多功能数字电子钟PCB板的设计

1、实验课程名称 电子课程设计 实验项目名称 多功能数字电子钟的设计 专 业 班 级 学 生 姓 名 学 号 指 导 教 师 绪论 20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。数字钟已成为人们日常生活中：必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、集成电路有体积小、功耗小、功能多、携

2、带方便等优点，因此在许多电子设备中被广泛使用。电子钟是人们日常生活中常用的计时工具，而数字式电子钟又有其体积小、重量轻、走时准确、结构简单、耗电量少等优点而在生活中被广泛应用，因此本次设计就用数字集成电路和一些简单的逻辑门电路来设计一个数字式电子钟，使其完成时间及星期的显示功能。多功能数字钟采用数字电路实现对“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。具有时间显示、走时准确、显示直观、精度、稳定等优点。电路装置十分小巧,安装使用也方便。同时在日期中，它以其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费者的喜爱。第1章 、数字钟的基本原理 数字钟电路系统由主体电路和扩展电路两

3、大部分组成，其中主体电路完成数字钟的基本功能，扩展电路完成数字钟的扩展功能。 本电路主要由整荡器和分频器产生1s的脉冲信号，用秒脉冲驱动“秒”计数器，在“秒”计数器满60之后就产生进位信号，驱动“分”计数器计数。“分”、“秒”计数器分别为24进制和60进制的计数器，实际的“分”、“秒”计数器作为理想的“时”、“分”来进行实验，便于实现不同进制的计数器构造，同时也在有效的时间内看到进位效果。计数器使用74ls90来构造。最后进行译码和显示，在数码管上即可得到数字时钟的数值显示。其系统组成原理的框图如下：第二章、Proteus概述 Proteus软件的功能强大，它集电路设计、制版及仿真等多种功能于

4、一身，不仅能够对电工、电子技术学科涉及的电路进行设计与分析，还能够对微处理器进行设计和仿真，并且功能齐全，界面多彩，是近年来备受电子设计爱好者青睐的一款新型电子线路设计与仿真软件。 Proteus是一个基于Pro-SPICE混合模型仿真器的、完整的嵌入式系统软硬件设计仿真平台。它包含ISIS和ARES应用软件。ISIS-智能原理图输入系统，系统设计与仿真的基本平台，ARES-高级PCB布线编辑软件。在Proteus中，从原理图设计、单片机编程、 系统仿真到PCB设计一气呵成，真正实现了从概念到产品的完整设计。 Proteus的特点： （1）、实现了单片机仿真和SPICE电路仿真结合。具有模拟电

5、路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。（2）、支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8041系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC17系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。（3）、提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uV

6、ision2等软件。（4）、具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析与一身的仿真软件，功能极其强大。第三章、原理图设计一、Proteus ISIS软件操作的简单介绍（1）、打开Proteus ISIS软件打开Proteus ISIS软件，如图1所示。 图1 Proteus ISIS的界面（2）、文件的新建和保存 在Proteus ISIS 窗口中，选择【文件】【新建设计】菜单项，弹出如图2所示的对话框。 图2建立新的设计文件 选择合适的模板（通常选择DEFAULT模板），单击“OK”按钮，即完成新设计文件的创建。选择【文件】【保存设计】菜单项。将弹出如图3所示的对话

7、框。 图3 保存Proteus ISIS设计文件在“保存在”下拉列表框中选择目标存放路径，并在“文件名”框中输入设计的文档名称。同时，保存文件的默认类型为“Design Files”，即文档自动加扩展名“.DSN”，单击“保存”按钮即可。（3）、打开和保存设计文件选择【文件】【打开设计】菜单项，将弹出如图4所示对话框。 图4 打开Proteus ISIS 设计软件 在“查找范围”下拉列表框中选择目标查找路径，单击列表框中对应的设计选项，然后单击“打开”按钮，即可打开相应的设计文件。保存打开的设计文件的方式与上述一致。选择【文件】【保存设计】菜单项，在打开的保存对话框中单击“保存”按钮，即可保存

