protel数字钟

1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 许建霞 工作单位： 信息学院 题 目: Protel应用实践课程设计数字钟 初始条件：Protel软件、PC机和相关的参考书籍如：1. Protel99 入门与提高.赵品编著.人民邮电出版社.2000.112. Protel99 高级应用.赵品编著.人民邮电出版社.2000.113. Protel 99 SE电路设计与仿真应用要求完成的主要任务: 1、绘制具有一定规模、一定复杂程度的电路原理图*.sch（自选）。可以涉及模拟、数字、高频、单片机、或者一个具有完备功能的电子电路系统。（注意：电路选择不可过分简单，元件种类（包括电源和信号源）少于5

2、种；或者元件个数少于10个将导致不及格。）2、 绘制相应电路原理图的双面印刷版图*.pcb3、对电路原理图进行仿真，给出仿真结果（如波形*.sdf、数据）并说明是否达到设计意图。（注意：仿真提倡对所绘制的原理图*.sch进行全面仿真，如果不能做到全面仿真成功，则要说明原因，但要完成局部电路的仿真。）时间安排： 序号设 计 内 容所 用 时 间1选择合适的电路1天2用Protel绘制相应的电路双面印刷版图，并仿真3天3总结编写课程设计报告1天合 计1周指导教师签名： 2014年 6 月 10 日系主任（或责任教师）签名： 2014 年 6 月 10 日武汉理工大学Protel应用实践课程设计 目

3、 录摘要IAbstractII1 PROTEL简介12 设计原理22.1 脉冲产生电路22.2时钟电路22.2.1秒（分）计数器22.2.2时计数器32.3主要元器件43 绘制电路原理图73.1 建立sch文件并装入所需元件库73.2 放置元件并调整元件位置73.3 放置导线及元件序号的自动标注83.4 编辑元件属性84 印刷版图的绘制104.1检查原理图104.2 生成网络表104.3 创建PCB文件以及网络表的装入114.4 元件的布局以及印刷板的布线114.5铺地135 仿真结果及分析145.1 仿真参数设置145.2 仿真结果及分析155.2.1 脉冲产生电路155.2.2 秒计时器电

4、路155.2.3 分计时器电路165.2.4 时计时器电路175.3仿真中遇到的问题176 总结19参考文献20附件121附件222摘要数字钟是采用数字电路实现对时,分,秒数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站, 码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化

5、为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。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AbstractThe digital clock uses the digital circuit realizes to, divides, the second digital demonstration's timing unit, widely

6、uses in individual family, the station, the wharf office and so on public place, becomes in the people daily life the necessary essential item, as a result of digital integrated circuit's development and the quartz crystal oscillator's widespread application, causes the digital clock's p

7、recision, went far beyond the old style clock and watch, clock's and watch's digitization produces the life for the people to bring enormous convenient, moreover expanded the clock and watch original to report time greatly the function. Such as fixed time the auto-alarm, on time automaticall

8、y hits the bell, the time sequencing automatic control, fixed time to broadcast, to be automatic shuts the street light, the time cut-out drying oven, the make-and-break power equipment, even each kind of fixed time electricity automatically to begin using and so on, all these, are take the clock an

9、d watch digitization as the foundation. Therefore, the research digit clock and expands its application, has the very realistic significance. 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 cle

10、ar, the design be normalized. To introduce the method of using Protel 99 SE , this design use a digital clock as an example.Key words: Protel 99 SE，Sch，PCB，Simulate，The digital clock I1 PROTEL简介Protel99SE是PROTEL公司在80年代末推出的EDA软件,应用广泛功能强大,是个完整的板级全方位电子设计系统。它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动

11、布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能。可见Protel99SE不仅在绘制原理图、PCB版布局布线等方面功能更加完善，而且为用户提供功能强大、使用方便的仿真器，它可以对当前所画的电路原理图进行即时仿真，因此在电路的整个设计周期都可以仿真查看和分析其性能指标，以便及时发现设计中存在的问题并加以改正，从而更好的完成电路设计。下面我们将对Protel99SE做个简介。Protel99se软件中提供了SIM99se数模混合仿真器集成软件可以对许多电子线路进行模拟设计，模拟运行，反复修改。提供了接近6000各仿真元件和大量的数学模型期间，可以对电工电路，低频电子线路、高频电

12、子线路和脉冲数字电路在一定范围内进行仿真分析。 仿真结果以多种图形方式输出，直观明了，可以单图精细分析，也可以多图综合比较分析、并可通过不同的角度进行分析，以获得对电路设计的准确判断。Protel99se仿真方面其具有的特点有：强大的分析功能、丰富的信号源、充分的仿真模型库、友好的操作界面。2 设计原理数字钟实际上是一个对标准频率(1Hz)进行计数的计数电路。其系统由脉冲产生电路、计数器、译码器、显示器组成，下面就脉冲产生电路、时钟电路（时、分、秒）展开分析。2.1 脉冲产生电路脉冲产生电路采用555定时器构成的多谐振荡器，通过对电路中电阻和电容取值的设置，可使振荡器的频率为1Hz，这样就可把

