多功能数显电路PCB设计Word格式文档下载.docx
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1.1课题研究的背景与意义
印制电路板（Printedcircuitboard，简称PCB）是组装电子零件用的基板，是在通用基材上按预定设计形成点间连接及印制元件的印制板。
该产品的主要功能是使各种电子零组件形成预定电路的连接，起中继传输的作用，是电子产品的关键电子互连件。
印刷电路板的制造品质，不但直接影响电子产品的可靠性，而且影响系统产品整体竞争力，因此印刷电路板被称为“电子系统产品之母”。
印刷电路板产业的发展水平可在一定程度上反映一个国家或地区电子产业的发展速度与技术水准。
PCB的产业链比较长，电子级玻璃纤维纱、电子级玻璃纤维布、铜箔、环氧树脂、覆铜板、印制电路板、整机装配是一条产业链上紧密相连、唇齿相依的上下游产品。
印刷电路板在大量电子产品中得到广泛的应用，目前尚没有能够替代印刷电路板的成熟技术和产品。
PCB的基本制作工艺“减成法”近几十年一直没发生重大的改变：
即采用网版印刷的方式将金属蚀刻从而得到PCB，这就是印刷电路板这一名称的由来。
由于这种制作工艺不够环保，产生的废水、废气比较多，目前已经有不少机构开始研发和传统电路板制作方法根本不同的其他工艺，如喷墨电路板、光刻电路板等。
爱普生发明的“喷墨技术”PCB，是用液态金属代替墨水将其从打印头喷出，把必要的材料喷涂到必要的位置，形成金属薄膜。
应用“液体成膜技术”，就能够把晶片上的电路图样像用打印机打印图画一样描绘出来。
与传统的“照相平板技术”相比，基于喷墨技术的电路板生产工艺有着诸多优势：
由于电路只在需要的地方成型，因此可以大量节省原料；
因为整个过程是一个干处理工艺，所以不会产生废液；
生产步骤的减少使得能耗降低；
而且此种工艺还非常适应高混合、小批量生产，以及多层结构生产的要求。
更值得一提的是，基于喷墨技术的整个处理流程是一个环保、低环境负荷的生产过程。
限于成本，这种电路板目前还远不能量产；
但在环保问题日益严重情况下，这是一种发展趋势。
目前，全球PCB产业产值占电子元件产业总产值的四分之一以上，是各个电子元件细分产业中比重最大的产业，产值规模达400亿美元。
同时，由于其在电子基础产业中的独特地位，也是当代电子元件业中最活跃的产业，印制电路板在整个电子元件产值中的比例呈现加重趋势，因为随整机产品品种结构的调整，印制电路板在单台最终产品中的所需面积虽逐渐减小，但由于精度和复杂度的提高，在整机成本中的PCB价值比重反而有所增加，是电子元件产业发展的主要支柱。
在电子元件产业中，PCB产业的产量规模仅处于半导体产业，随着PCB应用领域的不断扩大，其重要性还在进一步提高。
如今，印制电路板广泛应用于各个领域，几乎所有的电子设备中都包含相应的印制电路板，小到电子手表、计算器、电子玩具，大到计算机、通信设备、广播电视等。
只要存在集成电路等电子元器件，它们之间的电气连接就需要采用印制电路板来进行连接。
它提供了集成电路等电子元器件固定装配的机械支撑、实现集成电路等电子元器件之间的布线和电气连接或者电绝缘、提供所要求的电器属性；
同时还可以为自动锡焊提供阻焊图形，以及为元器件插装、检查和维修提供识别文字符号和图形符号等。
1.2国内外发展现状
随着微电子技术的快速发展，特别是晶体管在电子系统和设备中的广泛应用，电子系统和设备的功能与结构变得十分复杂，因此最初采用手工搭建电路的方法已经远远不能满足设计的需要了，这时出现了印制电路板的概念。
1903年，AlbertHanson首先采用了“线路”的概念，并把它应用于电话交换系统。
这种概念是把薄薄的金属箔切割成线路导体，然后再把它们黏合在石蜡纸上，最后在上面同样贴上一层石蜡纸，这样便构成了现今印制电路板的结构雏形。
1936年，PaulEisner博士真正发明了印制电路板的制作技术，自此印制电路板便迅速得到了广泛的应用。
世界电子电路行业在经过2000～2002年的衰退之后，2003年出现了全面的复苏。
全世界2002年PCB总产值为316亿美元，2003年为345亿美元，同比增长9.18%，其中挠性板、刚柔板占15%。
而2004年基本保持了这一势头，业内分析人士认为整个世界电子电路的发展，尤其是亚洲和中国的发展迎来了一个新的高峰，而且这个高峰将会持续到2012年。
根据Prismark统计和预测，印刷电路板产品的全球产值于2006～2012年期间将由约420亿美元增至约537亿美元，平均复合年增长率约为6.3%。
全球PCB产业增长情况如图1.1所示。
单位：
10亿美元
图1.1全球PCB产业增长情况
从统计的角度来看，PCB行业目前十分繁荣，但实际上遇到较多的困难。
一方面，发达国家产业的转移造就繁荣，水平提升；
另一面，到达阶段顶点之后，发展带来的问题显现，制约前进的空间，劳动力、水电、环境等资本不再廉价。
电子产品进入微利时代，价格战改变了供应链，亚洲国家中，中国兼具成本和市场优势。
