设计八路抢答器

任务描述

Protel 2004将电子电路设计众多工具集成在单个应用软件中，使得电子设计更趋于简便。它通过原理图设计、VHDL设计、电路仿真和印制电路板设计等，为设计者提供了全方位的设计工具，能够进行各种复杂电路设计。本任务就是要学会此软件的基本使用方法。

任务目标

1.掌握电路原理图绘制方法。

2.掌握元器件原理图库制作方法。

3.掌握绘制PCB（Printed Circuit Board）双层板的原则方法。

4.掌握元器件封装绘制方法。

5.理解电子技术相关项目开发设计的步骤、方法、原则。

知识准备

材料准备：电脑、DXP软件。

资讯准备：Protel是进入我国较早的CAD软件之一，目前已成为众多电子设计者的首选入门软件。

此外，还需要掌握以下相关知识：

Protel 2004是一款基于Windows NT/2000/XP操作系统的完整版的设计软件，支持最多32个信号层、16个电源地线层和16个机械层；具有强大的前端将多层次、多通道的原理图输入、混合信号仿真、VHDL开发和功能仿真及布线前信号完整性分析结合起来；支持高速电路设计，具有成熟的布线后信号完整性分析工具；提供完善的混合信号仿真、布线前后的信号完整性分析功能；SP2以上版本支持多种语言（中文、英文、德文、法文、日文）等。

认识Protel 2004主窗口

安装好Protel 2004软件后，从开始菜单启动Protel DXP 2004，或双击桌面图标，打开其设计环境主窗口，如图7-16所示。

图7-16  Protel 2004 主窗口

进入Protel 2004设计环境主窗口后，就可以进行相关的设计工作了。在该窗口中，主要包括有主菜单栏、Files面板、任务选择区和面板标签等。

执行菜单命令File→New，在其子菜单中可进行相应的设计。例如执行菜单命令File→New→Schematic，打开原理图编辑窗口，可进行原理图的绘制设计。

在主菜单命令File的下拉菜单中，选择Close，可以关闭当前主窗口；选择Open或Open Projects，可以打开相应的文件。

Protel 2004提供了全新的项目文件管理模式，一个项目包括所有文件的连接和与之设计有关的设置。在一个具体的电路设计中，使用项目列出在设计项目中与所有的文件有关的输出配置。例如与原理图纸和目标输出的连接、PCB、FPGA、VHDL或元器件的封装等。同时，Protel 2004还提供了强大的电路原理图和PCB之间的联系，一旦项目被编辑、设计验证，同步和对比就会随之产生。在项目被编辑后，项目中的原始原理图或PCB的任何改变都会被同步更新。

按照一般的设计流程，我们在进行设计时，应当先建立一个设计项目。

1.新建和保存项目

执行菜单命令File→New→Project→PCB Project后，Projects面板就会出现一个新建项目，其默认名称为PCB Project1.Prj PCB，如图7-17所示。

图7-17  新建项目

执行菜单命令File→Save Project，在弹出的对话框中，将存储位置指定到用户新建的文件夹，在文件名称栏输入“Project1”后，单击保存即可。保存项目后，Projects面板中的项目名会从默认名变成刚才键入的文件名。

其中的No Document Added的含义是当前项目中没有任何文件。至此，我们就建立了一个新的项目，项目中所有单个文件之间的关联信息都将保存在该项目中。

2.新建和保存文件

在上述新建的项目中，右键单击项目名称“Project1．PRJPCB”，执行菜单命令Add New to Project→Schematic，可在此项目下新建原理图文件，或执行菜单命令Add New to Project→PCB，可在项目下新建PCB板文件，等等。

在新建的相应文件窗口中，执行菜单命令File→Save，设置好保存路径和文件名称后，即可进行保存。

3.打开项目和文件

执行菜单命令File→Open Project，可以打开已有的项目，也可以在Files面板中选择Open a Project中的选项。

执行菜单命令File→Open，可以打开已有的文件。

4.Protel 2004编辑器

电路板设计过程中常用的编辑器主要有原理图编辑器和PCB编辑器，以及设计原理图元件的原理图库编辑器和设计PCB元器件封装的元器件封装库编辑器等。

一个完整的电路板设计必须经过原理图设计和PCB设计两个阶段。

（1）原理图编辑器 原理图编辑器的主要功能是设计电气原理图，完成对实际电路电气连接的正确描述。此外，在原理图编辑器中利用原理图库所提供的原理图元件，可以快速绘制电气设备之间的接线图。

