电路分析和专业电路设计软件介绍

电路分析和专业电路设计软件介绍

自动化0704101

武逸然070410103

【摘要】

目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有：EWB、PSPICE、OrCAD、PCAD、Protel、Viewlogic、Mentor、Graphics、Synopsys、LSIlogic、Cadence、MicroSim等等。这些工具都有较强的功能，一般可用于几个方面，例如很多软件都可以进行电路设计与仿真，同时以可以进行PCB自动布局布线，可输出多种网表文件与第三方软件接口。

【关键词】

EDA、软件、设计与仿真

【正文】

电路的发展经历了几百年的变迁，从基本的欧姆定律到今天的大规模集成电路，这期间凝聚了科技的进步，凝聚了科学家的心血，也带来了社会的进步。最直观的体现可以说是分析与设计方式的改变。从原始的手算到今日发达的各式软件。电路的学习虽然只有2学期，但是它却是我们日后专业学习的基础。而学习过程中，能够正确、快速地应用仿真软件无疑是节约时间、提高效率的必须技能。因此，在电路分析课的节课论文中，我选择了电路分析和专业电路设计软件的总结，为日后的学习奠定一定的基础。

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：EWB、PSPICE、OrCAD、PCAD、Protel、Viewlogic、Mentor、Graphics、Synopsys、LSIlogic、Cadence、MicroSim等等。这些工具都有较强的功能，一般可用于几个方面，例如很多软件都可以进行电路设计与仿真，同时以可以进行PCB自动布局布线，可输出多种网表文件与第三方软件接口。下面按主要功能或主要应用场合，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，进行简单介绍。

1、电子电路设计与仿真工具

电子电路设计与仿真工具包括SPICE/PSPICE；EWB；Matlab；SystemView；MMICAD等。下面简单介绍前三个软件：

（1）SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）SPICE是由美国加州大学推出的电路分析仿真软件，是20世纪80年代世界上应用最广的电路设计软件，1998年被定为美国国家标准。1984年，美国MicroSim公司推出了基于SPICE的微机版PSPICE（Personal—SPICE）。现在用得较多的是PSPICE6.2，可以说在同类产品中，它是功能最为强大的模拟和数字电路混合仿真EDA软件，在国内普遍使用。最新推出了PSPICE9.1版本。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。

由于它推出的时间较晚，因此一开始就是工作在Windows平台上，它的文件很小，WINDRAFT和WINBOARD 的安装盘都是两张软盘，其中WINDRAFT

是用于电原理图绘制，WINBOARD用于印制电路板设计，其界面都直观友好，可以很快就学会操作。但它们的功能并不大，WINBOARD设计印制电路板时也只能手工布线，但由于它们的易学易用，仍有部分电路设计工作者使用它。IVEX 公司在其后也不断地升级它的软件，在1999年11月30日将WINDRAFT升级到了WINDRAFT 3.03版，并推出了IVEX－SPICE β测试版。WINDRAFT 3.03仍是个小巧的软件，不到5M，IVEX－SPICE则有22M，是个电路仿真软件，工作在Windows 9x／NT平台上，要求在P－166的8M内存下，软件环境则要求在WINDRAFT 3.03版本以上，而对于WINBOARD软件IVEX公司似乎放弃了努力。

（2）EWB(ELECTRONICS WORKBENCH EDA)

EWB软件是交互图像技术有限公司（INTERACTIVE IMAGE TECHNOLOGIES Ltd）在20世纪90年代初推出的EDA软件，但在国内开始使用却是近几年的事。现在普遍使用的是在Windows 95环境下工作的EWB 5.0，相对其它EDA软件而言，它是个较小巧的软件，只有16M，功能也比较单一，就是进行模拟电路和数字电路的混合仿真，但你绝对不可小瞧它，它的仿真功能十分强大，几乎100％地仿真出真实电路的结果，而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、逻辑转换器等工具，它的器件库中则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片，器件库中没有的元器件，还可以由外部模块导入。在众多的电路仿真软件中，EWB是最容易上手的，它的工作界面非常直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内，未接触过它的人稍加学习就可以很熟练地使用该软件。对于电路设计工作者来说，它是个极好的EDA工具，许多电路你无须动用烙铁就可得知它的结果，而且若想更换元器件或改变元器件参数，只须点点鼠标即可，它也可以作为电学知识的辅助教学软件使用，利用它可以直接从屏幕上看到各种电路的输出波形。EWB的兼容性也较好，其文件格式可以导出成能被ORCAD或PROTEL读取的格式，该软件只有英文版，在中文版的Windows 98下它的一些图标会偏移两个位置（在Windows 95下正常），但不影响它的使用，它是笔者最喜欢的EDA软件之一(该软件在1999年第34期第15版有详细的介绍)。

