2-电子电路cad 实验指导书(后)

电子电路 CAD 实 验 指 导 书 湘南学院物理系 2010 年 II 前 言 本实验指导书适用于电子类及相关专业，是跟电子线路 CAD 课程配套的实验教材。本课程强调实际操作, 上机实验是非常重 要的环节。本实验指导书共有 9 个实验项目，这些实验与课堂教 学紧密配合，通过有针对的上机实验，可以更好的掌握 Protel 的功能，掌握利用 Protel 作电路图，利用 Protel 仿真，利用 Protel 把电路原理图转为印刷电路板（PCB），培养学生的动手 能力。 为了达到理想的实验效果，请学生务必做到： （1）上机前认真准备，要根据实验目的和实验内容，复习好实 验中可能要用到的实验操作，提高上机效率。 （2）上机过程中积极思考，理解每一步操作的含义，出现问题 要积极思考解决办法。 （3）上机后认真总结，要总结本次上机实验有哪些收获，还存 在哪些问题。 具有良好布局和布线的 PCB 电路板需要不断的上机实践和经 验的积累，在上机的过程中会碰到各种各样的问题，分析问题然 后解决问题就是经验积累的过程。只要学生按照上面 3 点去做， 在学完本课程后一定会有很大的收获，计算机辅助电路设计能力 一定会有很大的提高。 目 录 实验项目 1 PROTEL99SE 使用基础 1 实验项目 2 创建原理图元件库 3 实验项目 3 原理图设计 5 实验项目 4 层次原理图设计 9 实验项目 5 创建元件封装库 12 实验项目 6 印刷电路板的自动布局与自动布线 .14 实验项目 7 印刷电路板的人工布局与人工布线 17 实验项目 8 电路仿真 21 实验项目 9 单片机最小系统电路及线路板设计 27 实验项目 10 模拟电路和数字电路的仿真 29 1 实验项目 1 Protel99SE 使用基础 一、实验目的 1、掌握设计数据库的概念，以及建立、打开和关闭等操作。 2、熟悉 Protel99SE 的设计界面，熟练掌握对设计数据库中的文 件夹和文件的操作 3、掌握利用窗口管理功能对窗口显示方式及其显示内容的方式 进行管理。 二、实验设备 已安装 Protel99se 软件的 PC 一台 三、实验内容 1、新建一个设计数据库， 选择 MS Access Database 保存类型， 名称为 Pt.Ddb ，并设置密码。 2、关闭第 1 题中新建的设计数据库文件 Pt.ddb 后，再打开。 3、在一个设计数据库下，新建一个文件夹，并在该文件夹下， 分别创建原理图和 PCB 文件，所有名称均采用系统默认名。 4、将上面新建的文件夹和两个文件分别更名为 WJJ 、 YLT.Sch 和 DLB.PCB 。 5、在工作窗口或文件管理器，练习打开和关闭文件夹或文件的 操作。 6、练习三种保存文件的操作，并比较它们之间的区别。 7、 将前面建立的 FDDL 文件夹下的两个文件 YLT.Sch 和 DLB.PCB 导出到 C: 下。 2 8、 新建一个设计数据库 MyDesign1.ddb ，将刚才导出的两个文 件 YLT.Sch 和 DLB.PCB ，导入到该设计数据库中的 Documents 文件夹下。 9、 在 WJJ 文件夹下，链接一个文本文件，并观察链接文件的图 标。 10、在设计数据库 MyDesign.Ddb 下，新建一个文件夹 WJJ1 。 然后将 WJJ 中 YLT.Sch 文件复制到 FDDL1 中；将 DLB.PCB 移 到 WJJ1 中。 11、 在设计数据库 MyDesign.Ddb 下，将文件夹 WJJ1 下的文件 全部删除。然后进入回收站，将 YLT.Sch 文件彻底删除，将 DLB.PCB 文件还原。 12、打开两个设计数据库，并使它们以平铺、层叠方式显示。 四、思考题 1、Protel 99 SE 中的设计保存类型分几种方式？它们之间有何 不同？ 2、Protel 99 SE 中提供的文件类型有哪几种？ 3、对于设计数据库，文件的链接和文件的导入有何区别？使用 导出文件功能有何优点？ 