（2）原理图库编辑器 原理图库编辑器是用来完成原理图元件的设计。在制作原理图元件前，需要创建一个原理图库文件，存放制作的原理图元件，同时还可以激活原理图库编辑器。

（3）印制电路板图编辑器 在印制电路板编辑器中，需要完成的是电路板设计第二阶段的任务，即根据原理图设计完成电路板的制作。电路板的制作主要包括电路板的选型、规划电路板的外形、元器件的布局、电路板布线、覆铜和设计规则的校验等。

（4）元器件封装库编辑器 如果某个元器件的封装在系统提供的元器件封装库中不存在，解决的办法就是自己制作元器件的封装。同制作原理图元件一样，在制作封装之前，也应当先创建一个新的PCB元器件封装库，或者打开一个已存在的元器件封装库。

5.创建工程项目

创建一个设计项目，保存该文件并命名为“DGDL”或者“单管电路”。

（1）执行菜单命令File→New→Project→PCB Project，如图7-18所示。

图7-18  新建PCB项目

（2）执行菜单命令File→Save Project，在弹出的对话框中，将“保存在”选择到指定的文件夹下，在文件名栏中键入“DGDL”或“单管电路”后，单击保存即可，如图7-19所示。

图7-19  保存后的PCB项目

6.在项目中创建文件

在DGDL项目下创建一个原理图文件、PCB文件、原理图元器件文件和PCB封装库文件，保存各文件并全部命名为DGDL。

（1）在如图7-19所示状态下，执行菜单命令File→New→Schematic。

（2）执行菜单命令File→Save，在弹出的对话框中，将“保存在”选择到用户指定的文件夹下，在文件名栏中键入“DGDL”后，单击保存，完成原理图文件的创建。

（3）重复上面两个步骤，分别执行菜单命令File→New→PCB、File→New→ Library→ Schematic Lirary和File→New→Library→PCB Library，分别命名保存，结果如图7-20所示。

图7-20  在项目下创建的各设计文件

7.原理图设计基本操作

（1）启动原理图编辑器 用户必须先启动Protel 2004的原理图编辑器，才能进行设计绘图工作。若不创建项目文件，可直接执行File→New→Schematic，即可打开原理图编辑器。

利用主菜单命令启动原理图编辑器有三种常用的方法：

①执行菜单命令File→New→Schematic，新建原理图设计文件，即可打开原理图编辑器。

②执行菜单命令File→Open，在选择打开文件对话框中，双击原理图设计文件，启动原理图编辑器，打开一个已有的原理图文件。

③执行菜单命令File→Open Project...，在选择打开文件的对话框中，双击项目文件，弹出项目面板。在项目面板中，单击原理图文件，启动原理图编辑器，打开已有项目中的原理图文件。

（2）设置图纸参数 用户要根据实际电路的复杂程度来设置图纸大小以及相关参数，设置图纸的过程实际是一个创建工作平台的过程。

图纸规格设置有两种方式：Standard Style（标准格式）和Custom Style（自定义格式）。

执行菜单Design→Document Options...，打开Document Options（文档选项），选择Sheet Options ，打开图纸参数设置对话框，如图7-21所示。

图7-21  图纸参数设置对话框

（3）放置元器件 Protel 2004在调用元器件前，必须先加载相应的元件库。然后用户再根据实际电路的需要，从元件库中取出所需要的元器件到原理图编辑器窗口里，最后进行调整、修改，对元器件编号，进行封装定义和设定等，为下一步打好基础。

在原理图设计环境中，执行菜单命令Design→Browse Library，或者单击编辑器右下方的面板标签System，选中库文件Libraries，弹出元件库管理器，如图7-22所示。

