1、數字鐘應用課程設計說明書1、數字鐘原理設計1.1 芯片介紹本科設設計的數字鐘主要應用到74ls90 芯片的計數功能，通過輔助電路完成六十進制和十二進制計數，從而實現數字鐘的功能。74ls90是包含一個二分頻和五分頻的計數器，其邏輯功能鍵表1。表 1 74ls90 邏輯功能輸入輸出R0(1) R0(2)R9(1)R9(2) CPQ3Q2Q1Q0110XX000011X0X0000XX11X1001X0X0計數0X0X計數0XX0計數X00X計數用 74ls90 還能實現十進制計數，把Q0接到五進制 CP端即可，如圖 1。從CP0端輸入脈沖信號輸出即為8421 碼十進制計數。圖 1 用 74ls9

2、0 實現十進制計數1.2 單元電路原理1.2.1 脈沖信號的產生這里用到的是用 555 定時器設計的多諧振蕩器， 多諧振蕩器的優點是在接通電源之后就可以產生一定頻率和一定幅值矩形波的自激振蕩器， 而不需要再外加輸入信號。而用 555 定時器設計的多諧振蕩器也有很多優點， 由于 555 定時器內部的比較器靈敏度較高， 而且采用差分電路形式， 這樣就使多諧振蕩器產生的振蕩頻率受電源電壓和環境溫度變化的影響很小。接通電源后， 電容 C2被充電，當 VC上升到 2/3V CC時，使輸出電壓為低電平，同事放電三極管 T 導通，此時電容 C2通過 RB 和 T 放電，VC下降。當 VC下降到 2/3V C

3、C 時，V0 翻轉為高電平。當放電結束后， T 管截止， VCC將通過 RA 和 RB 向電容器 C2 充電，當 VC上升到 2/3V CC時，電路又翻轉為低電平。如此周而復始，于是，在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。圖 2脈沖信號產生電路脈沖周期 T=(R1+R2)C 2, 取 R1=R2=721k，C1=1f ，C2=0.01 f 。帶入數據計算得 T=1s。輸出波形占空比 =R1/（R1+R2）=1/2 。輸出波形如圖3。圖 3輸出脈沖信號1.2.2 用輔助電路實現六十，十二進制計數器用輸出端控制 R0（ 1）和 R0（2）端可完成六十和十二進制。六十進制計數器原理圖如圖4。高位的

4、 CP 信號來自低位的最高位，即低位完成一次十進制計數產生一個脈沖信號，使得高位開始計數。高位Q1Q2位與與門相連，輸出接到清零端上，從而當高位輸出Q3Q2Q1Q0為 0110, 即十進制數 6 時高位清零。達到六十進制計數的目的。圖 4六十進制計數器同理可得出十二進制計數的連線方式，如圖5 所示。圖 5十二進制計數器1.2.3 顯示電路顯示電路由七段譯碼器74ls48 和七段 LED數碼管組成，將74ls90 的輸出端接譯碼器的輸入端，再將譯碼器的輸出端接到數碼管的輸入端上即可。如圖6所示。圖 6顯示電路2、Protel原理圖繪制2.1 準備畫圖1. 啟動 Protel 99E（ 1）從 W

5、indows操作系統的開始菜單或桌面快捷圖標進入Protel 99E環境。（ 2）使用菜單 File/New 建立新工程文件。在 DatabaseFileName 欄中可對填入protel課設 .ddb（ 3）使用菜單 File/New ，在彈出的窗口里選擇 SchematicDocument 選項，開始設計原理圖。（ 4）一個名為 Sheet1.SchDoc 的原理圖圖紙出現在設計窗口中，并且原理圖文件夾也自動地添加（連接）到項目。這個原理圖圖紙現在列表在 Projects 標簽中的緊挨著項目名下的 Schematic Sheets 文件夾下。同樣方法重命名為 protel 課設 . 。（

6、5）設置畫圖環境使用菜單 Design/Document Option ，在如圖 7 所示的窗口中設置圖紙尺寸、柵格等內容。圖 7 Document Option對話框原理圖參數設置：1、從菜單選擇 Tools ?Preferences 打開原理圖參數對話框。這個對話框允許你設置全部參數，這些將應用到你將繼續工作的所有原理圖圖紙。Preferences對話框如圖 8 所示。2、點擊 Default Primitives標簽以使其為當前，勾選Permanent。點擊 OK按鈕關閉對話框。3、在你開始繪制原理圖之前，保存這個原理圖圖紙，因此選擇File?Save 。圖 8 Preferances

