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1、目 录1. 绪论11.1 课题研究的背景与意义11.2 国内外发展现状21.3 印制电路板的发展趋势31.4 课题的主要研究内容44. 多功能数显电路原理设计54.1 多功能数显电路的原理图设计54.1.1原理图设计的一般流程54.1.2多功能数显电路系统框图64.1.3 多功能数显电路各模块64.1.4 原理图层次化104.1.5 多功能数显电路总原理图114.2 多功能数显电路PCB设计124.2.1 PCB设计的一般流程124.2.2布线规则设置134.2.4设计中遇到的问题与解决方案154.2.7 多功能数显电路的PCB175. 基于FPGA的数字钟程序设计215.1 数字钟功能描述及
2、系统框图215.2 分频模块215.3 时间计时模块22结 论24参考文献25 / 文档可自由编辑打印1. 绪论1.1 课题研究的背景与意义 印制电路板（Printed circuit board，简称PCB）是组装电子零件用的基板，是在通用基材上按预定设计形成点间连接及印制元件的印制板。该产品的主要功能是使各种电子零组件形成预定电路的连接，起中继传输的作用，是电子产品的关键电子互连件。印刷电路板的制造品质，不但直接影响电子产品的可靠性，而且影响系统产品整体竞争力，因此印刷电路板被称为“电子系统产品之母”。印刷电路板产业的发展水平可在一定程度上反映一个国家或地区电子产业的发展速度与技术水准。
3、PCB的产业链比较长，电子级玻璃纤维纱、电子级玻璃纤维布、铜箔、环氧树脂、覆铜板、印制电路板、整机装配是一条产业链上紧密相连、唇齿相依的上下游产品。印刷电路板在大量电子产品中得到广泛的应用，目前尚没有能够替代印刷电路板的成熟技术和产品。PCB的基本制作工艺“减成法”近几十年一直没发生重大的改变：即采用网版印刷的方式将金属蚀刻从而得到PCB，这就是印刷电路板这一名称的由来。由于这种制作工艺不够环保，产生的废水、废气比较多，目前已经有不少机构开始研发和传统电路板制作方法根本不同的其他工艺，如喷墨电路板、光刻电路板等。爱普生发明的“喷墨技术”PCB，是用液态金属代替墨水将其从打印头喷出，把必要的材料
4、喷涂到必要的位置，形成金属薄膜。应用“液体成膜技术”，就能够把晶片上的电路图样像用打印机打印图画一样描绘出来。与传统的“照相平板技术”相比，基于喷墨技术的电路板生产工艺有着诸多优势：由于电路只在需要的地方成型，因此可以大量节省原料；因为整个过程是一个干处理工艺，所以不会产生废液；生产步骤的减少使得能耗降低；而且此种工艺还非常适应高混合、小批量生产，以及多层结构生产的要求。更值得一提的是，基于喷墨技术的整个处理流程是一个环保、低环境负荷的生产过程。限于成本，这种电路板目前还远不能量产；但在环保问题日益严重情况下，这是一种发展趋势。目前，全球PCB 产业产值占电子元件产业总产值的四分之一以上，是各
5、个电子元件细分产业中比重最大的产业，产值规模达400亿美元。同时，由于其在电子基础产业中的独特地位，也是当代电子元件业中最活跃的产业，印制电路板在整个电子元件产值中的比例呈现加重趋势，因为随整机产品品种结构的调整，印制电路板在单台最终产品中的所需面积虽逐渐减小，但由于精度和复杂度的提高，在整机成本中的PCB价值比重反而有所增加，是电子元件产业发展的主要支柱。在电子元件产业中，PCB产业的产量规模仅处于半导体产业，随着PCB应用领域的不断扩大，其重要性还在进一步提高。如今，印制电路板广泛应用于各个领域，几乎所有的电子设备中都包含相应的印制电路板，小到电子手表、计算器、电子玩具，大到计算机、通信设
