Altium大中华区总经理David Read作序
邓中亮
北京邮电大学教授
谢凤英
北京航空航天大学教授
马熙飞
Altium公司大学计划经理
孟松
Keysight EDA大中华区总经理
Circuit Design, Simulation and PCB Design from Analog, Digital, RF, CPU to Signal Integrity
崔岩松◎编著
电路设计、仿真与PCB设计
从模拟电路、数字电路、射频电路、控制
电路到信号完整性分析
清華大學出版社
EDA 工程技术丛书
Circuit Design, Simulation and PCB Design: from Analog, Digital, RF, CPU to Signal Integrity
电路设计、仿真与 PCB 设计
从模拟电路、数字电路、射频电路、控制电路到信号完整性分析
崔岩松 编著
Cui Yansong
清华大学出版社
北京
内容简介
本书系统论述了电路的原理图设计、电路仿真、印制电路板设计与信号完整性分析，涵盖了模拟电路、数字电路、射频电路、控制电路等。全书主要包括三部分：第1部分（第2～6章）介绍电路设计与仿真，在介绍了常用的电路仿真软件的基础上，详细讲解了Altium Designer模拟电路仿真、ADS射频电路仿真、ModelSim数字电路仿真、Proteus单片机电路仿真，举例说明了基本单元电路的设计与仿真方法；第2部分（第7～9章）以Altium Designer18.0为设计工具，介绍了电路原理图和PCB设计流程、原则、方法和注意事项；第3部分（第10、11章）介绍了电路中的信号完整性规则及仿真方法。
本书以培养读者具备一般电路设计、仿真和 PCB 设计的能力为宗旨，可作为高等院校电子类专业“EDA 技术”课程的教材，也可作为“电路分析”“模拟电路”“数字电路”等理论课程或相关实验课程的辅助教材，还可作为相关工程技术人员的参考用书。
本书封面贴有清华大学出版社防伪标签，无标签者不得销售。
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图书在版编目(CIP)数据
电路设计、仿真与 PCB 设计：从模拟电路、数字电路、射频电路、控制电路到信号完整性分析/崔岩松编著. — 北京：清华大学出版社，2019
（EDA 工程技术丛书）
ISBN 978-7-302-52512-7
Ⅰ．①电… Ⅱ．①崔… Ⅲ．①电路设计 ②电子电路－计算机仿真－应用软件 Ⅳ．①TM02 ②TN702.2
中国版本图书馆 CIP 数据核字（2019）第 043256 号
责任编辑：盛东亮 钟志芳
封面设计：李召霞
责任校对：李建庄
责任印制：李红英
出版发行：清华大学出版社
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印刷者：清华大学印刷厂
装订者：三河市溧源装订厂
经销：全国新华书店
开本：185mm×260mm
印张：33.75
插页：1 字 数：817千字
版 次：2019年9月第1版
定 价：99.00 元
印次：2019年9月第1次印刷
产品编号：079381-01
Altium 公司一直致力于为每个电子设计工程师提供最好的设计技术和解决方案。三十多年来，我们一直将其作为 Altium 公司的核心使命。
这期间，我们看到了电子设计行业的巨大变化。虽然设计在本质上变得越来越复杂，但获得设计和生产复杂PCB的能力已经变得越来越容易。
中国正在从世界电子制造强国向电子设计强国转型，拥有巨大的市场潜力。专注于创新，提升设计能力和有效性，中国将有机会使这种潜力变为现实。Altium 公司看到这样的转变，一直在中国的电子设计行业投入巨资。
我很高兴这本书将出版。学习我们的设计系统是非常实用和有效的，将使任何电子设计工程师在职业生涯中受益。
Altium 公司新的一体化设计方式取代了原来的设计工具，让创新设计变得更为容易，并可以避免高成本的设计流程、错误和产品的延迟。随着互联设备和物联网的兴起，成功、快速地将设计推向市场是每个公司成功的必由之路。
希望您在使用 Altium Designer 的过程中，将设计应用到现实生活中，并祝愿您事业有成。
Altium 大中华区总经理 David Read
D.J.
2019年6月
At Altium we always have been passionate about putting the best available design technology into the hands of every electronics designer and engineer. We have made it our core mission at Altium for more than 30 years.
Over this time we have seen much change in the electronics design industry. While designs have become more and more complex in their nature, the ability to design and produce a complex PCB has become more and more accessible.
China has a great opportunity ahead, to move from being the world's electronics manufacturing power house, to become the world's electronics design power house. That opportunity will come from a focus on innovation and raising the power and effectiveness of the electronics designer. Seeing this transformation take place, Altium has been investing heavily in the design industry in China.
To that end, I am delighted to see this book. It is an extremely practical and useful approach to learning our design system that will surely benefit any electronics designer's career.
Our approach to unified design approach replaces the previous ad-hoc collection of design tools, making it easier to innovate and allows you to avoid being bogged down in costly processes, mistakes or delays. With the rise of connected devices and IoT bringing designs to market successfully and quickly is imperative of every successful company.
I wish you the best of success in using Altium Designer to bring your designs to life and advance your career.
General Manager, China
D.J.
随着计算机技术的发展,电子设计自动化技术(EDA)获得了飞速的发展,在其推动下,现代电子产品几乎渗透到社会的各个领域,有力地促进了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也变得越来越快。
电子设计自动化技术的核心是电子电路、IC 或系统设计及仿真、电子系统的制造及仿真。作者在多年从事电子电路设计及开发和讲授“电路仿真与 PCB 设计”课程的基础上，对电子电路设计、仿真与 PCB 设计方面的基础知识、软件使用、设计经验等内容进行整理和总结而编写完成此书。
本书共分为11章，其中第1章为电路设计与仿真概论；第2～6章主要介绍电路设计与仿真技术；第7～9章主要介绍电路原理图及PCB设计；第10、11章主要介绍PCB信号完整性设计及仿真。各章知识点如下：
第1章,介绍电子设计自动化技术的发展及现状,并对当前应用于电子电路设计与仿真的主流软件进行介绍。
第2、3章，介绍电子电路仿真的基本工具 Spice，包括 Spice 仿真描述语言和基本的 Spice 模型，并以 Altium Designer 18.0 为例，讲解电子电路设计及仿真过程。
第4章，介绍射频电路设计及仿真常用的工具，并以ADS 2017为例，讲解射频电路设计及其S参数仿真，并给出两个射频电路设计及仿真的实例。
