pads实验指导书.docx

目 录

实验一、简单电源滤波电路设计 -----------------------2 实验二、触摸延时开关电路设计 ------------------ 14
实验 三、 单片 机最小 系统 电路 设计 --------------- 30

实 验 四、 单 片 机 接 口 电 路 设 计 - - -- --- -- -- -- -- -- 46 实验五、 GPS 接收系统电路设计 ------------------ 68 实验六、负极性感光板设计 ------------------------77

1
实验一、简单电源滤波电路设计

实验目的：
掌握电子产品设计的基本流程和方法
熟悉 PADS 软件使用方法
掌握使用 PADS 软件绘制电子产品原理图

学习方法：
课程实践性强，多动手操作
课程要求的背景知识丰富，结合课程多了解相关的产品设计知识 多交流沟通

电子 CAD 的发展：

2

CAD (Computer Aided Design)



CAM
(Computer Aided Manufacturing)

CAE (Computer Aided Engineering)

CAT
(Computer Aided Test)




EDA
(Electronic Design Automatic)

常见的电子产品硬件设计的 EDA 工具：
Altium 公司-Protel 系列(Protel 99)
Mentor Graphics 公司-PADS 系列(PADS Logic、 PADS Layout、 PADS Router ) Cadence 公司-Orcad Capture， Allegro
电子产品硬件设计的基本流程：
概要设计
详细设计
集成测试
单元测试
需求分析

需求分析： 着重于产品的市场分析层面。也关注关键技术的可获得性。具体输出是需 求分析报告。重点解决是否要做的问题。
概要设计： 着重于产品的硬件具体实现方案和关键技术的分析。 具体输出是硬件概要
设计报告。重点解决能不能做到问题。

详细设计： 单板的原理图设计和 PCB 设计。最终输出是可供软件调试和应用的硬件 单板。重点是单板的具体实现。
单元测试： 包括各功能单元模块的功能测试和信号质量的测试。 最终输出是硬件单板 详细测试报告。重点是保证单板的各单元模块的正常功能和电气特性。
系统测试： 硬件单板的集成功能测试，一般需要结合软件才能完成。最终输出是硬件 单板集成功能测试报告。重点是保证产品的系统功能的实现。

电路设计(单板详细设计)的主要步骤：
原理图设计 网表生成 PCB设计 生成PCB生产文件

生成相关报表

PADS Logic原理图设计环境的建立

PADS Logic 使用 windows 风格的菜单命令方式。包括：下拉菜单、弹出菜单、 工具盒、工具条、命令按钮、快捷命令等等；
PADS Logic 主要包括工具栏、工作区、项目资源管理窗口、输出窗口、状态栏 等几个窗口；
标题栏
菜单栏

工具

设计窗口

项目资
源管理

输出窗口 状态栏

3
设计单位换算：
1Inch = 1000 mil
1mil = 1/1000 Inch
1Inch = 2.54cm = 25.4mm
1mil = 0.0254mm
1Metric = 1mm = 1/1000 meter

1、设计单位设置： Setup->Design Rules-> Units

2、设计栅格(Design Grid)设置： Tools->Options-> Design-Grids
设计栅格(Design Grid)指的是光标每移过一小格的距离，确定增加元件 (Parts)和 连线(Connections)的间隔和转角的位置。这个栅格用于绘制项目， 如多边形(Polygons)、 不封闭图形(Paths)、圆(Circles)和矩形(Rectangles)

4

3、显示栅格(Design Grid)设置：
Tools->Options-> Global-Display Grids 这是一种点状的栅格，用于设计的辅助。

4、 PADS 缺省工作库的加载

5
File->Library Manager->Manage Lib.list->Add commom 元件库
注： commom 元件库是在安装程序过程中从安装程序 OPY 过来的元件库

5、页面设置(Sheet)：
纸张(Size)类型；页面(Sheet)类型。 Tools->Options-> Design

6
6、添加页面边框：
执行“ADD 2D Line from Library” ,再选择 SIZEA4,按确定。

7、边框格式的修改和保存：
a) 按右键，选择“Select Drafting Items”，再选中页面边框
b) 再按右键，选择“Explode”
c) 用绘图工具对页面边框进行修改
d) 修改完成后，选择所有的页面边框元素，再按右键，选择“Combine”
e) 再点击合并后的页面边框，按右键选择“save to libray”,设置具体名称后保存到 元件库中。
8、设计窗口颜色设置： Setup->Display colors
修改后的颜色配置文件放在 :\MentorGraphics\2007PADS\SDD_HOME\Settings\*.ccf