7、對話框2.2 定位元件和加載元件庫1、點擊 Libraries標簽顯示庫工作區面板。2、在庫面板中按下 Search 按鈕，或選擇 Tools ? Find Component 。這將打開查找庫對話框。 Find Component 如圖 9 所示。3、確認 Scope 被設置為 Libraries on Path，并且 Path 區含有指向你的庫的正確路徑。如果你接受安裝過 程中的默 認目錄，路徑中會 顯示C:Program。確認 IncludeSubdirectories未被選擇（未被勾選）。4、如本數字鐘中的尋找74ls90 芯片只需在 Search Criteria單元的 Name文本

8、框內鍵入 74ls90 即可。圖 9 元件查找對話框5、點擊 Search 按鈕開始查找。 當查找進行時 Results 標簽將顯示。 如果你輸入的規則正確，一個庫將被找到并顯示在查找庫對話框。6、點擊Miscellaneous Devices.IntLib庫以選擇它。7、點擊 Install Library按鈕使這個庫在你的原理圖中可用。8、關閉 Search Libraries對話框。添加的庫將顯示在庫面板的頂總。 如果你點擊上面列表中的庫名， 庫中的元件會在下面列表。面板中的元件過濾器可以用來在一個庫內快速定位一個元件。 同樣方法找出所需元件。2.3 原理圖放置元件1、電容、電阻等常用元

9、件也在MiscellaneousDevices.IntLib庫里，該應該已經在 Libraries面板中被選擇。2、在 Libraries面板的元件過濾器欄鍵入cap 或 res 。3、在元件列表中點擊元件選擇它，然后點擊Place 按鈕。現在在你的光標上懸浮著一個電容符號。4、按 TAB鍵編輯電容的屬性。在Component Properties對話框的 Properties單元，設置 Designator ，檢查 PCB封裝模型。5、規則欄的設置將顯示在原理圖中。點擊規則列表中的Add 顯示ParameterProperties 對話框。輸入名稱 Value 以及值 20n。確認 Stri

10、ng 作為規則類型被選擇，并且 value 的 Visible 框被勾選。點擊 OK。6、在對話框的 Properties 單元，點擊 Comment欄并從下拉列表中選擇 =Value，將 Visible 關閉。點擊 OK按鈕返回放置模式。右擊或按 ESC退出放置模式。7、在放置元件時要做到美觀整潔，盡量使元件朝一個方向放置，并把連接關系緊密的元件放在靠近的地方。2.4 連接電路連線起著在你的電路中的各種元件之間建立連接的作用。1、從菜單選擇 Place ? Wire 或從 Wiring Tools 工具欄點擊 Wire 工具進入連線模式。光標將變為十字形狀。 當將光標移至元件接口或導線上時，

11、 光標中將出現一黑點，單擊右鍵后導線就練到接口或導線上了。2、將光標放在元件一端。當你放對位置時，一個紅色的連接標記會出現在光標處。這表示光標在元件的一個電氣連接點上。3、左擊或按 ENTER固定第一個導線點。移動光標你會看見一根導線從光標處延伸到固定點。4、將光標稱到Q1 的基極上，你會看見光標變為一個紅色連接標記。左擊或按ENTER連接到 Q1的基極。5、完成這部分導線的放置。注意光標仍然為十字形狀，表示你準備放置其它導線。要完全退出放置模式恢復箭頭光標，你應該再一次右擊或按ESC。電路總原理圖見附錄 12.5電路 ERC電氣規則檢查畫好電路圖后需對電路進行電氣規則檢查，點擊 Tools/

12、ERC 菜單，軟件即生成 ERC文件，文件中對電路存在的電氣問題進行描述， 并且會在電路圖中用紅圈標出部分電氣問題的具體位置。電氣規則主要指元件引腳是否連接到電路中等。只有解決了所有ERC文件中標出的問題，才可開始創建PCB文件和電路的仿真。2.6 生成網絡表選擇菜單欄會多出一項Design/Creat Nestlist Generated Protel Netlist命令，如圖11 所示。隨后在project，展開后有一個“ *.NET”，這就是生成的網絡表。 網絡表中主要內容分為兩部分， 一部分是各元件的屬性參數， 以方括號作為開頭和結尾； 一部分是各元件引腳的電氣連接信息， 以圓括號作為

13、開頭和結尾。網絡表是原理圖與印制電路板之間的一座橋梁， 是印制電路板自動布線的依據。網絡表提供了電路的元件清單以及元件之間的互聯關系。2.7 生成材料清單在原理圖界面下執行菜單命令ReportsBillof Material現新的對話框選擇 sheet 點擊下一步，其他默認直到倒數第二步將 Protel Format、CSVFormat、ClientSpreadsheet 全部選中點擊下一步和Finish就生成了材料清單。材料清單包括電路圖中所有元件的名稱，類型和封裝號和元件的備注， 材料清單見附錄2。3、PCB板制作3.1 創鍵 PCB文件同創建 sch 電路圖文件一樣，雙擊進入docume

