课程设计 protel.docx
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课程设计protel
目录
摘要3
Abstract4
1数字钟的原理及分析5
1.1时间计数器电路5
1.1.174LS90功能介绍6
1.1.2秒计数单元7
1.1.3分计数单元8
1.1.4时计数单元8
1.2译码驱动电路9
1.3数码管显示10
2设计目的12
3用Protel99SE进行电路原理图设计12
3.1设置原理图设计环境12
3.2放置元件12
3.3原理图布线14
3.4编辑和调整15
3.5检查原理图16
3.6生成网络表17
4用Protel99SE进行印刷电路板的设计17
4.2加载网络表17
4.3元器件布局17
4.4自动布线17
4.5编辑和调整17
4.6铺地17
5用Protel99SE对原理图进行仿真17
6元器件材料清单的生成17
7设计中的问题及解决方法17
8综合总结17
9参考文献资料17
摘要
Protel 99SE是澳大利亚Protel Technology公司推出的一个全32位的电路板设计软件。
该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，使用该软件的设计者可以容易地设计出电路原理图和画出元件设计电路板图。
而且由于其高度的集成性与扩展性，一经推出，立即为广大用户所接受，很快就成为世界PC平台上最流行的电子设计自动化软件，并成为新一代电气原理图工业标准。
Protel99SE主要有两大部分组成，每一部分个有几个模块。
第一部分是电路设计部分，主要有：
原理图设计系统，包括用于设计原理图的原理图编辑器Sch，用于修改和生成原理图元件的元件编辑器，以及各种报表的生成器Schlib。
印刷电路板设计系统，包括用于设计电路板的电路板编辑器PCB以及用于修改，生成元件封装的元件封装编辑器PCBLib。
第二部分是电路仿真与可编程逻辑器件设计，主要有：
电路仿真系统，包括一个功能强大的数/模混合信号电路仿真器，能在原理图基础上进行连续的模拟信号和数字信号仿真。
可编程逻辑器件设计，包括一个文本编辑器，用于编译和仿真设计结果的PLD设计以及观察仿真结果的波形。
在Protel99se电路设计的学习过程中,基本概念的理解和掌握是重中之重，只有这样，设计思路才能清晰，设计才能规范。
本设计以能显示时、分、秒的数字钟为例来介绍Protel99se的使用方法。
关键词：
Protel 99SE；Sch；PCB；仿真；数字钟
Abstract
Protel99SEisawhole32-bitcircuitdesignsoftwarelaunchedbythecompanyofProtel TechnologyinAustralia.Thissoftwareispowerfulandeasytouse,anditisalsohasafriendlyinterface.Usingthissoftware，designerscaneasilydesignthecircuitdiagramanddrawcircuitdiagramdesignelement.Duetoitshighscalabilityandintegrity,oncelaunched,itisacceptedbyallusersimmediately,andsoonbecametheworld'smostpopularPCplatformsofelectronicdesignautomationsoftware,andbecomeanewgenerationofelectricalschematicdiagramoftheindustrialstandard.
Protel99SEhastwomajorcomponents,andeveryparthasafewmodules.Thefirstpartisthepartofthecircuitdesign,thedesignprincipleis:
thesystem,includingtheprinciplediagrameditorSchofthedesignprinciplediagram,componentseditorsusedtomodifyandgenerateprinciplediagramcomponents,andvariousreportsSchlibgenerator.PCBdesignsystem,includingcircuitboardeditorPCBandcomponentpackagingeditorPCBLib.Thesecondpartiscircuitsimulationandprogrammablelogicdevicedesign.Itmainlyhas:
thecircuitsimulationsystem,includingapowerfulmixedsignalicssimulators,whichcanhavetheAnaloganddigitalsignalssimulatecontinuouslyonthebaseofschematicdiagram.Programmablelogicdevicedesign,includingatexteditorusedtocompileandsimulateresultsofdesign,andobservethesimulationresult.
InthelearningprocessofProtel99SE,theunderstandingandmasteringofthebasicconceptisthemostimportant.Onlyinthiswaycandesignideasbeclear,thedesignbenormalized.TointroducethemethodofusingProtel99SE,thisdesignuseadigitalclockasanexample.
Protel应用实践过程
1数字钟的原理及分析
数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。
其系统由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器及校时电路组成，数字钟系统组成框图如图1.1所示，
图1.1数字钟系统组成框图
由于本次实验所使用的是标准频率（1HZ）的连续脉冲，故石英晶体振荡器电路及分频电路不予考虑。
为使仿真能顺利进行，校时电路也不做讨论。
下面就时间计数器电路、译码驱动电路、数码管三部分展开分析。
1.1时间计数器电路
时间计数电路由秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成,其中秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器为60进制计数器,时个位和时十位计数器为24进制计数器.
