現(xiàn)代電路作業(yè)

1、1·簡介幾乎所有的工程技術(shù)領域都涉及到信號,這些信號包括電的、磁的、機械的、熱的、聲的、光的及生物體的等各個方面。為了能將這些信號用于實際工程,需要對信號進行諸如采集、濾波、放大、變換、壓縮、估值與識別等加工處理。目前,信號處理影響和改變著微電子、信息科學等技術(shù)的發(fā)展,被廣泛應用于諸如通信、控制、雷達、人造衛(wèi)星、儀器、儀表和計算機等眾多領域。而按照被處理的信號分類,信號處理可以分為模擬信號處理和數(shù)字信號處理(Digital SignalProcessing, DSP),相應的系統(tǒng)分別稱為模擬、數(shù)字信號處理系統(tǒng)。對溫度和工藝的變化數(shù)字信號比模擬信號穩(wěn)定,在數(shù)字表示中,可以通過改變信號的

2、字長來更好地控制精度,同時,相對于信號和噪聲獎同時被放大的模擬信號處理技術(shù)中,數(shù)字信號處理技術(shù)可以在放大信號的同時取出噪聲和干擾。另外,數(shù)字信號還可以被不帶誤差地存儲和恢復、發(fā)送和接收、處理。因此,可以用高精度、大信噪比、可重構(gòu)的數(shù)字技術(shù)來實現(xiàn)許多復雜的系統(tǒng)。從20世紀60年代以來,隨著信息學科和計算機的高速發(fā)展,數(shù)字信號處理技術(shù)迅速發(fā)展。70年代以來,隨著電子計算機、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路以及微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展,數(shù)字信號處理理論得到迅猛發(fā)展,理論體系和框架逐漸趨于成熟,數(shù)字信號處理技術(shù)在各個領域的重要性也日益顯著。電子電路與系統(tǒng)分析設計軟件有很多,早期的有Smartwork、A

3、utoBoard、EE System、PCAD、Tango。現(xiàn)常用的有如下幾種。PSpice:新推出的版本為PSpice9.1,是功能強大的模擬電路和數(shù)字電路混合仿真EDA軟件,它可以進行各種的電路仿真、激勵建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出、并在同一個窗口內(nèi)同時顯示模擬與數(shù)字的仿真結(jié)果。Protel:是Tango的升級版本。早期的Protel主要作為印制板自動布線工具使用,只有電原理圖繪制和印制板設計功能,后發(fā)展到Protel99se,最近在并購后改名為Altium公司,推出的最新版本ProtelDXP是個龐大的EDA軟件,包含電原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號仿真、多

4、層印制電路板設計(包含印制電路板自動布線)、可編程邏輯器件設計、圖表和電子表格生成、支持宏操作等功能,是個完整的板級全方位電子設計系統(tǒng)。OrCAD:是由OrCAD公司于20世紀80年代末推出的EDA軟件,OrCAD界面友好直觀,集成了電原理圖繪制、印制電路板設計、模擬與數(shù)字電路混合仿真、可編程邏輯器件設計等功能,其元器件庫是所有EDA軟件中最豐富的,達8 500個,收入了幾乎所有的通用電子元器件模塊。EWB或Multisim2001:EWB(Electronics Work-bench)軟件是加拿大交互圖像技術(shù)有限公司在20世紀90年代初推出的EDA軟件,最新版本是Multi-sim2001,

5、具有強大的仿真功能和虛擬儀器功能,在桌面上提供了萬用表、示波器、信號發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器等工具。由于EWB的容量小,而且直接拷貝就可以使用,在電子行業(yè)普及速度極快。VISIO:是VISIO公司在1991年推出的用于制作圖表的軟件,可以繪出各種流程圖,如單片機、電路、工藝、程序流程圖以及組織結(jié)構(gòu)圖、商業(yè)行銷圖、辦公室布局圖、方位圖等。EAD2002:是廈門超倫軟件公司推出的EDA軟件,主要用于電子線路圖、印制電路板和電氣工程圖的計算機輔助設計,具有繪圖、輸出、建庫、自動化布局布線、設計優(yōu)化、標準化等完整的功能。其符號采用中國國家標準,比其他EDA方便快捷。Isp