6、备、广播电视等。只要存在集成电路等电子元器件，它们之间的电气连接就需要采用印制电路板来进行连接。它提供了集成电路等电子元器件固定装配的机械支撑、实现集成电路等电子元器件之间的布线和电气连接或者电绝缘、提供所要求的电器属性；同时还可以为自动锡焊提供阻焊图形，以及为元器件插装、检查和维修提供识别文字符号和图形符号等。1.2 国内外发展现状随着微电子技术的快速发展，特别是晶体管在电子系统和设备中的广泛应用，电子系统和设备的功能与结构变得十分复杂，因此最初采用手工搭建电路的方法已经远远不能满足设计的需要了，这时出现了印制电路板的概念。1903年，Albert Hanson首先采用了“线路”的概念，并把
7、它应用于电话交换系统。这种概念是把薄薄的金属箔切割成线路导体，然后再把它们黏合在石蜡纸上，最后在上面同样贴上一层石蜡纸，这样便构成了现今印制电路板的结构雏形。1936年，Paul Eisner博士真正发明了印制电路板的制作技术，自此印制电路板便迅速得到了广泛的应用。世界电子电路行业在经过20002002年的衰退之后，2003年出现了全面的复苏。全世界2002 年PCB总产值为316亿美元，2003年为345亿美元，同比增长9.18%，其中挠性板、刚柔板占15%。而2004年基本保持了这一势头，业内分析人士认为整个世界电子电路的发展，尤其是亚洲和中国的发展迎来了一个新的高峰，而且这个高峰将会持续
8、到2012 年。根据 Prismark统计和预测，印刷电路板产品的全球产值于20062012年期间将由约420亿美元增至约537亿美元，平均复合年增长率约为6.3%。全球 PCB 产业增长情况如图1.1所示。 单位：10亿美元图1.1全球 PCB 产业增长情况从统计的角度来看，PCB 行业目前十分繁荣，但实际上遇到较多的困难。一方面，发达国家产业的转移造就繁荣，水平提升；另一面，到达阶段顶点之后，发展带来的问题显现，制约前进的空间，劳动力、水电、环境等资本不再廉价。电子产品进入微利时代，价格战改变了供应链，亚洲国家中，中国兼具成本和市场优势。PCB行业由于受成本和下游产业转移的影响，正逐渐转移
9、到中国。中国增长的趋势分析：下游产品的需求推动产业本身的发展，产业从发达国家转移到中国，但中国政府出于对环境保护的考虑，限制4层以下的低端产品，鼓励HDI等高端产品，这些因素共同作用，促进PCB向高端产品发展。在成本优势方面，中国在劳动力、土地、水电、资源和政策等方面具有巨大的优势，虽然在主要原材料的还需要进口，但替代进口的产品逐渐增多。下游产业在中国的蓬勃发展，全球整机制造转移中国，提供了巨大的市场需求空间。是各种电子产品主要配套产品，产业链涉及到电子产品方方面面，无论是消费类家电产品和工业类整机，如计算机、通信设备、汽车，以及国防工业均离不开PCB。中国由于下游产业的集中及劳动力土地成本相
10、对较低，成为发展势头最为强劲的区域。我国于2003年首度超越美国，成为世界第二大PCB生产国，产值的比例也由2000年的8.54%提升到15.30%，提升了近1倍。2006年中国已经取代日本，成为全球产值最大的PCB 生产基地，远远高于全球行业的增长速度。20002006 年内地PCB市场规模年增率平均达20%，远远超过其他主要生产国。展望未来，在各国外资竞相加码扩产下，预估2012年内地PCB市场规模可望成长17%，全球市场占有率超过25%。1.3 印制电路板的发展趋势印制板从单层板发展到双层板、多层板和挠性板，并不断地向高精度、高密度和高可靠性方向发展。不断缩小体积、减少成本、提高性能，使
