上著名的 EDA 工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到 单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 PCB 设计，真正实现了从概念到产品 的完整设计。它是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型 仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPI

13、C33、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等。 在编译方面，它也支持 IAR、Keil 和 MPLAB 等多种编译器。 3、Quartus II Quartus II 是 Altera 提供的 FPGA/CPLD 开发集成环境，Altera 是世界上最 大的可编程逻辑器件供应商之一。Quartus II 在 21 世纪初推出，是 Max+Plus II 的更新换代产品，它提供了一种与结构无关的设计环境，使设计者能方便地进 行设计输入、快速处理和器件编程。我们在数字电路和 FPGA 系统设计课程中 会对此软件有一进步的了解和使用。大连理工大学城市学院电子信息工程教研室4第第 2 2 章

14、章 ProtelProtel 电路设计与制板基础电路设计与制板基础2.12.1 概述概述随着时代的进步以及新技术、新材料的出现，电子工业技术得到了蓬勃发 展。大规模、超大规模的集成电路不断出现并越来越复杂，以往的手工绘图已 不可能，这就促使了计算机辅助设计和绘图的发展，Protel 软件就是众多计算 机辅助设计软件中十分出色且被广泛使用的最流行的软件之一。 Protel 是一款 Windows NT/XP 的全 32 位电子设计系统。Protel 主要应用于电子电路设计与仿真、印制电路板（PCB）设计及大规模可编程逻 辑器件的设计，它是第一个将所有设计工具集成于一身，完成电路原理图到最 终印制

15、电路板设计全过程的应用型软件。2.1.12.1.1 ProtelProtel 界面简介界面简介所有的 Protel 工具需要在一个单一应用环境设计探索者（the Design Explorer，以下简称主界面）中运行。启动 Protel ，主界面打开。启 动 Protel 并打开主界面的方法：从 Windows 开始菜单选择 Programs（程序） Altium Protel 。Protel 的主界面如下图 2-1 所示。在主界面中可以 完成新建或打开文件，进入原理图编辑器、PCB 编辑器，以及进入元件库编辑 器等操作。 下面将主界面中包含的内容进行简单介绍。1. Pick a task（选

16、择任务）（选择任务）最近打开的项目和文档 印制电路板设计器件管理和连接 FPGA 设计与开发自定义 嵌入式软件开发参考设计及实例 元件库管理帮助和信息 脚本2. or Open a Project or Document（打开项目或文档）（打开项目或文档）包括打开最近使用过的项目、最近使用过的文档以及更多的项目或文档。大连理工大学城市学院电子信息工程教研室5图 2-1 Protel 的主界面主界面将根据设计者当前所使用的编辑器来改变工具栏和菜单，一些控制 面板的名称会显示在工作区的右下角，在这些名称上单击将会弹出控制面板， 这些面板可以通过移动、固定或隐藏来适应设计者的工作环境。图 2-2 所示为 当几个文件和编辑器同时打开并在窗口平铺时的界面。 需要说明的是，Protel 的菜单栏和工具栏会根据编辑器的不同而有所 改变，以下是菜单栏中适用于所有编辑器的功能： File（文件）：对系统或设计中所使用的各种文件进行