数字电路与逻辑设计实训指导书09.docx

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数字电路与逻辑设计实训指导书09

数字电路与逻辑设计

实训指导书

制作人：

丁黎明

项目一：

数字电路的仿真

一、目的要求

1、掌握multisim软件常用数字电路分析工具的使用。

2、了解protues软件的使用方法。

二、教学内容

1、multisim常用的数字电路分析工具

（1）频率计（FrequencyCounter）

在仪器区找到频率计并把它放置到编辑区

图2-2-1频率计

连接成如下的电路原理图

图2-2-2频率计仿真图

双击原理图中的信号发生器设置为正弦波，频率为1kHz，如下图所示：

图2-2-3频率计仿真图

点击运行，双击示波器可以看到正弦波形，周期为1ms，频率应该为周期的倒数是1kHz。

图2-2-4示波器波形

双击电路中的频率计，可以看到频率计面板。

图2-2-5频率计面板

在面板中点击频率（Frep）可以看到频率显示，点击周期（Period）可以看到周期显示。

在电路中如果想测量某部位的周期或频率，只要把频率计连接到该位置，选择面板上的频率或周期就可以实时查看结果。

（2）数字信号发生器（WordGenerator）

（3）逻辑分析仪（LogicAnalyzer）

逻辑分析仪可以同步记录和显示16路逻辑信号。

它可以用于对数字逻辑信号的高速采集和时序分析。

仿真电路如下图所示，其中74LS160实现十进制循环计数，数码管显示计数内容，这里使用的是BCD码数码管，从左到右分别接在74LS160的QD，QC，QB，QA上。

QD，QC，QB，QA，RCO分别接在逻辑分析仪的五个输入上，点击运行可以看到数码管的输出。

然后双击逻辑分析仪可以观察到QD，QC，QB，QA和RCO的输出波形。

图2-2-6逻辑分析仪仿真电路

图2-2-7逻辑分析仪面板波形

从逻辑分析仪面板波形图中可以看出，QDQBQCQA从0000（相当于十进制0）递增到1001（相当于十进制9），然后再循环计数，计到1001时，产生一个进位信号。

（4）逻辑转换仪（LogicConverter）

逻辑转换仪能够完成真值表、逻辑表达式和逻辑电路三者之间的相互转换。

逻辑转换仪的面板如下：

图2-2-8逻辑转换仪面板

●真值表转换为逻辑函数的方法

点选输入变量ABC，在ABC的下方会出现ABC所有可能组合，在输出变量的位置上输入在输入变量不同组合下的输出值。

如下图所示：

图2-2-9逻辑转换仪真值表的输入

点选面板右侧的真值表转换逻辑函数按钮可以看到下方的逻辑函数表达式。

●逻辑函数转换为逻辑图的方法

在上面图的面板上点击逻辑函数转换为逻辑函数按钮可以在编辑区看到转换后的电路图。

图2-2-10逻辑函数转换为逻辑图

其它几种的实现方法和上面类似，同学们可以自己尝试。

2、Proteus软件的使用

（1）Proteus软件的打开

点击“开始”→“所有程序”→“Proteus7Professional”→“ISIS7Professional”可以打开软件。

（2）Proteus软件的界面

图2-2-11Proteus主界面

主界面由菜单区，编辑区，工具箱和仿真按钮等组成。

（3）仿真文件的建立

●新建文件

●拾取元器件

以此按照下图的标号顺序点击“元件模式”→“从库中选取”调出选取元件界面，在类别中选择“Resistors”（电阻）可变电阻，在子类别中选择“variable”（可变电阻），在右侧的列表区选择POT-HG，点击确定即可选择到可变电阻。

