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EDA技术PCB设计


EDA技术在PCB设计中的发展与应用

随着科学研究与技术开发的市场化,采用传统的电子设计手段在较短的时间内完成复杂电子系统的设计,已经越来越难完成了。为适应这种现状,日趋完善的EDA技术正在逐步取代传统的电子设计方法。EDA是目前最新、最全面的电子设计技术及工具,它的出现为电子设计工作者提供了一种全新的设计方法,它覆盖了电子设计的主要环节,对所设计的电路进行仿真、电磁性和信号完整性分析,从而对电路设计和印刷板设计进行综合认证,得出最佳的设计参数,并进行产品的定性。

一、EDA软件简介

“EDA”就是Electronic Design Autom ation(电子设计自动化),也就是能够帮助人们设计电子电路或系统的软件工具,该工具可以使设计更复杂的电路和系统成为可能。目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有:muhisim7、OW_AD、Protel、Viewlogio、Mentor、Synopsys、PCBWId、Cadence、MicmSim等等,这些软件各具特色,大体分为芯片级设计工具、电路板级设计工具、可编程逻辑器件开发工具和电路仿真工具等几类;其中Protel是国内最流行、使用最广泛的一种印制电路板(PCB)设计的首选软件,由澳大利亚protdTechnology公司出品,过去只是用来进行原理图输入和PCB版图设计,从Protel 98开始,加入了模拟数字混合电路仿真模块(SIM)和可编程逻辑器件设计模块(PLD),1999年Protel推出了功能更加强大的EDA综合设计环境Protel 99,它将EDA的全部内容整合为一体,成为完整的EDA软件,因而该软件发展潜力很大,但它最具特色和最强大的功能仍是原理图输人和PCB版图设计;另外还有Ultiboard与Multisim配套的PCB设计软件,PCBWizard与LivaWire配套的PCB制作软件包等等。

二、EDA技术的发展历程

EDA技术是一门涉及计算机图形学、微电子工艺等学科的综合性技术,随着计算机、集成电路、电子系统设计的发展,经历了一个由浅到深的过程。

从20世纪60年代中期开始,人们就利用各种计算机辅助设计工具来取代手工操作,进行IC版图编辑和PCB布局布线,改变了传统的手土方法制图和设计集成电路方法,由于PCB布局布线工具受到计算机工作平台的制约,其支持的设计工作有限,性能比较差。

20世纪80年代,由于各种设计工具(如原理图输入、版图自动布局)均已齐全,人们采用统一的数据管理技术将各个工具集成为一个系统,提供标准元件库,使设计工作方便快捷,但在设计过程中,自动化和智能化程度还不高,各种EDA软件界面千差万别,学习使用困难,并且互不兼容,直接影响到设计环节问的衔接。

20世纪90年代以来,电子工艺水平已经达到了深亚微米级,人们开始追求贯彻整个设计过程的自动化,把精力集中在创造性的方案与概念构思上,从而可以提高设计效率,缩短产品的研制周期。这时的EDA工具不仅具有电子系统设计的能力,而且能提供独立于工艺和厂家的系统级设计能力,具有高级抽象的设计构思手段。

三、EDA技术的基本特征

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、性能分析到设计IC版图或PCB版图的整个过程在计算机上自动处理完成。

(1)用软件设计的方法来设计硬件,硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的,设计输入可以是原理图V H DL语言,通过软件设计方式的测试,实现对特定功能硬件电路的设计,而硬件设计的修改工作也如同修改软件程序一样快捷方便,设计的整个过程几乎不涉及任何硬件,可操作性、产品互换性强。

(2)不同公司的软件工具集成到一个统一的计算机平台上,使之成为一个完整的EDA系统,实现各种EDA工具间的优化组合和资源共享;采用统一的数据库,不同设计风格和应用场合的要求使各具特色的EDA工具被集成在同一个工作站上,从而使EDA框架标准化;各个仿真器对同一个设计进行协同仿真,进一步提高了EDA系统的工作效率和灵活性。

