基于multism时钟电路的设计.doc

目 录摘要：12第一章 设计选用元器件介绍13一: 74ls160(十进制计数器)的介绍13二：74ls00的介绍15三: 74ls00和74ls160应用举例15四:显示数码管16五:74ls04非门17六:555定时器17第二章 用multism2001设计时钟电路19一：multism软件的介绍19二：总体设计思想19三：同步时钟信号的设计20四：秒电路的设计20五：分钟电路的设计21六：小时电路的设计21七：完整的时钟电路设计22八:电路仿真22九：功能拓展22十：综述22第三章：应用protel99se来设计时钟电路的电路板23一：总体设计思路23二：原理图（schematic）的输入23三：网络表（netlist）的生成23四:pcb的生成25第四章：电路板实物的制作26一: 电路板实物制作概述26二:实物的焊制26三: 硬件的检修28结论:28参考书目:28致谢:29摘要：数字电路是各个学科的基础,数字电路实验是学习数字电路的一个重要环节,它不仅能巩固理论知识的学习,而其能提高实验动手能力,增强设计和调试电路的能力.在实验过程中运用的电子设计自动化（edaelectronic design automation）是现代电子工程领域的一门新技术，它提供利用计算机对电路系统进行的设计方法，不仅使得设计过程更加方便、快捷，而且大大减少了实验设备的投入。掌握eda技术是通信电子类高校学生就业的一个基本条件。然后就是用multism2001软件仿真电路的工作是不是与自己得设计相同,也可以根据进行某些改进. 下一步就是设计制作电路pcb 我们常用的是protel99se,这样对我们的设计pcb非常有用,最后就是pcb的加工,.然后按照原理图焊入电子元器件,最后进行硬件检测,一直到电路工作正常为止. 现在电子产品的设计与制造的过程都离不开计算机的帮助,现在最新的就是eda技术能够在cpld的内部实现使用的电路.实现片内系统的集成.关键字：时钟电路 multism2001电路仿真 protel99se abstract: the reason why the clock circuit is the one of the most typical design for a lerner of electricity is that it is combination of all fundamental knowledge. for this design i should apply some common digital chip, and the most used software-(cad computer aided design) multism2001 and protel99se , meanwhile it is a chance for me to acknowledge the progress that a good been made. when you design a good, the first thing you should do us that you should do the acquiring analysis , than you should design the actual circuit meet this acquiring. (while design you must use the least circuit to realize the most useful functions). after this multism2001 can be used to check whether the result you had fit the function you want. meanwhile you can do some corrections if needed. protel99se can be used ro make the pcb( printed circuit board). all the things left is that embed all components and check whether it can