电子线路CAD课程设计1113.docx

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电子线路CAD课程设计1113

第一章ProtelDXP的简介

1．1ProtelDXP的发展

随着电子技术的飞速发展，电子器件日益呈现出大规模、高密度和小型化的趋势，个大供应商也随之不断的推陈出新。

由于电子产品对于速度、容量、体积和重量等技术指标的要求不断提高，传统的手工技术越来越难以适应市场发展的需要。

越来越多的设计人员使用一些快速、高效的CAD设计软件来进行电路原理图和PCB图的辅助设计，电路设计在方法和手段上发生了革命性变化。

为提高设计效率，人们进而提出了智能型EDA（ElectronicsDesignAutomation）即电子设计自动化的概念，并开发了相应的EDA工具软件。

这种工具软件可以根据系统的行为和功能要求，自动得逐层完成电子产品设计的全过程，包括原理图和语言输入、检查错误和仿真验证、PCB设计、信号分析和规则检查以及生成CAM文件等。

Protel系列电子设计软件因为其功能强大、界面友好和操作简便、实用等优点，已成为EDA行业尤其是PCB设计领域中的发展最快、应用时间最长、运用范围最广泛的EDA软件之一。

纵观起发展历史，protel软件主要经历了如下几个阶段的产品升级。

⑴从20世纪80年代期末到90年代初，protel率完成了从DOS操作系统下的TANGO软包到Windows操作系统下的protelforWindows产品的转变，确立了其在windows平台上EDA软件中的领先地位。

经过多年大发展，目前protel软件已成为PC平台上最流行的EDA软件。

⑵1994年，protel公司在其软件中建立了EDAClient/Server（客户/服务器），即C/S“框架”体系结构。

此举方便实现了与EDA工具模块的无缝连接。

该体系后来逐步演变成现在的设计浏览器（DesignExplorer）.

⑶1995年，protel公司通过收购美国的NeuroEDA公司，获得了shapebased（基于形状的）无网络布线技术。

同年，protel公司收购了另一家专业的可编程逻辑电路设计公司。

1996~1997年，protel公司相继推出了无网络的自动布线器模块、PLD模块和protel的第二个仿真模块，完善了产品的设计范围。

⑷1998年，pritel公司引进了美国著名的仿真软件公司MicroCodeEngineering和德国著名的信号分析公司INCASESEngineeringGmbn的技术，推出了第一个真正的2位EDA工具。

此时，protel98软件共包括5个设计模块，即AdvancedSCH98（电路原理图设计）、PCB98（印刷电板设计）、Route98（无网格布线器）、PLD98（可编程逻辑器件设计）和SIM98（电路图模拟仿真）。

作为PC平台的EDA设计工具，protel已经开始具有与工作站平台上EDA软件抗衡的实力。

⑸1999年protel公司发布protel99，该版本是引入了设计文档智能管理和设计团队概念的新版本。

随后，该公司又根据市场的需求推出改良protel99SE,进一步完善了PCB设计系统，扩充了设计规则和优化布线算法，并且在补丁包中加入了查看3DPCB板图的实用工具。

目前，Altium公司的软件产品主要有Nexar、Protel、CircuitStudio、nVisage、P-CAD、CAMtastic、Accolade、CircuitMaker和NanoBoard等。

为了向用户提供技术支持和更新服务，公司还建立了自己全球技术支持的网络（ATS），官方网站是，拥护可以在相应的网站上获得产品生计和元件库的更新。

1．2ProtelDXP简介

【内容简介】

随着科学技术和电子工业的飞速发展，越来越复杂的电子电路向电子设计自动化（EDA）技术提出了新的要求。

各种EDA软件应运而生。

Protel软件进入国内的时间较早，在国内有较高的普及率，是PCB设计者的首选软件，也是硬件设计行业的“标准化”软件。

使用protelDXP2004，就知道硬盘上还有到现在许多PCB工程师们也许还在使用Protel99或者protel99se在他们所熟悉的编辑环境下进行PCB设计，他们都很有经验，能够在protel99或protel99se上设计出一块很棒的PCB。