13、振荡器输出直接作为时钟脉冲信号，而不需分频器分频。为了方便仿真，采用555定时器与定时元件RC组成多谐振荡器，它的输出信号频率为。取，（滤波电容 ）,则电路的振荡频率为,输出信号为周期为1s的脉冲信号，这样输出就可以直接用来作为数字钟计数器的输入信号。脉冲产生电路如图2-1脉冲产生电路所示。图2-1脉冲产生电路2.2 时钟电路 2.2.1秒（分）计数器秒个位计数单元为10进制计数器，无需进制转换，只需将与相连即可。与秒输入信号相连，可作为向上的进位信号与十位计数单元的相连。秒十位计数单元为6进制计数器，需要进制转换。当 输 人 第 六 个 脉 冲 触 发 时 这 时 输 出 端 状 态 为 ，

14、 合 起 来 的 信 号 分 别 送 入个十两个计数器的 ，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 。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作为向上的进位信号应与分十位计数单元的相连，分十位计数单元的、 合 起 来 的 信 号 分 别 送 入个十两个计数器的 ，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 。由两片74LS90构成的秒（分）计数器如图2

15、-2所示。图2-2 分（秒）计数器电路2.2.2时计数器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”个位计数器输入端到 来 第 十 个 触 发 信 号 时 ， 计数器复 零 ， 进 位 端向 “ 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 , “ 时 ” 十 位 计 数

16、器 的 输 出 状 态 为 ，这 时“ 时 ” 个 位 计 数 器 的 和 “ 时 ” 十 位 计 数 器 的 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 、 ， 计 数 器 清 零 后 完 成 二 十 四 进 制 计 数 。时计数器电路图如图2-3所示。图2-3 时计数器电路2.3主要元器件1、振荡器中用到的555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，可以方便的构成施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器。用555组成的多谐振荡器的电路图和工作波形图如2-4所示，振荡周期。 图2-4 555多谐振荡器电路图及工作

17、波形图2、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。数字钟的设计中主要使用的器件为异步二五十

18、进制加法计数器74LS90，它既可以作二进制加法计数器，又可以作五进制和十进制加法计数器。图2-5 74LS90引脚排列表2-1 74LS90功能表输入输出功能清0置9时钟、 1 10 ×× 0× ×0 0 0 0清零0 ×× 01 1× ×1 0 0 1置9 0 ×× 00 ×× 0 1输出二进制计数1 输出五进制计数 输出8421BCD码十进制计数 1输出5421BCD码十进制计数1 1不变保持通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能。具体功能为：（1）

19、 计数脉冲从输入，作为输出端，为二进制计数器。（2） 计数脉冲从输入，作为输出端，为异步五进制加法计数器。（3） 若将和相连，计数脉冲由输入，、作为输出端，则构成异步8421码十进制加法计数器。（4） 若将与相连，计数脉冲由输入，、作为输出端，则构成异步5421码十进制加法计数器。（5） 清零、置9功能。当、均为“1”；、中有“0”时，实现异步清零功能，即。当、均为“1”；、中有“0”时，实现置9功能，即。 3 绘制电路原理图3.1 建立sch文件并装入所需元件库通过主菜单【File】/【New】建立mydesign.ddb数据库,进入设计文件夹，双击Documents图标,就进入了原理图设计

20、系统，通过主菜单【File】/【New】选择Schematic Documents图标即可。默认文件名称为sheet，双击pic2.Sch图标，就打开了设计系统窗口。点击编辑界面左侧的标签下的按钮，在弹出的对话框“Change Library File List”中，单击sim.lib元件库，然后点击Add和OK即可，所需元件库如图3-1。图3-1 元件库3.2 放置元件并调整元件位置利用编辑器界面左侧的place按钮：点击所要的元件名称，然后按就可以放置元件了。将所需的元件拖出放置在编辑界面，完成后的图形如图3-2。 图3-2 元件的放置3.3 放置导线及元件序号的自动标注下面就可以开始连线

21、了。利用工具条Wiring Tools进行连线。为了让原理图显得更加简洁和直观，在原理图中我们可以添加网络标号，如图中的GND代表地,high代表高电平，555in代表555的输入信号，555out代表555的输出信号，即秒脉冲。利用菜单命令【tools】/【annotate】可以完成元件序号的自动标注。完成后的原理图如图3-3所示。图3-3 总原理图3.4 编辑元件属性 双击元件，我们可以打开元件的属性框。Footprint是元件的封装名称，Designator是元件序号，如R1，第一个Part是元件型号，如LM324等。我们可以依次将这三项填入属性框中。原理图中使用到的元器件及其封装如图3

