数字钟设计roel仿真PROTEL课程设计.doc

1、xx理工大学PROTEL课程设计报告书目 录摘要1Abstract21数字钟计数单元的设计31.1 74LS90功能介绍31.2时分秒计数单元51.3日期和月份计数单元62数字钟译码及显示电路92.1译码电路92.2数码管显示103用Protel 99 SE进行电路原理图设计113.1设置原理图设计环境113.2放置元件113.3原理图布线123.4编辑和调整133.5检查原理图143.6生成网络表154用Protel 99 SE进行印刷电路板的设计174.2加载网络表174.3元器件布局184.4自动布线184.5编辑和调整195仿真结果及分析205.1 仿真参数设置205.2 仿真结果及分

2、析206制作PCB227小结体会23附录一 元件清单24附录二 参考文献25摘要 数字钟与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。目前，数字钟的功能越来越强，并且有多种专门的大规模集成电路可供选择。 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

3、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。Abstract The digital clock and is more higher accuracy and intuitive than themechanical clock , is a kind of digital circuit technology implementation, minutes and seconds timing devices, and without a mechanical device, has a longer life, so it has be

4、en widely used. A digital clock from principle speaking is a kind of typical digital circuit, which includes the assembly logic circuit and the sequential circuits. At present, a digital clock function is more and more strong, and have a variety of special large scale integrated circuit to choose fr

5、om. 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 e

6、lectric 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. 1数字钟计数单元的设计数字钟实际上是一个对标准频率(1HZ)进行计数的计数电路。其系 统 由 石 英 晶 体 振 荡 器 、 分 频 器 、 计 数 器 、 译 码 器 、 显 示 器 及

7、校 时 电 路 组成 ， 数 字 钟 系 统 组 成 框 图 如 图 1所 示 。 图1 数字钟系统组成框图由于本次实验所使用的是标准频率(1HZ)的连续脉冲，故石英晶体振荡器电路及分频电路不予考虑。为使仿真能顺利进行，校时电路也不做讨论。下面就时间计数器电路、译码驱动电路、数码管三部分展开分析。本节主要讨论计数单元电路的设计。时间计数电路由秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成,其中秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器为60进制计数器,时个位和时十位计数器为24进制计数器。同理，日期计数单元为30进制，而月份计数单元情况特殊，为13进制。六十进 制 计

8、 数 器 可 由 一 个 十 进 制 计 数 器 和 一 个 六 进 制 计 数 器 连 起 来 构 成 。 可 选 用 两 片 集成 电 路 74LS90 串 起 来 构 成 “ 秒 ” 、 “ 分 ” 计 数 器 。 也 可 用 两 片 74LS160 十 进 制 计 数 器 构 成 。本实验采用的是74LS90，下面介绍一下它的性能。1.1 74LS90功能介绍 74LS90的引脚图如图1.1.1a所示，它由四个触发器及附加门组成，有两个时钟脉冲输入端、。两个清零输入端Ro(1)、Ro(2)，两个置“9”输入端R9(1)、R9(2)，四个输出端QD、QC、QB、QA，两个NC端(空脚)。

9、74LS90的引脚图如下图： 图2 74LS90的引脚图 74LS90的功能表如下表：表1 74LS90的功能表从功能表我们便清楚地知道，利用74LS90的Ro(1)、Ro(2)和R9(1)、R9(2)可以实现复位和置位功能。当R9(1)、R9(2)两个输入端全为“1”时，无论Ro(1)、Ro(2)为何状态，计数器置“9”；当Ro(1)、Ro(2)都为“1”时，R9(1)、R9(2)中有一个为“0”时，计数器清零。当Ro、R9，输入端都为低电平时，74LS90方可计数。计数功能如下：时钟脉冲从A端输入，从QA端输出，则是二进制计数器。时钟脉冲从B端输入，从QD、QC、QB。端输出，则是异步五进

10、制加法计数器。当QA和CPB端相连，时钟脉冲从A端输入，从QD、QC，QB、QA端输出，则是8421码十进制计数器。当A端和QD端相连，时钟脉冲从B端输入，从QD、Qc、QB、QA端输出，则是5421码十进制计数器。利用置“0”端和置“9”端，可以实现N进制计数器，当N10时，可用计数器级联反馈方式去实现。1.2时分秒计数单元秒个位计数单元为进制计数器，无需进制转换，只需将QA与CPB相连即可。CPA与Z秒输入信号相连，D可作为向上的进位信号与十位计数单元的CPA相连。秒十位计数单元为进制计数器，需要进制转换。当 CPA 输 人 第 六 个 脉 冲 触 发 时 这 时 输 出 端 状 态 为Q

