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大学Protel 应用实践课程设计说明 1 目录 摘要摘要 .3 ABSTRACT4 1 数字钟数字钟的的原理及分析原理及分析 5 1.1 时间计数器电路.5 1.1.1 74LS90 功能介绍 6 1.1.2 秒计数单元7 1.1.3 分计数单元8 1.1.4 时计数单元8 1.2 译码驱动电路.9 1.3 数码管显示.10 2 设计目的设计目的 12 3 用用 PROTEL 99 SE 进行电路原理图设计进行电路原理图设计.12 3.1 设置原理图设计环境.12 3.2 放置元件.12 3.3 原理图布线.14 3.4 编辑和调整.15 3.5 检查原理图.16 3.6 生成网络表.17 4 用用 PROTEL 99 SE 进行进行印刷电路板的设计印刷电路板的设计.17 4.2 加载网络表.17 4.3 元器件布局.17 4.4 自动布线.17 4.5 编辑和调整.17 4.6 铺地.17 5 用用 PROTEL 99 SE 对原理图进行仿真对原理图进行仿真.17 6 6 元器件材料清单的生成元器件材料清单的生成 17 7 设计中的问题及解决方法设计中的问题及解决方法 17 8 8 综合总结综合总结 17 9 参考文献资料参考文献资料 17 大学Protel 应用实践课程设计说明 2 摘要摘要 Protel 99 SE 是澳大利亚 Protel Technology 公司推出的一个全 32 位的 电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，使用该软件的 设计者可以容易地设计出电路原理图和画出元件设计电路板图。而且由于其高 度的集成性与扩展性，一经推出，立即为广大用户所接受，很快就成为世界 PC 平台上最流行的电子设计自动化软件，并成为新一代电气原理图工业标准。 Protel 99 SE 主要有两大部分组成，每一部分个有几个模块。第一部分是 电路设计部分，主要有：原理图设计系统，包括用于设计原理图的原理图编辑 器 Sch，用于修改和生成原理图元件的元件编辑器，以及各种报表的生成器 Schlib。印刷电路板设计系统，包括用于设计电路板的电路板编辑器 PCB 以及 用于修改，生成元件封装的元件封装编辑器 PCBLib。第二部分是电路仿真与可 编程逻辑器件设计，主要有：电路仿真系统，包括一个功能强大的数/模混合信 号电路仿真器，能在原理图基础上进行连续的模拟信号和数字信号仿真。可编 程逻辑器件设计，包括一个文本编辑器，用于编译和仿真设计结果的 PLD 设计 以及观察仿真结果的波形。 在 Protel 99 se 电路设计的学习过程中 , 基本概念的理解和掌握是重中 之重，只有这样，设计思路才能清晰，设计才能规范。本设计以能显示时、分、 秒的数字钟为例来介绍 Protel 99 se 的使用方法。 关键词：Protel 99 SE；Sch；PCB；仿真；数字钟 大学Protel 应用实践课程设计说明 3 Abstract Protel 99 SE is a whole 32-bit circuit design software launched by the company of Protel Technology in Australia .This software is powerful and easy to use ,and it is also has a friendly interface . Using this software ， designers can easily design the circuit diagram and draw circuit diagram design element. Due to its high scalability and integrity ,once launched ,it is accepted by all users immediately, and soon became the worlds most popular PC platforms of electronic design automation software, and become a new generation of electrical schematic diagram of the industrial standard . Protel 99 SE has two major components ,and every part has a few modules . The first part is the part of the circuit design, the design principle is: the system, including the principle diagram editor Sch of the design principle diagram ,components editors used to modify and generate principle diagram components ,and various reports Schlib generator . PCB design system ,including circuit board editor PCB and component packaging editor PCBLib . The second part is circuit simulation and programmable logic device design .It mainly has: the circuit simulation system, including a powerful mixed signal ics simulators, which can have the Analog and digital signals simulate continuously on the base of schematic diagram . Programmable logic device design, including a text editor used to compile and simulate results of design ,and observe the simulation result. In the learning process of Protel 99 SE ,the understanding and mastering of the basic concept is the most important . Only in this way can design ideas be clear, the design be normalized. To introduce the method of using Protel 99 SE , this design use a digital clock as an example. 