五、参考教材 1、电子线路 CAD实验指导书 电工电子实验室自编 2、Protel 99 se 原理图和印刷电路板设计 朱定华 黄松 蔡苗 清华大学出版社 3、Protel99SE 电路设计与仿真教程 胡烨 机械工业出版社 4、 Protel99 电路设计与应用 孙江宏 机械工业出版社 3 实验项目 2 创建原理图元件库 一、实验目的 1、掌握绘制元件符号的方法 2、掌握原理图元件库的管理。 二、实验设备 已安装 Protel99se 软件的 PC 一台 三、实验内容 1、打开原理图元件库文件 Protel DOS Schematic Libraries.ddb 进行浏览。 2、浏览 7426、7437、74132 元件，看看是否与 74ALS00 的图形 一样。 3、绘制如图所示芯片。 4 4、绘制一个 JK 触发器。 5、将前面绘制的所有元件符号放置到一个原理图文件中。 四、思考题 1、 原理图元件库文件的扩展名与原理图文件的扩展名怎样区别？ 2、复习引脚属性对话框中各选项的含义。 3、将自己绘制的元件符号用到原理图中，你会几种方法？ 五、参考文献 1、电子线路 CAD实验指导书 电工电子实验室自编 2、Protel 99 se 原理图和印刷电路板设计 朱定华 黄松 蔡苗 清华大学出版社 3、Protel99SE 电路设计与仿真教程 胡烨 机械工业出版社 4、Protel99 电路设计与应用 孙江宏 机械工业出版社 5 实验项目 3 原理图设计 一、实验目的 1、掌握利用 Protel 99 SE 进行电路原理图设计的一般步骤 2、掌握原理图编辑器中对图纸的设置，对电路图的大小、网格、 光标、对象系统字体的设置方法。 3、掌握对原理图的 ERC 电气法则检测。 4、掌握绘制原理图的基本方法，能绘制比较简单的原理图 二、实验设备 已安装 Protel99se 软件的 PC 一台 三、实验内容 1、新建一个原理图文件，设置图纸为 A4 竖放，标题栏为 ANSI， 栅格设置 Snap On,设置为 5，Visible 设置为 10。 2、绘制原理图 YLT1.SCH 分别放置与非门 74LS00 中的四个单元，如图 2.1 所示。 74LS00 所在的元件库为 Protel DOS Schematic Libraries.ddb。 图 2.1 3、绘制原理图 YLT2.SCH 6 绘制图 2.2 所示电路原理图 图 2.2 电路原理图练习 4、绘制原理图 YLT3.SCH 绘制如图 2.3 所示带有总线的电路原理图。在原理图上放置 三个 I / O 端口，端口的属性分别设置为端口名：Data1，外形： Right，电气特性：输入端口；端口名：Data2，外形：Left，电 Lib Ref Designator Part Type Footprint 1458 U1 MC4558 DIP8 RES2 R1 AXIAL0.3 RES2 R2 AXIAL0.3 RES2 R3 AXIAL0.3 RES2 R4 AXIAL0.3 RES2 R5 AXIAL0.3 Cap C1 RAD0.3 1458 在 Protel DOS Schematic Libraries.ddb 中的 Protel DOS Schematic Operational Amplifiers.lib 中 其余元件在 Miscellaneous Devices.ddb 7 气特性：输出端口；端口名：Data3，外形：Left & Right，电 气特性：双向端口。 