第5章，介绍数字电路设计及仿真常用的工具，并以 ModelSim 10.5 为例，讲解数字电路的设计及其逻辑仿真和时序仿真的方法，给出与其他 FPGA 开发工具软件联合进行仿真的实例。
第6章，介绍单片机控制电路设计及仿真常用的工具，并以Proteus VSM为例，讲解单片机电路的设计及单片机程序仿真。
第7～9章，介绍电路原理图和PCB设计的流程，并以Altium Designer 18.0为例，讲解原理图和PCB绘制方法，以及PCB设计中的布局、布线的规则。
第10、11章，介绍信号完整性和电源完整性问题，并以Altium Designer 18.0为例，讲解信号与电源完整性的仿真方法。
附录部分给出了 Altium Designer 18.0 快捷键、设计实例的原理图和基本元器件识别及丝印等。
需要说明的是,本书采用的 Altium Designer 18.0、ModelSim 10.5、Proteus VSM 及 ADS 2017 软件汉化不完整,所以由其生成的部分图形存在中英文混用的情形,其中的电子元器件图形符号也是软件库自带,非我国国标符号。
前言
在本书的编写过程中得到了大量的帮助和支持。特别感谢清华大学出版社盛东亮编辑对本书出版工作的支持。特别感谢张建、陈铁方、陈乾、王小燕等对本书的资料进行整理及校对。感谢 Altium 公司大中华区大学计划经理华文龙，提供了本书中 Altium 软件电源完整性部分的推荐和介绍。感谢何宾、冯新宇、于斌、王博等作者，他们编著的关于电子设计及仿真的相关教材为本书的撰写提供了很大的帮助。
尽管作者在编写本书的过程中倾尽心力，但是由于水平有限，书中难免存在不妥之处，敬请广大读者不吝赐教。
作者
2019年6月
1 章 电路设计与仿真简介 ..... 1
1.1 绪论 ..... 1
1.2 模拟电路设计及仿真工具 ..... 2
1.2.1 NI Multisim ..... 3
1.2.2 Cadence PSpice ..... 4
1.2.3 Synopsys HSpice ..... 5
1.2.4 MATLAB/Simulink ..... 6
1.2.5 Altium Designer ..... 6
1.3 数字电路设计及仿真工具 ..... 7
1.3.1 ModelSim ..... 8
1.3.2 Quartus Prime ..... 9
1.3.3 Vivado ..... 10
1.4 射频电路设计及仿真工具 ..... 11
1.4.1 ADS ..... 11
1.4.2 HFSS ..... 13
1.4.3 CST ..... 14
1.5 控制电路设计及仿真工具 ..... 15
1.6 电路板设计及仿真工具 ..... 17
1.6.1 Altium Designer ..... 17
1.6.2 Allegro PCB Designer ..... 18
1.6.3 PADS ..... 19
第一部分 电路设计与仿真
第2章 Spice 仿真描述与模型 23
2.1 电子电路 Spice 描述 24
2.1.1 Spice 模型及程序结构 24
2.1.2 Spice 程序相关命令 29
2.2 电子元器件及 Spice 模型 33
2.2.1 基本元器件 33
2.2.2 电压和电流源 36
2.2.3 传输线 40
2.2.4 二极管和晶体管 43
2.3 从用户数据中创建 Spice 模型 52
目录
2.3.1 Spice 模型的建立方法 ..... 53
2.3.2 运行 Spice 模型向导 ..... 53
第3章 电子电路设计与仿真 ..... 60
3.1 直流工作点分析 ..... 60
3.1.1 建立新的直流工作点分析工程 ..... 60
3.1.2 添加新的仿真库 ..... 60
3.1.3 构建直流分析电路 ..... 62
3.1.4 设置直流工作点分析参数 ..... 63
3.1.5 直流工作点仿真结果分析 ..... 63
3.2 直流扫描分析 ..... 64
3.2.1 打开前面的设计 ..... 65
3.2.2 设置直流扫描分析参数 ..... 65
3.2.3 直流扫描仿真结果分析 ..... 65
3.3 交流小信号分析 ..... 68
3.3.1 建立新的交流小信号分析工程 ..... 68
3.3.2 构建交流小信号分析电路 ..... 68
3.3.3 设置交流小信号分析参数 ..... 71
3.3.4 交流小信号仿真结果分析 ..... 72
3.4 瞬态分析 ..... 74
3.4.1 建立新的瞬态分析工程 ..... 74
3.4.2 构建瞬态分析电路 ..... 75
3.4.3 设置瞬态分析参数 ..... 76
3.4.4 瞬态仿真结果分析 ..... 78
3.5 参数扫描分析 ..... 78
3.5.1 打开前面的设计 ..... 78
3.5.2 设置参数扫描分析参数 ..... 79
3.5.3 参数扫描结果分析 ..... 80
3.6 傅里叶分析 ..... 81
3.6.1 建立新的傅里叶分析工程 ..... 81
3.6.2 构建傅里叶分析电路 ..... 81
3.6.3 设置傅里叶分析参数 ..... 84
3.6.4 傅里叶仿真结果分析 ..... 85
3.6.5 修改电路参数重新执行傅里叶分析 ..... 85
3.7 噪声分析 ..... 88
3.7.1 建立新的噪声分析工程 ..... 89
3.7.2 构建噪声分析电路 ..... 89
3.7.3 设置噪声分析参数 ..... 90
3.7.4 噪声仿真结果分析 ..... 93
3.8 温度分析 ..... 93
3.8.1 建立新的温度分析工程 ..... 94
3.8.2 构建温度分析电路 ..... 94
3.8.3 设置温度分析参数 ..... 96
3.8.4 温度仿真结果分析 ..... 97
3.9 蒙特卡洛分析 ..... 98
3.9.1 建立新的蒙特卡洛分析工程 ..... 98
3.9.2 构建蒙特卡洛分析电路 ..... 98
3.9.3 设置蒙特卡洛分析参数 ..... 100
3.9.4 蒙特卡洛仿真结果分析 ..... 101
第4章 射频电路设计与仿真 ..... 103
4.1 S参数仿真 ..... 103
4.1.1 S参数的概念 ..... 103
4.1.2 S参数在电路仿真中的应用 ..... 105
4.1.3 S参数仿真面板与仿真控制器 ..... 105
4.1.4 S参数仿真过程 ..... 110
4.1.5 基本S参数仿真 ..... 110
4.1.6 匹配电路设计 ..... 115
4.1.7 参数优化 ..... 123
4.2 谐波平衡法仿真 ..... 131
4.2.1 谐波平衡法仿真基本原理及功能 ..... 132
4.2.2 谐波平衡法仿真面板与仿真控制器 ..... 132
4.2.3 谐波平衡法仿真的一般步骤 ..... 139
4.2.4 单音信号HB仿真 ..... 140
4.2.5 参数扫描 ..... 141
4.3 功率分配器的设计与仿真 ..... 143
4.3.1 功分器的基本原理 ..... 143
4.3.2 等分型功分器 ..... 145
4.3.3 等分型功分器设计实例 ..... 146
4.3.4 比例型功分器设计 ..... 147
4.3.5 Wilkinson功分器 ..... 148
4.3.6 Wilkinson功分器设计 ..... 149
目录
4.3.7 电路仿真与优化 …… 151
4.3.8 版图仿真 …… 154
4.4 印刷偶极子天线的设计与仿真 …… 158
4.4.1 印刷偶极子天线 …… 159
4.4.2 偶极子天线设计 …… 160
4.4.3 优化仿真 …… 162
第5章 数字电路设计与仿真 …… 168
5.1 数字电路设计及仿真流程 …… 168
5.1.1 数字电路设计流程 …… 168
5.1.2 ModelSim 工程仿真流程 …… 170
5.2 仿真激励及文件 …… 178
5.2.1 利用波形编辑器产生激励 …… 179
5.2.2 采用描述语言生成激励 …… 183
5.3 VHDL 仿真 …… 189
5.3.1 VHDL 文件编译 …… 189
5.3.2 VHDL 设计优化 …… 191
5.3.3 VHDL 设计仿真 …… 195
5.4 Verilog 仿真 …… 201
5.4.1 Verilog 文件编译 …… 201
5.4.2 Verilog 设计优化 …… 203
5.4.3 Verilog 设计仿真 …… 204
5.4.4 单元库 …… 208
5.5 针对不同器件的时序仿真 …… 209
5.5.1 ModelSim 对 Altera 器件的时序仿真 …… 209
5.5.2 ModelSim 对 Xilinx 器件的时序仿真 …… 219
第6章 控制电路设计与仿真 …… 228
6.1 Proteus 系统仿真基础 …… 228
6.2 Proteus 中的单片机模型 …… 232
6.3 51系列单片机系统仿真 …… 234
