Protel的电路原理图及仿真设计--毕业论文.doc

浙 江 湖 州 职 业 技 术 学 院毕 业 论 文（设 计） 论文题目 Protel的电路原理图及仿真设计 系 部 机电与汽车工程 学生姓名 许 鑫 涛 专业名称 机电一体化技术 班级/学号 1303/1320302336 指导教师 刘 国 文 浙江湖州职业技术学院教务处印制Protel的电路原理图及仿真设计【摘要】Protel 99 SE是Protel公司推出的基于Windows的电路设计软件，本文从实用角度出发，全面介绍了Protel 99 SE的基本组成以及使用环境等，并详细讲解了电路原理图的设计方法及电路仿真步骤。【关键词】原理图设计 电路仿真 仿真器 前 言随着计算机业的发展，从80年代中期计算机应用进入各个领域。在这种背景下，1987年由美国ACCEL Technologies Inc推出了第一个应用于电子线路设计软件包TANGO。随着电子业的飞速发展，TANGO日益显示出其不适应时代发展需要的弱点。为了适应科学技术的发展，Protel Technology公司以其强大的研发能力推出了Protel For Dos作为TANGO的升级版本。八十年代末，相继推出了Protel For Windows 1.0.Protel For Windows1.5等版本。98年Prote公司推出了Proel98，99年又推出了最新一代的电子线路设计系统Protel99。Protel99是由原理图设计系统、印刷电路板设计系统、信号模拟仿真系统、可编程逻辑设计系统四大部分组成。其主要特色是基于Win95/Win NT/Win98/Win2000的纯32位电路设计制版系统。并且提供了一个集成的设计环境，包括了原理图设计和PCB布线工具，集成的设计文档管理，支持通过网络进行工作组协同设计功能。Protel99提供了超过60000个库元件符号，提供跨零件库搜索零件的功能和零件封装浏览工具，从而使选择、取用零件封装变得更为方便。原理图点到点的连线在编辑器的自动连线方式下变得异常容易。原理图设计主要用于进行电子产品的电学设计，完成整个电子产品设计过程中电工、电子学阶段设计，包括功能设计、逻辑设计、电路设计。Protel99的电路仿真器提供了连续的模拟波形和离散的数字信号仿真，是一个模拟和数字混合电路仿真工具，其仿真元件库中提供了6400多个模拟和数字元件，分类存放在Sim.Ddb数据库的28个库中。对于数字器件(包括TTL和CMOS)，电路仿真器包含了精确的事件驱动行为模型，以解决混合模式设计的仿真。用标准的数学符号和函数(如LOG、LN、EXP、SIN等)可以建立任意复杂的传递函数。在Protel99中执行仿真，只要简单地从仿真元件库中选取所需元件，放置到原理图中完成连接，加上激励源，单击仿真即可完成。目 录前 言21 Protel的概述31.1 Protel的发展历史31.2 Protel的简述32 Protel原理图设计52.1 原理图设计流程52.2 层次原路图设计62.2.1 层次原路图设计方法62.2.2层次原路图设计过程72.3电路原理图设计检查83 Protel电路仿真113.1 添加仿真库元件113.2 仿真库中的元件113.3 画仿真电路113.4 运行电路仿真123.4.1 仿真器设计123.4.2 添加测试点143.4.3 仿真效果154 总结16致 谢17参考文献18嘉兴南洋职业技术学院毕业设计（论文）1 Protel的概述1.1 Protel的发展历史 随着计算机业的发展，从80年代中期计算机应用进入各个领域。在这种背景下，87、88年由美国ACCEL Technologies Inc推出了第一个应用于电子线路设计软件包TANGO，这个软件包开创了电子设计自动化（EDA）的先河。这个软件包现在看来比较简陋，但在当时给电子线路设计带来了设计方法和方式的革命，人们纷纷开始用计算机来设计电子线路，直到今天在国内许多科研单位还在使用这个软件包随着电子业的飞速发展，TANGO日益显示出其不适应时代发展需要的弱点。