多功能數(shù)字電子鐘PCB板的設(shè)計

1、實驗課程名稱 電子課程設(shè)計 實驗項目名稱 多功能數(shù)字電子鐘的設(shè)計 專 業(yè) 班 級 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號 指 導(dǎo) 教 師 緒論 20世紀(jì)末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領(lǐng)域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。數(shù)字鐘已成為人們?nèi)粘Ｉ钪校罕夭豢缮俚谋匦杵?，廣泛用于個人家庭以及車站、碼頭、劇場、辦公室等公共場所，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂帶來極大的方便。由于數(shù)字集成電路技術(shù)的發(fā)展和采用了先進(jìn)的石英技術(shù)，使數(shù)字鐘具有走時準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、集成電路有體積小、功耗小、功能多、攜

2、帶方便等優(yōu)點，因此在許多電子設(shè)備中被廣泛使用。電子鐘是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫挠嫊r工具，而數(shù)字式電子鐘又有其體積小、重量輕、走時準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡單、耗電量少等優(yōu)點而在生活中被廣泛應(yīng)用，因此本次設(shè)計就用數(shù)字集成電路和一些簡單的邏輯門電路來設(shè)計一個數(shù)字式電子鐘，使其完成時間及星期的顯示功能。多功能數(shù)字鐘采用數(shù)字電路實現(xiàn)對“時”、“分”、“秒”數(shù)字顯示的計時裝置。具有時間顯示、走時準(zhǔn)確、顯示直觀、精度、穩(wěn)定等優(yōu)點。電路裝置十分小巧,安裝使用也方便。同時在日期中，它以其小巧，價格低廉，走時精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受廣大消費者的喜愛。第1章 、數(shù)字鐘的基本原理 數(shù)字鐘電路系統(tǒng)由主體電路和擴(kuò)展電路兩

3、大部分組成，其中主體電路完成數(shù)字鐘的基本功能，擴(kuò)展電路完成數(shù)字鐘的擴(kuò)展功能。 本電路主要由整蕩器和分頻器產(chǎn)生1s的脈沖信號，用秒脈沖驅(qū)動“秒”計數(shù)器，在“秒”計數(shù)器滿60之后就產(chǎn)生進(jìn)位信號，驅(qū)動“分”計數(shù)器計數(shù)?！胺帧薄ⅰ懊搿庇嫈?shù)器分別為24進(jìn)制和60進(jìn)制的計數(shù)器，實際的“分”、“秒”計數(shù)器作為理想的“時”、“分”來進(jìn)行實驗，便于實現(xiàn)不同進(jìn)制的計數(shù)器構(gòu)造，同時也在有效的時間內(nèi)看到進(jìn)位效果。計數(shù)器使用74ls90來構(gòu)造。最后進(jìn)行譯碼和顯示，在數(shù)碼管上即可得到數(shù)字時鐘的數(shù)值顯示。其系統(tǒng)組成原理的框圖如下：第二章、Proteus概述 Proteus軟件的功能強(qiáng)大，它集電路設(shè)計、制版及仿真等多種功能于

4、一身，不僅能夠?qū)﹄姽?、電子技術(shù)學(xué)科涉及的電路進(jìn)行設(shè)計與分析，還能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M(jìn)行設(shè)計和仿真，并且功能齊全，界面多彩，是近年來備受電子設(shè)計愛好者青睞的一款新型電子線路設(shè)計與仿真軟件。 Proteus是一個基于Pro-SPICE混合模型仿真器的、完整的嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計仿真平臺。它包含ISIS和ARES應(yīng)用軟件。ISIS-智能原理圖輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計與仿真的基本平臺，ARES-高級PCB布線編輯軟件。在Proteus中，從原理圖設(shè)計、單片機(jī)編程、 系統(tǒng)仿真到PCB設(shè)計一氣呵成，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。 Proteus的特點： （1）、實現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真結(jié)合。具有模擬電

5、路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。（2）、支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：68000系列、8041系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC17系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。（3）、提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51 uV

6、ision2等軟件。（4）、具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能?？傊撥浖且豢罴瘑纹瑱C(jī)和SPICE分析與一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。第三章、原理圖設(shè)計一、Proteus ISIS軟件操作的簡單介紹（1）、打開Proteus ISIS軟件打開Proteus ISIS軟件，如圖1所示。 圖1 Proteus ISIS的界面（2）、文件的新建和保存 在Proteus ISIS 窗口中，選擇【文件】【新建設(shè)計】菜單項，彈出如圖2所示的對話框。 圖2建立新的設(shè)計文件 選擇合適的模板（通常選擇DEFAULT模板），單擊“OK”按鈕，即完成新設(shè)計文件的創(chuàng)建。選擇【文件】【保存設(shè)計】菜單項。將彈出如圖3所示的對話