PCB行业由于受成本和下游产业转移的影响，正逐渐转移到中国。
中国增长的趋势分析：
下游产品的需求推动产业本身的发展，产业从发达国家转移到中国，但中国政府出于对环境保护的考虑，限制4层以下的低端产品，鼓励HDI等高端产品，这些因素共同作用，促进PCB向高端产品发展。
在成本优势方面，中国在劳动力、土地、水电、资源和政策等方面具有巨大的优势，虽然在主要原材料的还需要进口，但替代进口的产品逐渐增多。
下游产业在中国的蓬勃发展，全球整机制造转移中国，提供了巨大的市场需求空间。
是各种电子产品主要配套产品，产业链涉及到电子产品方方面面，无论是消费类家电产品和工业类整机，如计算机、通信设备、汽车，以及国防工业均离不开PCB。
中国由于下游产业的集中及劳动力土地成本相对较低，成为发展势头最为强劲的区域。
我国于2003年首度超越美国，成为世界第二大PCB生产国，产值的比例也由2000年的8.54%提升到15.30%，提升了近1倍。
2006年中国已经取代日本，成为全球产值最大的PCB生产基地，远远高于全球行业的增长速度。
2000～2006年内地PCB市场规模年增率平均达20%，远远超过其他主要生产国。
展望未来，在各国外资竞相加码扩产下，预估2012年内地PCB市场规模可望成长17%，全球市场占有率超过25%。
1.3印制电路板的发展趋势
印制板从单层板发展到双层板、多层板和挠性板，并不断地向高精度、高密度和高可靠性方向发展。
不断缩小体积、减少成本、提高性能，使得印制板在未来电子产品的发展过程中，仍然保持强大的生命力。
对于双面板和多层板而言，印制板技术水平的标志是把大批量生产的印制板在2.50mm或2.54mm标准网格交点上的两个焊盘之间，能布设导线的根数作为标志。
在两个焊盘之间布设一根导线，为低密度印制板，其导线宽度大于0.3mm。
在两个焊盘之间布设2根导线，为中密度印制板，其导线宽度约为0.2mm。
在两个焊盘之间布设3根导线甲为高密度印制板，其导线宽度为0.1～0.15mm。
在两个焊盘之间布设4根导线，可算超高密度印制板，线宽为0.05～0.08mm。
国外曾有杂志介绍了在两个焊盘之间可布设5根导线的印制板。
对于多层板来说，还应以孔径大小、层数多少作为综合衡量标志。
密集组装板面打线（WireBond）盛行，镀镍镀金越来越重要，柱状嗅化镍将兴起，PCB设计与制作技术难度加大，薄板、大尺寸排板、小孔剧增，纵横比（AspeetRatio）加大，水平反脉冲与垂直反脉冲供电方式被广泛应用，盲孔镀铜则以垂直自走涡流搅拌方式为宜，如UCON。
细线制作困难，特性阻抗要求也越来越严格，对线边齐直度要求也逐渐苛求。
方式如:
采用薄铜皮、平行光曝光、湿膜薄光阻、部份蚀刻法（PartialEtching）或砂带HlJ薄法等进行批量生产。
国内外专家对未来印制板生产制造技术发展趋势的论述基本是一致的密度、高精度、细孔径、细导线、小间距、高可靠、多层化、高速传输，在性能上向高轻量、薄型方向发展。
在生产工艺上向提高生产率、降低成本、减少污染，适应多品种、小批量生产方向发展。
印制电路的技术发展水平，一般以印制板上的线宽、孔径、板厚f孔径比值为代表[1]。
1.4课题的主要研究内容
本论文首先对多功能数显电路的原理进行分析，然后在Protel99SE的平台下分别对电路的各个模块进行设计，得到电路的总原理图，然后进一步产生设计PCB必备的网络表，再重点对电路的PCB部分进行设计。
设计中还对Protel99SE各项常用的环境参数与变量的重要性进行了阐述。
在设计多功能数显电路的同时，为了验证所制版的正确性与可靠性，设计中还在QuartusⅡ平台下下完成简易数字钟的代码编写，并下载到成品板上进行多功能数显电路的功能测试。
2.开发平台简介
2.1Protel99SE和其设计方法
2.1.1Protel99SE介绍
（1）Protel99SE的组成
Protel99SE主要由两大部分组成，每一部分各有三个模块。
1）第一部分是电路设计部分，主要由以下三个模块。
用于原理图设计的AdvancedSchematic99。
这个模块主要包括设计原理图的原理编辑器，用于修改和生成零件的零件库编辑器，以及各种报表的生成器。
用于电路板设计的AdvancedPCB99。
这个模块主要包括用于设计电路板的电路板编辑器，用于修改和生成零件封装的零件封装编辑器，以及电路板组件管理器。
用于PCB自动布线的AdvancedRoute99。
2）第二部分是电路仿真与PLD设计部分，主要有以下3个模块。
用于可编程逻辑器件设计的AdvancedPLD99。
这个模块主要包括具有语法意识的文本编辑器，用于编译和仿真设计结果的PLD，以及用来观察仿真波形的Wave。
用于电路仿真的AdvancedSIM99.这个模块主要包括一个功能强大的数/模混合信号电路仿真器，能提供连续的模拟信号和离散的数字信号仿真。
用于高级信号完整性分析的AdvancedIntegrity99。