14、nt，執行菜單命令 /NEW，雙擊即可創建 PCB文件。在生成 PCB文件之前應保證原理圖沒有錯誤，文件生成后將所需要的庫文件導入到PCB，否則即使原理圖無錯誤系統也會報錯。3.2 將電路導入PCB文件1、選擇菜單 Design/Update PCB命令，將彈出一個 UpdateDesign 菜單，此菜單可對 PCB生成選項進行修改，如圖 10 所示，點擊 PreviewChange 按鈕，可以檢查原理圖中存在的封裝等問題和可能存在的隱患。如果沒有問題點擊 Exeuct 按鈕，軟件將自動根據電路原理圖創建 PCB文件，即將原理圖中的所有原件和連接關系對應到 PCB中，如圖 10 所示。圖 10

15、 PCB創建選項菜單2、在PCB狀態下執行菜單命令【Design 】/ 【Netlist】 , 在出現的對話框中點擊標簽然后選擇之前創建好的后綴名為.net的網絡表。若元件封裝、原理圖均無錯誤后即可在PCB版上生成元器件。在網絡表文件載入時，常常會出現兩種錯誤：Footprint Not Available(封裝元件遺漏) 、 Node NotFound(引腳遺漏 ) 。在加載的時候，應該注意改正錯誤，得到正確的網絡表。圖 11 自動生成的 PCB圖3.3 元件的布局元件的重新布局是為了在布線時元件之間的導線連接簡潔，減少導線的交叉，并充分利用 PCB板的空間。做到緊湊而不擁擠，美觀，而又容易

16、觀察元器件之間的連接關系。 在移動元件時還應注意所有的元件名稱最好朝一個方向， 這樣生產出來的電路板方便閱讀。 移動元件時容易造成圖像部分區域無法生成， 這時按 END鍵可以刷新圖像。移動元器件時最好參考原理圖， 了解各元件之間的連接，將連線較多的元件放在更近的地方。 布局好元件后開始描繪電氣邊界， 邊界決定了印刷電路板的尺寸，只能在 KeepOutLayer層描繪邊框，在其他層畫邊框會使造成無法布線。基本工作層面說明：信號層（ Signal Layers ）：用來放置元件、導線等與電氣信號有關的電氣元素。對于制作雙面板而言，要選中頂層銅膜布線面（ Top Layers ）和底層銅膜布線面（

17、Bottom Layers ）。絲印層（Silkscreen）：用于繪制元件的外形輪廓，元件序號和標注字符等。一般選中頂層（ Top overlay ）即可。防護層（ Mask）：自動生成，不選。禁止布線層（ Keep Out Layer ）：用于規定放置元件和布線的區域。多層面（ Multilayer ）：用于快速把對象（例如，焊盤和過孔）加入到所有的信號層，選中即可。其它的選項使用默認設置即可。調整好后的PCB 圖如圖12。圖 12 元件重新布局后的PCB圖3.4 元件自動布線執行 Auto Route/All后開始自動布線。布線后見圖16。Protel也可以手動對 PCB圖進行手動布線，

18、 但由于水平有限而且電路較為復雜采用自動布線。 在使用 Protel 進行電路設計的高級階段， PCB圖的布局和布線都是手動完成的。自動布線后 PCB效果圖如圖 13 所示。圖 13 自動布線效果圖4、Protel電路仿真4.1 繪制原理圖仿真元件必須在 sim.ddb 庫中尋找，仿真時應該重新畫原理圖，仿真原理圖的畫法與電路原理圖畫法類似。 仿真過程中同樣要進行 ERC電氣規則檢查后才能開始。若有錯誤需改正后再開始后面的步驟。 仿真元件必須在 sim.ddb 庫中尋找，仿真時應該重新畫原理圖， 仿真原理圖的畫法與電路原理圖畫法類似， 這里不再贅述。由于本電路較為復雜， 且數字電路無相對重要的

19、輸出端， 本課設僅進行部分仿真。旨在驗證 555 多諧振蕩器的波形是否正確，并且驗證六十進制計數器、十二進制計數器是否到達預期的計數目的。 555 多諧振蕩器仿真電路如圖 14 所示，六十進制計數器如圖 15 所示，十二進制計數器如圖 16 所示。圖 14 555 多諧振蕩器仿真電路圖 15六十進制計數器仿真電路圖 16 十二進制計數器仿真電路由于后面觀察到多諧振蕩電路仿真波形有失真，所以計數器仿真電路用Protel提供的方波發生器代替，其脈沖周期均為1s。后面所有仿真的都是原理圖中標號輸出的波形。4.2 放置網絡標號利用 Place/NetLabel 或相應工具條（結合 Tab 鍵），放在需

