电子电路综合设计与装配.docx
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电子电路综合设计与装配
1、AltiumDesigner10介绍、原理图及其模板常规设计
1.1什么是AltiumDesigner
AltiumDesigner提供了统一的应用方案，是Protel（经典版本为Protel99se）的升级版本，其综合电子产品一体化开发所需的所有必须技术和功能。
AltiumDesigner在单一设计环境中集成板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB版图设计、编辑和制造。
并集成了现代设计数据管理功能,使得AltiumDesigner成为电子产品开发的完整解决方案－一个既满足当前，也满足未来开发需求的解决方案。
1.2AltiumDesigner10的特点
与过去以季节性主题（如Winter09，Summer09）来命名的方案不同，而是采用新型的平实的编号形式来为新的发布版本进行命名。
最新发布的AltiumDesigner-Release10将继续保持不断插入新的功能和技术的过程，使得您可以更方便轻松地创建您的下一代电子产品设计。
Altium的统一的设计架构以将硬件，软件和可编程硬件等等集成到一个单一的应用程序中而闻名。
它可让您在一个项目内，甚或是整个团队里自由地探索和开发新的设计创意和设计思想，团队中的每个人都拥有对于整个设计过程的统一的设计视图。
显著亮点如下：
提供了将设计数据管理置于设计流程核心地位的全新桌面平台。
提供了新的维度，以供器件数据的搜寻和管理，确保输出到制造厂的设计数据具有准确性和可重复性。
为设计环境提供供应链信息的智能链接，确保对元器件的使用有更好的选择。
提供了涵盖整个设计与生产生命周期的器件数据管理方案，而结构性的输出流程更是确保了输出信息的完整性。
R10系列的增强功能包括：
输出OutputJob编辑器、内电层分割加速改善、弹出式的多边形铺铜管理器、AtmelQTouch支持、自定制的笛卡尔直角和极坐标栅格、AldecHDL仿真功能、实现比使用指针更多的GUI增强，以及随着AltiumDesigner10临近发布日前，我们将构建其中的更多酷炫功能。
而且，其平台稳定性也得到了增强。
1.3整体流程
1.3.1、方案分析
对于所面临的具体项目，工程师首先做的是不同方案整体原理设计，然后是方案比较与确定，元件选择。
1.3.2、电路仿真
对方案中确定的整体电路或局部电路要做电路仿真，以此做电路参数估算，并借鉴仿真结果修改设计方案中的缺陷。
1.3.3设计原理图
原理图设计部分同时需要做的原理图库的设计，虽然AltiumDesigner10软件自带一部分库，但不是包含市面上所有的元件，尤其是最新推出元件。
在原理图绘制过程中，有整体原理图的复杂程度决定采用何种结构的设计方式。
通常所说的层次原理图设计，就为工程师做复杂电路板提供了便捷。
原理图设计后期，用ERC（ElectricalRulesCheck）工作查错，找出错误原因并修改原理图。
1.3.4设计组建的封装
对器件的封装设计，主要是查看器件手册。
也可以直接用测量工具测量器件的实际工具，然后再做封装。
1.3.5PCB板设计
工程师在确定PCB机械尺寸后，就将通过ERC测试的原路图导入PCB板中，根据项目的实际要求设置PCB的规则，板的层数等。
布局在PCB设计中占大部分时间，一个优秀的硬件工程师对布局的要求是很苛刻，尤其是电磁兼容性问题。
布局完成后接下来布线、泪滴、铺铜，DRC（DesignerRuleCheck）测试。
1.3.6校对审核
工程师完成PCB设计后，需要对自己设计的电路进行校对，确定方案中设计的硬件电路在设计中没有因特殊原因被误修改。
对于复杂的电路板，多人分工合作，最终由PCB工程师布线完成，更需要多人对各自设计的电路图与PCB部分进行校对，最终由项目工程师做整体审核。
1.3.7文档整理
这部分主要分三部分人的工作：
导出制板所需的GERBER文档，料单（BOM）生产，导出原理图文件，打印输出。
2、AltiumDesigner10建立项目
AltiumDesigner10的所有电路设计工作都必须在DesignExplorer（设计管理器）中进行，同时设计管理器也是AltiumDesigner10启动后的主工作接口。
设计管理器具有友好的人机接口，而且设计功能强大，使用方便，易于上手。
因此本章将对设计管理器中关于电路板设计的使用进行的介绍。
