基于EDA技術(shù)的數(shù)字鐘設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：為使數(shù)字鐘從電路設(shè)計、性能分析到設(shè)計出PCB版(即印制電路版)圖的整個過程能夠在計算機上自動處理完成，從而縮短設(shè)計周期、提高設(shè)計效率、戰(zhàn)小設(shè)計風險。本系統(tǒng)基于EDA技術(shù)的設(shè)計方法，提出一種采用P-MOS大規(guī)模集成電路LM8560作為計數(shù)譯碼的石英數(shù)字鐘的設(shè)計方案，在Prote199SE軟件平臺下創(chuàng)建原理圖和繪制印制電路版，實現(xiàn)了基本計時顯示和設(shè)置、調(diào)整時間和鬧鐘等功能，最后組裝出一個完整的數(shù)字鐘。
關(guān)鍵詞：EDA技術(shù)；數(shù)字鐘；LM8560；Prote199SE；印制電路版

    數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，傳統(tǒng)數(shù)字鐘的設(shè)計過程要經(jīng)過設(shè)計方案提出、方案驗證和修改3個階段。一般采用搭接實驗電路的方法進行，往往需要實驗和修改的反復過程，直到設(shè)計出正確的結(jié)論為止，例如參考文獻中的多功能數(shù)字鐘的電路設(shè)計。而利用EDA工具，電子設(shè)計師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計電子系統(tǒng)，大量工作可以通過計算機完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計、性能分析到設(shè)計出IC版圖或PCB版圖的整個過程在計算機上自動處理完成。
    電子產(chǎn)品從系統(tǒng)設(shè)計、電路設(shè)計到芯片設(shè)計、PCB設(shè)計都可以用EDA工具完成，其中仿真分析、規(guī)則檢查、自動布局和自動布線是計算機取代人工的最有效部分。利用EDA工具，可大大縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計效率，減小設(shè)計風險。
    Protel99SE是一個32位印制板輔助設(shè)計軟件包，具有強大的設(shè)計功能，可以完成原理圖、印制板設(shè)計和可編程邏輯器件設(shè)計。

1 數(shù)字鐘工作原理
    數(shù)字計時器一般由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器、顯示器等幾部分組成。這些都是數(shù)字電路中應用最廣的電路，其組成框圖如圖1所示。

2 計數(shù)譯碼LM8560元件
    計數(shù)譯碼部分采用的是LM8560元件。LM8560為PMOS大規(guī)模集成電路，采用雙列直插塑封，配用4位數(shù)字顯示板。其等效原理框圖如圖2所示。特點：驅(qū)動7段LED發(fā)光管顯示；50／60Hz工作；12／24小時顯示；12小時顯示AM(上午)、PM(下午)指示；超前零關(guān)斷；9分鐘打盹報警；預置59分鐘(或1小時59分鐘)睡眠定時；預置24小時內(nèi)的報警；使用觸摸遞增器設(shè)置控制；電源失效指示；備用RC振蕩器；900 Hz樂音輸出。

