本章要点:
电子设计自动化(EDA)的基本概念
EDA技术的主要内容和优点
EDA技术的发展过程
本书EDA软件的简介
本书通俗易懂,条理清晰,既有对菜单命令的详细讲解又有精选习题和练习供读者上机实训,重点培养读者的电路分析能力和印制电路板的设计能力。
本书可作为高等院校及高职院校应用电子技术、信息电子技术、自动控制技术、通信技术和机电类等专业EDA技术方面的教材,也可供从事电子技术领域的工程技术人员参考。
1.1EDA技术概述
EDA是英文“ElectronicsDesignAutomation(电子设计自动化)”的缩写。EDA技术是20世纪90年代迅速发展起来的,是现代电子设计的最新技术潮流,是综合现代电子技术和计算机技术的最新研究成果,是从事电子线路设计与分析的一门技术,其内容包括电子线路的设计、计算机模拟仿真和电路分析、印制电路板的自动化设计3个方面。
传统的电子产品的设计必须经过设计方案的提出、电路原理图设计、初步验证、样机制作、小批量试制、大批量生产等几个过程。对于电子产品设计工程师而言,必须保证理论设计、初步验证两个过程完全正确,才能按电路原理图绘制电路板图,并进行进一步的生产。
其中电子产品设计验证工作很多都是按照设计完成的电路图在面包板或自制的印制电路板上进行安装,然后再用电源、信号发生器、示波器等各种测试仪表来加以验证。这种做法的最大缺点是制作测试电路板的过程费时、费力又损耗材料,如果结果有误还要花大量的精力来弄清是电路设计的错误还是电路制作的问题。这种方法在早期设计小型电路时还是可以采用的,但随着电路规模越来越大、复杂度越来越高,这种设计方法已经不能适应现代设计的需要。
手工设计电路板图也是一项比较复杂的工作,它需要经过元件布局、绘制草图、修改草图,最后才能绘制出所需要的电路板图。随着元件的数量增多,电路板尺寸的减小,电路板的层数越来越多,已经无法再用手工进行电路板图设计:另外随着元件数量的增多,各元件相互之间的干扰、耦合也就变得更加复杂,这就需要电路板设计师具有丰富的经验和高超的理论水平。
随着计算机软件技术的发展,现代电子设计发生了革命性的变化,利用EDA工具,电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统,大量工作可以通过计算机完成,并可以将电子产品从电路设计、性能分析、器件制作到设计印制电路板的整个过程在计算机上自动处理完成。
这种由软件进行验证的设计方法克服了传统方法的缺点,并且由于这种方式可以事先排除大部分设计上的缺陷,使得设计工程师可以将大量的精力用于设计而不是用于调试,因此大大提高了设计速度,使新产品可以更快地推出,为企业产生更多的经济效益,解决了原来的设计和调试的问题。
另外,早在20世纪70年代初,计算机软件设计人员就开始解决电子设计方面的另一个问题,即电路板设计问题,设计出许多种电路板设计软件。从最早的仅仅将纸上的布线变成计算机的手工布线,到现在的自动布线,并且将元件之间的各种相互干扰(电磁干扰、热干扰)建成数学模型,电路板设计完成后没有必要进行实物的电磁兼容测试或热兼容测试,借助于计算机就可以模拟出来,根据模拟结果就可以进行调整。即使不是电路板设计专家也可以设计出合格的电路板图。
随着计算机技术的日渐成熟,有了存储量更大、运算速度更高的硬件平台,有了更加完善的操作系统的支持。在电子设计领域,人们迫切追求的是贯通整个设计过程的设计自动化,这就是EDA即电子设计自动化的概念。
EDA技术的应用,改变了电路设计的方式。首先,由于计算机的计算能力强,有可能采用精确的模型,自动建立电路或系统方程,并用它分析、计算电路的性能指标,如果分析、计算结果不满足要求,还可自动修改参数,使所设计的电路达到最优化的目的。其次,可用计算机直接模拟电路的各种功能,用功能程序代替大量的仪器仪表,对电路进行各种分析、计算和模拟,而不需要任何实际元器件。因此,有人称计算机为“现代化实验室”。可见,计算机这一强有力的工具,使设计过程由搭接实验电路进行凑试为主的方式,转变为以计算机进行分析计算和最优化为主的设计方式。由于EDA把计算机的快速、高精度、大存储容量、严格的逻辑判断和优秀的数据处理能力与人的创造性思维能力充分结合起来,因而,比传统的电路设计方法优越得多。具体体现在下述几方面。
(1)EDA的自动化、智能化程度更高,功能更丰富完善,且界面友好。在电子设计自动化技术中,人为操作技术占的比重越来越少,计算机包办的事情越来越多,代替人的重复性劳动,节约人力资源。人则可以有充足的精力、时间,发挥直觉、综合、创造等方面的优势,在最关键的地方决策。
(2)EDA的开放性和数据交换性好。电子设计自动化技术更注意贯彻在整个产品设计过程中各个设计环节间的有机连接和设计资源的充分利用,允许不同厂家的自动化工具配合使用。
(3)EDA技术更实用。当今的EDA技术更面向设计对象,更贴近实践。EDA技术一方面是软件技术,另一方面则是软件设计师们对整个设计过程和相关的生产实践活动潜心研究和透彻理解的结晶。因此用EDA技术进行设计,不仅能大幅度缩短产品开发周期、降低成本,而且能最大限度地将设计资源应用到产品设计的各个过程和生产、管理的各个阶段中,保证设计出来的产品在性能、可靠性和适合工业化生产方面达到令人满意的水平。
(4)EDA技术的应用节约原材料和减少仪器仪表等,从而降低了成本,而且可以模拟各种极限情况,如超低频、大功率、高温、低温等。
(5)EDA技术的应用使电子产品质量和产品合格率大大提高。
目前,计算机应用于电子线路设计的许多阶段。例如,在方案设计阶段计算机可用来对各种预选的电子线路方案进行分析、仿真与比较,选取最佳方案:在方案设计成功后,计算机可进行印制电路板和集成电路板的布线设计:在试验阶段,计算机可完成对测量数据的处2EDA技术——Protel99SEEWB5.0理和分析等。虽然利用计算机进行电子线路设计具有以上优点,但目前却不能进行电子线路的完全自动化设计。一般说来,这种设计过程还要依赖于人的智慧和劳动,依赖于对计算机的妥善使用。总之,在此过程中,设计者的思考和意图仍占主导地位,而计算机仅仅作为一种有效的设计工具。
1.2EDA技术的发展过程
EDA技术伴随着计算机、集成电路、电子系统设计的发展,经历了计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,简称CAD)、计算机辅助工程设计(ComputerAidedEngineering,简称CAE)和电子设计自动化(ElectronicsDesignAutomation,简称EDA)3个发展阶段。
1.20世纪70年代的计算机辅助设计(CAD)阶段