电气制图及CAD实验报告 1008260124 李定一

电气制图及CAD实验报告

——可编程定时、分频两用电路

班级：10102001 学号：1008260124 姓名：李定一

一、摘要

电气制图及CAD课程的前几次实验让我们对原理图绘制、PCB设计有了初步

的了解。在此次综合实验中，我选择了可编程定时、分频两用电路。首先绘制原理图过程中，寻找元件、放置元件并连线，并通过了ERC，并生成相应的网络表。接下来在PCB的设计中修改元件的封装属性，将原理图中元件装入PCB编辑器，对元件位置进行调整。在完成自动布线后，对布线进行了手动调整并生成相应的3D视图。通过这次综合实验，使我们对电气制图CAD的全过程有了更为清楚的了解，加深了对Protel软件的功能、操作的掌握，受益匪浅。 关键词：Protel 定时 分频 8253

二、实验原理

可编程定时、分频两用电路包括秒信号发生器、读/写信号控制、编码开关、

计数器/定时器芯片、输出驱动等五部分。定时器每级可用程序设定在0~65536s（18.2h）范围内的任一时刻定时控制；分频器每级可用编程设定最高输入脉冲频率2MHz的任意分频。

实验电路结构框图如下：

图1电路结构框图

电路各部分简介如下： 1.秒信号发生器

555和R1、R3、RP1、C1组成无稳态多谐振荡器，其振荡周期为 编码开关 输出驱动 计数器/定时器芯片 秒信号发生器 读/写信号控制 T0.693(R1RRP12R3)C1

周期为1s，可通过调节RP1获得准确的秒脉冲。原理图如下：

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图2 秒信号发生器

2.计数器/定时器芯片

8253集成电路是一种通用型可编程计数器/定时器接口电路，功能强，其内部不但有3个功能相同、独立的计数器，且每个计数器有5种不同的工作方式，既可以单独工作，也可以级联工作。每个计数器都是一个16位可预置数的递减计数器。8253芯片如下图所示：

图3 8253芯片

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3.编码开关

为区分其工作的方式，必须预先进行置数设定。预置数可通过8个打码开关

S0~S7，分低8位和高8位两次输入。原理图如下：

图4 编码开关

4.读/写信号控制

556芯片为双时基电路，左、右两个时基电路分别组成延时1s和15s的单稳态电路。延时大小分别由R19、C7和R20、C8所决定。延时的脉冲作为8253定时器的写（WR）控制信号，延时15s的脉冲作为它的读（RD）控制信号。六非门CD4049，作缓冲、反相用。VT1射频器用于传输片信号（CS），VT2为开关放大器，用以驱动继电器K1。

该电路若要扩大定时和分频范围，可将计数器串联使用。若三级串联，其定时范围可扩大到1823h。原理图如下：

图5读/写信号控制电路

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5.输出驱动

输出驱动电路原理图如下图所示：

图6 输出驱动电路

三、实验所用元器件

实验所用元器件清单如下表所示：

表1 实验所用元器件清单

元器件名称 555芯片 8253芯片 556芯片 CD4049（非门） 电阻 电阻器 有极性电容 非极性电容

编号 元器件个数 1 1 1 1 23 1 2 6 IC1 IC2 IC4 U1 R1~R23 RP1 C1、C8 C2~C7 4 二极管 三极管 单刀单掷开关 单刀双掷开关 电磁继电器 1.555 定时器

VD1~VD3 VT1、VT2 S0~S12 3 2 13 2 1 S13、S14 K1 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作，7555 可在 3~18V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。其引脚图如下图所示：

图7 555定时器引脚图

2.8253芯片

intel8253是NMOS工艺制成的可编程计数器/定时器，有几种芯片型号，外

形引脚及功能都是兼容的，只是工作的最高计数速率有所差异，例如8253

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（2.6MHz），8253-5(5MHz)。

8253内部有三个计数器，分别称为计数器0、计数器1和计数器2，他们的

机构完全相同。每个计数器的输入和输出都决定于设置在控制寄存器中的控制字，互相之间工作完全独立。每个计数器通过三个引脚和外部联系，一个为时钟输入端CLK，一个为门控信号输入端GATE，另一个为输出端OUT。每个计数器内部有一个8位的控制寄存器，还有一个16位的计数初值寄存器CR、一个计数执行部件CE和一个输出锁存器OL。

执行部件实际上是一个16位的减法计数器，它的起始值就是初值寄存器的值，而初始值寄存器的值是通过程序设置的。输出锁存器的值是通过程序设置的。输出锁存器OL用来锁存计数执行部件CE的内容，从而使CPU可以对此进行读操作。CR、CE和OL都是16位寄存器，但是也可以作8位寄存器来用。

图8 8253内部结构框图

8253芯片内部结构框图如图8所示，功能表如图9所示。

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图9 8253功能表

3.CD4049

CD4049是六反相缓冲器，具有仅用一电源电压(VCC)进行逻辑电平转换的特

征。用作逻辑电平转换时，输入高电平电压(V IH)超过电源电压V CD。该器件主要用作COS/MOS到DTL/TTL的转换器，能直接驱动两个DTL/TTL负载。 图10 CD4049引脚图 图11 CD4049内部图

