電子設計自動化 在電子電路中的應用研究

文/盧增輝

（蘇州盛科通信股份有限公司，江蘇蘇州 215021）

1.EDA技術概述

EDA技術，全稱Electronic Design Automation，即電子設計自動化，是由計算機輔助測試發展而來的，是以CAD為建構基礎逐漸完善的一種計算機輔助設計系統。設計者以大型可編輯邏輯器件為主要設計載體，在EDA軟件平臺上，通過硬件描述語言VHDL進行設計，融合了各種計算機技術、電子技術、信息技術和智能技術，實現了電子產品自動化設計。[1-2]

不同于傳統CAD技術，EDA技術具有十分顯著的特點，具體包括以下幾點。①硬件電路設計方式為軟件設計。在設計過程中，設計人員可選擇波形、原理圖、VHDL語言等設計輸入方式，無須硬件設備即可獨立完成各個設計環節，直至達到下載配置環節。對硬件設計相關內容進行修改，無須特定的修改方法，與軟件修改程序方法類似；[3]同時，設計人員還可以利用軟件設計方法對特定硬件電路進行試驗檢測，以快速達到設計目標。②集成化程度高。EDA技術是一種以芯片為基礎的設計方法。目前，我國大規模集成線路已經取得一定成就，能夠實現復雜程度高的數字電子電路芯片化設計，還能夠實現專業化集成電路ASIC設計，實現了片上系統這一階段性目標。③自動完成產品直面設計。應用EDA技術進行設計時，電路功能仿真開始至結束全過程，均可以通過預先邏輯編譯等程序來自動化執行相關動作，達成設計預期目標。設計人員可以根據實際情況，對目標系統進行現場更改或直接編程，有效提升工作效率。④應用成本低。應用EDA技術花費成本較小，工作周期短，靈活性和可操作性大，該技術是推動電子電路設計進入新階段的重要推手。另外，具體分析設計流程可知，EDA技術共有9個設計流程，包括設計指標和輸入、邏輯編譯與綜合、布局布線等，具體如圖1所示。

2.電子電路布局設計應用

2.1 電子電路及系統分析設計軟件

目前，市場上較為常見的電子電路及系統分析設計軟件有PSpice軟件、orCAD軟件、protel軟件、PAD軟件，其功能及類型各不相同，同時具有各自的優缺點。設計人員需要根據實際需求選擇對應的軟件，以充分發揮軟件價值，達到理想設計目標。具體來看：PSpice軟件主要功能包括電路模擬、電路仿真，能夠模擬分析噪聲、溫度、波形、數據輸出等內容，并將模擬仿真結果直觀展現出來，是一款功能較為強大的軟件；orCAD軟件是截至目前應用市場最廣泛的軟件，功能也最為豐富，包括電路原理圖繪制、混合仿真模擬數字電路、電路板設計與印制等；[4]protel軟件是Tango軟件的升級版本，最早屬于印制板自動布線工具，功能較為單一，僅能完成印制板設計和繪制電路原理圖，隨著技術發展和軟件更新，各種新的功能不斷增加，包括dialup混合信號仿真模擬、圖表及電子表格生成等宏觀操作，能夠實現完整板級全方位電子設計；PAD軟件功能強大，涵蓋范圍也較為廣泛，能夠完成生產加工、數控分析與傳輸、復雜電子系統原理圖設計、封裝設計及集成化、智能化應用等方面的內容，可制作性強，傳輸性強，分析功能強大，操作簡潔，應用效果良好。

2.2 MATLAB電路及系統仿真

MATLAB多用于系統級仿真作業，是一種高效率、功能強大的交互式軟件，還配備相應C語言、FORTRAN語言接口和配套工具箱。MATLAB軟件與PSpice軟件等結合應用，能準確分析電子電路瞬時及平均功耗、瞬時及穩態波形，并繪制成對應曲線，實現系統級仿真操作。MATLAB還具有動態仿真技術，在電子電路系統中，該技術可直接與PSB技術聯合使用并進行仿真，但是設計人員需要預先將繪制的電路圖模型轉化為狀態方程描述系統方式。[5]MATLAB的實際應用需要經歷連接電路→設定元件參數→連接電流表/電壓表→測量儀表電流電壓值的步驟，從而順利完成仿真操作。值得注意的是，目前電路元件子模塊中部分部件缺失，如BJT三極管、運算放大器等，導致MATLAB分析功能受阻。因此，只有建立相應模型，才能應用該功能，完成仿真操作。