图7-22  库文件Libraries

在库文件管理器最上端是三个按钮，单击Libraries按钮可进入加载或删除元件库对话框；单击Search按钮可进入查找元件对话框；单击Place按钮可把当前被选中的元件放入原理图编辑器窗口。

在库文件管理器的元件列表框中列出了当前元件库中的所有元件，用户可以利用其右边的上下按钮移动，选择当前元件库中的元件。单击元件名称可以在原理图元件符号框看到元件符号。单击元件封装模型，该元件的封装就会显示出来。

（4）原理图布线 利用Protel 2004提供的各种工具进行布线，将原理图编辑窗口放置的元器件按设计用具有电气意义的导线或其他符号连接起来，形成一个完成的电路图。

图7-23  画原理图工具

启动画原理图工具栏的方法主要有两种：一是使用原理图工具栏，执行命令View→Toolbars→Wiring，打开Wiring工具栏，如图7-23所示；二是使用菜单命令，执行菜单Place下的各个菜单命令。这些菜单命令与原理图工具栏的各个按钮相对应，功能完全相同，Place菜单下的画原理图菜单命令如图7-24所示，各个按钮对应的功能见表7-5。

图7-24  Place菜单下的画原理图菜单命令

表7-5 Place菜单下的画原理图菜单命令对应功能表

（5）编辑与调整 利用Protel 2004提供的各种功能对初步绘制的原理图进行调整和修改，以得到正确美观的原理图，例如，进行位置不合理导线的删除、移动，更改图纸尺寸、属性及元件的排列等。

（6）电气规则检查 按照一定的电气规则，检查已经绘制好的电路图是否有违反电气规则的错误。如有，则根据提示对电路图进行更改。

（7）生成网络表 完成上面步骤以后，可以看到一张完整的电路原理图，但是要完成电路板的设计，还需要生成一个网络表文件。网络表是电路板和电路原理图之间的重要纽带。

（8）存盘与打印 原理图设计完成后，用户对其进行存盘、输出打印，以供存档。这是对设计图形文件输出的管理过程，是设置打印参数和打印输出的过程。

任务实施

建立PCB任务八路抢答器

1.创建一个新项目（new project）

在Protel DXP 2004中，一个项目包括所有文件夹的连接和与设计有关的设置。软件支持多种项目的建立，这里我们建立一个PCB项目，即×××.Prj PCB，如图7-25所示。

图7-25  建立一个PCB项目

步骤为：

（1）系统菜单“文件”→“创建”→“项目”→“PCB项目”， Projects面板出现。新的项目文件，“PCB Project1.Prj PCB”与“no documents added”文件夹一起列出。

（2）通过选择“文件”→“另存项目为”来将新项目重命名（扩展名为*.Prj PCB）。指定你要把这个项目保存在你的硬盘上的位置，在文件名栏里键入文件名Multivibrator.Prj PCB并点击“保存”。

2.创建一个原理图并添加到空项目文件

步骤为：

（1）选择“文件”→“创建”→“原理图”。一个名为Sheet1.Sch Doc的原理图图纸出现在设计窗口中，并且原理图文件夹也自动地添加到项目里。

（2）通过选择“文件”→“保存”来将新原理图文件重命名（扩展名为*.Sch Doc）。指定你要把这个原理图保存在你的硬盘中的位置，在文件名栏键入Multivibrator.Sch Doc，并点击“保存”。

（3）当空白原理图纸打开后，你将注意到工作区发生了变化。主工具栏增加了一组新的按钮，新的工具栏出现，并且菜单栏增加了新的菜单项。

3.绘制原理图

（1）查找元件

①点击界面右侧的“元件库”标签显示库工作区面板。在库面板中按下Search按钮或者通过选择“工具”→“查找元件”，将打开查找库对话框。

②默认“范围”被设置为路径中的库，并且“路径”区含有指向你的库的正确路径。即如果你接受安装过程中的默认目录，路径中会显示C：\Program Files\Altium 2004\Library\。确认“包含子目录”未被勾选。