然后按同样的方式选取LAMP和BATTERT元件。

在元件列表区域可以看到刚才选择的三中元件。

表2-2-1元件所属类及子类

元件名称

所属类

所属子类

LAMP

Optoelectronics

Lamps

BATTERY

Miscellaneous

POT-HG

Resistors

Variable

图2-2-12Proteus元件选取界面

●画电路图仿真

在元件列表区选择一个元件，在编辑区点击鼠标左键就可以放置这一元件，把元件列表区的三个元件放置到编辑区，排列好各自的位置，连接线路。

可以选择仪器区的电压电流探针放置到电路上观察运行时的电压和电流。

图2-2-13Proteus绘制电路图界面

点击下面的仿真运行按钮，闭合开关，改变可变电阻的阻值可以观察此时电路中电压和电流的变化情况。

3、Proteus仿真数字电路

（1）三态门仿真

表2-2-2三态门元件所属类及子类

元件名称

所属类

所属子类

74LS125

TTL74LSSeries

74LS00

TTL74LSSeries

SW-SPDT

Switches&Delays

Switches

电源和地取自终端库，电压表取自虚拟仪器库。

图2-2-13Proteus三态门仿真

上图的三态门中，1引脚是控制端，2引脚是输入端，3引脚是输出端。

当1引脚为低电平时，输出才和输入连通，输入是低电平时输出为低电平，输入是高电平时输出是高电平，当1引脚为高电平时，输出输入之间是不连通的。

三态门一般用于总线结构。

（2）译码器

74LS139为2线4线译码器。

E为使能端，低电平有效，当E为低电平时，电路工作，当E为高电平是，电路不工作。

4路输出也为低电平有效，当输入AB为00,01,10,11时，Y0，Y1，Y2和Y3分别输出低电平。

图2-2-14Proteus译码器仿真

（3）译码器的级联

两个2线4线译码器可以构成一个3线8线译码器，利用使能端做扩展，当开关K6打向低电平时，U2：

A元件工作，U2：

B元件不工作。

K4K5只控制U2：

A元件的输出；当开关K6打向高电平时，U2：

B元件工作，U2：

A元件不工作。

K4K5只控制U2：

A元件的输出。

最终实现的功能是：

K6K4K5从000递增到111时，U2：

A的Y0Y1Y2Y3和U2：

B的Y0Y1Y2Y3依次输出低电平。

图2-2-15Proteus译码器的级联仿真

（4）数据选择器

E为使能端，低电平有效，当为低电平时芯片工作，当为高电平是芯片不工作。

当E为低电平，AB从00到11递增时，将分别选通X0X1X2X3到输出端。

示波器可以观察波形频率。

图2-2-16Proteus数据选择器的仿真

以下是用数据选择器构成的一位全加器仿真图。

图2-2-17Proteus数据选择器构成全加器的仿真

（5）同步二进制计数器

图2-2-18Proteus同步二进制计数器的仿真

可以通过时钟选择开关来选择时钟模式，有单此脉冲发生器和连续脉冲两种类型。

有个复位开关，用来对所有触发器进行复位。

本例使用了标号的方式进行绘制电路图，所有标注相同的标号都是连通的，例如：

所有的RST是连通的，所有的CLK是连通的。

