CAD课程设计 数据采集卡的设计.docx
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CAD课程设计数据采集卡的设计
计算机辅助电气电子线路设计
课程设计
题目：
数据采集卡的设计
姓名：
学号：
指导教师（职称）
专业：
电气工程及其自动化
班级：
一班
所在学院：
电气信息学院
2014年06月
计算机辅助电气电子线路设计课程设计
任务书
一、课程设计的目的
通过本课程的实习，使学生掌握设计电路原理图、制作电路原理图元器件库、电气法则测试、管理设计文件、制作各种印制电路板、制作印制板封装库的方法和实际应用技巧；使学生掌握电路原理图的设计方法，掌握电路板的绘制方法和技巧；培养学生的动手操作能力，提高学生的专业技能水平；为学生胜任实际PCB板设计打下坚实的基础。
主要包括以下内容：
1、电气原理图（SCH）设计系统。
2、电气原理图元件库编辑。
3、印制电路板（PCB）设计系统。
4、印制电路板元件库编辑。
二、课程设计的内容
（一）原理图（SCH）设计系统
（1）原理图的设计步骤；
（2）绘制电路原理图；
（3）文件管理；
（4）生成网络表文件；
基本要求：
掌握原理图的设计步骤，会绘制电路原理图，利用原理图生产网络表，以达到检查原理图的正确性的目的；熟悉文件管理的方法。
（二）原理图元件库编辑
（1）原理图元件库编辑器；
（2）原理图元件库绘图工具和命令；
（3）制作自己的元件库。
基本要求：
熟悉原理图元件库的编辑环境，熟练使用元件库的常用工具和命令，会制自己的元件库。
（三）印制电路板（PCB）设计系统
（1）印制电路板（PCB）的布线流程；
（2）设置电路板工作层面和工作参数；
（3）元件布局；
（4）手动布线；
（5）电路板信息报表生成。
基本要求：
熟悉PCB布线的流程，熟练设置电路板的工作层面和参数，根据实际情况，规范的对元件进行布局。
掌握自动布线和手动布线的方法，并会对布线后生成的信息报表进行检查，以达到修改完善PCB的目的。
（四）印制电路板元件库编辑
（1）PCB元件库编辑器；
（2）PCB元件库绘图工具和命令；
（3）制作自己的PCB元件库
基本要求：
基本要求：
熟悉印制电路元件库的编辑环境，熟练使用元件库的常用工具和命令，会制作自己的元件库。
三、课程设计的具体要求
按照学号顺序根据给定的电气原理图样本图绘制原理图和PCB图。
共4个题目（见教材）：
1、数据采集卡的设计
2、直流调速系统控制器的设计
3、步进电动机驱动器的设计
4、直流无刷电动机驱动系统的设计
第一章Protel99SE的简介
Protel99SE是ProklTechnology公司基于Windows环境下开发的电路板设计软件。
该软件功能强大，人机界面友好，是业界人士首选的电路板设计工具。
Protel99SE由以下两大部分组成：
（1）电路工程设计部分
1 电路原理设计部分（Advanced Schematic 99）：
电路原理图设计部分包括电路图编辑器（简称SCH编辑器）、电路图零件库编辑器（简称Schlib编辑器）和各种文本编辑器。
本系统的主要功能是：
绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。
2 印刷电路板设计系统（Advanced PCB 99）：
印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器（简称PCB编辑器）、零件封装编辑器（简称PCBLib编辑器）和电路板组件管理器。
本系统的主要功能是：
绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。
3 自动布线系统（Advanced Route 99）：
本系统包含一个基于形状（Shape-based）的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现PCB设计的自动化。
（2）电路仿真与PLD部分
1 电路模拟仿真系统（Advanced SIM 99）：
电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。
2 可编程逻辑设计系统（Advanced PLD 99）：
可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器（Waveform）。
本系统的主要功能是；对逻辑电路进行分析、综合；观察信号的波形。
利用PLD系统可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。
3 高级信号完整性分析系统（Advanced Integrity 99）：
