数字钟protel.doc

武汉理工大学Protel应用实践 课程设计说明书学 号： 0120813640101课 程 设 计题 目Protel应用实践简易数字钟学 院信息工程学院专 业通信工程班 级0804姓 名魏福泉指导教师艾青松2010年7月6日II课程设计任务书学生姓名： 魏福泉 专业班级： 通信0804 指导教师： 艾青松 工作单位： 信息工程学院 题 目: Protel应用实践简易数字钟 初始条件：Altium designer winter 09 及以上版本如Altium Designer要求完成的主要任务: 1. 绘制具有一定规模、一定复杂程度的电路原理图*.sch（自选）。可以涉及模拟、数字、高频、单片机、或者一个具有完备功能的电路系统。2. 绘制相应电路原理图的双面印刷版图*.pcb3. 对电路原理图进行仿真，给出仿真结果（如波形*.sdf、数据）并说明是否达到设计意图。时间安排：序号阶段内容时间1安排任务第17周2电路选择与绘制第17周3撰写报告第18周4答辩第18周合 计2周指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录摘要IAbstractII1.AltiumDesigner简介13 电路原理介绍23.1 秒脉冲产生电路23.2 时钟电路33.3 主要元器件64 绘制电路原理图74.1 新建项目文件74.2电路原理图设计96 设计印刷电路板PCB137 仿真结果及分析148 收获建议和体会16附录一 元件清单17附录二 参考文献18武汉理工大学Protel应用实践课程设计说明书摘要 数字钟是采用数字电路实现对时,分,秒数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站, 码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。 Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层。关键词：Protel、数字钟、仿真Abstract The digital clock uses the digital circuit realizes to, divides, the second digital demonstrations timing unit, widely uses in individual family, the station, the wharf office and so on public place, becomes in the people daily life the necessary essential item, as a result of digital integrated circuits development and the quartz crystal oscillators widespread application, causes the digital clocks precision, went far beyond the old style clock and watch, clocks and watchs digitization produces the life for the people to bring enormous convenient, moreover expanded the clock and watch original to report time greatly the function. Such as fixed time the auto-alarm, on time automatically hits the bell, the time sequencing automatic control, fixed time to broadcast, to be automatic shuts the street light, the time cut-out drying oven, the make-and-break power equipment, even each kind of fixed time electricity automatically to begin using and so on, all these, are take the clock and watch digitization as the foundation. Therefore, the research digit clock and expands its application, has the very realistic significance. Protel99SE applies in Windows9X/2000/NT under operating systems EDA design software, uses the design storehouse management pattern, may carry on the networking design, has the very strong data exchange ability and openness and the 3D