这样可以简化电路的绘制。

（6）计数器芯片的使用

74LS162是10进制芯片，可以构成任意进制的计数器，以下是构成七进制的两种实现方法。

图2-2-19用复位法构成七进制计数器的仿真

图2-2-20用置位法构成七进制计数器的仿真

也可以构成高于10进制的计数器，以下是60进制计数器的实现。

图2-2-2160进制计数器的仿真

三、技能训练

1、使用multisim软件仿真数字电路与逻辑设计实验的内容。

2、使用proteus软件仿真数字电路与逻辑设计实验的内容。

3、了解proteus常用元器件所在的类及子类。

4、尝试使用multisim和proteus软件做一下数字电路的设计。

项目二：

Protel电路板的制作

一、目的要求

1、掌握protel软件的使用方法。

2、掌握protel软件绘制电路原理图和pcb图的操作。

二、教学内容

1、protel软件的使用

（1）软件的打开

依次点击“开始”→“所有程序”→“Protel99SE”→“Protel99SE”可以打开Protel软件。

（2）软件的界面

图2-3-1Protel软件的主界面

Protel以数据库的方式管理工程项目，第一次使用该软件时，因为没有工程项目，所以界面很简洁。

（3）新建数据库

在上述主界面依次点击“File”→“New”出现新建数据库对话框，如下图所示：

图2-3-2新建数据库对话框

默认数据库类型不用修改，采用默认值；数据库名称可以修改为自己的实际设计名称，存储位置点击“Browse…”设置到自己的存储位置。

设置完成后点击“OK”就完成了设计数据库的新建。

（4）新建原理图文件和PCB文件

完成新建数据库文件之后，在主界面就多了一个以.ddb为后缀的一个文件，点击其前面的“+”号，可以看到有3项子目录。

图2-3-3新建数据库之后的文件

“DesignTeam”为设计小组设置，主要设置设计小组成员及密码等信息。

“RecycleBin”为回收站，主要是回收不用的文件，只要把右边的文件选中，用鼠标左键拉到回收站即可完成回收操作。

“Documents”为文件夹，我们所做的任何设计文件和说明文档按照要求都应该放在这个文件夹目录下。

新建原理图文件

在主界面点击“Document”，然后点击菜单栏的“File”→“new”出现新文件类型的界面。

图2-3-4新建文件类型

选中“SchematicDocument”，点击“OK”按钮就可完成原理图文件的新建。

点击左边的“Documents”可以在右边看到刚才新建的原理图文件，在这里可以对这个文件进行修改文件名等操作。

新建PCB文件

在主界面点击“Document”，然后点击菜单栏的“File”→“new”出现新文件类型的界面。

选中“PCBDocument”，点击“OK”按钮就可完成PCB文件的新建。

点击左边的“Documents”可以在右边看到刚才新建的PCB文件，在这里可以对这个文件进行修改文件名等操作。

新建其它文件

我们在Protel的使用过程中，一般都要用到四个文件，除了上面的原理图文件和PCB文件之外，还有PCBLibrary和SchematicLibrary文件，这两个文件分别创建元件和元件封装。

