多功能數字電子鐘PCB板的設計

1、實驗課程名稱 電子課程設計 實驗項目名稱 多功能數字電子鐘的設計 專 業(yè) 班 級 學 生 姓 名 學 號 指 導 教 師 緒論 20世紀末，電子技術獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現代電子產品幾乎滲透了社會的各個領域，有力地推動了社會生產力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現代電子產品性能進一步提高，產品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。數字鐘已成為人們日常生活中：必不可少的必需品，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、學習、工作、娛樂帶來極大的方便。由于數字集成電路技術的發(fā)展和采用了先進的石英技術，使數字鐘具有走時準確、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，因此在許多電子設備中被廣泛使用。電子鐘是人們日常生活中常用的計時工具，而數字式電子鐘又有其體積小、重量輕、走時準確、結構簡單、耗電量少等優(yōu)點而在生活中被廣泛應用，因此本次設計就用數字集成電路和一些簡單的邏輯門電路來設計一個數字式電子鐘，使其完成時間及星期的顯示功能。多功能數字鐘采用數字電路實現對“時”、“分”、“秒”數字顯示的計時裝置。具有時間顯示、走時準確、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 、數字鐘的基本原理 數字鐘電路系統(tǒng)由主體電路和擴展電路兩

3、大部分組成，其中主體電路完成數字鐘的基本功能，擴展電路完成數字鐘的擴展功能。 本電路主要由整蕩器和分頻器產生1s的脈沖信號，用秒脈沖驅動“秒”計數器，在“秒”計數器滿60之后就產生進位信號，驅動“分”計數器計數。“分”、“秒”計數器分別為24進制和60進制的計數器，實際的“分”、“秒”計數器作為理想的“時”、“分”來進行實驗，便于實現不同進制的計數器構造，同時也在有效的時間內看到進位效果。計數器使用74ls90來構造。最后進行譯碼和顯示，在數碼管上即可得到數字時鐘的數值顯示。其系統(tǒng)組成原理的框圖如下：第二章、Proteus概述 Proteus軟件的功能強大，它集電路設計、制版及仿真等多種功能于

4、一身，不僅能夠對電工、電子技術學科涉及的電路進行設計與分析，還能夠對微處理器進行設計和仿真，并且功能齊全，界面多彩，是近年來備受電子設計愛好者青睞的一款新型電子線路設計與仿真軟件。 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)軟硬件設計仿真平臺。它包含ISIS和ARES應用軟件。ISIS-智能原理圖輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)設計與仿真的基本平臺，ARES-高級PCB布線編輯軟件。在Proteus中，從原理圖設計、單片機編程、 系統(tǒng)仿真到PCB設計一氣呵成，真正實現了從概念到產品的完整設計。 Proteus的特點： （1）、實現了單片機仿真和SPICE電路仿真結合。具有模擬電

5、路仿真、數字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調試器、SPI調試器、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）、支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有：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）、提供軟件調試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(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試環(huán)境，如Keil C51 uV

6、ision2等軟件。（4）、具有強大的原理圖繪制功能?？傊撥浖且豢罴瘑纹瑱C和SPICE分析與一身的仿真軟件，功能極其強大。第三章、原理圖設計一、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】【新建設計】菜單項，彈出如圖2所示的對話框。 圖2建立新的設計文件 選擇合適的模板（通常選擇DEFAULT模板），單擊“OK”按鈕，即完成新設計文件的創(chuàng)建。選擇【文件】【保存設計】菜單項。將彈出如圖3所示的對話

