工程師離不開的那些電路設計工具 - 全文

　　EDA技術是在電子CAD技術基礎上發(fā)展起來的計算機軟件系統(tǒng)，是指以計算機為工作平臺，融合了應用電子技術、計算機技術、信息處理及智能化技術的最新成果，進行電子產(chǎn)品的自動設計。利用EDA工具，可以將電子產(chǎn)品從電路設計、性能分析到設計出IC版圖或PCB版圖的整個過程在計算機上自動處理完成。

　　EDA常用軟件

　　EDA工具層出不窮，目前進入我國并具有廣泛影響的EDA軟件有：EWB、PSPICE、OrCAD、PCAD、Protel、ViewLogic、 Mentor、Graphics、Synopsys、LSIlogic、Cadence、MicroSim等等。按主要功能或主要應用場合，可分為電路設計與仿真工具、PCB設計軟件、IC設計軟件、PLD設計工具及其它EDA軟件。

　　電子電路設計與仿真工具

　　電子電路設計與仿真工具包括SPICE/PSPICE；EWB；Matlab；SystemView；MMICAD等。下面簡單介紹前三個軟件。

　?。?）SPICE：由美國加州大學推出的電路分析仿真軟件，現(xiàn)在用得較多的是PSPICE6.2，在同類產(chǎn)品中是功能最為強大的模擬和數(shù)字電路混合仿真 EDA軟件，它可以進行各種各樣的電路仿真、激勵建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出、并在同一窗口內(nèi)同時顯示模擬與數(shù)字的仿真結(jié)果。無論對哪種器件哪些電路進行仿真，都可以得到精確的仿真結(jié)果，并可以自行建立元器件及元器件庫。

　?。?）EWB軟件：20世紀90年代初推出的電路仿真軟件。相對于其它EDA軟件，它是較小巧的軟件（只有16M）。但它對模數(shù)電路的混合仿真功能卻十分強大，幾乎100%地仿真出真實電路的結(jié)果，并且它在桌面上提供了萬用表、示波器、信號發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器和電壓表、電流表等儀器儀表。它的界面直觀，易學易用。它的很多功能模仿了SPICE的設計，但分析功能比PSPICE稍少一些。

　　（3）文字MATLAB產(chǎn)品族

　　它們的一大特性是有眾多的面向具體應用的工具箱和仿真塊，包含了完整的函數(shù)集用來對圖像信號處理、控制系統(tǒng)設計、神經(jīng)網(wǎng)絡等特殊應用進行分析和設計。它具有數(shù)據(jù)采集、報告生成和MATLAB語言編程產(chǎn)生獨立C/C++代碼等功能。

　　PCB設計軟件

　　PCB（Printed—Circuit Board）設計軟件種類很多，如Protel;OrCAD;Viewlogic;PowerPCB; Cadence PSD;MentorGraphices的Expedition PCB;Zuken CadStart;Winboard/Windraft/Ivex-SPICE;PCB Studio; TANGO等等。其中Protel是個完整的全方位電路設計系統(tǒng)，包含了電原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號仿真、多層印刷電路板設計（包含印刷電路板自動布局布線），可編程邏輯器件設計、圖表生成、電路表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客戶/服務器體系結(jié)構，同時還兼容一些其它設計軟件的文件格式，如ORCAD、PSPICE、EXCEL等。

　　IC設計軟件

　　IC設計工具很多，其中按市場所占份額排行為Cadence、Mentor Graphics和Synopsys。

　?。?）設計輸入工具：像Cadence的composer，viewlogic的viewdraw，硬件描述語言VHDL、Verilog HDL是主要設計語言，許多設計輸入工具都支持HDL。另外像Active—HDL和其它的設計輸入方法，包括原理和狀態(tài)機輸入方法，設計 FPGA/CPLD的工具大都可作為IC設計的輸入手段，如Xilinx、Altera等公司提供的開發(fā)工具，Modelsim FPGA等。

　?。?）設計仿真工作：EDA工具的一個最大好處是可以驗證設計是否正確，幾乎每個公司的EDA 產(chǎn)品都有仿真工具。Verilog—XL、NC—verilog用于Verilog仿真，Leapfrog 用于VHDL仿真，Analog Artist用于模擬電路仿真。Viewlogic的仿真器有：viewsim門級電路仿真器，speedwaveVHDL仿真器，VCS— verilog仿真器。Mentor Graphics有其子公司Model Tech 出品的VHDL和Verilog雙仿真器：Model Sim。Cadence、Synopsys用的是VSS（VHDL仿真器）?，F(xiàn)在的趨勢是各大EDA公司都逐漸用HDL仿真器作為電路驗證的工具。

