到简单, 甚至包括设计家具和作曲, 只是具体软件内容不同其实, 他们发明第一代计算机时就是这个目的 ( 当初是为了高效率设计大炮和相关炮弹以及其他计算量大的设计 ) 电子电路设计与仿真工具包括 SPICE/PSPICE;multiSIM7;Matlab; SystemView;MMICAD Li

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唯乜
5 years ago
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1 电子电路设计与仿真工具我们大家可能都用过试验板或者其他的东西制作过一些电子制做来进行实践但是有的时候, 我们会发现做出来的东西有很多的问题, 事先并没有想到, 这样一来就浪费了我们的很多时间和物资而且增加了产品的开发周期和延续了产品的上市时间从而使产品失去市场竞争优势有没有能够不动用电烙铁试验板就能知道结果的方法呢? 结论是有, 这就是电路设计与仿真技术说到电子电路设计与仿真工具这项技术, 就不能不提到美国, 不能不提到他们的飞机设计为什么有很高的效率以前我国定型一个中型飞机的设计, 从草案到详细设计到风洞试验再到最后出图到实际投产, 整个周期大概要 10 年而美国是 1 年为什么会有这样大的差距呢? 因为美国在设计时大部分采用的是虚拟仿真技术, 把多年积累的各项风洞实验参数都输入电脑, 然后通过电脑编程编写出一个虚拟环境的软件, 并且使它能够自动套用相关公式和调用长期积累后输入电脑的相关经验参数这样一来, 只要把飞机的外形计数据放入这个虚拟的风洞软件中进行试验, 哪里不合理有问题就改动那里, 直至最佳效果, 效率自然高了, 最后只要再在实际环境中测试几次找找不足就可以定型了, 从他们的波音 747 到 F16 都是采用的这种方法空气动力学方面的数据由资深专家提供, 软件开发商是 IBM, 飞行器设计工程师只需利用仿真软件在计算机平台上进行各种仿真调试工作即可同样, 他们其他的很多东西都是采用了这样类似的方法, 从大到小, 从复杂

2 到简单, 甚至包括设计家具和作曲, 只是具体软件内容不同其实, 他们发明第一代计算机时就是这个目的 ( 当初是为了高效率设计大炮和相关炮弹以及其他计算量大的设计 ) 电子电路设计与仿真工具包括 SPICE/PSPICE;multiSIM7;Matlab; SystemView;MMICAD LiveWire Edison Tina Pro Bright Spark 等下面简单介绍前三个软件 1SPICE(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,1998 年被定为美国国家标准 1984 年, 美国 MicroSim 公司推出了基于 SPICE 的微机版 PSPICE (Personal-SPICE) 现在用得较多的是 PSPICE6.2, 可以说在同类产品中, 它是功能最为强大的模拟和数字电路混合仿真 EDA 软件, 在国内普遍使用最新推出了 PSPICE9.1 版本它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哪种器件哪些电路进行仿真, 都可以得到精确的仿真结果, 并可以自行建立元器件及元器件库 2multiSIM(EWB 的最新版本 ) 软件 : 是 Interactive Image Technologies Ltd 在 20 世纪末推出的电路仿真软件其最新版本为 multisim7, 目