图 2.3 带有总线的电路原理图 Lib Ref Designator Part Type Footprint Cap C9 0.1uF RAD0.2 Crystal XTAL 4.915MHz AXIAL1.0 74LS04 U9 74LS04 DIP14 RES2 R3 470K AXIAL0.4 RES2 R4 470K AXIAL0.4 4040 U12 4040 DIP16 SW DIP-8 SW1 SW DIP-8 DIP16 U9 在 Protel DOS Schematic Libraries.ddb 中的 Protel DOS Schematic TTL.Lib U12 在 Protel DOS Schematic Libraries.ddb 中的 Protel DOS Schematic 4000CMOS.Lib 其余元件在 Miscellaneous Devices.ddb 8 四、思考题 1、Document Options 对话框的作用是什么？ 2、怎样调出 Document Options 对话框？ 3、新建一个原理图文件，图纸版面设置为：A4 图纸、横向放置、 标题栏为标准型，光标设置为一次移动半个网格。 4、加载/移出原理图元件库的方法有几种，你会操作吗？ 5、元件的属性有几个，它们的含义分别是什么？ 6、放置元件的操作有几种方法？ 7、放置网络标号应注意什么问题？ 8、ERC 电气检测法则能检查电路中的逻辑错误吗？ 五、参考文献 1、电子线路 CAD实验指导书 电工电子实验室自编 2、Protel 99 se 原理图和印刷电路板设计 朱定华 黄松 蔡苗 清华大学出版社 3、Protel99SE 电路设计与仿真教程 胡烨 机械工业出版社 4、Protel99 电路设计与应用 孙江宏 机械工业出版社 9 实验项目 4 层次原理图设计 一、实验目的 1、掌握层次原理图的概念及其设计方法。 2、掌握自顶向下和自底向上的层次原理图设计方法 3、掌握层次原理图的浏览方法，主电路图与子电路图之间切换 二、实验设备 已安装 Protel99se 软件的 PC 一台 三、实验内容 1、打开 Z80 Microprocessor.ddb 设计数据库文件，练习在方块 图电路和子电路图之间的切换。 2、利用自顶向下的设计方法，绘制 Z80 Microprocessor.ddb 中 的主电路图，并绘制其中的一个子电路图 CPU Clock.sch。 3、绘制如图 4.1 所示的主电路图，和该主电路图下面的三个子 电路图如图 4.2、4.2、4.4 所示。 CLK-SIG CLOCKCLOCK.sch CLK-INCLK-OUT MIDDLEMIDDLE.sch TRI-SIG SIN-OUT SINSIN.sch 图 4.1 主电路图 图 4.2 子电路图 10 图 4.3 子电路图 图 4.4 子电路 四、思考题 1. 主电路图文件的扩展名是什么？这个文件又称为什么文件？ 2. 在自顶向下的设计方法中子电路图是如何建立的？ 3. 在自底向上的设计方法中主电路图是如何建立的？ 4. 找一个稍微复杂一点的电路图，试着将它改造成层次原理图 的形式。 五、参考文献 1、电子线路 CAD实验指导书 电工电子实验室自编 11 2、Protel 99 se 原理图和印刷电路板设计 朱定华 黄松 蔡苗 清华大学出版社 3、Protel99SE 电路设计与仿真教程 胡烨 机械工业出版社 4、Protel99 电路设计与应用 孙江宏 机械工业出版社 12 实验项目 5 创建元件封装库 一、实验目的 1、掌握通过手工方式和系统内置的向导，新元件封装的制作方 法与操作步骤 2、掌握对元件封装库进行管理的基本操作 二、实验设备 已安装 Protel99se 软件的 PC 一台 三、实验内容 1、给出发光二极管的 SCH 元件，如图 6.1 所示。请绘制出其对 应的元件封装，如图 6.2 所示。两个焊盘的 X-Size 和 Y-Size 都 为 60mil，Hole Size 为 30mil，阳极的焊盘为方形，编号为 A， 阴极的焊盘为圆形，编号为 K，外形轮廓为圆形，半径为 120mil，并绘出发光指示。 图 6.1 发光二极管的 SCH 元件 图 6.2 发光二极管的 PCB 元件 2、NPN 型三极管的 SCH 元件，如图 6.3 所示，其对应元件封装选 择 TO-5，如图 6.4 所示。