7、框。 圖3 保存Proteus ISIS設(shè)計文件在“保存在”下拉列表框中選擇目標(biāo)存放路徑，并在“文件名”框中輸入設(shè)計的文檔名稱。同時，保存文件的默認(rèn)類型為“Design Files”，即文檔自動加擴(kuò)展名“.DSN”，單擊“保存”按鈕即可。（3）、打開和保存設(shè)計文件選擇【文件】【打開設(shè)計】菜單項，將彈出如圖4所示對話框。 圖4 打開Proteus ISIS 設(shè)計軟件 在“查找范圍”下拉列表框中選擇目標(biāo)查找路徑，單擊列表框中對應(yīng)的設(shè)計選項，然后單擊“打開”按鈕，即可打開相應(yīng)的設(shè)計文件。保存打開的設(shè)計文件的方式與上述一致。選擇【文件】【保存設(shè)計】菜單項，在打開的保存對話框中單擊“保存”按鈕，即可保存

8、文件。注意，在出現(xiàn)的保存對話框中，可以更改設(shè)計文件的名稱及路徑，也可使用默認(rèn)的名稱及路徑來保存文件。（4）、設(shè)置路徑選擇【系統(tǒng)】【設(shè)置路徑】菜單項，即可打開路徑設(shè)置對話框，如圖5所示。 圖5 路徑設(shè)置對話框（5）、設(shè)置鍵盤快捷方式選擇【系統(tǒng)】【設(shè)置快捷鍵】菜單項，即可打開鍵盤快捷方式設(shè)置對話框，如圖6所示。 圖6 鍵盤快捷方式設(shè)置對話框2、 電路原理圖設(shè)計（1） 、放置元器件選擇【庫】【拾取元件】菜單項，出現(xiàn)如圖7所示的對話框，在其中添加元器件。 圖7 元件拾取對話框（2） 、繪制原理圖Proteus ISIS 具有智能化的特點，在想要畫線的時候能進(jìn)行自動檢測。在兩個元器件間進(jìn)行連線的步驟如下

9、：A. 單擊第一個對象連接點。B. 如果想讓Proteus ISIS自動定出走線路徑，只需單擊另一個連接點；如果想自己決定走線路徑，只需在希望的拐點上單擊。在此過程的任一階段，都可以按“Esc”鍵放棄畫線。按照上述步驟，連接后的原理圖如圖8所示。 圖8 連接后的原理圖（3）、原理圖的仿真對該原理圖進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖9所示。 圖9 原理圖仿真結(jié)果圖（4）、網(wǎng)絡(luò)表的生成選擇【工具】【編譯網(wǎng)絡(luò)表】菜單項可以彈出一個對話框，如圖10所示。在該對話框中可設(shè)置要生成的網(wǎng)絡(luò)表的輸出形式、模式、范圍、深度及格式。在大多數(shù)情況下缺省設(shè)置就可以了。單擊“OK”按鈕，就會為設(shè)計中的所有頁生成一個平面的物理連接

10、的網(wǎng)絡(luò)表，如圖11所示。 圖 10 編譯網(wǎng)絡(luò)表對話框 圖11 編譯網(wǎng)絡(luò)表（5）、元件報表選擇【工具】【材料清單】菜單項，出現(xiàn)如圖12所示的下拉列表，有四種形式的報表文件可供選擇，并且可以根據(jù)需要分別生成如圖1316所示的報表文件。圖13與HTML Output選項對應(yīng)輸出的報表 圖12 材料清單菜單項 圖14與ASCII Output選項對應(yīng)輸出的報表 圖15 與Compact CSV Output選項對應(yīng)輸出的報表 圖16 與Full CSV Output 選項對應(yīng)輸出的報表第四章、電子鐘的PCB設(shè)計1、 印制電路板（PCB）設(shè)計流程印制電路板設(shè)計的一般步驟如下：1、繪制原理圖 這是電路板設(shè)

