一文讀懂EDA技術(shù)

1 EDA技術(shù)的基本概念

EDA是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design AutomaTIon）的縮寫(xiě)，是從CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）、CAT（計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試）和CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）的概念發(fā)展而來(lái)的。EDA技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為工具，集數(shù)據(jù)庫(kù)、圖形學(xué)、圖論與拓?fù)溥壿?、?jì)算數(shù)學(xué)、優(yōu)化理論等多學(xué)科最新理論于一體，是計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、微電子技術(shù)、電路理論、信息分析與信號(hào)處理的結(jié)晶。

EDA技術(shù)的發(fā)展過(guò)程反映了近代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的一段歷史進(jìn)程，大致分為3個(gè)時(shí)期。

1）初級(jí)階段：早期階段即足CAD（Computer Assist Design）階段，大致在20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)中小規(guī)模集成電路已經(jīng)出現(xiàn)，傳統(tǒng)的手工制圖設(shè)計(jì)印刷電路板和集成電路的方法效率低、花費(fèi)大、制造周期長(zhǎng)。人們開(kāi)始借助于計(jì)算機(jī)完成印制電路板-PCB設(shè)計(jì)，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中高重復(fù)性的繁雜勞動(dòng)如布圖布線(xiàn)工作用二維平面圖形編輯與分析的CAD工具代替，主要功能是交互圖形編輯。設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，解決晶體管級(jí)版圖設(shè)計(jì)、PCB布局布線(xiàn)、門(mén)級(jí)電路模擬和測(cè)試。

2）發(fā)展階段：20世紀(jì)80年代是EDA技術(shù)的發(fā)展和完善階段，即進(jìn)入到CAE（Computer Assist Engineering Design）階段。由于集成電路規(guī)模的逐步擴(kuò)大和電子系統(tǒng)的日趨復(fù)雜，人們進(jìn)涉開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)軟件，將各個(gè)CAD工具集成為系統(tǒng)，從而加強(qiáng)了電路功能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該時(shí)期的EDA技術(shù)已經(jīng)延伸到半導(dǎo)體芯片的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)出可編程半導(dǎo)體芯片。

3）成熟階段：20世紀(jì)90年代以后微電子技術(shù)突飛猛進(jìn)，一個(gè)芯片上可以集成幾百萬(wàn)、幾千萬(wàn)乃至上億個(gè)晶體管，這給EDA技術(shù)提出了更高的要求，也促進(jìn)了EDA技術(shù)的大發(fā)展。各公司相繼開(kāi)發(fā)出了大規(guī)模的EDA軟件系統(tǒng)，這時(shí)出現(xiàn)了以高級(jí)語(yǔ)言描述、系統(tǒng)級(jí)仿真和綜合技術(shù)為特征的EDA技術(shù)。

EDA技術(shù)代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)技術(shù)的最新發(fā)展方向，它的基本特征是采用高級(jí)語(yǔ)言描述，即硬件描述語(yǔ)言HDL（HardWare DescripTIon Language），就是可以描述硬件電路的功能。信號(hào)連接關(guān)系及定時(shí)關(guān)系的語(yǔ)言。它比電原理圖更有效地表示硬件電路的特性，同時(shí)具有系統(tǒng)仿真和綜合能力。具體歸納為以下幾點(diǎn)：

1）現(xiàn)代化EDA技術(shù)大多采用“自頂向下（Top_Down）”的設(shè)計(jì)程序，從而確保設(shè)計(jì)方案整體的合理和優(yōu)化，避免“自底向上（Bottom-up）”設(shè)計(jì)過(guò)程使局部?jī)?yōu)化，整體結(jié)構(gòu)較差的缺陷。

2）HDL給設(shè)計(jì)帶來(lái)很多優(yōu)點(diǎn)：①語(yǔ)言公開(kāi)可利用;②語(yǔ)言描述范圍寬廣;③使設(shè)計(jì)與工藝無(wú)關(guān);④可以系統(tǒng)編程和現(xiàn)場(chǎng)編程，使設(shè)計(jì)便于交流、保存、修改和重復(fù)使用，能夠?qū)崿F(xiàn)在線(xiàn)升級(jí)。

3）自動(dòng)化程度高，設(shè)計(jì)過(guò)程中隨時(shí)可以進(jìn)行各級(jí)的仿真、糾錯(cuò)和調(diào)試，使設(shè)計(jì)者能早期發(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)，同時(shí)設(shè)計(jì)人員可以?huà)侀_(kāi)一些具體細(xì)節(jié)問(wèn)題。從而把主要精力集中在系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)上，保證設(shè)計(jì)的高效率、低成本，且產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短、循環(huán)快。

4）可以并行操作，現(xiàn)代EDA技術(shù)建立了并行工程框架結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境。從而保證和支持多人同時(shí)并行地進(jìn)行電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

EDA技術(shù)在電子工程設(shè)計(jì)中發(fā)揮著不可替代的作用，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

