EDA技術(shù)PCB設(shè)計(jì)

EDA技術(shù)在PCB設(shè)計(jì)中的發(fā)展與應(yīng)用

隨著科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)化，采用傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)手段在較短的時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，已經(jīng)越來(lái)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(jì)方法。EDA是目前最新、最全面的電子設(shè)計(jì)技術(shù)及工具，它的出現(xiàn)為電子設(shè)計(jì)工作者提供了一種全新的設(shè)計(jì)方法，它覆蓋了電子設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)，對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真、電磁性和信號(hào)完整性分析，從而對(duì)電路設(shè)計(jì)和印刷板設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合認(rèn)證，得出最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行產(chǎn)品的定性。

一、EDA軟件簡(jiǎn)介

“EDA”就是Electronic Design Autom ation(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)，也就是能夠幫助人們?cè)O(shè)計(jì)電子電路或系統(tǒng)的軟件工具，該工具可以使設(shè)計(jì)更復(fù)雜的電路和系統(tǒng)成為可能。目前進(jìn)入我國(guó)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(jí)設(shè)計(jì)工具、電路板級(jí)設(shè)計(jì)工具、可編程邏輯器件開(kāi)發(fā)工具和電路仿真工具等幾類(lèi)；其中Protel是國(guó)內(nèi)最流行、使用最廣泛的一種印制電路板(PCB)設(shè)計(jì)的首選軟件，由澳大利亞protdTechnology公司出品，過(guò)去只是用來(lái)進(jìn)行原理圖輸入和PCB版圖設(shè)計(jì)，從Protel 98開(kāi)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(jì)模塊(PLD)，1999年P(guān)rotel推出了功能更加強(qiáng)大的EDA綜合設(shè)計(jì)環(huán)境Protel 99，它將EDA的全部?jī)?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艽螅罹咛厣妥顝?qiáng)大的功能仍是原理圖輸人和PCB版圖設(shè)計(jì)；另外還有Ultiboard與Multisim配套的PCB設(shè)計(jì)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(mén)涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、微電子工藝等學(xué)科的綜合性技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)、集成電路、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展，經(jīng)歷了一個(gè)由淺到深的過(guò)程。

從20世紀(jì)60年代中期開(kāi)始，人們就利用各種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具來(lái)取代手工操作，進(jìn)行IC版圖編輯和PCB布局布線(xiàn)，改變了傳統(tǒng)的手土方法制圖和設(shè)計(jì)集成電路方法，由于PCB布局布線(xiàn)工具受到計(jì)算機(jī)工作平臺(tái)的制約，其支持的設(shè)計(jì)工作有限，性能比較差。

20世紀(jì)80年代，由于各種設(shè)計(jì)工具(如原理圖輸入、版圖自動(dòng)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(gè)工具集成為一個(gè)系統(tǒng)，提供標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)，使設(shè)計(jì)工作方便快捷，但在設(shè)計(jì)過(guò)程中，自動(dòng)化和智能化程度還不高，各種EDA軟件界面千差萬(wàn)別，學(xué)習(xí)使用困難，并且互不兼容，直接影響到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)問(wèn)的銜接。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，電子工藝水平已經(jīng)達(dá)到了深亞微米級(jí)，人們開(kāi)始追求貫徹整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)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(jì)效率，縮短產(chǎn)品的研制周期。這時(shí)的EDA工具不僅具有電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力，而且能提供獨(dú)立于工藝和廠(chǎng)家的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)能力，具有高級(jí)抽象的設(shè)計(jì)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(jì)師可以從概念、算法、協(xié)議等開(kāi)始設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，大量工作可以通過(guò)計(jì)算機(jī)完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì)、性能分析到設(shè)計(jì)IC版圖或PCB版圖的整個(gè)過(guò)程在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)處理完成。

（1）用軟件設(shè)計(jì)的方法來(lái)設(shè)計(jì)硬件，硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是由有關(guān)的開(kāi)發(fā)軟件自動(dòng)完成的，設(shè)計(jì)輸入可以是原理圖V H DL語(yǔ)言，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)方式的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定功能硬件電路的設(shè)計(jì)，而硬件設(shè)計(jì)的修改工作也如同修改軟件程序一樣快捷方便，設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程幾乎不涉及任何硬件，可操作性、產(chǎn)品互換性強(qiáng)。

（2）不同公司的軟件工具集成到一個(gè)統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，使之成為一個(gè)完整的EDA系統(tǒng)，實(shí)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(kù)，不同設(shè)計(jì)風(fēng)格和應(yīng)用場(chǎng)合的要求使各具特色的EDA工具被集成在同一個(gè)工作站上，從而使EDA框架標(biāo)準(zhǔn)化；各個(gè)仿真器對(duì)同一個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行協(xié)同仿真，進(jìn)一步提高了EDA系統(tǒng)的工作效率和靈活性。