大学Protel 应用实践课程设计说明 4 Protel 应用实践过程应用实践过程 1 数字钟的原理及分析数字钟的原理及分析 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 校 时 电 路 组成 ， 数 字 钟 系 统 组 成 框 图 如 图 1.1所 示 ， 图 1.1 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。 1.1 时间计数器电路时间计数器电路 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. 六十进 制 计 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。 大学Protel 应用实践课程设计说明 5 1.1.1 74LS90 功能介绍功能介绍 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 A CP B CP R9(1)、R9(2)，四个输出端 QD、QC、QB、QA，两个 NC 端(空脚)。74LS90 的功能表如 图 1.1.1b 图 1.1.1a 74LS90 的引脚图 所示， 图 1.1.1b 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)、 大学Protel 应用实践课程设计说明 6 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。 1.1.2 秒计数单元秒计数单元 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QDQcQBQA= 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， ， 大学Protel 应用实践课程设计说明 7 图 1.1.2 60 进制的连接图 1.1.3 分计数单元分计数单元 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） ， 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 。 1.1.4 时计数单元时计数单元 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 ， “ 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， 大学Protel 应用实践课程设计说明 8 图 1.1.4 24 进制的连接图 1.2 译码驱动电路译码驱动电路 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 1.2a 所 示 ,字 形 显 示 图 如图 1.2b 所 示 ,功能表如表 1.2c 所示， 图 1.2a 74LS48 的 引 脚图 图 1.2b 74LS48 的 字 形 显 示 图 大学Protel 应用实践课程设计说明 9 表 1.2c 74LS48 功能表 当 要 求 输 出 0 15 时 ， 消 隐 输 人 “ ” 应 为 高 电 平 或 开 路 ； 灭 零 输 入 “ BI ” 和 测 试 灯输 入 “ ” 都 必 须 在 无 效 电 平 状 态 ， 即 应 为 高 电 平 。 RBILT 1.3 数码管显示数码管显示 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 1 .3 LC5011的 引 线 端 子 排 列 图 大学Protel 应用实践课程设计说明 10 2 设计目的设计目的 掌握用 PROTEL 软件画原理图、设计印制电路板及其仿真的方法。 (1)熟悉原理图的设计步骤； (2)绘制原理图的方法； (3)网络表及元件清单的生成； (4)双面印制电路板（PCB）的布线流程； (5)原理图元件库及其 PCB 元件库的创建； (6)原理图的仿真及结果显示。 大学Protel 应用实践课程设计说明 11 3 用用 Protel 99 SE 进行电路原理图设计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 （Sc hematic Document）图标，双击该图标，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 和 Tool/Preferences，设置图纸大小、捕捉栅格、电气栅格等。 大学Protel 应用实践课程设计说明 12 3.2 放置元件放置元件 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 按钮将元件放置在工作平面上（在摆放的过程中，可以通过 SPACE、X、Y 三种键来改变元件的放置位置，其中 SPACE 键是让元件作 90的旋转，X 键使元件左右对调，即以自光标为轴作水平对调，Y 键使元件上下对调，即以 自光标为轴作垂直对调），再根据元件之间的走线把元件调整好。 根据设计数字钟的需要，实验从 Sim 元件库中选取了 74LS90、74LS48 及 大学Protel 应用实践课程设计说明 13 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，构成一个完整的电路原理图。本设计的电路图 XIN.Sch 如下图所示， 大学Protel 应用实践课程设计说明 14 3.4 编辑和调整编辑和调整 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)，弹出如下 对话框， 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， 大学Protel 应用实践课程设计说明 15 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， 3.5 检查原理图检查原理图 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，则弹出如图 3.5a 对话框，直接点击 OK 即可 进行 ERC 检查。