6.3.1 51系列单片机基础 …… 234
6.3.2 在 Proteus 中进行源程序设计与编译 …… 236
6.3.3 在 Keil $ \mu $Vision 中进行源程序设计与编译 …… 240
6.3.4 Proteus 和 Keil $ \mu $Vision 联合调试 …… 244
6.4 用 51 单片机实现电子秒表设计实例 …… 248
6.5 AVR 系列单片机仿真 …… 251
目录
6.5.1 AVR 系列单片机基础 …… 252
6.5.2 Proteus 和 IAR EWB for AVR 联合开发 …… 253
6.6 用 AVR 单片机实现数字电压表设计实例 …… 261
第二部分 电路原理图及 PCB 设计
第7章 印制电路板设计基础 ..... 271
7.1 印制电路板基础知识 ..... 271
7.1.1 印制电路板的发展 ..... 271
7.1.2 印制电路板的分类 ..... 273
7.2 PCB材质及生产加工流程 ..... 275
7.2.1 常用PCB结构及特点 ..... 275
7.2.2 PCB生产加工流程 ..... 276
7.2.3 PCB叠层定义 ..... 279
7.3 常用电子元器件特性及封装 ..... 281
7.3.1 电阻元器件特性及封装 ..... 281
7.3.2 电容元器件特性及封装 ..... 286
7.3.3 电感元器件特性及封装 ..... 293
7.3.4 二极管元器件特性及封装 ..... 295
7.3.5 三极管元器件特性及封装 ..... 301
7.4 集成电路芯片封装 ..... 303
7.5 自定义元器件设计流程 ..... 308
第8章 电路原理图设计 ..... 310
8.1 原理图绘制流程 ..... 310
8.1.1 原理图设计规划 ..... 311
8.1.2 原理图绘制环境参数设置 ..... 312
8.2 原理图元器件库设计 ..... 312
8.2.1 元器件原理图符号术语 ..... 313
8.2.2 为LM324器件创建原理图符号封装 ..... 314
8.2.3 为XC2S300E-6PQ208C器件创建原理图符号封装 ..... 317
8.2.4 分配器件模型 ..... 319
8.2.5 元器件主要参数功能 ..... 322
8.2.6 使用供应商数据分配元器件参数 ..... 323
8.3 原理图绘制及检查 ..... 324
8.3.1 绘制原理图 ..... 325
目录
8.3.2 添加设计图纸 …… 325
8.3.3 放置原理图符号 …… 326
8.3.4 连接原理图符号 …… 328
8.3.5 检查原理图设计 …… 328
8.4 导出原理图至 PCB …… 332
8.4.1 设置导入 PCB 编辑器工程选项 …… 332
8.4.2 使用同步器将设计导入到 PCB 编辑器 …… 332
8.4.3 使用网表实现设计间数据交换 …… 333
第9章 印制电路板 PCB 设计 …… 336
9.1 PCB 设计流程及基本使用 …… 336
9.1.1 PCB 层标签 …… 336
9.1.2 PCB 视图查看命令 …… 337
9.1.3 自动平移 …… 338
9.1.4 显示连接线 …… 339
9.2 PCB 绘图对象及绘图环境参数 …… 339
9.2.1 电气连接线 …… 340
9.2.2 普通线 …… 342
9.2.3 焊盘 …… 342
9.2.4 过孔 …… 343
9.2.5 弧线 …… 343
9.2.6 字符串 …… 344
9.2.7 原点 …… 345
9.2.8 尺寸 …… 346
9.2.9 坐标 …… 346
9.2.10 填充 …… 347
9.2.11 固体区 …… 347
9.2.12 多边形覆铜 …… 348
9.2.13 禁止布线对象 …… 351
9.2.14 捕获向导 …… 351
9.2.15 PCB 选项对话框参数设置 …… 352
9.2.16 栅格尺寸设置 …… 352
9.2.17 视图配置 …… 354
9.2.18 PCB 坐标系统的设置 …… 356
9.2.19 设置选项快捷键 …… 356
9.3 PCB 元器件封装库设计 …… 356
9.3.1 使用 IPC Footprint Wizard 创建元器件 PCB 封装 …… 357
9.3.2 使用 Component Wizard 创建元器件 PCB 封装 …… 360
9.3.3 使用 IPC Footprints Batch Generator 创建元器件 PCB 封装 …… 363
9.3.4 不规则焊盘和 PCB 封装的绘制 …… 364
9.3.5 添加 3D 封装描述 …… 368
9.3.6 检查元器件 PCB 封装 …… 369
9.4 PCB 设计规则 …… 370
9.4.1 添加设计规则 …… 370
9.4.2 如何检查规则 …… 373
9.4.3 AD 中相关规则 …… 375
9.5 PCB 布局设计 …… 377
9.5.1 PCB 板形状和尺寸设置 …… 377
9.5.2 PCB 布局规则的设置 …… 378
9.5.3 PCB 布局原则 …… 378
9.5.4 PCB 布局中的其他操作 …… 381
9.6 PCB 布线设计 …… 382
9.6.1 交互布线线宽和过孔大小设置 …… 382
9.6.2 交互布线线宽和过孔大小规则设置 …… 383
9.6.3 处理交互布线冲突 …… 384
9.6.4 其他交互布线选项 …… 385
9.6.5 交互多布线 …… 386
9.6.6 交互差分对布线 …… 387
9.6.7 交互布线长度对齐 …… 389
9.6.8 自动布线 …… 390
9.6.9 布线中泪滴的处理 …… 393
9.6.10 布线阻抗控制 …… 394
9.6.11 设计中关键布线策略 …… 395
9.7 PCB 覆铜设计 …… 397
9.8 PCB 设计检查 …… 399
第三部分 信号完整性分析与设计
第 10 章 信号完整性设计 ..... 405
10.1 信号完整性 ..... 405
10.1.1 信号时序完整性 ..... 405
10.1.2 信号波形完整性 …… 406
10.1.3 元器件及 PCB 分布参数 …… 407
10.2 电源分配系统及影响 …… 413
10.2.1 理想的电源不存在 …… 414
10.2.2 电源总线和电源层 …… 414
10.2.3 印制电路板的去耦电容配置 …… 415
10.2.4 信号线路及其信号回路 …… 417
10.2.5 电源分配方面考虑的电路板设计规则 …… 418
10.3 信号反射及其消除 …… 420
10.3.1 信号传输线定义 …… 420
10.3.2 信号传输线分类 …… 421
10.3.3 信号反射的定义 …… 422
10.3.4 信号反射的计算 …… 423
10.3.5 消除信号反射 …… 425
10.3.6 传输线的布线规则 …… 427
10.4 信号串扰及其消除 …… 428
10.4.1 信号串扰的产生 …… 429
10.4.2 信号串扰的类型 …… 429
10.4.3 抑制串扰的方法 …… 431
10.5 电磁干扰及其消除 …… 431
10.5.1 滤波 …… 432
10.5.2 磁性元器件 …… 432
10.5.3 器件的速度 …… 433
10.6 差分信号原理及设计规则 …… 433
10.6.1 差分线的阻抗匹配 …… 433
10.6.2 差分线的端接 …… 434
10.6.3 差分线的一些设计规则 …… 435
11 章 电路板仿真和输出 …… 436
11.1 IBIS 模型原理及功能 …… 436
11.1.1 IBIS 模型生成 …… 437
11.1.2 IBIS 输出模型 …… 437
11.1.3 IBIS 输入模型 …… 440
11.1.4 IBIS 其他参数 …… 440
11.1.5 IBIS 文件格式 …… 441
11.1.6 IBIS 模型验证 …… 442
11.2 信号完整性仿真 …… 443
11.2.1 SI 仿真操作流程 …… 443
11.2.2 检查原理图和 PCB 图之间的元器件连接 …… 444
11.2.3 叠层参数的设置 …… 445
11.2.4 信号完整性规则设置 …… 446
11.2.5 为元器件分配 IBIS 模型 …… 448
11.2.6 执行信号完整性分析 …… 449
11.2.7 观察信号完整性分析结果 …… 450
11.3 电源完整性仿真 …… 454
11.3.1 PDN 分析器接口及设置 …… 454
11.3.2 在 PCB 编辑器中进行可视化渲染 …… 459
11.3.3 显示控制和选项 …… 461
11.3.4 负载下仿真 …… 462
11.3.5 仿真设置 …… 465
11.3.6 通过串联器件扩展网络 …… 467
11.3.7 电压调节器模型 …… 469
11.3.8 定位电源完整性问题 …… 477
11.4 生成加工 PCB 相关文件 …… 483
11.4.1 生成输出工作文件 …… 483