（3）EDA設(shè)計(jì)方法又稱(chēng)為基于芯片的設(shè)計(jì)方法，集成化程度更高，可實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)集成，進(jìn)行更加復(fù)雜的電路芯片化設(shè)計(jì)和專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)，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(chǎng)編程，使器件編程、重構(gòu)、修改簡(jiǎn)單便利，可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)升級(jí)；可進(jìn)行各種仿真，開(kāi)發(fā)周期短，設(shè)計(jì)成本低，設(shè)計(jì)靈活性高。

（4）EDA技術(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)到結(jié)果測(cè)試的全過(guò)程在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)處理完成，自動(dòng)生成目標(biāo)系統(tǒng)，使設(shè)計(jì)人員不必學(xué)習(xí)許多深入的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，也可免除許多推導(dǎo)運(yùn)算即可獲得優(yōu)化的設(shè)計(jì)成果，設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度高，減輕了設(shè)計(jì)人員的工作量，開(kāi)發(fā)效率高。

四、EDA技術(shù)設(shè)計(jì)流程

EDA技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品檢測(cè)及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等各個(gè)方面都具有優(yōu)異的功能，它能幫助專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行快速的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、檢測(cè)，真正做到“設(shè)計(jì)即正確”。

（1）在設(shè)計(jì)方式上，EDA技術(shù)為電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來(lái)根本性的變革，是一種面向未來(lái)的電子設(shè)計(jì)理念，利用EDA軟件，將傳統(tǒng)的“電路設(shè)計(jì)+硬件搭試+調(diào)試焊接”的模式轉(zhuǎn)變?yōu)樵谟?jì)算機(jī)上自動(dòng)完成，人們?cè)谟?jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)出電子電路的原理圖模型，然后驗(yàn)證其理論上的可行性，接著畫(huà)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(guò)程。改變傳統(tǒng)的子產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、耗費(fèi)材料多、設(shè)計(jì)費(fèi)用高、不利于產(chǎn)品更新?lián)Q代的繁瑣而冗長(zhǎng)的過(guò)程，解決當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)依賴(lài)人的因素和面對(duì)大型的電子電路就顯得力不從心的問(wèn)題。

（2）在設(shè)計(jì)方法上，設(shè)計(jì)者采用一種高層次的“自頂向下”的全新設(shè)計(jì)方法，首先在頂層進(jìn)行功能方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后在方框圖一級(jí)進(jìn)行仿真、糾錯(cuò)，用硬件描述語(yǔ)言對(duì)高層次的系統(tǒng)行為進(jìn)行描述，在系統(tǒng)一級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證，再用綜合工具對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，其對(duì)應(yīng)的物理實(shí)現(xiàn)級(jí)可以是印刷電路板或?qū)Ｓ眉呻娐?；與過(guò)去選擇標(biāo)準(zhǔn)集成電路“自底向上”地構(gòu)造出一個(gè)新的系統(tǒng)相比，由于設(shè)計(jì)的主要仿真和調(diào)試過(guò)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(jì)上的錯(cuò)誤，避免設(shè)計(jì)工作的浪費(fèi)，而且也減少了邏輯功能仿真的工作量，提高了設(shè)計(jì)的一次成功率。

（3）在電路設(shè)計(jì)流程中，差的信號(hào)完整性不是由某一因素導(dǎo)致的，而是由板級(jí)設(shè)計(jì)中多種因素共同引起的，設(shè)計(jì)人員首先確定設(shè)計(jì)方案，選擇合適的元器件，然后根據(jù)具體的元器件設(shè)計(jì)電路原理圖，接著進(jìn)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(jì)輸入EDA工具進(jìn)行仿真，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)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(hào)在信號(hào)線(xiàn)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(guò)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(hào)的完整性問(wèn)題的解決，具體主要包括串?dāng)_、反射、過(guò)沖與下沖、振蕩、信號(hào)延遲等。

（4）通過(guò)EDA系統(tǒng)，可事先排除大部分設(shè)計(jì)的缺陷，在計(jì)算機(jī)上仿真出近似于實(shí)際電路的數(shù)據(jù)和響應(yīng)波形。設(shè)計(jì)人員無(wú)須通過(guò)門(mén)級(jí)原理圖描述電路，而是針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行功能描述，擺脫了電路細(xì)節(jié)的束縛，在制作PCB板之前還可以進(jìn)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(biāo)回電路圖，進(jìn)行第二次仿真，檢驗(yàn)PC B板在實(shí)際工作環(huán)境中的可行性；制板過(guò)程中計(jì)算機(jī)在布線(xiàn)中把電磁干擾、熱干擾建成數(shù)學(xué)模型加以排除以保證布線(xiàn)質(zhì)量。由此可見(jiàn)，EDA技術(shù)使設(shè)計(jì)人員在實(shí)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(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)消除在設(shè)計(jì)階段，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低了開(kāi)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(jì)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(kāi)發(fā)研制的源動(dòng)力，其應(yīng)用水平與普及程度，已成為衡量一個(gè)國(guó)家電子技術(shù)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一，所以發(fā)展EDA技術(shù)將是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域和電子產(chǎn)業(yè)界的一場(chǎng)重大的技術(shù)革命，掌握EDA技術(shù)已成為當(dāng)今電子電路和硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的重要任務(wù)。

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