11、計的先期工作，主要是完成原理圖的繪制，包括生成網(wǎng)絡(luò)表。當(dāng)然，有時也可以不進(jìn)行原理圖的繪制，而直接進(jìn)入PCB設(shè)計系統(tǒng)。原來用于仿真的原理圖需將信號源及測量儀表的接口連上適當(dāng)?shù)倪B接器。另外，要確保每一個元器件都帶有封裝信息。2、規(guī)劃電路板 在繪制印制電路板之前，要對電路板有一個初步的規(guī)劃，比如說電路板采用多大的物理尺寸，采用幾層電路板，各元件采用何種封裝形式及其安裝位置等。這是一項極其重要的工作，是確定電路板設(shè)計的框架。3、 設(shè)置參數(shù) 參數(shù)的設(shè)置是電路板設(shè)計中非常重要的步驟。設(shè)置參數(shù)主要是設(shè)置元件的布置參數(shù)、層參數(shù)、布線參數(shù)等。一般說來，有些參數(shù)采用其默認(rèn)值即可。4、 裝入網(wǎng)絡(luò)表及元件封裝 網(wǎng)絡(luò)表

12、是電路板自動布線的靈魂，也是原理圖設(shè)計系統(tǒng)與印制電路板設(shè)計系統(tǒng)的接口，因此這一步也是非常重要的環(huán)節(jié)。只有將網(wǎng)絡(luò)表裝入之后，才可能完成對電路板的自動布線。元件的封裝就是元件的外形，對于每個裝入的元件必須有相應(yīng)的外形封裝，才能保證電路板設(shè)計的順利進(jìn)行。5、元件的布局 元件的布局可以讓軟件自動布局。規(guī)劃好電路板并裝入網(wǎng)絡(luò)表后，可以讓程序自動裝入元件，并自動將元件布置在電路板邊框內(nèi)。當(dāng)然，也可以進(jìn)行手工布局。元件布局合理后，才能進(jìn)行下一步的布線工作。6、 自動布線 如果相關(guān)的參數(shù)設(shè)置得當(dāng)，元件的布局合理，自動布線的成功率幾乎是100%。7、 手工調(diào)整 自動布線結(jié)束后，往往存在令人不滿意的地方，需要手工

13、調(diào)整。8、 文件保存及輸出 完成電路板的布線后，保存完成的電路線路圖文件。然后利用各種圖形輸出設(shè)備，如打印機(jī)或繪圖儀輸出電路板的布線圖。2、 Proteus ARES軟件的PCB設(shè)計1、打開Proteus ARES軟件打開Proteus ARES軟件，如圖17所示。 圖17 Proteus ARES的界面2、為原件指定封裝為正確完成PCB設(shè)計，原理圖的每一個元件，必須帶有封裝信息。在ISIS軟件中添加元器件時，多數(shù)已自動為元件配置了一個封裝，但這個封裝并不一定很適合你的設(shè)計。另外，有部分元件可能沒有封裝信息，因此就需要重新為元件添加合適的封裝。下面以原理圖中的元件74LS90為例來說明，打開7

14、4LS90的屬性對話框，如圖18所示。封裝好的元件74LS90如圖19所示。 圖18 元件屬性對話框 圖19 74LS90的封裝及安裝尺寸以此方法，類似地可以封裝其他元件。3、網(wǎng)絡(luò)表的導(dǎo)入生成網(wǎng)絡(luò)表文件之后緊接的工作就是將網(wǎng)絡(luò)表文件帶入到ARES。單擊菜單【工具】【導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)表到ARES】，這樣系統(tǒng)會自動啟動ARES，同時將網(wǎng)絡(luò)表導(dǎo)入。如圖20所示。 圖20 ARES界面 4、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置（1）、設(shè)置電路板的工作層進(jìn)入ARES并導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表之后，需要對PCB的工作層面進(jìn)行設(shè)定。A. 設(shè)置電路板層數(shù)選擇【系統(tǒng)】【設(shè)置板層使用】菜單項，彈出“設(shè)置板層使用”對話框，如圖21所示。圖21這里顯示了電路板的

15、14個內(nèi)部層，然后單擊“OK”確定，并關(guān)閉對話框。B.設(shè)置層的顏色選擇【系統(tǒng)】【設(shè)置顏色】菜單項，彈出“設(shè)置顏色”對話框，如圖22所示。 圖22 板層顏色設(shè)置C.定義板層對ARES系統(tǒng)可以將兩個板層定義為一對，例如頂層和底層，這樣在設(shè)計頂層時，可以用空格鍵將系統(tǒng)切換到底層，反之亦然。具體步驟如下：選擇【系統(tǒng)】【設(shè)置板層對】菜單項，彈出“編輯板層對”對話框，如圖23所示。 圖23編輯板層對對話框（2） 、環(huán)境設(shè)置選擇【系統(tǒng)】【設(shè)置環(huán)境】菜單項，彈出“環(huán)境設(shè)置”對話框，如圖24所示。 圖24 環(huán)境設(shè)置對話框（3） 、網(wǎng)格設(shè)置選擇【系統(tǒng)】【設(shè)置網(wǎng)格】菜單項，彈出“網(wǎng)格配置”對話框，如圖25所示。可分