③在文本框内键入要查找的元件型号，格式为*元件型号*

④点击“查找”按钮开始查找。当查找进行时，Results标签将显示。如果你输入的规则正确，将会弹出一个“元件库”对话框，其中显示的元件即是你要找的元件。

（2）放置元件

①从菜单选择“查看”→“显示全部对象”（热键V、F）确认你的原理图图纸显示在整个窗口中。

②点击界面右侧的“元件库”标签显示库工作区面板，点击“Place ”或者双击元件名，光标将变成十字状，现在处于元件放置状态。

③在原理图上放置元件之前，首先要编辑其属性。在放置状态下，按下TAB键。这将打开Component Properties（元件属性）对话框，可以编辑元件的基本属性。

（3）连接电路

连线起着在你的电路中的各种元件之间建立连接的作用。要在原理图中连线，完成以下步骤：

①确认你的原理图图纸有一个好的视图，从菜单选择“查看”→“显示全部对象”（热键V、F）。

②从菜单选择“放置”→“导线7”（热键P、W）或从Wiring Tools（连线工具）工具栏点击Wire工具进入连线模式。光标将变为十字形状。

③将光标放在元器件的管脚。当你放对位置时，一个红色的连接标记会出现在光标处。这表示光标在元件的一个电气连接点上。

④左击或按ENTER固定第一个导线点。然后移动光标，使其移到另一个元器件管脚水平位置上，左击或按ENTER在该点固定导线。在第一个和第二个固定点之间的导线就放好了。

⑤注意光标仍然为十字形状，表示你还可以继续放置其他导线。要完全退出放置模式，应该右击或按ESC。

4.编译项目与生成报表

编译项目就是在设计文档中检查原理图的电气规则错误。当原理图绘制完毕后，执行编译项目可以发现原理图中存在的电气规则错误，然后进行更改，直到正确为止。

执行菜单命令Project→Compile PCB Project，系统开始编译Myproject1.Prj PCB。当项目被编译时，在项目选项中设置的错误检查都会被启动，同时弹出Message窗口显示错误信息。如果原理图绘制正确，将不会弹出Message窗口。

任务评价

以小组为单位，选择演示文稿、展板、海报、录像等形式中的一种或几种，向全班展示汇报学习成果。

综合评价表

任务拓展

单片机层次电路图设计

一、层次电路设计概念

当电路比较复杂时，用一张原理图来绘制显得比较困难，此时可以采用层次型电路来简化电路。层次型电路将一个庞大的电路原理图分成若干个子电路，通过主图连接各子电路，这样可以使电路图变得简单。

层次电路图按照电路的功能区分，主图相当于框图，在其中的子图模块中代表某个特定的功能电路。

层次电路图的结构与操作系统的文件目录结构相似，选择工作区面板的【Projects】选项卡可以观察到层次图的结构。

图7-26所示为层次电路图结构示意。在一个项目中，处于最上方的为主图，一个项目只有一个主图，在主图下方所有的电路均为子图，图中有4个一级子图，在子图Eight_5x7. SCHDOC和FPGA_U1_Manual.Sch Doc前面的框中有“+”号，说明它们中还存在二级子图，单击可以打开二级子图结构。

