365倒计时电路的设计.docx
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365倒计时电路的设计
学号:
课程设计
题目
365倒计时电路
学院
信息工程学院
专业
通信工程
班级
0706
姓名
指导教师
付琴
2009
年
06
月
15
日
任务书
学生姓名:
颜伟专业班级:
通信0706
指导教师:
付琴工作单位:
武汉理工大学
题目:
365倒计时电路
初始条件:
protel设计、模拟电路、数字电路、电路设计知识
要求完成的主要任务:
(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求)
要求使用protel(包括其高级版本)对一个具有一定规模和复杂度的电路进行完整设计,包括原理图的绘制、双面PCB板的制作以及对电路进行全面仿真。
并且要求写出实验报告,在报告里要对电路原理、电路图的绘制、PCB板的制作以及仿真分析做出详细的说明。
报告的最后还要求列出参考资料。
时间安排:
2008-2009学年下学期1-18周
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
摘要
《Protel应用》这门课程主要是教会我们使用Protel软件来设计电路。
在这份报告中,我们详细讲述了使用Protel的高级版本AltiumDesigner来设计一个具有一定规模的实际电路的过程,该过程包括原理图的绘制、电路功能仿真以及PCB电路板的设计。
然后我们对所设计的电路进行分析和总结,并且对电路中存在的不足之处进行改进,重新绘制出改进后的完整的电路图和PCB电路板。
最后,我们对在整个过程中发现的问题和积累的经验进行总结。
报告的附录部分列出了该电路中所使用到的元件和我们所参考过的文献资料。
Abstract
"ProtelApplication"ThiscourseismainlytaughtustheuseofProtelsoftwaretodesignthecircuit.Inthisreport,wedescribeindetailtheuseofProteladvancedversionofAltiumDesignertodesignapracticalcircuitscaleoftheprocess,theprocessincludesdrawingschematics,circuitfunctionalsimulationandPCBboarddesign.Thenwedesignthecircuitfortheanalysisandconclusion,andtheexistenceofthecircuittoimprovetheinadequacies,theimprovedre-drawthecompletecircuitdiagramandPCBboard.Finally,wefoundthatinthewholeprocessandsummarizetheexperienceaccumulated.Appendixpartofthereportsetsoutthecircuitcomponentsusedtoandwehavemadereferencetotheliterature
任务书----------------------------------------------------------------------------------------------------I
摘要------------------------------------------------------------------------------------------------------II
1.AltiumDesigner简介-----------------------------------------------------------------------------1
2.设计题目及要求-----------------------------------------------------------------------------------2
设计题目描述------------------------------------------------------------------------------------2
设计具体要求------------------------------------------------------------------------------------2
3.设计步骤---------------------------------------------------------------------------------------------2
电路原理说明------------------------------------------------------------------------------------2
原理图设计---------------------------------------------------------------------------------------3
单元电路设计---------------------------------------------------------------------------------3
.1脉冲发生器----------------------------------------------------------------------------------3