六十进制计数器可由一个十进制计数器和一个六进制计数器连起来构成。
可选用两片集成电路74LS90串起来构成“秒”、“分”计数器。
也可用两片74LS160十进制计数器构成。
本实验采用的是74LS90，下面介绍一下它的性能。
1.1.174LS90功能介绍
74LS90的引脚图如图1.1.1a所示，它由四个触发器及附加门组成，有两个时钟脉冲输入端
、
。
两个清零输入端Ro
（1）、Ro
（2），两个置“9”输入端R9
（1）、R9
（2），四个输出端QD、QC、QB、QA，两个NC端（空脚）。
74LS90的功能表如图1.1.1b
图1.1.1a74LS90的引脚图
所示，
图1.1.1b74LS90的功能表
从功能表我们便清楚地知道，利用74LS90的Ro
（1）、Ro
（2）和R9
（1）、、、R9
（2）可以实现复位和置位功能。
当R9
（1）、、、R9
（2）两个输入端全为“1”时，无论Ro
（1）、Ro
（2）为何状态，计数器置“9”；当Ro
（1）、Ro
（2）都为“1”时，R9
（1）、、、R9
（2）中有一个为“0”时，计数器清零。
当Ro、R9，输入端都为低电平时，74LS90方可计数。
计数功能如下：
①时钟脉冲从A端输入，从QA端输出，则是二进制计数器。
②时钟脉冲从B端输入，从QD、QC、QB。
端输出，则是异步五进制加法计数器。
③当QA和CPB端相连，时钟脉冲从A端输入，从QD、QC，QB、QA端输出，则是8421码十进制计数器。
④当A端和QD端相连，时钟脉冲从B端输入，从QD、Qc、QB、QA端输出，则是5421码十进制计数器。
⑤利用置“0”端和置“9”端，可以实现N进制计数器，当N>10时，可用计数器级联反馈方式去实现。
1.1.2秒计数单元
秒个位计数单元为１０进制计数器，无需进制转换，只需将QA与CPB相连即可。
CPA与１ＨZ秒输入信号相连，ＱD可作为向上的进位信号与十位计数单元的CPA相连。
秒十位计数单元为６进制计数器，需要进制转换。
当CPA输人第六个脉冲触发时这时输出端状态为QDQcQBQA=0110，QB=QC＝1，合起来的信号分别送入个十两个计数器的Ro
（2），Ro
（1）清零端，清零后使计数器归零，完成六十进制计数功能，同时，还把这个信号作为进位信号输出。
60进制的连接如图1.1.2所示，
，
图1.1.260进制的连接图
1.1.3分计数单元
分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同，也是分个位计数单元的ＱD作为向上的进位信号应与分十位计数单元的CPA相连，分十位计数单元的ＱB、QC合起来的信号分别送入个十两个计数器的Ro
（2），Ro
（1）清零端，清零后使计数器归零，同时还把这个信号作为进位信号输出。
1.1.4时计数单元
时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是要求，整个时计数单元应为24进制计数器，所以在两块74LS90构成的100进制中截取24，就得在24的时候进行异步清零。
当“时”个位计数器输入端CPA到来第十个触发信号时，计数器复零，进位端ＱD向“时”十位计数器输人进位信号，进行“时”的计数。
当第二十四个来自“分”计数器的进位信号到来时，“时”个位计数器的输出状态为QDQcQBQA=0100,“时”十位计数器的输出状态为QDQcQBQA=0010，这时“时”个位计数器的QC和“时”十位计数器的ＱB输出均为“1”,把这两个信号合起来，分别送到个和十计数器的清零端Ro
（1）、Ro
（2），计数器清零后完成二十四进制计数。
其连接图如图1.1.4所示，
图1.1.424进制的连接图
1.2译码驱动电路
译码是编码的逆过程。
也就是把给定的代码进行翻译，变成相应的状态。
译码器选用74LS48，它是4线～7段译码器／驱动器，输人端A3、A2、A1、A0为8421BCD码输人，有上拉电阻。
因此在与LED数码管连接时不需再外接限流电阻。
74LS48的译码输出（Ya～Ye）是高电平有效，适用于驱动共阴极LED数码管。
74LS48的引脚图如图1.2a所示,字形显示图如图1.2b所示,功能表如表1.2c所示，
图1.2a74LS48的引脚图
图1.2b74LS48的字形显示图
表1.2c74LS48功能表
当要求输出0～15时，消隐输人“
”应为高电平或开路；灭零输入“
”和测试灯输入“
”都必须在无效电平状态，即应为高电平。
1.3数码管显示
LED显示器件有共阳极和共阴极两种。
选用共阴极的LC5011数码管作为显示器件。
图1.3所示为LC5011的引线端子排列图。
图1.3LC5011的引线端子排列图
2设计目的
掌握用PROTEL软件画原理图、设计印制电路板及其仿真的方法。