3 前普遍使用的是 multisim2001, 相对于其它 EDA 软件, 它具有更加形象直观的人机交互界面, 特别是其仪器仪表库中的各仪器仪表与操作真实实验中的实际仪器仪表完全没有两样, 但它对模数电路的混合仿真功能却毫不逊色, 几乎能够 100% 地仿真出真实电路的结果, 并且它在仪器仪表库中还提供了万用表信号发生器瓦特表双踪示波器 ( 对于 multisim7 还具有四踪示波器 ) 波特仪( 相当实际中的扫频仪 ) 字信号发生器逻辑分析仪逻辑转换仪失真度分析仪频谱分析仪网络分析仪和电压表及电流表等仪器仪表还提供了我们日常常见的各种建模精确的元器件, 比如电阻电容电感三极管二极管继电器可控硅数码管等等模拟集成电路方面有各种运算放大器其他常用集成电路数字电路方面有 74 系列集成电路 4000 系列集成电路等等还支持自制元器件 MultiSIM7 还具有 I-V 分析仪 ( 相当于真实环境中的晶体管特性图示仪 ) 和 Agilent 信号发生器 Agilent 万用表 Agilent 示波器和动态逻辑平笔等同时它还能进行 VHDL 仿真和 Verilog HDL 仿真 3MATLAB 产品族 : 它们的一大特性是有众多的面向具体应用的工具箱和仿真块, 包含了完整的函数集用来对图像信号处理控制系统设计神经网络等特殊应用进行分析和设计它具有数据采集报告生成和 MATLAB 语言编程产生独立 C/C++ 代码等功能 MATLAB 产品族具有下列功能 : 数据分析 ; 数值和符号计算工程与科学绘图 ; 控制系统设计 ; 数字图像信号处理 ; 财务工程 ; 建模仿真原型开

4 发 ; 应用开发 ; 图形用户界面设计等 MATLAB 产品族被广泛应用于信号与图像处理控制系统设计通讯系统仿真等诸多领域开放式的结构使 MATLAB 产品族很容易针对特定的需求进行扩充, 从而在不断深化对问题的认识同时, 提高自身的竞争力 2.2 PCB 设计软件 PCB(Printed-Circuit Board) 设计软件种类很多, 如 Protel OrCAD Viewlogic PowerPCB Cadence PSD MentorGraphices 的 Expedition PCB Zuken CadStart Winboard/Windraft/Ivex-SPICE PCB Studio TANGO PCBWizard( 与 LiveWire 配套的 PCB 制作软件包 ) ultiboard7( 与 multisim2001 配套的 PCB 制作软件包 ) 等等目前在我国用得最多当属 Protel, 下面仅对此软件作一介绍 Protel 是 PROTEL( 现为 Altium) 公司在 20 世纪 80 年代末推出的 CAD 工具, 是 PCB 设计者的首选软件它较早在国内使用, 普及率最高, 在很多的大中专院校的电路专业还专门开设 Protel 课程, 几乎所在的电路公司都要用到它早期的 Protel 主要作为印刷板自动布线工具使用, 其最新版本为 Protel DXP, 现在普遍使用的是 Protel99SE, 它是个完整的全方位电路设计系统, 包含了电原理图绘制模拟电路与数字电路混合信号仿真多层印刷电路板设计 ( 包含

5 印刷电路板自动布局布线 ), 可编程逻辑器件设计图表生成电路表格生成支持宏操作等功能, 并具有 Client/Server( 客户 / 服务体系结构 ), 同时还兼容一些其它设计软件的文件格式, 如 ORCAD PSPICE EXCEL 等使用多层印制线路板的自动布线, 可实现高密度 PCB 的 100% 布通率 Protel 软件功能强大 ( 同时具有电路仿真功能和 PLD 开发功能 ) 界面友好使用方便, 但它最具代表性的是电路设计和 PCB 设计 2.3 IC 设计软件 IC 设计工具很多, 其中按市场所占份额排行为 Cadence Mentor Graphics 和 Synopsys 这三家都是 ASIC 设计领域相当有名的软件供应商其它公司的软件相对来说使用者较少中国华大公司也提供 ASIC 设计软件 ( 熊猫 2000); 另外近来出名的 Avanti 公司, 是原来在 Cadence 的几个华人工程师创立的, 他们的设计工具可以全面和 Cadence 公司的工具相抗衡, 非常适用于深亚微米的 IC 设计下面按用途对 IC 设计软件作一些介绍 1 设计输入工具这是任何一种 EDA 软件必须具备的基本功能像 Cadence 的 composer,viewlogic 的 viewdraw, 硬件描述语言 VHDL Verilog HDL