但有的时候他们甚至不相信软件的智能化给他们带来的巨大方便。

于是许多PCB工程师根本不使用软件带有的强大的自动布线功能，因为即使重复布上几百次都不能得到他们满意的方案，或是调整的线太多还不如完全手工布线。

这些都让他们不愿意接受也不相信更新换代了的人工智能能给他们的设计带来什么巨大的方便，他们相信的只是他们多少年积累的经验。

但实际上他们都很清楚当他们设计一块多层高密度PCB所需要付出的代价是什么，同时他们也希望真的有那么一款软件能让他们的设计效率有极大的提高的PCB设计软件。

现在Altium公司2004年最新产品Protel2004完全能满足这方面的要求。

当然Protel2004面对的用户不光是为了方便这些有多年经验的PCB工程师们。

Protel2004同时还降低了制作PCB的门槛，很短时间您都可以很快的制作一块合格的PCB。

现在向您简单地介绍一下ProtelDXP所包含的功能：

（1）Protel2004共可进行74个板层设计，包含32层Signal（信号走线层）;16层Mechanical（机构层）;16层InternalPlane（内层电源层）;2层SolderMask（防焊层）;2层PasteMask（锡膏层）;2层Silkscreen（丝印层）;2层钻孔层（钻孔引导和钻孔冲压）;1层KeepOut（禁止层）;1层Multi-Layer（横跨所有的信号板层）。

（3）Protel2004中Pad点的外型：

圆形；方形；八角形。

Pad点堆叠结构：

包含Simple（所有的层数都相同）；Top-Mid-Bottom（可对不同的层数下外型定义有top,bottom或者是midlayers）；FullStack（每个层数都能各自定义Pad点外型）。

（4）Protel2004Via（贯孔）的种类：

Through-hole（从顶层贯穿到底层）；Blind&Buried（板层对）；Blind&Buried（任意层数）。

（5）Protel2004布线模式：

Oblique（任意角走线）；45deg（45度角走线）；45degwitharcs（45度角圆弧走线）；90deg（90度角走线）；90degwitharcs（90度角圆弧走线）。

（6）Protel2004交互式布线模式：

IgnoreObstacles（忽略障碍模式）；AvoidObstacles（避开障碍模式）；Push-and-Shove（推挤障碍模式）。

（7）Protel2004铺铜的形式：

90度角铺铜;45度角铺铜;垂直铺铜;水平铺铜。

（8）Protel2004内层连接：

可以指定到任意的网络（Net）。

Protel2004内层电源：

所有的内层电源层都能指定到任意的网络,而且所有的内层分割都能重叠。

在这里特别要提一下现在的Protel2004中的自动布线功能也是许多PCB工程师们最为关心的。

Protel2004采用了改进型SitusTopologicalAutorouting布线规则。

这种改进型的布线规则以及内部算法的优化都大大的提高了布线的成功率和准确率。

这也在某种程度上减轻了工程师们的负担。

Protel2004中的高速电路规则也很实用，它能限制平行走线的长度，并可以实现高速电路中所要求的网络匹配长度的问题，这些都能让您设计高速电路也变的无比的容易。

同时如果您需要进行多层板设计，您只需在层管理器中进行相关的设置即可，前面已经介绍了Protel2004共可进行74个板层设计。

您还可以在设计规则中制定每个板层的走线规则，包括最短走线，水平，垂直等等。

在使用过程中我发现，只要布局适当，进行完全自动布线一次性成功率很高，而且布线完成后需要修改的地方也比较少，只是有几根走直角的线需要修改（走出直角与您的DRC－设计规则设置有关）。

多次布线也不会发现短路或是网络混乱问题。

在自动布线这点上Protel2004做的可以说是堪称完美了。

许多工程师在制作前期以及制作过程中不能了解自己所制作的PCB是否符合EMC、EMI，走线过程中是否有串扰影响出现，这些影响到底有多大。

工程师在制作过程中可能一直都被这些问题所困扰。

为了解决这些问题他们有时候不得不等PCB加工出来再作硬件检测。

通常情况下高速数字电路对PCB这方面要求较高，且一块PCB代价也比较高，重复修改设计投资也比较大。

现在Protel2004不仅提供了部分电路的混合模拟仿真，而且提供了PCB和原理图上的信号完整性分析。

混合模拟仿真包括真正的混合3f5compliant混合电路模拟器电路图编辑的无缝集成，使用户可以直接从电路图进行模拟，而不需要网表输出输入数字SimCode语言对Xspice的扩展使得可以进行数字程序传播延迟的模拟、输入和输出加载以及独立电源状态。