仿照上面的操作再新建这两个文件，如下图所示：

图2-3-5新建文件

从上述文件的后缀名，我们可以看出各个文件的用途，一般以.SCh为后缀的文件是原理图文件，以.PCB为后缀的是PCB文件，以.Lib为后缀的是库文件。

在编辑原理图时有很多元件是标准库里没有的，这时我们要创建新元件，库文件就是放置这些新元件的地方。

2、原理图文件的绘制

双击上图中的原理图文件“Sheet.Sch”可以看到原理图文件的绘制界面：

在右侧可以看到绘制图纸，用鼠标左键点击图纸中央，按键盘的“PageUp”和“PageDown”可以放大或缩小图纸。

放大后，可以看到图纸的栅格。

图2-3-6新建的原理图文件

（1）设计电路原理图的基本流程

图2-3-7设计电路元露天基本流程

设置图纸信息：

主要设置原理图图纸的大小、方向及标题栏的外观，填写设计人姓名、单位组织及修改日期，还可以设置绘图栅格的大小及电气捕获栅格等选项。

载入元器件符号库：

根据设计需要将需要用到的元器件符号库载入到当前设计环境中，以便随时取用其中的元器件。

放置元器件符号：

根据原理图的绘制进程，按照清晰美观的设计要求，分阶段放置所需的元器件，并调整元器件的位置，设置元器件封装等属性。

电气连接：

将放置好的元器件引脚通过具有电气意义的连线及网络标号等连接起来，使电路原理图能够达到表达电路功能的目的。

元器件编号和定义封装：

要为每一个元器件赋予各自不同的唯一的编号，确定每个元器件的封装，在方便设计交流的同时为印刷电路板设计提供基础。

规则检查、修正：

根据设定的电气规则，设计者可以使用各种检验工具，对绘制的电路原理图进行检查，确保电路原理图不出现简单错误。

添加注释、修饰：

为提高电路原理图的可读性和美观性，设计者可以在电路原理图上添加一些相应的文字说明及图片等元素，对原理图进行补充说明。

（2）简单原理图的绘制

库的导入

点击菜单“Place”→“part”出现导入元件的界面：

图2-3-8PlacePart对话框

点击“Browse”出现添加数据库界面：

图2-3-9BrowseLibraries对话框

点击“Add/Remove”按钮，出现ChangeLibraryFileList对话框，选择“ProtelDOSSchematicLibraries”，点击“Add”按钮，点击“OK”即可完成ProtelDOSSchematicLibraries库的导入，其它库的导入过程和此类似操作。

图2-3-10ChangeLibraryFileList对话框

放置元件符号

首先打开要编辑的原理图文件，鼠标左键点击左侧的Sheet2.Sch，然后点击左侧上方的“BrowseSch”。

图2-3-11选择编辑的原理图文件

图2-3-12元件选择界面

在MiscellaneousDevices.lib库中找到NPN元件，点击Place，则在编辑区会出现如下图形：

图2-3-13元件放置界面

此时按下键盘上的“Tab”键可以修改元件的属性，界面如下：

图2-3-14元件参数设置界面

一般绘制电路时主要设置：

Footprint（封装类型）、Designator（元器件的标识符，把Q?

改为Q1，即从Q1开始编号）和PartType（子件编号，一般用来描写元件参数，例如电阻阻值等）。

在图2-3-13的状态下，按键盘上的空格键（space）可以对元件的逆时针方向转动，这样可以对元件的姿态进行调整。

最后点击鼠标左键放置该元器件。

可以发现放置完成后还会出现图2-3-13的状态，此时可以点击鼠标左键再放置一个，或点鼠标右键取消放置。

按上述的方法分别放置蜂鸣器（BELL）、二极管（DIODE）、电容（CAP）、电阻（RES2）和单片机8051（注意8051在ProtelDOSSchematicIntel.lib库里），如下图所示。

图2-3-15元件放置界面

注意电源和地的放置：

点击菜单栏的“View”→“Toolbars”→“PowerObjects”调出电源面板，如下图所示，直接把电源和地拖到图中适当位置即可。

图2-3-16电源面板

电气连线

点击菜单栏的“View”→“Toolbars”→“WiringTools”调出连线面板，如下图所示。

点击PlaceWire图标进行连线。

当能构成真正电气连接时会有一个连接黑点，点击黑点进行连接。

点击鼠标右键退出连线状态。

连线完成的电路如图下图所示：

图2-3-17WiringTools面板

图2-3-19连线完成的电路原理图

此时，可以双击某个元件进行描述修改，例如上图中的单片机8051的描述为U?

，可以改为U1等。

3、PCB电路板绘制

图2-3-20PCB电路板绘制流程

准备电路原理图和网络表：

只有在生成原理图和网络表之后，才可能将元器件封装和网络表载入到PCB编辑器中，然后才能进行电路板设计。

网络表是印刷电路板自动布线的灵魂，更是联系原理图编辑器和PCB编辑器的桥梁和纽带。

设置环境参数：

包括设置栅格大小、光标捕捉区域大小、公制/英制转换以及工作层面的颜色等。

规划电路板：

包括选择单面板、双面板或多面板；确定电路板的外形，包括设置电路板的形状、电气边界和物理边界等参数；确定电路板与外界的借口形式，选择具体接插件的封装形式，以及接插件的安装位置和电路板的安装方式等。

载入网络表和元器件封装：

利用系统提供的更新PCB电路板设计功能或者载入网络表功能，既可以将原理图编辑器中的元器件封装和网络表更新到PCB编辑器中，又可以在PCB编辑器中载入元器件封装和网络表。