6、EXPERT和PAC-Designer:是美國Lattice公司推出的在系統(tǒng)可編程數(shù)字電路(IspPLD)和在系統(tǒng)可編程模擬電路(IspPAC)的開發(fā)軟件。IspEXPERT含有宏庫,有500個宏元件可供調(diào)用,其下載軟件為isp菊花鏈下載軟件。PADS:美國Mentor Graphics公司的PADS是1套完整的電子設計自動化系統(tǒng),包括PowerLogic、PowerPCB、HyperLynx、CAM350、PowerBGA 5個部分。PowerLogic采用平面分圖和層次化設計以及混合應用的方式,可完成多達128頁的復雜電子系統(tǒng)原理圖設計。PowerPCB是目前最好的PCB設計工具,具有功能

7、智能化、集成化、易于使用等特點。HyperL-ynx是信號完整性解決方案套裝軟件,提供門特性、傳輸特性、信號完整性、電磁干擾和電磁兼容性分析功能。CAM350解決PCB板最終的生產(chǎn)加工問題,優(yōu)化制造設計,具有先進的可制造性分析PowerBGA提供封裝設計。其它如可編程邏輯器件(PLD)設計軟件有Al-tera公司的MaxplusII、Lattice公司的ispLEVER、Xilinx公司的ISE/Foundation和Synopsys公司的FPGAComplierII等,還有用于變壓器設計、電氣設計、集成電路設計的軟件和單片機仿真軟件等。EDA公司300家左右,大的有:Cadence(齊全的E

8、DA產(chǎn)品系列),synopsis(行為級綜合器),MentorGraphics(PCB板設計軟件),Avant(SOC設計工具)。PSpice、EWB、OrCAD/Pspice9等可以在PC機運行,而工業(yè)級EDA軟件可以安裝在服務器上,以License浮動方式運行以提高使用效率。工作站模擬設計工具如Cadence公司的SpectreHDL(高級模擬電路行為建模系統(tǒng))和AnalogArtistDesignSystem(高性能模擬和混合信號設計系統(tǒng))。MATLAB是1種功能強、效率高、便于進行科學和工程計算的交互式軟件。它除了傳統(tǒng)的交互式編程之外,還提供了大量的MATLAB配套工具箱和與其它語言(

9、C、FORTRAN等)的接口,使其功能日益強大,因此可被用來進行系統(tǒng)級仿真。另外,MATLAB具有強大的數(shù)據(jù)處理和作圖功能,與其他軟件結(jié)合,可對電路中一些復雜過程和現(xiàn)象做更精確細致的分析。例如將PSpice與MATLAB結(jié)合起來對功率電子電路的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)波形、瞬時功耗及平均功耗等進行分析,能繪制曲線簇和進行系統(tǒng)級仿真,彌補大多數(shù)EDA軟件的不足。以往用MATLAB進行電路仿真,或是建立數(shù)學模型后,利用其科學計算功能輔助計算,或是將數(shù)學模型轉(zhuǎn)化為編程,用其繪圖功能顯示結(jié)果,2種方法過程都太復雜?，F(xiàn)在的方法是用MATLAB的SIMULINK動態(tài)仿真技術(shù),PSB(電力系統(tǒng)模塊)可用于電路系統(tǒng)、電力電