（1）．熟悉原理图的设计步骤；
（2）．绘制原理图的方法；
（3）．网络表及元件清单的生成；
（4）．双面印制电路板（PCB）的布线流程；
（5）．原理图元件库及其PCB元件库的创建；
（6）．原理图的仿真及结果显示。
3用Protel99SE进行电路原理图设计
电路原理图的设计是整个电路设计的基础，因此电路原理图要设计好，以免影响后面的设计工作。
电路原理图的设计一般有如下步骤：
3.1设置原理图设计环境
进入Protel99SE界面，执行菜单File/New命令，创建一个新项目，然后再选择File菜单下的new...,则弹出如下对话框，从框中选择原理图服务器
（SchematicDocument）图标，双击该图标，建立原理图设计文档。
双击文档图标（设计所设的文件名为XIN.Sch），进入原理图设计主界面。
执行菜单Design/Options和Tool/Preferences，设置图纸大小、捕捉栅格、电气栅格等。
3.2放置元件
在设计管理器中选择BrowseSCH页面，在Browse区域中的下拉框中选择Library，然后单击ADD/Remove按钮，弹出的如下窗口，在窗口中寻找Protel99
SE子目录，在该目录中选择Library＼SCH路径，在元件库列表中选择所需的元件库，比如Miscellaneousdevicesddb，TIDatabook库等，单击ADD按钮，即可把元件库增加到元件库管理器中。
为便于仿真，此设计选择Sim元件库。
根据此实验电路的需要，到元件库中找出所需的元件，然后用元件管理器的Place按钮将元件放置在工作平面上（在摆放的过程中，可以通过SPACE、X、Y
三种键来改变元件的放置位置，其中SPACE键是让元件作90°的旋转，X键使元件左右对调，即以自光标为轴作水平对调，Y键使元件上下对调，即以自光标为轴作垂直对调），再根据元件之间的走线把元件调整好。
根据设计数字钟的需要，实验从Sim元件库中选取了74LS90、74LS48及AMBERCC各6个，二输入与门74F08三个，脉冲IPULSE一个；在Simulate中选择一个+5V电源；在电源实体PowerObjects中选择
（地线）。
3.3原理图布线
利用Protel99SE提供的各种工具（常用的有三个工具条，分别为数字实体DigitalObjects、绘图工具条DrawingTools、连线工具条WritingTools）、指令进行布线，将工作平面上的器件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一个完整的电路原理图。
本设计的电路图XIN.Sch如下图所示，
3.4编辑和调整
利用Protel99SE所提供的各种强大的功能对原理图进一步调整和修改，以保证原理图的美观和正确。
同时对元件的编号、封装进行定义和设定，更改元件属性等。
由于相同元件较多，可选择Tools/Annotate（注释），弹出如下对话框，
选择你想要的排序方式对元件进行自动编号。
用鼠标双击任一个元件都会弹出元件的属性对话框。
LibRef：
元件样本，修改此项将直接替换原有的元件，元件样本名不会显示在元件图上；Footprint：
元件的封装方式（元件的封装是指设计PCB时，根据实际元件尺而定义的焊点，另外还附加一些属性和元件外观的符号，需要注意的是每个元件的Footprint必须要添上相应的封装号）；Designator:
设置元件的序号；PartType:
设置元件参数值。
下图为74LS90的属性设置对话框，
3.5检查原理图
使用Protel99SE的电气规则，即执行菜单命令Tools/ERC对画好的电路原理图进行电气规则检查。
主要是检查电路中是否有电气特性不一致的情况（如元件的序列号重复），ERC检查依据问题的严重性分别以错误（Error）或警告（Warning）信息来提示用户。
选择Tools菜单下的ERC项，则弹出如图3.5a对话框，直接点击OK即可进行ERC检查。
ERC检查文件时，如果有问题将用坐标标注重名元件的位置。
返回电路原理图，改正错误的元件属性后，再次进行ERC检查。
正确结果如图3.5b所示，
图3.5a
图3.5b
3.6生成网络表
网络表是电路原理图设计和印刷电路板设计之间的桥梁,是PCB中自动布线的灵魂。
所以必须生成网络表。
选取Design设计菜单下的CreateNetlist选项则会弹出如下对话框，
点击OK就可生成网络表文件XIN.NET,如下图所示，
网络表文件包含两种内容：
一对方括号之间表示一个元件的属性，有序号、封装号和参数；一对圆括号之间是通过一个点的连接线，包括从哪各点出发，接到哪里。
至此，电路图XIN.Sch全部完成（在进入下一个环节前，一定要将网络表文件读清楚）。
4用Protel99SE进行印刷电路板的设计