11.4.2 设置打印工作选项 …… 484
11.4.3 生成 CAM 文件 …… 486
11.4.4 生成料单文件 …… 487
11.4.5 生成光绘文件 …… 488
11.4.6 生成钻孔文件 …… 490
11.4.7 生成贴片机文件 …… 491
11.4.8 生成 PDF 格式文件 …… 491
11.4.9 CAM 编辑器 …… 492
11.4.10 生成 3D 视图 …… 496
附录 A Altium Designer 18.0 快捷键 …… 498
A.1 通用环境快捷键 …… 498
A.2 通用编辑器快捷键 …… 499
A.3 SCH/SCHLIB 编辑器快捷键 …… 499
A.4 PCB/PCBLIB 编辑器快捷键 …… 502
附录 B 设计实例原理图 …… 505
附录 C 元器件及 PCB 丝印识别 …… 510
第1 章 电路 设计 与 仿真 简介
人们电子电路设计及开发能力的提高与电路仿真技术和电子设计自动化技术的发展分割不开。电路仿真（electronic circuit simulation）技术是指使用数学模型对电子电路的真实行为进行模拟的工程方法。电子设计自动化(electronic design automation, EDA)技术是将计算机技术应用于电子设计过程中而形成的一门技术，已经被广泛应用于电子电路的设计和仿真、集成电路版图设计、印制电路板设计(printed circuit board, PCB)和可编程器件编程等工作中。
1.1 绪论
电子设计自动化技术是伴随着计算机、集成电路、电子系统的设计发展起来的，至今已有40多年的历程，大致可以分为四个发展阶段：20世纪70年代的计算机辅助设计（computer aided design，CAD）阶段，这一阶段的主要特征是利用计算机进行辅助电路原理图编辑、电路仿真、PCB布线，使得设计师从传统高度重复繁杂的绘图劳动中解脱出来；20世纪80年代的计算机辅助工程设计（computer aided engineering design，CAED）阶段，这一阶段的主要特征是以逻辑模拟、定时分析、故障仿真、自动布局布线为核心，重点解决电路设计的功能检测等问题，使设计能在产品制作之前预知产品的功能与性能；20世纪90年代是电子设计自动化（EDA）阶段，这一阶段的主要特征是以高级描述语言、系统仿真和综合技术为特点，采取“自顶向下”的设计理念，将设计前期的许多高层次设计由EDA工具来完成；进入21世纪，电子设计自动化在朝一体化工具的方向发展。
EDA 技术提供了帮助人们设计电子电路或系统的软件工具。该工具可以在电子产品的各个设计阶段发挥作用，使设计更复杂的电路和系统成为可能。在原理图设计阶段，可以使用 EDA 中的仿真工具论证设计的正确性。在芯片设计阶段，可以使用 EDA 中的芯片设计工具设计制作芯片的版图。在电路板设计阶段，可以使用 EDA 中电路板设计工具设计多层电路板。特别是支持硬件描述语言的 EDA 工具的出现使复杂数字系统设计自动化成为可能，只要用硬件描述语言
将数字系统的行为描述正确，就可以进行该数字系统的芯片设计与制造。
进入21世纪后，EDA技术得到了更大的发展，突出表现在以下几个方面。
（1）EDA 使得电子领域各学科的联系更加紧密，极大地加速了相关技术的发展，促进了模拟与数字、软件与硬件、系统与器件、ASIC 与 FPGA、行为与结构等各方面的融合和一体化设计。
（2）电子技术领域全方位融入 EDA 技术，除了日益成熟的数字技术外，传统的电路系统设计建模理念发生了重大的变化，软件无线电技术崛起，模拟电路系统硬件描述语言的表达和设计标准化，超大规模可编程模拟器件出现，数字信号处理和图像处理的全硬件实现方案被普遍接受，软硬件技术进一步融合等。
（3）在 FPGA 上实现 DSP 数字信号处理方面应用成为可能，用纯数字逻辑进行 DSP 模块的设计，使得高速 DSP 实现成为现实，并有力地推动了软件无线电技术的实用化和发展。基于 FPGA 的 DSP 技术为高速数字信号处理算法提供了实现途径。
（4）系统级、行为验证级硬件描述语言和图形化编程软件的出现，使复杂电子系统的设计和验证趋于简单。
（5）在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言且功能强大的EDA软件不断推出，软硬 IP(intellectual property)核在电子行业领域广泛应用，促进了嵌入式处理器软核的成熟，使得 SOPC(system on a programmable chip)步入大规模应用阶段。
1.2 模拟电路设计及仿真工具
模拟电路系统的设计人员需要对系统中的部分电路作电压与电流关系的详细分析，此时需要做晶体管级或电路级仿真。仿真算法中所使用的电路模型都是最基本的元器件，按时间对每一个节点的电压、电流建立基尔霍夫电流定律(KCL)和基尔霍夫电压定律(KVL)方程进行计算。
世界上第一个用于模拟电路仿真的软件 Spice(simulation program with integrated circuit emphasis)于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成。1975年推出正式实用化版本，1988年被定为美国国家工业标准，主要用于IC、模拟电路、数模混合电路、电源电路等电子系统的设计和仿真。由于Spice仿真程序采用完全开放的政策，用户可以按自己的需要进行修改，加之实用性好，迅速得到推广，已经被移植到多个操作系统平台上。
自从 Spice 问世以来，其版本的更新持续不断，有 Spice2、Spice3 等多个版本，新版本主要在电路输入、图形化、数据结构和执行效率上增强。各种以伯克利分校的 Spice 仿真程序的算法为核心的商用 Spice 电路仿真工具也随之产生，运行在 PC 和 UNIX 平台，许多都是基于原始的 Spice 2G6 版的源代码，这是一个公开发表的版本，它们都在 Spice 的基础上做了很多实用化的工作，比较常见的 Spice 仿真软件有 HSpice、PSpice、TSpice、SmartSpice、IsSpice 等，虽然它们的核心算法雷同，但仿真速度、精度和收敛性却不一样，其中以 Synopsys 公司的 HSpice 和 Cadence 公司的 PSpice 最为著名。HSpice 是事实上的 Spice 工业标准仿真软件，在业内应用最为广泛，具有精度高、仿真功能强大等特点，但它没有前端输入环境，需要事前准备好网表文件，不适合初级用户，主要应用于集成电路
设计。PSpice 是个人用户的最佳选择，具有图形化的前端输入环境，用户界面友好，性价比高，主要应用于 PCB 和系统级的设计。
Spice 模型已经广泛应用于电子设计中，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。Spice 内建电阻、电容、电感、互感、独立电压源、独立电流源、各种线性受控源、传输线以及有源半导体器件等模型，用户只需选定模型级别并给出合适的参数即可完成电路的仿真。
1. 2. 1 NI Multisim
Multisim 是业界一流的 Spice 仿真标准环境（如图 1-1 所示），是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以 Windows 为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
设计人员可以使用 Multisim 交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim 提炼了 Spice 仿真的复杂内容，使用户无须懂得深入的 Spice 技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计。通过 Multisim 和虚拟仪器技术，PCB 设计工程师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。
Multisim 安装了 Analog Devices、National Semiconductor、NXP、ON Semiconductor 和 Texas Instruments 等领先半导体生产商提供的多达 22000 个组件的数据库。用户可从完整的组件列表中选择，组件列表包括各种最新的放大器、二极管、晶体管、切换模式电源和其他用于快速设计、评估模拟和数字电路的组件。
借助 Multisim 的直观仿真功能，用户可在设计过程中及时优化设计的性能，并在减少原型迭代次数的情况下确保电路满足技术要求。如果需要将性能视觉化，包含 20 种行业标准的 Spice 分析（如交流、傅里叶、噪声等）以及 22 种直观测量仪器的 Multisim 则是用户的不二之选。配合 LabVIEW 中不断扩展的自定义仿真分析库，用户甚至可以视觉化特定领域的设计。用户可使用 LabVIEW 将 Multisim 测量集成到 NI 测试平台，从而轻松地视觉化实际结果和仿真结果之间的联系以及对性能进行比较。