analogue function, is a 32 design software, may complete the electric circuit schematic diagram design, print work and so on circuit wafer design and programmable logical component design, may design 32 signal levels, 16 power sources-Stratum and 16 machining level. Keywords：Protel、digital clock、simulateII1.AltiumDesigner简介AltiumDesigner提供了唯一一款统一的应用方案，其综合电子产品一体化开发所需的所有必须技术和功能。AltiumDesigner在单一设计环境中集成板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB版图设计、编辑和制造。并集成了现代设计数据管理功能，使得AltiumDesigner成为电子产品开发的完整解决方案一个既满足当前，也满足未来开发需求的1、1985 年诞生 dos 版 Protel 2、1991 年Protel for Widows 3、1997 年Protel98 这个 32 位产品是第一个包含 5 个核心模块的 EDA 工具 4、1999 年Protel99 构成从电路设计到真实板分析的完整体系。 5、2000 年Protel99se 性能进一步提高，可以对设计过程有更大控制力。 6、2002 年Protel DXP 集成了更多工具，使用方便，功能更强大。 7、2003 年Protel 2004 对Protel DXP进一步完善。 8、2006 年Altium Designer 6.0成功推出，集成了更多工具，使用方便，功能更强大，特别在PCB设计这一块性能大大提高。 9、2008 年Altium Designer Summer 08（简称：AD7） 将ECAD和MCAD两种文件格式结合在一起，Altium在其最新版的一体化设计解决方案中为电子工程师带来了全面验证机械设计(如外壳与电子组件)与电气特性关系的能力。还加入了对OrCAD和PowerPCB的支持能力。 10、2008 年Altium Designer Winter 09推出，此冬季9月发布的Altium Designer引入新的设计技术和理念，以帮助电子产品设计创新，利用技术进步，并提出一个产品的任务设计更快地获得走向市场的方便。增强功能的电路板设计空间，让您可以更快地设计，全三维PCB设计环境，避免出现错误和不准确的模型设计。 11、2009年7月Altium Designer Summer 09 为适应日新月异的电子设计技术，Altium于2009年7月在全球范围内推出最新版本Altium Designer Summer 09。Summer 09的诞生延续了连续不断的新特性和新技术的应用过程。3 电路原理介绍 3.1 秒脉冲产生电路秒脉冲产生电路采用555定时器构成的多谐振荡器，通过对电路中电阻和电容取值的设置，可使振荡器的频率为1Hz。为了方便仿真，采用555定时器与定时元件RC组成多谐振荡器，它的输出信号频率为f0=1.43/( R2+2R1) C1。取R1=68k，R2=15k，C1=10uF（滤波电容C2=0.1uF ）,则电路的振荡频率为f0=1Hz,输出信号为周期为1s的脉冲信号，这样输出就可以直接用来作为数字钟计数器的输入信号。脉冲产生电路如图3.1所示。 图1 脉冲产生电路 3.2 时钟电路 秒和分电路都是六十进制计数器，计数规律为00-0158-59-00。可由一级十进制计数器和一级六进制计数器级联而成。设计电路采用两片异步二五十进制加法计数器74LS90级联构成60进制分、秒计数器。两片74LS90芯片都接成8421BCD码输出的十进制计数形式，一片控制个位，为十进制；一片控制十位，为六进制。利用74LS90本身的两控制端完成十进制，在达到1001时，给第二片一下降脉冲，这样反复，直到第二片达到0110时第二片自身清零，这样完成一次60的计数，且回到初态，两片74LS90都清零，然后继续重复计数。由两片74LS90构成的秒（分）计数器如图3.2所示。 图2 分（秒）计数器电路时电路是24进制的计数器，采用的是00-01-0223-00-01的计数规律。设计电路采用两片异步二五十进制加法计数器74LS90级联构成24进制时计数器。两片74LS90芯片都接成8421BCD码输出的十进制计数形式。时计数器电路图如图3.3所示。图3 时计数器电路 3.3 主要元器件振荡器中用到的555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，可以方便的构成施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器。用555组成的多谐振荡器的电路图和工作波形图如3.4和3.5所示，振荡周期T=0.7( R1+2R2) C。图4（a）555多谐振荡器电路图 （b）工作波形图 数字钟的设计中主要使用的器件为异步二五十进制加法计数器74LS90，它既可以作二进制加法计数器，又可以作五进制和十进制加法计数器。