1、電路的暫態(tài)過程在實際工程中 的應(yīng)用實例電路的暫態(tài)過程在實際工程中的應(yīng)用實例。汽車點火系統(tǒng)liiJliiJ汽車點火電路時給予RLC電路暫態(tài)響應(yīng)的 原理工作的。在點火電路中，通過開關(guān)的動作使 電感線圈中產(chǎn)生一個快速變化的電流，電感線圈 通常稱作點火線圈，點火線圈有兩個串聯(lián)的磁耦 合線圈著稱，又稱為自耦合變壓器，其中與電池 相連的線圈稱作初級線圈，與火花塞相連的線圈 成為次級線圈。初級線圈上電流的快速變化通過 磁耦合（互感）使次級線圈上產(chǎn)生一個高電壓， 其峰值可達(dá)到2040kV，這一高壓將在火花塞的 間隙間產(chǎn)生一個電火花，從而點燃?xì)飧字械挠蜌?混合物。如圖所示，此為簡化電路liiJliiJ1.汽車點

2、火系統(tǒng)R cn 4Q +圖。文氏橋和運放構(gòu)成的正弦波振蕩器 EJ文氏橋正弦波振蕩器是一種經(jīng)典式RC振蕩 器，它在低頻范圍內(nèi)有著廣泛的用途。在新器件 不斷出現(xiàn)的今天，從理論和實踐上再來探討它， 對其發(fā)展和應(yīng)用是有益的。1理論分析 文氏橋 正弦波振蕩器的基本形式如圖1所示，它有反饋 網(wǎng)絡(luò)和放大器兩部分組成。在大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報 第8卷用晶體管構(gòu)成放大器時需要二級，而采用 新型器件集成運算放大器，只需要一級，用一個 運放就可以滿足正反饋的要求。選頻網(wǎng)絡(luò)在文 氏橋振蕩器中，反饋網(wǎng)絡(luò)由選頻網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)。它的 主要作用是只讓單一頻率滿足振蕩條件，以產(chǎn)生 單一頻率正弦波。選頻網(wǎng)絡(luò)由兩個電阻Rl、RZ 和兩個電容器

3、C，、cZ構(gòu)成,其聯(lián)接形式可以有圖 2所示的三種形式圖l文氏橋振蕩器的組成圖2 選頻網(wǎng)絡(luò)的3種聯(lián)接形式通常為了方便，使Rl RZ1 十 SCR sC R，C、一 CZ C。 EJ文氏橋正弦波振蕩器主要用于測量、遙控、 通信、自動控制、熱處理和超聲波電焊等加工設(shè) 備之中，也作為模擬電子電路的測試信號。例如 函數(shù)信號發(fā)生器，數(shù)控Is?3.二階低通濾波器Is?3.二階低通濾波器任何高階濾波器都可由一階和二階濾波器 級聯(lián)而成。對于N階為偶數(shù)的高階濾波器，可以 由N/2節(jié)二階濾波器級聯(lián)而成；而N為奇數(shù)的高 階濾波器可以由(N-1)/2節(jié)二階濾波器和一節(jié)一 階濾波器級聯(lián)而成，因此一階濾波器和二階濾波 器是

4、高階濾波器的基礎(chǔ)?？墒请y度也會越加E 難。一個理想的濾波器應(yīng)該有一個完全平坦的通帶，例如在通帶內(nèi)沒有增益或者衰減， 并且 在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉，另外，通 帶外的轉(zhuǎn)換在極小的頻率范圍完成。實際上，并 不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠?qū)⑵?望頻率范圍外的所有頻率完全衰減掉，尤其是在11所要的通帶外還有一個被衰減但是沒有被隔離 的范圍。這通常稱為濾波器的滾降現(xiàn)象，并且使11liiJl=jwliiJ用每十倍頻的衰減幅度dB來表示。通常，濾波 器的設(shè)計盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波 器的性能就與設(shè)計更加接近。然而，隨著滾降范 圍越來越小，通帶就變得不再平坦一開始出現(xiàn) “波紋”。這種