电路设计的最终目的是为了设计出电子产品，而电子产品的物理结构是通过印刷电路板来实现的。
Protel99SE为设计者提供了一个完整的电路板设计环境，使电路设计更加方便有效。
应用Protel99SE设计印刷电路板过程如下：
4.1创建PCB文件
执行菜单File/New命令，弹出如下对话框，从框中选择PCB设计服务器（PCBDocument）图标，双击该图标，建立PCB设计文档。
双击文档图标，进入PCB设计服务器界面。
如下图所示，
此界面同Sch设计主界面相似，但地步增加了板层标签，用来在设计时快速地选择板层。
板层就是电路文件中可分层显示的电路板结构图，不同类板层尤其专用的使用意义。
如有些板层可以进行实体铜膜走线，有的板层没有电气性质，纯粹是为了在电路板上标注说明文字。
板层的概念很重要，制作PCB时一定要对所用的板层有个清晰的认识。
下面再介绍一些与PCB相关的名词。
板框：
就是规范自动放置和自动布线功能的合法区域，在此规定的区域内放置元件和布线。
飞线：
常称之为预拉线，是引入网络表后，布线之前，系统根据网络关系生成的一种虚拟的线，只表示一种连接关系。
铜膜走线：
简称导线，是实际存在的，用来连接各个焊点，是印刷电路板较重要的部分，印刷电路板的设计都是如何布置导线来进行的。
焊点：
用来放置焊锡、连接导线和零件的引脚。
导孔：
连接不同板层间的导线孔。
4.2加载网络表
在设计工作区的板层标签上选择KeepOutLayer（这是一个在闭合板框内支持自动布线的层），然后选择工具条PlacementTools上的
按钮，画边框（边框按系统设定的颜色应是紫色）。
此时画的只是一个粗略的边框，虽然没必要太精确，但不能太大。
待到布线完成后，再来画精确的边框。
执行菜单Design/LoadNets命令，然后在弹出的窗口中单击Browse按钮，再在弹出的窗口中（如下图4.2a所示）选择电路原理图设计生成的网络表文件XIN.Net，若出现错误提示，必须更改错误。
图4.2b是更改后没有错误的对话框，
图4.2a
单击Execute键，元件就会加载到工作区上。
图4.2b
4.3元器件布局
Protel99SE既可以进行自动布局也可以进行手工布局，执行菜单命令Tools/AutoPlacement/AutoPlacer可以自动布局。
布局是布线关键性的一步，为了使布局更加合理，多数设计者都采用手工布局方式。
先把重叠的元件拖开（当用鼠标左键点中任何重叠元件时，将弹出小的对话框，表示当前点中的地方重叠了几个元件）：
当移动鼠标到相应的字体上，字全变蓝，单击鼠标左键，便可获取一个元件，然后再将其拖走。
依据电路的功能及元件的大小，适当的摆放元件。
4.4自动布线
Protel99SE采用世界最先进的无网格、基于形状的对角线自动布线技术。
执行菜单命令AutoRouting/All，弹出如下窗口，并在弹出的窗口中单击Routeall
按钮，程序即对印刷电路板进行自动布线。
只要设置有关参数，元件布局合理，自动布线的成功率几乎是100%。
自动布线完成后，将弹出如下布线信息对话框，
它指出了布线的相关信息，如不先完成的程度、布了多少线、还有几条没布完、布线所用的时间。
点击OK，则布线完成。
若对布线不满意，可在工具下拉菜单上选“撤销布线”，恢复飞线状态后可重新布线。
4.5编辑和调整
边框的修改一定要在KeepOutLayer来修改。
自动布线结束后，可能存在一些令人不满意的地方，可以手工调整，把电路板设计得尽善尽美。
首先，删除不理想的布线，点击Edit/Delete选项，光标变成十字光标，左键点击要删除的导线即可删除。
删除导线后，焊点间以飞线连接，然后选取不同的层如toplayer（红线）、bottomlayer（蓝线），选择
来画飞线之间连接的导线，注意同一层内的导线不能交叉，直到将不满意的导线改到满意为止。
布线结束后可适当地修改元件参数的位置，使布局看起来更加美观。
最后可得到下图，
从图纸中可以看出导线分为两种颜色，系统默认上层板的布线为红线，底层线的布线为蓝色。
4.6铺地
将设计工作区的板层标签上由KeepOutLayer转至TopLayer，再选择工具栏上的
按钮，将会弹出如下对话框，如图在ConnecttoNet中选择GND,点击
OK，鼠标将变成光标，用光标将边框在画一遍，则会得到如下所示的PCB的顶层。
将设计工作区的板层标签上由KeepOutLayer转至BottomLayer，步骤与生成PCB的顶层一样，最后得到的PCB的底层如下图所示。
这样就完成了一个从原理图到印刷电路板的设计。
5用Protel99SE对原理图进行仿真
执行菜单Simulate下的Run命
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