图5 74LS90引脚排列图6 74LS90功能表通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能。具体功能为：（1） 计数脉冲从CP1输入，QA作为输出端，为二进制计数器。（2） 计数脉冲从CP2输入，QDQLQH作为输出端，为异步五进制加法计数器。（3） 若将CP2和QA相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，则构成异步8421码十进制加法计数器。（4） 若将CP1与QD相连，计数脉冲由CP2输入，QA、QD、QC、QB作为输出端，则构成异步5421码十进制加法计数器。（5） 清零、置9功能。当R0（1）、R0（2）均为“1”；S9（1）、S9（2）中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA=0000。当S9（1）、S9（2）均为“1”；R0（1）、R0（2）中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA =1001. 4 绘制电路原理图4.1 新建项目文件（1）在桌面上Altium Designer 6.9的快捷方式，启动它，进入Altium Designer 6.9工作环境。（2）选择【File】【New】【Project】【PCB Project】命令，在当前工作组下创建一个PCB项目文件（3）在菜单栏中选择【File】【Save Design Workspace】命令，出现如图对话框，选择文件路径并单击【Save】按钮。至此，一个用于PCB设计的项目文件已经创建完毕。图7 保存示意图4.2电路原理图设计（1）在“Project”面板中选中所创建的PCB项目文件，然后选中【File】【New】【Schematic】命令，创建后系统进入如图所示的窗口。图8.1 显示窗口（2）选择【Place】【Part】命令，出现如图所示“Place Part”对话框。图8.2 选项窗口（3）单击“History”右侧的按钮出现“BrowseLibraries”对话框，选择如图为止，单击【Ok】。依次放上所需元件。（4）依次放上所需元件。选择【File】【Save】命令保存原理图。完成以后电路图如下图9 元件图形图10 整体原理图5 生成网络表文件（1）选择【Design】【NetList For Project】【Protel】命令，即可生成网络表文件（部分）。表一 网络表6 设计印刷电路板PCB（1）打开“Project”面板从出现的快捷菜单中选择【Add New to Project】【PCB】命令，新建一个文件名魏“wanghuan.PcbDoc”的PCB文件。（2）选择【Add Route】【All】命令，出现选择对话框单击RouteAll按钮，生成如图PCB文件。 图11 PCB7 仿真结果及分析（1）【Mixed Sim】命令，出现“Analyses Setup】对话框，利用它对全局参数进行设置，也可对各种类型进行独立设置。（2）设置仿真分析范围在如图所示的“Sheets to NetList“下拉菜单中，选择”Activesheet“选项。图12 仿真选项图13 仿真部分原理图（3）设置完成后，生成仿真波形如下图14 仿真波形8 收获建议和体会 我对Altium这个软件还是比较熟悉的。特别是对于原理图的绘制和PCB板的生成，应该说都是得心应手。但是对于仿真环节，却相对比较陌生一些。因而我花了更多的时间在研究如何成功地仿真电路。 对如这次课设让我对Altium有了跟深入的了解，以前一些没有了解的部分功能现在也逐渐熟悉。但是在仿真是对全局电路仿真很困难，只有对局部电路加以信号源来仿真。一开始不知道设置周期时间导致仿真很慢后来请教同学知道了设置run simulation(s) aborted等问题，SPICE使用重复迭代的方式来获得当前电路的静态电压和电流值，仿真首先对节点初始电压进行预测，然后根据电路的电导系数计算支路电流，接着用支路电流重新计算节点电压，一直这样进行着循环，这种循环一直持续到所有的节点电压和支路电流都落入规定的误差允许范围内（即收敛）。如果节点电压和支路电流没有在一定数量的重复中完成收敛的话，SPICE将提示错误信息，这样就无法实现仿真了。瞬态分析时定义的timestep只是一个名义上的时间增量值，实际分析时的timestep是一个变量，如果在你设置的某一timestep设置条件下无法实现收敛，这时timestep将自动被降低，继续重复上述的循环。 这次课设考察了我们的耐心和决心，绘制电路原理图是一个复杂的过程，接线得要有耐心，一步一步来。我还意识到了想要做好一件事，要有耐心，细心，要脚踏实地，而不应该毛躁。课设教会我许多方面的东西，既让我懂得了知识，也磨练了作为一个通信人应该有的素质。附录一 元件清单 利用【Reports】/【Bill of Material】命令，我们可以得到元器件清单如下（图8.1）：表二 元器件清单附录二 参考文献 1 Protel99 入门与提高.赵品编著.人民邮电出版社.2000.11 2 清源计算机工作室.Protel 99SE原理图与PCB及仿真【M】.北京：机械工业出版社.2001. 3 刘秋艳.Protel 99SE电路设计.中国铁道出版社.2005.8