7、框。 圖3 保存Proteus ISIS設計文件在“保存在”下拉列表框中選擇目標存放路徑，并在“文件名”框中輸入設計的文檔名稱。同時，保存文件的默認類型為“Design Files”，即文檔自動加擴展名“.DSN”，單擊“保存”按鈕即可。（3）、打開和保存設計文件選擇【文件】【打開設計】菜單項，將彈出如圖4所示對話框。 圖4 打開Proteus ISIS 設計軟件 在“查找范圍”下拉列表框中選擇目標查找路徑，單擊列表框中對應的設計選項，然后單擊“打開”按鈕，即可打開相應的設計文件。保存打開的設計文件的方式與上述一致。選擇【文件】【保存設計】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，在出現的保存對話框中，可以更改設計文件的名稱及路徑，也可使用默認的名稱及路徑來保存文件。（4）、設置路徑選擇【系統(tǒng)】【設置路徑】菜單項，即可打開路徑設置對話框，如圖5所示。 圖5 路徑設置對話框（5）、設置鍵盤快捷方式選擇【系統(tǒng)】【設置快捷鍵】菜單項，即可打開鍵盤快捷方式設置對話框，如圖6所示。 圖6 鍵盤快捷方式設置對話框2、 電路原理圖設計（1） 、放置元器件選擇【庫】【拾取元件】菜單項，出現如圖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行自動檢測。在兩個元器件間進行連線的步驟如下

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行仿真，其仿真結果如圖9所示。 圖9 原理圖仿真結果圖（4）、網絡表的生成選擇【工具】【編譯網絡表】菜單項可以彈出一個對話框，如圖10所示。在該對話框中可設置要生成的網絡表的輸出形式、模式、范圍、深度及格式。在大多數情況下缺省設置就可以了。單擊“OK”按鈕，就會為設計中的所有頁生成一個平面的物理連接

10、的網絡表，如圖11所示。 圖 10 編譯網絡表對話框 圖11 編譯網絡表（5）、元件報表選擇【工具】【材料清單】菜單項，出現如圖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選項對應輸出的報表 圖12 材料清單菜單項 圖14與ASCII Output選項對應輸出的報表 圖15 與Compact CSV Output選項對應輸出的報表 圖16 與Full CSV Output 選項對應輸出的報表第四章、電子鐘的PCB設計1、 印制電路板（PCB）設計流程印制電路板設計的一般步驟如下：1、繪制原理圖 這是電路板設

11、計的先期工作，主要是完成原理圖的繪制，包括生成網絡表。當然，有時也可以不進行原理圖的繪制，而直接進入PCB設計系統(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的連接器。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，是確定電路板設計的框架。3、 設置參數 參數的設置是電路板設計中非常重要的步驟。設置參數主要是設置元件的布置參數、層參數、布線參數等。一般說來，有些參數采用其默認值即可。4、 裝入網絡表及元件封裝 網絡表

12、是電路板自動布線的靈魂，也是原理圖設計系統(tǒng)與印制電路板設計系統(tǒng)的接口，因此這一步也是非常重要的環(huán)節(jié)。只有將網絡表裝入之后，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的外形封裝，才能保證電路板設計的順利進行。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絡表后，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。當然，也可以進行手工布局。元件布局合理后，才能進行下一步的布線工作。6、 自動布線 如果相關的參數設置得當，元件的布局合理，自動布線的成功率幾乎是100%。7、 手工調整 自動布線結束后，往往存在令人不滿意的地方，需要手工

13、調整。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備，如打印機或繪圖儀輸出電路板的布線圖。2、 Proteus ARES軟件的PCB設計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、網絡表的導入生成網絡表文件之后緊接的工作就是將網絡表文件帶入到ARES。單擊菜單【工具】【導出網絡表到ARES】，這樣系統(tǒng)會自動啟動ARES，同時將網絡表導入。如圖20所示。 圖20 ARES界面 4、系統(tǒng)參數設置（1）、設置電路板的工作層進入ARES并導入網絡表之后，需要對PCB的工作層面進行設定。A. 設置電路板層數選擇【系統(tǒng)】【設置板層使用】菜單項，彈出“設置板層使用”對話框，如圖21所示。圖21這里顯示了電路板的

15、14個內部層，然后單擊“OK”確定，并關閉對話框。B.設置層的顏色選擇【系統(tǒng)】【設置顏色】菜單項，彈出“設置顏色”對話框，如圖22所示。 圖22 板層顏色設置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)境設置選擇【系統(tǒng)】【設置環(huán)境】菜單項，彈出“環(huán)境設置”對話框，如圖24所示。 圖24 環(huán)境設置對話框（3） 、網格設置選擇【系統(tǒng)】【設置網格】菜單項，彈出“網格配置”對話框，如圖25所示。可分