16、別對英制和公制的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行設(shè)置。 圖25 網(wǎng)格配置對話框無論是公制還是英制，系統(tǒng)都提供了三種快捷方式對其尺寸可以進(jìn)行實時調(diào)整，分別使用的是F2、F3和F4。（4） 、路徑設(shè)置選擇【系統(tǒng)】【設(shè)置路徑】菜單項，彈出“設(shè)置路徑”對話框，如圖26所示。 圖26路徑設(shè)置對話框5、布局與調(diào)整 Proteus軟件提供自動布局和手工布局兩種方式。在進(jìn)行布局時，推薦使用自動布局和手工布局相結(jié)合的方式，即先使用自動布局，然后進(jìn)行手工調(diào)整。 在自動布局之前需先畫一個板框。在ARES左側(cè)的工具箱中選擇，從主窗口底部左下角下拉列表框中選擇黃色，在適當(dāng)?shù)奈恢卯嬕粋€矩形，作為板框。如果以后想修改這個板塊的大小，需要再次單

17、擊“2D Graphics Box”中的矩形符號，在板框的邊框上右鍵單擊，這時會出現(xiàn)控制點，拖動控制點就可以調(diào)整板框的大小了。 選擇【工具】【自動布局】菜單項，彈出“自動布局”對話框，單擊“OK”元器件會被逐個擺放到板框當(dāng)中，如圖27所示。 圖27 自動布局結(jié)果示意圖6、設(shè)計規(guī)則的設(shè)置完成了印制電路板的布局，便進(jìn)入電路板的布線過程。一般來說，用戶先是對電路板布線提出某些要求，然后按照這些要求來設(shè)置布線設(shè)計規(guī)則，設(shè)置完布線規(guī)則后，程序?qū)⒏鶕?jù)這些規(guī)則進(jìn)行自動布線。因此，自動布線前，首先要進(jìn)行設(shè)計規(guī)則的參數(shù)設(shè)置，預(yù)置布線規(guī)則的合理與否將直接影響不線的質(zhì)量和成功率。選擇【系統(tǒng)】【設(shè)計規(guī)則】菜單項，彈出

18、“設(shè)計規(guī)則”對話框，如圖28所示。 圖28 設(shè)置設(shè)計規(guī)則對話框選擇【系統(tǒng)】【設(shè)計默認(rèn)規(guī)則】菜單項，彈出“設(shè)計默認(rèn)規(guī)則”對話框，如圖29所示。 圖29 默認(rèn)設(shè)計規(guī)則對話框7、布線 布線就是在電路板上設(shè)置導(dǎo)線和過孔，并將元件連接起來。當(dāng)設(shè)置了布線的規(guī)則后，就可以進(jìn)行布線操作了。Proteus ARES 提供了交互手動布線和自動布線兩種方式，這兩種布線方式不是孤立使用的，通常可以結(jié)合在一起使用，以提高布線效率，并使PCB具有更好的電氣特性，也更加美觀。開始自動布線，布完之后的效果如圖30所示。 圖30 自動布線之后的效果 自動整理選擇【工具】【自動布線】菜單項，彈出如圖31所示的對話框。 圖31 自

19、動布線設(shè)置對話框完成設(shè)置之后，單擊“OK”關(guān)閉對話框，并開始自動布線，布完之后的效果圖如圖32所示。 圖32 自動布線之后的效果8、設(shè)計規(guī)則檢測手工布線時，ARES將自動檢測布置的每一條導(dǎo)線，一旦違反設(shè)計規(guī)則，將發(fā)出警告。另外，也可以在任何時候運行電氣設(shè)計規(guī)則檢測，出現(xiàn)錯誤，系統(tǒng)將給予提示，雙擊設(shè)計規(guī)則錯誤提示，ARES將在板上的相應(yīng)位置進(jìn)行標(biāo)注。具體操作步驟如下：選擇【工具】【連通性檢測】菜單項，系統(tǒng)進(jìn)行斷線檢測（CRC），同時也運行設(shè)計規(guī)則檢測（DRC）。其中，CRC檢測主要側(cè)重于電學(xué)錯誤的連通性檢查，如是否有多余的、遺漏的連接等；DRC檢測主要側(cè)重于物理錯誤設(shè)計規(guī)則檢測，即是否有違反設(shè)計