4.1 驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)方案的正確性

設(shè)計(jì)方案確定之后，首先采用系統(tǒng)仿真或結(jié)構(gòu)模擬的方法驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，這只要確定系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)（數(shù)學(xué)模型）便可實(shí)現(xiàn)。這種系統(tǒng)仿真技術(shù)可推廣應(yīng)用于非電專(zhuān)業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，或某種新理論、新構(gòu)思的設(shè)計(jì)方案。仿真之后對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的各電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，以判斷電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性及性能指標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性。這種量化分析方法對(duì)于提高工程設(shè)計(jì)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，具有重要的指導(dǎo)意義。

4.2 電路特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)

元器件的容差和工作環(huán)境溫度將對(duì)電路的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法很難對(duì)這種影響進(jìn)行全面的分析。也就很難實(shí)現(xiàn)整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。EDA技術(shù)中的溫度分析和統(tǒng)計(jì)分析功能可以分析各種溫度條件下的電路特性，便于確定最佳元件參數(shù)、最佳電路結(jié)構(gòu)以及適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)穩(wěn)定裕度，真正做到優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.3 實(shí)現(xiàn)電路特性的模擬測(cè)試

電子電路設(shè)計(jì)過(guò)程，大量的工作是數(shù)據(jù)測(cè)試和特性分析。但是受測(cè)試手段和儀器精度所限。測(cè)試問(wèn)題很多。采用EDA技術(shù)后，可以方便地實(shí)現(xiàn)全功能測(cè)試。

目前EDA技術(shù)的軟件很多，如EWB、PROTELL等。

1）EWB（Electronics Workbench）軟件。EWB是基于PC平臺(tái)的電子設(shè)計(jì)軟件，由加拿大InteracTIve Image Technologies Ltd.公司研制開(kāi)發(fā)，該軟件具有以下特點(diǎn)：

①集成化工具：一體化設(shè)計(jì)環(huán)境可將原理圖編輯、SPICE仿真和波形分析、仿真電路的在線(xiàn)修改、選用虛擬儀器、借助14種分析工具輸出結(jié)果等操作在一個(gè)集成系統(tǒng)中完成。

②仿真器：交互式32位SPICE強(qiáng)化支持自然方式的模擬、數(shù)字和數(shù)/模混合元件。自動(dòng)插入信號(hào)轉(zhuǎn)換界面，支持多級(jí)層次化元件的嵌套，對(duì)電路的大小和復(fù)雜沒(méi)有限制。只有提供原理圖網(wǎng)絡(luò)表和輸入信號(hào)，打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)就會(huì)在一定的時(shí)間內(nèi)將仿真結(jié)果輸出。

③原理圖輸入：鼠標(biāo)點(diǎn)擊—拖動(dòng)界面，點(diǎn)—點(diǎn)自動(dòng)連線(xiàn)。分層的工作環(huán)境，手工調(diào)整元器件時(shí)自動(dòng)重排線(xiàn)路，自動(dòng)分配元器件的參考編號(hào)，對(duì)元器件尺寸大小沒(méi)有限制。

④分析：虛擬測(cè)試設(shè)備能提供快捷、簡(jiǎn)單的分析。主要包括直流工作點(diǎn)、瞬態(tài)，交流頻率掃描、付立葉、噪聲、失真度、參數(shù)掃描、零極點(diǎn)、傳遞函數(shù)、直流靈敏度、最差情況、蒙特卡洛法等14種分折工具，可以在線(xiàn)顯示圖形并具有很大的靈活性。

⑤設(shè)計(jì)文件夾：同時(shí)儲(chǔ)存所有的設(shè)計(jì)電路信息，包括電路結(jié)構(gòu)、SHCE參數(shù)、所有使用模型的設(shè)置和拷貝。全部存放在—個(gè)設(shè)計(jì)文件中，便于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享以及丟失或損壞的數(shù)據(jù)恢復(fù)。

⑥接口：標(biāo)準(zhǔn)的SPICE網(wǎng)表，既可以輸入其他CAD生成的SHCE網(wǎng)絡(luò)連接表并行成原理圖供EWB使用。也可以將原理圖輸出到其他PCS工具中直接制作線(xiàn)路板。

2）PROTEL軟件。廣泛應(yīng)用的Protel99主要分為兩大部分：用于電路原理圖的設(shè)計(jì)原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Advanced SchemaTIc）和用于印刷電路板設(shè)計(jì)的印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Advanced PCB）。

高層次設(shè)計(jì)技術(shù)是近幾年來(lái)國(guó)際上在EDA技術(shù)領(lǐng)域研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用的熱門(mén)課題，并且發(fā)展非常迅速，成效異常顯著。這一領(lǐng)域主要包括功能強(qiáng)大的硬件描述語(yǔ)言、高層次綜合技術(shù)、高層次模擬技術(shù)以及測(cè)試設(shè)計(jì)的綜合技術(shù)等。相信隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，作為EDA發(fā)展方向的高層次自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)必將取得更輝煌的成績(jī)。