1. 2. 2 Cadence PSpice
Cadence PSpice A/D 将模拟和数模混合信号仿真技术相结合（如图 1-2 所示），为客户提供了一整套完整的电路仿真、验证解决方案。在整个产品设计周期内，从电路方案到设计开发、验证的整个过程中，电路仿真需求会不断变化，Cadence PSpice A/D 都能随时满足这样的需求。在此基础上的 PSpice AA 高级分析工具可以帮助设计师提高成本效益和设计可靠性。
PSpice A/D 拥有大量的板级模型，使它能够提供精确的数模复合信号仿真解决方案。自 PSpice 问世以来，随着仿真模型的不断增加，PSpice 仿真引擎得以不断发展，这使得 PSpice 能够应对不断提高的仿真和验证要求。它的每一次版本升级，都意味着许多仿
真技术的发展，以及对客户需求的满足。
许多厂商的产品模型资源都支持 PSpice 仿真，包括数学函数模型和行为模型等，这使得电路仿真进程变得更高效。此外，在 PSpice A/D 分析的基础上，设计师还可以选择建立更先进的仿真分析功能，包括高级模拟分析能力、与 MathWorks MATLAB Simulink 工具实现互联仿真功能、仿真优化、参数提取以及二次仿真技术等。
PSpice AA 高级模拟分析超越了电路的功能仿真，它融合了很多技术，用以改善设计性能，提高成本效益和可靠性。这些技术包含信号灵敏度、多引擎的优化器、应力分析和蒙特卡洛分析。
1. 2. 3 Synopsys HSpice
Synopsys HSpice 提供一流的仿真及分析算法，使用经晶圆厂认证过的 MOS 器件模型进行仿真（如图 1-3 所示）。凭借全面的多线程性能，HSpice 可通过多核计算机硬件提供更为卓越的性能。CustomSim 仿真器可为包括定制数字、存储器和模拟/混合信号电路在内的各类设计，提供卓越的晶体管级验证性能及容量。CustomSim 可提供全面的各种分析功能，包括电路电气规则检查、电迁移、电压降以及 MOS 老化分析。最新的 Synopsys 仿真和分析环境（synopsys' simulation and analysis environment, SAE）将电路仿真器引入面向仿真管理和分析的本地环境。该环境适用于 HSpice、FineSim 和 CustomSim 仿真器，提供了一个能够提高模拟验证生产力的综合解决方案。
Synopsys仿真和分析环境基于网络列表的流，可直接导入Spice、Verilog和DSPF；统一的角点设置，适用于多测试平台的扫频，以及蒙特卡洛分析（Monte Carlo analysis）；具有面向批处理模式仿真的高级任务分配与监控；与Synopsys的Custom WaveView图形波形查看器集成，可广泛用于波形后处理；采用行业标准TCL脚本语言的自动化回归功能；语言敏感文本编辑器，可用于基于网络列表的导航、交叉探查和句法检查；高级可视数据导航和数据挖掘功能，如制图、统计分析、直方图和散点图；详细报告生成，包括基于网络的HTML文档。
1.2.4 MATLAB/Simulink
在数值计算方面，MATLAB在目前的数学类科技应用软件中首屈一指（如图1-4所示），其可以进行矩阵运算、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。Simulink是MATLAB的一个面向多域仿真、基于模型设计的框模块图环境，支持系统级设计、仿真、自动代码生成以及嵌入式系统的连续测试和验证。
利用 MATLAB 编写 M 文件和利用 Simulink 搭建仿真模型均可实现对电路的仿真。MATLAB 采用建立等效模型、模型数学化、编写 M 文件计算、得到运行结果的方式，其易于构建算法模型，适合大系统抽象和原理性建模。Simulink 集成了多种元器件库，采用选取模块、组成电路、运行仿真、观测仿真结果的方式，显示结果直观，易于观测。
MATLAB/Simulink 提供了针对信号处理和无线通信方面的多种工具，包括数字信号处理工具箱、音频信号处理工具箱、通信系统工具箱、相位阵列系统工具箱、RF 模块工具箱、天线工具箱、无线通信系统工具箱等，可以将相关代码生成 C 和 C++ 代码或为 FPGA 和 ASCII 开发生成 HDL 代码，实现高效算法验证和仿真。
1. 2. 5 Altium Designer
Altium Designer 提供了混合电路信号仿真工具，在电路原理图设计阶段实现对数模混合信号电路的功能设计仿真，配合简单易用的参数配置窗口，完成基于时序、离散度、信噪比等多种数据的分析（如图1-5所示）。Altium Designer 可以在原理图中提供完善的混合信号电路仿真功能，除了对 XSpice 标准的支持之外，还支持对 PSpice 模型和电路的仿真。
Altium Designer 软件中加入了外部仿真模型。虽然软件中提供了大量的仿真模型，
但在实际电路设计中仍然需要补充、完善仿真模型集。一方面，用户可编辑系统自带的仿真模型文件来满足仿真需求；另一方面，用户可以直接将外部标准的仿真模型导入系统中成为集成库的一部分后即可直接在原理图中进行电路仿真。
Altium Designer 的仿真器可以完成各种形式的信号分析，在仿真器的分析设置对话框中，通过全局设置页面，允许用户指定仿真的范围和自动显示仿真的信号。每一项分析类型可以在独立的设置页面内完成。Altium Designer 中允许的分析类型包括直流工作点分析、瞬态分析和傅里叶分析、交流小信号分析、阻抗特性分析、噪声分析、Pole-Zero（临界点）分析、传递函数分析、蒙特卡洛分析、参数扫描、温度扫描等。
1.3 数字电路设计及仿真工具
数字系统设计发展到今天，片上系统(SoC)技术的出现已经在设计领域引起深刻变革。为适应产品尽快上市的要求，设计者必须合理选择各EDA厂家提供的加速设计的工具软件，以使其产品在本领域良性发展。FPGA设计是当前数字系统设计领域中的重要方式之一。
FPGA 采用了逻辑单元阵列（logic cell array，LCA），包括可配置逻辑模块（configurable logic block，CLB）、输入输出模块（input output block，IOB）和内部连线（interconnect）三个部分。现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如 PAL、GAL 及 CPLD 器件）相比，FPGA 具有不同的结构。FPGA 利用小型查找表（ $ 16 \times 1 $ RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个 D 触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动 I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到 I/O 模块。FPGA 的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与 I/O 间的连接方式，并最终决定了 FPGA 所能实现的功能，FPGA 允许无限次编程。
数字电路仿真可以分为功能仿真（前仿真）和时序仿真（后仿真），或分为行为级仿真（RTL）、综合后仿真（post-synthesis）和布局布线仿真（gate-level）。功能仿真主要针对
RTL 代码的功能和性能仿真和验证。综合后仿真(也称 pre-layout)仿真综合后的逻辑功能是否正确，综合时序约束是不是都正确。布局布线仿真(也称 post-layout)仿真芯片时序约束是否添加正确，布局布线后是否还满足时序，因为加入了线延迟信息，所以这一步的仿真和真正芯片的行为最接近。数字电路设计及仿真流程如图1-6所示。
1.3.1 ModelSim
ModelSim 是 Mentor Graphics 公司开发的 HDL 硬件描述语言的仿真软件(如图 1-7 所示)，该软件可以实现对设计的 VHDL 程序、Verilog 程序或者两种语言混合的程序进行仿真，同时也支持 IEEE 常见的各种硬件描述语言标准。
无论从友好的使用界面和调试环境来看，还是从仿真速度和仿真效果来看，ModelSim 都可以算得上是业界优秀的 HDL 语言仿真软件。它是唯一的单内核支持 VHDL 和 Verilog 混合仿真的仿真器，是做 FPGA/ASIC 设计的 RTL 级和门级电路仿真的首选；它采用直接优化的编译技术、Tcl/Tk 技术和单一内核仿真技术，具有仿真速度快、编译代码与仿真平台无关、便于 IP 核保护和加快程序错误定位等优点。
ModelSim 最大的特点是其强大的调试功能，体现在：先进的数据流窗口，可以迅速追踪到产生错误或者不定状态的原因；具有性能分析工具，可以帮助分析性能瓶颈，加速仿真；能进行代码覆盖率检测，确保测试的完备；具有多种模式的波形比较功能；先进的 Signal Spy 功能，可以方便地访问 VHDL、Verilog 或者两者混合设计中的底层信号；支持加密 IP；可以实现与 MATLAB 的 Simulink 的联合仿真。
