《层次电路原》PPT课件.ppt

第3章 层次电路原理图编辑,3.1 层次电路设计概念3.2 层次电路设计中不同文件的切换方法 3.3 层次电路编辑方法 习题,3.1 层次电路设计概念,在层次电路设计思想出现以前，编辑电子设备，如电视机、计算机主板等原理图时，遇到的问题是电路元件很多，不能在特定幅面的图纸上绘制出整个电路系统的原理图，于是只好改用更大幅面的图纸。然而打印时又遇到了另一问题，即打印机最大输出幅面有限，如多数喷墨打印机和激光打印机的最大输出幅面为A3。为了能够在一张图纸上打印出整个电路系统的原理图，又只好缩小数倍再打印，但却会因线条、字体太小致使阅读困难。此外，采用大幅面图纸打印输出的原理图也不便于存档保管。对于更复杂电路的原理图，如计算机主板电路，即使打印机、绘图机可以输出A0幅面图纸，恐怕也无济于事，因我们不能无限制地扩大图纸幅面来绘制含有成千上万个电子元器件的电路图。,采用层次电路设计方法后，这一问题就迎刃而解了。所谓层次电路设计，就是把一个完整的电路系统按功能分成若干子系统，即子功能电路模块，需要的话，把子功能电路模块再分成若干个更小的子电路模块，然后用方块电路的输入/输出端口将各子功能电路连接起来，于是就可以在较小幅面的多张图纸上分别编辑、打印各模块电路的原理图。在层次电路设计中，把整个电路系统视为一个设计项目，并以.prj 而不是.sch作为项目文件的扩展名。在项目原理图(即总电路图)中，各子功能模块电路用“方块电路”表示，且每一模块电路有惟一的模块名和文件名与之对应，其中模块文件名指出了相应模块电路原理图的存放位置。在原理图编辑窗口内，打开某一电路系统设计项目文件.prj时，也就打开了设计项目内各模块电路的原理图文件。,Protel 99 SE原理图编辑器支持层次电路设计、编辑功能，可以采用“自上而下”或“自下而上”的层次电路编辑方式。在介绍层次电路编辑方法前，不妨先打开Protel99 SE原理图编辑器提供的原理图编辑演示设计文件包3 Port Serial Interface.Ddb、Z80 Microprocessor.Ddb、LCD Controller.Ddb或Photoplotter.Ddb文件，这些文件存放在C:Program FilesDesign Explorer 99 SEExamples目录下。在Protel99 SE状态下，执行“File”(文件)菜单下的“Open”命令，打开其中的一个设计文件包，如Z80 Microprocessor.Ddb，即可了解层次电路的组成以及文件管理、切换方法。操作过程如下：,(1)单击主工具栏内的“打开”工具(或执行“File”菜单下的“Open”命令)。(2)在如图3-1所示的“Open Design Database”(打开设计数据文件包)窗口内，选择并打开C:Program FilesDesign Explorer 99 SEExamples目录下的Z80 Microprocessor.Ddb文件，在“文件管理器”窗口内，单击Z80 Microprocessor.Ddb设计数据文件包及其子目前的小方块，显示设计数据文件包内的文件目录结构，找出并双击文件名为“Z80 Processor.prj”的原理图文件，如图3-2所示。,可见，Z80 Processor电路系统由存储器模块(Memory.sch)、CPU时钟电路模块(CPU Clock.sch)、电源供电模块(Power Supply.sch)、串行接口电路模块(Serial Interface.sch)、可编程外设接口模块(Programmable Peripheral Interface.sch)以及CPU选择模块(CPU Section.sch)六个子电路模块电路组成，其中串行接口电路模块(Serial Interface.sch)下还有串行波特率发生器时钟(Serial Baud Clock.sch)模块。,图3-1 打开设计数据文件包窗口,图3-2 层次演示电路构成模块,可见，项目文件(.prj)本质上还是原理图文件，只是扩展名为.prj而已；当模块电路原理图内含有更低层次的子电路时，该模块电路原理图文件扩展名依然为.sch。需要注意的是，设计数据文件包内同一目录下的原理图文件(.sch)彼此之间并不关联。为了看清Z80 Processor.prj项目文件的细节，可不断单击主工具栏内“放大”工具，适当放大Z80 Processor.prj文件编辑窗口工作区，即可看到如图3-3所示的Z80 Processor.prj项目文件内容。,图3-3 Z80 Processor.prj设计项目文件内容,可见，在层次电路设计中，项目文件电路图非常简洁，只有表示各模块电路的方框(即方块电路)以及方块电路内的I/O端口、表示各模块电路之间连接关系的导线和总线。