电子系统设计实验指导书V10.docx
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电子系统设计实验指导书V10
高等学校实验教材
电子系统设计实验指导书
(V1.0)
武汉工业学院电气与电子工程学院
2011年9月
目录
第一章PROTEL99SE的使用与电路设计方法………………………………………………3
一、PROTEL99SE简介…………………………………………………………………3
二、用PROTEL99SE进行电路原理图设计……………………………………………4
三、用PROTEL99SE进行电路PCB图设计…………………………………………7
四、Protel99SE设计大作业…………………………………………………………10
第二章病房呼叫系统设计实验……………………………………………………………10
一、实验目的、任务………………………………………………………………10
二、实验原理………………………………………………………………………11
三、实验工具………………………………………………………………………11
四、实验步骤……………………………………………………………………12
五、验收标准………………………………………………………………………12
六、设计报告要求…………………………………………………………………12
第一章PROTEL99SE的使用与电路设计方法
一、Protel99SE简介
Protel99SE是用于设计和制作电路板的常用软件工具之一,它主要有以下三方面的功能:
·电路原理图的绘制;
·电路PCB(印刷电路板)的绘制;
·电路信号的传输特性分析。
新一代的开发工具:
AD10,不仅可以设计电路原理,画PCB图,还可以仿真单片机、PLD、传输线信号波形分析等,可对电子系统进行一揽子式的设计分析和仿真,综合性非常强大,但对电脑系统要求较高。
本部分内容的学习要求:
会用Protel99SE绘制一般要求的电路原理图和PCB图(双面),完成一个简单电路板的设计。
Protel99SE采用数据库对设计文件进行管理,这与一些其它开发软件采用的项目式管理有所不同。
但所有设计文件都可以以单个文件的形式存放在指定的文件夹中。
用Protel99SE进行电路设计的总体流程如下:
1.电路原理图的绘制
新建一个原理图文件(SCH文件),放在指定文件夹中;
创建在原理图元件库中无现成的符号的元件符号及PCB封装符号;
放置各电路元件符号(含各元件的PCB封装形式);
进行电路导线连接;
生成网络表文件、元器件清单;
2.电路板PCB文件(PCB文件)的绘制
绘制或导入PCB板的外形;
导入网络表文件;
将各元件在电路板上摆好位置;
用手工方式或自动方式完成电路板的布线;
进行错误检查,生成PCB文件。
二、用PROTEL99SE进行电路原理图设计
以如下的时钟电路为例介绍详细步骤:
1.进入原理图设计环境
(1)启动进行Protel99SE;
(2)创建新的设计数据库(类似于其它软件中的“工程—Project”):
执行菜单命令:
FileNewDesign...,弹出一个设计数据库对话框,输入欲建的数据库名、保存位置(文件夹),按OK键确认,生成项目文件夹Documents。
(3)执行菜单命令:
FileNewDocument,从打开的窗口中点击“SchematicDocument”图标,即可在Document文件夹中建立名为Sheet1的原理图文件图标,可改名。
双击该图标即可对该文件进行编辑。
编辑环境中,左侧窗口为项目管理窗口,右侧为编辑区,有各种工具条可用。
从ViewToolbars菜单中可以打开各种工具条、状态栏。
注意:
WiringTools(绘图)工具条用于画电气元件和导线,DrawingTools(画图)工具条用于画非电气图形符号。
2.加载元件库:
执行菜单命令:
DesignAdd/RemoveLibrary...;本例选择加载MiscellaneousDevices.ddb和MotorolaFastandLSTTLData1989(comcial).Lib。
用户也可以加载自己创建和积累的元件库。
3.放置元件:
执行菜单命令:
PlacePart...,依次输入各元件的名称,并按OK键放置各元件的原理图符号。
4.调整元件位置:
直接拖动元件,或执行菜单命令:
EditMove。
5.编辑元件属性(Attributes):
选中元件后,按右键,或执行菜单命令:
EditChange。
设置元件的库中参考名称(LibRef)、引脚封装名(Footprint)、在本电路中的元件号(Designator)、元件类型(PartType)等。