　?。?）綜合工具

　　綜合工具可以把HDL變成門級網(wǎng)表。這方面Synopsys工具占有較大的優(yōu)勢，它的Design Compile是作綜合的工業(yè)標準，它還有另外一個產(chǎn)品叫Behavior Compiler，可以提供更高級的綜合。另外最近美國又出了一家軟件叫Ambit，說是比Synopsys的軟件更有效，可以綜合50萬門的電路，速度更快。今年初Ambit被Cadence公司收購，為此Cadence放棄了它原來的綜合軟件Synergy。隨著FPGA設計的規(guī)模越來越大，各EDA 公司又開發(fā)了用于FPGA設計的綜合軟件，比較有名的有：Synopsys的FPGA Express，Cadence的Synplity，Mentor的Leonardo，這三家的FPGA綜合軟件占了市場的絕大部分。

　?。?）布局和布線

　　在IC設計的布局布線工具中，Cadence軟件是比較強的，它有很多產(chǎn)品，用于標準單元、門陣列已可實現(xiàn)交互布線。最有名的是Cadence spectra，它原來是用于PCB布線的，后來Cadence把它用來作IC的布線。其主要工具有：Cell3，Silicon Ensemble—標準單元布線器；Gate Ensemble—門陣列布線器；Design Planner—布局工具。其它各EDA軟件開發(fā)公司也提供各自的布局布線工具。

　?。?）物理驗證工具

　　物理驗證工具包括版圖設計工具、版圖驗證工具、版圖提取工具等等。這方面Cadence也是很強的，其Dracula、Virtuso、Vampire等物理工具有很多的使用者。

　?。?）模擬電路仿真器

　　前面講的仿真器主要是針對數(shù)字電路的，對于模擬電路的仿真工具，普遍使用SPICE，這是唯一的選擇。只不過是選擇不同公司的 SPICE，像MiceoSim的PSPICE、Meta Soft的HSPICE等等。HSPICE現(xiàn)在被Avanti公司收購了。在眾多的SPICE中，最好最準的當數(shù)HSPICE，作為IC設計，它的模型最多，仿真的精度也最高。

　　PLD設計工具

　　PLD（Programmable Logic Device）是一種由用戶根據(jù)需要而自行構造邏輯功能的數(shù)字集成電路。目前主要有兩大類型：CPLD（Complex PLD）和FPGA（Field Programmable Gate Array）。它們的基本設計方法是借助于EDA軟件，用原理圖、狀態(tài)機、布爾表達式、硬件描述語言等方法，生成相應的目標文件，最后用編程器或下載電纜，由目標器件實現(xiàn)。生產(chǎn)PLD的廠家很多，但最有代表性的PLD廠家為ALTERA、Xilinx和Lattice公司。

　　PLD的開發(fā)工具一般由器件生產(chǎn)廠家提供，但隨著器件規(guī)模的不斷增加，軟件的復雜性也隨之提高，目前由專門的軟件公司與器件生產(chǎn)廠家合作，推出功能強大的設計軟件。

　　PLD（可編程邏輯器件）是一種可以完全替代74系列及GAL、PLA的新型電路，只要有數(shù)字電路基礎，會使用計算機，就可以進行PLD的開發(fā)。PLD的在線編程能力和強大的開發(fā)軟件，使工程師可以在幾天，甚至幾分鐘內(nèi)就可完成以往幾周才能完成的工作，并可將數(shù)百萬門的復雜設計集成在一顆芯片內(nèi)。PLD技術在發(fā)達國家已成為電子工程師必備的技術。

　　PLD生產(chǎn)及開發(fā)工具：

　?。?）ALTERA 20世紀90年代以后發(fā)展很快。主要產(chǎn)品有：MAX3000/7000、FELX6K/10K、APEX20K、ACEX1K、Stratix等。其開發(fā)工具—MAX+PLUS II是較成功的PLD開發(fā)平臺，最新又推出了Quartus II開發(fā)軟件。Altera公司提供較多形式的設計輸入手段，綁定第三方VHDL綜合工具，如：綜合軟件FPGA Express、Leonard Spectrum，仿真軟件ModelSim。

　　（2）ILINX FPGA的發(fā)明者。產(chǎn)品種類較全，主要有；XC9500/4000、Coolrunner（XPLA3）、Spartan、Vertex等系列，其最大的 Vertex—II Pro器件已達到800萬門。開發(fā)軟件為Foundation和ISE。通常來說，在歐洲用Xilinx的人多，在***和亞太地區(qū)用ALTERA的人多，在美國則是平分秋色。全球PLD/FPGA產(chǎn)品60%以上是由Altera和Xilinx提供的?？梢灾vAltera和Xilinx共同決定了PLD 技術的發(fā)展方向。

