EDA AD转换报告.docx
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EDAAD转换报告
EDA课程实训报告
学院:
职业技术学院
专业班级:
检测0931
姓名:
巩铁昌(03)
指导教师:
闫兵牟淑杰
实训时间:
2011年12月12日至2011年12月23日
成绩:
评阅人:
2011年12月
前言
微电子技术的进步主要表现在大规模集成电路加工技术即半导体工艺技术的发展上,使得表征半导体工艺水平的线宽已经达到了60nm,并还在不断地缩小,而在硅片单位面积上,集成了更多的晶体管。
集成电路设计正在不断地向超大规模、极低功耗和超高速的方向发展,专用集成电路ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)的设计成本不断降低,在功能上,现代的集成电路已能够实现单片电子系统SOC(SystemOnaChip)。
现代电子设计技术的核心已日趋转向基于计算机的电子设计自动化技术,即EDA(ElectronicDesignAutomation)技术。
EDA技术就是依赖功能强大的计算机,在EDA工具软件平台上,对以硬件描述语言HDL(HardwareDescriptionLanguage)为系统逻辑描述手段完成的设计文件,自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、布局布线以及逻辑优化和仿真测试,直至实现既定的电子线路系统功能。
EDA技术使得设计者的工作仅限于利用软件的方式,即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现,这是电子设计技术的一个巨大进步。
20世纪90年代,国际上电子和计算机技术较先进的国家,一直在积极探索新的电子电路设计方法,并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革,取得了巨大成功。
在电子技术设计领域,可编程逻辑器件(如CPLD、FPGA)的应用,已得到广泛的普及,这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。
这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构,从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。
这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念,促进了EDA技术的迅速发展。
EDA技术就是以计算机为工具,设计者在EDA软件平台上,用硬件描述语言VHDL完成设计文件,然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真,直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。
EDA技术的出现,极大地提高了电路设计的效率和可操作性,减轻了设计者的劳动强度。
利用EDA工具,电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统,大量工作可以通过计算机完成,并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。
现在对EDA的概念或范畴用得很宽。
包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域,都有EDA的应用。
目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。
例如在飞机制造过程中,从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟,都可能涉及到EDA技术。
目录
前言II
1电路设计4
1.1EDA4
1.1.1EDA的常用软件4
1.1.2EDA技术的历史与发展5
1.1.3EDA的应用5
1.1.4Protel99SE5
1.1.5protel99se综合设计6
1.2A/D的介绍9
1.2.1AD转换器的主要技术指标10
1.2.2AD转换器原理10
1.3A/D电路设计10
2印刷电路板14
2.1认识了解PCB14
2.1.1印刷电路板的简介14
2.1.2PCB制造原理14
2.1.3PCB的生产过程15
2.1.4PCB的发展简史16
2.1.5进程控制快PCB简介16
2.2PCB印刷电路板要求17
2.3PCB电路图18
总结19
参考文献20
1电路设计
1.1EDA