2.1打开AltiumDesigner10软件
在桌面双击AltiumDesigner10快捷键，启动画面如图2.1。
图2.1AltiumDesigner10启动画面
2.2主菜单和主工具栏
主菜单和主工具栏如图2.2所示。
AltiumDesigner10的主菜单栏包括File（文件）、View（视图）、project（项目）、Window（窗口）和Help（帮助）等。
左边为FilesPanels（文件工作面板），Navigator（向导），Projects（项目），右边对应的是主工作面板，最下面的是状态条。
其中项目栏是我们经常进行操作使用的地方，需要说明的是左边的菜单栏目位置是灵活的，可以随自己的习惯进行移动。
2.3项目工程建立
图2.2AltiumDesigner10新项目
图3.2原理图模板设置框
2.3.1设置你需要的格式
图3.3原理图模板内容编辑
2.3.2设计用到的“项目名称、设计人、”
【Place】→【TextString】+【tab】，选择对应的选项项目名称：
=Title设计者：
=Engineer审核人：
=Address1版本序号：
=Address2设计日期：
=Date
对于logo的添加则用到【Place】→【DrewingTools】→【Graphic】，例如我们放入一个JPG格式的“Dell”。
完成效果如图3.4
图3.4完成后的原理图模板内容编辑
2.4元件原理图库设计和PCB封装的设计
图3.5元件库和封装的建立
建立新元件【Tools】→【Newcompoment】，这里以24C02为例。
图3.6元件命名
图3.7查看24C02datasheet
放置外形和管脚快捷键P+R,调整合适的小。
放置管脚P+P,然后单击键盘的Tab键弹出管脚属性对话框，修改相应的属性。
图2.8，放置外框
图2.9放置管脚
在PinPropertis中，DisplayName管脚定义，Designator是管脚序列号，其后有Visable，是否可见，在原理图中有些元件有衬底，我们通常将带衬底的管脚隐藏，管脚的长度Length可以根据需要设定。
对有负信号，例如负电压，负电平复位脚等，需要添加"\"符号,如“V\C\C\”表示负的VCC电平，类似数字电路中的非格式。
图2.10管脚属性
图2.1124C02原理图
查看24C02的footprint，资料如下。
图2.1224C02footprint资料
在pcblib环境下用向导制作元件封装。
【Tools】→【CompomentWizard】弹出下图，
图2.13CompomentWizard
图2.14footprints类型
在pcblib环境下用向导制作元件封装。
【Tools】→【CompomentWizard】弹出下图，
一般贴片的的引脚焊盘大于管脚8mil到20mil，也可以大于这个数，根据具体的情况。
对有有些BGA封装的，有时候焊盘还可能略小于管脚。
图2.14管脚焊盘大小设置
图2.15管脚间距大小设置
图2.16管脚数目大小设置
图2.17完成封装设计
2.5整体库制作
下面介绍中用ACCESS把数据表文件，原理图封装制作在一个整体库中，这样的优点是，能将各个元件的信心综合在一个表格里，并在原理图中找到这些信息，在到处BOM的时候可以将这些信息导出，便于采购确定元件，成本核算。
图2.18整体库中的文件
【File】→【New】→【Library】→【DatabaseLibrary】建立，在access中建立.mdb文件，注意命名与DatabaseLibrary文件的一致性。
图2.19【DatabaseLibrary】设置
在Sourcedatabasetype中pass中添加该文件，注意添加路径。
图2.20access文件设置
3.6关于room在多通道设计中的应用
图3.1同步信号均衡电路
图3.1room名称的设置
图3.2元件后缀的重复名字
在完成上述设置后，到PCB环境中对其中一个进行布线，单个布线完成，用格式刷，将其余的通道，操作如下。
在【Design】→【Rooms】→【Copyroomformats】，鼠标点击布线完成的room，再点击需要刷的room，弹出下图。
在下图中，主要元素是你所复制的内容，通过Options项确定，对于需要修改的其他room，有ApplytoSpeciliedChannels决定。
图3.3格式刷设置
图3.4单个room
图3.5格式刷后room
在以上设置完成后就是对原理图的编译，接下来我们以一个实例来展示下编译的过程
