基于EDA技術(shù)的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為使數(shù)字鐘從電路設(shè)計(jì)、性能分析到設(shè)計(jì)出PCB版(即印制電路版)圖的整個(gè)過(guò)程能夠在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)處理完成，從而縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)效率、戰(zhàn)小設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。本系統(tǒng)基于EDA技術(shù)的設(shè)計(jì)方法，提出一種采用P-MOS大規(guī)模集成電路LM8560作為計(jì)數(shù)譯碼的石英數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方案，在Prote199SE軟件平臺(tái)下創(chuàng)建原理圖和繪制印制電路版，實(shí)現(xiàn)了基本計(jì)時(shí)顯示和設(shè)置、調(diào)整時(shí)間和鬧鐘等功能，最后組裝出一個(gè)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(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，傳統(tǒng)數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)過(guò)程要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)方案提出、方案驗(yàn)證和修改3個(gè)階段。一般采用搭接實(shí)驗(yàn)電路的方法進(jìn)行，往往需要實(shí)驗(yàn)和修改的反復(fù)過(guò)程，直到設(shè)計(jì)出正確的結(jié)論為止，例如參考文獻(xiàn)中的多功能數(shù)字鐘的電路設(shè)計(jì)。而利用EDA工具，電子設(shè)計(jì)師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，大量工作可以通過(guò)計(jì)算機(jī)完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì)、性能分析到設(shè)計(jì)出IC版圖或PCB版圖的整個(gè)過(guò)程在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)處理完成。
    電子產(chǎn)品從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)到芯片設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)都可以用EDA工具完成，其中仿真分析、規(guī)則檢查、自動(dòng)布局和自動(dòng)布線是計(jì)算機(jī)取代人工的最有效部分。利用EDA工具，可大大縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，減小設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。
    Protel99SE是一個(gè)32位印制板輔助設(shè)計(jì)軟件包，具有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能，可以完成原理圖、印制板設(shè)計(jì)和可編程邏輯器件設(shè)計(jì)。

1 數(shù)字鐘工作原理
    數(shù)字計(jì)時(shí)器一般由振蕩器、分頻器、計(jì)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(yīng)用最廣的電路，其組成框圖如圖1所示。

2 計(jì)數(shù)譯碼LM8560元件
    計(jì)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(diǎn)：驅(qū)動(dòng)7段LED發(fā)光管顯示；50／60Hz工作；12／24小時(shí)顯示；12小時(shí)顯示AM(上午)、PM(下午)指示；超前零關(guān)斷；9分鐘打盹報(bào)警；預(yù)置59分鐘(或1小時(shí)59分鐘)睡眠定時(shí)；預(yù)置24小時(shí)內(nèi)的報(bào)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(lè)音輸出。

    1)50／60 Hz輸出選擇國(guó)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(shí)，此腳懸空不接。
    2)12／24小時(shí)顯示選擇將第28腳(12／24小時(shí)選擇)接到Vss即可顯示24小時(shí)格式；此腳懸空不連，可顯示12小時(shí)格式。
    3)CR輸入停電時(shí)，備用電池自動(dòng)供電，片子內(nèi)部的時(shí)鐘振蕩器立刻工作，代替50／60 Hz輸入，控制時(shí)間計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)時(shí)，但不顯示；來(lái)電時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)為交流電源，恢復(fù)顯示。這樣雖然停電，仍能準(zhǔn)確地計(jì)時(shí)。在CR輸入端接的R和C的數(shù)值，決定片內(nèi)時(shí)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(shí)間計(jì)數(shù)器的時(shí)基由50／60 Hz交流電源提供時(shí)從此端(第25腳)輸入。此端外接簡(jiǎn)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(shí)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(shí)間、秒、報(bào)警時(shí)間、睡眠時(shí)間。
    6)時(shí)間設(shè)置輸入小時(shí)設(shè)置和分設(shè)置端用來(lái)對(duì)準(zhǔn)時(shí)間或設(shè)置報(bào)警和睡眠時(shí)間。在睡眠顯示模式時(shí)用小時(shí)設(shè)置即可將睡眠計(jì)時(shí)器置位到1小時(shí)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(lái)電，則所有筆畫均以1 Hz的頻度閃爍，而后可用小時(shí)設(shè)置和分設(shè)置輸入還原。
    8)報(bào)警輸出和報(bào)警關(guān)輸入如果報(bào)警設(shè)置和實(shí)時(shí)時(shí)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(lè)音。它可持續(xù)1小時(shí)59分鐘，除非它被報(bào)警關(guān)輸入或打盹輸入復(fù)位，恢復(fù)到正常狀態(tài)。此外還可以通過(guò)簡(jiǎn)單的低通濾波器得到直流輸出，作為控制信號(hào)使用。
    9)打盹翰入在報(bào)警期間，此端輸入可暫時(shí)關(guān)閉報(bào)警9分鐘，之后報(bào)警信號(hào)再現(xiàn)；在報(bào)警的1小時(shí)59分鐘內(nèi)可以重復(fù)使用。
    10)睡眠定時(shí)和輸入通常用于59分鐘(或1小時(shí)59分鐘)時(shí)間間隔內(nèi)自動(dòng)打開，經(jīng)過(guò)59分鐘(或1小時(shí)59分鐘)收音機(jī)自動(dòng)關(guān)閉。收音機(jī)的關(guān)閉也可用打盹輸入來(lái)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(chǔ)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(tái)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(jìn)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(hào)與原理圖中的不一致，在裝載過(guò)程中會(huì)出錯(cuò)所以要修改封裝中的焊盤編號(hào)與之保持一致，并進(jìn)行更新PCB。
    4)元件進(jìn)行手工布局調(diào)整。
    5)設(shè)置自動(dòng)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(jìn)行自動(dòng)布線，后進(jìn)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(jì)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(yǔ)
    本系統(tǒng)基于EDA技術(shù)的設(shè)計(jì)方法，提出了一種采用PMOS大規(guī)模集成電路LM8560作為計(jì)數(shù)譯碼的石英數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方案，在Protel99SE軟件平臺(tái)下創(chuàng)建原理圖和繪制印制電路版，實(shí)現(xiàn)了基本計(jì)時(shí)顯示和設(shè)置、調(diào)整時(shí)間和鬧鐘等功能。解決了數(shù)字鐘從電路設(shè)計(jì)、性能分析到設(shè)計(jì)出PCB版(即印制電路版)圖的整個(gè)過(guò)程在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)處理完成的問(wèn)題，從而縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)效率、減小設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。制作設(shè)計(jì)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(gè)數(shù)字石英鐘就做好了，如圖6所示。研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非常的現(xiàn)實(shí)意義。