信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析PCB设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。
protel99SE提供了大量的元器件模型，同时允许用户通过网络下载更新元器件模型，通过该软件提供的元器件库管理工具，用户可以方便的对设计中常用的元器件进行分类整和，可大大提供工作效率。
除此之外，该软件还有如下特性：
方便的查找功能，优越的混合信号电路仿真，简便的同步设计，强大的规则检查功能，增强的手动步线方式，新的步线到脚分格，精确的信号完整性分析，增强的元器件布局工具，可以实现对原理图的自动布局。
第二章电路原理图设计
2.1电路原理图元件库的设计
虽然Protel本身包含了庞大的元件库，但在实际应用中总会遇到找不到元件的情况，这时就需要根据元件资料，自己动手在元件库中制作这个元件，在原理图库中画好元件后，再将自己制作的元件库导入到系统元件库中，方便以后的使用。
首先，应先启动Protel软件。
（1）启用Protel99SE。
1 从桌面鼠标双击图标
，进入Protel99SE主窗口。
如下图所示：
2 在Protel99SE主窗口中，单击菜单File-NewDesign,弹出“新建设计数据库”对话框。
再对新设计进行命名，选择:
保存路径：
（2）原理图元件编辑库的启动方法如下：
1 首先在当前涉及管理器环境下，执行File→New，系统将显示NewDocument的对话框。
然后从对话框中选择原理图元件库编辑器图标，如下图所示：
2 接着点击OK按键，系统便在当前涉及管理器中创建了一个新的元件库文档，此时用户可以修改文档名。
3 双击涉及管理器中的电路原理图元件文档图标，就可以进入元件库编辑工作界面，如下图所示：
（3）原理图元件库绘图工具和命令
1 Components区域
Mask文本框：
元件过滤，可以通过设置过滤条件过滤掉不需要显示的元件。
在设置过滤条件中，可以使用通配符“*”和“？
”。
当文本框中输入“*”时，文本框下方的元件列表中显示元件库中的所有元件。
如图下图所示。
按钮：
选择元件库中的第一个元件。
对应于菜单命令Tools|FirstComponent。
单击此按钮，系统在元件列表中自动选择第一个元件，且编辑窗口同时显示这个元件的图形，下同。
按钮：
选择元件库中的最后一个元件。
对应于菜单命令Tools|LastComponent。
按钮：
选择当前元件的前一个元件。
对应于菜单命令Tools|PrevComponent。
按钮：
选择当前元件的后一个元件。
对应于菜单命令Tools|NextComponent。
Place按钮：
将选定的元件放置到打开的原理图文件中。
单击此按钮，系统自动切换到已打开的原理图文件，且该元件处于放置状态随光标的移动而移动。
Find按钮：
查找元件。
2 Group区域
Group区域的功能是查找、选择元件集。
所谓元件集，即物理外形相同、引脚相同、逻辑功能相同，只是元件名称不同的一组元件，如图下图所示。
Add按钮：
在元件集中增加一个新元件。
单击Add按钮，系统弹出NewComponentName对话框，如图上图所示。
Del按钮：
删除元件集内的元件。
同时将该元件从元件库中删除。
Description按钮：
所选元件的描述。
UpdateSchematics按钮：
更新原理图。
如果在元件库中编辑修改了元件符号的图形，单击此按钮，系统将自动更新打开的所有原理图。
Pins区域：
所选元件的引脚列表。
（4）制作自己的元件库
在元件库编辑器中，常用的工具栏是SchLibDrawingTools工具栏。
Protel99SE提供了IEEE符号工具栏，用来放置有关的工程符号。
本课程设计的大部分元器件均可以再Protel99SE自带的元件库中找到，下面简单介绍一下元件DS1248Y120（32）-MY的制作。
1 新建元件库文档，如下图所示：
2 双击Schlib.lib，进入编辑界面。
单击工具栏中的
按钮，或执行菜单命令Tools|NewComponent，系统弹出NewComponentName对话框。
如图下图所示
3 对话框中的COMPONENT_1是新建元件的默认元件名，将其改为DS1248Y120（32）-MY后单击Ok按钮，屏幕出现一个新的带有十字坐标的画面（如系统元件库中有相似的元器件，就可以采用复制系统元器件的元件库内容，对其进行修改即可）。
4 利用工具栏中工具，即可开始画元件。
如下图所示:
5 元件库的修给与保存
按照所需的元件画好后，添加必要的引脚，对对应的各个引脚进行标注。
并保存绘制好的元件。
当执行上述操作后，可以查到新元件已经添加到元件库管理。
绘制好的DS1248Y120（32）-MY如下图所示：