11、DQcQBQA= 0110 ，Q B = Q C 1 ， 合 起 来 的 信 号 分 别 送 入个十两个计数器的 Ro（2） ， Ro（1）清零 端 ， 清 零 后 使 计 数 器 归 零 ， 完 成 六 十 进 制 计 数 功 能 ， 同 时 ， 还 把 这 个 信 号 作 为 进 位 信 号 输 出 。60进制的连接如图1.1.2所示，图3 60进制的连接图分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同，也是分个位计数单元的D作为向上的进位信号应与分十位计数单元的CPA相连，分十位计数单元的B、 Q C合 起 来 的 信 号 分 别 送 入个十两个计数器的 Ro（2）

12、， Ro（1）清零 端 ， 清 零 后 使 计 数 器 归 零 ，同 时还 把 这 个 信 号 作 为 进 位 信 号 输 出 。时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是要求，整个时计数单元应为24进制计数器，所以在两块74LS90构成的100进制中截取24，就得在24的时候进行异步清零。当“时”个位计数器输入端 CPA到 来 第 十 个 触 发 信 号 时 ， 计数器复 零 ， 进 位 端D向 “ 时 ” 十 位 计 数 器 输 人 进 位 信 号 ， 进 行 “ 时 ” 的 计 数 。当 第 二 十 四 个 来 自 “ 分 ” 计 数 器 的 进 位 信 号 到 来 时 ， “

13、 时 ” 个 位 计 数 器 的 输 出 状 态为 QDQcQBQA= 0100 , “ 时 ” 十 位 计 数 器 的 输 出 状 态 为 QDQcQBQA= 0010 ，这 时“ 时 ” 个 位 计 数 器 的 Q C 和 “ 时 ” 十 位 计 数 器 的 B 输 出 均 为 “ 1”, 把 这 两 个 信 号 合 起 来 ，分 别 送 到 个 和 十 计 数 器 的 清 零 端 Ro(1) 、 Ro(2) ， 计 数 器 清 零 后 完 成 二 十 四 进 制 计 数 。其连接图如图1.1.4所示， 图4 24进制的连接图1.3日期和月份计数单元因为不同的月份的日期数不相同，为了简单设

14、计，每月设定为30天。但是设计电路不能是简单的30进制计数器，因为日期不像时分秒一样存在0号这种情况，因此需要在电路上进行改进。 日期计数采用的是01-0230-01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30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。 当日期变为30号时，8421BCD码即为0011 0000，获得时区域送来的脉冲，变为0011 0001，高位强制置零，立即变为0000 0001，即1号，不曾产生0号。当然，在初始情况下，日期月份都是置零的。 日期计数电路图如图5所示。图5 日期计数单元 月份计数采用13进制

15、，变化规律是00-01-0212-00-01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13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。当月份变为12时，8421BCD码即为0001 0010，再获得脉冲则变为0001 0011，这时根据电路图，两个月份计数器都瞬间置零，因此不存在13月，但是出现了0月份的情况，此时需要额外获得一个脉冲，而计数器置零时产生了一个下降脉冲，可以反作用于月份计数单元，在极短的时间内从0000 0000变为0000 0001，即1月份。电路图如下图所示：图6 月份计数单元2数字钟译码及显示电路2.1译码电

16、路 译 码 是 编 码 的 逆 过 程 。 也 就 是 把 给 定 的 代 码 进 行 翻 译 ， 变 成 相 应 的 状 态 。 译 码 器 选 用74LS48 ， 它 是 4 线 7 段 译 码 器 驱 动 器 ， 输 人 端 A3、 A2 、A1 、A0为 8421 BCD 码 输 人 ， 有 上 拉 电 阻 。 因 此 在 与 LED 数 码 管 连 接 时 不 需 再 外 接 限 流 电 阻 。 74LS48 的 译 码 输 出 (YaYe) 是高 电 平 有 效 ， 适 用 于 驱 动 共 阴 极 LED 数 码 管 。 74LS48 的 引 脚图如图7所 示 ,字 形 显 示 图

