1.1.2 EDA常用软件

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Multisim 7（原EWB的最新版本）、PSPICE、OrCAD、PCAD、Protel、Viewlogic、Mentor Graphics、Synopsys、LSI-Logic、Cadence、MicroSim等。这些工具都有较强的功能, 一般可用于多个方面。例如, 很多软件都可以进行电路设计与仿真, 同时还可以进行PCB自动布局布线, 可输出多种网表文件, 与第三方软件兼容。下面按主要功能或主要应用场合, 分别对电路设计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具及其他EDA软件进行简单介绍。

1. 电子电路设计与仿真工具

仿真（Simulation）是指使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响, 该影响是在项目整体层次上表示的。项目仿真利用的是计算机模型和某一具体层次的风险估计, 一般采用蒙特卡洛法进行仿真。

利用模型复现实际系统中发生的本质过程, 并通过对系统模型的实验来研究已经存在的或正在设计中的系统, 又称模拟。当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长时间才能了解系统参数变化所引起的后果时, 仿真是一种特别有效的研究手段。利用计算机实现对系统的仿真研究不仅方便、灵活, 而且也很经济。例如, 美国新型飞机的开发设计方法, 美国在设计飞机时大部分采用的是虚拟仿真技术, 把多年积累的各项风洞实验参数都输入计算机, 然后通过计算机编程编写出一个虚拟环境的软件, 使它能够自动套用相关公式并可调用长期积累后输入计算机的相关经验参数。在进行新型飞机设计时, 只要把飞机的外形设计数据放入这个虚拟的风洞软件中进行试验, 哪里有不合理的问题就改动哪里, 直至达到最佳效果, 效率提高了, 最后只要再在实际环境中测试几次找到不足就可以定型了。从波音747到F16都是采用的这种方法。空气动力学方面的数据由资深专家提供, 软件开发商是IBM, 飞行器设计工程师只需利用仿真软件在计算机平台上进行各种仿真调试工作即可。运用仿真技术可以把从草案、详细设计到风洞试验再到最后出图及实际投产整个周期大概需要10年的传统设计过程缩短为1年。

仿真的重要工具是计算机。仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。仿真过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。仿真可以按不同原则分类：① 按所用模型的类型（物理模型、数学模型、物理—数学模型）分为物理仿真、计算机仿真（数学仿真）、半实物仿真；② 按所用计算机的类型（模拟计算机、数字计算机、混合计算机）分为模拟仿真、数字仿真和混合仿真；③ 按仿真对象中的信号流（连续的、离散的）分为连续系统仿真和离散系统仿真；④ 按仿真时间与实际时间的比例关系分为实时仿真（仿真时间标尺等于自然时间标尺）、超实时仿真（仿真时间标尺小于自然时间标尺）和亚实时仿真（仿真时间标尺大于自然时间标尺）；⑤按对象的性质分为宇宙飞船仿真、化工系统仿真、经济系统仿真等。

仿真工具主要指的是仿真硬件和仿真软件。仿真硬件中最主要的是计算机。仿真软件包括为仿真服务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心的仿真软件系统。本书主要介绍电子电路设计中的常用仿真软件, 主要包括SPICE/PSPICE、Multisim、MATLAB、SystemView、MMICAD LiveWire、Edison、Tina Pro Bright Spark等。下面简单介绍前三个软件。

（1）SPICE

SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）是最为普遍的电路级模拟程序, 各软件厂家提供了VSPICE、HSPICE、PSPICE等不同版本的SPICE软件, 其仿真核心大同小异, 都是采用了由美国加州Berkeley大学开发的SPICE模拟算法。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PSPICE 6.2, 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。最新推出的是PSPICE 9.1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,并可在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。无论对哪种元器件、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。

SPICE可对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态分析和线性交流分析。被分析的电路中的元器件可包括电阻、电容、电感、互感、独立电压源、独立电流源、各种线性受控源、传输线及有源半导体器件。SPICE内建半导体器件模型, 用户只需选定模型级别并给出合适的参数即可。