works well. in the electronic design today, almost all the designs must benefit from the computers, eda(electronic design automatically) can make the whole circuit in one single chip we called the cpld(complex programmable logic devices)key words: clock circuit multism2001simulation protel99se第一章 设计选用元器件介绍 设计时钟电路所能够采用的元件很多,我们选用一些常见的74系列的数字芯片. 包括74ls160(十进制计数器), 74ls00(与非门),74ls04非门,以及用来显示的数码管,产生晶振的555定时器以及一些相关的电阻,电容等.一: 74ls160(十进制计数器)的介绍对型号构成说明如下。以ct74ls160cj为例：74 ls 160 c j 74：国际通用74系列 h：高速系列s：肖特基系列ls：低功率肖特基系列as：先进的肖特基系列als：先进的低功耗肖特基系列 160：同步十进制计数器 c：070（只出现在74系列） d：多层陶瓷双列直插封装j：黑瓷低熔玻璃双列直插封装p：塑料双列直插封装f：多层陶瓷扁平封装74ls160是最为常见的10进制计数器,元件的引脚图如下74ls160的功能是实现0-9的自动计数，芯片工作的时候ent与enp必须工作的高电平，clk 接时钟信号，当有时钟信号输入ent与enp接如高电平（而且clr与load为高电平时，计数器正常计数由qa ，qb，qc，qd 输出，当计数为9时rco自动发出一个进位信号。 clr是清零， load 是置数。真值表如下：clrloadenp/entclkrcoqa qb qc qd输出十进制111脉冲当输出为1001是为10000-1001输出0-9依次输出0x1脉冲000101脉冲当输出为1001是为1由预置数到1001计数由预置数到9计数xx0x电路不工作电路不工作电路不工作二：74ls00的介绍控制电路通过与非门芯片74ls00完成对显示的实时控制。74ls00是一个四个与非门的集成芯片，一脚与使四脚为电源与接地端，其余为四个与非门电路。2脚，3脚，四脚是一个与非门。复位电路有两种功能：第一用来完成对单片机的初始化,第二，当由于程序运行出错或操作失误使系统处于死锁状态时，可通过复位重新启动单片机，它通过复位按扭开关控制。其他类推，以其中的一个为例：输出等与两个输入端的与的非形式，真值表为：输入a 输入b输出= 001011101110三: 74ls00和74ls160应用举例74ls00与多个74ls160(十进制计数器)组合能够组成任意进制的计数器，例如用两个十进制的计数器组成十二进制的计数器。两个74ls160与一个74ls00组成的十二进制度计数器四:显示数码管 led显示屏作为一种新兴的显示媒体，随着大规模集成电路和计算机技术的高速发展，得到了飞速发展，它与传统的显示媒体多彩霓虹灯、象素管电视墙、四色磁翻板相比较，以其亮度高、动态影像显示效果好、故障低、能耗少、使用寿命长、显示内容多样、显示方式丰富、性能价格比高等优势，作为新一代的显示媒体，已广泛应用于各行各业。特别是灰度显示屏以其现代化的姿态用于企事业单位形象宣传和公共场所信息显示，已成为无可替代的显示媒体。 集成显示数码管可以用来显示0-f十六进制的数字.图例如下: 在本设计中用集成显示数码管与74ls160的输出端连接来显示输出连线为: 集成显示数码管与74ls160的输出端连线图五:74ls04非门74ls04是一块ttl集成电路，内有六个单端输入的与非门。非门74ls04用来表示逻辑非,能实现高低电平的转换.真值表为: 74ls04图形输入a 输出0110 74ls04真值表六:555定时器 555定时器是中规模集成电路，只要外接少量的阻容元件，就可以很方便地构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器，因而在信号的产生与变换、自动检测及控制、定时和报警以及家用电器、电子玩具等方面得到极为广泛的应用。