电子线路CAD课程设计报告.doc

电子线路CAD课程设计一.实训目的：1.熟悉原理图编辑器的功能与使用方法；掌握原理图元件及元件库的使用，元件的放置与编辑、电路原理图的设计以及报表、原理图输出等技巧与方法。2.熟悉印制电路板的设计流程，掌握元件封装库的使用和元件封装的放置方法。3.掌握PCB绘图工具的操作使用方法和PCB设计规则。4.掌握布局和布线等印制电路板的设计知识。5.掌握PCB报表的生成和PCB图打印输出方法。6.掌握印刷电路板的设计流程。2 实训内容 本次设计选择单片机控制系统，主要是熟练运用DXP作出最小单片机系统的电路图，以下通过介绍最小系统的各部分电路的电路图及原理，通过在DXP上绘制原理图，检查并修改错误，最后生成完整PCB板。3 设计原理和思路1.最小系统的结构 单片机即单片微控制器，是在一块芯片中集成了CPU（中央处理器）、RAM（数据存储器）、ROM（程序存储器）、定时器/计数器和多种功能的I/O(输入和输出)接口等一台计算机所需要的基本功能部件，从而可以完成复杂的运算、逻辑控制、通信等功能。单片机最小系统电路主要集合了串口电路、USB接口电路、蜂鸣器与继电器电路、AD&DA转换电路、数码管电路、复位电路、晶振电路和4*4矩阵键盘等电路。如下介绍几种简单的电路设计。下图是本次设计的的几个有关电路图总体框图： 单 片 机 F80C51待扩展数码管电路串口电路(MAX232)AD&DA转换Max232 蜂鸣器(Bell)4*4矩阵键盘(SW_BP16) 图1 总体设计框图2 各电路的原理分析（1）串口电路设计 51系列单片机片内有一个串行IO端口，通过引脚RXD(P30)和TXD(P31)可与外设电路进行全双工的串行异步通信。串行端口的基本特点8051单片机的串行端口有4种基本工作方式，通过编程设置，可以使其工作在任一方式，以满足不同应用场合的需要。其中，方式0主要用于外接移位寄存器，以扩展单片机的IO电路；方式1多用于双机之间或与外设电路的通信；方式2，3除有方式l的功能外，还可用作多机通信，以构成分布式多微机系统。串行端口有两个控制寄存器，用来设置工作方式、发送或接收的状态、特征位、数据传送的波特率(每秒传送的位数)以及作为中断标志等。在一定条件下，向阳UF写入数据就启动了发送过程；读SBUf就启动了接收过程。串行通信的波特率可以程控设定。在不同工作方式中，由时钟振荡频率的分频值或由定时器Tl的定时溢出时间确定，使用十分方便灵活。 串口电路设计主要是采用RS232与上位机PC相连，驱动串口电路则使用MAX232芯片进行设计，九孔串针用D connector代替处理。电路设计如图1所示。图1 串口电路设计 （2）蜂鸣器设计 蜂鸣器一般作为报警功能使用，结构比较简单，使用起来很方便。 蜂鸣器设计电路如图2所示。图2 Bell设计电路(3).AD&DA转换器设计 AD转换器也就是模数(Analog to Digital)转换器，即将模拟量(如电压、电流等)转换成数字量显示。设计采用了TI公司的AD芯片AD-TLC5649 ，这是一种低价位、高性能的8位 AD转换器，是以8位开关电容逐次逼近的方法实现 A/D转换。DA转换器就是数模(Digital to Analog)转换器，即将数字信号转换成模拟信号，选用TLC5620，自己制作元件库。 AD&DA转换电路如图3所示。图3 AD&DA转换电路(4).待扩展四位8段数码管的设计 数码管电路设计如图4所示。图4 数码管的电路设计(5).4*4矩阵键盘的设计 在按键数量较多的场合，矩阵键盘与独立按键键盘相比，要节省很多的I/O口。矩阵键盘的按键设置在行、列线的交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。列线通过上拉电阻接到+5V。 平时无按键动作时，列线处于高电平状态，而当由按键按下时，列线电平状态将由与此列线相连的行线电平决定。行线电平如果为低，则列线电平为低；行线电平如果为高，则列线电平亦为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否被按下的关键所在。 该电路中还有一个与门，这个与门用来产生中断信号，当键盘中没有键按下时，所有行线的输出都应为低电平，以区别于列线状态，当矩阵键盘中任何一只键按下时，与门输出由高电平变为低电平，向CPU申请中断，由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在行和列的电平。因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位置。 矩阵键盘的电路设计如图5所示。 图5 矩阵键盘3. 总电路设计原理图如图6 图64. 电路原理图和PCB设计图绘制1.元器件的绘制准备工作原理图的绘制之前都需要装载元器件库，选择“元器件“，在如下窗口中找到自己需要的元器件安装。