工程师的那些电路设计工具

mellifluous · 发表于 2023-2-3 09:13

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EDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统，是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。利用EDA工具，可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在计算机上自动处理完成。

EDA常用软件; e5 }1 j) t1 J0 U1 A! X

EDA工具层出不穷，目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有：protel、mentorpads、orcad、Mentor WG、Mentor EN、allegro、EWB、Pspice、 Synopsys等等。按主要功能或主要应用场合，大致可分为电路设计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具及其它EDA软件。
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电子电路设计与仿真工具# {- R0 h7 g; W5 |
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电子电路设计与仿真工具包括：

SPICE/PSPICE、EWB、Matlab、SystemView、Multisim、MMICAD等。下面简单介绍前三个软件。
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1）SPICE：由美国加州大学推出的电路分析仿真软件，现在用得较多的是PSPICE6.2，在同类产品中是功能最为强大的模拟和数字电路混合仿真 EDA软件，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。1 {6 v8 a- z! L+ j' t$ S+ Y, q
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2）EWB软件：20世纪90年代初推出的电路仿真软件。相对于其它EDA软件，它是较小巧的软件(只有16M)。但它对模数电路的混合仿真功能却十分强大，几乎100%地仿真出真实电路的结果，并且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器和电压表、电流表等仪器仪表。它的界面直观，易学易用。它的很多功能模仿了SPICE的设计，但分析功能比PSPICE稍少一些。$ Q& w# `) f. l. ^+ Y
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3）MATLAB：它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。, `' x! m" _, Q; G$ A+ g8 }& m
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PCB设计软件

PCB设计软件种类很多，如Protel/AD、OrCAD、Viewlogic、cadence PSD、Mentor公司的Mentor EN、Mentor WG以及Mentor PADS等系列。常用的PCB设计软件还有Zuken CadStart、Winboard/Windraft/Ivex-SPICE、PCB Studio、TANGO等等。! Y3 N- V8 v* S. ]5 W
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先来说说Mentor旗下几个常用系列工具！
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Mentor公司有三个系列的PCB设计工具，分别是：3 I0 K! k  g+ F

Mentor EN系列，即Mentor Board Station.Mentor WG系列，即Mentor Expedition.还有PADS系列，即PowerPCB.

上面讲到的Mentor PADS，也就是以前的PowerPCB/PowerLogic系列，是低端的PCB软件中最优秀的一款，其界面友好、容易上手、功能强大而深受中小企业的青睐，在中小企业用户占有很大的市场份额。
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其他两个系列Mentor EN系列和Mentor WG系列与Cadence Allegro一样，都是目前最高端的PCB软件，像中兴、华为这类大型公司都会使用这些高端的设计软件。

其中，Mentor Expedition（WG系列）是拉线最顺畅的软件，被誉为拉线之王，它的自动布线功能非常强大，布线规则设计非常专业。

Mentor EN系列是从早期UNIX系统移植到Windows系统，也是最专业的PCB工具软件，但其学习难度较大，自学的话会比较吃力。
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PADS系列则相对来说比较简单易用且上手快，设计灵活，用户的自由度也非常高，很适合初学者及热衷于自学的群体。

再来说说altium公司的Protel和AD
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Protel/AD也有不少高校用户，它拥有完整的全方位电位设计系统，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/服务器体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD、PSPICE、EXCEL等。

最后来谈谈Cadence Allegro.+ o* P, s8 G$ l+ h
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Cadence公司拥有Orcad/SPB/PSD等多个系列，三者都是Cadence公司基于capture和allegro的PCB设计套件，区别仅在于软件配置。

Orcad的配置是低端产品，存在价格低的优点，但是在Orcad中Allegro 的功能比较弱，只有各项基本功能而没有constrain manager，如果需要SI或者constrain manager呢，就需要另外的增加配置了。

PSD和SPB其实是同一个东西，PSD是Allegro系统互连设计平台的早期版本，后来新出的版本叫做 SPB，因为改进了设计理念，所以修改了套件包的名称。+ t: L9 f# ~, F. a. j
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由此大家应该明白了，SPB是Allegro最全功能的版本。0 y6 t$ f0 {' U% H) D' l
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衡量一个软件的优劣，其中一个很现实的标准就是看它的市场占有率，也就是它的普及和流行程度.Cadence Allegro现在几乎成为高速板设计中实际上的工业标准，被很多大型电子通信类公司采用，因此掌握Cadence Allegro对求职有实质的帮助；另外其学习资源也比较丰富，比较适合自学。
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现在Cadence公司的系列产品有：Cadence SPB16.2, Cadence SPB16.0, Cadence SPB 15.7, Cadence SPB15.5, Cadence SPB15.2等。板级电路设计系统。