当然，项目文件电路图内也允许存在少量元器件和连线(即在.prj项目文件中也可以含有部分实际电路)。而方块电路的具体内容(包含什么元件以及各元器件的连接关系)在对应模块电路的原理图(以.sch作为文件扩展名)中给出，甚至模块电路原理图内还可以包含更低层次的方块电路，如图3-2中的串行模块电路原理图Serial Interface.sch内就含有Serial Baud Clock.sch模块。,在Protel99 SE中，通过“设计文件管理器”进行文件切换非常方便，例如，在图3-2所示窗口中，单击“设计文件管理器”窗口内的“Serial Interface.sch”文件，即可迅速切换到串行接口电路模块原理图的编辑状态，单击主工具栏内的“放大”工具，适当放大窗口工作区，即可看清Serial Interface.sch模块电路原理图的细节，如图3-3所示。从图3-3中我们不难发现，Z80 Processor.prj项目文件内Serial Interface模块中的“方块电路I/O端口”与Serial Interface模块对应的原理图文件Serial Interface.sch的I/O端口一一对应。,图3-3 Serial Interface.sch模块原理图,3.2 层次电路设计中不同文件的切换方法,在层次电路中含有多张电路图，当需要从一张原理图切换到另一张原理图时，在“设计文件管理器”窗口内，将鼠标移动目标原理图文件名上，单击鼠标左键，即可迅速切换到相应原理图文件的编辑窗口。,在Protel99 SE中，除了通过单击“设计文件管理器”窗口内目标文件名完成文件编辑状态之间的切换外，有时也会通过“Tools“菜单内的“Up/Down Hierarchy”命令或主工具栏的“”(层次电路切换)工具实现层次电路原理图窗口间的切换。操作过程如下：(1)单击主工具栏内的“层次电路切换”工具(或执行“Tools”菜单内的“Up/Down Hierarchy”命令)。,(2)当由项目文件(.prj)窗口切换到其中某一模块电路窗口时，可将光标移到相应模块电路上，单击鼠标左键即可切换到相应模块电路的窗口内，然后再单击鼠标右键退出“层次电路切换”命令状态；而由某一模块电路窗口切换到另一模块电路窗口时，可将光标移到与目标模块电路相连的I/O端口上，单击鼠标左键即可迅速切换到与该I/O端口相连的上一层或下一层电路窗口内，如果不需要再切换到其他电路窗口时，可单击鼠标右键，退出“层次电路切换”命令状态。,3.3 层次电路编辑方法,3.3.1 建立层次电路原理图通过浏览原理图编辑演示文件Z80 Microprocessor.Ddb，使我们对层次电路设计概念、文件结构等方面有了一个初步的认识，下面就具体介绍采用“自上而下”方式建立层次电路原理图的操作过程。,(1)单击“File”菜单下的“New”命令，在如图1-6所示窗口内，单击“Schematic Document”(原理图文档)文件图标，在原理图文件窗口内，即可用原理图编辑方法绘制项目文件方块电路。(2)单击“Wiring Tools”(画线)工具栏(窗)内的“”(SCH:Place Sheet Symbol，即放置方块电路)工具(或执行“Place”菜单内的“Sheet Symbol”命令)后，移动光标到原理图编辑区内，即可看到一个随光标移动而移动的方框，如图3-5所示。,图3-5 方块电路,(3)按下Tab键，即可进入如图3-6所示的方块电路属性设置窗，其中：Name：方块电路名。Filename：方块电路文件名(包括扩展名.sch)，即方块电路原理图文件名，如“Serial Interface.sch”。在输入方块电路文件名时只需给出文件名及扩展名，不用给出指定存放目录路径，原因是在Protel99 SE中，所有设计文件均存放在设计数据文件包(.ddb)内。由于Protel99 SE要求在支持长文件名的Windows 95/98/2000操作系统中安装、使用，因此在“Name(方块电路名)”和“Filename(文件名)”中可以使用长文件名。,图3-6 方块电路属性设置窗,(3)移动光标将方块电路移到指定位置后，单击鼠标左键，固定方块电路的左上角；再移动光标，调整方块电路的大小，然后单击鼠标左键，固定方块电路的右下角，一个完整的方块电路就画出来了，如图3-7所示。,图3-7 绘制结束后的方块电路,这时仍处于方块电路放置状态，重复(3)、(3)步，继续绘制项目文件原理图中其他方块电路，即可获得如图3-8所示的结果，然后单击鼠标右键，退出命令状态。必要时，可重新调整方块电路名、方块电路文件名的位置，或重新设定其字体和大小，这些操作方法与元件序号、型号的编辑方法相同。,图3-8 完成了方块电路绘制后的电路总图,(5)单击“画线”工具栏(窗)内的“”(放置方块电路I/O端口)工具(或执行“Place”菜单内的“Add Sheet Entry”命令)，然后将光标移到需要放置I/O端口的方块内，单击鼠标左键，即可看到一个随光标移动而移动的方块电路I/O端口，如图3-9所示。