5、現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯， 這種效應(yīng)稱為吉布斯現(xiàn)象。liiJl=jwliiJIID=1除了電子學(xué)和信號處理領(lǐng)域之外，帶通濾波 器應(yīng)用的一個例子是在大氣科學(xué)領(lǐng)域，很常見的 例子是使用帶通濾波器過濾最近3到10天時間 范圍內(nèi)的天氣數(shù)據(jù)，這樣在數(shù)據(jù)域中就只保留了 作為擾動的氣旋。在頻帶較低的剪切頻率fl和 較高的剪切頻率f2之間是共振頻率，這里濾波 器的增益最大，濾波器的帶寬就是f2和fl之間 的差值。IID=1liiJliiJ二階低通濾波器“經(jīng)過全橋整流”，顯然是想得 到直流電壓。經(jīng)過二階低通濾波器目的是濾波， 使得到的直流電壓更平直，更理想。否則輸出是 像你說的海浪形。不是要得到有效值。直流的

6、有 效值即使它本身。正弦信號的有效值要用單片機(jī) 之類的處理器采樣計算才能得到liiJliiJ電子設(shè)計自動化技術(shù)及其影響Multisim是美國國家儀器(NI)有限公司推出 的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級 的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電 路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入 方式，具有豐富的仿真分析能力。iCircuit是一款電路仿真設(shè)計程序。其先進(jìn)的 模擬引擎可以處理模擬和數(shù)字電路，并提供強(qiáng) 大的實時分析的功能。PCB抄板軟件，是利用逆向反工程技術(shù)來提取 電路板的PCB文件，然后根據(jù)pcb文件逆向 原理圖文件，BOM文件。從而達(dá)到完整的反 向克隆出一套一模一樣的電路

7、板PowerPCB與PowerLogic系列軟件是由美國 Mentor Graphics公司主推的電路設(shè)計自動化軟件，也是目前在電子工程領(lǐng)域內(nèi)使用最廣泛、性能最優(yōu)秀的EDA軟件之一。EDA工具軟件可大致可分為芯片設(shè)計輔助軟件、可編程芯片輔助設(shè)計軟件、系統(tǒng)設(shè)計輔助軟 件等三類。目前進(jìn)入我國并具有廣泛影響的EDA軟件是系 統(tǒng)設(shè)計輔助類軟件和可編程芯片輔助設(shè)計軟件:Protel、 Altium Designer、 PSPICE、 multisim12（原 EWB 的最新版本）、OrCAD、 PCAD、LSIIogic、MicroSim、ISE、modelsim、 Matlab等等。這些工具都有較強(qiáng)的

8、功能，一般 可用于幾個方面，例如很多軟件都可以進(jìn)行電路 設(shè)計與仿真，同時還可以進(jìn)行PCB自動布局布 線，可輸出多種網(wǎng)表文件與第三方軟件接口。下面按主要功能或主要應(yīng)用場合，分為電路設(shè)計 與仿真工具、PCB設(shè)計軟件、IC設(shè)計軟件、PLD 設(shè)計工具及其它EDA軟件，進(jìn)行簡單介紹。3.1電子電路設(shè)計與仿真工具電子電路設(shè)計與仿真工具包括SPICE/PSPICE； multiSIM7 ； Matlab ； SystemView ； MMICADLiveWire、Edison、Tina Pro Bright Spark 等。下面簡單介紹前三個軟件。SPICE (Simulation Program with

9、 Integrated Circuit Emphasis)：是由美國加州大學(xué)推出的電 路分析仿真軟件，是20世紀(jì)80年代世界上應(yīng)用 最廣的電路設(shè)計軟件，1998年被定為美國國家 標(biāo)準(zhǔn)。1984年，美國MicroSim公司推出了基于SPICE 的微機(jī)版 PSPICE(Personal-SPICE)。現(xiàn)在用得較多的是PSPICE6.2,可以說在同類產(chǎn) 品中，它是功能最為強(qiáng)大的模擬和數(shù)字電路混合 仿真EDA軟件，在國內(nèi)普遍使用。最新推出了PSPICE9.1版本。它可以進(jìn)行各種各樣的電路仿 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、并在同一窗口內(nèi)同時顯示模 擬與數(shù)字的仿真結(jié)果。無論

