电子线路CAD课程设计报告Word文档格式.docx

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使学生掌握电子线路设计中使用CAD的方法。

为后继课程和设计打下基础。

2.课程设计题目描述和要求：

在protel上用555定时器以及外加电阻、电容，设计一个简易的电子琴，能够通过改变开关的闭合，可以产生1、2、3、4、5、6、7、i，这8个音符。

要求画出电路原理图并进行PCB仿真。

3.课程设计报告内容：

3.1设计原理：

555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。

只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。

它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。

多谐振荡器的工作原理：

多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。

多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。

由555定时器构成的多谐振荡器如图1所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。

由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。

这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。

充电时间常数T充=（R1＋R2）C。

由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数T放＝R2C0随着C的放电，uc下降，当uc下降到（1/3）Vcc时，输出uo。

为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。

不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。

电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc之间变化。

图1（b）所示为工作波形。

图1555定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形

集成555定时器有双极性型和CMOS型两种产品。

一般双极性型产品型号的最后三位数都是555，CMOS型产品型号的最后四位数都是7555.它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。

器件电源电压推荐为4．5～12V，最大输出电流200mA以内，并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。

其主要参数见表8.1。

555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如下：

【逻辑符号】

【内部原理图】

Vi1（TH）：

高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。

Vi2（TR）：

低电平触发端，简称低触发端，标志为TR。

VCO：

控制电压端。

VO：

输出端。

Dis：

放电端。

Rd：

复位端。

555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生VCC和

VCC两个基准电压；

两个电压比较器C1、C2；

一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器（低电平触发）；

放电三极管T和输出反相缓冲器G3。

Rd是复位端，低电平有效。

复位后,基本RS触发器高端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。

【逻辑功能】

RST

TH

TR

OUT

X

1

>

2/3VCC

1/3VCC

<

不变

在555定时器的VCC端1/3和地之间加上电压，并让VCO悬空，则比较器C1的同相输入端接参考电压1/3VCC，比较器C2反相输入端接参考电压2/3VCC，为了学习方便，我们规定：

当TH端的电压>

1/3VCC时，写为VTH=1，当TH端的电压<

2/3VCC时，写为VTH=0。

当TR端的电压>

2/3VCC时，写为VTR=1，当TR端的电压<

1/3VCC时，写为VTR=0。

①低触发：

当输入电压Vi2<

VCC2/3且Vi1<

1/3VCC时，VTR=0，VTH=0，比较器C2输出为低电平，C1输出为高电平，基本RS触发器的输入端TH=0、TR=1，，经输出反相缓冲器后，VO＝1，T截止。

这时称555定时器“低触发”；

②保持：

若Vi2>

1/3VCC且Vi1<

2/3VCC，则VTR=1，VTH=0，基本RS触发器保持，VO和T状态不变，这时称555定时器“保持”。

③高触发：

若Vi1>

2/3VCC，则VTH=1，比较器C1输出为低电平，无论C2输出何种电平，基本RS触发器,经输出反相缓冲器后，VO＝0；

T导通。

这时称555定时器“高触发”。

VCO为控制电压端，在VCO端加入电压，可改变两比较器C1、C2的参考电压。

正常工作时，要在VCO和地之间接0．01μF（电容量标记为103）电容。

放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。

元器件选择：

根据555多谐震荡的原理选择电阻：

由上所述可知：

555芯片输出端输出的频率计算公式为f=1.43/（（R1+2R2）C）

再由下表所列的八个音阶分别对应的频率可以令R1为一固定阻值，通过开关调节的几个串联的电阻当做R2。

分别选用6个2千欧电阻，一个1千欧和一个十三千欧的电阻串联接于引脚6和引脚七。

大概电路图1所示。

电容选择：

通过计算可以得出6引脚所需电容为0.1μF。

输出端3接4.7μF电容。

根据以上选择计算实际频率与真实频率对比如下：

音阶

真实频率/Hz

实际频率/Hz

261.6

264

2

293.7

297

3

329.6

330

4

349.2

352

5

392.0

396

6

440.0

440

7

493.9

495

i

523.3

528

元器件清单：

555定时器

1片

电阻

2K

6个

1K

2个

13K

1个

电容

0.01uF

0.1uF

4.7uF

按键

8个

喇叭

3.2protel电路原理图设计：

步骤：

1.建立DDB文档，建立SCH文件，SCH工作环境设置。

2.建立SCH库文件，新元件的编辑与保存。

3.绘制原理图。

4.生成网络表并检查无误。

原理图：

3.3protel电路仿真分析：

1.建立PCB文件，PCB工作环境设置。

2.建立PCB库文件，新封装的编辑与保存。

3.PCB布局：

画出PCB边框，放置安装孔，调整元件位置，编辑元件。

4.设置布线规则并布线，最后覆铜生成PCB板。

PCB仿真图：

TopLayer

BottomLayer

AT89C51单片机开发板设计

利用Protel软件设计一种基于89C51单片机的开发板。

要求开发板以51系列单片机为核心控制器，板上资源主要包括串口通信模块、8段数码管显示模块、A/D和D/A转换模块、LCD显示模块、键盘模块、发光二极管显示模块、电源模块等。