6.画连接导线
用WiringToolbs(绘图)工具条中的画导线工具或执行菜单命令:
PlaceWire。
7.放置电源、地
用PowerObjects(电源和地)工具条中的电源、地符号或执行菜单命令:
PlacePowerPort。
8.放置I/O端口
执行菜单命令:
PlacePort,放置本电路的输入输出端口。
9.设计检查
执行菜单命令:
ToolsERC...,设置检查规则、项目,按OK键,生成测试报告。
10.导出元器件封装表、封装检查
执行菜单命令:
EditExporttoSpread,弹出向导器,选择想要输出的属性(AttributestoExport),包括Designator和Footprint。
如果某元件封装有问题,可在封装表中直接修改,然后执行菜单命令:
FileUpdate,完成对原理图的更新。
11.生成网络表文件(Netlist)
网络表中记录的是系统中所有元器件引脚之间的连接关系。
一个电气结点称为一个网络,如:
电源网络、地线网络、时钟网络。
一个结点络可能由多个元件的多个引脚相连而成。
执行菜单命令:
DesignCreateNetlist完成。
12.生成元件列表
执行菜单命令:
ReportsBillofMaterial。
绘图技巧:
·元件的复制、放置、对齐、标注等与其它软件类似。
·元件的旋转:
用光标点住元件不放,并用另一只手:
按空格键,每次转90度;
按X键:
左右翻转;按Y键:
上下翻转。
·元件的删除:
左手按住Delete键,右手用光标点击要删除的元件。
·画导线:
用WiringTools中的工具。
·导线连接点:
PlaceJunction。
·引脚之间的端口连接法:
PlacePort,并设置属性,用端口代替连线。
·绘制总线:
先PlaceBus画总线,然后PlaceBusEntry画总线的分支线,最后PlaceNetLabel给各分支线标注网络标号。
·非电气图形和文字的制作:
用DrawingTools中的工具。
元件原理图符号的创建:
原理图符号库中的元件数是有限的,经常会遇到一些在符号库中没有的特殊元件,画原理图时只能自行创建其原理图符号。
步骤如下:
1.进入原理图库编辑器:
FileNew,点击SchematicLibra...图标进入原理图库编辑窗口,新建一个库元件。
2.修改元件名:
ToolsRenameComponent,将默认元件名改为自定义的名。
3.设置工作区:
OptionsDocumentOptions。
4.绘制元件的图形符号:
用SchLibDrawingTools中的工具。
5.制作引脚:
用SchLibDrawingTools中的工具,或执行PlacePins,设置引脚名,并将引脚放到相应位置。
6.设置其它信息:
按Description...按钮,设置元件名、封装形式等。
7.保存结果:
按存盘键。
※8.多部件元件的图形符号制作:
ToolsNewParts,先做一个部件,再复制,最后编辑引脚、保存。
三、用PROTEL99SE进行电路PCB图设计
※PCB板的层结构:
项层(TopLayer,1个)、底层(BottomLayer,1个)和中间层(MidLayer,可有14个)。
层分类:
·信号层(SignalLayers):
用于布线,可位于顶层、底层和中间层。
·内部电源层(InternalPlanes):
电源层和地层专用,位于中间层,等电位。
可有4个。
·机械层(Mechanical):
用于放置标注和说明,位于中间层,可有4个。
·丝印层(Silkscreen):
用于显示元件轮廓和封装文字。
·阻焊层(SolderMask):
用于放置阻焊剂,以防焊接时焊锡短路(2个)。
·阻粘层(PasteMask):
安装SMD元件时用(2个)。
·钻孔层(DrillLayers):
用于输出钻孔图,标注钻孔位置(2个)。
·禁止布线层(KeepOut):
设定布线区的边界。
常用于设置板边界。
用Protel99SE进行电路PCB图设计的步骤如下:
1.进入PCB图设计环境
(1)启动进行Protel99SE;
(2)创建新的设计数据库(类似于其它软件中的“工程—Project”):
执行菜单命令:
FileNewDesign...,弹出一个设计数据库对话框,输入欲建的数据库名、保存位置(文件夹),按OK键确认,生成项目文件夹Documents。
(3)执行菜单命令:
FileNewDocument,从打开的窗口中点击“PCBDocument”图标,即可在Document文件夹中建立名为PCB1的PCB文件图标,可改名。