10、子系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、電力傳輸過程等仿真。例如,對模擬電路仿真:可將繪制的電路圖模型自動轉(zhuǎn)化為狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式,然后在SIMULINK環(huán)境下進行仿真。先將電路用PSB中的電源(含受控源)、電路元件(RLC等)、功率電子器件(晶閘管、可控硅等)、連線器等模塊連接電路,再設置元件參數(shù),并連接電壓表電流表等測量儀表,即可以測電壓電流,通過示波器可以直接觀察電壓電流值。但電路元件子模塊中無BJT三極管及運算放大器等元件,因此用MATLAB直接分析晶體管和運放構(gòu)成的電路需要建立其模型。對數(shù)字電路仿真:用SIMULINK提供的數(shù)字電路仿真常用模塊:信號源(時鐘、階躍、脈沖等)、輸出設備、觸發(fā)器(在SIM

11、ULINK Extras模塊庫的Flip-Flops模塊組)、基本的數(shù)字邏輯運算模塊和算術(shù)運算模塊(分別在Fixed-Point模塊庫的Logic&Comparison和Math模塊組)進行。其它數(shù)字電路模塊可以通過已有模塊構(gòu)筑和封裝。2. EDA在電路中的應用2.1EDA電子設計自動化技術(shù)以計算機為工具,在EDA軟件開發(fā)平臺上,對以硬件描述語言為系統(tǒng)邏輯描述手段完成的設計文件自動完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯綜合及優(yōu)化邏輯仿真,直到對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等。其顯著特點是日益強大的邏輯設計仿真測試技術(shù)。該技術(shù)只需通過計算機就能對所設計的電子系統(tǒng)從不同層次的系統(tǒng)性能

12、特點上,完成一系列準確的測試和仿真操作?，F(xiàn)代電路與系統(tǒng)的實現(xiàn)是以各種系列的可編程器件為載體,以各種功能強大的編程平臺或開發(fā)軟件為工具進行的;在系統(tǒng)可編程ISP技術(shù)與器件是LATTICE公司推出的一種設計電路和系統(tǒng)的最新技術(shù),ISP硬件靈活且易于軟件修改,真正實現(xiàn)電子電路與系統(tǒng)的硬件設計軟件化。2.2 ISP技術(shù)特點（1） ISP技術(shù)有利于設計與調(diào)試設計過程中,可以采用靈活多樣的輸入方式,可以進行:原理圖(Schematic)輸入、ABELHDL輸入、VHDL輸入、VERILOG HDL輸入、原理圖與HDL混合輸入,滿足不同設計的需要,大大提高了設計速度;能方便、有效地對所設計的電路的系統(tǒng)進行功

13、能仿真和時序仿真,能夠編譯、綜合,進行邏輯優(yōu)化,將邏輯映射到器件中去,自動完成布局與布線,并生成編程所需的熔絲圖文件JEDEC,然后通過電纜下載到器件中去,完成硬件電路的設計,它允許設計、測試和制造工程師重組系統(tǒng)特性,而器件仍然保持焊接在電路板上,可以實現(xiàn)在同一硬件系統(tǒng)環(huán)境下,根據(jù)設計要求利用軟件實現(xiàn)功能重組,在系統(tǒng)內(nèi)進行設計編程,實現(xiàn)電子電路的硬件設計軟件化。（2) ISP技術(shù)有利于生產(chǎn)制造ISP技術(shù)提供的多功能硬件設計,減少了系統(tǒng)部件,有利于在板和系統(tǒng)級設計、編程與制造,進一步簡化了制造流程,大大降低了成本,提高了系統(tǒng)質(zhì)量;ISP技術(shù)能在不浪費電路板資源的情況下,進行電路板級的測試,并能擴

14、大故障尋跡的范圍,采用邊界掃描測試技術(shù),對含有成千上萬個PLD門密度的ISP高密度器件的編程、測試,僅需幾秒鐘就可完成。（3）先進的E2CMOS工藝先進的E2CMOS工藝使ISP器件具有高密度、低功耗、快速的擦除和再編程、參數(shù)可測試能力、功能可輸出能力,可以獲得最佳ISP參數(shù),保證一萬次以上的擦除和改寫,20年以上的信息保持期,有效的保密單元特性,允許器件編程、檢驗,然后加密,一經(jīng)加密,二進制編程模式就不能從器件中讀出,加密后的器件可在擦除后再用。（4）廣闊的應用前景ISP技術(shù)及其器件的應用十分廣泛,在多媒體圖象編輯、電子測試儀、網(wǎng)絡布線器和電橋、電話轉(zhuǎn)換開關(guān)系統(tǒng)、硬件加速器、存儲器子系統(tǒng)、多