PSPICE 9.1学生版本运行在Windows 95/98/NT操作系统下, 以图形交互方式完成原理图输入和各项分析模拟功能的设置, 能对模拟和数字混合电路进行仿真, 并带有数据后处理、元器件模型编辑、激励函数编辑等软件工具。

PSPICE 9.1是一个集成软件包, 其中主要程序的作用和它们产生的数据文件可以用表1.1来描述。

较为简单的电路分析和模拟任务, 只要启动原理图编辑程序Schematics, 系统会自动启动Design Manager, 后者在需要时自动调用PSpice AD进行分析计算, 运行Probe绘制分析曲线。

PSPICE 9.1已经将电路分析核心程序PSpice AD与数据后处理程序Probe、分析输出文本文件和电路文本方式输入等功能集成在一个窗口下。这样, 使用者可以利用原理图输入工具的Schematics图形方式输入电路参数和分析命令, 也可以直接使用PSpice AD集成窗口环境, 以文本方式输入电路参数和分析命令, 以适应不同的需要。

（2）Multisim

Multisim的前身是EWB（Electronics Workbench）, 由加拿大图像交互技术公司（Interac-tive Image Technoligics, 简称IIT公司）开发, 经过不断发展完善推出Multisim。美国国家仪器公司（NI）于2005年2月收购了EWB并于2007年推出最新版NI Multisim 10。Multisim发展主要经历了以下阶段：

EWB、EWB 4.0、EWB 5.0、EWB 6.0、Multisim 2001、Multisim 7、Multisim 8、Multisim 9、NI Multisim 10。

EWB是一种电子电路计算机仿真软件, 它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室。EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司于1988年开发的, 自发布以来, 已经有35个国家、10种语言的人在使用。EWB以SPICE3F5为软件核心, 增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿真功能。SPICE3F5是SPICE的最新版本, SPICE自1972年使用以来, 已经成为模拟集成电路设计的标准软件。EWB建立在SPICE基础上, 它具有以下突出的特点。

① 采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模拟真实实验室的工作台, 绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取。

② 软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似, 可以实时显示测量结果。

③ EWB软件带有丰富的电路元器件库, 提供多种电路分析方法。

④ 作为设计工具, 它可以同其他流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。

⑤ EWB还是一个优秀的电子技术训练工具, 利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验, 仿真电路的实际运行情况, 熟悉常用电子仪器测量方法。

EWB相对其他EDA软件而言, 是个较小巧的软件, 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。它的仿真功能十分强大, 几乎可以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。它的元器件库中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。元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是最容易操作的, 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, 对于电子设计工作者来说, 它是个极好的EDA工具。许多电路无须动用电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, 只需单击鼠标即可。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。

NI Multisim 10是美国国家仪器公司（NI）在收购了EWB后推出的交互式SPICE仿真和电路分析软件的最新版本, 它使NI扩展了开发测试和设计工具间的无缝集成技术。通过LabVIEW的虚拟仪器技术和Multisim交互式SPICE仿真软件的结合, 电子设计人员和电子专业的学生可以很方便地在实验室里做电路原型设计, 并将理论和仿真结果与真实测量数据进行比较。NI Multisim 10成为专业设计与教学领域客户的创新型高质量的PCB设计和仿真工具。

NI Multisim 10专用于原理图捕获、交互式仿真、电路板设计和集成测试。这个平台将虚拟仪器技术的灵活性扩展到了电子设计工程师的工作台上, 弥补了测试与设计功能之间的缺口。通过将NI Multisim 10电路仿真软件和LabVIEW测量软件相集成, 需要设计制作自定义印制电路板（PCB）的工程师能够非常方便地比较仿真和真实数据, 规避设计上的反复,减少原型错误并缩短产品上市时间。

电子设计人员可以使用NI Multisim 10交互式地搭建电路原理图, 并对电路行为进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容, 这样电子设计人员无须懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计, 这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术, PCB设计人员和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

