电子系统设计实验指导书V10.docx

1、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、Protel99 SE简介Protel99 SE是用于设计和制作电路板

2、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Protel99 SE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Protel99

3、SE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

4、库（类似于其它软件中的“工程Project”）：执行菜单命令：FileNew Design.，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：FileNew Document，从打开的窗口中点击“Schematic Document”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：Wiring Tools（绘图）

5、工具条用于画电气元件和导线，Drawing Tools（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/Remove Library.；本例选择加载Miscellaneous Devices.ddb和Motorola Fast and LS TTL Data 1989(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

6、后，按右键，或执行菜单命令：EditChange。设置元件的库中参考名称（Lib Ref）、引脚封装名(Footprint)、在本电路中的元件号（Designator）、元件类型（Part Type）等。6. 画连接导线用Wiring Toolbs(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Power Objects（电源和地）工具条中的电源、地符号或执行菜单命令：PlacePower Port。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

7、成测试报告。10. 导出元器件封装表、封装检查执行菜单命令：EditExport to Spread，弹出向导器，选择想要输出的属性（Attributes to Export）,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：DesignCreate Netlist完成。12.生成元件列

8、表执行菜单命令：ReportsBill of Material。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Wiring Tools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Place Bus Entry画总线的分支线，最后PlaceNet Label给各分支线标注网络标号。非电气图形和文

9、字的制作：用Drawing Tools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Schematic Libra.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：ToolsRename Component，将默认元件名改为自定义的名。3. 设置工作区：OptionsDocument Options。4. 绘制元件的图形符号：用SchLib Drawing Tools中的工具。5. 制作引脚：用SchLib Drawing Tools

10、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：ToolsNew Parts，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（Top Layer，1个）、底层（Bottom Layer，1个）和中间层（Mid Layer，可有14个）。层分类：信号层（Signal Layers）：用于布线，可位于顶层、底层和中间层。内部电源层（Internal Planes）：电源层和地层专

11、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（Solder Mask）：用于放置阻焊剂，以防焊接时焊锡短路（2个）。阻粘层（Paste Mask）：安装SMD元件时用（2个）。钻孔层（Drill Layers）：用于输出钻孔图，标注钻孔位置（2个）。禁止布线层（Keep Out）：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

12、软件中的“工程Project”）：执行菜单命令：FileNew Design.，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：FileNew Document，从打开的窗口中点击“PCB Document”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Placement Tools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：DesignUpdate PCB来建立PC

13、B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Auto CAD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/Remove Library.。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

14、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：DesignUpdate PCB，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：ToolsAuto Place。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（Clera

15、nce Constraint）、拐角（Routing Corners）、层（Routing Layers）、布线宽度（Width Constraint）、过孔风格(Routing Via Style)等进行设置。7. 自动布线全部自动布线：Auto RouteAll指定网络自动布线：Auto RouteNet，然后用光标点中某一网络中的引脚；指定飞线自动布线：Auto RouteConnection，用光标点中某一根飞线；指定元件自动布线：Auto RouteComponent,用光标点中某一元件；指定区域自动布线：Auto RouteArea，用光标拖选划出一块区域。自动布线过程的暂停：Au

16、to RoutePause；自动布线的再运行（继续）：Auto RouteRestart；自动布线的终止：Auto RouteStop。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Placement Tools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

17、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（Bill of Materials）。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：Tools

18、Align ComponentsAlign，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，1 inch=25.4mm=1000mil。距离测量：先执行RepotMeasure Distance，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

19、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PCB Library Document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.

20、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

21、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

22、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（07），首先应该用一片8-3编码器芯片将位呼叫信号转换成000111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

23、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

24、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