6 依次画好所需的所有元件，保存即可。
再将元件库导入到系统库中，绘制原理图元件库就完成了。
2.2电气原理图的设计
（1）进入Protel99se后在Documents中通过右键“New”建立“SchematicDocument”文件，打开后即可进行电路原理图的编辑。
Protel99SE默认的图纸尺寸是A4型图纸，这里以B为例。
如上图所示，在画图区下点击鼠标右键。
会出现下图所示窗口，单击DocumentOptions…后出现如下图所示，在选项中可改图纸大小。
（2）先按照已画好的电路图将所有元件找到拖放到编辑框里。
将编辑框缩小，将元件照电路的样子搭好，整体上排列匀称。
接下来就可以进行局部的连线了。
或者可以先将电路的各个模块搭好，再利用下图中左边的工具来框定各模块平移组合成完整的电路，取消框定要通过下图中右边的工具，表现为模块由黄色变成普通颜色。
（3）再根据电路图利用工具栏中
对每个元件进行连线，在连线过程中，可以使用具有电气特性的网络标号来简化需连接的较远端口。
点击工具栏中
按钮，按Tab键对网络标号进行名称设置，放在需要的端口即可。
（4）对布局布线后的元件进行调整
这一阶段，用户利用Protus99SE所提供的各种强大功能对所描述的原理图进行进一步的调整和修改，以保证原理的美观和正确。
这就需要重新调整元件的位置，删除、移动导线的位置，修改图形的尺寸、属性及排列。
布局原则：
布局原则应该是以核心器件为基准，合理分散，间距得当，便于连线。
布局的基本操作：
在布局过程中，将应用到元器件对等的选定、移动、旋转等操作。
①选定操作。
选定一个对象。
拖动鼠标，利用其画出的矩形框围住这个元器件对象，默认情况下，其四周会出现黄色的矩形框，表示该元器件被选定；选定区域内对象。
利用其画出的矩形框围住这个区域，则区域内所有对象处于选定状态。
②取消选定。
取消选定就是撤销元器件的选定状态。
最直接的方法是单击主工具栏的图标，则会取消所有元器件的选定状态。
③移动对象。
移动一个对象。
单击该对象图形符号，并拖动鼠标，则可以实现该元器件的移动操作；移动多个对象。
首先选定这几个对象，让后拖动其中任意一个对象，则被选定的对象，将一起移动。
④旋转对象。
由于电路布局和连线的需要，旋转对象是必要的。
单击对象并按住鼠标左键不放，按“X”键，实现水平翻转；按“Y”键，实现垂直翻转；按空格键，实现90°的旋转。
a.进入画线状态
选择菜单View-Toolbars-WiringTools打开画线工具栏，单击画线工具栏的图标进入画线状态，此时出现十字光标。
b.画线
移动十字光标指导线起点（如某个元器件的引脚处），在十字光标的中心出现一个黑色的圆点，表明导线起点已经确定，点击鼠标，则画下起点。
向导线终点位置移动鼠标，当移动鼠标至导线终点出，在十字光标中心再次出现黑色圆点后，单击鼠标，则画下了该断导线。
（修改属性：
选中对象，双击鼠标左键，修改自己想要修给的元件参数，修改之后点击OK即可）
用上述方法和工具连接好的原理图见附录1。
2.3网络表的生产及导入
网络表是电路板自动布线的灵魂,也是原理图设计与印制电路板设计的主要接口。
网络表可以从电路原理图中获得,也可以从印制电路板中提取。
其他报表则存放了原理图的各种信息。
（1）首先经过编译检查电路图中是否有错误出现，若没有错误出现，则可以进行对电路图生成网络表。
选择菜单栏中的TOOL——ERC选项，出现如下窗口：
（2）选择OK后即可生成
，在该文件中会显示所画原理图中的错误与警告。
若有错误，则根据提示修改错误，直至无误为止；若无错误，则可直接进行网络表格的生产。
（3）在原理图界面中选择Design——CreatNetlist，会出现以下界面，点击OK。
即可生成
。
（4）生成网络表后，在Documents中新建PCB文件，在该界面中选择Design——LoadNets，会出现以下界面，点击Browse，选择网络表所在的位置，再选择Execute就可以将网络表导入到PCB板中。
第三章PCB图设计
3.1PCB板绘制步骤
PCB电路板设计是电路设计的最终目标.利用Protel99SE的强大功能实现电路板的版面设计,完成高难度的布线以及输出报表等工作。
（1）对元件进行封装。
在创建PCB文件之前，应对每个元件进行正确的封装，否则无法正确将所有元件导入到PCB板中。
（2）创键PCB文件 。
同创建.sch电路图文件一样，双击进入document，如下图，选取PCBDocument图标，点击OK按钮原点以及边框设置 。
在导入原理图之前，需要绘制PCB板的原点以及边框。
选择选择工具栏中的
，点击板子中央的某一点就可定义为原点。
再点击PCB编辑器绘图区底部的keepoutlayer，可以开始PCB边框的绘制。