7

9、设计字体设置： Setup->Fonts

电源滤波电路原理图的绘制

1、设计目的：
实现简单的 5V 直流电源输入端口电源指示和简单滤波
2、参考原理图如下：

3、元件库的加载
Files -> Library-> Manage Lib. List 见如下窗口
删除无用元件库，增加新的元件库 learn

8

4、元件的放置和连线

按照参考原理图将本项目中的所有元件放置好，并将管脚都连接好。

电源滤波电路的 PCB 设计

1、设计目的：
将上面的原理图生成 PCB 文件， PCB 板的尺寸大小为 1.27cm*5.08cm.
2、元件库的加载
Files -> Library-> Manage Lib. List 见如下窗口
删除无用元件库，增加新的元件库 learn

9

3、设置单板的层定义 Setup -> Layer Definition

10

4、设置单板 PCB 设计的单位类型 Tools -> Options-> Global

5、设置单板走线的宽度 Setup -> Design Rules

11
6、设置单板设计的栅格 Tools -> Options

7、设置单板的外边缘的尺寸
Drafting Toolbar -> Board Outline and Cut Out

8、元件布局
a) Tools -> Disperse Components
b) 通过 PADS Logic 来选择器件并放置器件
9、元件布线
a) Design Toolbar -> Add Router

12
b) 将各元件之间的管脚之间通过走线连接起来。
c) 布线完成之后再调整器件的丝印位置。
d) 最后再加上单板说明文字。
10、窗口颜色的简单设置 Setup -> Display Colors
修改单板PCB 说明文字的显示颜色

11、最终的参考设计输出

13
实验二、触摸延时开关电路设计

实验目的：
了解触摸延时开关电路的工作原理
熟练使用 pads 软件设计 cae 封装
熟练掌握电子产品 PCB 自动化设计软件的使用

项目介绍

项目目的：
通过 NE555 定时器来实现触摸延时开关电路， 输出开关信号给继电器。 通过继电 器的开关闭合来实现电源插座的通断。
此部分电路可应用于公用楼道、 电梯和私人住宅等只需短暂开启应用的照明灯使 用。
项目参考原理图：

原理说明：
整个电路围绕定时芯片 NE555 来展开。在这里将 NE555 接成单稳态电路。
平时由于触摸片 P 端无感应电压， 电容 C1 通过 555 第 7 脚放电完毕， 第 3 脚输出 为低电平，继电器 KS 释放，电灯不亮。
当需要开灯时，用手触碰一下金属片 P，人体感应的杂波信号电压由 C2 加至 555 的触发端，使 555 的输出由低变成高电平，继电器 KS 吸合，电灯点亮。同时， 555 第 7 脚内部截止，电源便通过 R1 给 C1 充电，这就是定时的开始。
当电容 C1 上电压上升至电源电压的 2/3 时， 555 第 7 脚道通使 C1 放电，使第 3 脚输出由高电平变回到低电平，继电器释放，电灯熄灭，定时结束。

14
定时长短由 R1、C1 决定： T1=1. 1R1*C1。 按图中所标数值， 定时时间约为 4 分钟。

开关电路原理图绘制

开关电路部分参考原理图 :

PADS 设计软件中元件三要素之间的关系：
Part Type

CAE Decal
PCB Decal 其它信息

Part Type:
元件类型。 对于一种具体类型的元件。 除了包括元件的原理图封装和 PCB 封装外， 还包含其他的电气信息，如元件包含的逻辑单元、元件名、连接引脚、门交换信息、 其它属性等等。
CAE Decal:
元件的原理图封装， 也称为 CAE(Computer-Aided Engineering)封装。 主要表示元 件放在原理图编辑软件中的几何形状。原理图封装的主观性比较强。
PCB Decal:
元件的 PCB 封装。主要表示元件在 PCB 设计中的几何形状。其中的管脚信息是不 可更改的。 PCB 封装的客观性比较强。
一个元件类型可以包含几种 CAE 封装和几种 PCB 封装。
1、特殊符号 CAE 封装的制作:
在 PADS 中，电源、地、页间连接符属于特殊符号。

15
这类符号都具有 CAE 封装，在元件库中都能找到，但是它们不具有 PCB 封装。因为 它们只是表示一种连接符号，并不是真正的元件。
这类特殊的符号在制作 CAE 封装时也跟其它普通的元件的制作方法不一样。下面 就以电源符号的修改为例来看一下它们的制作流程。
新的电源符号 CAE 封装的制作过程:
步骤 1，打开元件编辑器 :
TOOLS/Part Editor:

步骤 2，打开电源符号编辑窗口 :
File/Open 选择 Power:

步骤 3，点击“Edit Electrical”然后在该编辑窗口选择“Add”，输入要增加的新 的电源符号 “+1V2”

16

步骤 4，点击“ Edit Graphics”然后在该选择窗口中选择刚增加的新的电源符号
“+1V2”

步骤 5，在该编辑窗口中用编辑工具编辑新的电源符号 +1V2 的图形(如下)：

17

第8脚
步骤 6，编辑完成后，再按“Return to Part”。 按“Save” 后再按“Exit Part Editor” .退出整个编辑器。
步骤 7，最后执行 Tools 菜单下的“Updating Off-page from Library”.这样新的
电源符号就可以用了。
注意： 由于 Powerlogic本身的BUG，正在编辑的原理图可能对修改后的电源符号不能 生效。所以一般都是在编辑原理图之前进行修改特殊符AE 封装的操作。
2、新元件(手工)的制作:
以 HRS2 型继电器为例。下图为其功能和外形图。

第1脚

下图为其参考 CAE 封装图。

3、新元件的制作四大步骤 :

18

创建新元件
制作CAE封装 (PADS Logic)
分配CAE封装
制作PCB封装 (PADS PCB)
分配PCB封装

增加其它属性描述
PADS Logic

4、新元件(手工)制作的详细过程:
步骤 1，打开元件编辑器 :
TOOLS/Part Editor/New:

步骤 2，点击“Edit Graphics”后，按“确认”进入如下窗口:

19

步骤 5，在“Edit Electrical ”选中“Gates”,为元件分配“RLY-HRS2”的 CAE 封
装.
步骤 3，通过一系列“Create 2D Line”命令编辑如下 CAE 图形 :

步骤 4，通过一系列的“Add Terminal ”给元件增加管脚。

20

步骤 6，点击“Edit Electrical”然后在该编辑窗口选择“PCB Decal”，为元件设 置“RLY-RY”的 PCB 封装.

步骤 7，在“Edit Electrical ”选中“Attributes” ,为元件分配“Value”的值 .

5、用新的元件完成前面参考原理图的绘制

触摸延时控制原理图绘制

本部分电路主要是围绕 NE555 来设计的。参考设计原理图如下：

21

1、新元件制作(CAE Wizard)的详细过程:
NE555 的管脚功能和 PCB 封装如下：

22
步骤1，打开元件编辑器 : TOOLS/Part Editor/New:



步骤 2，点击“ Edit Graphics ” 后， 按“确认”进入如下窗口 :

步骤 3，点击“CAE Decal Wizard”，进入如下窗口：

步骤 4，配置参数后，按“OK”，进入如下窗口：在其中对 NE555 的 CAE 封装进行调 整和修改。

步骤 5 ，再修改管脚属性，修改完成后按保存退出。
步骤 6，通过“Edit Electrical”的“PCB Decal”设置其 PCB 封装。
步骤 7，通过“Edit Electrical”的“Attributes”设置元件的其他属性。
2、增加新的设计页面 :
进入 Setup->Sheets 窗口，增加新的页面并输入页面名称。

23

3、在新的设计页面中完成前面参考原理图的绘制 :
主要将“Switch”信号设置为页间连接符。如果想显示页间连接符所在的页号， 需选中下图中的“Off-Sheet Labels”。

触摸延时开关电路的 PCB 设计

1 、设计目的：

a)将上面的原理图生成 PCB 文件， PCB 板的尺寸大小为 1.27cm*5.08cm。 b)同时四边的外边缘保留 2mm 的空间不能放置任何元件和走线。
c) 电源和地走线为 20mil，其它走线为 8mil。
2 、禁布区的设置：
步骤 1、进入颜色设置窗口 Setup -> Display Colors 修改单板 keepout 的显示颜 色

24

步骤2、执行“keepout”命令，进入如下窗口。设置禁布区的相关内容。

步骤3、最后生成如下边框内容。

3、元件的按组布局：

25
元件(Component)
封装(Decal)
引脚对(Pin pairs)
组(Group)
网络(Net)
类(Class)
默认规则(Default rules)
方法 1： 通过 PADS Logic 和 PADS PCB 的交换功能，先在 PADS Logic 中选中多个 元件然后再形成组。布局时对组进行操作。这样减少布局时的操作次数。
方法 2： 通过 PADS PCB 的资源管理器，也可以选中多个元件然后再形成组。布局 时对组进行操作。
布局完成后需要初步调整一下各元件的丝印位置。