10、對哪種器件哪些電路 進(jìn)行仿真，都可以得到精確的仿真結(jié)果，并可以 自行建立元器件及元器件庫。illiJmultiSIM(EWB的最新版本)軟件：是 Interactive Image Technologies Ltd 在 20 世紀(jì)末 推出的電路仿真軟件。其最新版本為 multiSIM13,目前普遍使用的是multiSIM2001， 相對于其它EDA軟件，它具有更加形象直觀的 人機(jī)交互界面，特別是其儀器儀表庫中的各儀器 儀表與操作真實實驗中的實際儀器儀表完全沒illiJ有兩樣，但它對模數(shù)電路的混合仿真功能卻毫不 遜色，幾乎能夠100%地仿真出真實電路的結(jié)果， 并且它在儀器儀表庫中還提供了萬用表、

11、信號發(fā) 生器、瓦特表、雙蹤示波器（對于 multiSIM7還具有四蹤示波器）、波特儀（相當(dāng)實際中的掃 頻儀）、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換 儀、失真度分析儀、頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀和 電壓表及電流表等儀器儀表。還提供了我們?nèi)粘?常見的各種建模精確的元器件，比如電阻、電容、 電感、三極管、二極管、繼電器、可控硅、數(shù)碼 管等等。模擬集成電路方面有各種運算放大器、 其他常用集成電路。數(shù)字電路方面有74系列集 成電路、4000系列集成電路、等等還支持自制 元器件。MultiSIM7還具有I-V分析儀（相當(dāng)于 真實環(huán)境中的晶體管特性圖示儀）和Agilent信 號發(fā)生器、Agilent萬用表、Agi

12、lent示波器和動 態(tài)邏輯平筆等。同時它還能進(jìn)行VHDL仿真和 Verilog HDL 仿真。MATLAB產(chǎn)品族：它們的一大特性是有眾多 的面向具體應(yīng)用的工具箱和仿真塊，包含了完整 的函數(shù)集用來對圖像信號處理、控制系統(tǒng)設(shè)計、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等特殊應(yīng)用進(jìn)行分析和設(shè)計。它具有數(shù)據(jù)采集、報告生成和MATLAB語言編程產(chǎn)生獨 立C/C+代碼等功能。MATLAB產(chǎn)品族具有下 列功能：數(shù)據(jù)分析；數(shù)值和符號計算、工程與科 學(xué)繪圖；控制系統(tǒng)設(shè)計；數(shù)字圖像信號處理；財 務(wù)工程；建模、仿真、原型開發(fā)；應(yīng)用開發(fā)；圖 形用戶界面設(shè)計等。MATLAB產(chǎn)品族被廣泛應(yīng) 用于信號與圖像處理、控制系統(tǒng)設(shè)計、通訊系統(tǒng) 仿真等諸多領(lǐng)域。

13、開放式的結(jié)構(gòu)使MATLAB產(chǎn) 品族很容易針對特定的需求進(jìn)行擴(kuò)充，從而在不 斷深化對問題的認(rèn)識同時，提高自身的競爭力。3.2 PCB設(shè)計軟件PCB(Printed-Circuit Board)設(shè)計軟件種類很 多，如 Protel、Altium Designer、OrCAD、Viewlogic、PowerPCB、Cadence PSD、 MentorGraphices 的 Expedition PCB、Zuken CadStart、 Winboard/Windraft/Ivex-SPICE、PCB Studio、TANGO、PCBWizard （與 LiveWire 配套的PCB制作軟件包）、ul