11、得印制板在未来电子产品的发展过程中，仍然保持强大的生命力。对于双面板和多层板而言，印制板技术水平的标志是把大批量生产的印制板在2.50 mm或2.54mm标准网格交点上的两个焊盘之间，能布设导线的根数作为标志。在两个焊盘之间布设一根导线，为低密度印制板，其导线宽度大于0.3mm。在两个焊盘之间布设2根导线，为中密度印制板，其导线宽度约为0.2 mm。在两个焊盘之间布设3根导线甲为高密度印制板，其导线宽度为0.10.15 mm。在两个焊盘之间布设4根导线，可算超高密度印制板，线宽为0.050.08mm。国外曾有杂志介绍了在两个焊盘之间可布设5根导线的印制板。对于多层板来说，还应以孔径大小、层数多
12、少作为综合衡量标志。 密集组装板面打线(WireBond)盛行，镀镍镀金越来越重要，柱状嗅化镍将兴起，PCB设计与制作技术难度加大，薄板、大尺寸排板、小孔剧增，纵横比(AspeetRatio )加大，水平反脉冲与垂直反脉冲供电方式被广泛应用，盲孔镀铜则以垂直自走涡流搅拌方式为宜，如UCON。 细线制作困难，特性阻抗要求也越来越严格，对线边齐直度要求也逐渐苛求。方式如:采用薄铜皮、平行光曝光、湿膜薄光阻、部份蚀刻法(PartialEtching )或砂带HlJ薄法等进行批量生产。国内外专家对未来印制板生产制造技术发展趋势的论述基本是一致的密度、高精度、细孔径、细导线、小间距、高可靠、多层化、高速
13、传输，在性能上向高轻量、薄型方向发展。在生产工艺上向提高生产率、降低成本、减少污染，适应多品种、小批量生产方向发展。印制电路的技术发展水平，一般以印制板上的线宽、孔径、板厚f孔径比值为代表1。1.4 课题的主要研究内容 本论文首先对多功能数显电路的原理进行分析，然后在Protel99 SE的平台下分别对电路的各个模块进行设计，得到电路的总原理图，然后进一步产生设计PCB必备的网络表，再重点对电路的PCB部分进行设计。设计中还对Protel99 SE各项常用的环境参数与变量的重要性进行了阐述。在设计多功能数显电路的同时，为了验证所制版的正确性与可靠性，设计中还在Quartus平台下下完成简易数字
14、钟的代码编写，并下载到成品板上进行多功能数显电路的功能测试。4. 多功能数显电路原理设计4.1 多功能数显电路的原理图设计4.1.1原理图设计的一般流程 原理图设计是电路设计的第一步，是制版和仿真等后续工作的基础。因此，一副原理图正确与否，直接关系到整个设计的成功与失败。另外，为方便自己和他人读图，以及原理图的美观、清晰和规范也是十分重要的。 Protel 99 SE的原理图设计大致可分为如图4.1所示的9个步骤。图4.1 原理图设计的步骤（1）新建原理图。这是设计一副原理图的第一个步骤。（2）图纸设置。图纸设置就是要设置图纸的大小、方向等信息。图纸设置要根据电路图的内容和标准化要求来进行。（
15、3）装载元件库。装载元件库就是将需要用到的元件库添加到系统中。（4）放置元件。从装入的元件库中选择需要的元件放置到原理图中。（5）元件位置调整。根据设计的需要，将已经放置的元件调整到合适的位置和方向，以便连线。（6）连线。根据所要设计的电气关系，用导线和网络将各个元件连接起来。（7）注解。为了设计的美观和清晰，可以对原理图进行必要的文字注释和图片修饰，这些都对以后的PCB设置没有影响，也是为了方便自己和他人读图。（8）修改检查。设计基本完成后，使用Protel 99 SE提供的各种校验工具，根据各种校验规则对设计进行检查，发现错误后进行修改。（9）打印输出。设计完成后，根据需要，可以对原理图进行打印或制作各种输出文件6。4.1.2多功能数显电路系统框图实现本设计中的多功能数显电路系统，其设计框图如图4.2所示。图4.2 多功能数显电路设计的整体框图4.1.3 多功能数显电路各模块本设计中采用的是AS接口配置电路，主要是用来编程EPCS芯片，同时也可以用来调试。具体过程是首先编程EPCS，然后通