（3）新建的文件将包含在当前设计库中，可以在设计管理器中更改文件名，单击此文件，系统将进入印刷电路板编辑器，如下图：
（4）原理图导入PCB后，元件的布局结果较为散乱，合理性较差，需要对其进行下一步的布局工作，是电路设计更为合理、更为美观。
系统提供了自动布局和手动布局两种方式，本设计采用手动布局方式，依照原理图和根据实际布线情况为每个元件排好位置，接下来即可进行连线。
工具栏如下图：
再根据自己的电路图，对元器件进行旋转、移动、排列、以及复制剪贴和元件的删除。
手动布线的一般原则如下：
a.相邻导线之间要有一定的绝缘距离。
b.信号线在拐弯处不能走成直角。
c.电源线和地线的布线要短、粗且避免形成回路。
d.电源和接地线加宽（本设计为电源线的宽度为20mil）。
本设计所用的PCB板为双面板，即只有正反面。
当在正面接线时用的是红线，对应的是TopLayer；当在反面接线时用的是蓝线，对应的是BottomLayer。
此外，当线路复杂需要在同一条线路上进行红蓝线切换时，应利用
在PCB板中打孔。
（5）制作好的PCB板如下图所示：
3.2元件报表的生成
元件报表就是一个电路板或一个项目所用元件的清单，生成步骤如下：
1 在原理图界面，执行菜单命令report——billofmaterial，出现以下窗口：
2 一直点击Next，直到出现以下窗口，即可完成元件报表的生成：
第四章设计所遇到的问题及解决方法
在整个课程设计的过程中，我遇到了各种各样的问题，基本如下：
1．绘制原理图元件库时时，所绘制的元件和线段未能与网格对齐，导致连线时会发生错误。
解决方法：
应在原理图库界面上点击options——preference/documentoptions，修改相应的选项来设置光标每次移动的格数。
2．在系统原理图元件库中无法查找到所需元件。
解决方法：
首先应明确所查找元件的正确名称，再在查找栏中输入名称，加上*，按enter键即可（若库中有该元件，则可查找到；否则，需要自己进行绘制）。
3．在绘制原理图时，元件引脚网络标号错误。
解决方法：
网络标号应用工具栏中的工具Net标上去，而不能直接写在引脚的名称中。
4．在对元件进行封装时，封装错误。
解决方法：
应查找每个元件所对应的封装，在修改即可。
5．有一些错误如FloatingInputPinsOnNetNetU6_18无法消除。
解决方法：
在对原理图进行ERC检查时，这样的错误是指输入引脚悬空，对整个设计是没什么影响的，因此可以忽略。
6．绘制PCB板时，不清楚连线的基本规则。
解决方法：
首先，要把所有的元件都排好，使界面美观整洁，又易于连线。
总结连线基本规则如下：
a.相邻导线之间要有一定的绝缘距离。
b.信号线在拐弯处不能走成直角。
c.电源线和地线的布线要短、粗且避免形成回路。
d.电源和接地线加宽（本设计为电源线的宽度为20mil）。
实际上，我还遇到了很多问题，但基本与以上的问题大同小异。
在李老师和各位同学的耐心指导下，我终于将这些问题一一解决，
第五章设计体会
通过这次课程设计，我从中收获了很多，学到了很多。
虽然此次课程设计电路图比较复杂，不过大多数元器件在元件库里都可以找到，只有少部分的元件需要我们自己制作，这就大大缩短了我们画原理图的时间。
当用Protel 99SE进行电路的设计时，一般先要对电路有一些预判断，如原理图中的元器件是否属于比较常见的元件，是否能够在系统自带的元件库中找到，若找不到，则要进行自己绘制元件库以及其封装形式，绘制元器件之前要掌握元器件的引脚图以及各个引脚图的功能。
然后整体估算一下整张图纸的布局以及PCB的布局，为接下来的设计打好基础。
有了这些预判断，那么我们就可以开始着手绘制电路图了。
在完成每一部分的设计时，要注意对文件的保存和ERC检查，只有每一次检查的准确无误，那么才能保证最后的设计是完整的、准确无误的。
同时，这次的课程设计也让我对Protel 99SE 软件更加熟悉，更加熟练的掌握了其使用步骤，能够独立的完成从元器件库与封装的绘制、原理图绘制以及印制PCB版的整体设计，并能分析在绘制电路图中出现的常见问题，以及在对PCB的设计中合理布局的经验的积累。
在这次课程设计的过程中，出现错误时不可避免的，比如原理图出错，元器件的封装不匹配，PCB绘制中不合理的布局等，但这些问题都在每一次的上机操作中解决了，并积累了不少经验。
感谢老师和同学们的帮助，让我在实验过程中出现的每一个错误都能得到纠正。
参考文献
1. 邵群涛，《电气制图与电子线路CAD》，第1版，机械工业出版社，2005；
2.邵群涛，《电气制图及电气标准》，南京工程学院（内部讲义），2001；
3.胡传国等主编，《电气图用图形符号实用手册》，电子工业出版社，2003
4.潘永雄，沙河，刘向阳等编著，《电子线路CAD实用教程》，西安电子科技大学出版社，2001.
