数字钟电路pcb设计
摘要
本设计针对数字钟PCB板设计较为复杂的问题，利用国内知名度较高、应用最广泛的电路辅助设计软件protel99se进行了电路板的设计。本设计介绍了各部分电路的构成及准确完成了数字钟PCB电路板的设计。本设计数字钟原理图分析入手，说明了在平台中完成原理图设计，电气检测，网络表生成，PCB设计的基本操作程序。数字钟的主要电路是由电源电路、显示电路、校时电路、晶体振荡电路组成。PCB是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。PCB的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。优秀的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。
关键词：数字钟；PCB；原理图；芯片
目录
前言 (1)
第一章绪论 (2)
1.1 数字钟的研究背景和意义 (2)
1.2 数字钟的发展和趋势 (2)
第二章系统电路的绘制 (3)
2.1 电路组成方框图 (3)
2.2 电路原理图制作 (3)
2.2.1 原理图环境设置 (4)
2.2.2 绘制原理图 (5)
2.2.3电气规则检查及网络表输出 (7)
2.3 原理图分析 (10)
2.3.1 晶体振荡器 (10)
2.3.2 分频器 (11)
2.3.3 计数器电路 (12)
2.3.4 显示和译码电路 (12)
2.3.5 电源电路 (13)
第三章电路板PCB设计 (14)
3.1 PCB设计规范 (14)
3.2 PCB设计流程 (17)
3.3 输出光绘文件 (21)
3.4 PCB制件作 (23)
心得体会 (25)
参考文献 (26)
附图 (27)
附表 (28)
前言
PCB（Printed Circuit Board），中文名称为印制线路板，简称印制板，是电子工业的重要部件之一。几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机，通讯电子设备，军用武器系统，只要有集成电路等电子元器件，为了它们之间的电气互连，都要使用印制板。在较大型的电子产品研究过程中，最基本的成功因素是该产品的印制板的设计、文件编制和制造。印制板的设计和制造质量直接影响到整个产品的质量和成本，甚至导致商业竞争的成败。
Protel系列电子设计软件是在EDA行业中，特别是在PCB设计领域具有多年发展历史的设计界软件，由于其功能强大，操作简单实用，近年来成为国内发展最快。 Protel 99已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是由多个模块组成的系统工具，分别是SCH（原理图）设计、SCH（原理图）仿真、PCB（印制电路板）设计、Auto Router（自动布线器）和FPGA设计等，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。
随着计算机事业的发展，在信息化时代，电路设计中的很多工作都可以用计算机来完成。这样就大大减轻了设计人员的体力劳动强度，并且保证了设计的规范性准确性。而Protel99SE技术已越来越为人们所关注,人们利用protel99SE绘制各种原理图，进而制作出各种各样的科技产品已经成为当今世界的一个不可或缺的组成部分，所以说Protel99SE技术已越来越显得重要。
第一章绪论
1.1 数字钟的研究背景和意义
从上个世纪末正式兴起开始，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。在生活节奏日趋加快，工作效率不断提高的今天，时间对于每个人来说都非常的重要。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、定时启闭电路、定时开关烘箱、通断动力设备，甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。单片机模块中最常见的是数字钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。在这种情况下，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
1.2 数字钟的发展和趋势
尽管单片机以及功能更加强大和各种专门的时钟电路在现时代已经到处可见，却仍然有不少老牌的数字时钟电路正在许多原来的产品中继续使用和运行，本设计采用74LS393、74LS247、74LS160等芯片和八段数码显示管来完成，通过驱动显示屏便能显示时、分。震荡部分采用石英晶体振时基信号源，从而保证了走时的精度。本电路定时调整方便，电路稳定可靠，非常适合广大电子爱好者装配使用。本电路还扩展成定时控制开关等功能。74LS393具有性能稳定，走时功能、定时功能和睡眠功能。
这里提供的是可以交流供电、也可以使用直流供电的应用电路。作为直流供电的关键是需要一个高精度的基准频率，需要注意的是：该集成电路的专用显示屏幕属于双阴极供电的类型，比较特殊而且无法与其他电路的屏幕通用，因此，需要保证它们的驱动波形是非常对称的。这交流供电时，如果遇上交流停电，就需要进行“掉电保护”，由干电池保持时钟继续走时，同时，为了节约电池的电能，该设计自动切断显示屏幕的供电，实现了交流掉电时自动消隐。
第二章系统电路绘制
2.1 电路组成方框图
数字钟的主要电路是由电源电路、晶体振荡电路、显示电路、校时电路组成。数字钟电路组成原理图如图2-1所示：
图2-1 电路原理图
2.2 电路原理图制作
本设计依据74ls393、74ls247、74ls160以及八段数码显示器等芯片组成的电路图，进行原理图的设计。
2.2.1 原理图环境设置
（1）启动Protel99SE，进入Protel99SE设计环境。
Document，命名为11.Sch。
（3）打开11.Sch，将图纸大小设为A4，并设置好图纸右下角的表格如下：
图2-2 原理图设置
2.2.2 绘制原理图
(1)打开11.Sch，添加一些基本的元器件库，可以调用一些基本的RES 、CAP、DIODE等等。
（2）对于在元件库里找不到的元器件需要在11.Lib里面画如八段数码管、74LS393、74LS247以及电源power。。执行菜单File| New，系统弹出New Document 对话框，选择Schematic Library Document，命名为选择11.Lib。如下图，
(a)NOR-2
(b)OR-2
（c)NAND-2
(d)AND-2
(e)LED-8
(f)74LS393
图2-3 自定义元件
（3）将元器件进行合理的连线，各原器件要增加封装，以便创建网络表，完成其原理图的绘制，详见附图。
2.2.3电气规则检查及网络表输出