6 是主要设计语言, 许多设计输入工具都支持 HDL( 比如说 multisim 等 ) 另外像 Active-HDL 和其它的设计输入方法, 包括原理和状态机输入方法, 设计 FPGA/CPLD 的工具大都可作为 IC 设计的输入手段, 如 Xilinx Altera 等公司提供的开发工具 Modelsim FPGA 等 2 设计仿真工作我们使用 EDA 工具的一个最大好处是可以验证设计是否正确, 几乎每个公司的 EDA 产品都有仿真工具 Verilog-XL NC-verilog 用于 Verilog 仿真,Leapfrog 用于 VHDL 仿真,Analog Artist 用于模拟电路仿真 Viewlogic 的仿真器有 :viewsim 门级电路仿真器, speedwavevhdl 仿真器,VCS-verilog 仿真器 Mentor Graphics 有其子公司 Model Tech 出品的 VHDL 和 Verilog 双仿真器 :Model Sim Cadence Synopsys 用的是 VSS(VHDL 仿真器 ) 现在的趋势是各大 EDA 公司都逐渐用 HDL 仿真器作为电路验证的工具 3 综合工具综合工具可以把 HDL 变成门级网表这方面 Synopsys 工具占有较大的优势, 它的 Design Compile 是作为一个综合的工业标准, 它还有另外一个产品叫 Behavior Compiler, 可以提供更高级的综合

7 另外最近美国又出了一个软件叫 Ambit, 据说比 Synopsys 的软件更有效, 可以综合 50 万门的电路, 速度更快今年初 Ambit 被 Cadence 公司收购, 为此 Cadence 放弃了它原来的综合软件 Synergy 随着 FPGA 设计的规模越来越大, 各 EDA 公司又开发了用于 FPGA 设计的综合软件, 比较有名的有 :Synopsys 的 FPGA Express, Cadence 的 Synplity, Mentor 的 Leonardo, 这三家的 FPGA 综合软件占了市场的绝大部分 4 布局和布线在 IC 设计的布局布线工具中,Cadence 软件是比较强的, 它有很多产品, 用于标准单元门阵列已可实现交互布线最有名的是 Cadence spectra, 它原来是用于 PCB 布线的, 后来 Cadence 把它用来作 IC 的布线其主要工具有 :Cell3,Silicon Ensemble- 标准单元布线器 ;Gate Ensemble- 门阵列布线器 ;Design Planner- 布局工具其它各 EDA 软件开发公司也提供各自的布局布线工具 5 物理验证工具物理验证工具包括版图设计工具版图验证工具版图提取工具等等这方面 Cadence 也是很强的, 其 Dracula Virtuso Vampire 等物理工具有很多的使用者

8 6 模拟电路仿真器前面讲的仿真器主要是针对数字电路的, 对于模拟电路的仿真工具, 普遍使用 SPICE, 这是唯一的选择只不过是选择不同公司的 SPICE, 像 MiceoSim 的 PSPICE Meta Soft 的 HSPICE 等等 HSPICE 现在被 Avanti 公司收购了在众多的 SPICE 中,HSPICE 作为 IC 设计, 其模型多, 仿真的精度也高 2.4 PLD 设计工具 PLD(Programmable Logic Device) 是一种由用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路目前主要有两大类型 :CPLD(Complex PLD) 和 FPGA(Field Programmable Gate Array) 它们的基本设计方法是借助于 EDA 软件, 用原理图状态机布尔表达式硬件描述语言等方法, 生成相应的目标文件, 最后用编程器或下载电缆, 由目标器件实现生产 PLD 的厂家很多, 但最有代表性的 PLD 厂家为 Altera Xilinx 和 Lattice 公司 PLD 的开发工具一般由器件生产厂家提供, 但随着器件规模的不断增加, 软件的复杂性也随之提高, 目前由专门的软件公司与器件生产厂家使用, 推出功能强大的设计软件下面介绍主要器件生产厂家和开