（3）MATLAB

MATLAB产品族它们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。MATLAB产品族具有下列功能：数据分析；数值和符号计算；工程与科学绘图；控制系统设计；数字图像信号处理；财务工程；建模、仿真、原型开发；应用开发；图形用户界面设计等。MATLAB产品族被广泛地应用于信号与图像处理、控制系统设计、通讯系统仿真等诸多领域。开放式的结构使MATLAB产品族很容易针对特定的需求进行扩充，从而在不断深化对问题的认识同时，提高自身的竞争力。

2、PCB设计软件

PCB(Printed—Circuit Board)设计软件种类很多，如Protel；OrCAD；Viewlogic；PowerPCB；Cadence PSD；MentorGraphices的Expedition PCB；Zuken CadStart；Winboard/Windraft/Ivex-SPICE；PCB Studio；TANGO等等。目前在我国用得最多应属Protel，下面仅对此软件作一介绍。

PROTEL是PORTEL公司在20世纪80年代末推出的电路行业的CAD软件，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电路设计者的首选软件。它较早在国内使用，普及率也最高，有些高校的电路专业还专门开设了课程来学习它。几乎所有的电路公司都要用到它。早期的PROTEL主要作为印刷板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行。它的功能较少，只有电原理图绘制与印刷板设计功能，印刷板自动布线的布通率也低。现在的PROTEL已发展到PROTEL99（网络上可下载到它的测试版），是个庞大的EDA软件，完全安装有200多MB，它工作在Windows 95环境下，是个完整的全方位电路设计系统，它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。使用多层印制线路板的自动布线，可实现高密度PCB的100％布通率。

3、IC设计软件

IC设计工具很多，其中按市场所占份额排行为Cadence、Mentor Graphics和Synopsys。这三家都是ASIC设计领域相当有名的软件供应商。其它公司的软件相对来说使用者较少。中国华大公司也提供ASIC设计软件（熊猫2000）；另外近来出名的Avanti公司，是原来在Cadence的几个华人工程师创立的，他们的设计工具可以全面和Cadence公司的工具相抗衡，非常适用于深亚微米的IC设计。下出按用途对IC设计软件作一些介绍。

（1）设计输入工具这是任何一种EDA软件必须具备的基本功能。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。（2）设计仿真工作我们使用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。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。MentorGraphics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。

（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是作综合的工业标准，它还有另外一个产品叫Behavior Compiler，可以提供更高级的综合。另外最近美国又出了一家软件叫Ambit，说是比Synopsys的软件更有效，可以综合50万门的电路，速度更快。今年初Ambit被Cadence公司收购，为此Cadence放弃了它原来的综合软件Synergy。随着FPGA设计的规模越来越大，各EDA公司又开发了用于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。

（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。

（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。

（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、PLD设计工具

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。

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。下面介绍主要器件生产厂家和开发工具。

（1）ALTERA 20世纪90年代以后发展很快。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。

（2）ILINX 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，在日本和亚太地区用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。

（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的领导得，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。

（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。

（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 中小规模PLD做得不错。ATMEL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。

（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。

（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。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。

5、其它EDA软件

（1）VHDL语言超高速集成电路硬件描述语言（VHSIC Hardware Deseription Languagt，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。

（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。

(3)MedWin v2.04 单片机集成开发环境 [中文版]

MedWin v2.04 是一个具有 Microsoft Visual Studio 窗口风格的集成开发环境。支持带语法分析的彩色文本显示、源程序断点设置记忆、实时程序计数器 PC 显示、仿真器断电自动重载、自适应连接仿真器等功能，并且支持全空间程序代码和数据空间的模拟仿真、TraceBuffer 跟踪器。包含对中断、定时器的模拟仿真和单片机外部设备状态分析设置、程序性能分析等更多、更实用的功能。