15、路標準視頻畫面抓取器、數(shù)據(jù)捕獲、圖像處理、機器人/工業(yè)自動化、通信、醫(yī)療、計算機硬件等到方面得到了廣泛的應用。3. 運用ISP技術(shù)進行電路設計的方法與技巧CPLD設計過程框圖如圖1所示。層次化設計圖形輸入文本輸入建立項目文件選擇器件設計編譯與仿真邏輯正確N管腳分配重新編譯N設計正確形成下載文件下載或編程1) 啟動ISP DESIGN EXPRET軟件:點擊startprogramslattice semiconductorISP Design EXPERT,進入項目管理器窗口,創(chuàng)建一個新的設計項目;2) 器件選擇:雙擊ispLSI出現(xiàn)Device Selector對話框,在Selector D

16、evice欄中,根據(jù)設計規(guī)模與要求,選擇合適的器件。3) 輸入設計源文件:一個設計項目由一個或多個源文件組成,它們可以是原理圖文件、硬件描述語言文件、混合輸入文件,點擊Source/New菜單,選擇你所要設計源文件的類型,進入設計狀態(tài),完成源文件設計,存盤、退出;另在一張原理圖編輯器窗口中,通過File/Matching Symbol菜單,建立一張原理圖符號,生成一個與原理圖文件相同名、相同功能的邏輯宏元件,它自動加到元件列表中,可以在更高層的圖紙中反復調(diào)用;4) 完成設計的編譯:點擊Source/New菜單,選擇ABELTestVectors,在文本編輯窗口中完成測試向量,存盤、退出;在項目

17、管理器窗口左邊的項目源文件(Sourcesin Project)中,選擇不同的源文件,原理圖文件、硬件描述語言文件、測試向量文件、雙擊編譯(Compile)處理過程功能條,完成編譯;5) 對設計進行仿真:在項目管理器窗口左邊的項目源文件(Sources in Project)中,選擇測試向量文件,雙擊功能仿真(Functional Simulation)功能條,在出現(xiàn)的仿真控制窗口中,點擊Simulate,選Run,將打開波形觀察器,通過觀測輸入、輸出波形,就可以方便地、正確地判斷設計是否有錯誤,若有誤則反復修改和測試,直到達到要求為止;6) 將設計適配到Lattice器件中,完成了設計輸入、

18、編譯并通過仿真后,在項目管理器中選擇ispLIS器件名,雙擊Compile Design項目條,完成對源文件的編譯,然后,連接所有的源文件,最后進行邏輯分割、布局和布線,產(chǎn)生JEDEC File文件,并在其前出現(xiàn)綠色對號即可;選中器件名,點擊TOOL/ispDCD,啟動IDCD下載軟件,將JEDEC File由計算機的并口經(jīng)過編程電纜送到芯片的編輯控制端,最終完成芯片設計。4. 模擬信號檢測儀以ISP技術(shù)設計CPLD芯片,輔助D/A轉(zhuǎn)換器、比較器等,完成對外界模擬信號的檢測、顯示,同時,這種聯(lián)合裝置可以代替低頻A/D轉(zhuǎn)換器的功能;其系統(tǒng)框圖如圖2所示。模擬信號輸入放大器數(shù)模轉(zhuǎn)換器CPLD比較器譯碼顯示CPLD芯片產(chǎn)生8位二進制循環(huán)加法計數(shù)值D7D0,它們與AD558數(shù)據(jù)端相連,使D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生02.56V的斜波電壓,經(jīng)一級運放放大一倍后成為05.12V?？勺冸娮杵髂M05V的模擬量輸入值,此值被接入另一