目前常见的 ModelSim 分为 ModelSim SE、ModelSim PE、ModelSim LE 和 ModelSim OEM 等不同的版本。
1.3.2 Quartus Prime
英特尔的 Quartus Prime 设计软件包括设计英特尔 FPGA（原 Altera）、片上系统和 CPLD 所需的一切功能，如设计输入、合成、优化、验证和仿真等（如图 1-8 所示）。Quartus Prime 借助数百万个逻辑元器件大幅增强设备的功能，为设计师提供把握下一代设计机遇所需的理想平台。
Quartus Prime 软件提供专业版、标准版和精简版三个版本，可以满足不同的设计要求。
借助新的英特尔 HLS 编译器，可以使用 C++ 语言加速 FPGA 开发。英特尔 HLS 编译器是一款高级合成（HLS）工具，可以对非定时（untimed）的 C++ 语言生成针对英特尔 FPGA 优化的生产质量寄存器传输级（RTL）设计。
借助英特尔 Quartus Prime 专业版软件，可以使用云端的英特尔 FPGA 编程工具加速应用，在 Nimbix 提供的高性能计算环境中对 FPGA 进行编程。
Quartus Prime 软件采用改进基于块的设计流。Stratix、Arria 和 Cyclone 系列设备产品都支持基于块的设计流，包括设计块重用和基于增量块的编译。
Quartus Prime 软件采用部分重配置支持动态重新配置 FPGA 一部分，同时让剩余的 FPGA 设计继续运行。分层部分重配置、模拟部分重配置和通过 Signal Tap 逻辑分析器同步调试静态和动态部分重配置区域。
Quartus Prime 软件的逻辑等价检查(LEC)是一项新特性，由 HyperFlex FPGA 架构重定时提供支持，经过英特尔 HyperFlex FPGA 架构优化后的网表相当于适配后网表。
1.3.3 Vivado
Vivado 是赛灵思公司 2012 年发布的集成设计环境（如图 1-9 所示），包括高度集成的设计环境和新一代从系统到 IC 级的工具，这些均建立在共享的可扩展数据模型和通用调试环境基础上。这也是一个基于 AMBA AXI4 互联规范、IP-XACT IP 封装元数据、工具命令语言（TCL）、Synopsys 系统约束（SDC）以及其他有助于根据客户需求量身定制设计流程并符合业界标准的开放式环境。赛灵思构建的 Vivado 工具把各类可编程技术结合在一起，能够扩展多达 1 亿个等效 ASIC 门的设计。
专注于集成的组件，解决集成的瓶颈问题，Vivado 设计套件采用了快速综合和验证 C 语言算法 IP 的 ESL 设计，实现重用的标准算法和 RTL IP 封装技术，标准 IP 封装和各类系统构建模块的系统集成，模块和系统验证的仿真速度提高了 3 倍，与此同时，硬件协仿真性能提升了 100 倍。
专注于实现的组件，Vivado 工具采用层次化器件编辑器和布局规划器，且为 System Verilog 提供了业界支持性最好的逻辑综合工具、速度提升 4 倍且确定性更高的布局布线引擎，以及通过分析技术可最小化时序、线长、路由拥堵等多个变量的“成本”函数。此外，增量式流程能让工程变更通知单（ECO）的任何修改只需对设计的一小部分进行重新
实现就能快速处理，同时确保性能不受影响。最后，Vivado 工具通过利用最新共享的可扩展数据模型，能够估算设计流程各个阶段的功耗、时序和占用面积，从而达到预先分析，优化自动化时钟门等集成功能。
赛灵思 Vivado 设计是一种以 IP 和系统为中心的、领先一代的全新 SoC 增强型开发环境，用于解决系统级集成和实现工作中的生产力瓶颈问题。这套设计工具专为系统设计团队开发，旨在帮助他们在更少的器件中集成更多系统功能，同时提升系统性能，降低系统功耗，减少材料清单(BOM)成本。
Vivado 设计软件的优点体现在：
（1）Vivado 可让用户进一步提升器件密度。
（2）Vivado 可提供稳健可靠的性能，降低功耗以及可预测的结果。
（3）Vivado 可提供无与伦比的运行时间和存储器利用率。
（4）Vivado HLS 能够将用户用 C、C++ 或 SystemC 语言编写的描述快速生成 IP 核，Vivado HLS 使用 C、C++ 或 CSystem 语言可将验证速度提高 100 倍以上。
（5）Vivado 借助 MathWorks 公司提供的 MATLAB Simulink 和 MATLAB 工具可支持基于模型的 DSP 设计集成。
（6）Vivado IP 集成器突破 RTL 的设计生产力制约。
（7）Vivado 集成环境为设计和仿真提供统一集成开发环境。
（8）Vivado 提供综合而全面的硬件调试功能。
1.4 射频电路设计及仿真工具
随着无线通信的快速发展，针对高频和射频的仿真工具也被广泛开发和使用。作为无线系统的重要组成部分，射频电路与系统的设计显得越来越重要。射频电路应用范围广，需要考虑的参数多，器件之间相互影响大，还有分布参数效应、趋肤效应、电磁兼容等问题，因此设计一个功能强大、性能良好的射频系统，是射频设计工程师和相关工程技术人员面临的挑战。
1.4.1 ADS
ADS(advanced design system)是当前世界上比较流行的一种用于微波射频电路、通信系统、RFIC设计软件，是由美国Agilent公司推出的，是微波电路与通信系统的一种仿真软件（如图1-10所示）。这种软件具有丰富的仿真手段，能够实现时域和频域、数字和模拟、线性和非线性等多种仿真功能，对设计结果进行科学分析，促进电路设计频率的提升，是一种比较优秀的微波射频电路仿真软件，也是当前射频工程人员必备的一种软件。
ADS 软件能够使电路设计者进行模拟、射频微波等电路和通信系统设计，仿真方法主要有时域仿真、频域仿真、系统以及电磁仿真等。
高频 Spice 分析能够对线性以及非线性电路的瞬态效应进行分析，在 Spice 仿真器中，对于不能直接使用频域分析模型，如微带线带状线等，就可以使用高频 Spice 仿真器，仿真过程中，如果频率高于高频 Spice 仿真器，频域分析模型会被进行拉普拉斯变换，然
电路设计、仿真与PCB设计
后进入到瞬态分析，并不需要使用者转化。
线性分析是一种频域电路仿真分析法，可以对线性、非线性的射频微波电路进行分析。当进行线性分析时，软件先对电路中的元器件计算需要的线性参数，如电路阻抗、稳定系数、反射系数、噪声以及 S、Z、Y 参数等，进而对电路进行分析和仿真。
谐波平衡分析方法是对频域、稳定性好，大信号的电路进行分析的仿真方法，能够对多频输入信号的非线性电路进行分析，明确非线性电路的响应，如谐波失真、噪声等。相比于时域 Spice 仿真分析的反复性，这种谐波平衡分析在分析非线性电路时能够提供更加有效并且快速的方法。
电路包络分析方法主要分为时域和频域分析两种方法，能够被使用到调频信号的电路和通信系统中。电路包络分析将谐波平衡分析与 Spice 两种仿真方法的优势进行有效的结合，通过时域 Spice 仿真方法对低频信号进行调频，对于高频的载波信号则是使用频域的谐波平衡分析方法进行。
射频系统分析是为使用者提供模拟评估系统，系统的电路模型不仅能够使用行为级模型，还能够利用元器件电路模型验证响应。射频系统仿真分析中含有线性分析、谐波平衡分析以及电路包络分析的内容，从而对射频系统的无源元器件、线性化模型特性、非线性系统模型特性、具有数字调频信号的系统特性进行验证。
ADS 软件提供了 2.5D 的平面电磁仿真分析功能，也就是 Momentum，能够对微带线、带状线、共面波导等电磁特性进行仿真，对天线的辐射特性、电路板上的耦合以及寄生反应也能够进行仿真。分析的 S 参数结果能够直接被应用到分析谐波平衡和电路包络中，对电路进行设计和验证。Momentum 电磁分析中，主要有 Momentum 微波模式和 Momentum 射频模式，人们可以根据电路工作的频段、尺寸等进行科学的选择。
托勒密分析能够同时对具有数字信号以及模拟高频信号的混合模式系统进行仿真，ADS中提供了数字元器件模型、通信系统元器件模型以及模拟高频元器件模型。
1.4.2 HFSS
HFSS(high frequency structure simulator)是 ANSYS公司推出的三维电磁仿真软件，是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准（如图1-11所示）。HFSS提供了简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场三维图和3dB带宽，可绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。
使用 HFSS，可以计算：①基本电磁场数值解和开边界问题、近远场辐射问题；②端口特征阻抗和传输常数；③S 参数和相应端口阻抗的归一化 S 参数；④结构的本征模或谐振解。而且，由 Ansoft HFSS 和 Ansoft Designer 构成的 Ansoft 高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。HFSS 是当今天线设计最流行的设计软件。