2.3 電子電路及系統層次設計

傳統電子電路及系統設計一般采用自下而上的設計流程，需要專業設計人員完成電子系統設計，并由專業人員對其加以修改，耗時長，成本大。而使用EDA技術進行自動化設計，在對電子電路和系統的電路級、物理實現級、系統級進行設計時，選擇采用自上而下的設計方法，能夠仔細分析全程系統性能、設計成本和周期之間的關系，取得了良好成效。[6]

在設計系統級時，設計人員基于性能指標和限制，建立系統方塊圖；利用CHDL語言進行行為級描述和模擬驗證；隨后將該模塊拆分為數字電路、DSP、模擬電路三個子模塊。在設計物理實現層時，設計人員需要綜合考慮成本、設計目標、設計周期、系統性能等多種因素。[7]在對電路級這一系統層次進行設計時，設計人員要先設計子系統的電路原理結構，并在此基礎上使用邏輯綜合優化工具，自動生成門級邏輯電路EDIF網表。在整個設計流程中，設計人員需要根據子系統電路類型選擇對應軟件工具，依次完成設計、仿真、優化等工作，最終建立宏模型庫。

3.電子自動化EDA在電子電路中的實踐應用

在電子電路設計中，EDA技術發揮著極為關鍵的作用。為了更好地理解其作用，本文以簡易數字鐘設計為例，嘗試設計一個時、分、秒功能俱全且能準確顯示的數字鐘，以便更加全面地掌握該技術。

3.1 材料準備

1臺電子計算機（安裝有QuarterⅡ軟件），1個EDA技術箱（配備有FPGA芯片）。本次設計選用材料簡單，整體設計也較為簡單，選用的FPGA芯片不僅精簡了電子電路實際聯系，還增加了其可操作性，能夠依據設計人員的設計需求構成相應電路。

3.2 設計思路及方法

根據上文所述，電子電路設計選擇自上而下的設計流程，依次完成系統級、物理實現級、電路級三個層次的設計，突顯設計專業化、規范化。因此，在本次數字鐘設計過程中，我們需要根據數字鐘的時、分、秒計數設置，譯碼顯示設置等主要內容，對設計進行分層處理，包括第一層（數字鐘）、第二層（時、分、秒計數及譯碼顯示）、第三層（60進制及24進制計數器、譯碼顯示電路）。在這一過程中，我們需要使用VHDL語言進行編程描述，依據VHDL語言設計規范，使用QusrterⅡ軟件設計出60進制計數器程序進行編碼，獲得支持調用的圖元；隨后，在以60進制計數器對應設計程序的基礎上，編寫24進制計數器，判斷調整相應進位，將60進制調整為24進制，其余部分保持不變，繼而完成“時”的設計。

在設計譯碼顯示電路時，為突顯出顯示界面的視覺效果，采用動態譯碼掃描電路，能夠獲得特殊視覺效果，還能達到節能降耗的目的。其工作原理如下：通過設置使掃描信號對應頻率超過人眼正常視覺暫留頻率，由此實現某個時間點7段數碼管點亮（其中6個同時顯現）的效果。另外，我們在做頂層設計時，將底層設計模塊作為基本目標，利用原理圖進行設計，將兩者有機結合，達到了獲得完整電子電路的設計目標。

3.3 編譯下載

該步驟屬于設計完成重要步驟，設計人員可以利用實驗工具箱校驗設計精準度，一旦發現錯誤，及時進行更改；設計人員也可以利用編譯仿真技術，將其下載至FPGA芯片上，實現復制和移動，有效實施基于FPGA芯片的存儲工作。

4.結語

綜上所述，在科學技術快速發展的背景下，電子電路及系統設計環境發生了很大改變，設計技術和方法也得到了一定的發展和改進。電子設計自動化EDA的普及應用，具有十分突出的實踐應用價值，能夠為電子電路及系統分析設計軟件、MATLAB電路及系統仿真、電子電路及系統層次設計等方面提供充足動力。因此，加強EDA技術研究與實踐，能夠指導技術發展，從而實現行業的可持續健康發展。