元器件布局：

元器件布局应当从机械结构、散热、电磁干扰以及将来布线的方便性等方面进行综合考虑。

先布置与机械尺寸和安装尺寸有关的器件，然后是大的占位置的器件和电路的核心元器件，最后是外围的小元器件。

自动布线和手工调整：

设计者只需进行简单和直观的设置，自动布线器就会根据设置好的设计法则和自动布线规则选择最佳的布线策略进行布线，使印刷电路板的设计尽可能完美。

自动布线后，如果不满意自动布线的结果，设计者还可以对结果进行手工调整，使之既能满足设计者特殊的设计意图，又能符合电气设计的要求。

覆铜：

对信号层上的接地网络和其他需要保护的信号进行覆铜或包地，可以增强PCB电路板抗干扰能力和负载电流的能力。

DRC设计检验：

对布线后的电路板进行DRC设计检验，可以确保电路板设计完全符合设计者制定的设计规则，并且可以确保所有的网络均已正确连接。

（1）常用元器件的封装

①电阻

在原理图库中，电阻的原理图符号有“RES1”、“RES2”、“RES3”和“RES4”等四种形式，根据用户自己的习惯，用户可以选用其中任何一种符号在电路原理图中表示电阻，而完全可以不考虑电阻的阻值和功率。

对于电路板而言，用户最需要考虑的是电阻的功率数，为了加大散热效果，功率大的电阻一般外形都大，用户在绘制电路板时就应该根据安装功率的不同，为这些电阻选用相应大小的封装。

插装式电阻常用的功率是“1/8W”、“1/4W”、“1/2W”和“1W”等，这些功率不同的电阻器可以根据所购买的电阻外形大小选用“AXIAL0.3”、“AXIAL0.4”、“AXIAL0.5”、“AXIAL0.6”、“AXIAL0.7”、“AXIAL0.8”、“AXIAL0.9”和“AXIAL1.0”封装，通常1/4W的电阻可以使用“AXIAL0.4”封装。

这些封装名称中的数字表明封装的大小，数字的单位是“mil”，比如“AXIAL0.4”封装，就表示电阻封装的两焊盘中心相距“400mil”。

100mil=2.54mm。

用户可以在Protel99SE自带的PCB封装库“Advpcb.ddb”中的“PCBFootprints.lib”里找到这些封装。

表明贴片式电阻的封装大小也与功率相关，与阻值大小无关。

常用的1/16W的贴片式电阻可以选用“0402”封装，1/10W的贴片式电阻可以选用“0603”封装，1/8W的贴片式电阻可以选用“0805”封装，1/4W的贴片式电阻可以选用“1206”封装，而更大功率的贴片式电阻则可以选用“1210”、“1812”和“2225”等封装形式。

贴片式封装的名称由4位数字组成，前两位代表贴片电阻的长度，后两位代表封装的宽度，单位为“10mil”，比如封装“1206”就适合长度为“120mil”宽度为“60mil”的贴片式电阻。

②电位器

绘制电路原理图时常用的电位器是“POT1”和“POT2”。

在绘制印刷电路板时，常用的封装形式是“VR”系列，分别是“VR1”、“VR2”、“VR3”、“VR4”和“VR5”等。

③电容

在实际使用中，电容通常分为“无极性电容”和“有极性电容”两种。

对于无极性电容来说，通常选用的电路原理图符号名称是“CAP”，而有极性电容通常选用的电路原理图符号名称是“ELECTRO1”和“ELECTRO2”等。

在绘制电路原理图时，用户可以不用考虑电容的容值和耐压值而选用任何一种电容的原理图符号。

但是在绘制电路板时，用户就必须考虑实际使用的电容值、耐压值及电容类别等因素，因为这些因素直接决定着电容的外形、尺寸等几何参数。

一般来说，通知类型、相同耐压的电容，容值越大的电容外形越大，而相同类型、相同容值的电容，耐压越高的电容外形越大，用户在实际设计中应对这些因素进行详细考虑。

无极性电容通常选用“RAD”系列的封装，根据电容尺寸的大学有“RAD0.1”、“RAD0.2”、“RAD0.3”和“RAD0.4”等四种类型。

和电阻类似，这些封装名称中的数字也代表封装中焊盘的中心间距，单位为“mil”。

例如“RAD0.4”就是指电容封装的两焊盘中心相距“400mil”。

有极性电容一般是电解电容，常用“RB”系列封装形式，根据电容尺寸可以有“RB.2/.4”、“RB.3/.6”、“RB.4/.8”和“RB.5/1.0”等四种类型。