HFSS 能够快速精确地计算各种射频/微波部件的电磁特性，可得到 S 参数、传播特性、高功率击穿特性，优化部件的性能指标，并进行容差分析，帮助工程师们快速完成设计并把握各类器件包括波导器件、滤波器、转换器、耦合器、功率分配/合成器、铁氧体环行器和隔离器、腔体等电磁特性。
在电真空器件如行波管、速调管、回旋管设计中，HFSS本征模式求解器结合周期性边界条件，能够准确地仿真器件的色散特性，得到归一化相速与频率的关系，以及结构中的电磁场分布，包括H场和E场，为这类器件的设计提供了强有力的设计手段。
HFSS 可为天线及其系统设计提供全面的仿真功能，精确仿真计算天线的各种性能，包括二维、三维远场/近场辐射方向图、天线增益、轴比、半功率波瓣宽度、内部电磁场分
布、天线阻抗、电压驻波比、S参数等。
随着频率和信息传输速度的不断提高，互连结构的寄生效应对整个系统的性能影响已经成为制约设计成功的关键因素。MMIC、RFIC 或高速数字系统需要精确的互联结构特性分析参数抽取、HFSS 能够自动和精确地提取高速互联结构、片上无源器件及版图寄生效应。
HFSS 的应用频率能够达到光波波段并有精确仿真光电器件的特性。
1.4.3 CST
CST（Computer Simulation Technology）公司是全球最大的纯电磁场仿真软件公司，CST 是其出品的三维全波电磁场仿真软件（如图 1-12 所示）。CST 工作室是面向三维电磁、电路、温度和结构应力设计工程师的一款全面、精确、集成度极高的专业仿真软件包，包含 8 个工作室子软件，集成在同一用户界面内，为用户提供完整的系统级和部件级的数值仿真优化。软件覆盖整个电磁频段，提供完备的时域和频域全波电磁算法和高频算法。典型应用包含电磁兼容、天线/RCS、高速互连 SI/EMI/PI/眼图、手机、核磁共振、电真空管、粒子加速器、高功率微波、非线性光学、电气、场路、电磁-温度及温度-形变等各类协同仿真。CST 工作室套装介绍如下：
（1）CST 设计环境（CST DESIGN ENVIRONMENT）是进入 CST 工作室套装的通道，包含前后处理、优化器、材料库四大部分完成三维建模，CAD/EDA/CAE 接口，支持各子软件间的协同，结果后处理和导出。
（2）CST 印制板工作室(CST PCB STUDIO)是专业板级电磁兼容仿真软件，对 PCB 的 SI/PI/IR-Drop/眼图/去耦电容进行仿真。与 CST MWS 联合，可对 PCB 和机壳结构进行瞬态和稳态辐照与辐射双向问题。
（3）CST 电缆工作室（CST CABLE STUDIO）是专业线缆级电磁兼容仿真软件，可以对真实工况下由各类线型构成的数十米长线束及周边环境进行 SI/EMI/EMS 分析，解决线缆线束瞬态和稳态辐照与辐射双向问题。
（4）CST 规则检查（CST BOARDCHECK）是印制板布线电磁兼容 EMC 和信号完整性 SI 规则检查软件，可以对多层板中的信号线、地平面切割、电源平面分布、去耦电容分布、走线及过孔位置及分布进行快速检查。
（5）CST 微波工作室（CST MICROWAVE STUDIO）是系统级电磁兼容及通用高频无源器件仿真软件，应用包括电磁兼容、天线/RCS、高速互连 SI、手机/MRI、滤波器等，可计算任意结构、任意材料的电磁问题。
（6）CST 电磁工作室（CST EM STUDIO）是（准）静电、（准）静磁、稳恒电流、低频电磁场仿真软件。用于 DC-100MHz 频段电磁兼容、传感器、驱动装置、变压器、感应加热、无损探伤和高低压电器等。
（7）CST 粒子工作室（CST PARTICLE STUDIO）是主要应用于电真空器件、高功率微波管、粒子加速器、聚焦线圈、磁束缚、等离子体等自由带电粒子与电磁场自洽相互作用下相对论及非相对论运动的仿真分析。
（8）CST 设计工作室(CST DESIGN STUDIO)是系统级有源及无源电路仿真，SAM 总控，支持三维电磁场和电路的纯瞬态与频域协同仿真，用于 DC 直至 100GHz 的电路仿真。
（9）CST 多物理场工作室（CST MPHYSICS STUDIO）是瞬态及稳态温度场、结构应力形变仿真软件，主要应用于电磁损耗、粒子沉积损耗所引起的热以及热所引起的结构形变分析。
1.5 控制电路设计及仿真工具
随着集成电路和处理器技术的快速发展，8051、MSP430、AMR 等架构的嵌入式处理器被广泛地应用于各类控制电路中。针对该类处理器模型建模并进行仿真的主要平台软件为 Proteus 软件，其为英国 Lab Center Electronics 公司出版的 EDA 工具软件（如图 1-13 所示）。Proteus 不仅具有其他 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。
Proteus 从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，可一键切换到 PCB 设计，真正实现了从概念到产品的完整设计，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等，2010 年又增加了 Cortex 和 DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持 IAR、Keil 和 MPLAB 等多种编译器。其特色如下。
1 ）智能原理图设计
（1）丰富的器件库：超过27000种元器件，可方便地创建新元器件。
电路设计、仿真与PCB设计
（2）智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件。
（3）智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间。
（4）支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰。
（5）可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量高的 BMP 图纸，可以方便地供 Word、PowerPoint 等多种文档使用。
2）完善的电路仿真功能
（1）ProSpice 混合仿真：基于工业标准 Spice3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真。
（2）超过27 000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的 Spice 文件自行设计仿真器件，Lab Center Electronics 公司也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件。
（3）多样的激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入。
（4）丰富的虚拟仪器：13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、 $ I^{2}C $调试器等。
（5）生动的仿真显示：用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动。
（6）高级图形仿真功能(ASF)：基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅里叶频谱分析等，还可以进行一致性分析。
3）单片机协同仿真功能
（1）支持主流的 CPU 类型：包括 ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430 等，CPU 类型随着版本升级还在继续增加，即将支持 CORTEX、DSP 处理器。
（2）支持通用外设模型：如字符 LCD 模块、图形 LCD 模块、LED 点阵、LED 七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232 虚拟终端、电子温度计等，其 COMPIM（COM 口物理接口模型）还可以使仿真电路通过 PC 串口和外部电路实现双向异步串行通信。
（3）实时仿真：支持 UART/USART/EUSARTs 仿真、中断仿真、SPI/ $ I^{2}C $ 仿真、MSSP 仿真、PSP 仿真、RTC 仿真、ADC 仿真、CCP/ECCP 仿真。
（4）编译及调试：支持单片机汇编语言的编辑/编译/源码级仿真，内带8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境（如IAR、Keil和Hitech）结合，进行高级语言的源码级仿真和调试。
4）实用的 PCB 设计平台
（1）原理图到PCB的快速通道：原理图设计完成后，便可一键进入ARES的PCB设计环境，实现从概念到产品的完整设计。
（2）先进的自动布局/布线功能：支持器件的自动/人工布局；支持无网格自动布线或人工布线；支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理。
（3）完整的 PCB 设计功能：最多可设计 16 个铜箔层、2 个丝印层、4 个机械层（含板边），灵活的布线策略供用户设置，自动设计规则检查，三维可视化预览。
