Protel 99SE在电子时钟电路设计中的应用

　　随着电子工业日新月异的发展，大规模集成电路的应用已越来越普遍。电子设计自动化EDA(Eleetronic Design Automation)已成为不可逆转的潮流。Protel就是一套建立在PC环境下的EDA开发工具。自1991年以来Protel已经成为广大电路设计人员的首选设计软件。
　　Protel 99SE是Protel Technology公司于2000年推出的基于Windows平台的第六代产品，其主要的功能模块包括电路元件设计、电路原理图设计、印制电路板设计、封装元件设计、电路仿真等。本文主要阐述了Protel软件在电子时钟电路设计中的应用。
　　1 Protel软件的设计特点及其流程
　　Protel软件具有强大的电路仿真能力，能实现模／数混合信号的仿真分析，能提供连续的模拟信号和离散的数字信号的仿真，并且可以分析电路各方面的性能，如电路的交直流特性、温度漂移、噪声、失真、容差、最坏情况等特性。Protel为每种分析类型都提供了一组设置参数，通过设置对话框可方便地设置所需的各种参数。Protel提供了20多个模拟和数字器件仿真元件库，共包含6000多个常用元器件。同时，Protel提供了一个开放的库维护环境，用户可以方便地修改原有器件模型，也可以创建新器件模型。
　　1．1 电路设计及原理图设计流程
　　电路设计是指实现一个实际的电子产品从构思设计、电路设计到物理结构设计的全过程。原理图设计主要是绘制一张正确和完美的电路原理图，绘制电路原理图是整个电路设计的基础。电路原理图设计流程图如图1所示。

　　图1 电路原理图设计流程图
 

　　1．2 印制电路板设计及其流程
　　印制电路板设计是从电路原理图变成一个具体产品的重要步骤，印制电路板与实际的产品直接相关。因此，印制电路板设计是电路设计中最重要和关键的一步。通常印制电路板的设计流程如图2所示。

　　图2 印制电路板图设计流程图

　　2 Protel电路设计及其实例
　　下面主要是以单片机最小系统的设计来说明Protel 99SE在电路设计中的具体应用。
　　2．1 电路原理图设计
　　电路原理图设计最基本的要求是正确性，其次是布局合理，最后再是正确性和在布局合理的前提下力求美观性以及可读性。
　　根据上述电路原理图设计流程，单片机最小系统原理图设计过程如下：
　　(1)设置原理图设计环境。设计环境是绘制原理图的前期工作，在原理图绘制之前，应该把设计环境设置好。工作环境设置是使用菜单Design／Options和Tool／Preferences进行，画原理图环境的设置主要包括图纸大小、捕捉栅格、电气栅格、模板设置等。
　　(2)放置元件。将电气和电子元件放到图纸上。一般情况下元件的原理图符号在元件库中都可以找到，只需要将元件库中的元件从库中取出，放置在图上。由于元件种类繁多，分别放在不同的元件库中，所以在使用过程之中，应该了解各个元件库中元件的类型。
　　(3)原理图布线。元件一旦放置在原理图之后，就需要用导线将元件连接起来，连接时一定要符合电气规则。在结构化设计的时候，为了使得图形清晰，可以使用网络标号连接。
　　(4)编辑与调整。编辑元件的属性，这些属性包括元件名、参数、封装图等。调整元件和导线的位置等操作。同时要在必要的地方加上电路的标注以及说明。
　　(5)检查原理图。使用Protel 99SE的电气规则检查功能，检查原理图的连接是否合理与正确，给出检查报告。若有错误就需要根据错误情况进行改正。
　　(6)生成网络表。生成原理图的网络表，所谓网络表就是元件名、元件封装、参数及元件之间的连接表，通过该表可以确认各个元件和它们之间的连接关系。
　　(7)打印输出。打印输出原理图。
　　经过以上步骤，即完成了单片机最小系统原理图的设计。单片机最小系统的电路相对比较简单，其中包含单片机、单片机工作所需的晶振电路、上电自动复位及手工复位电路、单片机工作所需要的电源电路以及编程接口等。绘制完成的单片机最小系统原理图如图3所示。