在Project中compilePCBprojects.prjPCB,快捷键为C+C，即可完成
图3.6编译
弹出如上图的对话框，如果没有弹出，在右下方有Syetem选项打开，里面有Message选项，打开便可看到，至于图中提示的，网络命名重复，这个是不会影响导入PCB时候的连线。
在新建的PCB中导入编译的网络，具体的操作时，在原理图的环境下，单击Design中的UpdatafromschtoPCB中，弹出下图，点击ExecuteChanges
图3.7导入网络
3.8差分对的有关操作
对于差分对设计，尤其是高速电路时，差分要求等长处理，这是就会出现所谓的蛇形走线。
在下面的两幅图中体现了独立的差分对和多对差分对的处理方法。
在差分对中主要是放置Net和差分对符号。
Net放置时注意放置Net的后缀，“_P”,"_N",大小写都可以；另一个是放置差分对标号：
【Place】【Driectives】【DifferentialPair】
图3.8差分对原理图
差分对布线P+I，
图3.9差分对原理图
原理图中缺少net，或者net格式不正确，会出现ERC测试错误
图3.10差分对报错
没有放置差分对标号，在布线时，使用差分走线，会报错。
图3.11差分对报错
图3.12差分对在总线格式下
图3.13差分对总线格式下PCB布
3、LED旋转电子钟概述
随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,本文将介绍一种基于单片机控制的LED旋转电子钟。
本设计以单片机STC12C4052AD为控制核心，由实时时钟模块、60秒旋转译码驱动模块等部分组成，60秒旋转译码驱动模块是由60个发光二级管组成，模拟“秒针”的行走。
3.1次设计的要求
（1）用4只LED数码管输出显示时和分。
（2）可通过按键设置分时校时。
（3）月计时误差小于45秒
（4）用60只LED发光管旋转显示，模拟“秒针”行走。
3.2要功能
本设计完成了以下功能：
（1）4只LED数码管显示当前时分
（2）每隔一秒周边的60只LED发光管旋转一格。
图3.160s电子旋转时钟效果图
图3.260s电子旋转时钟实物
4、系统硬件设计
4.1系统设计框架及实现
4.1.1统原理图
图4.1电子钟系统原理图
4.1.2系统设计框图
电子钟的原理框图如图2-2所示。
它由以下几个部件组成：
单片机STC12C4052AD、时分显示部件、60秒旋转译码驱动电路。
时分显示采用动态扫描，以降低对单片机端口数的要求，同时也降低系统的功耗。
时分显示模块、60秒旋转译码驱动电路以及显示驱动都通过STC12C4052AD的I/O口控制。
图4.2电子钟系统设计框图
4.2统硬件组成
4.2.1TC12C4052AD单片机及其引脚说明
STC12C4052AD单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。
内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与IntelMCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。
由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，STC12C4052AD构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。
STC12C4052AD是一个有20个引脚的芯片，引脚配置如图3所示。
与8051相比，STC12C4052AD减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚下，因而芯片尺寸有所减小。
STC12C4052AD芯片的20个引脚功能为：
图4.3STC12C4052AD引脚配置
图4.4CD4017引脚图
VCC电源电压。
GND接地。
RST复位输入。
当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”。
XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2来自反向振荡放大器的输出。
P1口8位双向I/O口。
引脚P1.2～P1.7提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。