.2倒计时电路----------------------------------------------------------------------------------4
综合设计----------------------------------------------------------------------------------------7
PCB板设计----------------------------------------------------------------------------------------8
4.仿真调试-------------------------------------------------------------------------------------------12
模块仿真-----------------------------------------------------------------------------------------12
秒脉冲发生器仿真-------------------------------------------------------------------------12
倒计时电路仿真----------------------------------------------------------------------------14
完整电路功能仿真---------------------------------------------------------------------------15
5.分析总结-------------------------------------------------------------------------------------------17
设计电路分析----------------------------------------------------------------------------------17
电路不足之处-------------------------------------------------------------------------------17
电路优点--------------------------------------------------------------------------------------17
设计电路改进----------------------------------------------------------------------------------17
总结-----------------------------------------------------------------------------------------------20
电路设计总结-------------------------------------------------------------------------------20
5.3.2AltiumDesigner应用总结---------------------------------------------------------------20
附录----------------------------------------------------------------------------------------------------21
1.AltiumDesigner简介
PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件,在电子行业的CAD软件中,它当之无愧地排在众多EDA软件的前面,是电子设计者的首选软件,它较早就在国内开始使用,在国内的普及率也最高,有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它,几乎所有的电子公司都要用到它,许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。
早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用,运行在DOS环境,对硬件的要求很低,在无硬盘286机的1M内存下就能运行,但它的功能也较少,只有电原理图绘制与印制板设计功能,其印制板自动布线的布通率也低,而现今的PROTEL已发展到PROTEL99(网络上可下载到它的测试板),是个庞大的EDA软件,完全安装有200多M,它工作在WINDOWS95环境下,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,并具有Client/Server(客户/服务器)体系结构,同时还兼容一些其它设计软件的文件格式,如ORCAD,PSPICE,EXCEL等,其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。
在国内PROTEL软件较易买到,有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多,这为它的普及提供了基础。
2005年年底,Protel软件的原厂商Altium公司推出了Protel系列的最新高端版本。
Altium,它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本,也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。