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4.电阻

电阻实物图如下：

图12 电阻

5.电容

无极性电容、有极性电容分别如图13、图14所示:

图13 无极性电容

图14 有极性电容

6.二极管

二极管又称晶体二极管,简称二极管(diode)，另外，还有早期的真空电子二极管；它是一种具有单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的转导性。

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一般来讲，晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。

图15 二极管

7.三极管

半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。中间的N区（或P区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。

图16 三极管

8.电磁继电器

电磁继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流。较低的电压去控制较大电流。较高的电压的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

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图17 电磁继电器

四、实验内容

1.原理图设计

新建一个MyDesign.ddb库文件，在Protel 99SE软件中新建Schematic

Document文件，开始绘制电路原理图。对秒信号发生器、读/写信号控制、编码开关、计数器/定时器芯片、输出驱动五部分，分别进行放置元件、连线，编辑、修改属性操作。最后将各部分连接成一体，进行ERC检查。最后利用Design中的Create Netlist生成网络表，再利用Reports中的Bill of Material生成材料清单报表。

在原理图绘制的过程中，元件库中的元件封装并非完全符合要求。需要对其进行一定的修改。在本图的绘制过程中，将二极管的封装DIODE 0.4的两个引脚A、K分别改为1、2。修改前后分别如图18、19所示。

所绘制出的电路原理图如图20，材料清单报表如表2所示。

图18 DIODE 0.4封装修改前

图19 DIODE 0.4封装修改后

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图20 电路原理图

表2 材料清单报表

Part Type Designator Footprint 0.1μ C2 RAD0.1 1k RP1 VR3 2M R19 AXIAL0.3 3.7M R20 AXIAL0.3 3k R15 AXIAL0.3 4.7μ C8 RAD0.1 5.1M R16 AXIAL0.3 10k R1 AXIAL0.3 10k R23 AXIAL0.3 10k R22 AXIAL0.3 10k R21 AXIAL0.3 10k R17 AXIAL0.3 10k R18 AXIAL0.3 555 IC1 DIP8 556 IC3 DIP14 750k R3 AXIAL0.3 8253 IC2 DIP24 CON2 J1 SIP2 CON2 J2 SIP2 PNP1 VT1 TO-18 SW SPDT S13 SIP3

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2.PCB设计

印刷电路板的设计的步骤如下： 1.规划电路板

完成确定电路板的物理边界、电气边界、电路板的层数、各种元件的封装

形式和布局要求等任务。设置相对坐标原点（用命令Edit/Origin/Set），并在Mechanical1 Layer和Keepout Layer 层画线确定板子边框的尺寸与外形。

2.设置参数

主要是设置软件中电路板的工作层的参数、PCB编辑器的工作参数、自动布

局和布线参数等。

3. 装入网络表及元件的封装形式

利用菜单栏Design中的Load Nets,将原理图中的电气连接关系和元件的封

装形式，装入PCB编辑器。这一步要注意的是网络表不能有错误，否则要回到电路图中去修改，再次生成网络表并保存覆盖原有网络表，直到网络表正确为止。

4.元件的布局

在元件自动布局的基础上，进行手工调整，使元件的布局更加紧凑，使电

路板的尺寸尽可能小。

5.自动布线

系统根据网络表中的连接关系和设置的布线规则进行自动布线。 6.调整

自动布线成功后，对不太合理的地方进行调整。我对布置不合理、不美观

的导线走向进行了调整，并对电源线、接地线进行了加粗，添加了泪滴。最终画出的PCB图如图20所示。

7.运行DRC并生成图21所示3D视图。

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图21 PCB图 图22 PCB 3D视图

五、实验总结

本学期第一周的电气制图及CAD专业选修课中，我们学习了Protel 99SE

软件的使用方法。通过几次实验对原理图绘制、PCB设计有了初步的了解。在此次综合实验中，我选择了可编程定时、分频两用电路。由于是初步接触Protel软件，电路元器件数量众多且实验所给时间只有两天，所以我投入了很大精力进行绘制。

绘制原理图过程中，寻找元件、放置元件并连线的工作较为繁琐。经过努

力，终于将其完成，并通过了ERC。接下来在PCB的设计开始时，遇到了最复杂的工作，即将原理图中元件装入PCB编辑器。在这一进程中，出现了许多关于封装选择错误。通过上网查询等方式，反复试验，终于将所有元件的封装修改正确。看到错误数变为0时，着实欣慰。导入到PCB之后，我对元件位置进行了调整，

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使其尽量合理，尽量压缩电路板的尺寸，使其更为紧凑。在自动布线后，对不合理、不美观的布线进行了手动调整，加粗了电源线和接地线，添加了泪滴。在通过DRC后，生成相应的3D视图。

通过这次综合实验，使我们对电气制图CAD的全过程有了更为清楚的了解，

加深了对Protel软件的功能、操作的掌握，受益匪浅。

六、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]张瑾、张伟、张立宝 编著《电路设计与制版Protel 99SE入门与提高》[M]，北京：人民邮电出版社，2007.7

[3]陈永甫 主编《多功能集成电路555经典应用实例》[M]，北京：电子工业出版社，2011.8

[4]侯晓霞、王建宇、戴跃伟 编著《微型计算机原理及应用》[M]，北京：化学工业出版社，2007.1

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七、附录：实验参考电路

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