双击该图标即可对该文件进行编辑。
编辑环境中,左侧窗口为项目管理窗口,右侧为编辑区,有PlacementTools工具条可用。
对已经绘好原理图文件的用户,可以在原理图环境中执行菜单命令:
DesignUpdatePCB来建立PCB文件。
2.定义板框:
包括电路板的层数、外形尺寸、形状等。
执行菜单命令:
DesignOptions可以设置电路板的层;点击右窗下边栏的标签,可以切换显示各层的内容。
在机械层中,执行菜单命令:
PlaceKeepoutTrack,可以为电路板画边框,布线时不要超出此边框。
电路板的外形也可以通过导入AutoCAD绘制的电路板外形文件获得。
3.导入PCB元件封装库
执行菜单命令:
DesignAdd/RemoveLibrary...。
4.载入网络表和元件封装
方式1:
用网络表文件载入:
执行菜单命令:
DesignNetlist,找到并选中原理图设计时生成的网络表文件(.net),点打开,并按Excute键。
方式2:
用同步器载入:
在原理图编辑器环境中,执行菜单命令:
DesignUpdatePCB,按Excute键。
载入后,所有元件全部堆叠在一起,元件的引脚间有绿色飞线表示连接关系。
5.元件布局
先恢复绝对原点:
执行菜单命令:
EditOriginReset。
元件布局有两种方式:
自动布局:
执行菜单命令:
ToolsAutoPlace。
手动布局:
手工对元件进行拖动、旋转、对齐等操作。
方法与其它软件类似。
布局要综合考虑匀称、美观、元件间干扰小、易于布线、散热好、便于元件安装等多种因素。
6.布线规则的设定
执行菜单命令:
DesignRules,在对话框的Routing选项中,设置布线的间距(CleranceConstraint)、拐角(RoutingCorners)、层(RoutingLayers)、布线宽度(WidthConstraint)、过孔风格(RoutingViaStyle)等进行设置。
7.自动布线
全部自动布线:
AutoRouteAll
指定网络自动布线:
AutoRouteNet,然后用光标点中某一网络中的引脚;
指定飞线自动布线:
AutoRouteConnection,用光标点中某一根飞线;
指定元件自动布线:
AutoRouteComponent,用光标点中某一元件;
指定区域自动布线:
AutoRouteArea,用光标拖选划出一块区域。
自动布线过程的暂停:
AutoRoutePause;
自动布线的再运行(继续):
AutoRouteRestart;
自动布线的终止:
AutoRouteStop。
拆除全部自动布线:
ToolsUn-RouteAll
拆除指定网络的布线:
ToolsUn-RouteNet,用光标点中网络中的任一点。
拆除指定连线的布线:
ToolsUn-RouteConnection,用光标点中某连线。
拆除指定元件的布线:
ToolsUn-RouteComponent,用光标点中某元件。
8.手工调整/布线
用PlacementTools工具条上的各种工具画导线。
为了增强电路板的抗干扰性和可靠性,通常布完导线后,要将板上除导线以外的全部空处做大面积覆铜处理,方法是按工具条上的多边形覆铜按钮,在弹出的对话框中覆铜区与哪一个网络相连(如:
与地相连,就是大面积铺地,与电源相连就是大面积铺电源。
最常用的方法是与地相连。
)、覆铜网格的样式、等。
有时为增强焊盘或导过孔的机械强度(以焊盘免容易从PCB板上折断脱落,可以为它们做补泪滴处理:
先选中某网络或元件,然后执行ToolsTeardropsAdd。
9.生成报表
用菜单命令Report可以生成电路板的多种汇总表,如元件清单(BillofMaterials)。
10.输出电路板图
存盘后,可将数据库中的PCB文件交给电路板厂家制作即可。
绘图技巧:
·元件对齐:
先选中要对齐的一组元件,然后执行:
ToolsAlignComponentsAlign,在弹出的对话框中选择对齐方式。
·元件的旋转:
选中元件后用空格键旋转。
·导线拐角样式切换:
按Shift+Space键。
·切换当前层:
按“+”或“-”键。
·选取与查看某一网络:
先执行EditSelectNet,再用光标点击所需网络中的任一点,即可点亮该网络。
·布线宽度单位切换:
按Q键(不区分大小写)。
100mil=2.54mm,50mil=1.27mm,
1inch=25.4mm=1000mil。
·距离测量:
先执行RepotMeasureDistance,再用光标点起点和终点。
元件PCB封装符号的创建:
元件的PCB符号库中的元件数是有限的,经常会遇到一些在符号库中没有的特殊元件,画PCB图时只能自行创建其PCB封装符号。