EDA技术在硬件实现方面融合了大规模集成电路制造技术、IC版图设计、ASIC测试和封装、FPGA(FieldProgrammableGateArray)/CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)编程下载和自动测试等技术;在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)、计算机辅助工程(CAE)技术以及多种计算机语言的设计概念;而在现代电子学方面则容纳了更多的内容,如电子线路设计理论、数字信号处理技术、数字系统建模和优化技术及长线技术理论等。
因此,EDA技术为现代电子理论和设计的表达与实现提供了可能性。
正因为EDA技术丰富的内容以及与电子技术各学科领域的相关性,其发展的历程同大规模集成电路设计技术、计算机辅助工程、可编程逻辑器件,以及电子设计技术和工艺的发展是同步的。
就过去近30年的电子技术的发展历程,可大致将EDA技术的发展分为3个阶段。
20世纪70年代,在集成电路制作方面,MOS工艺得到广泛的应用;可编程逻辑技术及其器件问世,计算机作为一种运算工具在科研领域得到广泛应用。
而在后期,CAD的概念已见雏形,这一阶段人们开始利用计算机取代手工劳动,辅助进行集成电路版图编辑、PCB布局布线等工作。
20世纪80年代,集成电路设计进入了CMOS(互补场效应管)时代,复杂可编程逻辑器件进入商业应用,相应的辅助设计软件投入使用;而在80年代末,出现了FPGA;CAE和CAD技术的应用更为广泛,它们在PCB设计方面的原理图输入、自动布局布线及PCB分析,以及逻辑设计、逻辑仿真、布尔方程综合和化简等方面担任了重要的角色。
特别是各种硬件描述语言的出现、应用和标准化方面的重大进步,为电子设计自动化必须解决的电路建模、标准文档及仿真测试奠定了基础。
进入20世纪90年代,随着硬件描述语言的标准化进一步确立,计算机辅助工程、辅助分析和辅助设计在电子技术领域获得更加广泛的应用。
与此同时,电子技术在通信、计算机及家电产品生产中的市场需求和技术需求,极大地推动了全新的电子设计自动化技术的应用和发展,特别是集成电路设计工艺步入了超深亚微米阶段,百万门以上的大规模可编程逻辑器件的陆续面世,以及基于计算机技术的面向用户的低成本大规模ASIC设计技术的应用,促进了EDA技术的形成。
更为重要的是各EDA公司致力于推出兼容各种硬件实现方案和支持标准硬件描述语言的EDA工具软件的研究,更有效地将EDA技术推向成熟和实用。
1.1.1EDA的常用软件
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:
multiSIM7(原EWB的最新版本)、PSPICE、OrCAD、PCAD、Protel、Viewlogic、Mentor、Graphics、Synopsys、LSIIogic、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
1.1.2EDA技术的历史与发展
EDA技术发展历程大致可分为三个阶段。
20世纪70年代为计算机辅助设计(CAD)阶段,人们开始用计算机取代手工操作进行IC版图编辑、PCB布局布线。
80年代为计算机辅助工程(CAE)阶段。
与CAD相比,CAE除了有纯粹的图形绘制功能外,又增加了电路功能分析和结构设计,并且通过电气连接网络表将两者结合在一起,实现了工程设计。
20世纪90年代为电子系统设计自动化(EDA)阶段,同时又出现了计算机辅助工艺(CAPP)、计算机辅助制造(CAM)等。
1.1.3EDA的应用
现在EDA技术应用广泛,包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域,都有EDA的应用。
目前EDA技术已在各大公司、科研和教学部门广泛使用。
在产品设计与制造方面,EDA技术可实现前期的计算机仿真、系统级模拟及测试环境的仿真、PCB的制作、电路板的焊接、ASIC的设计等。
在教学方面,我国高校是从九十年代中期开始EDA教育的,现在几乎所有理工科类高校都开设了EDA课程。
这些课程主要是让学生了解EDA的基本概念和原理,使用EDA软件进行电子电路课程的实验及从事简单系统的设计。
1.1.4Protel99SE
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:
multiSIM7(原EWB的最新版本)、PSPICE、OrCAD、PCAD、Protel、Viewlogic、Mentor、Graphics、Synopsys、LSIIogic、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,同进还可以进行PCB自动布局布线,可输出多种网表文件与第三方软件接口。
电子设计自动化EDA(ElectronicDesignAutomation)就是将电路设计中的各种工作由计算机来协助完成,它是现代电子工业产品设计中不可缺少的一项技术,如今已成为时势所趋、不可逆转的潮流。
为什么许多大公司在招聘电子设计人才时常要求会使用PROTEL?