22、-4。 图3-4 数字钟电路所用器件及封装号4 印刷版图的绘制4.1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，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。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4-1所示。图4-1 电气规则检查结果 4.2 生成网络表 原理图

23、准备好后，使用菜单命令【Design】/【Create Netlist.】，建网络表。网络表是原理图和印刷电路板之间的一座桥梁，网络表提供了电路的元件清单以及元件之间的互联关系。执行上述命令后，跳出Netlist Creation的对话框，如图4-2所示，点击OK即可生成与原理图同名的网络表文件。图4-2 Netlist Creation对话框4.3 创建PCB文件以及网络表的装入 进入设计文件夹，双击图标Documents，利用主菜单【File】/【New】后出现一个对话框，选择Wizards目录下的Printed Circuit Board Wizard，我们就可以建立一个标准的PCB版图

24、了。在PCB界面中，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。利用【Design】/【Load Netlist.】命令，将网络表载入，得到如下结果（如图4-3所示），网络表通过之后，我们就开始对元件进行布局了。图4-3 载入网络表4.4 元件的布局以及印刷板的布线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 P

25、lacement/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。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

26、局合理，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，图4-4 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。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。 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

27、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。布线后的印刷板如图4-5所示。图4-5 布线后的印刷板4.5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，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，则会得到如下图4-6所示的PCB的顶层。图4-6 顶层铺地将设计工作区的板层标签

28、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4-7所示。 图4-7 底层铺地5 仿真结果及分析执行菜单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。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5-1所示：图5-1 仿真参数的设置5.2 仿真结果及分析5.2.1 脉冲产生电路 由图5-2的仿真波形可以看出555输出信号（即555out）为周期为1s的方波脉冲。555输出的信号可以满足数字钟电路都需要，因而满足条件。图5-

29、2 脉冲产生电路仿真波形5.2.2 秒计时器电路 如图5-3秒个位计时器电路仿真结果，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，根据数码管的排列规则，可知数码管将依次显示1，2，3，4。故可以判定此电路是符合条件的。 图5-3 秒个位计时器电路仿真结果同理，如图5-4秒十位计时器电路仿真结果，60s范围内，七段数码管的七段的电平依次为1111110,0110000，1101101，1111001，0110011，1011011数码管将依次显示0,1，2，3，4，5。故可以判定此电路是符合条件的。图5-4 秒

30、十位计时器电路仿真结果5.2.3 分计时器电路如图5-5分个位计时器电路仿真结果，250s范围内，七段数码管电平依次为1111110,0110000，1101101，1111001，可知数码管将依次显示0,1，2，3。故可以判定此电路是符合条件的。图5-5 分个位计时器电路仿真结果同理，如图5-6分十位计时器电路仿真结果，2500s范围内，七段数码管的七段的电平依次为1111110,0110000，1101101，1111001，0110011，数码管将依次显示0,1，2，3，4，故可以判定此电路是符合条件的。图5-6 分十位计时器电路仿真结果5.2.4 时计时器电路 如图5-7时个位计时器电

31、路仿真结果，4000s范围内，七段数码管电平依次为1111110，0110000，可知数码管将依次显示0，1，故可以初步判定此电路是符合条件的。 图5-7 时个位计时器电路仿真结果5.3仿真中遇到的问题1、出现很多元件无法在仿真库中找到的报错信息调试方法：将元件在Simulation Symbols/Lib中找到，并替换原来的元件。Simulation Symbols/Lib：基本仿真元件库。包括电阻、电容、电感、各种电源。2、 出现如图5-8所示的报错图5-8 仿真报错 经过考证后我得到的结论是：SPICE使用重复迭代的方式来获得当前电路的静态电压和电流值，仿真首先对节点初始电压进行预测，然

32、后根据电路的电导系数计算支路电流，接着用支路电流重新计算节点电压，一直这样进行着循环，这种循环一直持续到所有的节点电压和支路电流都落入规定的误差允许范围内（即收敛）。如果节点电压和支路电流没有在一定数量的重复中完成收敛的话，SPICE将提示错误信息，这样就无法实现仿真了。瞬态分析时定义的timestep只是一个名义上的时间增量值，实际分析时的timestep是一个变量，如果在你设置的某一timestep设置条件下无法实现收敛，这时timestep将自动被降低，继续重复上述的循环。如果timestep降低幅度太大，SPICE将提示“Timestep too small”，这时仿真失败。 调试方法：检查555定时器电路，修正电路，并调整VPULSE的参数，将时间间隔调大。6 总结通过本次课程设计，我收获了很多：一、我对protel软件有了较深的了解，并且学会了用protel进行仿真的基本方法。这次课程设计 ，刚开始我无从下手，不知所措，后来经过问同学、去图书馆资查料、上网查资料、看视频教程，