555定时器根据内部器件类型可分为双极型（ttl型）和单极型（cmos型），它们均有单或双定时器电路。双极型型号为555（单）和556（双），电源电压使用范围为516v，输出最大负载电流可达200ma。单极型型号为7555（单）和7556（双），电源电压使用范围为318v，但输出最大负载电流为4ma。555定时器是最常见一种电子芯片,可以与一些简单的电子元器件组合成触发器电路,震荡电路等,在本设计中可以采用:555定时器组成,震荡电路充当clk信号.下面是用555定时器组成的震荡电路(震荡频率为1hz)1hz的脉冲信号输出out 用555定时器组成的震荡电路第二章 用multism2001设计时钟电路一：multism软件的介绍multism2001是一个完整的电子设计工具软件，它具有如下功能：巨大的元件数据库：multism2001提供了从分立元件到集成电路、从模拟电路到数字电路等领域6000多种元件或模型（个人版），并可以将各种新元件的spice库元件导入该软件，用户还可以建立自己的元件库。完整的模拟/数字混合仿真：不但可以对模拟元件进行仿真，而且可以对模拟电路、数字电路及混合电路进行仿真。电路原理图编辑功能：multism2001软件的元件都采用可视化的工具栏进行选择，使用相当方便，更有子电路的功能和电路加密功能，使用更加灵活。强大的分析功能：提供了十几种电路的分析手段，可帮助设计工程师分析电路的性能，使通常需要几天甚至几个月的分析在瞬间完成。强大的虚拟仪器功能：该软件提供了示波器、逻辑分析仪、波特仪及数字式万用表等十多种虚拟仪器；其友好、逼真的界面，如在实验室中亲手操作仪器一样，并且可以将测试的结果加以保存，用于教学非常方便；其提供的逻辑分析仪、网络分析仪更是一般实验室少见的高档仪器。vhdl和verilog设计输入和仿真：multism2001软件将vhdl和verilog hdl的设计和仿真包含进去（选件），使得可编程器件及大规模集成电路设计和仿真与模拟电路、数字电路的设计和仿真融为一体，解决了原来可编程器件和大规模集成电路无法与普通电路一体仿真的瓶颈。可以与电路板设计软件无缝连接：multism2001软件的设计结果可以方便地导出到电路板设计软件进行电路板走线。二：总体设计思想本设计中采用555定时器组成一个1hz 的时钟信号来充当电路工作的同步时钟信号。用六个74ls160与相应的与非门来实现时间，分钟，秒的计数。用六个数码管来分别显示小时，分钟，秒的十位 个位。三：同步时钟信号的设计 555定时器是最常见一种电子芯片,可以与一些简单的电子元器件组合成触发器电路,震荡电路等,在本设计中可以采用:555定时器组成,震荡电路充当clk信号.下面是用555定时器组成的震荡电路(震荡频率为1hz)out 用555定时器组成的震荡电路四：秒电路的设计 秒电路由两个74ls160构成，与74ls04 74ls00组合可以组成六十进制的计数电路而且在计数为60时候就需要清零，同时需要给分钟一个进位信号，使分钟电路开始工作。60进位输出60清零当电路计数到60的时候与非门给出一个清零信号，电路重新计数，同时为分钟计数提供一个进位信号，分钟加一。五：分钟电路的设计分钟电路与秒电路基本是一致的。只是分钟电路的工作是秒电路满60时才工作一次。本设计所采用的同步时钟信号。分钟电路进位输出秒电路进位秒电路进位分钟电路原理图六：小时电路的设计小时电路与秒电路，分钟电路有所区别，采用的是24小时进制每当计数字为24的时候可以发出一个进位信号脉冲信号分钟电路进位功能扩展分钟电路进位 小时电路原理图小时电路数码显示分钟电路数码显示秒电路数码显示七：完整的时钟电路设计小时电路分钟电路秒电路 时钟电路的原理图整体工时钟电路分为时钟发生电路 秒工作电路 分钟工作电路 小时工作电路以及显示电路五个部分.电路层次分明.八:电路仿真 nultism2001的功能就是在电路设计的初期，能够验证电路工作的原理。有虚拟实验室的功能与作用。使整个电路的设计变得非常简便。九：功能拓展本设计主要就是能够实现秒，分钟，小时的24小时循环计数，本设计经过一定的修改就可以实现一些功能的拓展，可以实现星期 月等的计数。