P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1”后，可用作输入。
在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。
P3口引脚P3.0～P3.5与P3.7为7个带内部上拉的双向I/0引脚。
P3.6在内部已与片内比较器输出相连，不能作为通用I/O引脚访问。
P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流；P3口写入“1”后，内部上拉，可用输入。
P3口也可用作特殊功能口，其功能见表1。
P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。
表4.1P3口特殊功能
P3口引脚
特殊功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
4.2.260秒旋转译码驱动原理
按常规传统设计，需60进制译码驱动电路才能实现60秒旋转译码驱动，若用六片十进制计数译码器构成六十进制计数译码电路，则电路连线多（需要120根连线），硬件电路庞大，开销大。
为此，我们巧妙地采用了两片CD4017进行六十进制计数译码，实现60秒旋转译码驱动。
既减少了电路的复杂程度又可降低了成本。
图4为CD4017功能引脚图，图5为其时序图。
图4.5CD4017时序图
CD4017集成电路是十进制计数/时序译码器，共有10个译码输出Q0～Q9；每个译码输出通常处于低电平，且在时钟脉冲由低到高的上升沿输出高电平；每个高电平输出维持1个时钟周期；每输入10个时钟脉冲，输出一个进位脉冲，因此进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号。
在清零输入端（R）加高电平或正脉冲时，只有输出端Q0为高电平，其余各输出端均为低电平“0”。
为实现对发光二极管的驱动，将每一个译码输出端口接一只发光二极管，并将二极管串联限流电阻后接地。
当译码端口Q0～Q9中任一端口为高电平，则对应的发光二极管点亮，如图6（左）所示。
仔细考查CD4017的功能，可发现其10个输出的高电平是相互排斥的，即任一时刻只有一只发光二极管点亮，因此可将图6（左）电路进一步简化为如图6（右）所示，从而简化电路设计。
图4.6CD4017控制发光二极管原理图
在本电子钟设计中，每秒点亮一个发光二极管，循环点亮一周共需60个发光二极管，若用上述的6片CD4017实现驱动，显然电路复杂。
为此我们选用两片CD4017和一片6反相器，采用“纵横双译码”技术，巧妙地实现60秒旋转译码驱动，其中一片接成10进制，一片接成6进制，实现6×10=60的功能，具体连接方法如图5.7所示。
图4.7发光二极管“纵横双译码”循环点亮LED原理图
将周期为1秒的输入脉冲作为其中一片CD4017的时钟脉冲，而此片的级联进位输出端（QC）作为另一片的时钟输入，并将Q6与复位端相连。
在两片译码输出端交叉点上接入发光二极管，构成6×10矩阵。
根据CD4017时序特点，在初始状态，作为高位（纵）的CD4017译码器输出端口Q0处于高平，经反相器反相后为低电平。
当作为低位（横）的CD4017译码器输出端口Q0～Q9依次输出高电平后，则对应的二极管LD1～LD10依次点亮；此后由于QC端的进位，高位CD4017译码输出端口Q1输出高电平，反相后输出低电平，当低位的CD4017译码输出端口Q0～Q9依次输出高电平后，二极管LD11～LD20依次点亮。
如此往复，直至高位Q6向复位端输入高电平，CD4017复位，60秒循环点亮重新开始。
4.2.3时分显示部件
由于系统要显示的内容较简单，显示量不多，所以选用数码管既方便又经济。
LED有共阴极和共阳极两种。
如图8所示。
二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5V的电压。
一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）a～g，另一个小数点为dp发光二极管。
当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。
为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电阻。
图4.8LED数码管结构原理图
众所周知，LED显示数码管通常由硬件7段译码集成电路，完成从数字到显示码的译码驱动。