9 发工具 1ALTERA:20 世纪 90 年代以后发展很快主要产品有 : MAX3000/7000 FELX6K/10K APEX20K ACEX1K Stratix 等其开发工具 -MAX+PLUS II 是较成功的 PLD 开发平台, 最新又推出了 Quartus II 开发软件 Altera 公司提供较多形式的设计输入手段, 绑定第三方 VHDL 综合工具, 如 : 综合软件 FPGA Express Leonard Spectrum, 仿真软件 ModelSim 2ILINX:FPGA 的发明者产品种类较全, 主要有 :XC9500/4000 Coolrunner(XPLA3) Spartan Vertex 等系列, 其最大的 Vertex-II Pro 器件已达到 800 万门开发软件为 Foundation 和 ISE 通常来说, 在欧洲用 Xilinx 的人多, 在日本和亚太地区用 ALTERA 的人多, 在美国则是平分秋色全球 PLD/FPGA 产品 60% 以上是由 Altera 和 Xilinx 提供的可以讲 Altera 和 Xilinx 共同决定了 PLD 技术的发展方向 3Lattice-Vantis:Lattice 是 ISP(In-System Programmability) 技术的发明者 ISP 技术极大地促进了 PLD 产品的发展, 与 ALTERA 和 XILINX 相比, 其开发工具比 Altera 和 Xilinx 略逊一筹中小规模 PLD 比较有特色, 大规模 PLD 的竞争力还不够强 (Lattice 没有基于查找表技术的大规模 FPGA),1999 年推出可编程模拟器件,1999 年收购 Vantis( 原 AMD 子公司 ), 成为第三大可编程逻辑器件供应商

10 2001 年 12 月收购 Agere 公司 ( 原 Lucent 微电子部 ) 的 FPGA 部门主要产品有 isplsi2000/5000/8000,mach4/5 4ACTEL: 反熔丝 ( 一次性烧写 )PLD 的领导者由于反熔丝 PLD 抗辐射耐高低温功耗低速度快, 所以在军品和宇航级上有较大优势 ALTERA 和 XILINX 则一般不涉足军品和宇航级市场 5Quicklogic: 专业 PLD/FPGA 公司, 以一次性反熔丝工艺为主, 在中国地区销售量不大 6Lucent: 主要特点是有不少用于通讯领域的专用 IP 核, 但 PLD/FPGA 不是 Lucent 的主要业务, 在中国地区使用的人很少 7ATMEL: 中小规模 PLD 做得不错 ATMEL 也做了一些与 Altera 和 Xilinx 兼容的片子, 但在品质上与原厂家还是有一些差距, 在高可靠性产品中使用较少, 多用在低端产品上 8Clear Logic: 生产与一些著名 PLD/FPGA 大公司兼容的芯片, 这种芯片可将用户的设计一次性固化, 不可编程, 批量生产时的成本较低 9WSI: 生产 PSD( 单片机可编程外围芯片 ) 产品这是一种特殊的

11 PLD, 如最新的 PSD8xx PSD9xx 集成了 PLD EPROM Flash, 并支持 ISP( 在线编程 ), 集成度高, 主要用于配合单片机工作顺便提一下 :PLD( 可编程逻辑器件 ) 是一种可以完全替代 74 系列及 GAL PLA 的新型电路, 只要有数字电路基础, 会使用计算机, 就可以进行 PLD 的开发 PLD 的在线编程能力和强大的开发软件, 使工程师可以几天, 甚至几分钟内就可完成以往几周才能完成的工作, 并可将数百万门的复杂设计集成在一颗芯片内 PLD 技术在发达国家已成为电子工程师必备的技术

前言

FPGA/CPLD FPGA/CPLD FPGA/CPLD FPGA/CPLD FPGA/CPLD 1.1 FPGA/CPLD CPLD Complex Programable Logic Device FPGA Field Programable Gate Array 1.3 CPLD/FPGA PLD PLD ASIC PLD PLD PLD FPGA PLD 7032LC 3 PLD 70 1