因为Protel设计系统是世界上第一套将EDA环境引入Windows环境的开发工具,是建立在PC机环境下的EDA电路集成设计系统,是功能强大、使用广泛的电子设计CAD软件。
它较早就在国内开始使用,在国内的普及率也最高,尽管Protel的发展经历了,ProtelforDos、ProtelforWindows、Protel98、Protel99/Protel99se、ProtelDxp和AltiumDesigner6.x诸多版本,然而所有的Protel软件后续版本都有向前兼容性。
另外,无论后续版本或者其它类似的EDA软件功能有多么强大,PCB制板生产公司都要转换成Protel99版本进行生产,由于设备只支持Protel99版本。
所以PROTEL在电子行业的CAD软件中,当之无愧地排在众多EDA软件的前面,是电子设计者的首选软件。
1.1.5protel99se综合设计
<1>电路原理图设计
进入protel99se,在E盘建立一个文件夹,创建一个数据库,执行菜单file/new命令选择schematicdocument图标,双击该图标,建立原理图设计文档,执行菜单Design/Options和Tool/Preferences,设置图纸大小A4、捕捉栅格、电气栅格等。
<2>新建与放置元件
到元件库中找出所需的元件,然后用元件管理器的Place按钮将元件放置在工作平面上,按住tap键,对元件属性进行设置,名称,标号。
标称值或元件型号以及元件封装,单击ok键即可,再根据元件之间的走线把元件调整好。
对于该原理图中的元件要求新建一个元件,单击design生成方案库,再单击tools选择新建元件,命名。
在新建元件界面的第四象限进行绘制新元件,这里得注意管脚的编号与之后封装的焊盘号要一致最后单击updateschematics就可以应用到原理图中,如图1-1所示。
图1-1自制的光敏电阻
<3>元件封装的定义与设定
所示原理图中要求自制封装scr,microphone,bridge和光敏电阻。
这里所需注意的是封装要在topoverly层中。
单击file-new,选择PCBlibrarydocument主要是要看元件所示管脚,有几个管脚即放置几个焊盘。
画完后单击updatepcb即可应用,画出的相应封装如下图所示
.
图1-2Scr封装
.
图1-3Microphone封装
图1-4Bridge的封装
图1-5光敏电阻的封装
<4>完成原理图
各元器件放好后,进行相关的设置后,对于一些自制的封装,回到原理图写入footprint,然后连接电路图
图1-6电路图
<5>生成网络表
网络表是电路原理图设计和印刷电路板设计之间的桥梁,执行菜单命令Design/CreateNetlist可以生成具有元件名、元件封装、参数及元件之间连接关系的网络表。
图1-7网络表
<6>印制路板的设计
执行菜单File/New命令,从框中选择(PCBDocument)图标,选择wizards,选取第一个,根据下列要求确定电路板的尺寸及相关设置(使用双层版)
要求:
电路板大小为100mm×150mm.
电源、地线铜膜线的宽度为50mil;
一般布线的宽度为12mil;
布线的线间距离为12mil;
布线拐角模式为45°转角;
元器件排列整齐、面板美观、使用方便。
2.设置参数
执行菜单命令Design/Rules,左键单击Routing按钮,根据设计要求,在规则类(RulesClasses)中设置参数.
选择WidthConstraint,对地线线宽进行设置:
左键单击Add按钮,进入线宽规则设置界面,首先在RuleScope区域的FilterKind选择框中选择Net,然后在Net下拉框中选择GND,再在RuleAttributes区域将Minimumwidth、Maximumwidth和Preferred三个输入框的线宽设置为50mil;
电源线宽的设置:
在Net下拉框中选择VCC,其他与地线线宽设置相同;
整板线宽设置:
在FilterKind选择框中选择WholeBoard,然后将Minimumwidth,Maximumwidth和Preferred三个输入框的线宽设置为12mil。
3.装入网络表
执行菜单Design/LoadNets命令,然后在弹出的窗口中单击Browse按钮,再在弹出的窗口中选择电路原理图设计生成的网络表文件(扩展名为Net),若出现错误提示,必须更改错误,如果没有错误,单击Execute。
4.元器件布局
Protel99SE既可以进行自动布局也可以进行手工布局,执行菜单命令Tools/AutoPlacement/AutoPlacer可以自动布局。
5.自动布线
执行菜单命令AutoRouting/All,并在弹出的窗口中单击Routeall按钮,程序即对印刷电路板进行自动布线。
只要设置有关参数,元件布局合理,自动布线的成功率几乎是100%。
6.手工调整自动布线
经过自动布线,可得PCB版图
图1-8PCB图
1.2A/D的介绍
模数转换器最重要的参数是转换的精度,通常用输出的数字信号的位数的多少表示。
转换器能够准确输出的数字信号的位数越多,表示转换器能够分辨输入信号的能力越强,转换器的性能也就越好。
A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。
在实际电路中,有些过程是合并进行的,如采样和保持,量化和编码在转换过程中是同时实现的。
一般来说,AD比DA贵,尤其是高速的AD,因为在某些特殊场合,如导弹的摄像头部分要求有高速的转换能力。