由于在实际焊接时，TO-5 的焊盘 1 对 应发射极，焊盘 2 对应基极，焊盘 3 对应集电极，它们之间存在 引脚的极性不对应问题，请修改 TO-5 的焊盘编号，使它们之间 的保持一致，并重命名为 TO-5A。 13 图 6.3 SCH 元件 图 6.4 PCB 元件 四、思考题 总结新元件封装的制作方法。 五、参考文献 1、电子线路 CAD实验指导书 电工电子实验室自编 2、Protel 99 se 原理图和印刷电路板设计 朱定华 黄松 蔡苗 清华大学出版社 3、Protel99SE 电路设计与仿真教程 胡烨 机械工业出版社 4、Protel99 电路设计与应用 孙江宏 机械工业出版社 14 实验项目 6 印刷电路板的自动布局与自动布线 一、实验目的 1、掌握由原理图生成网络表 2、理解电路板的物理边界和电气边界的区别及绘制方法，了解 由向导生成电路板的过程。 3、重点掌握自动布线规则的设置及自动布线有关命令的使用， 理解 DRC 校验的功能。 4、掌握几种手工调整布线的操作技巧，如将焊盘或元件接入到 网络内的操作步骤，对导线、焊盘或字符串进行全局编辑的 操作方法等。 二、实验设备 已安装 Protel99se 软件的 PC 一台 三、实验内容 1. 使用电路板生成向导，新建一个边长为 1500mil 的正方形电 路板，在电路板的四角开口，尺寸为 100mil100mil，无内部开 口，双层板，过孔不电镀，使用针脚式元件，元件管脚间只允许 一条导线穿过，最小走线宽度为 10mil，走线间距 15mil。所使 用元件如表 6.1 所示。电气原理图和 PCB 布局如图 6.1 所示。操 作练习内容如下： 1) 分别使用直接装载和利用设计同步器两种方法装入网络 表和元件。 2) 分别使用群集式和统计式两种方法进行自动布局，并使 用手工方法对布局进行调整。 15 3) 采用全局自动布线。 4) 在电路板上添加三个焊盘，标注为 VCC、GND 和 CLK，并 把他们连入相应的网络。 表 16.1 元件一览表 元件名称 元件标号 元件所属 SCH 库 元件封装 元件所属 PCB 库 RES2 R1、R2 Miscellaneous Devices.ddb AXIAL0.4 Advpcb.Ddb CAP C1 Miscellaneous Devices.ddb RAD0.1 Advpcb.Ddb CRYSTAL Y1 Miscellaneous Devices.ddb XTAL1 Advpcb.Ddb 74LS00 U1A、U1B、U1C Protel DOS Schematic Libraries.ddb DIP14 Advpcb.Ddb 图 10.1 电气原理图和 PCB 布局图 16 2使用电路板生成向导，新建一个边长为 1800mil 的正方形电 路板，在电路板的四角开口，尺寸为 100mil100mil，无内 部开口，双层板，过孔电镀，使用针脚式元件，元件管脚间只 允许一条导线穿过，最小走线宽度为 20mil，走线间距 15mil。加载 Advpcb.ddb 元件封装库，所使用元件如表 6.2 所 示。电气原理图和 PCB 布局如图 6.2 所示。 操作练习内容如下： 1）利用设计同步器装入网络表和元件。 2）先对集成电路 555 进行预布局（以 555 为布局的中心）， 再使用群集式方法进行自动布局，并使用手工方法对布局进行调 整。 3）先对电阻 R1 进行手工预布线，然后再采用自动布线完成其 它布线任务。 4）采用全局编辑，对电源和接地的走线线宽变为 30mil。 表 6.2 元件一览表 元件名称 元件标号 元件所属 SCH 库 元件封装 元件所属 PCB 库 RES1 R1、R2 Miscellaneous Devices.ddb AXIAL0.3 Advpcb.Ddb CAP C1、C2 Miscellaneous Devices.ddb RAD0.1 Advpcb.Ddb UA555 U1 Protel DOS Schematic Libraries.ddb DIP8 Advpcb.Ddb 4HEADER JP1 Miscellaneous Devices.ddb POWER4 Advpcb.Ddb 17 图 6.2 电气原理图和 PCB 布 四、思考题 1、SCH 元件库与 PCB 元件库有何区别？