按要求确定系统实现的方案，用Protel绘制出相应的电路原理图，并进行PCB板模拟仿真。

本开发板共分为十一个模块，分别是：

C51单片机主控制器模块、USB电源模块、键盘模块、AD模块、DA模块、DS1302时钟模块、八段数码管显示模块、LCD1602模块、串行口通信模块、发光二极管显示模块、蜂鸣器模块。

其中以C51单片机作为核心控制器；

键盘模块用来向单片机输入特定编码的信息；

AD模块用来实现模数转换；

DA模块用来实现DA转换；

DS1302时钟模块用来实现实时时钟；

MXA232模块通过串行口实现通信；

数码管模块用来显示简单的数字、字母；

LCD1602模块用来显示字母、数字、符号；

发光二极管显示模块用来显示单片机I/O口电平的变化；

蜂鸣器模块用来发出声音。

模块结构框图如图1：

图1

C51单片机主控制器模块：

C51单片机最小系统包括：

MCU、复位电路、晶振电路。

其中复位电路采用按键复位方式，选取晶振为12MHZ，系统机器周期为1us。

。

原理图如图2所示：

图2

键盘输入模块：

在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。

J15用来连接P0口与矩阵键盘模块，在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。

这样，一个端口（如P0口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显。

原理图如图3所示：

图3

AD转换模块：

ADC0804是属于连续渐进式（SuccessiveApproximationMethod）的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。

原理图如图4所示：

图4

DA转换模块：

DAC0832是使用非常普遍的8位D/A转换器，其转换时间为1μs，工作电压为+5V~+15V，基准电压为10±

V。

它主要由两个8为寄存器和一个8位D/A转换器组成。

其转换原理与T型解码网速一样，由于其片内有输入数据寄存器，故可以直接与单片机接口。

DAC0832以电流形式输出，当输出需要转换为电压时，可外界运算放大器。

原理图如图5所示：

图5

实时时钟模块：

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达2.5～5.5V。

原理图如图6所示：

图6

MXA232通信模块：

MAX232芯片是RS232标准接口芯片，使用+5v单电源供电。

是PC机与单片机串口进行通讯的电平转换芯片。

原理图如图7所示：

图7

LED1062模块：

LCD1602点阵字符液晶模块是由点阵字符液晶显示器件和专用的行列驱动器，控制器及必要的连接件，结构件装配而成，可以显示数字和英文字符。

原理图如图8所示：

图8

5.建立PCB文件，PCB工作环境设置。

6.建立PCB库文件，新封装的编辑与保存。

7.PCB布局：

8.设置布线规则并布线，最后覆铜生成PCB板。

设计和仿真过程中出现的问题及解决方法：

1.protel和win7不兼容，不显示元件库。

解决方法：

下载补丁插件，手动添加元件库。

2.元件被选中后无法解除选中状态。

单击工具栏中

按钮，就能解除选中状态。

3.封装时找不到封装元件。

手动复制PCBLIB1.LIB文件到Documents下，再双击打开，单击屏幕右侧UpdatePCB按钮添加即可。

4.自动布线前不会设置线宽。

单击Design—Rules—WidthConstraint—Add,在弹出窗口左侧选择要改变的线型，在右侧设置线宽。

设计总结：

做这次课程设计真的是让我受益匪浅。

通过做这次的课程设计，我了解了用Protel软件绘制出电路原理图和PCB图的一般步骤和方法，这对我们以后制作集成电路板是大有帮助的。

虽然这次课程设计过程中，遇到了很多问题，如Protel安装、元器件查找、线宽设置·

·

但正是这些问题的存在，让我们体会到了通过自己看书查资料解决问题以后的喜悦。

所以说这次课程设计不仅让我们认识了Protel，也初步了解了电子电路CAD的形式，更为重要的是让我们提高了自己发现问题和解决问题以及团结协作的能力。

所以最后，我要衷心的感谢帮助过我的老师和同学们，谢谢你们！

参考书目：

[1] 

张伟，《单片机原理及应用》，机械工业出版社，2005 

[2] 

张鑫，《单片机原理及应用》，电子工业出版社，2005

[3]丘关源，《电路》，高等教育出版社，2010年

[4]童诗白、华成英，《模拟电子技术基础》，高等教育出版社，2009年

[5]阎石，《数字技术基础》，高等教育出版社，2009年