电气制图及CAD
实验报告
——数字钟的设计
1、 实验原理
数字钟由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器和校时电路组成，石英晶体振荡器产生的信号经过分频器变为秒脉冲，脉冲送入计数器计数，计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间，原理框图如图1-1-1所示。
图 1-1-1 原理框图 1.1 振荡器
由74LS04非门IC1-1，IC1-2，f 0=32768Hz的石英晶体振荡器、电阻和电容组成。由IC1-2的4脚输出的频率为32768Hz 的方波。
1.2 分频器电路
由两个74LS393 IC2，IC3组成，74LS393是双4位二进制计数器，32768Hz 的方波与IC2的1脚相连，输出时钟脉冲，两个74LS393组成分频器，32768=215，因此，由9管脚输出输出秒脉冲。
1.3 计数器电路
由6个74LS160 IC4，IC5，IC6，IC7，IC8，IC9和相应的门电路四2输入与门74LS08、四2输入与非门74LS00等，分别组成60进制“秒”计数器电路、60进制“分”计数器电路和24进制“时”计数器电路。
1.4 译码和显示电路
由6个74LS247 IC10，IC11，IC2，IC13，IC14，IC15和6个数码管组成。
1.5 时间校准电路
其作用是当计时器刚接通电源或走时出现误差时，实现对“时”、“分”、“秒”的校准，由四2输入与门74LS08、四2输入或门74LS32、四2输入或非门74LS02
等组成。
2、实验电路的器件参数及其所构成的电路
电路中所使用的元器件列表（表 1）：
2.1 74LS04非门
管脚如图2-1-1所示：
图 2-1-1 图 2-1-2
74LS04是集成了四个非门的芯片，其示意图如图2-1-2所示。其功能是：当输入低电平时，则输出高电平；当输入高电平时，则输出低电平。
2.2 74LS02 或非门
管脚如图2-2-1所示： 表 2
图 2-2-1
74LS02是集成了四个或非门的芯片，示意图如图2-1-2所示。74LS02的功能表如表 2所示，其中，A ，B 为输入，Y 为输出。由功能表可见，当且仅当A ，B 都是低电平时，Y 才输出高电平。
2.3 74LS08 与门
管脚如图2-3-1所示：
表
3
图 2-3-1
74LS08是集成了四个与门的芯片。其功能表如表3所示。其中，A ，B 为输入，Y 为输出。由其功能表可见，当且仅当A ，B 都是高电平时，Y 才输出高电平。
2.4 74LS32 或门和74LS00 与非门
其管脚图分别入图2-4-1和2-4-2所示：
图 2-4-1 图 2-4-2
其真值表分别入表4和表5所示：
表 4 表 5
2.5 74LS160集成电路
74LS160集成电路的管脚图如图2-5-1所示：
图 2-5-2
其波形图如图2-5-2所示。
2.6 74LS247集成电路
74LS247集成电路的管脚图如图2-6-1所示
:
图 2-6-1 图 2-5-1
74LS247七段显示译码器的主要功能是把8421BCD 码译成对应于数码管的7个字段信号，驱动数码管，显示出相应的十进制数码，其输出管脚分别于数码管相连，功能表如表6所示：
表
6
2.7 74LS393集成电路
74LS393的管脚图如图2-7-1所示：
图 2-7-1 表7 74LS393的内部结构如图2-7-2所示：
它由四个JK 触发器和一个非门构成，随着输入时钟的变化，74LS393的输出按
BCD 码变化，其功能表如表7所示。 2.8 其他元器件 （1）、七段数码管
实验中使用的是共阳级8段数码管，如图2-8-1所示：
图2-8-1 共阳级8段数码管
使用时只需将数码管的两个GND 引脚接地，其他引脚通过电阻与74LS247的相应引脚相连即可。其实物图如下：
图2-8-2 共阳极8端数码管实物图
（2）、电阻
电路所用的电阻为4色环电阻，相对误差为1% 。其实物图如下：
图2.20电阻实物图
（3）、电容
时钟发生电路中包含一个固定电容和一个可变电容，电路所用的固定电容是陶瓷电容。其实物图如下：