(1) 单击菜单Tools-ERC…,打开“ERC设置”对话框，如下图所示：
若出现错误需要在原理图中更正，直到ERC报告如下图无错误为止。
（2）创建网络表
单击菜单Design-Create netlist出现netlist creation对话框，单击OK
完成https://www.360docs.net/doc/f713518797.html,的创建，其网络表如下图。
2.3 原理图分析
2.3.1 晶体振荡器
振荡器主要用来产生时间标准信号，由石英晶体Y1（f=32768HZ)、反相器IC1-1、IC1-2、电阻以及电容组成。由IC1-2的4脚输出频率为32768HZ的方波。
因为数字钟的精度，主要取决于时间标准信号的频率及其稳定度。所以要产生稳定的时标信号，一般是采用石英晶体振荡器。石英晶体不但频率特性稳定，而且品质因数很高，有极好的选频特性。一般情况下，晶振频率越高，准确度越高，但所用的分频级数越多，耗电量就越大，成本就越高，分频器也会增多。所以在确定频率时应考虑两方面的因素，然后在选定石英晶体型号。
振荡器
下图所示电路通过CMOS非门构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路，这个电路中，CMOS非门U1与晶体，电容和电阻构成晶体振荡器电路，U2实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。输出反馈电阻R1为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。电容C1，C2与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个180度相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。
晶体XTAL的频率选为32768HZ。该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低，有利于减少分频器级数。C1，C2均为30pF。由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为10MΩ。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。
图2-4 晶体振荡电路
2.3.2 分频器
分频器由两个74LS393组成。74LS393是4位二进制计数器，32768HZ的方波与IC2的I脚相连，输入时钟脉冲。两个74LS393组成分频器，因此由9脚输出秒脉冲。其电路原理图如下图所示：
图2-5 分频器电路
2.3.3 计数器电路
计数器由6个74LS160和相应的门，四个2输入与门74LS08、四个2输入与非门74LS00等组成。分别构成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。其电路原理图如下图所示：
图2-6 计数器电路
74LS管脚图如下：
图2-7 74LS160管脚图
2.3.4 显示和译码电路
其电路原理图如下图所示：
图2-8 显示和译码电路
如上图所示译码显示电路由6个74LS247和6个数码管组成。74LS247的管脚图如下：
图2-9 74LS247管脚图
2.3.5 电源电路
电源电路的原理图如下图所示：
图2-10 电源电路
第三章电源板PCB设计
3.1 PCB设计规范
在任何数字钟设计中，PCB板的物理设计都是最后一个环节，如果设计方法不当，PCB可能会辐射过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定，以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析:
⑴从原理图到PCB的设计流程建立元件参数－>输入原理网表->设计参数设置->手工布局->手工布线->验证设计－>复查->CAM输出。
⑵参数设置相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压，在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距，一般情况下将走线间距设为8mil。
焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易起皮，而且走线与焊盘不易断开。
⑶元器件布局实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可行性产生不利影响。例如，如果印制板两条细平行线接得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声；由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法。
电路输入回路通过一个近似直流的电流对输入电容充电，滤波电容主要起到一个宽带储能作用；类似地，输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量，同时消除输出负载回路的直流能量。所以，输入和输出滤波电容的接线端十分重要，输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源；如果在输入/输出回路和电源开关/整流回路之间的连接无法与电容的接线端直接相连，交流能量将由输入或输出滤波电容并辐射到环境中去。电源开关交流回路和整流器的交流回路包含高幅梯形电流，这些电流中谐波成分很高，其频率远大于开关基频，峰值幅度可高达持续输入/输出直流电流幅度的5倍，过渡时间通常约为50ns。这两个回路最容易产生电磁干扰，因此必须在电源中其它印制线布线之前先布好这些交流回路，每个回路的三种主要的元件滤波电容、电源开关或整流器、
电感或变压器应彼此相邻地进行放置，调整元件位置使它们之间的电流路径尽可能短。建立数字钟布局的最好方法与其电气设计相似，最佳设计流程如下：
①放置整体
②设计电源开关电流回路
③设计计数器、显示和译码电路
④连接到交流电源电路的控制电路
⑤设计输入电流源回路和输入滤波器设计输出负载回路和输出滤波器根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：
a首先要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小则散热不好，且邻近线条易受干扰。电路板的最佳形状矩形，长宽比为3：2或4：3，位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。
b放置器件时要考虑以后的焊接，不要太密集.