14、tiBOARD7 （與 multiSIM2001配套的PCB制作軟件包）等等。目前在我國用得最多當(dāng)屬Protel，下面僅對此軟 件作一介紹。Protel 是 PROTEL（現(xiàn)為 Altium）公司在20 世紀(jì)80年代末推出的CAD工具，是PCB設(shè)計者 的首選軟件。它較早在國內(nèi)使用，普及率最高， 在很多的大、中專院校的電路專業(yè)還專門開設(shè) Protel課程，幾乎所在的電路公司都要用到它。 早期的Protel主要作為印刷板自動布線工具使 用，其最新版本為Altium Designer 10，現(xiàn)在普 遍使用的是Protel99SE，它是個完整的全方位電 路設(shè)計系統(tǒng)，包含了電原理圖繪制、模擬電路與 數(shù)字

15、電路混合信號仿真、多層印刷電路板設(shè)計liiJ（包含印刷電路板自動布局布線），可編程邏輯 器件設(shè)計、圖表生成、電路表格生成、支持宏操 作等功能，并具有Client/Server （客戶/服務(wù)體 系結(jié)構(gòu)），同時還兼容一些其它設(shè)計軟件的文件 格式，如 ORCAD、PSPICE、EXCEL 等。使用 多層印制線路板的自動布線，可實現(xiàn)高密度PCB 的100%布通率。Protel軟件功能強(qiáng)大（同時具 有電路仿真功能和PLD開發(fā)功能）、界面友好、 使用方便，但它最具代表性的是電路設(shè)計和PCB 設(shè)計。liiJ3.3 IC設(shè)計軟件IC設(shè)計工具很多，其中按市場所占份額排行為 Cadence、Mentor Grap

16、hics 和 Synopsys。這三家都是ASIC設(shè)計領(lǐng)域相當(dāng)有名的軟件供應(yīng)商。其它公司的軟件相對來說使用者較少。中國華大 公司也提供ASIC設(shè)計軟件（熊貓2000）；另外 近來出名的Avanti公司，是原來在Cadence的 幾個華人工程師創(chuàng)立的，他們的設(shè)計工具可以全 面和Cadence公司的工具相抗衡，非常適用于深 亞微米的IC設(shè)計。下面按用途對IC設(shè)計軟件 作一些介紹。設(shè)計輸入工具 這是任何一種EDA軟件必須具備的基本功能。像 Cadence 的 composer，viewlogic 的 viewdraw， 硬件描述語言VHDL、Verilog HDL是主要設(shè)計 語言，許多設(shè)計輸入工具都

17、支持HDL （比如說 multiSIM等）。另外像Active-HDL和其它的設(shè) 計輸入方法，包括原理和狀態(tài)機(jī)輸入方法，設(shè)計 FPGACPLD的工具大都可作為IC設(shè)計的輸入 手段，如Xilinx、Altera等公司提供的開發(fā)工具M(jìn)odelsim FPGA 等。設(shè)計仿真工作 我們使用EDA工具的一個最大好處是可以驗證 設(shè)計是否正確，幾乎每個公司的EDA產(chǎn)品都有仿真工具。Verilog-XL、NC-verilog 用于 Verilog仿真，Leapfrog 用于 VHDL 仿真,Analog Artist用于模擬電路仿真。Viewlogic的仿真器有:viewsim門級電路仿真器，speedwav

18、eVHDL仿真器，VCS-verilog 仿真器。Mentor Graphics 有其子公司Model Tech出品的VHDL和Verilog 雙仿真器：Model Sim。Cadence、Synopsys 用 的是VSS（VHDL仿真器）。現(xiàn)在的趨勢是各大 EDA公司都逐漸用HDL仿真器作為電路驗證的 工具。綜合工具綜合工具可以把HDL變成門級網(wǎng)表。這方面 Synopsys工具占有較大的優(yōu)勢，它的 Design Compile是作為一個綜合的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它還有另 外一個產(chǎn)品叫Behavior Compiler，可以提供更 高級的綜合。另外最近美國又出了一個軟件叫Ambit，據(jù)說比Synopsy