全面的分析，包括AC、小信号、瞬态过程、噪音和DC转换等。

用来测试零件变化和公差影响的完善的零件扫描和MonteCarlo分析模式。

第二章芯片简介

2．1AT89C51

如要对硬件编程你就必须对硬件要有一定的认识，51单片机编程就更是如此，因它的开发应用是不可与硬件脱节的，所以我们先要来初步认识一下51苾片的结构和引脚功能。

MSC51架构的芯片种类很多，具体特点和功能不尽相同，在此后的教程中就以Atmel公司的AT89C51和AT89C2051为中心对象来进行学习，两者是AT89系列的典型代表，在爱好者中使用相当的多，应用资料很多，价格便宜，以下是关于AT89C51功能的简单介绍：

图2-1AT89C51管脚图

表2－1　AT89C51和AT89C2051主要性能表

1.电源引脚

　　　　Vcc　40　电源端

　　　　GND　20　接地端

　　　　＊工作电压为5V，另有AT89LV51工作电压则是2.7-6V,引脚功能一样。

2.外接晶体引脚

图2－2　外接晶体引脚

XTAL1　19

　　　　XTAL2　18

　　　　XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。

内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。

晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。

电容取30PF左右。

　　　＊型号同样为AT89C51的芯片，在其后面还有频率编号，有12,16,20,24MHz可选。

大家在购买和选用时要注意了。

如AT89C5124PC就是最高振荡频率为24MHz,40P6封装的普通商用芯片。

　　3.复位　RST　9

　　　　在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。

复位后P0－P3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。

当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。

常用的复位电路如图2－3所示。

　　　　＊复位操作不会对内部RAM有所影响。

图2－3　常用复位电路

4.输入输出引脚

（1）P0端口[P0.0-P0.7]P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1（对端口写1）时作高阻抗输入端。

作为输出口时能驱动8个TTL。

对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节;校验程序时输出指令字节，要求外接上拉电阻。

在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址（低8位）/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。

（2）P1端口[P1.0－P1.7]P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。

输出时可驱动4个TTL。

端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。

对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。

　　　　（3）P2端口[P2.0－P2.7]P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。

输出时可驱动4个TTL。

端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。

对内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。

在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。

而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。

　　　　（4）P3端口[P3.0－P3.7]P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。

输出时可驱动4个TTL。

端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。

对内部Flash程序存储器编程时，接控制信息。

除此之外P3端口还用于一些专门功能，具体请看表2－2.。

　　　　＊P1－3端口在做输入使用时，因内部有上接电阻，被外部拉低的引脚会输出一定的电流。

P3引脚

兼用功能

P3.0

串行通讯输入（RXD）

P3.1

串行通讯输出（TXD）

P3.2

外部中断0（INT0）

P3.3

外部中断1（INT1）

P3.4

定时器0输入（T0）

P3.5

定时器1输入（T1）

P3.6

外部数据存储器写选通WR

P3.7

外部数据存储器写选通RD

表2－2　P3端口引脚兼用功能表

那么什么叫上拉电阻？

上拉电阻简单来说就是把电平拉高，通常用4.7－10K的电阻接到Vcc电源，下拉电阻则是把电平拉低，电阻接到GND地线上。

具体说明也不是这里要讨论的，接下来还是接着看其它的引脚功能吧。

　　（5.）其它的控制或复用引脚

（1）ALE/PROG30访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。

即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率输出脉冲信号（此频率是振荡器频率的1/6）。

在访问外部数据存储器时，出现一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程时，这个引脚用于输入编程脉冲PROG