图2.21 陶瓷电容实物图
3、 原理图设计
新建一个MyDesign.ddb 库文件，并重命名为“数字钟.ddb ”，在其中建立一个sheet1.sch
文件，命名为“数字钟原理图.sch ”。
放置原理图器件。在Miscellaneous Devices.lib库文件中，我们可以找到如下元件，（由于电阻太多，不便于布局、连线以及之后的PCB 设计，因此我们采用现有的器件RESPACK4，如图3-1所示）如下表所示：
手工绘制。绘制的元器件如下所示：
74LS393 74LS160 74LS247
图 3-1
另外，绘制开关、数码管的封转如下所示：
数码管的封装
开关封转
放置好元器件之后，进行连线，然后进行ERC 检测，并生成材料清单和网络表。
最终的生成的原理图如图3-2所示：
图 3-2 原理图
4、 PCB 设计
在“数字钟.ddb ”文件中新建一个PCB 文件PCB1.PCB ，命名为“数字钟.PCB ”，选择Design 菜单中的命令Layer Stack Manager，设置电路板的类型而双面板。
设置工作环境之后，在MechanicalLayer 层和KeepOutLayer 层绘制PCB 板的边界为7540mil ×3780mil 。
点击Design 菜单中的LoadNetList 选项，将元件导入，即开始对元件的布局以及走线。 元件的排布以及其走线实际上时PCB 板制作的重点和难点。元件的排布是否合理直接决定了元件之间的走线是否能成功，以及走线是否能够后的较好的效果。
首先放置六个数码管，将各个数码管按原理图放在最上边。再根据数码管所在位置将其所对应的各个电阻封装排布在其下方，然后将74LS247的封装放在对应电阻封装的下方，将74LS160的封装放在74LS247封装的下面。最后将剩余的其他元件排布在PCB 板的最下端。为了能够获得较好的效果，进行自动布线后用3D 模式察看效果，查找不合理的地方并在该处改动相应元件的排布，特别是要避免有些地方比较空白，而有些地方又比较挤。由于整个电路基本都使用数字电路，而且没有大功率器件，故在布局时未考虑信号干扰以及散热问题。
在大致调整好元件位置后，选择自动布线，再进行DRC 检测。然后针对因线宽的设置而出现的错误以及走线不合理之处，选择其他路线并利用过孔排除问题，使走线不出现错误并且较美观。
然后生成各种报表。
最后点击Tools 菜单中的Teerdrops 选项，为整个电路板添加泪滴。并标注板子尺寸即完成了PCB 板的制作。
最终PCB 板的整体图和3D 图如下：
图 4-1 PCB图
图 4-2 PCB 3D视图
5、实验总结
通过本学期的CAD 设计课程，我们学习了PCB 电路板的设计方法。在开始的几个小实验中，因为对protel 99se 不是很熟悉，所以电路设计的不是很好，有点粗糙。
本次综合实验中，我洗吸取了前几次的教训，在原理图设计与PCB 设计时，着重注意了PCB 布局的问题。在前几次的PCB 设计中，对于PCB 的布局不是很重视，因为如果要自己去布局的话，不知从何布起，后来才知道可以根据原理图来进行布局，原理图中的元器件的位置可以映射到PCB 电路板中。
在本次实验中，我根据原理图中元器件的排布，手动对PCB 进行了布局，在一开始，由于电阻很多，并且没有采用集成封装，手动布局时很难，后来听取了同学的意见，将电阻分类，用集成片来代替那么多的电阻，才使得电路板变得清晰。
然后依据原理图中的元器件位置，放置PCB 中的封装。由于封装都比较大，而且分布规律性，手动布局很轻松。
最后对电路板进行了自动布线。对少许的线做了修改。
通过这个阶段的学习以及这次综合实验，我基本掌握了Protel 的一些功能的使用，这对我将来在电子行业的发展时十分有益的。
报告的最后，感谢学校能够开设这样的课程，给了我一个接触电子行业的机会，然我了解了电路板的设计、制作过程，同时也感谢这阶段老师的悉心教导与同学的指导。
参考文献：
[1]江思敏、姚鹏翼、胡荣 等编著. 《Protel 电路设计教程》[M]，北京：清华大学出版社，2002.9
[2] 谭博学 苗汇静主编 . 集成电路原理及应用（第2版）》[M], 电子工业出版社出版