图7-26  层次电路图结构示意

二、层次电路主图设计

下面以图7-27所示的单片机主图为例，介绍层次电路主图设计。

图7-27  主图MCU

设计前建立“MCU”项目文件，创建“MCU”主图原理图文件并保存。

1.电路方块图设计

电路方块图，也称为子图符号（图纸符号），它对应着一个具体的内层电路，即子图。如图7-28所示的单片机主图文件，是由三个电路方块图组成。

执行菜单“放置”→“图纸符号”，光标上黏附着一个悬浮的子图符号，按键盘上的<Tab>键，屏幕弹出“图纸符号”属性对话框 ，可以设置子图符号属性。

图7-28  子图符号对话框

2.放置子图符号的I/O接口

执行菜单“放置”→“加图纸入口”，将光标移至子图符号内部，在其边界上单击鼠标左键，放置I/O端口，如图7-29、7-30所示。

图7-29  子图符号端口属性对话框

图7-30  设置子图端口的主图

此时系统将自动生成一张新电路图，电路图的文件名与子图符号中的文件名相同，同时在新电路图中，已自动生成对应的I/O端口。

三、层次电路子图设计

下面以图7-31所示的子图MEM为例介绍层次电路子图的绘制方法，子图绘制与普通原理图设计方法一致。

图7-31  子图MEM

1.载入元件库。本例中的元件在ST Logic Latch.Int Lib、Philips Microcontroller 8-Bit.Int Lib、ST Memory EPROM 16-512 Kbit. Int Lib、TI Logic Gate 1. Int Lib、Miscellaneous、Devices. Int Lib库中，将上述元件库均设置为当前库。

2.根据电路图放置元件并布局。

3.采用阵列式粘贴放置导线和总线入口及其网络标号。

4.采用导线和总线分别连接电路。

5.分别在U4两侧的总线上放置总线网络标号A[0..14]和D[0..7]，代表该总线上的网络标号为A0~A14和D0~D7。在相应的子图中也必须在总线上加入相同的总线网络标号，这样才能使它们具备连接关系。

6.依次画好其他两个子图电路并保存电路，最后保存项目文件。

四、设置图纸信息

主图和子图绘制完毕，一般要添加图纸信息，设置好原理图的编号和原理图总数。下面以设置主图的图纸信息为例进行说明，主图原理图编号为1，项目原理图总数为4。

执行菜单“放置”→“文本字符串”在相应位置放置标题栏参数，如图7-32所示。

图7-32  设置图纸参数

执行菜单“设计”→“文档选项”，在弹出的对话框中选中【参数】选项卡，在其中设置标题栏参数，其中参数“Title”设置为“MCU主图”，参数“Sheet Number”设置为“1”，参数“Sheet Total”设置为“4”，设置完毕单击“确认”按钮结束，设置后的标题栏如图7-33所示。采用同样方法设置其他图纸。

图7-33  设置完成的图纸参数

五、项目文件原理图电气检查

以下采用如图7-34所示的违规电路进行电检查，观察检查结果。

图7-34  违规电路

1.设置检查规则

执行菜单“项目管理”→“项目管理选项”，打开“项目管理选项”对话框，单击【Error Reporting】选项卡设置违规选项。

每项都有多个条目，即具体的检查规则，在条目的右侧设置违反该规则时的报告模式，有“无报告”“警告”“错误”和“致命错误”四种。

电气检查规则各选项卡一般选择默认。

本例中为去除有关驱动信号和驱动信号源的违规信息，可以将它们的报告模式设置为“无报告”，如图7-35所示。

图7-35  电气规则检查设置

2.通过原理图编译进行电气规则检查

执行菜单“项目管理”→“Compile PCB Project 单管放大电路.Prj PCB”，系统自动检查电路，弹出“Messages”对话框，显示当前检查中的违规信息，如图7-36所示。

图7-36  违规信息显示

六、原理图输出

1.打印预览

执行菜单“文件”→“打印预览”，屏幕弹出如图7-37所示的“打印预览”对话框，从图中可以观察打印的输出效果，单击“打印”按钮，弹出“打印文件”对话框进行打印。

图7-37  打印预览

2.打印输出执行菜单“文件”→“打印”，屏幕弹出如图7-38所示的“打印文件”对话框，可以进行打印设置，并打印输出原理图。

图7-38  “打印文件”对话框

任务检测

一、填空题

1. DXP 2004 SP2的设计文件分（ ）、（ ）和 （ ）三个层次。

2. Protel DXP主窗口即Design Explorer DXP窗口，该窗口主要由 （ ） 、（ ）、（ ）、（ ）和 （ ）等组成。

3.连线工具栏（ ）主要用于放置原理图器件和连线等符号，是原理图绘制过程中最重要的工具栏。执行菜单命令（ ） 可以打开或关闭该工具栏。

4.编译项目就是在设计文档中检查原理图的 （ ）错误。

5.网络标号和标注文字不同，前者具有（ ） 功能，后者只是（ ） 。

二、简答题

1.简述原理图的设计流程。

2.简述电路方块图设计的步骤。