    1)50／60 Hz輸出選擇國內(nèi)使用的交流電源頻率為50 Hz，只要將26腳(50／60Hz選擇)接到Vss即可。如果電源頻率為60 Hz時，此腳懸空不接。
    2)12／24小時顯示選擇將第28腳(12／24小時選擇)接到Vss即可顯示24小時格式；此腳懸空不連，可顯示12小時格式。
    3)CR輸入停電時，備用電池自動供電，片子內(nèi)部的時鐘振蕩器立刻工作，代替50／60 Hz輸入，控制時間計數(shù)器繼續(xù)計時，但不顯示；來電時自動轉(zhuǎn)為交流電源，恢復顯示。這樣雖然停電，仍能準確地計時。在CR輸入端接的R和C的數(shù)值，決定片內(nèi)時鐘振蕩器的頻率。備用振蕩器的穩(wěn)定度為±10％，精度為±10％。
    4)50／60 Hz輸入時間計數(shù)器的時基由50／60 Hz交流電源提供時從此端(第25腳)輸入。此端外接簡單的RC濾波電路，能夠消除電源電壓瞬變的影響，否則容易引起時鐘的誤記或器件的損壞。
    5)顯示模式選擇使用單刀單擲開關(guān)可選擇4種顯示中的一種：時間、秒、報警時間、睡眠時間。
    6)時間設(shè)置輸入小時設(shè)置和分設(shè)置端用來對準時間或設(shè)置報警和睡眠時間。在睡眠顯示模式時用小時設(shè)置即可將睡眠計時器置位到1小時59分鐘，否則將置位到59分鐘。
    7)電源失效指示若電源斷電后又來電，則所有筆畫均以1 Hz的頻度閃爍，而后可用小時設(shè)置和分設(shè)置輸入還原。
    8)報警輸出和報警關(guān)輸入如果報警設(shè)置和實時時間符合，則此端輸出控制外部電路發(fā)出以2 Hz斷續(xù)的900 Hz樂音。它可持續(xù)1小時59分鐘，除非它被報警關(guān)輸入或打盹輸入復位，恢復到正常狀態(tài)。此外還可以通過簡單的低通濾波器得到直流輸出，作為控制信號使用。
    9)打盹翰入在報警期間，此端輸入可暫時關(guān)閉報警9分鐘，之后報警信號再現(xiàn)；在報警的1小時59分鐘內(nèi)可以重復使用。
    10)睡眠定時和輸入通常用于59分鐘(或1小時59分鐘)時間間隔內(nèi)自動打開，經(jīng)過59分鐘(或1小時59分鐘)收音機自動關(guān)閉。收音機的關(guān)閉也可用打盹輸入來手控。
    11)使用板限值任意腳上所加的電壓范圍：+0.3～-15．0 V，工作溫度：-20℃～+70℃，儲存溫度：-55℃～+150℃，引線最高溫度(焊接10 s)：300℃。

3 創(chuàng)建電路原理圖
    在Protel99E軟件平臺下繪制如圖3所示的數(shù)字鐘電路圖。

    具體要求為：集成電路LM8560的封裝形式是DIP28；4069的封裝形式是DIP14；電阻RES2的封裝形式是AXIAL0．3；電容CAP的封裝形式是RAD0．1；電解電容ELECTRO1的封裝形式是RB．2／．4；晶振CRYSTAL的封裝形式是XTAL1；二極管DIODE的封裝形式是DIODE0．4；喇叭SPEAK-ER的封裝形式是AXIAL0．4；開關(guān)K1～K5的封裝形式是AXIAL0．3；EN-148-28的封裝形式采用自制。

4 繪制印制電路版
    1)進行電氣規(guī)則檢查和創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)表。
    2)規(guī)劃印制板，設(shè)置文檔參數(shù)。要求印制板尺寸為100mmx70mm；可視柵格1設(shè)置為1mm，可視柵格2設(shè)置為10mm，捕獲柵格設(shè)置為0.5mm。
    3)裝載原理圖的網(wǎng)絡(luò)表，由于二極管封裝中的焊盤編號與原理圖中的不一致，在裝載過程中會出錯所以要修改封裝中的焊盤編號與之保持一致，并進行更新PCB。
    4)元件進行手工布局調(diào)整。
    5)設(shè)置自動布線參數(shù)。具體要求如下：
    布線間隔：0．254 mm；
    布線轉(zhuǎn)彎角度：45°；
    布線層：頂層布線方向垂直，底層布線方向水平；
    布線寬度：網(wǎng)絡(luò)GND為1 mm；其他為0．5mm；
    進行自動布線，后進行手工調(diào)整。布線后的電路如圖4所示。

    6)用3D觀察印制板設(shè)計是否合理。數(shù)字鐘印制電路版3D圖如圖5所示。

5 結(jié)束語
    本系統(tǒng)基于EDA技術(shù)的設(shè)計方法，提出了一種采用PMOS大規(guī)模集成電路LM8560作為計數(shù)譯碼的石英數(shù)字鐘的設(shè)計方案，在Protel99SE軟件平臺下創(chuàng)建原理圖和繪制印制電路版，實現(xiàn)了基本計時顯示和設(shè)置、調(diào)整時間和鬧鐘等功能。解決了數(shù)字鐘從電路設(shè)計、性能分析到設(shè)計出PCB版(即印制電路版)圖的整個過程在計算機上自動處理完成的問題，從而縮短設(shè)計周期、提高設(shè)計效率、減小設(shè)計風險。制作設(shè)計好的數(shù)字鐘印制電路版，按照原理圖安裝電路，最后裝好外殼，一個數(shù)字石英鐘就做好了，如圖6所示。研究數(shù)字鐘及擴大其應用，有著非常的現(xiàn)實意義。