AltiumDesigner是业界首例将设计流程、集成化PCB设计、可编程器件(如FPGA)设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品,一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案,具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。
这款最新高端版本AltiumDesigner6.除了全面继承包括99SE,Protel2004在内的先前一系列版本的功能和优点以外,还增加了许多改进和很多高端功能。
拓宽了板级设计的传统界限,全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能,从而允许工程师能将系统设计中的FPGA与PCB设计以及嵌入式设计集成在一起。
2.设计题目及要求
设计题目描述
设计题目:
365倒计时电路
设计描述:
设计出一个数字电路,要求其具有365天倒计时的功能,并且具有启动、预置、同步清零等功能。
设计具体要求
1.设计出来的电路必须能够实现以上功能。
2.要求用protel(或者其更高版本)画出完整的电路图。
3.要求用protel(或者其更高版本)设计出双面电路板。
4.要求对所设计的电路进行仿真,以验证其正确性。
5.写出实验总结,完成实验报告。
3.设计步骤
电路原理说明
要想设计出一个计时电路来,就必然要用到脉冲发生器。
本实验中由于要求做的是倒计时电路,计时是以天为单位,原则上来说就要求设计出一个周期为1天的脉冲发生器。
但是由于我们这个实验的目的是学会用软件来设计电路,为了便于检验实验结果,我们将其频率设计成1HZ。
既然是倒计时电路,那就必然要用到计数器,将三个计数器设计成十进制减计数的方式,这样就可以实现倒计时的功能。
将三个计数器分别预置为3、6、5,并且把其预置端连在一起,这样通过预置端置“1”或“0”就可以实现预置的功能;同理,将所有的清零端连在一起,就可以实现同步清零。
然后,用脉冲发生器发出的脉冲去控制计数器的计数,将数字通过译码后用数码管显示出来,这样就实现了所要求的全部功能。
以下是电路设计总体框图。
图
(1)电路总体框图
原理图设计
用AltiumDesigner进行电路设计的第一步就是画原理图,在这里我们首先分析题目所要求实现的功能,然后根据自己所掌握的电子技术知识设计出每一个模块的电路图,并且在软件中绘制出来。
等到所有模块都设计完成后,我们再将其按照一定的要求组合起来,这样就完成了整个电路图的设计。
单元电路设计
在这里我们首先对脉冲发生器进行设计,绘制出其电路图;然后再设计出三位倒计时电路,绘制电路图,然后将这两部分整合起来就完成了总体的电路图设计。
.1脉冲发生器
在这里我们使用555集成块来设计脉冲发生器。
我们首先需要给555集成块加上+5V的电压,这样他才能够工作。
当电源接通后,VCC通过对R1、R2向电容充电。
电容上得到电压按指数规律上升,当电容上的电压上身到2/3VCC时,输电压VO为零,电容放电。
当电压下降到1/3VCC时,输出电平为高电平,电容放电结束。
这样周而复始便形成了振荡。
我们要的周期是1秒,频率是1赫兹。
周期T可以由下面的公式算出:
T=
在这里我们分别取R1、R2的值为47K、47K,电容C1的值取10pF。
我们首先再AltiumDesigner中选取相关元件,然后将它们排列在图纸中,最后按照自己的设计完成连线操作,将相关元件的编号改一下,这样就完成了电路图的设计。
相关设计结果如图
(2)所示。
图
(2)触发单元电路
.2倒计时电路
这里要求我们设计出来的计数器必须满足以下条件:
1.三位计数器;2.十进制;3.减计数。
我们选择74LS192来进行设计。
74LS192的功能真值表如图(3)所示。
图(3)74LS192功能表
由于我们在这里要用到的是减计数,所以我们将其CP+端固定接1,将脉冲加到CP-端。
将U3的借位端接到U2的CP-,同理,将U2的借位端接到U1的CP-,这样就可以实现三位十进制的减计数。
但是我们还需要将数字显示出来,这样结果才便于观察。
这就需要将计数器输出端接到译码器,译码后通过七段数码管显示出来。
在这里我们选择了CD4511来构成译码电路。
CD4532是一个四输入、七输出的译码器,这正好满足我们的需求。
只要将译码器的输出接到七段数码显示管上,就可以实现显示数字的功能了。
分析完了设计的方法和思路,现在就该具体动手实际操作了。
我们首先建立一个工程,然后向工程中添加一个电路图,接着在打开元件库,分别向电路图中添加3个74LS192、3个CD4532、3个数码显示管,然后再添加一些其他所需要的元器件。
添加完元件后我们就开始连线。
连线完成后,我们这单元的的电路图设计也就完成了。
图(4)就是所设计的计数器单元电路。
图(4)三位十进制减计数单元电路
综合设计
现在,我们已经分别完成了脉冲发生器和计数器单元电路的设计,我们只需要将他们综合起来,就可以完成整体电路图的设计了。
脉冲发生器单元电路中有一个OUT端子,我们只需要将这个端子接到U3的CP-端就行了。
由于我们在前面已经分别绘制出了这两个单元的电路图,所以现在我们不必再重新绘制,我们只需要新建一个电路图文件,将其纸张大小设置稍大一点,然后将脉冲发生器和计数器单元电路分别复制到这个图纸中,调整位置后,将秒发生器的OUT端子接到U3的DWN(也就是CP-)端就行了,至此,我们已经完成了整个电路图的设计。
详细电路图如图(5)所示。
图(5)整体电路图
PCB板设计
电路图设计完成后,我们可以编译一下,如果提示有错误,则需要修改电路图,然后重新编译,直到不再有错误为止。
编译通过后,我们就可以在该工程中建立一个PCB文件。
首先我们需要重新设计一下电路板的形状,这个可以由我们自己来定义。
具体设计过程如图(6)所示。
图(6)PCB板设计步骤1
自定义电路板的形状后,我们还需要确定布线范围。