本系统采用软件译码，以减小体积，降低成本和功耗，软件译码的另一优势还在于比硬件译码有更大的灵活性。
所谓软件译码，即由单片机软件完成从数字到显示码的转换。
从LED数码管结构原理可知，为了显示字符，要为LED显示数码管提供显示段码，组成一个“8”字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED数码管的显示段码为1个字节。
各段码位与显示段的对应关系如表5-2。
表4.9各段码位的对应关系
段码位
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
显示段
dp
g
f
e
d
c
b
a
需说明的是当用数据口连接LED数码管a～dp引脚时，不同的连接方法，各段码位与显示段有不同的对应关系。
通常数据口的D0位与a段连接，D1位与b段连接，……D7位与dp段连接,如表5-2所示，表3为用于LED数码管显示的十六进制数和空白字符与P的显示段码。
表4.10LED显示段码
字型
共阳极段码
共阴极段码
字型
共阳极段码
共阴极段码
0
C0H
3FH
9
90H
6FH
1
F9H
06H
A
88H
77H
2
A4H
5BH
B
83H
7CH
3
BOH
4FH
C
C6H
39H
4
99H
66H
D
A1H
5EH
5
92H
6DH
E
86H
79H
6
82H
7DH
F
84H
71H
7
F8H
07H
空白
FFH
00H
8
80H
7FH
P
8CH
73H
注：
（1）本表所列各字符的显示段码均为小数点不亮的情况。
（2）“空白”字符即没有任何显示。
根据STC12C4052AD单片机灌电流能力强，拉电流能力弱的特点，我们选用共阳数码管。
将STC12C4052AD的P1.0～P1.7分别与共阳数码管的a～g及dp相连，高电平的位对应的LED数码管的段暗，低电平的位对应的LED数码管的段亮，这样，当P0口输出不同的段码，就可以控制数码管显示不同的字符。
例如：
当P0口输出的段码为11000000，数码管显示的字符为0。
数码管显示器有二种工作方式，即静态显示方式和动态扫描显示方式。
为节省端口及降低功耗，本系统采用动态扫描显示方式。
动态扫描显示方式需解决多位LED数码管的“段控”和“位控”问题，本电路的“段控”（即要显示的段码的控制）通过P0口实现；而每一位的公共端，即LED数码管的“位控”，则由P3口控制。
这种连接方式由于多位字段线连在一起，因此，要想显示不同的内容，必然要采取轮流显示的方式，即在某一瞬间，只让其中的某一位的字位线处于选通状态，其它各位的字位线处于断开状态，同时字段线上输出这一位相应要显示字符的字段码。
在这一瞬时，只有这一位在显示，其他几位则暗。
在本系统中,字位线的选通与否是通过PNP三极管的导通与截止来控制,即三极管处于“开关”状态。
系统的时分显示部件由4只7段共阳LED数码管构成，前两只用于时的显示，后两只用于分的显示。
值得一提的是，在设计中需要实现时与分之间的两个闪烁点，为此，将第三只LED数码管倒置摆放，这样就形成了两个很自然的闪烁点。
与此同时，为了能使两点显示能够形象的表示时钟“秒”的变化，设计时，将两个点由P3.5单独控制，每隔一秒使P3.5发送一个正脉冲，从而实现了两个点的闪烁显示，闪烁周期为一秒。
表4.11元件清单
5、系统的软件设计
本系统的软件系统主要可分为主程序和校时程序两大模块。
在程序过程中，加入了抗干扰措施。
5.1系统主程序设计
图4.1系统主程序流程图系统时间的精确度得到保证
5.2程序清单
#include
//STC12Cx052或STC12Cx052AD系列单片机头文件;
#defineuintunsignedint//宏定义;
#defineucharunsignedchar//宏定义;
sbittiaos=P3^4;//调整小时;
sbittiaof=P3^3;//调整分钟;
sbitwela1=P3^7;//分位选;
sbitwela2=P3^2;//分位选;
sbitwela3=P3^1;//时位选;
sbitwela4=P3^0;//时位选;
sbitout=P3^5;//秒脉冲;
/*P1口进行相应的段选信号*/
ucharcodetable[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,
0x92,0x82,0xf8,0
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