c以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接, 去耦电容尽量靠近器件的VCC。
d在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。
e按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。
f布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起。
g尽可能地减小环路面积,以抑制数字钟的辐射干扰。
⑷布线数字钟中包含有高频信号，PCB上任何印制线都可以起到天线的作用，印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗，从而影响频率响应。即使是通过直流信号的印制线也会从邻近的印制线耦合到射频信号并造成电路问题(甚至再次辐射出干扰信号)。因此应将所有通过交流电流的印制线设计得尽可能短而宽，这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得很近。印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比，而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。长度反映出印制线响应的波长，长度越长，印制线能发送和接收电磁波的频率越低，它就能辐射出更多的射频能量。根据印制线路板电流的大小，尽量加租电源线宽度，减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和电流的方向一致，
这样有助于增强抗噪声能力。接地是数字钟四个电流回路的底层支路，作为电路的公共参考点起着很重要的作用，它是控制干扰的重要方法。因此，在布局中应仔细考虑接地线的放置，将各种接地混合会造成电源工作不稳定。在地线设计中应注意以下几点：
1正确选择单点接地，通常滤波电容公共端应是其它的接地点耦合到大电流的交流地的唯一连接点，同一级电路的接地点应尽量接近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上，主要是考虑电路各部分回流到地的电流是变化的，因实际流过的线路的阻抗会导致电路各部分地电位的变化而引入干扰。在本数字钟中，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而采用一点接地，即将电源开关电流回路中的几个器件的地线都连到接地脚上，输出整流器电流回路的几个器件的地线也同样接到相应的滤波电容的接地脚上，这样电源工作较稳定，不易自激。做不到单点时，在共地处接两二极管或一小电阻，其实接在比较集中的一块铜箔处就可以。
2尽量加粗接地线若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏，因此要确保每一个大电流的接地端采用尽量短而宽的印制线，尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线＞电源线＞信号线，如有可能，接地线的宽度应大于3mm，也可用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。进行全局布线的时候，还须遵循以下原则：
⑴布线方向：从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修（注：指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下）。
⑵设计布线图时走线尽量少拐弯，印刷弧上的线宽不要突变，导线拐角应≥90度,力求线条简单明了。
⑶印刷电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决。即让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去，在特殊情况下如何电路很复杂，为简化设计也允许用导线跨接，解决交叉电路问题。因采用单面板，直插元件位于top面，表贴器件位于bottom面，所以在布局的时候直插器件可与表贴器件交叠，但要避免焊盘重叠。
3输入地与输出地：本数字钟中为低压的DC－DC，欲将输出电压反馈回变压器的初级，两边的电路应有共同的参考地，所以在对两边的地线分别铺铜之后，还要连接在一起，形成共同的地。
⑸检查布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则，同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求，一般检查线与线、线与元件焊盘、线与贯通孔、元件焊盘与贯通孔、贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。电源线和地线的宽度是否合适，在PCB中是否还有能让地线加宽的地方。注意：有些错误可以忽略，例如有些接插件的Outline的一部分放在了板框外，检查间距时会出错；另外每次修改过走线和过孔之后，都要重新覆铜一次。
⑹复查根据“PCB检查表”，内容包括设计规则，层定义、线宽、间距、焊盘、过孔设置，还要重点复查器件布局的合理性，电源、地线网络的走线，高速时钟网络的走线与屏蔽，去耦电容的摆放和连接等。
⑺设计输出输出光绘文件的注意事项：
1需要输出的层有布线层（底层）、丝印层（包括顶层丝印、底层丝印）、阻焊层（底层阻焊）、钻孔层（底层），另外还要生成钻孔文件（NC Drill）。
2设置丝印层的Layer时，不要选择Part Type，选择顶层（底层）和丝印层的Outline、Text、Line。
3在设置每层的Layer时，将Board Outline选上，设置丝印层的Layer时，不要选择Part Type，选择顶层（底层）和丝印层的Outline、Text、Line。
4生成钻孔文件时，使用Power PCB的缺省设置，不要作任何改动。
3.2 PCB设计流程
（1）执行菜单File| New，系统弹出New Document对话框，选择PCB Document，命名为11.PCB。
（2）执行菜单File| New，系统弹出New Document对话框，选择PCB Library Document，命名为选择数字钟.LIB.LIB。对于在元件库里找不到的元器件封装需要在数字钟.LIB.LIB里面画，如下图
（a) 两输入与非门的封装