8、文件。注意，在出现的保存对话框中，可以更改设计文件的名称及路径，也可使用默认的名称及路径来保存文件。（4）、设置路径选择【系统】【设置路径】菜单项，即可打开路径设置对话框，如图5所示。 图5 路径设置对话框（5）、设置键盘快捷方式选择【系统】【设置快捷键】菜单项，即可打开键盘快捷方式设置对话框，如图6所示。 图6 键盘快捷方式设置对话框2、 电路原理图设计（1） 、放置元器件选择【库】【拾取元件】菜单项，出现如图7所示的对话框，在其中添加元器件。 图7 元件拾取对话框（2） 、绘制原理图Proteus ISIS 具有智能化的特点，在想要画线的时候能进行自动检测。在两个元器件间进行连线的步骤如下

9、：A. 单击第一个对象连接点。B. 如果想让Proteus ISIS自动定出走线路径，只需单击另一个连接点；如果想自己决定走线路径，只需在希望的拐点上单击。在此过程的任一阶段，都可以按“Esc”键放弃画线。按照上述步骤，连接后的原理图如图8所示。 图8 连接后的原理图（3）、原理图的仿真对该原理图进行仿真，其仿真结果如图9所示。 图9 原理图仿真结果图（4）、网络表的生成选择【工具】【编译网络表】菜单项可以弹出一个对话框，如图10所示。在该对话框中可设置要生成的网络表的输出形式、模式、范围、深度及格式。在大多数情况下缺省设置就可以了。单击“OK”按钮，就会为设计中的所有页生成一个平面的物理连接

10、的网络表，如图11所示。 图 10 编译网络表对话框 图11 编译网络表（5）、元件报表选择【工具】【材料清单】菜单项，出现如图12所示的下拉列表，有四种形式的报表文件可供选择，并且可以根据需要分别生成如图1316所示的报表文件。图13与HTML Output选项对应输出的报表 图12 材料清单菜单项 图14与ASCII Output选项对应输出的报表 图15 与Compact CSV Output选项对应输出的报表 图16 与Full CSV Output 选项对应输出的报表第四章、电子钟的PCB设计1、 印制电路板（PCB）设计流程印制电路板设计的一般步骤如下：1、绘制原理图 这是电路板设

11、计的先期工作，主要是完成原理图的绘制，包括生成网络表。当然，有时也可以不进行原理图的绘制，而直接进入PCB设计系统。原来用于仿真的原理图需将信号源及测量仪表的接口连上适当的连接器。另外，要确保每一个元器件都带有封装信息。2、规划电路板 在绘制印制电路板之前，要对电路板有一个初步的规划，比如说电路板采用多大的物理尺寸，采用几层电路板，各元件采用何种封装形式及其安装位置等。这是一项极其重要的工作，是确定电路板设计的框架。3、 设置参数 参数的设置是电路板设计中非常重要的步骤。设置参数主要是设置元件的布置参数、层参数、布线参数等。一般说来，有些参数采用其默认值即可。4、 装入网络表及元件封装 网络表

12、是电路板自动布线的灵魂，也是原理图设计系统与印制电路板设计系统的接口，因此这一步也是非常重要的环节。只有将网络表装入之后，才可能完成对电路板的自动布线。元件的封装就是元件的外形，对于每个装入的元件必须有相应的外形封装，才能保证电路板设计的顺利进行。5、元件的布局 元件的布局可以让软件自动布局。规划好电路板并装入网络表后，可以让程序自动装入元件，并自动将元件布置在电路板边框内。当然，也可以进行手工布局。元件布局合理后，才能进行下一步的布线工作。6、 自动布线 如果相关的参数设置得当，元件的布局合理，自动布线的成功率几乎是100%。7、 手工调整 自动布线结束后，往往存在令人不满意的地方，需要手工

13、调整。8、 文件保存及输出 完成电路板的布线后，保存完成的电路线路图文件。然后利用各种图形输出设备，如打印机或绘图仪输出电路板的布线图。2、 Proteus ARES软件的PCB设计1、打开Proteus ARES软件打开Proteus ARES软件，如图17所示。 图17 Proteus ARES的界面2、为原件指定封装为正确完成PCB设计，原理图的每一个元件，必须带有封装信息。在ISIS软件中添加元器件时，多数已自动为元件配置了一个封装，但这个封装并不一定很适合你的设计。另外，有部分元件可能没有封装信息，因此就需要重新为元件添加合适的封装。下面以原理图中的元件74LS90为例来说明，打开7