ERC 检查文件时，如果有问题将用坐标标注重名元件的位置。 大学Protel 应用实践课程设计说明 16 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 3.5b 所示， 图 3.5a 大学Protel 应用实践课程设计说明 17 图 3.5b 3.6 生成网络表生成网络表 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 选项则会弹出如下对话框， 点击 OK 就可生成网络表文件 XIN.NET,如下图所示， 大学Protel 应用实践课程设计说明 18 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 XIN.Sch 全部完成（在进入下一个环节前，一定要将网络表 文件读清楚）。 大学Protel 应用实践课程设计说明 19 4 用用 Protel 99 SE 进行进行印刷电路板的设计印刷电路板的设计 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 创建创建 PCB 文件文件 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。如下图所示， 大学Protel 应用实践课程设计说明 20 此界面同 Sch 设计主界面相似，但地步增加了板层标签，用来在设计时快 速地选择板层。板层就是电路文件中可分层显示的电路板结构图，不同类板层 尤其专用的使用意义。如有些板层可以进行实体铜膜走线，有的板层没有电气 性质，纯粹是为了在电路板上标注说明文字。板层的概念很重要，制作 PCB 时 一定要对所用的板层有个清晰的认识。 下面再介绍一些与 PCB 相关的名词。板框：就是规范自动放置和自动布线 功能的合法区域，在此规定的区域内放置元件和布线。飞线：常称之为预拉线， 是引入网络表后，布线之前，系统根据网络关系生成的一种虚拟的线，只表示 一种连接关系。铜膜走线：简称导线，是实际存在的，用来连接各个焊点，是 印刷电路板较重要的部分，印刷电路板的设计都是如何布置导线来进行的。焊 点：用来放置焊锡、连接导线和零件的引脚。导孔：连接不同板层间的导线孔。 4.2 加载加载网络表网络表 在设计工作区的板层标签上选择 KeepOutLayer（这是一个在闭合板框内支 持自动布线的层） ，然后选择工具条 Placement Tools 上的按钮，画边框 （边框按系统设定的颜色应是紫色） 。此时画的只是一个粗略的边框，虽然没必 要太精确，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（如下图 4.2a 所示）选择电路原理图设计生成的网络表文件 XIN.Net，若出现错误提示，必须更改错误。图 4.2b 是更改后没有错误的对话 框， 大学Protel 应用实践课程设计说明 21 图 4.2a 单击 Execute 键，元件就会加载到工作区上。 图 4.2b 大学Protel 应用实践课程设计说明 22 4.3 元器件布局元器件布局 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 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， 大学Protel 应用实践课程设计说明 23 自动布线的成功率几乎是 100%。自动布线完成后，将弹出如下布线信息对话框， 它指出了布线的相关信息，如不先完成的程度、布了多少线、还有几条没布完、 布线所用的时间。点击 OK，则布线完成。若对布线不满意，可在工具下拉菜 单上选“撤销布线” ，恢复飞线状态后可重新布线。 4.5 编辑和调整编辑和调整 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。布线结束后可适 当地修改元件参数的位置，使布局看起来更加美观。最后可得到下图， 大学Protel 应用实践课程设计说明 24 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。 4.6 铺地铺地 将设计工作区的板层标签上由 KeepOutLayer 转至 TopLayer，再选择工具 栏上的按钮，将会弹出如下对话框，如图在 Connect to Net 中选择 GND,点 击 OK，鼠标将变成光标，用光标将边框在画一遍，则会得到如下所示的 PCB 的顶 层。 大学Protel 应用实践课程设计说明 25 将设计工作区的板层标签上由 KeepOutLayer 转至 BottomLayer，步骤与生 成 PCB 的顶层一样，最后得到的 PCB 的底层如下图所示。 这样就完成了一个从原理图到印刷电路板的设计。 大学Protel 应用实践课程设计说明 26 5 用用 Protel 99 SE 对原理图进行仿真对原理图进行仿真 执行菜单 Simulate 下的 Run 命令，若有错误，则要根据给出的错误提示对 原理图进行修改，知道没有错误为止。这时执行上述命令则会得到如下的仿真 图， 大学Protel 应用实践课程设计说明 27 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 6 元器件材料清单的生成元器件材料清单的生成 执行 Report/Bill of Material 命令，则可生成如下元器件清单， 大学Protel 应用实践课程设计说明 28 7 设计中的问题及解决方法设计中的问题及解决方法 虽然 Protel 99 SE 功能强大，人机界面友好，但在设计过程中往往遇到一 些问题。 (1)生成的印刷电路板图与电路原理图不相符，有一些元件没有连上。这种 情况时有发生，问题出在原理图上，原理图看上去是连上了，但画图不符合规 范，导致未连接上。不规范的连线有： 连线超过元器件的断点； 连线的两部分有重复。 解决方法是在画原理图连线时，应尽量做到： 在元件端点处连线； 元器件连线尽量一线连通，少出现直接将其端点对接上的方法来实现。 (2)在印刷电路板设计中装入网络表时元器件不能完全调入。原因有： 原理图中未定义元件的封装形式； 印刷电路板封装的名称不存在