PCB封装有两类,一类是通用样式的封装,可以通过元件封装向导来新建;另一类是特殊样式的封装,可以通过手工制作来创建。
·手工制作创建一个PCB封装图符号的步骤如下:
1.进入PCB库编辑器:
FileNew,点击PCBLibraryDocument图标进入PCB库编辑窗口,新建一个库元件。
按Rename键将默认元件名改成自定义的名称。
2.执行PlaceTrack或相应快捷工具按键,绘制封装的外形轮廓。
3.执行PlacePad命令或相应快捷工具按键,绘制封装的焊盘,通过焊盘属性对话框设定焊盘的大小、形状、编号、钻孔直径及所在的层等。
4.按OK键,并执行FileSave命令将制作好的元件封装保存到封装库中。
·利用元件封装向导新建一个PCB封装图符号的方法如下:
进入PCB库编辑器:
方法与手工制作时一样。
然后在元件库编辑器中,按Add键,就可打开向导。
只要按向导的提示一步步进行设置,最后按Finish键就可完成创建。
四、Protel99SE设计大作业
1.完成本书前面的示例电路的原理图设计;
2.完成本书前面的示例电路的PCB图设计。
第二章病房呼叫系统设计实验
一、实验目的、任务
实验目的:
通过实际设计、制作一个病房呼叫系统,学习掌握电子系统设计的基本流程;了解掌握多种电子元器件的种类、性能与使用方法;掌握电路和系统的设计制作方法和调试方法。
实验任务:
要求利用一块多孔实验电路板,设计制作一个医院病房呼叫系统,其主要功能如下:
1.呼叫功能:
能实现8个病床对护士站的呼叫,病人有情况时,按一下自己床位边的呼叫按键,就能呼叫护士;
2.显示功能:
有病床呼叫时,护士站的数码管显示器上会显示相应的床位号;无呼叫时显示器上无显示;
3.报警功能:
有病床呼叫时,护士站的喇叭会发出一响一停的报警声,同时,数码管显示器上显示的床位号会与报警声同步闪烁。
4.呼叫保持功能:
有呼叫键按下后,即使按键松开了,呼叫显示和报警声也能保持,直到护士响应呼叫;
5.清除功能:
护士响应呼叫后,按下清除键即可清除呼叫报警声及显示。
二、实验原理
该系统采用8个按键开关来模拟各病房里的呼叫按钮。
为了将不同的按键信号转换成能显示的床位号(0~7),首先应该用一片8-3编码器芯片将位呼叫信号转换成000~111的三位二进制编码;加按键锁存电路将该按键呼叫锁存保持住;三位二进制编码信号再经过一片BCD-七段码译码器芯片,转换成七段码,再接到一个共阴极的LED数码管上供显示。
报警闪烁和报警声分别用2个555电路产生的方波驱动实现。
用锁存住的呼叫信号同时触发这2个555方波发生电路,其中报警闪烁方波频率可设为1Hz(可用电位器调整),报警声音频方波频率可设为128Hz(可用电位器调整)。
报警闪烁方波信号接到数码管的COM端(阴极)控制数码管的闪烁;报警声音频方波经放大后接到蜂鸣器上。
当清除键按下时,呼叫信号被清除,2个555均停止工作。
系统的原理如下图所示。
请根据上图自行查阅相关器件资料,画出详细电路图,并按图完成系统的制作和调试。
三、实验工具
本实验中用到的工具如下:
电烙铁、尖嘴钳、斜口钳、镊子、焊锡丝、松香;
数字式万用表、数字式稳压电源、示波器。
四、实验步骤
1.领取元器件(注意:
不要散落丢失);
2.根据系统原理设计实际电路(画出详细电路原理图),并计算两个555定时电路的元件参数;
3.按电路图将元器件焊装到多孔实验电路板上(注意:
元件在电路板上布局要合理、美观;DIP封装的集成电路不能直接焊在电路板上,必须先在电路板上焊芯片插座,再将芯片插在芯片插座上);
4.用细导线焊接电路连线(注意:
细导线要平直,不要破皮短路);
5.在不插装芯片的情况下,用万用表量电源和地是否短路;各地线是否连通;
6.在不插装芯片的情况下,给系统接上电源,用万用表量各电源点电压是否正常;
7.在断电情况下,插上芯片,再通电,按各按键,观察系统是否正常工作。
如闻到有热糊味或芯片发烫,应立即断电检查。
五、验收标准
1.电路图设计正确,555电路参数设计正确,所有元器件引脚连线原理无误;
2.电路板元件布局合理美观;
3.焊接走线工整,焊点光亮,焊锡量适当,无漏焊、短路;
4.能实现“实验任务”中要求的各项功能。
六、设计报告要求
内容应该包括:
一、实验名称
二、设计任务
三、方案设计
四、电路设计与参数计算
五、系统电路详图
六、系统调试过程与问题分析
七、验收结果
八、设计总结、心得
九、意见、建议
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电子 系统 设计 实验 指导书 V10