| 单词 | 电子线路计算机辅助设计 |
| 释义 | 【电子线路计算机辅助设计】 拼译：computer aided design of eletronic circuits 简称电路CAD，是CAD领域中发展较早且比较成熟的技术。它将传统的电路理论与新发展起来的计算技术相结合，形成了一套进行电路分析、电路综合与优化设计的理论和算法，包括建立器件模型、自动建立电路方程组、直流线性分析与非线性分析、频域分析、瞬态分析、容差分析、电路的综合和最优化设计、印刷电路布局和布线、集成电路芯片的布图设计、掩膜图生成和测试等等。 早在20世纪50年代，就有人用计算机对滤波器一类线性电路进行分析计算与设计。不过，在60年代以前，人们只是采用传统的科学计算方式进行这方面的工作。世界上第1个求解电路方程组的程序SPARC在1961年问世。自动建立电路方程组的程序SCAN在1962年研制成功。最早的一个电路分析系统是由这两个程序结合而成的。60年代，一批第1代电路分析程序相继问世，TAP、NET、ECAP等是其中的代表。不过，这些程序还存在许多缺点，例如：非线性直流分析大多不收敛，瞬态分析对“刚性”(即最大时间常数与最小时间常数相差若干个数量级)的电路很费机时，满矩阵求解线性方程组方法限制了所能进行分析的电路规模，电路描述语言功能差，用户界面不大好，等等。到70年代，非线性方程组求解算法、“刚性”常微分式方程组求解的数值方法和稀疏矩阵技术等方面取得了重大研究成果，加之计算机性能飞速提高，大大促进了电路CAD技术的进步。于是出现了第2代电路分析与设计的软件，如ASTAP、AOP、SPICE等。这些系统都较好地解决了第一代电路分析程序所存在的问题，在可靠性、可分析的电路规模、用户界面改善等方面都有了重大突破，同时，由于采用了比较完善的电路描述语言，建立了较大规模的器件模型库，使数据的准备与输入工作变得比较简单。这些系统的主要特点有：(1)应用Gear公式、后向差分公式等，将描述电路的非线性微分方程组转化为相应的非线性代数方程组；(2)应用改进型Newton-Raphson迭代法将非线性方程组线性化；(3)采用稀疏矩阵技术求解规模很大而系数矩阵具有稀疏性的线性方程组；(4)采用电路描述语言和器件模型库，简化了操作人员的工作；(5)用户界面较好，操作比较简便。随着电路规模的大幅度增大，对机助电路分析与设计的技术及软件功能的要求也越来越高，复杂电路的分析模拟技术与算法，如宏模型与宏模拟技术、节点撕裂法、波形松弛和电路分块技术等等随之迅速发展起来。70年代中期以后出现了一批第3代电路分析软件，如MOTIS、MOTIS－C、SPLICE等。它们可以用于LSI和VLSI电路的模拟分析。印刷电路板(PCB)的机助布局与布线技术及软件的研究是电路CAD的一个重要内容。一些商品化的交互式印刷板设计软件早已投入实际应用。现在，有的PCB布局与布线软件，如TANGO、ORCAD等，已达到相当高的自动化水平。从70年代开始，随着集成电路的迅速发展并进入大规模、超大规模集成电路时代，集成电路CAD技术迅速发展起来，其中包括LSI／VLSI的电路级和门级模拟、逻辑电路的分层综合、芯片的布局和布线等多个方面。模拟在集成电路设计中起着重要的作用。通过模拟，设计者可以在制造之前决定某一设计的功能和性能，可以在设计制造过程中较早地发现错误和不足。现在已有很多模拟工具，通常叫功能模拟器或行为模拟器，它们在比较高的抽象层次上支持设计。很多模拟工具基于某种硬件描述语言，并提供如寄存器、存储器、总线等高层结构块。数字系统的综合，就是要把系统的初始说明翻译成可行的逻辑设计，并最后生成掩模图。由于VLSI的规模大、复杂度高，为了实现其物理设计，必须分层对数字系统进行描述，采用多级设计方法将高层描述(即数字电路的抽象行为描述)经过一系列的转换，最后生成系统的低层描述。LSI／VESI的布图设计(包括芯片的布局和布线)问题直接关系到产品的设计周期、成本和质量，人们在这方面遇到多种NP完备问题。因此，CAD技术的应用具有极大的重要性。近年来，VLSI布局和布线的自动化技术发展很快，各种理论和算法不断涌现。许多交互式CAD工具已开发出来。例如，日本NTTMASAHINO电子实验室的布图设计系统，用于设计一台32位CMOS微处理机(含7．8万支晶体管)约需两个月，设计质量可与手工设计的相媲美，设计效率提高500倍以上。VLSI电路的综合、布图设计和测试等方面的自动化，仅靠传统CAD技术是很难完全实现的。80年代初以来，开发出并得到实际应用的VLSI设计专家系统为数不少，它们在不同阶段从不同方面帮助设计人员工作，发挥了重要的作用。1983年，日本研制出逻辑电路设计专家系统DDL／SX。该系统可将输入的逻辑功能图自动转换为逻辑电路图并输出。1984年出现了一个知识基布线系统——WIREX，后来，美国研制出VLSI通道和交换盒(switch-box)布线专家系统——WEAVER，WEAVER在其知识库中收集了700条规则，可以解决很多布线难题。此外，还有CADRE和DAA——用于VLSI综合的自动设计专家系统，HITEST——基于知识的测试专家系统，AMBER——用于估算VLSI所需芯片面积的专家系统等等。基于知识的专家系统，由于运用了大量的人类专家经验和知识，可以对复杂问题进行高效率求解，获得专家级甚至优于专家级的求解结果。因此，在复杂电路与系统的综合与设计，特别是VLSI电路综合与布图设计中，它是实现自动化的重要途径与研究方向。【参考文献】：1 Branin F H，et al．IEEE Journal of Solid State Circuits，1971．62 Calahan D A．Computer-aided network design，New York：McGraw-Hill，19723 Chua L O，Lin P M．Computer-aided Analysis of electronic circuits，19754 张奠成，等，网络的计算机辅助设计，北京：国防工业出版社，19815 Mori H，et al．Proc．of the Inte Conf．on Fifth Generation Computer Systems，19846 Russell．G Computer-aided Engineering Journal，1991，47 Rostam Joobbani，An artificial intelligence approach to VLSI routing，19868 庄文君，李玉兴，集成电路布图设计自动化，上海：上海交大出版社，19869 庄镇泉，等，大规模集成电路计算机辅助设计，合肥：中国科技大学出版社，199010 张佑生，计算机辅助电路分析与设计，北京：兵器工业出版社，1992(合肥工业大学张佑生教授撰) |
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