4、设计规则的设置：

最高优先级

最低优先级

进入Design Rules中，创建“POWER”类包含+5V电源和GND两个信号网络。

再进入 Clearance 中，设置“POWER”的走线宽度为 20mil。

26

再进入Design Rules -> Default中，设置缺省的走线宽度为8mil。这样其余的所 有走线宽度就都为8mil了。

27
5 、网络显示颜色的设置：
颜色。

View -> Nets 进入如下窗口，设置对应网络的显示

6、修改 PCB 文件中显示的最小走线尺寸： Tools\Options\Global 进入如下窗口，设置 Minimum display 为“0”。缺省值为“10”。

7、打开 Design Toolbar, 采用其中的布线工具完成 PCB 图的布线。
布线完成后在调整确认一下丝印，最后再增加上单板的说明文字。
注意：再Design Rules -> Default项中要设置正反两面都可以走线。如下图：

布线层

8 、参考设计图。

28

9、顶层。

10、底层。

29

实验三、单片机最小系统电路设计

实验目的：
了解单片机最小系统电路设计方法
熟练掌握使用 PADS 软件向导绘制 CAE 封装
熟练掌握电子产品 PCB 自动化设计软件的使用

项目介绍

项目目的：
本项目主要包括两大部分的电路，一个是指示灯显示电路，这部分电路实现在单 片机的控制能显示 8 位 LED 灯。比如在单片机软件的控制下方便的实现流水灯的功能。 另 外 一 部分 实 现一 个 完 整的 C51 单片 机 最小 控 制系 统 的功 能。 主要 包 括一 片 AT89C51RB2 和外部存储 RAM 芯片(6264)以及有 74LS138 组成的片选译码电路等等.
项目工作原理框图：

采用层次化原理图的设计， CPU 部分代表单片机最小系统， DISPLAY 部分代表显 示电路。 51 单片机通过 P1.0 口和片选信号来实现对指示灯电路的控制和显示。

CPU 部分电路如下：

30

DISPLAY 部分电路如下：

31

层次化原理图设计方法：
a) 自顶向下
b) 自底向上
本项目采用自顶向下的设计方法。符号实际产品的设计过程。
层次化原理图设计步骤：

步骤 1)打开 New Hierarchical Symbol，进入如下窗口，输入实际的管脚数和页 面名称等参数。如下图。

步骤 2)点击“OK”，进入下面的编辑窗口，输入各连接端口管脚的名称

32

步骤 3)最后再完成各 SYMBOL 之间的连接。

指示灯显示电路原理图设计

参考原理图如下：

33

设计要点：
1、 74LS244 的元件的创建(先不设置它的 PCB 封装)。
a)芯片手册见74LS244.pdf文件。
b)参考设计如下。

c)管脚分别和逻辑功能。

34

2、设置元件的显示特性，如下将电阻的管脚显示关闭

35
单片机实验电路原理图设计
参考原理图如下：

36
设计要点 1： 利用已有的元件修改成的新的元件入库(利用 104 电容修改成 22pF 的电 容)。
步骤 1：进入 Part Edit，打开 104 元件。修改其中的 value 值。

步骤 2：按另存，修改元件名称为“22p”,保存退出。

设计要点 2: 利用总线的设计方式连接 AT89C51、 373 和 6264。
步骤 1：执行“Add Bus”命令，在原理图中添加数据总线 Data[0:7] 。口中输入总线 中的网络名“DATA0”。

37

步骤 2：执行“Add Connection”命令，将P0.0 连接到总线，然后再下面的窗

步骤 3：执行“Select Connection”命令，选择刚才的 DATA0 连接，然后执行 “Duplicate”命令，将连线复制到其它的总线连接端口上。重复多次就将其他的端
口连接到总线上了。

单片机实验电路 PCB 设计

1 、设计目的：
a)将上面的原理图生成 PCB 文件， PCB 板的尺寸大小为 10cm*7cm。 b)同时四边的外边缘保留 2mm 的空间不能放置任何元件和走线。 c) 电源和地走线为 20mil，其它走线为 8mil。
d)走线过孔的大小设为外径，外径为 30mil, 内径为 20mil 。
2、设计要点 1-通过向导生成 PCB 封装：
目的： 通过向导生成 74LS244 的插件 PCB 封装， 封装名字“DIP20-74LS244”。PCB