14、4LS90的属性对话框，如图18所示。封装好的元件74LS90如图19所示。 图18 元件属性对话框 图19 74LS90的封装及安装尺寸以此方法，类似地可以封装其他元件。3、网络表的导入生成网络表文件之后紧接的工作就是将网络表文件带入到ARES。单击菜单【工具】【导出网络表到ARES】，这样系统会自动启动ARES，同时将网络表导入。如图20所示。 图20 ARES界面 4、系统参数设置（1）、设置电路板的工作层进入ARES并导入网络表之后，需要对PCB的工作层面进行设定。A. 设置电路板层数选择【系统】【设置板层使用】菜单项，弹出“设置板层使用”对话框，如图21所示。图21这里显示了电路板的

15、14个内部层，然后单击“OK”确定，并关闭对话框。B.设置层的颜色选择【系统】【设置颜色】菜单项，弹出“设置颜色”对话框，如图22所示。 图22 板层颜色设置C.定义板层对ARES系统可以将两个板层定义为一对，例如顶层和底层，这样在设计顶层时，可以用空格键将系统切换到底层，反之亦然。具体步骤如下：选择【系统】【设置板层对】菜单项，弹出“编辑板层对”对话框，如图23所示。 图23编辑板层对对话框（2） 、环境设置选择【系统】【设置环境】菜单项，弹出“环境设置”对话框，如图24所示。 图24 环境设置对话框（3） 、网格设置选择【系统】【设置网格】菜单项，弹出“网格配置”对话框，如图25所示。可分

16、别对英制和公制的网格尺寸进行设置。 图25 网格配置对话框无论是公制还是英制，系统都提供了三种快捷方式对其尺寸可以进行实时调整，分别使用的是F2、F3和F4。（4） 、路径设置选择【系统】【设置路径】菜单项，弹出“设置路径”对话框，如图26所示。 图26路径设置对话框5、布局与调整 Proteus软件提供自动布局和手工布局两种方式。在进行布局时，推荐使用自动布局和手工布局相结合的方式，即先使用自动布局，然后进行手工调整。 在自动布局之前需先画一个板框。在ARES左侧的工具箱中选择，从主窗口底部左下角下拉列表框中选择黄色，在适当的位置画一个矩形，作为板框。如果以后想修改这个板块的大小，需要再次单

17、击“2D Graphics Box”中的矩形符号，在板框的边框上右键单击，这时会出现控制点，拖动控制点就可以调整板框的大小了。 选择【工具】【自动布局】菜单项，弹出“自动布局”对话框，单击“OK”元器件会被逐个摆放到板框当中，如图27所示。 图27 自动布局结果示意图6、设计规则的设置完成了印制电路板的布局，便进入电路板的布线过程。一般来说，用户先是对电路板布线提出某些要求，然后按照这些要求来设置布线设计规则，设置完布线规则后，程序将根据这些规则进行自动布线。因此，自动布线前，首先要进行设计规则的参数设置，预置布线规则的合理与否将直接影响不线的质量和成功率。选择【系统】【设计规则】菜单项，弹出

18、“设计规则”对话框，如图28所示。 图28 设置设计规则对话框选择【系统】【设计默认规则】菜单项，弹出“设计默认规则”对话框，如图29所示。 图29 默认设计规则对话框7、布线 布线就是在电路板上设置导线和过孔，并将元件连接起来。当设置了布线的规则后，就可以进行布线操作了。Proteus ARES 提供了交互手动布线和自动布线两种方式，这两种布线方式不是孤立使用的，通常可以结合在一起使用，以提高布线效率，并使PCB具有更好的电气特性，也更加美观。开始自动布线，布完之后的效果如图30所示。 图30 自动布线之后的效果 自动整理选择【工具】【自动布线】菜单项，弹出如图31所示的对话框。 图31 自