　　图3 单片机最小系统电路原理图

　　2．2 印制电路板设计
　　电路设计的最终目的是为了设计出电子产品，而电子产品的物理结构以及电路功能是通过印制电路板来实现的。应用Protel 99SE进行印制电路板设计过程如下：
　　(1)启动Protel 99SE，进入印制电路板设计环境。
　　(2)电路板框架设计。印制电路板设计之前，首先对电路板有一个初步的规划，如电路板的边框尺寸，采用几层电路板，是单面板还是双面板，各元器件采用何种封装形式及其安装位置等。根据设计的电路在Keep Out Imyet绘制电路板的尺寸为宽7617mil，高4466mil。电路板定义为双面板。电路板的尺寸是设计电路板首先需要考虑的因素，一般来说电路板的外形尺寸与产品的外壳设计配套。在有可能的情况下长宽的比例设计为4：3或者3：2。
　　(3)参数设置。主要设置元器件的布置参数、板层参数、布线参数等。一般某些参数可用其默认值，参数设置是印制电路板设计中非常重要的步骤，执行菜单命令Design／Rules，左键单击Routing按钮，根据设计要求，在规则类(RulesClasses)中设置参数。选择Routing Imy-er。选择Width Constraint，对地线线宽进行设置：左键单击Add按钮，进入线宽规则设置界面，首先在Rule Scope区域的Filter Kind选择框中选择Net，然后在Net下拉框中选择GND，再在Rule Attributes区域将Minimum width、Maximum width和Preferred三个输入框的线宽设置为50mil；电源线宽的设置在Net下拉框中选择VCC，其他与地线线宽设置相同；整板线宽设置：在FilterKind选择框中选择Whole Board，然后将Minimum width、Maximum width和Preferred三个输入框的线宽设置为20mil。
　　(4)调入网络表及添加元件封装。网络表是指导印制电路板自动布线的规则，也是电路原理图设计系统与印制电路板设计系统的中间载体。对于装入的每个元器件必须有正确的外形封装，才能保证电路板布线的顺利进行。执行菜单命令Design／Add／Remove Library，在“添加／删除元件库”对话框中选取所有元件所对应的元件封装库，然后执行菜单Design／Load Nets命令，然后在弹出的窗口中单击“Browse”按钮，再在弹出的窗口中选择电路原理图设计生成的网络表文件(扩展名为Net)，如果没有错误，单击“Execute”按钮。若出现错误提示，需要更改错误，直到所有错误都修改正确。
　　(5)布置元件。Protel 99SE既可以对元器件进行自动布局，亦可让用户手工布局。布局是布线非常关键的一步，为了使布局更加合理、美观，多数设计者都采用手工布局方式。有时候用户在条件不太严格的情况下，为了提高布线效率，可以实现自动布局。
　　(6)自动布线。Protel 99SE采用世界最先进的无网络、基于形状的对角线自动布线技术。执行菜单命令Auto Routing／All，并在弹出的窗口中单击Route all按钮，程序即对印制电路板进行自动布线。只要设置有关参数得当，元件布局合理，自动布线的成功率几乎是100％。
　　(7)手工调整。自动布线结束后，可能存在一些令人不满意的地方，可以手工调整，把电路板设计得尽善尽美。最后保存文件并打印输出印制电路板(PCB)图如图4所示。

　　图4 设置完成的电子时钟PCB图

　　Protel 99SE支持将所设计完成的PCB转换为3D效果图，以此来检查电路板布局以及走线等各方面的情况。以便发现问题并做出相应的修改。单片机最小系统电路板3D效果图如图5所示。

　　图5 单片机最小系统电路板3D效果图

　　经过印制板加工企业的制作，最终完成的单片机最小系统电路板如图6所示。

　　图6 制作完成的单片机最小系统电路板

　　3 结论
　　随着现代电子信息技术的快速发展，电子产品的复杂度以及集成度都有了飞速的提升。在电子产品设计过程中，电路设计软件的使用也越来越广泛。Protel 99SE能够提供从电路原理图绘制、网络表生成以及电路板设计的完整过程，凭借其强大的功能，极大地提高了产品的可靠性，缩短了设计周期，降低了设计成本，是当今最为流行的计算机辅助电子电路设计软件，今后很长一段时间仍将如此。