38
尺寸如后图。

步骤 1：运行 PADS Layout，执行其中的“TOOLS->PCB Decal Editor”。

步骤 2：再执行绘图工具栏中的“Wizard”。如下：

39

步骤 3：将其中的参数设置成如下配置，再按 OK 保存退出。

步骤 4： 执行“FILE->SAVE”后输入 PCB 封装的名称为“DIP20-74LS244”。 则将 此封装保存到对应的元件库中。

通 过 修 改 PADS Logic 中 的 元 件 编 辑 器 将 74LS244 的 PCB 封 装 设 置 为

40

“DIP20-74LS244”。
3、设计要点 2-手工生成 PCB 封装：
目的：通过手工制作两 PIN 插针的PCB 封装。
两 PIN 插针的插针间距为 2.54mm，插针是直径为 0.8mm 的方形针。

步骤 1：运行 PADS Layout，执行其中的“TOOLS->PCB Decal Editor ”。进入 PCB 封装编辑器。

步骤 2：执行的“Add Terminal”。手工增加焊盘。并将焊盘放置在编辑窗口上。

步骤 3：选中焊盘，按右键进入其中的“ Pad stack”。然后修改焊盘形状为方形焊 盘，并且将 Size 和 Drill size 改为 70(mil)和 50(mil).

41

步骤 4： 采用类似方法在增加一个焊盘， 焊盘形状为圆形焊盘， 并且将 Size 和 Drill
size 改为 70(mil)和 50(mil). 并将位置设置为(X=100， Y=0)。

步骤 5：通过“2D Line” 给此 PCB 封装增加一个外框。

步骤 5：执行“FILE->SAVE”后输入 PCB 封装的名称为“PIN2”。则将此封装保存到

42

对应的元件库中。

4、设计要点 3-修改 PCB 布线的过孔的大小：

步骤 1：执行“Setup”中的“PAD Stacks” ,选择“via”,设置“Diameter”为 30 (mil) , “Drill”为 20 (mil)。

5、参考 PCB 设计(双面)：

43

参考 PCB 设计(顶面)：

参考 PCB 设计(底面)：

44

45
实验四、单片机接口电路设计

实验目的：
掌握单片机接口电路设计方法
熟练 PADS 软件 part 元件绑定规则
熟练掌握电子产品 PCB 自动化设计软件的使用

项目目的：
在 project 3 的基础上增加 D/A 转换接口电路。 D/A 转换接口电路由 DA0832 和
运放 LM324 来是实现。

D/A 转换接口电路参考原理图：

46

设计要点 1- 单逻辑子模块元器件的制作(DA0832)：
a)在 PADS Logic 中新建元件和 CAE 封装。
b)在 PADS PCB 中建立元件的 PCB 封装。
逻辑功能框图和管脚连接示意图：

47

PCB 封装尺寸图：

48
设计要点 2- 多逻辑子模块元器件的制作(LM324)：
a)在 PADS Logic 中新建元件和 CAE 封装。
b)在 PADS PCB 中建立元件的 PCB 封装。
逻辑功能框图和管脚连接示意图：

PCB 封装尺寸图：

49

设计要点 2- 多逻辑子模块元器件的制作(LM324)：
步骤 1：建立子模块的 CAE 封装。

50

设计要点 2- 多逻辑子模块元器件的制作(LM324)：
步骤 2：保存新的 CAE 封装和新的元件名称为 LM324。

设计要点 2- 多逻辑子模块元器件的制作(LM324)：
步骤 3：设置新元件 LM324 的 PCB Decal 封装为 DIP14-LM324。

51

设计要点 2- 多逻辑子模块元器件的制作(LM324)：
步骤 4： 为新元件 LM324 再增加三个新的逻辑子功能模块 (PAD Logic 称为Gate)。
同时将交换组号设置为同一组号值“ 1”。
注意：逻辑子模块的交换功能是在PADS PCB的 ECO 功能中实现的。

设计要点 2- 多逻辑子模块元器件的制作(LM324)：
52

步骤 5 ：设置器件的各逻辑子模块的管脚分配和信号管脚参数。

设计要点 2- 多逻辑子模块元器件的制作(LM324)：
步骤 6 ：点击确认后出现如下窗口。

设计要点 2- 多逻辑子模块元器件的制作(LM324)：

53

步骤 7 ：再继续设置其它的元件属性。

设计要点 2- 多逻辑子模块元器件的制作(LM324)：
步骤 8：再继续设置其它的元件属性。至此，新元件 LM324 建立完毕

54
设计要点 3- 产生元件 BOM 清单：
步骤 1：执行“File->Reports”,选中“Bill of Materials”。
按 OK ，就可以生成