20、要指明節點的附近，指示信號的測試點或信號輸入輸出點。 放置網絡標號可以讓想了解點的波形很容易找的，因為仿真產生波形會把所有網絡標號點波形顯示出來， 方便查看。4.3設置仿真參數執行菜單命令Simulation/Setup.,彈出如圖17 的對話框。圖17仿真分析對話框在此對話框 General 標簽中的 Select Analyses to Run 欄下，選擇仿真分析的方法。本電路只選擇 Transient/Fourier Analysis （瞬態分析 / 傅里葉分析）。在 Transient/Fourier Analysis 標簽下可以設置瞬態分析的參數。由于默認參數較小， 而本電路時間間隔

21、都是秒級的， 所以需重新設置。 設置的內容有 StopTime 和 StepTime，分別設為 1000s 和 10us，這樣可以確保觀察到計數器是否正常計數。4.4運行仿真電路仿真器在仿真時需要用到SPICE 網絡表。執行菜單命令Simulate/CreateSPICE Netlist 生成 SPICE 網絡表文件 *.nsx 。設置好電路原理圖和仿真分析的參數后，執行菜單命令 Simulated/Run 就可以運行電路仿真了。仿真結果文檔 *.sdf 將存儲在本電路的設計數據庫文件中，并在一個新的窗口（仿真波形分析器窗口）中顯示。 555 電路仿真波形，六十進制計數器仿真波形，十二進制計數

22、器仿真波形分別如圖。圖 18 555 多謝振蕩器電路仿真波形從圖中可以看出電路存在失真的現象，波形的的上跳和下跳的并不是瞬時的，這與 555 定時器的參數有關。圖 19六十進制計數器電路仿真波形從圖中可以清晰的看到計數器的輸出周期是 60s，實驗證了該電路的功能。當圖 15 中 U1 的輸出 QA QB QCQD 的輸出為 0110 時，輸出 =QAQB為高電平，但由于輸出端又與清零端相連， 且清零端高電平有效， 高電平馬上被清零，從而造成波形圖中輸出脈沖時間非常短的現象。圖 20 十二進制計數器電路仿真波形在此圖中同樣可以看到輸出波形的周期為 12s，驗證了改電路的功能。其波形產生原理與六十

23、進制計數器相同。對上面的波形分析可得當用六十進制計數器的輸出作為另外一個六十進制計數器的 CP端輸入時，可實現小時計數。再將后一計數器輸出端作為十二進制計數器的 CP輸入端，就可以實現十二小時計數了。這就是本數字鐘所應用的原理所在。5、心得體會這次 Protel課設歷時兩個多星期， 在完成課設的過程中我學到了很多東西。本次課程設計與以往不同， 更強調對 EDA的實用，使我對電子設計自動化有了初步的認識。 EDA是電子設計自動化（Electronic Design Automation）的縮寫， EDA技術就是以計算機為工具，設計者在EDA軟件平臺上，用硬件描述語言 HDL完成設計文件，然后由計

24、算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優化、布局、布線和仿真，直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。EDA技術的出現，極大地提高了電路設計的效率和可操作性，減輕了設計者的勞動強度。利用EDA工具，電子設計師可以從概念、算法、協議等開始設計電子系統，大量工作可以通過計算機完成，并可以將電子產品從電路設計、性能分析到設計出IC 版圖或 PCB版圖的整個過程的計算機上自動處理完成。 Protel就是 EDA技術的一個典型例子，使用它可以制作印刷電路板和對電路進行仿真。在課程設計的過程中我遇到了許多挫折, 如軟件使用中的很多問題, 但我認為挫折是一份財富， 經歷是一份擁有。 這

25、次課程設計必將成為我人生旅途上一個非常美好的回憶。在制作課設的這兩個星期的日子里， 可以說得是苦多于甜， 但是可以學到很多很多的的東西，通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的， 只有把所學的理論知識與實踐相結合起來， 從理論中得出結論，才能真正為社會服務， 從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題， 可以說得是困難重重， 難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發現了自己的不足之處，如對 protel 軟件的應用還不夠熟悉，以及其中很多功能應用還未有深刻理解， 要通過不斷的實用和查找資料來完善自己此方面的能力。此設計由于我們的學業不精和時間等客觀問題， 未能使設計達到完善， 還有很多缺點和錯誤， 如多諧振蕩器仿真失真等。 希望老師能提出改進意見， 謝謝老師對我們的辛勤栽培。6、參考文獻1. 張瑾、張偉、張立寶編著， Protel99SE 入門與提高，人民郵電出版社， 20072. 譚孝輝編著， Protel 電路設計與仿真，電子科技大學出版社， 20093. 康華光主編，電子技術基礎（數電部分） ，高等教育出版社， 20064. 伍時和主編，數字電子基礎，清華大學出版社， 20095. 閻石主編，數字電子基礎，高等教育出版社， 2006附錄1. 電路總