19、动布线设置对话框完成设置之后，单击“OK”关闭对话框，并开始自动布线，布完之后的效果图如图32所示。 图32 自动布线之后的效果8、设计规则检测手工布线时，ARES将自动检测布置的每一条导线，一旦违反设计规则，将发出警告。另外，也可以在任何时候运行电气设计规则检测，出现错误，系统将给予提示，双击设计规则错误提示，ARES将在板上的相应位置进行标注。具体操作步骤如下：选择【工具】【连通性检测】菜单项，系统进行断线检测（CRC），同时也运行设计规则检测（DRC）。其中，CRC检测主要侧重于电学错误的连通性检查，如是否有多余的、遗漏的连接等；DRC检测主要侧重于物理错误设计规则检测，即是否有违反设计

20、规则的情况发生。 选择【工具】【连通性检测】菜单项，系统将会弹出如图33所示的状态栏，即无错误提示。 图33 状态栏无错误提示另外，单击窗口左侧的按钮，在网络选项列表框中选择一个网络号，然后单击列表框上方的，可以高亮显示该网络，以便检查其连接情况。如图34所示。 图34 具体的检查连接情况图9、后期处理及输出（1）、PCB覆铜为了提高PCB的抗干扰性，通常需要对性能要求较高的PCB进行覆铜处理。选择【工具】【生成电源层】菜单项，弹出“生成电源层”对话框，如图35所示。 图35 放置覆铜对话框按照图35中所示内容进行设置，即在底层完成覆铜，如图36所示。 图36 在底层完成覆铜后的效果图 按照同

21、样的方法可以在顶层进行覆铜，所不同之处是，如图37所示。 图37 放置覆铜对话框按照图37中所示内容进行设置，即在顶层完成覆铜，如图38所示。 图38 在顶层完成覆铜后的效果图另外，也可以使用ARES中左侧工具来完成覆铜。具体操作步骤如下：A.单击，在列表框中选择覆铜边界的宽度，将当前层切换到，这时光标变成笔头。B.在PCB板上拖出需要覆铜的区域，这时，弹出如图39所示编辑区域的对话框。按照图示进行设置。 图39 编辑区域对话框C.单击“确定”，完成底层的局部覆铜，如图40所示。 图40 对底层进行局部覆铜D.同样可对顶层进行局部覆铜，不同的是，当前层需切换为“顶层”。如图41所示。 图41

22、对顶层进行局部覆铜（2） 、PCB的三维显示Proteus ARES 具有PCB 3D显示功能。使用该功能可以显示清晰的PCB三维立体效果，并且可以随意旋转及缩放等。选择【输出】【3D预览】菜单项，即可显示如图42所示的三维效果图。另外，利用三维显示页面左下角的等工具，可以对视图进行缩放和改变视图的角度等操作。 图42 三维显示效果图（3） 、PCB的输出Proteus具有多种输出方式。A.选择【输出】【输出覆盖层】菜单项，即可显示如图43所示的对话框。 图43 输出图层对话框B.查看“Gerber”文件对话框设置为如图44所示情况，则显示出的“Gerber”文件如图45所示。 图44 查看G

23、erber文件对话框 图45 显示出的顶层Gerber文件第5章 、实验总结及感想“电子技术课程设计”是电子技术课程的实践性教学环节，是对我学习电子技术的综合性训练。我做的是数字钟的设计，然而，要完成一个课题的设计要涉及到许多方面的知识。通过上网查询和查阅相关书籍资料，让我知道了大量关于数字钟设计的知识，同时又重新将从前学过的知识复习了一遍，做到对各个集成块的引脚功能和工作原理都很清晰。从而让我更深一步掌握了时序逻辑电路的功能，学会了做课程设计的一般步骤。首先我制定出自己的设计方案，其次详细设计每一部分的电路，最后再根据原理方框图连接电路。这不仅培养了我独立分析和解决实际问题的能力，同时也为以后的电路设计打好了基础。一分耕耘，一分收获。只有亲自用实践来验证这句话，在能得其要领。经过这次单片机课程设计，我从一个单片机实践的门外汉，已经越升为略知一二的新