NI Multisim 10新增了很多专业设计特性, 主要是高级仿真工具、增强的元器件库和扩展的用户社区。元器件库包括1200多个新元器件和500多个新SPICE模块, 这些都来自于美国模拟器件公司（Analog Devices）、凌力尔特公司（Linear Technology）和德州仪器（Texas Instruments）等业内领先的厂商, 其中也包括100多个开关模式电源模块。其他增强的功能有会聚帮助（Convergence Assistant）, 能够自动调节SPICE参数纠正仿真错误；数据的可视化与分析功能, 包括一个新的电流探针仪器和用于不同测量的静态探点, 以及对BSIM 4参数的支持。NI Multisim 10包括NI Ultiboard 10.0和NI LabVIEW SignalExpress的集成设计与测试平台, LabVIEW SignalExpress交互式测量软件通过在工作台上控制所有的仪器来提高效率。NI Ultiboard 10.0为用户在做PCB设计时的布板、布线提供了一个易于使用的直观平台。整个设计的过程从布局、元器件摆放到布铜线都在一个灵活设计的环境中完成,使操作速度和控制都达到最优化。拖放和移动元器件及布铜线的速度在NI Ultiboard 10.0中得到了显著提高。在修改了设计规则检查后, 用户现在打开一个大型设计的时间快了2倍。这些功能的增强都使从原理图到实际电路板的转换变得更便捷, 也使最后的PCB设计质量得到很大提高。

（3）MATLAB

20世纪70年代, 美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler为了减轻学生编程的负担, 用FORTRAN编写了最早的MATLAB。1984年, 由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。20世纪90年代, MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称, MATLAB可用于算法开发、数据可视化、数据分析及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境, 主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等, 主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通信、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵, 因它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似, 故用MATLAB来解算问题要比用C语言、FORTRAN语言等完成相同的事情简捷得多, 并且也吸收了Maple等软件的优点, 使MAT-LAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中加入了对C、FORTRAN、C++、JAVA的支持, 可以直接调用, 用户也可以将自己编写的实用程序导入MATLAB函数库中方便自己以后调用。此外, 许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序, 用户可以直接下载使用。

MATLAB在PCB设计中的恰当应用能够提高PCB设计质量。例如, 借助于MATLAB,利用传输线理论对两平行印制线间的串扰耦合进行分析, 得出耦合响应与传输线参数的定量关系, 给出电子电路设计中PCB印制线布设的原则。

2. PCB设计软件

EDA工具软件众多, 这些EDA工具软件各有优势, 如Mentor Graphics提供了技术创新的产品与完整解决方案, 让工程师得以克服他们所面临的设计挑战；Cadence提供新一代的集成电路设计技术和设计方法的平台, 一般用来设计和验证用于消费电子产品、网络和通信设备及计算机系统中的尖端半导体器件、印制电路板和电子系统；Zuken公司的网络化设计系统, 可使用户在系统软件配置时, 采取最大的灵活性和优化性, 从而可大大提高用户软件的使用率。2002年, Altium公司重新设计了设计浏览器（DXP）平台, 并发布第一个在新DXP平台上使用的产品（Protel DXP）。Protel DXP是EDA行业内第一个可以在单个应用程序中完成整个电路板设计处理的工具。作为电子产品设计开发人员, 了解各EDA工具的优势及产品开发思路有助于提高相关人员的设计水平。

在众多EDA软件厂家中, Mentor Graphics、Cadence、Zuken主要是高端产品, 他们的软件要求在工作站上运行, 操作系统都是UNIX, 而且价格昂贵。因为20世纪80年代就有EDA软件了, 那时只有UNIX支持图形界面, 并且工作站的性能要比PC高出很多, 所以一直延续至今, 现在的大公司还是使用工作站。早期的Protel、PowerPCB主要面向低端用户,对计算机的配置要求不高, 一般在Windows下运行, 普通的PC就可以很好地满足要求。随着个人计算机技术的不断提高, Mentor Graphics、Cadence、Zuken开始推出Windows下的产品。