特点：真正多模块的项目管理和单文件操作；源程序编辑及带语法分析的彩色字符；变量，数组，表达式的设置、观察、修改（包括浮点数据类型的直接输入）；不限制打开数据窗口的数目，并可以在文本和数据窗口中横向和纵向分割；有模式的窗口停驻功能；实时程序计数器PC显示；源程序断点设置记忆功能；完全真实的实时源程序跟踪、单步和调用返回功能。

（4）ORCAD 是由ORCAD公司于20世纪80年代末推出的EDA软件。它是世界上使用最广的EDA软件，每天都有上百万的电路工程师在使用它，相对于其它EDA软件而言，它的功能也是最强大的，由于ORCAD软件使用了软件狗防盗版，因此在国内它并不普及，知名度也比不上PROTEL，只有少数的电路设计者使用它。早在工作于DOS环境的ORCAD 4.0，它就集成了电原理图绘制、印制电路板设计、数字电路仿真、可编程逻辑器件设计等功能，而且它的界面友好且直观。它的元器件库也是所有EDA软件中最丰富的，在世界上它一直是EAD 软件中的首选。ORCAD公司在去年7月与CADENCE公司合并后，更成为世界上最强大的开发EDA软件的公司，它的产品ORCAD世纪集成版工作于Windows 95与Windows NT环境下，集成了电原理图绘制，印刷电路板设计、模拟与数字电路混合仿真等功能。它的电路仿真的元器件库更达到了8500个，收入了几乎所有的通用型电路元器件模块。它的强大功能导致了它的售价不菲，

在北美地区它的世纪加强版就卖到了7995美元，

（5）PSPICE

PSPICE是较早出现的EDA软件之一，1985年就由MICROSIM公司推出。在电路仿真方面，它的功能可以说是最为强大，在国内被普遍使用。现在使用较多的是 PSPICE 6.2，工作于Windows环境，占用硬盘空间20多M，整个软件由原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个部分组成，使用时是一个整体，但各个部分各有各的窗口。PSPICE发展至今，已被并入ORCAD，成为ORCAD－PSPICE，但PSPICE仍然单独销售和使用，新推出的版本为PSPICE 9.1，工作于Windows 9x／NT平台上，要求是奔腾以上CPU、32M 内存、50M以上剩余硬盘空间、800×600以上显示分辨率，是功能强大的模拟电路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、并在同一个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，包括IGBT、脉宽调制电路、模／数转换、数／模转换等，都可以得到精确的仿真结果。对于库中没有的元器件模块，还可以自已编辑。

（6）VISIO 图表制作。

很多人会认为VISIO 不是一个EDA软件，但笔者多年来所有的单片机程序流程图和电路测试流程图以及工艺流程图就是用它制作的，因此认为它也算是半个EDA软件。它是 VISIO公司在1991年推出的用于制作图表的软件。在早期它主要用作商业图表制作，后来随着版本的不断提高，新增了许多功能。VISIO 4.0已是个多功能的流程图制作软件，进入国内后很受软件工作者的欢迎，现在国内普遍使用的是工作于Windows 95环境下的VISIO 5.0，完全安装容量将近100MB。它的界面很友好，操作也很简单，但却具有强大的功能，可以绘出各种各样的流程图，它不仅仅局限在商业、软件业和电路设计领域，也是所有软件设计者必不可少的工具，可以用它制作的流程图包括电路流程图、工艺流程图、程序流程图、组织结构图、商业行销图、办公室布局图、方位图……在微软公司的OFFICE 97中就集成了VISIO 4.0的组成部分。VISIO公司新近推出了VISIO 2000，它分为标准版，技术版，专业版和企业版。VISIO 2000被宣称为是世界上最快捷、最容易使用的流程图软件，并比以前的版本增加了更多的功能。VISIO只有英文版，但由于它的直观界面，即使英文不好的人也可以较快学会使用它。

(7)Electronic Workbench v5.0c - v5.12 电子电路仿真工作室

Electronic Workbench 电子电路仿真软件，可以进行各种电路工作演示，可模拟各种电子电路，可以缩放显示的波形，可仿真数字电路、模拟（线性）电路及数字电路与模拟（线性）混合电路的工作点，如：波形、频率、周期、有效值等。你不用购买昂贵的全套电子仪器，这里有：函数发生器、频谱仪、示波器、数字万用表…，只要先画好电路，连好电路与仪器的接线，设置好各仪器的参数，设好电源电压，接通电源即可。