　?。?）Lattice—Vantis Lattice是ISP（In—System Programmability）技術的發(fā)明者，ISP技術極大地促進了PLD產(chǎn)品的發(fā)展，與ALTERA和XILINX相比，其開發(fā)工具比Altera 和Xilinx略遜一籌。中小規(guī)模PLD比較有特色，大規(guī)模PLD的競爭力還不夠強（Lattice沒有基于查找表技術的大規(guī)模FPGA），1999年推出可編程模擬器件，1999年收購Vantis（原AMD子公司），成為第三大可編程邏輯器件供應商。2001年12月收購Agere公司（原 Lucent微電子部）的FPGA部門。主要產(chǎn)品有ispLSI2000/5000/8000，MACH4/5。

　　（4）ACTEL 反熔絲（一次性燒寫）PLD的領導得，由于反熔絲PLD抗輻射、耐高低溫、功耗低、速度快，所以在軍品和宇航級上有較大優(yōu)勢。ALTERA和XILINX則一般不涉足軍品和宇航級市場。

　?。?）Quicklogic專業(yè)PLD/FPGA公司，以一次性反熔絲工藝為主，在中國地區(qū)銷售量不大。

　　（6）Lucent 主要特點是有不少用于通訊領域的專用IP核，但PLD/FPGA不是Lucent的主要業(yè)務，在中國地區(qū)使用的人很少。

　　（7）ATMEL 中小規(guī)模PLD做得不錯。ATMEL也做了一些與Altera和Xilinx兼容的片子，但在品質(zhì)上與原廠家還是有一些差距，在高可*性產(chǎn)品中使用較少，多用在低端產(chǎn)品上。

　?。?）Clear Logic 生產(chǎn)與一些著名PLD/FPGA大公司兼容的芯片，這種芯片可將用戶的設計一次性固化，不可編程，批量生產(chǎn)時的成本較低。

　?。?）WSI 生產(chǎn)PSD（單片機可編程外圍芯片）產(chǎn)品。這是一種特殊的PLD，如最新的PSD8xx、PSD9xx集成了PLD、EPROM、Flash，并支持ISP（在線編程），集成度高，主要用于配合單片機工作。

　　其它EDA軟件

　?。?）VHDL語言超高速集成電路硬件描述語言（VHSIC Hardware DeseriptionLanguagt，簡稱VHDL），是IEEE的一項標準設計語言。它源于美國國防部提出的超高速集成電路（Very High Speed Integrated Circuit，簡稱VHSIC）計劃，是ASIC設計和PLD設計的一種主要輸入工具。

　?。?）Veriolg HDL 是Verilog公司推出的硬件描述語言，在ASIC設計方面與VHDL語言平分秋色。

　?。?）其它EDA軟件如專門用于微波電路設計和電力載波工具、PCB制作和工藝流程控制等領域的工具，在此就不作介紹了。

　　saber軟件簡介，我主要應用于開關電源的仿真。

　　Saber是混合信號、混合技術設計與驗證工具，在電力電子、數(shù)?；旌戏抡妗?a target="_blank">汽車電子及機電一體化領域得到廣泛應用。Saber軟件在技術、理論及新產(chǎn)品開發(fā)方面保持明顯優(yōu)勢，其大量的器件模型、先進的仿真技術和精確的建模工具為客戶提供了全面的系統(tǒng)解決方案，在并在技術方面不斷地完善創(chuàng)新。

　　Saber的建模工具運用廣泛，有可用于電源、機電、磁、熱、負載等各種建模工具。Saber也有獨特的設計與驗證方法：“自頂向下”（Top-Down Design）設計與“自下而上”（Bottom-Up）仿真驗證方法。在作了建模方法演示、混合技術設計方法演示、線纜設計（從電氣設計到線纜生產(chǎn)）流程演示后，Johnson演示了單故障模式仿真調(diào)試;關鍵參數(shù)與非關鍵參數(shù)的多故障模式仿真調(diào)試，顯示了Saber仿真器Testify的強大功能。

　　Saber的典型案例是航空器領域的系統(tǒng)設計，其整個設計過程包含了機械技術、電子技術、液壓技術、燃油系統(tǒng)、娛樂系統(tǒng)、雷達無線技術等復雜的混合技術設計與仿真。從航空器、輪船、汽車到消費電子、電源設計都可以通過Saber來完成。

　　在開關電源設計中，如果有變壓器，saber仿真是最好的，變壓器模型比較全。saber仿真現(xiàn)在主要問題就是沒有教材。不方便學習。