如何解决 Protel 中存在 的元件引脚编号不一致的问题？ 2、在进行 PCB 设计中，装入网络表和元件发生网络宏错误时， 应如何解决？ 3、简述 Protel 99 SE 提供了哪些元件布局的规则？群集式和统 计式布局方式各适用于什么场合？ 五、参考文献 1、电子线路 CAD实验指导书 电工电子实验室自编 2、Protel 99 se 原理图和印刷电路板设计 朱定华 黄松 蔡苗 清华大学出版社 3、Protel99SE 电路设计与仿真教程 胡烨 机械工业出版社 4、Protel99 电路设计与应用 孙江宏 机械工业出版社 18 实验项目 7 印刷电路板的人工布局与人工布线 一、实验目的 1、掌握元件、焊盘、导线等对象的放置方法和属性设置 2、掌握 PCB 板进行手工布局的整个操作过程，要特别掌握电路 板边框的绘制，元件封装库的加载和对布局进行调整的操作方法。 3、掌握手工布局和手工布线的操作步骤 二、实验设备 已安装 Protel99se 软件的 PC 一台 三、实验内容 1、新建一个 PCB 文件，设置相对原点并观察状态栏中坐标值的 变化。 2、在 PCB 文件中放置电阻、电容、二极管、集成电路等元件， 并设置它们的属性。 3、练习放置焊盘，在放置时，注意焊盘编号的变化并设置焊盘 的形状等属性。 4、练习放置过孔，仔细观察焊盘与过孔的区别，注意过孔与焊 盘所在层有何不同？ 5、放置导线后，在导线属性对话框中修改导线的宽度和所在的 层，看一看有何变化？ 6、练习对一条已放置的导线进行移动和拆分的操作。 7、练习将一条导线放置在顶层和底层的操作，注意添加的过孔 和导线颜色的变化。 19 8、分别绘制导线和连线，分析一下它们的操作有何不同？ 9、练习放置字符串，设置字符串的内容、大小、旋转角度等参 数 10、练习放置特殊字符串，并显示对特殊字符串解释后的内容。 11、练习放置矩形填充和多边形平面填充，练习以上所讲各种操 作，并比较这两种填充的区别。 12、练习放置三种圆弧和一种圆的方法并比较这三种方法的区别。 13、新建一个 PCB 文件，设置为双面板并练习切换工作层的方法。 14、设置当前原点，在机械层画出电路板的边框。 15、在 PCB 编辑器中，加载 Advpcb.ddbPCB Footprints.lib 元 件封装库，并浏览库中常用的元件的封装，如电阻类、电容类、 三极管类、二极管类元件的封装。同时理解 PCB 中的元件与原理 图中元件概念的不同。 16、练习几种元件旋转的操作。 17、利用排列元件的操作方法，对 PCB 图中的元件进行对齐整理。 18、对电路板中的各元件标注的位置、方向等参数进行调整，使 之更加整齐美观。 19、根据原理图中各个元件的连接关系，在电路板中进行手工布 线，线宽设为 10mil。 20、将电路板中电位器的焊盘进行补泪滴操作。 20 21、根据图 7.1 所示电气原理图，手工绘制一块单层电路板图。 电路板长 1450mil，宽 1140mil，加载 ADVPCB.Ddb 元件封装库。 根据表 7.1 提供的元件封装并参照图 7.1 进行手工布局，其中按 钮 S、电源和扬声器 SP 等元件要外接，需在电路板上放置焊盘。 布局后在底层进行手工布线，布线宽度为 20mil。布线结束后， 进行字符调整，并为按钮、电源和扬声器添加标识字符。 