一般那样AD要上千美元。
还有通过AD的并联可以提高AD的转换效率,多个AD同时处理数据,能满足处理器的数字信号需求了。
1.2.1AD转换器的主要技术指标
1)分辩率(Resolution)指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量,定义为满刻度与2^n的比值。
分辩率又称精度,通常以数字信号的位数来表示。
2)转换速率(ConversionRate)是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。
积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD,逐次比较型AD是微秒级属中速AD,全并行/串并行型AD可达到纳秒级。
采样时间则是另外一个概念,是指两次转换的间隔。
为了保证转换的正确完成,采样速率(SampleRate)必须小于或等于转换速率。
因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。
常用单位是ksps和Msps,表示每秒采样千/百万次(kilo/MillionSamplesperSecond)。
3)量化误差(QuantizingError)由于AD的有限分辩率而引起的误差,即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD(理想AD)的转移特性曲线(直线)之间的最大偏差。
通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量,表示为1LSB、1/2LSB。
4)偏移误差(OffsetError)输入信号为零时输出信号不为零的值,可外接电位器调至最小。
5)满刻度误差(FullScaleError)满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。
6)线性度(Linearity)实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移,不包括以上三种误差。
其他指标还有:
绝对精度(AbsoluteAccuracy),相对精度(RelativeAccuracy),微分非线性,单调性和无错码,总谐波失真(TotalHarmonicDistotortion缩写THD)和积分非线性。
1.2.2AD转换器原理
A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。
模拟量可以是电压、电流等电信号,也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。
但在A/D转换前,输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。
A/D转换后,输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。
A/D转换器的工作原理,逐次逼近法,双积分法电压频率转换法
1.3A/D电路设计
采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。
如下图所示。
图1-9电路原理图
基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔,再把此时间间隔转换成数字量,属于间接转换。
双积分法A/D转换的过程是:
先将开关接通待转换的模拟量Vi,Vi采样输入到积分器,积分器从零开始进行固定时间T的正向积分,时间T到后,开关再接通与Vi极性相反的基准电压VREF,将VREF输入到积分器,进行反向积分,直到输出为0V时停止积分。
Vi越大,积分器输出电压越大,反向积分时间也越长。
计数器在反向积分时间内所计的数值,就是输入模拟电压Vi所对应的数字量,实现了A/D转换。
双积分式AD转换原理图。
图1-10protel程序建立
图1-11原理图
图1-12生成的初始pcb
图1-13pcb连接原理图
2印刷电路板
2.1认识了解PCB
2.1.1印刷电路板的简介
PCB(PrintedCircuieBoard)印制线路板的简称,通常把在绝缘材上,按预定设计,制成印制线路、印制元件或两者组合而成的导电图形称为印制电路。
而在绝缘基材上提供元器件之间电气连接的导电图形,称为印制线路。
这样就把印制电路或印制线路的成品板称为印制线路板,亦称为印制板或印制电路板。
标准的PCB上头没有零件,也常被称为“印刷线路板PrintedWiringBoard(PWB)”.
PCB几乎我们能见到的电子设备都离不开它,小到电子手表、计算器、通用电脑,大到计算机、通迅电子设备、军用武器系统,只要有集成电路等电子无器件,它们之间电气互连都要用到PCB。
除了固定各种小零件外,它提供集成电路等各种电子元器件固定装配的机械支撑、实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘、提供所要求的电气特性,如特性阻抗等。
同时为自动锡焊提供阻焊图形;为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。
随着电子设备越来越复杂,需要的零件越来越多,PCB上头的线路与零件也越来越密集了.