(3)EDA设计方法又称为基于芯片的设计方法,集成化程度更高,可实现片上系统集成,进行更加复杂的电路芯片化设计和专用集成电路设计,使产品体积小、功耗低、可靠性高;可在系统编程或现场编程,使器件编程、重构、修改简单便利,可实现在线升级;可进行各种仿真,开发周期短,设计成本低,设计灵活性高。

(4)EDA技术根据设计输入文件,将电子产品从电路功能仿真、性能分析、优化设计到结果测试的全过程在计算机上自动处理完成,自动生成目标系统,使设计人员不必学习许多深入的专业知识,也可免除许多推导运算即可获得优化的设计成果,设计自动化程度高,减轻了设计人员的工作量,开发效率高。

四、EDA技术设计流程

EDA技术在产品设计、产品检测及产品开发等各个方面都具有优异的功能,它能帮助专业技术人员进行快速的产品设计、检测,真正做到“设计即正确”。

(1)在设计方式上,EDA技术为电子设计领域带来根本性的变革,是一种面向未来的电子设计理念,利用EDA软件,将传统的“电路设计+硬件搭试+调试焊接”的模式转变为在计算机上自动完成,人们在计算机中设计出电子电路的原理图模型,然后验证其理论上的可行性,接着画出其印刷电路板,从而高效优质地完成从原理图逻辑连接向电路元器件物理连接的转化过程。改变传统的子产品设计周期长、耗费材料多、设计费用高、不利于产品更新换代的繁琐而冗长的过程,解决当产品出现问题时依赖人的因素和面对大型的电子电路就显得力不从心的问题。

(2)在设计方法上,设计者采用一种高层次的“自顶向下”的全新设计方法,首先在顶层进行功能方框图的划分和结构设计,然后在方框图一级进行仿真、纠错,用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述,在系统一级进行验证,再用综合工具对产品进行优化,其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路;与过去选择标准集成电路“自底向上”地构造出一个新的系统相比,由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的,这不仅有利于及早发现结构设计上的错误,避免设计工作的浪费,而且也减少了逻辑功能仿真的工作量,提高了设计的一次成功率。

(3)在电路设计流程中,差的信号完整性不是由某一因素导致的,而是由板级设计中多种因素共同引起的,设计人员首先确定设计方案,选择合适的元器件,然后根据具体的元器件设计电路原理图,接着进行故障分析、模拟电路的交直流分析、瞬态分析等第一次仿真。这一次仿真主要是将设计输入EDA工具进行仿真,检验设计方案在功能方面的正确性,检查逻辑功能的正确性;保证信号在信号线上的质量,特别要注意在高速电路中,所使用的芯片的切换速度过快、连接元件布设不合理、电路的互联不合理等引起信号的完整性问题的解决,具体主要包括串扰、反射、过冲与下冲、振荡、信号延迟等。

(4)通过EDA系统,可事先排除大部分设计的缺陷,在计算机上仿真出近似于实际电路的数据和响应波形。设计人员无须通过门级原理图描述电路,而是针对设计目标进行功能描述,摆脱了电路细节的束缚,在制作PCB板之前还可以进行热分析、噪声及窜扰分析、电磁兼容分析、可靠性分析等,并且可以将分析后的结果参数反标回电路图,进行第二次仿真,检验PC B板在实际工作环境中的可行性;制板过程中计算机在布线中把电磁干扰、热干扰建成数学模型加以排除以保证布线质量。由此可见,EDA技术使设计人员在实际的电子系统产生前,就可以全面地了解系统的功能特性及物理特性,从而将开发风险消除在设计阶段,缩短了开发时间,降低了开发成本。

总结

EDA技术的发展与应用,巳成为现代电子设计的核心,随着电子产品更新的加快,EDA技术作为电子产品开发研制的源动力,其应用水平与普及程度,已成为衡量一个国家电子技术现代化水平的重要标志之一,所以发展EDA技术将是电子设计领域和电子产业界的一场重大的技术革命,掌握EDA技术已成为当今电子电路和硬件系统设计者的重要任务。

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