（2）PSEN29该引是外部程序存储器的选通信号输出端。

当AT89C51由外部程序存储器取指令或常数时，每个机器周期输出2个脉冲即两次有效。

但访问外部数据存储器时，将不会有脉冲输出。

　　　　（3）EA/Vpp31外部访问允许端。

当该引脚访问外部程序存储器时，应输入低电平。

要使AT89C51只访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH）,这时该引脚必须保持低电平。

对Flash存储器编程时，用于施加Vpp编程电压。

Vpp电压有两种，类似芯片最大频率值要根据附加的编号或芯片内的特征字决定。

具体如表2－3所列。

Vpp=12V

Vpp=5V

印刷在芯片面上的型号

AT89C51

xxxx

YYWW

AT89LV51

xxxx

YYWW

AT89C51

xxxx-5

YYWW

AT89LV51

xxxx-5

YYWW

片内特征字

030H=1EH

030H=1EH

030H=1EH

030H=1EH

031H=51H

031H=61H

031H=51H

031H=61H

032H=FFH

032H=FFH

032H=05H

032H=05H

表2－3　Vpp与芯片型号和片内特征字的关系

2．2元件74LS164

74ls164是一个串行输入并输出的8位移位寄存器，他常用于单片机系统扩展并行输出口，下面结束一下这个元件的基本知识中，

一位数码管的连接方法

图2-474ls164引脚图

表2-474LS164内部功能表

＜74LS164逻辑符合表＞

串行输入带锁存

时钟输入,串行输入带缓冲

异步清除

最高时钟频率可高达36Mhz

功耗：

10mW/bit

74系列工作温度：

0°Cto70°C

Vcc最高电压：

7V

输入最高电压：

7V

最大输出驱动能力：

2．3并行接口芯片8255A

单片机8255A是一个典型的可编程通用并行接口芯片,它具有3个8位的并行口,有三种工作方式,可作为单片机与各种外部设备连接的接口电路!

8255A共有40个管脚,其管脚按功能分为以下三类:

（1）数据输入/输出管脚  D0~D7用于传送数据和控制字双向传送.

（2）I/O口线  有A,B,C三个端口.

1）PA0~PA7:

A口的输入/输出线,可由软件编程设置为输入还是输出.

2）PB0~PB7:

B口的输入/输出线,可由软件编程设置为输入还是输出.

3）PC0~PC7:

C口的输入/输出线,根据工作方式分为两组独立工作,可由软件编设置为输入还是输出.

（3）控制及地址线

1）RD非:

读信号线,低电平有效,与其他信号线实现对8255AI/O口的读操作,即外部输入信号或状态字读到CPU中.

2）WR非:

写信号线,低电平有效,与其他信号线实现对8255A的写操作,,即将CPU的数据送到8255I/O口及命令字寄存器.

3）CS非:

片选信号线,,低电平有效,只有当为低电平,才可以对进行读或写的操作.

4）A0,A1:

端口地址选者信号.8255A的端口地址通常由CS非,A1,A0一起确定.

5）RESET:

复位输入信号.高电平时使8255A复位,复位后8255A的PA,PB,PC口均为输入状态.