20、規(guī)則的情況發(fā)生。 選擇【工具】【連通性檢測】菜單項，系統(tǒng)將會彈出如圖33所示的狀態(tài)欄，即無錯誤提示。 圖33 狀態(tài)欄無錯誤提示另外，單擊窗口左側(cè)的按鈕，在網(wǎng)絡(luò)選項列表框中選擇一個網(wǎng)絡(luò)號，然后單擊列表框上方的，可以高亮顯示該網(wǎng)絡(luò)，以便檢查其連接情況。如圖34所示。 圖34 具體的檢查連接情況圖9、后期處理及輸出（1）、PCB覆銅為了提高PCB的抗干擾性，通常需要對性能要求較高的PCB進(jìn)行覆銅處理。選擇【工具】【生成電源層】菜單項，彈出“生成電源層”對話框，如圖35所示。 圖35 放置覆銅對話框按照圖35中所示內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，即在底層完成覆銅，如圖36所示。 圖36 在底層完成覆銅后的效果圖 按照同

21、樣的方法可以在頂層進(jìn)行覆銅，所不同之處是，如圖37所示。 圖37 放置覆銅對話框按照圖37中所示內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，即在頂層完成覆銅，如圖38所示。 圖38 在頂層完成覆銅后的效果圖另外，也可以使用ARES中左側(cè)工具來完成覆銅。具體操作步驟如下：A.單擊，在列表框中選擇覆銅邊界的寬度，將當(dāng)前層切換到，這時光標(biāo)變成筆頭。B.在PCB板上拖出需要覆銅的區(qū)域，這時，彈出如圖39所示編輯區(qū)域的對話框。按照圖示進(jìn)行設(shè)置。 圖39 編輯區(qū)域?qū)υ捒駽.單擊“確定”，完成底層的局部覆銅，如圖40所示。 圖40 對底層進(jìn)行局部覆銅D.同樣可對頂層進(jìn)行局部覆銅，不同的是，當(dāng)前層需切換為“頂層”。如圖41所示。 圖41

22、對頂層進(jìn)行局部覆銅（2） 、PCB的三維顯示Proteus ARES 具有PCB 3D顯示功能。使用該功能可以顯示清晰的PCB三維立體效果，并且可以隨意旋轉(zhuǎn)及縮放等。選擇【輸出】【3D預(yù)覽】菜單項，即可顯示如圖42所示的三維效果圖。另外，利用三維顯示頁面左下角的等工具，可以對視圖進(jìn)行縮放和改變視圖的角度等操作。 圖42 三維顯示效果圖（3） 、PCB的輸出Proteus具有多種輸出方式。A.選擇【輸出】【輸出覆蓋層】菜單項，即可顯示如圖43所示的對話框。 圖43 輸出圖層對話框B.查看“Gerber”文件對話框設(shè)置為如圖44所示情況，則顯示出的“Gerber”文件如圖45所示。 圖44 查看G

23、erber文件對話框 圖45 顯示出的頂層Gerber文件第5章 、實驗總結(jié)及感想“電子技術(shù)課程設(shè)計”是電子技術(shù)課程的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是對我學(xué)習(xí)電子技術(shù)的綜合性訓(xùn)練。我做的是數(shù)字鐘的設(shè)計，然而，要完成一個課題的設(shè)計要涉及到許多方面的知識。通過上網(wǎng)查詢和查閱相關(guān)書籍資料，讓我知道了大量關(guān)于數(shù)字鐘設(shè)計的知識，同時又重新將從前學(xué)過的知識復(fù)習(xí)了一遍，做到對各個集成塊的引腳功能和工作原理都很清晰。從而讓我更深一步掌握了時序邏輯電路的功能，學(xué)會了做課程設(shè)計的一般步驟。首先我制定出自己的設(shè)計方案，其次詳細(xì)設(shè)計每一部分的電路，最后再根據(jù)原理方框圖連接電路。這不僅培養(yǎng)了我獨立分析和解決實際問題的能力，同時也為以后的電路設(shè)計打好了基礎(chǔ)。一分耕耘，一分收獲。只有親自用實踐來驗證這句話，在能得其要領(lǐng)。經(jīng)過這次單片機(jī)課程設(shè)計，我從一個單片機(jī)實踐的門外漢，已經(jīng)越升為略知一二的新