由于元器件库里大部分的元器件都没有，所以大部分都需要绘制，建立自己的组件库。绘制元器件的过程如下：打开DXP软件，在文件菜单栏里面创建原理图元件库，就会产生一个以Schlib为后缀的文件，在编辑区的中心有一个十字坐标轴将元件编辑区分成4个象限，但是我们一般在第四象限绘制。根据原理图上面器件的形状，在放置一栏中放置元件的外形，再依次放置引脚，引脚的标注根据需要而修改，并且设置管脚属性，最后设置元件的属性，其中包括元件的封装和仿真参数。图7 创建器件库这里还要介绍一下元件的封装。也是在文件菜单栏中创建PCB库，在工具一栏中选择新元件，在元件封装向导的指引下规定封装的形式和引脚规格，这包括封装的类型和各引脚之间的距离，引脚的大小等等，最后保存。同时要在之前画的元件的图中找到此封装，将两者关联起来。这才算完成一个元器件的绘制。这里列举两个元器件图：1、AD转换部分：TLC5649和5620都是AD转换部分使用到的芯片，这里是自己绘制的，包括封装。2.接着按照上面设计思路绘制原理图。编译结果如图8图83.PCB图的绘制原理图的“项目管理”菜单栏中选择“追加新文件到项目中”的“PCB文件”，就打开了PCB文件，首先要保存。最初要设置PCB板子的规则，包括导线的宽度、板子的层数、孔的大小等。然后，在机械层画出板子的大小，并且以能放进所有元件切板子小而优，导入网络表和元器件封装，这就要检查其中是否有错误，我们发现有几处的封装做的不是很完整，所以进行了修改（如果看不见原理图，可缩小再看），将其移近所画范围中，我们可以看见其中的飞线，那是说明这其中的连接。然后手动布局，将所有器件移到最适合的位置，根据最初的设计规则，在一层或者两层连线（注意连线的过程中在转折处不要形成直角，否则会尖端放电，并且连线之前要考虑全局，不要给自己造成无路可走的局面），也可自动布局。 当所有的连线完成，调整布线的布局使其更加美观。（执行变化情况）布局完成后，进行布线规则设置，线宽设置10英寸，新建power设置15英寸，再进行其他设置布线规则设置好之后，进行自动布线操作，再进行加泪滴，手动布线修改，最终完成PCB板如下（最终覆铜加泪滴） 最后进行DRC检查。点击菜单栏工具设计规则检查，会自动弹出设计规则检查器，点击运行设计规则检查即可，出现如下图所示图形，说明还有错误。若有错误，根据错误提示查找并改正，直到没有错误为止，本人新手暂时还不太会改正，希望以后多加练习。修改完成后图11 DRC检查结果最后在查看里面看下3D效果 5 思考题1. 试述PCB图的设计流程。一般PCB基本设计流程如下:前期准备（包括元件封装等）-PCB结构设计-PCB布局-布线-布线优化和丝印-网络和DRC检查和结构检查-制版. 2. 电路的元件自动布局要做那些准备工作？执行自动布局的命令有那些？元件自动布局有那些局限性？准备主要是设定自动布局的设计规则，把原理图布局做好 ，电源线自己画最好。元件自动布局效果比较差。3. 电路的自动布线要做那些准备工作？执行自动布线的命令有哪些？自动布线有哪些局限性？若需局部手动布线,应如何操作?准备：1 ）设定自动布线的设计规则，使自动布线按照自己的要 ；2 )锁定已经完成的布线和不需要改动的网络。 3) 设置自动布线的参数。命令：首先Design/Option/Layers中选定信号层(Signal Layers),一般选底层和顶层；然后执行菜单命令Design/Rules，出现DesignRules对话框可在其中设置布线规则，每一项参数包括布线范围(Rule scope)和布线属性(Rule Attributes)局限性：自动布线很强大，在布线规则设置很好的情况下，软件可以严格按照规则布线，是可以达到预想要求的。但是Allegro的布线规则太多了，要自动布线，在布线之前得进行繁琐的规则设置，有时候元件位置安排不合理，导致无法完成布线。设置板层、线宽等参数就可以布线了。也可以直接在PCB图纸中直接放入元件，手工布线，但是器件间没有预拉线-常说的飞线（也就是没有网络关系）很容易出错，布线一定要小心错漏。有预拉线可以避免出错。4.简述敷铜的意义，在PCB图中如何放置敷铜？敷铜的意义：1)减小地线阻抗，提高抗干扰能力；2)降低压降，提高电源效率；3)与地线相连，还可以减小环路面积。4)也出于让PCB 焊接时尽可能不变形的目的，大部分PCB 生产厂家也会要求PCB 设计者在PCB的空旷区域填充铜皮或者网格状的地线。方法：（1）首先就是调整PCB板（比如修改物理层和禁止布线层），合理地分布元件，达到最佳利用效果。 （2）在PCB界面点“放置”“覆铜”，出现覆铜的对话框，根据你自己的要求，在里面选择填充模式（除特殊要求外，一般的电路都选择实心填充，适用于高热工作环境的电路板应选择影像化填充）。6 心得体会 冰冻之尺，非一日之寒，真的需要很多的练习，才能熟练掌握这门课程。通过做这次电气制图与电子线路CAD的课程设计，发现自己对Protel DXP软件还不是很熟悉，导致制图的时候不是那么得心应