电气制图及CAD
实验报告
——数字钟的设计
1、 实验原理
数字钟由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器和校时电路组成，石英晶体振荡器产生的信号经过分频器变为秒脉冲，脉冲送入计数器计数，计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间，原理框图如图1-1-1所示。
图 1-1-1 原理框图 1.1 振荡器
由74LS04非门IC1-1，IC1-2，f 0=32768Hz的石英晶体振荡器、电阻和电容组成。由IC1-2的4脚输出的频率为32768Hz 的方波。
1.2 分频器电路
由两个74LS393 IC2，IC3组成，74LS393是双4位二进制计数器，32768Hz 的方波与IC2的1脚相连，输出时钟脉冲，两个74LS393组成分频器，32768=215，因此，由9管脚输出输出秒脉冲。
1.3 计数器电路
由6个74LS160 IC4，IC5，IC6，IC7，IC8，IC9和相应的门电路四2输入与门74LS08、四2输入与非门74LS00等，分别组成60进制“秒”计数器电路、60进制“分”计数器电路和24进制“时”计数器电路。
1.4 译码和显示电路
由6个74LS247 IC10，IC11，IC2，IC13，IC14，IC15和6个数码管组成。
1.5 时间校准电路
其作用是当计时器刚接通电源或走时出现误差时，实现对“时”、“分”、“秒”的校准，由四2输入与门74LS08、四2输入或门74LS32、四2输入或非门74LS02
等组成。
2、实验电路的器件参数及其所构成的电路
电路中所使用的元器件列表（表 1）：
2.1 74LS04非门
管脚如图2-1-1所示：
图 2-1-1 图 2-1-2
74LS04是集成了四个非门的芯片，其示意图如图2-1-2所示。其功能是：当输入低电平时，则输出高电平；当输入高电平时，则输出低电平。
2.2 74LS02 或非门
管脚如图2-2-1所示： 表 2
图 2-2-1
74LS02是集成了四个或非门的芯片，示意图如图2-1-2所示。74LS02的功能表如表 2所示，其中，A ，B 为输入，Y 为输出。由功能表可见，当且仅当A ，B 都是低电平时，Y 才输出高电平。
2.3 74LS08 与门
管脚如图2-3-1所示：
表
3
图 2-3-1
74LS08是集成了四个与门的芯片。其功能表如表3所示。其中，A ，B 为输入，Y 为输出。由其功能表可见，当且仅当A ，B 都是高电平时，Y 才输出高电平。
2.4 74LS32 或门和74LS00 与非门
其管脚图分别入图2-4-1和2-4-2所示：
图 2-4-1 图 2-4-2
其真值表分别入表4和表5所示：
表 4 表 5
2.5 74LS160集成电路
74LS160集成电路的管脚图如图2-5-1所示：
图 2-5-2
其波形图如图2-5-2所示。
2.6 74LS247集成电路
74LS247集成电路的管脚图如图2-6-1所示
:
图 2-6-1 图 2-5-1
74LS247七段显示译码器的主要功能是把8421BCD 码译成对应于数码管的7个字段信号，驱动数码管，显示出相应的十进制数码，其输出管脚分别于数码管相连，功能表如表6所示：
表
6
2.7 74LS393集成电路
74LS393的管脚图如图2-7-1所示：
图 2-7-1 表7 74LS393的内部结构如图2-7-2所示：
它由四个JK 触发器和一个非门构成，随着输入时钟的变化，74LS393的输出按
BCD 码变化，其功能表如表7所示。 2.8 其他元器件 （1）、七段数码管
实验中使用的是共阳级8段数码管，如图2-8-1所示：
图2-8-1 共阳级8段数码管
使用时只需将数码管的两个GND 引脚接地，其他引脚通过电阻与74LS247的相应引脚相连即可。其实物图如下：
图2-8-2 共阳极8端数码管实物图
（2）、电阻
电路所用的电阻为4色环电阻，相对误差为1% 。其实物图如下：
图2.20电阻实物图
（3）、电容
时钟发生电路中包含一个固定电容和一个可变电容，电路所用的固定电容是陶瓷电容。其实物图如下：