左键点击PCB编辑器下方用来选择当前工作层的图标,选中Keep-OutLayer,在当前层上,选择Place\Line命令,在Keep-OutLayer层上画一个边框,作为我们的布局布线的外围约束边框,保存文件和工程。
详见图(7)。
图(7)PCB板设计步骤2
接着我们就需要把元件加载进去。
左键点击Project\CompliePCBProjectxxx..PrjPCB(xxx是用户自己定义的工程名)编译整个PCB工程,保存工程。
在当前的PCB编辑器环境下,左键点击Design\ImportChangesFromxxx..PrjPCB,会自动跳出来EngineeringChangeOrder对话框,列出了对PCB文件加载网表的一些具体操作。
添加的有:
ComponetClass(器件类),Components(器件),Nets(网络连接),Rooms(空间)。
器件类是以每张原理子图划分为一个器件类,并且为器件类定义一个空间。
确认没有什么错误就左键依次点击ValidateChanges,ExecuteChanges两个按键,对话框的右边就会冒出来绿色的图标来表示所执行的加载项目是正常的。
点击Close关闭对话框。
现在,我们已经把网表加载到这个PCB文件中了。
如图(8)--图(10)所示。
图(8)PCB板设计步骤3
图(9)PCB板设计步骤4
图(10)PCB板设计步骤5
接下来我们需要把元件拖进刚才设计的电路板中,调整好元件的位置后,就可以进行自动布线,也可以自己布线,布线完成后,就意味着电路板的设计已经完成了。
设计好的电路板如图(11)所示。
图(11)设计好的PCB电路板
4.仿真调试
在完成电路图的设计之后,我们就需要对电路图进行编译,看看有没有明显的错误,如果编译可以顺利通过的话,并不代表我们所设计的电路图就一定没有问题。
我们还需要对电路进行仿真,仔细检查我们设计电路所要实现的功能是否实现。
在这里我们首先对分立的模块进行仿真,接下来对总体电路进行仿真。
由于我们所使用的一些器件在AltiumDesigner中找不到相应的simulation类型,所以实际上对某些模块的的仿真我们是在专业的仿真工具multisim中进行的。
模块仿真
在这里我们首先对脉冲发生器进行仿真,接着对倒计时电路进行功能仿真。
脉冲发生器仿真
脉冲发生器是整个电路中相对比较简单的一个模块,它是由一个555集成块加上一些电阻和电容构成的,在这里我们需要检验其输出脉冲波形,看他是否符合要求。
图(12)是脉冲发生器输出端的波形仿真图,图(13)是脉冲发生器的输出频率仿真图。
图(12)脉冲发生器波形仿真
图(13)脉冲发生器频率检测
由图(11)我们可以发现,输出端的波形有一些毛刺现象,如果忽略这些毛刺,波形图就是典型的矩形波,这正好满足了我们的需求;从图(12)中我们发现,频率计测得的频率接近1KHz,我们只要根据公式修改相应的电容、电阻的值就可以使其为1Hz。
(由于软件无法识别较低的频率,所以我们在这里用1KHz来代替1Hz进行仿真。
)
倒计时电路仿真
图(14)和图(15)是我们对倒计时单元电路进行仿真所得到的图形,由七段数码管显示出来的数字及其变化情况我们可以证明,该单元电路实现了倒计时的功能。
图(14)表明当置数端为有效电平(低电平)、清零端为无效电平(低电平)时,计数器处于同步预置状态,预置数字“365”;图(15)表明当置数端和清零端同时为无效电平时,计数器处于计数状态,我们发现它已经由“365”逐渐减到了“086”。
(在这里脉冲发生器我们用系统所提供的信号发生器来代替)
图(14)处于预置状态的计数器
图(15)处于计数状态的计数器
完整电路功能仿真
完成了对以上两个单元电路的仿真,接下来我们就可以把这两部分组合起来,也就是用我们所设计的信号发生器来替代仿真系统所提供的信号发生器。
具体来说,就是将555集成块的“OUT”端接到U3的“DWN”端子上,这样就是用我们所设计的脉冲发生器所产生的脉冲来触发计数器,使其开始工作。
详细仿真结果如下图所示。
图(16)整体电路仿真图
5.分析总结
以上就是我们使用AltiumDesigner设计电路并制作出电路板的全部过程。
在整个实际操作过程中我们也发现了一些问题、产生了一些想法。
接下来就相关的问题做出总结。
电路设计分析
电路优点
通过实际仿真,我们发现本电路具有一些优点。
首先,该电路工作十分稳定。
由于本电路设计原理明确,所采用的元器件合适,电路布线尽可能简洁,加上该电路本来复杂度就较低,这就使得该电路的工作状态可以比较稳定。
其次,该电路的操作简便。
由于该电路设计要求的功能不多,我们在电路中只是用到了两个单刀多掷开关,分别用来控制置数和清零的操作。
再次,该电路具有数码显示功能,读取结果十分容易。
电路不足之处
在仿真过程中我们也发现了一些问题。
当电路由“365”减计数到“000”时,并不会停止不动,而是会变成“999”,紧接着再进行每次减一的计数过程。
而在实际应用中,当其减到”000“时,我们需要让其停止不动,并且最好可以有报警功能,提示我们时间已经到了。
很明显,本电路不具备这些特点。
设计电路改进
为了解决这些不足之处,我们可以对所设计的电路进行改进。
我们知道,74LS192具有一个特点,就是当其数值减到0时,就会在借位端产生一个负脉冲,我们可以利用这个特点来对电路进行改进。
具体来说就是使用一个三输入的或门,三输入端分别接三个计数器的借位端,或门的输出端和脉冲输出端通过一个与门送至U3的“DWN”端,这样当三个数码管全都显示“0”时,脉冲信号就送不到U3中,因而计数器就停止计时,这样就解决了以上问题。
改进之后的电路图如图(17)所示。
图(17)改进后的电路图
图(18)改进后绘制的PCB板
总结
电路设计总结
由以上设计过程我们发现,电路的设计不能一蹴而就,它往往是一个反
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