19、s的軟件更有效，可以綜合50萬門的電 路，速度更快。今年初Ambit被Cadence公司 收購，為此Cadence放棄了它原來的綜合軟件 Synergy。隨著FPGA設(shè)計的規(guī)模越來越大，各EDA公司又開發(fā)了用于FPGA設(shè)計的綜合軟件，比較有名的有：Synopsys的FPGA Express，Cadence 的 Synplity, Mentor 的 Leonardo,這 三家的FPGA綜合軟件占了市場的絕大部分。布局和布線在IC設(shè)計的布局布線工具中，Cadence軟件是 比較強(qiáng)的，它有很多產(chǎn)品，用于標(biāo)準(zhǔn)單元、門陣 列已可實現(xiàn)交互布線。最有名的是Cadencespectra，它原來是用于 PCB布

20、線的，后來 Cadence把它用來作IC的布線。其主要工具有： Cell3，Silicon Ensemble-標(biāo)準(zhǔn)單元布線器；Gate Ensemble-門陣列布線器；Design Planner-布局 工具。其它各EDA軟件開發(fā)公司也提供各自的 布局布線工具。物理驗證工具物理驗證工具包括版圖設(shè)計工具、版圖驗證工 具、版圖提取工具等等。這方面Cadence也是很 強(qiáng)的，其 Dracula、Virtuso、Vampire等物理工 具有很多的使用者。模擬電路仿真器ilijJ前面講的仿真器主要是針對數(shù)字電路的，對于模 擬電路的仿真工具，普遍使用SPICE，這是唯一 的選擇。只不過是選擇不同公司的SP

21、ICE，像 MiceoSim 的 PSPICE、Meta Soft 的 HSPICE 等等。HSPICE現(xiàn)在被Avanti公司收購了。在眾 多的SPICE中，HSPICE作為IC設(shè)計，其模型 多，仿真的精度也高。ilijJ3.4 PLD設(shè)計工具PLD( Programmable Logic Device)是一種由用 戶根據(jù)需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電 路。目前主要有兩大類型：CPLD( ComplexPLD)和 FPGA(Field Programmable Gate Array)。它們的基本設(shè)計方法是借助于EDA軟 件，用原理圖、狀態(tài)機(jī)、布爾表達(dá)式、硬件描述 語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)

22、文件，最后用編程 器或下載電纜，由目標(biāo)器件實現(xiàn)。生產(chǎn)PLD的 廠家很多，但最有代表性的PLD廠家為Altera、 Xilinx 和 Lattice 公司。=1PLD的開發(fā)工具一般由器件生產(chǎn)廠家提供，但 隨著器件規(guī)模的不斷增加，軟件的復(fù)雜性也隨之 提高，目前由專門的軟件公司與器件生產(chǎn)廠家使 用，推出功能強(qiáng)大的設(shè)計軟件。下面介紹主要器 件生產(chǎn)廠家和開發(fā)工具。=1ALTERA： 20世紀(jì)90年代以后發(fā)展很快。主 要產(chǎn)品有：MAX3000/7000、FELX6K/10K、 APEX20K、ACEX1K、Stratix 等。其開發(fā)工具-MAX+PLUS II是較成功的PLD開發(fā)平臺，最新又推出了 Qua

23、rtus II開發(fā)軟件。Altera公司提供較多形式的設(shè)計輸入手段，綁定第三方VHDL 綜合工具，如:綜合軟件FPGA Express Leonard Spectrum，仿真軟件 ModelSim。XILINX： FPGA的發(fā)明者。產(chǎn)品種類較全，主要有：XC9500/4000、Coolrunner(XPLA3)、Spartan、Vertex 等系列，其最大的 Vertex-II Pro 器件已達(dá)到800萬門。開發(fā)軟件為Foundation 和ISE。通常來說，在歐洲用Xilinx的人多，在 日本和亞太地區(qū)用ALTERA的人多，在美國則 是平分秋色。全球PLD/FPGA產(chǎn)品60%以上是 由Alt