Cadence Allegro现在几乎成为高速板设计中实际上的工业标准，其学习资源也比较丰富，比较适合自学。
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曾经有人这么评价Cadence：1 T# e" R  T5 a! d3 K' X
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“Cadence是高速板设计中实际上的工业标准。无论哪一方面都超牛。Cadence PCB Layout工具绝对一流，稍微熟悉一点后就不再想用其他工具了，布线超爽。仿真方面也是非常的牛，有自己的仿真工具，信号完整性仿真，电源完整性仿真都能做。在做pcb高速板方面牢牢占据着霸主地位。要知道这个世界上60%的电脑主板40%的手机主板可都是拿Allegro画的。”
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IC设计软件5 l( w4 \& ?6 v1 J6 ^
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IC设计工具很多，其中按市场所占份额排行为Cadence、Mentor Graphics和Synopsys。

1）设计输入工具：像Cadence的composer，viewlogic的viewdraw，硬件描述语言VHDL、Verilog HDL是主要设计语言，许多设计输入工具都支持HDL。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。& E) D' U3 u( K
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2）设计仿真工作：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。
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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。1 K" T0 b0 l; V1 x, u9 v3 {
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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。此外，美国还出了一家软件叫Ambit，比Synopsys的软件更有效，可以综合50万门的电路，速度更快。不过Ambit已被Cadence公司收购，为此Cadence放弃了它原来的综合软件Synergy。8 _0 t$ v  b$ C9 `" C' p) M+ H3 [

随着FPGA设计的规模越来越大，各EDA 公司又陆续开发了用于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。& r  J' s' i! j' V( P) T+ ~
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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。
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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。
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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，最好最准的当数HSPICE，作为IC设计，它的模型最多，仿真的精度也最高。4 E; H  I9 R& F" Q; o
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PLD设计工具
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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。( L& h& P# v; z; d% \% J5 K

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合作，推出功能强大的设计软件。4 k+ I* t; q- t  U' V

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，使工程师可以在几天，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。
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PLD生产及开发工具：
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1）ALTERA—20世纪90年代以后发展很快，后被英特尔收购。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。
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2）XILINX—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。
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3）Lattice—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。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。

4）ACTEL—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。/ f3 e9 f. ]  p" r) C& w
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5）Quicklogic—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。
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6）Lucent—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。

7）ATMEL—已被Microchip收购，中小规模PLD做得不错。ATMEL早年也做了一些与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。5 K6 d, H5 K& Q) C- a

8）Clear 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。5 }* f% z3 Q$ P6 r! ?8 P, u
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9）WSI—生产PSD(单片机可编程外围芯片)产品。这是一种特殊的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。
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其它EDA软件

1）VHDL语言超高速集成电路硬件描述语言(VHSIC Hardware DeseriptionLanguagt，简称VHDL)，是IEEE的一项标准设计语言。它源于美国国防部提出的超高速集成电路(Very High Speed Integrated Circuit，简称VHSIC)计划，是ASIC设计和PLD设计的一种主要输入工具。( Q( e, M; w/ ^8 ^) x0 B: T5 W
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2）Veriolg HDL  是Verilog公司推出的硬件描述语言，在ASIC设计方面与VHDL语言平分秋色。) q% o: m( H- k2 k) w3 v7 h9 a+ H# M
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3）其它EDA软件如专门用于微波电路设计和电力载波工具、PCB制作和工艺流程控制等领域的工具，在此就不作介绍了。

在文章结束即将结束前，再介绍一下Saber软件！$ j+ d' ^$ H0 d. ^

Saber 是混合信号、混合技术设计与验证工具，在电力电子、数模混合仿真、汽车电子及机电一体化领域得到广泛应用。Saber软件在技术、理论及新产品开发方面保持明显优势，其大量的器件模型、先进的仿真技术和精确的建模工具为客户提供了全面的系统解决方案，在并在技术方面不断地完善创新。

Saber 的建模工具运用广泛，有可用于电源、机电、磁、热、负载等各种建模工具。Saber也有独特的设计与验证方法：“自顶向下”(Top- Down Design)设计与“自下而上”(Bottom-Up)仿真验证方法。在作了建模方法演示、混合技术设计方法演示、线缆设计(从电气设计到线缆生产)流程演示后，Johnson演示了单故障模式仿真调试;关键参数与非关键参数的多故障模式仿真调试，显示了Saber仿真器Testify的强大功能。$ I2 K6 i0 n+ G0 `+ q3 t

Saber的典型案例是航空器领域的系统设计，其整个设计过程包含了机械技术、电子技术、液压技术、燃油系统、娱乐系统、雷达无线技术等复杂的混合技术设计与仿真。从航空器、轮船、汽车到消费电子、电源设计都可以通过Saber来完成。
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在开关电源设计中，如果有变压器，saber仿真是最好的，变压器模型比较全。saber仿真现在主要问题就是没有教材。不方便学习。

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