目前我国市场上的EDA软件品牌主要有Mentor系列、Cadence系列、Synopsys系列、Magma系列、Ansoft系列、Zuken系列、Multisim、PSPICE、AutoCAD电气版、Protel、大恒电气CAD等。世界上最有影响力的PCB设计软件公司分别是Mentor Graphics、Cadence、Zuken和Altium。从市场占有率来说, 现在Mentor Graphics公司最高, Cadence公司第二,Zuken公司第三。单个的PCB工具, Allegro在中国高端用户中软件占有率最高, PowerPCB和Protel在中国大陆的使用人数比较多。近年来, EDA产业进行了重新洗牌, 几家公司进行了重组以优化公司的产品线。

3. IC设计软件

IC设计工具很多, 主要有Cadence、Mentor Graphics和Synopsys。下面按用途对IC设计软件做简要介绍。

（1）设计输入工具

设计输入工具是任何一种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（如Multisim等）。另外, 像Active-HDL和其他的设计输入方法, 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、Al-tera等公司提供的开发工具Modelsim FPGA等。

（2）设计仿真工作

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。Mentor Graphics有其子公司Model Tech出品的VHDL和Verilog双仿真器：Modelsim。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。在这方面, Synopsys工具占有较大的优势, 它的Design Compiler作为一个综合的工业标准。它还有另外一个产品叫Behavior Compiler, 可以提供更高级的综合。另外, 最近美国又出了一个软件叫Ambit, 据说比Synopsys的软件更有效, 可以综合50万门的电路, 速度更快。Ambit被Cadence公司收购后使Cadence放弃了它原来的综合软件Synergy。随着FPGA设计规模越来越大, 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 Graphics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, 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把它用做IC的布线。其主要工具有Silicon Ensemble（标准单元布线器）、Gate Ensemble（门阵列布线器）、Design Planner（布局工具）。其他各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。在这方面, Ca-dence做得也很好, 其Dracula、Virtuoso、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MicroSim的PSPICE、Meta Soft的HSPICE等。HSPICE现在被Avanti公司收购了。在众多的SPICE中, HSPICE作为IC设计,模型多, 仿真的精度也高。

国产EDA软件“熊猫系统”, 打破了国外EDA软件的封锁, 使我国继美、日、西欧之后成为拥有大型集成电路CAD系统的国家。随着IC设计的不断发展, 又适时地推出了新一代的EDA软件“九天系统”系列软件。“九天系统”面向全定制模拟集成电路和数模混合电路设计, 覆盖了原理图输入、电路模拟、交互式自动布局布线、版图编辑、版图验证、寄生参数提取和返标、信号完整性分析等IC设计全流程, 将前、后端各工具的数据置于一个统一的设计管理平台中, 为用户提供一个集成化的设计环境。“九天系统”系列软件兼容业界标准数据格式, 并为主流的EDA工具提供了非常友好和平滑的数据交换接口, 使用户可以方便地与第三方EDA工具进行数据互换。

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, 但最有代表性的是Altera、Xilinx和Lattice公司。

PLD的开发工具一般由元器件生产厂家提供, 但随着PLD元器件规模的不断增加, PLD设计工具软件的复杂性也随之提高。下面介绍主要元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 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元器件已达到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产品的60%以上是由Altera和Xilinx提供的。可以讲是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, 其开发工具要略逊一筹。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FP-GA）。1999年推出可编程模拟器, 1999年收购了Vantis（原AMD子公司）, 成为第三大可编程逻辑器供应商。2001年12月收购了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。

反熔丝PLD具有以下特点：抗辐射、耐高低温、功耗低、速度快。

⑤ Quicklogic：专业的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信领域的专用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, 也做了一些与Altera和Xilinx兼容的芯片, 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。

⑧Clear 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）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, 甚至几分钟内就能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. 其他EDA软件

① VHDL语言：超高速集成电路硬件描述语言（VHSIC Hardware Description Language,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 Verilog 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 其他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, 在此就不做介绍了。