24、era和Xilinx提供的?？梢灾vAltera和 Xilinx共同決定了 PLD技術(shù)的發(fā)展方向。 Lattice-Vantis： Lattice 是 ISP ( In-System Programmability)技術(shù)的發(fā)明者。ISP技術(shù)極大 地促進(jìn)了 PLD產(chǎn)品的發(fā)展，與 ALTERA和 XILINX相比，其開發(fā)工具比Altera和Xilinx 略遜一籌。中小規(guī)模PLD比較有特色，大規(guī)模 PLD的競爭力還不夠強(qiáng)(Lattice沒有基于查找表技術(shù)的大規(guī)模FPGA)，1999年推出可編程模擬器件，1999年收購Vantis (原AMD子公司)，成為第三大可編程邏輯器件供應(yīng)商。2001年12 月收

25、購Agere公司（原Lucent微電子部）的 FPGA 部門。主要產(chǎn)品有 ispLSI2000/5000/8000， MACH4/5。ACTEL:反熔絲（一次性燒寫）PLD的領(lǐng)導(dǎo) 者。由于反熔絲PLD抗輻射、耐高低溫、功耗 低、速度快，所以在軍品和宇航級上有較大優(yōu)勢。 ALTERA和XILINX則一般不涉足軍品和宇航 級市場。Quicklogic：專業(yè)PLD/FPGA公司，以一次性 反熔絲工藝為主，在中國地區(qū)銷售量不大。Lucent：主要特點是有不少用于通訊領(lǐng)域的專 用IP核，但PLD/FPGA不是Lucent的主要業(yè) 務(wù)，在中國地區(qū)使用的人很少。ATMEL:中小規(guī)模PLD做得不錯。ATMEL

26、 也做了一些與Altera和Xilinx兼容的片子，但 在品質(zhì)上與原廠家還是有一些差距，在高可靠性 產(chǎn)品中使用較少，多用在低端產(chǎn)品上。Clear Logic：生產(chǎn)與一些著名PLD/FPGA大 公司兼容的芯片，這種芯片可將用戶的設(shè)計一次 性固化，不可編程，批量生產(chǎn)時的成本較低。WSI：生產(chǎn)PSD （單片機(jī)可編程外圍芯片）產(chǎn)品。這是一種特殊的PLD,如最新的PSD8xx、PSD9xx 集成了 PLD、EPROM、Flash,并支持ISP (在線編程)，集成度高，主要用于配合單片 機(jī)工作。Altium：提供 Actel、Altera、Lattice 和 Xilinx四家PLD/FPGA器件的通用跨廠

27、商開發(fā)平臺,最新推出了 Altium Designer 10軟件中集成了 Aldec HDL仿真功能。順便提一下：PLD (可編程邏輯器件)是一種可 以完全替代74系列及GAL、PLA的新型電路， 只要有數(shù)字電路基礎(chǔ)，會使用計算機(jī)，就可以進(jìn) 行PLD的開發(fā)。PLD的在線編程能力和強(qiáng)大的 開發(fā)軟件，使工程師可以幾天，甚至幾分鐘內(nèi)就 可完成以往幾周才能完成的工作，并可將數(shù)百萬 門的復(fù)雜設(shè)計集成在一顆芯片內(nèi)。PLD技術(shù)在 發(fā)達(dá)國家已成為電子工程師必備的技術(shù)。3.5其它EDA軟件VHDL語言：超高速集成電路硬件描述語言(VHSIC Hardware Description Language，簡 稱VHDL)，是IEEE的一項標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計語言。它 源于美國國防部提出的超高速集成電路(VeryHigh Speed Integrated Circuit，簡稱 VHSIC)計劃，是ASIC設(shè)計和PLD設(shè)計的一種主要輸 入工具。Verilog HDL：是Verilog公司推出的硬件描述 語言，在ASIC設(shè)計方面與VHDL語言平分秋 色。其它EDA軟件如專門用于