2.1.2PCB制造原理
我们打开通用电脑的健盘就能看到一张软性薄膜(挠性的绝缘基材),印上有银白色(银浆)的导电图形与健位图形。
因为通用丝网漏印方法得到这种图形,所以我们称这种印制线路板为挠性银浆印制线路板。
而我们去电脑城看到的各种电脑主机板、显卡、网卡、调制解调器、声卡及家用电器上的印制电路板就不同了。
它所用的基材是由纸基(常用于单面)或玻璃布基(常用于双面及多层),预浸酚醛或环氧树脂,表层一面或两面粘上覆铜簿再层压固化而成。
这种线路板覆铜簿板材,我们就称它为刚性板。
再制成印制线路板,我们就称它为刚性印制线路板。
单面有印制线路图形我们称单面印制线路板,双面有印制线路图形,再通过孔的金属化进行双面互连形成的印制线路板,我们就称其为双面板。
如果用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的印制线路板,通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印制线路板就成为四层、六层印制电路板了,也称为多层印制线路板。
现在已有超过100层的实用印制线路板了。
2.1.3PCB的生产过程
PCB的生产过程较为复杂,它涉及的工艺范围较广,从简单的机械加工到复杂的机械加工,有普通的化学反应还有光化学电化学热化学等工艺,计算机辅助设计CAM等多方面的知识。
而且在生产过程中工艺问题很多而且会时时遇见新的问题而部分问题在没有查清原因问题就消失了,由于其生产过程是一种非连续的流水线形式,任何一个环节出问题都会造成全线停产或大量报废的后果,印刷线路板如果报废是无法回收再利用的,工艺工程师的工作压力较大,所以许多工程师离开了这个行业转到印刷线路板设备或材料商做销售和技术服务方面的工作。
板子本身的基板是由绝缘隔热、并不易弯曲的材质所制作成.在表面可以看到的细小线路材料是铜箔,原本铜箔是覆盖在整个板子上的,而在制造过程中部份被蚀刻处理掉,留下来的部份就变成网状的细小线路了.这些线路被称作导线(conductorpattern)或称布线,并用来提供PCB上零件的电路连接.
为了将零件固定在PCB上面,我们将它们的接脚直接焊在布线上.在最基本的PCB(单面板)上,零件都集中在其中一面,导线则都集中在另一面.这么一来我们就需要在板子上打洞,这样接脚才能穿过板子到另一面,所以零件的接脚是焊在另一面上的.因为如此,PCB的正反面分别被称为零件面(ComponentSide)与焊接面(SolderSide).
如果PCB上头有某些零件,需要在制作完成后也可以拿掉或装回去,那么该零件安装时会用到插座(Socket).由于插座是直接焊在板子上的,零件可以任意的拆装.
如果要将两块PCB相互连结,一般我们都会用到俗称「金手指」的边接头(edgeconnector).金手指上包含了许多裸露的铜垫,这些铜垫事实上也是PCB布线的一部份.通常连接时,我们将其中一片PCB上的金手指插进另一片PCB上合适的插槽上(一般叫做扩充槽Slot).在计算机中,像是显示卡,声卡或是其它类似的界面卡,都是借着金手指来与主机板连接的.
PCB上的绿色或是棕色,是阻焊漆(soldermask)的颜色.这层是绝缘的防护层,可以保护铜线,也可以防止零件被焊到不正确的地方.在阻焊层上另外会印刷上一层丝网印刷面(silkscreen).通常在这上面会印上文字与符号(大多是白色的),以标示出各零件在板子上的位置.丝网印刷面也被称作图标面(legend).
印刷电路板将零件与零件之间复杂的电路铜线,经过细致整齐的规划后,蚀刻在一块板子上,提供电子零组件在安装与互连时的主要支撑体,是所有电子产品不可或缺的基础零件。
印刷电路板以不导电材料所制成的平板,在此平板上通常都有设计预钻孔以安装芯片和其它电子组件。
组件的孔有助于让预先定义在板面上印制之金属路径以电子方式连接起来,将电子组件的接脚穿过PCB后,再以导电性的金属焊条黏附在PCB上而形成电路。
依其应用领域PCB可分为单面板、双面板、四层板以上多层板及软
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