封装名称中的数字前两位代表焊盘中心距，后两位代表轮廓圆的直接。

例如“RB.5/1.0”表示焊盘中心距为“500mil”，轮廓圆的直径为“1000mil”。

④二极管

二极管的种类比较多，包括普通二极管、肖特基二极管和稳压二极管等，原理图符号名称由“DIODE”、“DIODESHOTIKY”、“DIODETUNNEL”、“ZENER1”、“ZENER2”和“ZENER3”等。

在绘制印刷电路板时，通常选用“DIODE”系列的封装，根据二极管功率的大小，有“DIODE0.4”和“DIODE0.7”两种封装可供选择。

需要注意的是：

二极管原理图符号和二极管封装焊盘的阳极和阴极标号不一样，分别是A、K和1、2。

在实际使用时应该修改为一样的值，要么都修改为A、K，要么都修改为1、2。

这样在导入网络表时菜能找到封装引脚。

即电路原理图符号中的【Number】属性和封装焊盘的【Designator】属性相对应，否则在绘制电路板导入网络表时会发生错误。

⑤整流桥

在原理图符号库中，常用的整流桥名称为“BRIDGE1”和“BRIDGE2”。

这两个符号在Protel99SE自带原理图库“MiscellaneousDevices.ddb”中的“MiscellaneousDevices.lib”中。

整流桥常用的封装形式为“D”系列，有“D-70”、“D-71”、“D-38”、“D-44”和“D-46”等形式可供选择。

⑥三极管

三极管的常用原理图符号有“NPN”、“NPN1”、“PNP”和“PNP1”等，常用的封装有“TO-18”、“TO-92A”、“TO-92B”和“TO-220”等。

⑦接插件

接插件种类繁多，主要有串并口类、单排插针类和压线连接类等。

单排插针类通常用于跳线或其他诸如薄膜键盘之类的场合，封装是“SIP”系列的，名称为“SIP2”、“SIP3”、“SIP4”、“SIP16”和“SIP20”。

⑧集成电路

集成电路的数量很多，封装形式更是无数，主要形式有“直插式”和“贴片式”两种，常用的“直插式”封装包含双列直插“DIP”系列和引脚栅格阵列“PGA”系列等，常用的“贴片式”封装包含“PLCC”、“QUAD”、“SQJ”、“BGA”、“SPGA”等系列，其中“QUAD”又包含“QFP”、“TQFP”和“SQFP”等子系列。

（2）元器件封装的设置

以图2-3-19为例来设置各个元件的封装。

双击图中的电阻R1，可以看到元件属性设置界面：

图2-3-21电阻的封装设置

点击属性界面中的“Attributes”选项卡，在Footprint后面输入AXIAL0.3，点击OK即完成了电阻的封装设置。

用同样的方法设置三极管Q1的封装为TO92A，设置蜂鸣器H1的封装为1206，设置二极管D1的封装为“DIODE0.4”（此时注意修改库里的元件管脚【Number】属性的1和2改为A和K），电容C1的封装设置为RAD0.2，8051的封装设置为DIP40。

其它元件按照形状找相应的封装类型加以设置。

（3）ERC检查

点击菜单栏的“Tools”→“ERC…”出现，电气检验属性图，主要是说明检验的一些规则设置。

按照默认值，点击OK进行检验。

图2-3-22ERC检验设置

会出现检验结果文件，里面如果有错误，要按照错误说明进行修改，直至没