十：综述先行的电子设计的过程一般来说先进行需求分析，在需求明确的基础上采用相应的电路设计来实现，这就要求对一些常见的电子线路，以及一些常见的芯片的功能作用有一定的了解。要有一定的理论功底，所设计电路的工作的正确与否要通过相应的软件来进行仿真，以确定所设计的电路符合自己的需求，一定要多做修改，一直到达到满意的效果为止。第三章：应用protel99se来设计时钟电路的电路板 一：总体设计思路在原理图通过仿真正确以后，下面所需要的就是进行电路板的设计，也就是常见的pcb的设计，一般来说经常采用的protel99se来进行设计。用protel99se设计pcb 有两个最基础的要求，首先就是pcb 要能够与原理图完全一致，其次就是pcb 的布局一定要合理，也就是排线要有一定的规则，能够方便的生产。最后还要能够参照电子工艺的一些标准来进行合理的调整。软件首先需要的是进行原理图的编辑，在原理图的基础上创建网络表最后通过网络表的调用来实现pcb的制作。二：原理图（schematic）的输入 原理图是pcb 制作的基础，要能够把所设计的电路现实的反映到原理图中，这个是一个比较基础的工作，能够很方便的实现。为了产生pcb每一个元件要有一定的封装，在这个过程中就要认真考虑实际的情况，考虑自己所使用的电子元器件，选择确当的封装形式。三：网络表（netlist）的生成 网络表在pcb 的设计中占有很重要的位置，它是实现由原理图形转化成pcb 的中间媒介。网络表是原理图的另外一种表达，包含了原理图的两个最主要的要素。第一网络表包含了原理图中所有的元件（包括原理图中元件的名称 参数 以及封装），第二网络表描述了原理图中各个元件的连接关系。有了这两点，我们可以说网络表是原理图的文本描述。在设计pcb的时时，调用了网络表就是调用了原理图。 本设计的网络表为：18u1 sip4 shumau2 sip4 shumau3 sip4 shumau4 sip4 shumau5 dip-16 74f160au6 dip-16 74f160au7 dip-14 74f00u8 sip4 shumau9 dip-14 74f04u10 dip-16 74f160au11 sip4 shumau12 dip-16 74f160au13 dip-16 74f160au14 dip-16 74f160ay1 xtal1 1.000mhz(gnd u5-8 u6-8 u7-7 u9-7 u10-8 u12-8 u13-8 u14-8 y1-2)(netu5_1 u5-1 u6-1 u7-3 u9-1)(netu5_2 u5-2 u6-2 u10-2 u12-2 u13-2 u14-2 y1-1)(netu5_11 u1-4 u5-11)(netu5_12 u1-3 u5-12)(netu5_13 u1-2 u5-13)(netu5_14 u1-1 u5-14)(netu5_15 u5-15 u6-7 u6-10)(netu6_11 u2-4 u6-11)(netu6_12 u2-3 u6-12 u7-1)(netu6_13 u2-2 u6-13 u7-2)(netu6_14 u2-1 u6-14)(netu7_6 u7-6 u9-3)(netu9_2 u9-2 u10-7 u10-10)(netu10_11 u3-4 u10-11)(netu10_12 u3-3 u10-12)(netu10_13 u3-2 u10-13)(netu10_14 u3-1 u10-14)(netu10_15 u10-15 u12-7 u12-10)(netu12_11 u4-4 u12-11)(netu12_12 u4-3 u7-4 u12-12)(netu12_13 u4-2 u7-5 u12-13)(netu12_14 u4-1 u12-14)(netu13_7 u9-4 u13-7 u13-10)(netu13_11 u8-4 u13-11)(netu13_12 u8-3 u13-12)(netu13_13 u8-2 u13-13)(netu13_14 u8-1 u13-14)(netu13_15 u13-15 u14-7 u14-10)(netu14_11 u11-4 u14-11)(netu14_12 u11-3 u14-12)(netu14_13 u11-2 u14-13)(netu14_14 u11-1 u14-14)(vccu5-7u5-9u5-10u5-16u6-9u6-16u7-14u9-14u10-9u10-16u12-9u12-16u13-9u14-9u14-)四:pcb的生成 在生了网络表之后,需要做的,也就是最后的目的就是制作出相对应的pcb.