(6)按下Tab键，即可进入如图3-10所示的方块电路I/O端口属性设置窗口，其中：Name：方块电路I/O端口名。当需要在方块电路I/O端口名上放置上划线，以表示该端口I/O信号低电平有效时，可在方块电路I/O端口名字符间插入“”，如“WR”、“RD”等；对于以总线方式连接的方块电路I/O端口名，用“端口名n1.n2”表示，如“D0.7”(表示数据总线D7D0)、“A8.15”(表示地址总线A15A8)、“AD0.7”(表示数据/地址总线AD7AD0)。,图3-10 方块电路I/O端口属性设置窗,Style：定义方块电路I/O端口的形状。共有四种选择：当选择“None”时，方块电路I/O端口外观为长方形；选择“Left”时，方块电路I/O端口向左；选择“Right”时，I/O端口向右；选择“Left&Right”时，I/O端口为双向箭头，如图3-11所示。I/O Type：设置方块电路I/O端口的电气特性类型，可以选择下列四种方式之一：Unspcified：不指明方块电路I/O端口的电气特性。Output：输出口。Input：输入口。,Bidirectional：双向口。例如，CPU数据总线D7D0就是双向口，对于这样的方块电路I/O端口的电气特性类型就可以设为双向。在电气法检查(ERC)中，当发现两个电气类型为“输入”的方块电路I/O端口连在一起时将给出提示信息。Side：方块电路I/O端口名在方块中的显示位置，即Left(左侧)和Right(右侧)。方块电路I/O端口只能放在方块的左右两边，不能放在方块的上下边，更不能放在方块外。Position：方块电路I/O端口与方块上边框之间的距离，单位是格点数。根据需要还可以重新定义I/O端口边框、体内、以及I/O端口名字符串的颜色等其他选项，然后单击“OK”按钮退出。,当使用“方块电路I/O端口”表示项目文件原理图中各功能模块电路的连接关系时，方块电路I/O端口的形状和I/O端口电气类型的合理搭配，将提供I/O端口的信号流向(输入、输出还是双向)信息。(7)将光标移到方块内适当位置后，单击鼠标左键，固定方块电路I/O端口，如图3-12所示。,图3-12 放置一个方块电路I/O端口,这时仍处于放置方块电路I/O端口状态，重复(6)、(7)步，继续放置其他方块电路I/O端口，即可获得如图3-13所示的结果，然后单击鼠标右键，退出命令状态。,图3-13 放置多个方块电路I/O端口,(8)连线。分别使用导线将不同方块中端口名称相同的方块电路I/O端口连接在一起，使用总线将不同方块中端口名称相同且为总线形式的方块电路I/O端口连接在一起，就获得了一个设计项目的电路总图，如图3-3所示。在输入方块电路I/O端口名称时，必须正确使用总线标号，否则无法在两个方块电路之间建立正确的电气连接关系。连线时，也只能使用“画线”工具栏内的“导线”、“总线”，不能使用“画图”工具栏内的“直线”或“曲线”等其他画图工具。(9)项目电路图编辑结束后，单击主工具栏内的“存盘”工具或执行“File”菜单下的“Save”命令保存。,(10)如果文件扩展名不是.prj时，可在“设计文件管理器”窗口内，将鼠标移到刚编辑的项目原理图文件名上，单击右键，指向并单击其中的“Close”(关闭)命令；再单击右键，指向并单击其中的“Rename”(改名)命令，将文件扩展名改为.prj(项目文件)即可。,3.3.2 编辑模块电路建立了项目文件(.prj)原理图后，原则上就可以采用建立、编辑单张电路原理图的方法在同一文件夹内生成各模块电路的原理图，只要各模块电路原理图文件名(.sch)与项目文件(.prj)中相应“方块电路”文件名一致，即可在原理图编辑状态下，单击“设计文件管理器”窗口内相应的模块电路文件名，并执行“Tools”菜单内的“Complex To Simple”(复杂变简单)命令，Protel99 SE原理图编辑器就会自动在当前文件夹内搜索与之匹配的项目文件，并将该原理图文件(.sch)置于项目文件下，成为项目文件的模块电路，形成类似于图3-2所示的项目文件结构。,但为了保证各模块电路中I/O端口与相应项目文件方块中的“方块电路I/O端口”一一对应，最好使用“Design”菜单下的“Create Sheet Form Symbol”(从方块电路产生原理图)命令创建各模块电路的原理图文件，这样不仅省去了在模块电路原理图中重新输入“I/O端口”的操作，也保证了模块电路中的“I/O端口”与项目文件中“方块电路I/O端口”一一对应，这就是所谓的“自上而下”的层次电路设计方法。其操作过程如下：(1)先建立项目设计文件(.prj)。