表 7.1 第 30 题 所属元件一览表 元件名称 元件标号 元件所属 SCH 库 元件封装 元件所属 PCB 库 RES2 R1 Miscellaneous Devices.ddb AXIAL0.4 Advpcb.ddb RES2 R2 Miscellaneous Devices.ddb AXIAL0.4 Advpcb.ddb RES3 R3 Miscellaneous Devices.ddb AXIAL0.4 Advpcb.ddb CAP C Miscellaneous Devices.ddb RAD0.1 Advpcb.ddb NPN Q1 Miscellaneous Devices.ddb TO-5 Advpcb.ddb PNP Q2 Miscellaneous Devices.ddb TO-5 Advpcb.ddb 21 图 7.1 电气原理图和参考布局图 四、思考题 1、绝对原点与相对原点（当前原点）有何不同？为什么要设置 当前原点？ 2、焊盘与过孔所在的工作层有何不同？ 3、在 Protel 99 SE 系统中，导线与连线有何区别？ 4、在电路板进行布局后，对元件标注进行调整的原则是什么？ 5、布线时，为什么有时要对电源线和地线的线宽进行加宽处理？ 6、为什么有时要对焊盘和过孔进行补泪滴操作？ 7、总结对电路板进行手工布局和布线的操作过程。 五、参考文献 1、电子线路 CAD实验指导书 电工电子实验室自编 2、Protel 99 se 原理图和印刷电路板设计 朱定华 黄松 蔡苗 清华大学出版社 3、Protel99SE 电路设计与仿真教程 胡烨 机械工业出版社 4、Protel99 电路设计与应用 孙江宏 机械工业出版社 22 实验项目 8 电路仿真 一、实验目的 掌握使用 Protel99SE 对电路进行仿真。 1、添加仿真数据库 Sim.ddb 2、选择仿真用元件 3、绘制仿真原理图 4、仿真 二、实验设备 已安装 Protel99se 软件的 PC 一台 三、实验内容 1 载入仿真元件库 SIM.DDB 1.1 载入 SIM99 的仿真元件库 (Library/Sch/Sim.ddb)中， 主要的仿真元件：Simulstion Symbols.Lib 1.2 SIM 中的激励源 2 选择仿真用元件 2.1 初始状态的设置 2.2 规则 2.2.1 所有的元件须选用适当的仿真元件模型 2.2.2 放置信号源，驱动整个电路 23 2.2.3 在需要仿真数据的节点处添加网络标号 3 绘制仿真原理图，仿真 3.1 对电路进行哪种分析，收集哪些变量数据，仿真后显示 哪些波形。 3.2 在原理图编辑环境下， 选择 Simulation Setup 菜单项， 进入仿真分析对话框。 3.2.1 选择仿真项目（Select Analysis to run） 3.2.2 选择要显示的仿真节点数据（Collect Data For） 4 工作点的分析是分析电路中各节点的直流偏置电压。在暂态 分析，交流小信号分析之前自动进行工作点分析。工作点分 析结果未一个包含节点或器件的电流，电压和功率的列表。 4.1 设计仿真原理图(电阻电容在 Simulation Symbol.lib ） 4.2 用网络标号标出线路的名字。 5 暂态分析的波形就像使用示波器测量电路观察到的波形一样。 以时间为横轴，计算各时间点的输出变量值（电压或电流）。 24 暂态分析的波形 6 直流扫描分析： 电源从起始电压到停止电压变化电压值， 每变换一次，执行一次工作点分析。 晶体管输出特性分析电路 晶体管输出特性是在基极电流一定的情况下， 集电极与发射极 之间的电压 Vce 与集电极电流 Ic 之间的关系曲线。 25 7 交流小信号分析仿真的是电路的频率相应。仿真器首先执行 工作点分析以确定电路的直流偏压，然后将信号源换成一个 固定振幅的正弦波扫描信号发生器，再在指定的频率范围对 电路进行分析。 8 温度扫描分析 默认的工作温度为室温。但是电子元件的参数是会受温度影响而 改变，从而影响电路的工作状态。 26 晶体管的特征参数（ICEO,VBE,）随温度升高而变化。 四、思考题 请说出我们所讲的各种报表中，哪些用于对 PCB 图的检查校 对，哪些用于印刷电路板的生产加工？ 五、参考文献 1、电子线路 CAD实验指导书 电工电子实验室自编 2、Protel 99 se 原理图和印刷电路板设计 朱定华 黄松 蔡苗