基于EDA技术的数字钟设计与实现

摘要：为使数字钟从电路设计、性能分析到设计出PCB版(即印制电路版)图的整个过程能够在计算机上自动处理完成，从而缩短设计周期、提高设计效率、战小设计风险。本系统基于EDA技术的设计方法，提出一种采用P-MOS大规模集成电路LM8560作为计数译码的石英数字钟的设计方案，在Prote199SE软件平台下创建原理图和绘制印制电路版，实现了基本计时显示和设置、调整时间和闹钟等功能，最后组装出一个完整的数字钟。
关键词：EDA技术；数字钟；LM8560；Prote199SE；印制电路版

    数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，传统数字钟的设计过程要经过设计方案提出、方案验证和修改3个阶段。一般采用搭接实验电路的方法进行，往往需要实验和修改的反复过程，直到设计出正确的结论为止，例如参考文献中的多功能数字钟的电路设计。而利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在计算机上自动处理完成。
    电子产品从系统设计、电路设计到芯片设计、PCB设计都可以用EDA工具完成，其中仿真分析、规则检查、自动布局和自动布线是计算机取代人工的最有效部分。利用EDA工具，可大大缩短设计周期，提高设计效率，减小设计风险。
    Protel99SE是一个32位印制板辅助设计软件包，具有强大的设计功能，可以完成原理图、印制板设计和可编程逻辑器件设计。

1 数字钟工作原理
    数字计时器一般由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等几部分组成。这些都是数字电路中应用最广的电路，其组成框图如图1所示。

2 计数译码LM8560元件
    计数译码部分采用的是LM8560元件。LM8560为PMOS大规模集成电路，采用双列直插塑封，配用4位数字显示板。其等效原理框图如图2所示。特点：驱动7段LED发光管显示；50／60Hz工作；12／24小时显示；12小时显示AM(上午)、PM(下午)指示；超前零关断；9分钟打盹报警；预置59分钟(或1小时59分钟)睡眠定时；预置24小时内的报警；使用触摸递增器设置控制；电源失效指示；备用RC振荡器；900 Hz乐音输出。

    1)50／60 Hz输出选择国内使用的交流电源频率为50 Hz，只要将26脚(50／60Hz选择)接到Vss即可。如果电源频率为60 Hz时，此脚悬空不接。
    2)12／24小时显示选择将第28脚(12／24小时选择)接到Vss即可显示24小时格式；此脚悬空不连，可显示12小时格式。
    3)CR输入停电时，备用电池自动供电，片子内部的时钟振荡器立刻工作，代替50／60 Hz输入，控制时间计数器继续计时，但不显示；来电时自动转为交流电源，恢复显示。这样虽然停电，仍能准确地计时。在CR输入端接的R和C的数值，决定片内时钟振荡器的频率。备用振荡器的稳定度为±10％，精度为±10％。
    4)50／60 Hz输入时间计数器的时基由50／60 Hz交流电源提供时从此端(第25脚)输入。此端外接简单的RC滤波电路，能够消除电源电压瞬变的影响，否则容易引起时钟的误记或器件的损坏。
    5)显示模式选择使用单刀单掷开关可选择4种显示中的一种：时间、秒、报警时间、睡眠时间。
    6)时间设置输入小时设置和分设置端用来对准时间或设置报警和睡眠时间。在睡眠显示模式时用小时设置即可将睡眠计时器置位到1小时59分钟，否则将置位到59分钟。
    7)电源失效指示若电源断电后又来电，则所有笔画均以1 Hz的频度闪烁，而后可用小时设置和分设置输入还原。
    8)报警输出和报警关输入如果报警设置和实时时间符合，则此端输出控制外部电路发出以2 Hz断续的900 Hz乐音。它可持续1小时59分钟，除非它被报警关输入或打盹输入复位，恢复到正常状态。此外还可以通过简单的低通滤波器得到直流输出，作为控制信号使用。
    9)打盹翰入在报警期间，此端输入可暂时关闭报警9分钟，之后报警信号再现；在报警的1小时59分钟内可以重复使用。
    10)睡眠定时和输入通常用于59分钟(或1小时59分钟)时间间隔内自动打开，经过59分钟(或1小时59分钟)收音机自动关闭。收音机的关闭也可用打盹输入来手控。
    11)使用板限值任意脚上所加的电压范围：+0.3～-15．0 V，工作温度：-20℃～+70℃，储存温度：-55℃～+150℃，引线最高温度(焊接10 s)：300℃。

3 创建电路原理图
    在Protel99E软件平台下绘制如图3所示的数字钟电路图。

    具体要求为：集成电路LM8560的封装形式是DIP28；4069的封装形式是DIP14；电阻RES2的封装形式是AXIAL0．3；电容CAP的封装形式是RAD0．1；电解电容ELECTRO1的封装形式是RB．2／．4；晶振CRYSTAL的封装形式是XTAL1；二极管DIODE的封装形式是DIODE0．4；喇叭SPEAK-ER的封装形式是AXIAL0．4；开关K1～K5的封装形式是AXIAL0．3；EN-148-28的封装形式采用自制。

4 绘制印制电路版
    1)进行电气规则检查和创建网络表。
    2)规划印制板，设置文档参数。要求印制板尺寸为100mmx70mm；可视栅格1设置为1mm，可视栅格2设置为10mm，捕获栅格设置为0.5mm。
    3)装载原理图的网络表，由于二极管封装中的焊盘编号与原理图中的不一致，在装载过程中会出错所以要修改封装中的焊盘编号与之保持一致，并进行更新PCB。
    4)元件进行手工布局调整。
    5)设置自动布线参数。具体要求如下：
    布线间隔：0．254 mm；
    布线转弯角度：45°；
    布线层：顶层布线方向垂直，底层布线方向水平；
    布线宽度：网络GND为1 mm；其他为0．5mm；
    进行自动布线，后进行手工调整。布线后的电路如图4所示。

    6)用3D观察印制板设计是否合理。数字钟印制电路版3D图如图5所示。

5 结束语
    本系统基于EDA技术的设计方法，提出了一种采用PMOS大规模集成电路LM8560作为计数译码的石英数字钟的设计方案，在Protel99SE软件平台下创建原理图和绘制印制电路版，实现了基本计时显示和设置、调整时间和闹钟等功能。解决了数字钟从电路设计、性能分析到设计出PCB版(即印制电路版)图的整个过程在计算机上自动处理完成的问题，从而缩短设计周期、提高设计效率、减小设计风险。制作设计好的数字钟印制电路版，按照原理图安装电路，最后装好外壳，一个数字石英钟就做好了，如图6所示。研究数字钟及扩大其应用，有着非常的现实意义。