2.4元件LED灯

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。

共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

2-5七段数码管引脚图

第三章原理图、印制板的设计与制作

3．1设计方法

1原理图

     先设计好删格大小，图纸大小，选择公制，加好库元件。

按电路功能模块画好图，元件，和线的画法应让人很容易看清楚原理。

尽量均匀，美观，元件里面不要走线，注意不要在管脚中间走线，因为这样是没电器连接关系的。

最好不要让两个元件管脚直接相连，画完后可以自动编号（特殊要求例外），然后加上对应标称值，最好把标称值改为红色，粗体，这样可以和标号区分开。

最好把标号和标称值放在合适位置，一般左边为标号，右边为标称值，或上面为标号，下面没标称值。

过程中习惯性保存！

首先保证原理图是完全正确的，进行ERC检查无错，然后打印核对。

其次最好能搞清楚电路原理，对高低压；大小电流；模拟，数字；大小信号；大小功率分块，以便在后面布局时方便。

图3.1显示电路

3.制作PCB元件库

    对于标准库和自己的常用库里面没有的元件封装进行制作，要注意画俯视图，注意尺寸，焊盘大小，位置，号，内孔大小，方向，（印法好量尺寸）。

名字用英文，容易看为好，最好有标明对应的尺寸，以便下次用时查找（可以使用名字和对应尺寸对应的表格形式保存）。

对于常用的二极管，三极管应该注意标号的表示方法，最好在自己库里面有常用系列的二极管，三极管封装，如9011-9018，1815，D880等。

对发光二极管LED，RAD0.1，RB.1/.2，等常用而标准库没有的元件封装应该都在自己库里面有。

应该很熟悉常用元件（电阻，电容，二极管，三极管）的封状形式。

4.生成网络表

   在原理图里面加好封装，保存，ERC检查，生成元件清单检查。

生成网络表。

5.建立PCB

   选择好公制，捕获和可见删格大小，按要求设计好外框（向导或自己画），然后放好固定孔的位置，大小（3.0mm的螺丝可以用3.5mm的内孔焊盘，2.5的可以用3的内孔），边缘的先改好焊盘，孔大小，位置固定。

添加好需要用到的库。

图3.2PCB板

6.布局

   调用网络表，调入元件，修改部分焊盘大小，设置好布线规则，可以改变标号的大小，粗细，隐藏标称值。

然后先把需要特殊位置的元件放好并琐定。

然后根据功能模块布局，（可以用SCH里面选择过度到PCB里面选择的方式），一般不用X，Y进行元件的翻转，而是用空格旋转，或L键，（因为有些元件是不能翻转的，如集成块，继电器等）。

对于一个功能模块先放中心元件，或大元件，然后放旁边的小元件，（比如集成块先放，然后放直接和集成块两管脚直接相连的元件，再放和集成块一个管脚相连的元件，而且类似的元件尽量放在一起，比较美观也要考虑后面连线的方便性）。

当然一些特殊关系的元件先放，比如一些滤波电容和晶振等需要靠近某些元件的先放好。

还有会干扰的元件先整体考虑要离远点。

高低压模块要间隔6.4mm以上。

要注意留出散热片，接插件，固定架的位置。

一些不能布线的地方可以用FILL。

还要考虑散热，热敏元件。

电阻，二极管的放置方式：

分为平放与竖放两种：

（１）平放：

当电路元件数量不多，而且电路板尺寸较大的情况平放较好；对于1/4W以下的电阻平放时,两个焊盘间的距离一般取4/10英寸，1/2W的电阻平放时,两焊盘的间距一般取5/10英寸；二极管平放时，1N400X系列整流管,一般取3/10英寸;1N540X系列整流管,一般取4～5/10英寸。

（２）竖放：

当电路元件数较多，而且电路板尺寸不大的情况下，一般是采用竖放，竖放时两个焊盘的间距一般取1～2/10英寸。

7.布线：

   先设置好规则里面的内容，VCC，GND大功率等大电流的线可以设置的宽点（0.5mm-1.5mm），一般1mm可以通过1A的电流。

对于大电压的线间距可以设置大点，一般1mm为1000V。

设置好了，先布VCC，GND等一些比较重要的线。

注意各个模块的区分。

对单面板最好可以加一些条线。

加过孔，不一定横平竖直，集成块的焊盘间一般不走线，大电流的宽线可以在solder层画上线，以便后面上锡；走线用45度角

8.手工修改线：

   修改一些线的宽度，转角，补泪地或包焊盘（单面板必须做），铺铜，处理地线。

9.检查

   DRC，EMC等检查，然后可以打印检查，网络表对比。

元件清单检查。

10.加型号（一般在丝网成）。

11.布线与布线注意的问题：

①、电位器的调节一般是顺时针为加大（电压，电流等）

②、高频（>20MHz）一般是多点接地。

<10MHz还是<1MHz单点接地。

其间为混合接地。

③、根据需要，不是所有器件都要按标准封装，可以是跨接或立的焊接。

④、在印制板布线时，应先确定元器件在板上的位置，然后布地线，电源线。

在安排高速信号线时，最好考虑低速信号线。

元气件的位置按电源电压，数字模拟，速度快慢，电流大小等分组。

安全的条件下，电源线应尽量靠近地。

减小差摸辐射的环面积，也有助于减小电路的交扰。

   当需要在电路板上布置快速，中速，低速逻辑电路时，高速的应放在靠近边缘连接器范围内，而低速逻辑和存储器，应放在远离连接器范围内。

这样对共阻抗偶合，辐射和交扰的减小都是有利的。

接地最重要的了。

   差不多的时候要有备份一下，或有些步骤容