17、 如图8所 示 。 图7 74LS48 的 引 脚图 图8 74LS48字形显示图 74LS48功能表如下表所示：表2 74LS48 功能表 当 要 求 输 出 015 时 ， 消 隐 输 人 “ ” 应 为 高 电 平 或 开 路 ； 灭 零 输 入“ ” 和 测 试 灯输 入 “ ” 都 必 须 在 无 效 电 平 状 态 ， 即 应 为 高 电 平 。2.2数码管显示LED显 示 器 件 有 共 阳 极 和 共 阴 极 两 种 。 选 用 共 阴 极 的 LC5011数 码 管 作 为 显 示 器 件 。 图 1 .3所 示 为 LC5011的 引 线 端 子 排 列 图 。 图 9 L

18、C5011的 引 线 端 子 排 列 图3用Protel 99 SE进行电路原理图设计电路原理图的设计是整个电路设计的基础，因此电路原理图要设计好，以免影响后面的设计工作。电路原理图的设计一般有如下步骤：3.1设置原理图设计环境进入Protel 99 SE界面，执行菜单File/New命令，创建一个新项目，然后再选择File菜单下的new.,则弹出如下对话框，从框中选择原理图服务器。图10 建立原理图设计文档看到（Schematic Document）图标，双击图标，建立原理图设计文档。双击文档图标(设计所设的文件名为XIN.Sch)，进入原理图设计主界面。执行菜单Design/Options

19、和Tool/Preferences，设置图纸大小、捕捉栅格、电气栅格等。3.2放置元件在设计管理器中选择Browse SCH页面，在Browse区域中的下拉框中选择Library，然后单击ADD/Remove按钮，弹出的如下窗口，在窗口中寻找Protel 99 SE子目录，在该目录中选择LibrarySCH路径，在元件库列表中选择所需的元件库，比如Miscellaneous devices ddb，TI Databook库等，单击ADD按钮，即可把元件库增加到元件库管理器中。为便于仿真，此设计选择Sim元件库。根据此实验电路的需要，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

20、件放置在工作平面上，再根据元件之间的走线把元件调整好。图11 选择所需元件库根据设计数字钟的需要，实验从Sim元件库中选取了74LS90、74LS48及AMBERCC各6个，二输入与门74F08三个，脉冲IPULSE一个；在Simulate中选择一个+5V电源；在电源实体Power Objects中选择 （地线）。3.3原理图布线利用Protel 99 SE提供的各种工具（常用的有三个工具条，分别为数字实体Digital Objects、绘图工具条Drawing Tools、连线工具条Writing Tools）、指令进行布线，将工作平面上的器件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一个完整

21、的电路原理图。本设计的电路图如下图所示。 图12 日期和月份计数单元图13 时分秒计数单元3.4编辑和调整利用Protel 99 SE 所提供的各种强大的功能对原理图进一步调整和修改，以保证原理图的美观和正确。同时对元件的编号、封装进行定义和设定，更改元件属性等。由于相同元件较多，可选择Tools /Annotate(注释)，选择你想要的排序方式对元件进行自动编号。用鼠标双击任一个元件都会弹出元件的属性对话框。Lib Ref：元件样本，修改此项将直接替换原有的元件，元件样本名不会显示在元件图上；Footprint：元件的封装方式（元件的封装是指设计PCB时，根据实际元件尺而定义的焊点，另外还附

22、加一些属性和元件外观的符号，需要注意的是每个元件的Footprint必须要添上相应的封装号）；Designator:设置元件的序号；Part Type:设置元件参数值。下图为74LS90的属性设置对话框。图14 74LS90的属性设置对话框3.5检查原理图使用Protel 99 SE 的电气规则，即执行菜单命令Tools/ERC对画好的电路原理图进行电气规则检查。主要是检查电路中是否有电气特性不一致的情况（如元件的序列号重复），ERC检查依据问题的严重性分别以错误（Error）或警告（Warning）信息来提示用户。选择Tools菜单下的ERC项，则弹出错误对话框，直接点击OK即可进行ERC检

23、查。ERC检查文件时，如果有问题将用坐标标注重名元件的位置。返回电路原理图，改正错误的元件属性后，再次进行ERC检查。正确结果如图15所示。图15 ERC检查无误3.6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,是PCB中自动布线的灵魂。所以必须生成网络表。选取Design设计菜单下的Create Netlist选项则会弹出对话框，点击OK。图16 生成网络表网络表文件包含两种内容：一对方括号之间表示一个元件的属性，有序号、封装号和参数；一对圆括号之间是通过一个点的连接线，包括从哪各点出发，接到哪里。 至此，电路图DA.Sch全部完成。4用Protel 99 SE进行印刷电路板