图2.21 陶瓷电容实物图
3、 原理图设计
新建一个MyDesign.ddb 库文件，并重命名为“数字钟.ddb ”，在其中建立一个sheet1.sch
文件，命名为“数字钟原理图.sch ”。
放置原理图器件。在Miscellaneous Devices.lib库文件中，我们可以找到如下元件，（由于电阻太多，不便于布局、连线以及之后的PCB 设计，因此我们采用现有的器件RESPACK4，如图3-1所示）如下表所示：
手工绘制。绘制的元器件如下所示：
74LS393 74LS160 74LS247
图 3-1
另外，绘制开关、数码管的封转如下所示：
数码管的封装
开关封转
放置好元器件之后，进行连线，然后进行ERC 检测，并生成材料清单和网络表。
最终的生成的原理图如图3-2所示：
图 3-2 原理图
4、 PCB 设计
在“数字钟.ddb ”文件中新建一个PCB 文件PCB1.PCB ，命名为“数字钟.PCB ”，选择Design 菜单中的命令Layer Stack Manager，设置电路板的类型而双面板。
设置工作环境之后，在MechanicalLayer 层和KeepOutLayer 层绘制PCB 板的边界为7540mil ×3780mil 。
点击Design 菜单中的LoadNetList 选项，将元件导入，即开始对元件的布局以及走线。 元件的排布以及其走线实际上时PCB 板制作的重点和难点。元件的排布是否合理直接决定了元件之间的走线是否能成功，以及走线是否能够后的较好的效果。
首先放置六个数码管，将各个数码管按原理图放在最上边。再根据数码管所在位置将其所对应的各个电阻封装排布在其下方，然后将74LS247的封装放在对应电阻封装的下方，将74LS160的封装放在74LS247封装的下面。最后将剩余的其他元件排布在PCB 板的最下端。为了能够获得较好的效果，进行自动布线后用3D 模式察看效果，查找不合理的地方并在该处改动相应元件的排布，特别是要避免有些地方比较空白，而有些地方又比较挤。由于整个电路基本都使用数字电路，而且没有大功率器件，故在布局时未考虑信号干扰以及散热问题。
在大致调整好元件位置后，选择自动布线，再进行DRC 检测。然后针对因线宽的设置而出现的错误以及走线不合理之处，选择其他路线并利用过孔排除问题，使走线不出现错误并且较美观。
然后生成各种报表。
最后点击Tools 菜单中的Teerdrops 选项，为整个电路板添加泪滴。并标注板子尺寸即完成了PCB 板的制作。
最终PCB 板的整体图和3D 图如下：
图 4-1 PCB图
图 4-2 PCB 3D视图
5、实验总结
通过本学期的CAD 设计课程，我们学习了PCB 电路板的设计方法。在开始的几个小实验中，因为对protel 99se 不是很熟悉，所以电路设计的不是很好，有点粗糙。
本次综合实验中，我洗吸取了前几次的教训，在原理图设计与PCB 设计时，着重注意了PCB 布局的问题。在前几次的PCB 设计中，对于PCB 的布局不是很重视，因为如果要自己去布局的话，不知从何布起，后来才知道可以根据原理图来进行布局，原理图中的元器件的位置可以映射到PCB 电路板中。
在本次实验中，我根据原理图中元器件的排布，手动对PCB 进行了布局，在一开始，由于电阻很多，并且没有采用集成封装，手动布局时很难，后来听取了同学的意见，将电阻分类，用集成片来代替那么多的电阻，才使得电路板变得清晰。
然后依据原理图中的元器件位置，放置PCB 中的封装。由于封装都比较大，而且分布规律性，手动布局很轻松。
最后对电路板进行了自动布线。对少许的线做了修改。
通过这个阶段的学习以及这次综合实验，我基本掌握了Protel 的一些功能的使用，这对我将来在电子行业的发展时十分有益的。
报告的最后，感谢学校能够开设这样的课程，给了我一个接触电子行业的机会，然我了解了电路板的设计、制作过程，同时也感谢这阶段老师的悉心教导与同学的指导。
参考文献：
[1]江思敏、姚鹏翼、胡荣 等编著. 《Protel 电路设计教程》[M]，北京：清华大学出版社，2002.9
[2] 谭博学 苗汇静主编 . 集成电路原理及应用（第2版）》[M], 电子工业出版社出版