16、別對英制和公制的網格尺寸進行設置。 圖25 網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行實時調整，分別使用的是F2、F3和F4。（4） 、路徑設置選擇【系統(tǒng)】【設置路徑】菜單項，彈出“設置路徑”對話框，如圖26所示。 圖26路徑設置對話框5、布局與調整 Proteus軟件提供自動布局和手工布局兩種方式。在進行布局時，推薦使用自動布局和手工布局相結合的方式，即先使用自動布局，然后進行手工調整。 在自動布局之前需先畫一個板框。在ARES左側的工具箱中選擇，從主窗口底部左下角下拉列表框中選擇黃色，在適當的位置畫一個矩形，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，這時會出現控制點，拖動控制點就可以調整板框的大小了。 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中，如圖27所示。 圖27 自動布局結果示意圖6、設計規(guī)則的設置完成了印制電路板的布局，便進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置布線設計規(guī)則，設置完布線規(guī)則后，程序將根據這些規(guī)則進行自動布線。因此，自動布線前，首先要進行設計規(guī)則的參數設置，預置布線規(guī)則的合理與否將直接影響不線的質量和成功率。選擇【系統(tǒng)】【設計規(guī)則】菜單項，彈出

18、“設計規(guī)則”對話框，如圖28所示。 圖28 設置設計規(guī)則對話框選擇【系統(tǒng)】【設計默認規(guī)則】菜單項，彈出“設計默認規(guī)則”對話框，如圖29所示。 圖29 默認設計規(guī)則對話框7、布線 布線就是在電路板上設置導線和過孔，并將元件連接起來。當設置了布線的規(guī)則后，就可以進行布線操作了。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、動布線設置對話框完成設置之后，單擊“OK”關閉對話框，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、設計規(guī)則檢測手工布線時，ARES將自動檢測布置的每一條導線，一旦違反設計規(guī)則，將發(fā)出警告。另外，也可以在任何時候運行電氣設計規(guī)則檢測，出現錯誤，系統(tǒng)將給予提示，雙擊設計規(guī)則錯誤提示，ARES將在板上的相應位置進行標注。具體操作步驟如下：選擇【工具】【連通性檢測】菜單項，系統(tǒng)進行斷線檢測（CRC），同時也運行設計規(guī)則檢測（DRC）。其中，CRC檢測主要側重于電學錯誤的連通性檢查，如是否有多余的、遺漏的連接等；DRC檢測主要側重于物理錯誤設計規(guī)則檢測，即是否有違反設計

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，單擊窗口左側的按鈕，在網絡選項列表框中選擇一個網絡號，然后單擊列表框上方的，可以高亮顯示該網絡，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中所示內容進行設置，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中所示內容進行設置，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，將當前層切換到，這時光標變成筆頭。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。按照圖示進行設置。 圖39 編輯區(qū)域對話框C.單擊“確定”，完成底層的局部覆銅，如圖40所示。 圖40 對底層進行局部覆銅D.同樣可對頂層進行局部覆銅，不同的是，當前層需切換為“頂層”。如圖41所示。 圖41

22、對頂層進行局部覆銅（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，并且可以隨意旋轉及縮放等。選擇【輸出】【3D預覽】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 、實驗總結及感想“電子技術課程設計”是電子技術課程的實踐性教學環(huán)節(jié)，是對我學習電子技術的綜合性訓練。我做的是數字鐘的設計，然而，要完成一個課題的設計要涉及到許多方面的知識。通過上網查詢和查閱相關書籍資料，讓我知道了大量關于數字鐘設計的知識，同時又重新將從前學過的知識復習了一遍，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，學會了做課程設計的一般步驟。首先我制定出自己的設計方案，其次詳細設計每一部分的電路，最后再根據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計打好了基礎。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。經過這次單片機課程設計，我從一個單片機實踐的門外漢，已經越升為略知一二的新