设计一个电路板,调入了网络表在经过合理的布局,需要考虑很多的现实问题. 一般对于简单的电路板,尽量考虑使用单面板进行制作,因为单面板加工方便简单,造价不高,如果单面板不能够满足需要,可以考虑使用双面板,双面板制作比较复杂,但是一般来说加工也是相对简单的.本设计采用的是双面板电路. 元件的布局与走线是制作pcb的主要需要做的事情,元件布局要合理有规则,走线要结构化,要能够清晰明了,易于制作.需要耗费大量的时间修改得尽量完美. 一般来说总是先考虑信号线的布置,因为一般来说信号线的密度很大,然后考虑电源线等.在设计中可以采取自动走线与人工走线相结合的方法,在自动走线结束以后要能够进行人工的布局修改,尽量做到完美 本设计制作的pcb图如下: 第四章：电路板实物的制作一: 电路板实物制作概述 pcb图形制作出来以后就需要制造出实际的电路板.目前pcb生产厂家生产pcb的方法主要有两种方法: 1:物理雕刻法 物理雕刻方法在成品板的附着力方面性能比化学蚀刻好而且物理雕刻出来的线条横截面在显微镜下呈正梯形，边缘角度和刻刀角度相同，线性良好，但是传统物理方法由于是全手工操作，精度难以控制，只能制作精度相对较低且线路不太复杂的线路板。此种方法制作pcb精度比较高,但是制作成本很大,目前一般使用不多.目前广泛采用的化学腐蚀法。2.化学腐蚀法 化学腐蚀方法由于是将整块板泡在溶液里腐蚀，腐蚀后必须清洗及烘干。在这一过程中，线路板经过一冷一热、一干一湿，大大影响了覆铜的附着力，实验调试过程中可能由于更换不同参数的电子原件引起铜片剥离脱落二:实物的焊制 1、选用电烙铁一般遵循以下原则： 烙铁头的形状要适应被焊件物面要求和产品装配密度。 烙铁头的顶端温度要与焊料的熔点相适应，一般要比焊料熔点高 30 80 （不包括在电烙铁头接触焊接点时下降的温度）。 电烙铁热容量要恰当，烙铁头的温度恢复时间要与被焊件物面的要求相适应，温度恢复时间是指在焊接周期内，烙铁头顶端温度因热量散失而降低后，再恢复到最高温度所需时间，它与电烙铁功率、热容量以及烙铁头的形状、长短有关。2、选择电烙铁的功率原则如下： 焊接集成电路，晶体管及其它受热易损件的元器件时，考虑选用 20w 内热式或 25w 外热式电烙铁。 焊接较粗导线及同轴电缆时，考虑选用50w内热式或4575w外热式电烙铁。 焊接较大元器件时，如金属底盘接地焊片，应选100w以上的电烙铁。3、电烙铁的握法电烙铁的握法分为三种： 反握法 是用五指把电烙铁的柄握在掌内，此法适用于大功率电烙铁，焊接散热量大的被焊件。 正握法 此法适用于较大的电烙铁，弯形烙铁头的一般也用此法。 握笔法 用握笔的方法握电烙铁，此法适用于小功 率电烙铁，焊接散热量小的被焊件，如焊接收音机、电视机的印制电路板及其维修等。4、电烙铁使用前的处理在使用前先通电给烙铁头“上锡”。首先用挫刀把烙铁头按需要挫成一定的形状，然后接上电源，当烙铁头温度升到能熔锡时，将烙铁头在松香上沾涂一下，等松香冒烟后再沾涂一层焊锡，如此反复进行二至三次，使烙铁头的刃面全部挂上一层锡便可使用了。电烙铁不宜长时间通电而不使用，这样容易使烙铁芯加速氧化而烧断，缩短其寿命，同时也会使烙铁头因长时间加热而氧化，甚至被“烧死”不再“吃锡“。 5、 电烙铁使用注意事项 根据焊接对象合理选用不同类型的电烙铁。 使用过程中不要任意敲击电烙铁头以免损坏，不能用钳子夹以免损坏。在使用过程中应经常维护，保证烙铁头挂上一层薄锡。6、对焊接点的基本要求焊点要有足够的机械强度，保证被焊件在受振动或冲击时不致脱落、松动。不能用过多焊料堆积，这样容易造成虚焊、焊点与焊点的短路。焊接可靠，具有良好导电性，必须防止虚焊。虚焊是指焊料与被焊件表面没有形成合金结构。只是简单地依附在被焊金属表面上。焊点表面要光滑、清洁 ， 焊点表面应有良好光泽，不应有毛刺、空隙，无污垢，尤其是焊剂的有害残留物质，要选择合适的焊料与焊剂。7、手工焊接的基本操作方法 焊前