(2)在项目设计文件窗口内，单击“Design”菜单下的“Create Sheet Form Symbol”命令。,(3)将光标移到相应方块电路上，如图3-13中的CPU Section模块，单击鼠标左键，即可弹出如图3-13所示的端口电气特性选择框，如果单击选择框内的“Yes”按钮，则生成的模块电路原理图中的“I/O端口”电气特性与“方块电路I/O端口”电气特性相反，即输出变为输入，而输入变为输出。一般来说，模块电路原理图中的I/O端口与项目文件(.prj)内对应方块电路I/O端口特性应保持一致，因此可单击“No”按钮，即可获得如图3-15所示的原理图编辑区。,图3-13 模块电路I/O端口电气特性选择,图3-15 自动生成的模块原理图文件,可见，自动生成的模块电路原理图文件名与方块电路名相同，并将项目文件中相应模块内的“方块电路I/O端口”转换为模块电路的“I/O端口”，这样既保证了两者的一致性，又避免了重新输入I/O端口名。然后就可以使用前面介绍的原理图编辑方法，输入、编辑相应模块电路的内容。,3.3.3 自下而上编辑层次电路Protel99 SE也支持采用“自下而上”的方式建立、编辑层次电路。所谓“自下而上”方式，就是先绘制各模块电路原理图文件(采用“自下而上”设计方式时，同一模块电路原理图中不要使用“I/O端口”表示元件引脚之间的连接关系，即“I/O端口”只用于表示不同模块电路之间信号的连接关系)，并创建一个新的空白的原理图文件，然后执行“Design”菜单下的“Create Symbol Form Sheet”(从原理图生成方块电路)命令，即可将特定模块电路原理图文件中的“I/O端口”转化为“方块电路I/O端口”并放置在自动生成的方块电路内。从模块电路原理图中生成方块电路的操作过程如下：,(1)在设计数据文件包内的特定文件夹(如“Documents”)内，分别建立、编辑各自模块电路原理图文件，如图3-16所示。(2)执行“File”菜单下的“New”命令，在图1-6所示窗口内，选择“Schematic Document”(原理图文档)，在同一文件夹内创建一个空白的项目文件(即空白的原理图文件)，如图3-17所示。,图3-16 已编辑好的各模块电路原理图,图3-17 创建的项目文件(空白),在创建空白原理图文件时，如果是项目文件，则扩展名取.Prj；如果是模块电路，则扩展名为.sch。同一设计项目中，只能有一个项目文件，而当模块电路原理图中含有更低级别的子电路时，模块电路文件扩展名依然为.sch。(3)在“设计文件管理器”窗口内，单击新生成的项目文件名CPU Processor.Prj，切换到项目文件原理图编辑状态；将鼠标移到项目文件编辑窗口内，单击鼠标左键。(3)在空白的项目文件编辑窗口内，单击“Design”菜单下的“Create Symbol Form Sheet”命令，在如图3-18所示的模块电路原理图文件列表窗内，找出并单击待转换的模块电路原理图文件名，如“Memory.sch”。,(5)单击“OK”按钮，关闭图3-18所示文件列表窗，即可弹出如图3-13所示的方块电路I/O端口电气特性选择框，并根据需要单击“Yes”或“No”按钮(一般选择“No”，使转换后的“方块电路I/O端口”的电气特性与模块电路原理图内“I/O端口”电气特性一致)。,图3-18 找出并单击待转换的模块电路原理图文件,(6)单击“No”(即不改变方块电路I/O端口的输入/输出特性)按钮后，在项目文件窗口内出现了一个随光标移动而移动的方块电路(必要时也按下Tab键，修改方块电路的属性)，将光标移到适当位置后，单击鼠标左键固定，即可获得包含了方块电路I/O端口的方块电路，如图3-19所示。,图3-19 由Memory.sch模块电路原理图文件产生的方块电路,可见，通过“Create Symbol Form Sheet”命令的生成方块电路I/O端口名与模块电路原理图中I/O端口名一致，且用模块电路原理图文件名作为“模块名”。重复步骤(3)(6)的操作过程，就可以把所有模块电路原理图转化为项目文件中的方块电路。(7)必要时，可调整方块电路位置以及方块电路内I/O端口位置，然后再使用导线、总线将各方块电路I/O端口连接在一起，即可获得项目文件原理图。,3.3.3 去耦电容的画法去耦电容的画法对自动布局影响很多，一般说来，去耦电容单独放在一个子电路中，并按图3-20所示形式绘制。,图3-20 去耦电容表示法,习 题,3-1 在Protel99 SE状态下，打开C:Program FilesDesign Explorer 99 SEExamples 目录下的Z80 Microprocessor.Ddb设计文件包，并浏览该文件包内文件结构，从中了解层次电路原理图结构及切换方法。3-2 按层次电路重新绘制图2-96所示原理图(要求电源电路及去耦电路分别绘制在不同的子电路中)。,