这个模块主要包括一个高级信号完整性仿真器，能分析PCB设计和检查设计参数，测试过冲、下冲、阻抗和信号斜率。
（2）Protel99SE的新特点
Protel99SE是桌面环境下第一个以独特的设计管理和协作技术（PDM）为核心的全方位印制电路板设计系统。
它是基于Windows的完全32位EDA设计系统。
Protel99SE采用了三大技术：
SmartDoc、SmartTeam和SmartTool，这些技术把产品开发的3个方面—人、由人建立的文件和建立文件的工具有机结合到一起。
SmartDoc技术：
所有文件都存储在一个综合设计库中。
从原理图、PCB和输出文件到材料清单等，还有其他设计文件，如手册、费用表和机械图等都存储在一个综合设计数据库中，以便对它们进行有效地管理。
SmartTeam技术：
把所有的设计工具（原理图设计、电路仿真、PLD设计、PCB设计、自动布线、信号完整性分析及文件管理器）都集中到一个独立的、直观的设计管理器界面上。
SmartTool技术：
设计组的所有成员可以同时访问同一个设计数据库的综合信息，更改通告及文件锁定保护，确保整个设计组的工作协调配合。
Protel99SE继承了Protel98原有的特点，包括以下4点[2]。
1）灵活、方便的编辑功能。
2）功能强大的自动化设计。
3）完整的库管理功能。
4）良好的兼容性和可扩展性。
它还有如下新特性。
●综合设计数据库。
使用设计数据库，可以为用户提供一个良好的设计平台。
●在设计管理器中工作。
●网络设计组。
使用网络设计组，可以实现基于异地设计的全新设计方法。
●自然语言帮助系统。
●原理图元件库和PCB封装库。
●原理图快速连线。
●优越的混合信号电路仿真。
●更容易进行PLD设计，可以进行设和用户需要的逻辑器件设计。
●简便的同步设计。
●精确的信号完整性分析。
●增强的手动推挤布线方式。
●新的布线倒角风格。
●增强的PCB设计规则—复合规则。
●创建计算机辅助制造文件CAM的输出文件，包括NC钻孔报表文件，BOM文件。
●强大的电路图层面管理功能，可以让用户创建各种多面板。
2.1.2Protel99SE设计方法
一般而言，设计电路板最基本的过程可以分为三大步骤。
（1）电路原理图的设计
电路原理图的设计主要是PROTEL99的原理图设计系统（AdvancedSchematic）来绘制一张电路原理图。
在这一过程中，要充分利用PROTEL99所提供的各种原理图绘图工具、各种编辑功能，来实现我们的目的，即得到一张正确、精美的电路原理图。
（2）产生网络表
网络表是电路原理图设计（SCII）与印制电路板设计（PCB）之间的一座桥梁，它是电路板自动的灵魂。
网络表可以从电路原理图中获得，也可从印制电路板中提取出来。
（3）印制电路板的设计
印制电路板的设计主要是针对PROTEL99的另外一个重要的部分PCB而言的，在这个过程中，我们借助PROTEL99提供的强大功能实现电路板的版面设计，完成高难度的等工作。
2.2QuartusⅡ和其设计方法
2.2.1QuartusII简介
AlteraQuartusII设计软件提供完整的多平台设计环境，它可以轻易满足特定设计的需要。
它是单芯片可编程系统（SOPC）设计的综合性环境。
此外QuartusII软件允许您在设计流程的每个阶段使用QuartusII图形用户界面、EDA工具界面或命令行界面。
可以在整个流程中只使用这些界面中的一个，也可以在设计流程的不同阶段使用不同的选项[3]。
QuartusII图形用户界面的功能如图2.1所示所示。
图2.1QuartusII图形用户界面的功能
2.2.2QuartusII设计方法
以下步骤描述QuartusII图形用户界面的基本设计流程：
（1）使用NewProjectWizard（File菜单）建立新工程并指定目标器件或
器件系列。
（2）使用TextEditor（文本编辑器）建立VerilogHDL、VHDL或Altera硬件描述语言（AHDL）设计。
您可以使用BlockEditor（原理图编辑器）建立流程图或原理图。
流程图中可以包含代表其它设计文件的符号。
还可以使用MegaWizardPlug-InManager生成宏功能模块和IP内核的自定义变量，在设计中将它们实例化。
（3）（可选）使用AssignmentEditor、Settings对话框（Assignments菜单）、FloorplanEditor和/或LogicLock功能指定初始设计的约束条件。
（4）（可选）使用SOPCBuilder或DSPBuilder建立系统级设计。
（5）（可选）使用SoftwareBuilder为Excalibur™器件处理器或Nios嵌入式处理器建立软件和编程文件。
（6）使用Analysis&
Synthesis对设计进行综合。
（7）（可选）使用仿真器对设计执行功能仿真。
（8）使用Fitter对设计执行布局布线。
在对源代码进行少量更改之后，还可以使用增量布局布线。