24、的设计电路设计的最终目的是为了设计出电子产品，而电子产品的物理结构是通过印刷电路板来实现的。Protel 99 SE为设计者提供了一个完整的电路板设计环境，使电路设计更加方便有效。应用Protel 99 SE设计印刷电路板过程如下：4.1创建PCB文件执行菜单File/New命令，弹出如下对话框，从框中选择PCB设计服务器（PCB Document）图标，双击该图标，建立PCB设计文档。双击文档图标，进入PCB设计服务器界面。4.2加载网络表在设计工作区的板层标签上选择KeepOutLayer，然后选择工具条Placement Tools上的按钮，画边框。此时画的只是一个粗略的边框，虽然没必要

25、太精确，但不能太大。待到布线完成后，再来画精确的边框。执行菜单Design/Load Nets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DA.Net击Execute键，元件就会加载到工作区上。图17 加载网络表4.3元器件布局Protel 99 SE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/Auto Placement/Auto Placer可以自动布局。布局是布线关键性的一步，为了使布局更加合理，多数设计者都采用手工布局方式。先把重叠的元件拖开（当用鼠标左键点中任何重叠元件时，将弹出小的对话框，表示当前点中的地方重叠了

26、几个元件）：当移动鼠标到相应的字体上，字全变蓝，单击鼠标左键，便可获取一个元件，然后再将其拖走。依据电路的功能及元件的大小，适当的摆放元件。4.4自动布线Protel 99 SE采用世界最先进的无网格、基于形状的对角线自动布线技术。执行菜单命令Auto Routing/All，弹出如下窗口，并在弹出的窗口中单击Route all图18 自动布线按钮，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%。4.5编辑和调整边框的修改一定要在KeepOutLayer来修改。自动布线结束后，可能存在一些令人不满意的地方，可以手工调整，把电路板设计得尽善尽美。首

27、先，删除不理想的布线，点击Edit/Delete选项，光标变成十字光标，左键点击要删除的导线即可删除。删除导线后，焊点间以飞线连接，然后选取不同的层如top layer(红线)、bottom layer(蓝线)，选择来画飞线之间连接的导线，注意同一层内的导线不能交叉，直到将不满意的导线改到满意为止。图19 PCBA板布局图 从图纸中可以看出导线分为两种颜色，系统默认上层板的布线为红线，底层线的布线为蓝色。5仿真结果及分析5.1 仿真参数设置根据仿真电路参数的设置，我们可以计算出相关的参数，VPULSE的参数设置如下： 图20 仿真参数的设置5.2 仿真结果及分析 数字钟整体电路的仿真结果如图2

28、1所示，5s范围内，七段数码管的七段a，b，c，d，e，f，g的电平依次为0110000，1101101，1111001，0110011，1011011根据数码管的排列规则，可知数码管将依次显示1，2，3，4，5。故可以初步判定此电路是符合条件的。图21 数字钟整体电路仿真结果此图中，netu6_13、12、11、10、9、15、14仿真出来的波形相对应与数码管的七个引脚a、b、c、d、e、f的波形（前5s内的）。6制作PCB图22 图23 7小结体会通过这次Protel 99 SE电路设计与制版实验课程设计，让我了解了制作与编辑元件电路原理图元器件库的方法设计电路原理图的方法对该电路原理图进

29、行电气规则测试的方法生成该电路原理图的网络表文件的方法生成该电路原理图的元器件材料清单列表的方法；制作与修改PCB元件封装的方法设计PCB图的方法及电路原理图仿真的方法。在设计过程中，自然会存在不少问题，通过请教老师和与同学们进行交流，最终还算顺利的完成了此次的课程设计，在设计的时候有些地方很可能还不够完善，这一点请老师谅解。通过这次学习，让我对如何运用Protel 99 SE进行电路原理图和印刷电路板设计及原理图的仿真都有了一定程度的了解，而且增强了自己的实践动手能力。附录一 元件清单表3 元件清单附录二 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 4 梁恩主，梁恩维.Protel 99SE电路设计与仿真应用.清华大学出版社.2000. 5 吉雷.Protel 99从入门到精通【M】.西安电子科技大学出版社.2000. 6 张伟，王力.Protel 99SE基础教程【M】.北京：人民邮电出版社.2006.忽略此处. 25