5.高鹏等主编，《Protel99入门与提高》，人民邮电出版社，2000；
6.中国标准出版社编，《电气制图国家汇编标准》，中国标准出版社，2001
附录1原理图
附录2元器件清单
PartType
Designator
Footprint
74ALS32
U12B
DIP-14
74ALS32
U12
DIP-14
74LS139
U11
DIP16
74LS373
U10
DIP20
87C51-MY
U6
DIP40
4051
U5
DIP16
ADC0820
U4
DIP20
CAP
C11
805
CAP
C10
805
CAP
C5
805
CAP
C9
805
CAP
C2
805
CAP
C4
805
CAP
C13
805
CAP
C1
805
CAP
C17
805
CAP
C6
805
CAP
C3
805
CAP
C14
805
CAP
C12
805
CAP
C16
805
DB9
J2
DB9/M
DS1248Y120（32）-MY
U8
DIP32
DS1248Y120（32）-MY
U7
DIP32
DS1248Y120（32）-MY
U9
DIP32
JP1
JP1
SIP4
LF351
LF351
DIP8
LF351
LF352
DIP8
LF351
LF353
DIP8
MAX232-MY
U14
DIP18
MC7805K
U13
TO-3
RES2
R17
RAD0.1
RES2
R4
RAD0.1
RES2
R8
RAD0.1
RES2
R9
RAD0.1
RES2
R13
RAD0.1
RES2
R5
RAD0.1
RES2
R6
RAD0.1
RES2
R1
RAD0.1
RES2
R2
RAD0.1
RES2
R3
RAD0.1
RES2
R15
RAD0.1
RES2
R10
RAD0.1
RES2
R12
RAD0.1
RES2
R14
RAD0.1
RES2
R7
RAD0.1
RES2
R11
RAD0.1
SIN
J1
附录3网络表
[
C1
0805
CAP
]
[
C2
0805
CAP
]
[
C3
0805
CAP
]
[
C4
0805
CAP
]
[
C5
0805
CAP
]
[
C6
0805
CAP
]
[
C9
0805
CAP
]
[
C10
0805
CAP
]
[
C11
0805
CAP
]
[
C12
0805
CAP
]
[
C13
0805
CAP
]
[
C14
0805
CAP
]
[
C16
0805
CAP
]
[
C17
0805
CAP
]
[
J1
SIN
]
[
J2
DB9/M
DB9
]
[
JP1
SIP4
JP1
]
[
LF351
DIP8
LF351
]
[
LF352
DIP8
LF351
]
[
LF353
DIP8
LF351
]
[
R1
RAD0.1
RES2
]
[
R2
RAD0.1
RES2
]
[
R3
RAD0.1
RES2
]
[
R4
RAD0.1
RES2
]
[
R5
RAD0.1
RES2
]
[
R6
RAD0.1
RES2
]
[
R7
RAD0.1
RES2
]
[
R8
RAD0.1
RES2
]
[
R9
RAD0.1
RES2
]
[
R10
RAD0.1
RES2
]
[
R11
RAD0.1
RES2
]
[
R12
RAD0.1
RES2
]
[
R13
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