（9）使用TimingAnalyzer对设计进行时序分析。
（10）使用仿真器对设计进行时序仿真。
（11）（可选）使用物理综合、时序底层布局图、LogicLock功能、Settings对话框和AssignmentEditor进行设计优化，实现时序关闭。
（12）使用Assembler为设计建立编程文件。
（13）使用编程文件、Programmer和Altera硬件编程器对器件进行编程；
或将编程文件转换为其它文件格式以供嵌入式处理器等其它系统使用。
（14）（可选）使用SignalTapIILogicAnalyzer、SignalProbe功能或ChipEditor对设计进行调试。
（15）（可选）使用ChipEditor、ResourcePropertyEditor和ChangeManager进行工程更改管理。
3.FPGA与VHDL介绍
3.1FPGA/CPLD简介
当今社会是数字化的社会，是集成电路广泛应用的社会，数字集成电路本身在不断的更新换代。
它由早期的电子管、晶体管、中小规模集成电路，发展到超大规模集成电路以及许多具有特定功能的专用集成电路。
但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已经不完全由半导体厂商来独自承担。
系统设计师更愿意自己专用的集成电路（ASIC）芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用中，因而出现了现场可编程逻辑器件，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。
早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和电可擦除只读存储器（EEPROM）三种。
由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。
其后，出现了一类结构上稍微复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件（PLD），它能够完成各种数字逻辑功能，这一阶段的产品主要由PAL（可编程阵列逻辑）和GAL（通用阵列逻辑）。
这些早期的PLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。
为了弥补这一缺陷，20世纪80年代中期。
Altera和Xilinx分别推出了类似于PAL结构的扩展型CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）和与标准门阵列类似的FPGA（FieldProgrammableGateArray），它们都具有体系机构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点。
这两种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。
与门阵列等其他ASIC相比，它们又具有设计开发周期短，设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实现在线检测等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产之中。
几乎所有的应用门阵列、PLD和中小型规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA和CPLD。
3.2FPGA设计方法
可编程逻辑器件的设计是指利用开发软件和编程工具对器件进行开发的过程。
高密度可编程逻辑器件的设计流程如下图3.1所示，它包括五个过程：
图3.1可编程逻辑器件流程图
（1）设计准备
在对可编程逻辑器件的芯片进行设计之前，首先要进行方案讨论，系统设计和器件选择等设计准备工作。
设计者首先要根据任务要求，如系统所完成的功能和复杂程度，对工作速度和器件本身的资源和成本连线的可布性等方面进行权衡，选择合适的方案和合适的器件类型。
（2）设计输入
设计者将所设计的系统或电路以及开发软件要求的某种形式表示出来并送入计算机的过程称为设计输入。
常用的有三种方式，即原理图、硬件描述语言（HDL）、波形输入。
（3）设计处理
这是器件设计中的核心环节，在设计处理过程中，编译软件对设计输入的文件进行逻辑化简、综合优化，并且适当地用一片或多片器件自动地进行适配，最后产生编程用的编程文件。
设计处理应当包括以下五个过程：
语法检查和设计规则检查、逻辑优化和综合、适配和分割、布局和布线、生成编程数据文件。
（4）设计校验
设计校验包括功能仿真和时序仿真，这两项工作是在设计处理过程中同时进行的。
功能仿真是在设计输入完成之后，选择具体的器件进行编译之前进行的逻辑功能校验，因
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