（4）多种输出格式的支持：可以输出多种格式文件，包括 Gerber 文件的导入或导出，方便与其他 PCB 设计工具的互转（如 Protel），以及 PCB 的设计和加工。
1.6 电路板设计及仿真工具
电子设计自动化(EDA)指的就是将电路设计中各种工作交由计算机来协助完成，如电路原理图(schematic)的绘制、PCB文件的制作、执行电路仿真(simulation)等设计工作。随着电子科技的蓬勃发展，新型元器件层出不穷，电子线路变得越来越复杂，电路的设计工作已经无法单纯依靠手工来完成，电子线路计算机辅助设计已经成为必然趋势，越来越多的设计人员使用快捷、高效的CAD设计软件来进行辅助电路原理图、PCB图的设计以及打印各种报表等工作。电路板设计是电子产品设计中重要的组成部分，有很多的PCB设计工具来完成电路原理图设计、PCB设计、信号完整性仿真、EMC/EMI仿真等功能。
1. 6. 1 Altium Designer
Altium Designer 是原 Protel 软件开发商 Altium 公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在 Windows 操作系统（如图 1-14 所示）。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB 绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术完美融合
起来，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。Altium Designer 的主要功能如下：
（1）原理图输入。在一个紧密结合的用户界面中，使用层次式原理图设计和设计复用可以快速设计电子产品。
（2）元器件管理。通过认证供应商提供的最新价格和可用性，来创建和搜索元器件。
（3）设计验证。用内置的混合模拟/数字电路仿真来验证设计，分析布局前和布局后的信号和直流电源传输。
（4）板布局。使用控制元器件放置、创建用于复用的层堆栈模板，可以在板布局中轻松地布局对象。
（5）刚-柔结合和多板功能。使用多板连接的电气检查和同步来定义、修改软硬结合板层堆栈。
（6）交互式布线。使用用户导向的、约束驱动的自动布线功能，熟练地对复杂拓扑结构进行布线。
（7）MCAD 协作。使用原生 3D PCB 编辑器，通过集成的电子和机械一体化，简化 MCAD 协作。
（8）制造输出。通过多流程执行和无缝的、简化的文档处理功能，快速地生成制造和装配输出。
（9）数据管理。通过使用过程中的数据管理视图和版本控制，比较文档变更和修订版本。
（10）统一的平台。在一个结合原理图、PCB、文档处理和仿真的统一环境下，能显著改进设计生产率。
1. 6.2 Allegro PCB Designer
Allegro PCB Designer 是一个可扩展的、经过验证的 PCB 设计环境，能在解决技术和方法学难题的同时，使设计周期更短且可预测（如图 1-15 所示）。该 PCB 设计解决方
案以基础设计工具包加可选功能的组合形式提供，包含产生 PCB 设计所需的全部工具，以及一个完全一体化的设计流程。
Allegro PCB Designer 基础设计工具包含一个通用和统一的约束管理解决方案、PCB Editor、自动/交互式的布线器以及与制造和机械 CAD 的接口。PCB Editor 提供了一个完整的布局布线环境(从基本的平面规划、布局、布线到布局复制、高级互连规划)适应从简单到复杂的各种 PCB 设计。
（1）提供一个经实践证明的、可扩展的、低成本高成效的 PCB 设计解决方案，并可根据需要自由选择基础设计工具包加可选功能的组合形式。
（2）通过约束驱动式 PCB 设计流程避免不必要的重复。
（3）支持以下各种规则：物理、间距、制造、装配和测试的设计(DFx)、高密度互连(HDI)和电气约束(高速)。
（4）具有通用和统一的约束管理系统，用于创建、管理和验证从前端到后端的约束。
（5）兼容第三方应用程序的开放式环境，提高效率的同时，提供访问其他品种工具的入口。
1.6.3 PADS
PADS 软件是 Mentor Graphics 公司的电路原理图和 PCB 设计工具软件。该软件是国内从事电路设计的工程师和技术人员主要使用的电路设计软件之一，是 PCB 设计高端用户最常用的工具软件。PADS 包括 PADS Logic、PADS Layout 和 PADS Router。PADS Layout (PowerPCB) 提供了与其他 PCB 设计软件、CAM 加工软件、机械设计软件的接口（如图 1-16 所示），方便了不同设计环境下的数据转换和传递工作。PADS 提供一套完整的 PCB 设计工具，包括强大的原理图输入和 Layout 工具、约束管理工具等，更多的 PCB 功能和分析工具能帮助工程师一次性通过设计，完成项目。其主要特色如下：
（1）PADS原理图设计提供了设计制作、定义和复用的完整解决方案，提供了电路设
电路设计、仿真与PCB设计
计与仿真、组件选择、库管理和信号完整性的规划及电路设计所需的一切。集成的桌面可以让工程部门在一个单一的、可扩展的协作环境中执行每一个关键的设计创建任务。可自定义的项目导航器动态地反映了添加的项目内容如滤波电路方块、元器件、网络和属性等。其还支持双向交叉探测与所有的编辑、设计重用和派生设计，从而缩短了产品推向市场的时间，提高了产品质量，降低产品成本。
（2）PADS 提供高效的元器件信息管理，可以访问单个电子表格的所有元器件的信息。通过行业标准的 ODBC（开放式数据库连接）的企业元器件和 MRP 数据库，使分散在各地的设计团队访问中心元器件的信息。PADS 元器件管理与数据库保持同步，并能尽快予以更新，从而避免代价高昂的重新设计和可能因未被发现，直到后期的设计周期被发现质量问题。
（3）PADS 元器件管理变得非常简单并有效地维持了最新的元器件数据库，方便用户使用元器件数据库。定义一个图形符号给予所有类似的元器件，然后所述元器件的信息从数据库中提取时将添加到原理图里。通过使用类似元器件的单个符号，使搜索变得简化。
（4）先进的布局布线功能使用户能够轻松地设计 PCB。随着原理图和布局之间的完全交叉探测，PADS Standard 或 Standard Plus 将帮助用户提高工作效率，更少的返工，更好地完成产品。布局可以从原理图驱动，全交叉探测实时同步。PADS 包括强大的组群布局，与元器件旋转到十分之一的程度。复杂的分割和混合平面功能可帮助克服设计和布线的挑战。可以使用手动和交互式布线满足所需。
（5）交互式布线具有高度的灵活性。可以启用和禁用布线功能，如导线和通孔推挤，平滑，焊盘入口和导线长度监测。设计规则检查（DRC）检查所有约束，确保没有规则被违反，不必在事后修复问题。间隙冲突通过先进的推挤功能很容易被解决，极大地简化了密集的电路板的布线。交互式布线处理高速网络，很容易对差分对和匹配长度进行分组，能够满足所有要求的高速约束。
（6）PADS PCB 设计分析和验证由 HyperLynx 技术提供支持，以其精确性和易用性，从设计到制造进行分析，帮助实现最佳的效率。为了确保设计功能，即可进行物理布局与一个集成的、易于使用的 Spice 模拟仿真的板级模拟前仿真，定义预先布局分析布线约束和验证布线板，快速高效地查找元器件和 PCB 的热点，并在制造或组装之前发现制造问题。
（7）提供准确和最新的库管理。通过确保设计师和工程师始终使用最先进的、最新的库可避免制造性和一致性问题。
第一部分 电路设计与仿真
本篇介绍不同类型电路使用的各种仿真工具，内容主要包括电子电路仿真工具 Spice、射频电路仿真工具 ADS、数字电路仿真工具 ModelSim 和单片机控制电路仿真工具 Proteus VSM。
电子电路设计及仿真以 Spice 为例，介绍了 Spice 仿真描述语言和基本的 Spice 模型，并通过 Altium Designer 18.0 讲解电子电路设计及仿真过程。
射频电路设计及仿真以 ADS 2017 为例，介绍了射频电路设计如何进行 S 参数仿真，并给出两个射频电路设计及仿真的实例。
数字电路设计及仿真以 ModelSim 10.5 为例，介绍了数字电路的设计及其逻辑仿真和时序仿真的方法，给出与其他 FPGA 开发工具软件联合进行仿真的实例。
单片机控制电路设计及仿真以 Proteus VSM 为例，介绍了单片机电路的设计及如何进行单片机程序仿真。
电子电路设计与仿真系统集成了原理图编辑器、仿真引擎、波形显示功能，用户可以轻松地观察电路行为的即时状态。仿真系统通常也会包括扩展模型以及电子元器件库，其中模型主要包括集成电路专用的晶体管模型，如BSIM。元器件库中提供很多通用元器件，如电阻器、电容器、电感元器件、变压器和用户定义的模型（如受控的电流源、电压源），此外还可以提供Verilog-A或VHDL-AMS中的一些模型。印刷电路板设计还要求专用的模型，如线路走线的传输线模型和IBIS模型等。本章通过Altium Designer 18.0软件对电子电路设计与仿真进行介绍。