为了适应科学技术的发展，Protel Technology公司以其强大的研发能力推出了Protel For Dos作为TANGO的升级版本，从此Protel这个名字在业内日益响亮。八十年代末，Windows系统开始日益流行，许多应用软件也纷纷开始支持Windows操作系统。 Protel也不例外，相继推出了Protel For Windows 1.0、Protel For Windows1.5等版本。这些版本的可视化功能给用户设计电子线路带来了很大的方便，设计者再也不用记一些繁琐的命令，也让用户体会到资源共享的乐趣。十年代中，Win95开始出现，Protel也紧跟潮流，推出了基于Win95的3.X版本。3.X版本的Protel加入了新颖的主从式结构，但在自动布线方面却没有什么出众的表现。另外由于3.X版本的Protel是16位和32位的混合型软件不太稳定。99年，Protel公司又推出了最新一代的电子线路设计系统Protel99。在Protel99中加入了许多全新的特色。1.2 Protel的简述Protel99是由原理图设计系统、印刷电路板设计系统、信号模拟仿真系统、可编程逻辑设计系统四大部分组成。其主要特色是基于Win95/Win NT/Win98/Win2000的纯32位电路设计制版系统。并且提供了一个集成的设计环境，包括了原理图设计和PCB布线工具，集成的设计文档管理，支持通过网络进行工作组协同设计功能。Protel99提供了超过60000个库元件符号，提供跨零件库搜索零件的功能和零件封装浏览工具，从而使选择、取用零件封装变得更为方便。原理图点到点的连线在编辑器的自动连线方式下变得异常容易。原理图设计主要用于进行电子产品的电学设计，完成整个电子产品设计过程中电工、电子学阶段设计，包括功能设计、逻辑设计、电路设计。2 Protel原理图设计2.1原理图设计流程 原理图设计是整个电路设计的基础，它决定了后面的工作进展。一般地说，设计一个原理图的工作包括：设置原理图图纸大小，规划原理图的总体布局，在图纸上放置元件，进行布线，然后对各元件以及布线进行调整，最后保存并打印输出。原理图的设计过程一般可以按如图2-1所示的设计流程进行。 图2-1原理图设计一般流程1启动Protel原理图编辑器。2设置原理图图纸大小以及版面。设计绘制原理图前，必须根据实际电路的复杂程度来设置图纸的大小。3设置环境。设置原理图的一般参数。4放置元件。从元件库里取出所需的元件放置到工作平面上。可以根据元件之间的走线等联系。对元件在工作平面上的位置进行调整，修改，并对元件的编号.封装进行定义和设定。5原理图布线。这个过程实际就是画图的一个过程。利用Protel提供的画图工具进行布线，将原件用导线连接，构成一个完整的原理图。6输出报表。7存盘打印。2.2 层次原路图设计2.2.1 层次原路图设计方法层次原理图的设计方法有两种： 1.自上而下的设计方法：顾名思义，自上而下设计就是说先绘制最上层的原理图，也就是总的模块连接结构图，然后在向下一级分别绘制各个模块的原理图。此方法适用于展开一个全新的设计，从上往下一级一级完成设计。自上而下的设计步骤：1.新建一个SCH设计文件（总模块图）2.放置电路方块图（PLACE-SHEET SYMBOL)-TAB-定义文件名（FILE NAME)注意此处的FILE NAME项目非常重要，定义完成后不要随便改动，因为是它指定了方块图寻找下层分页图的路径，如果方块图的FILE NEMA和下层分页图的文件名不对应，那么生成网络的时候将会丢失整个分页模块。整个项目准备划分几个模块就放置几个方块图。3.放置方块图进出点（PLACE-ADD SHEET ENTRY)放置各个模块之间需要连接的网络连接点，可以是单线或总线。4.放置外部元件并连接各部分网络。5生成分页原理图（DESIGN-CREATE SHEET FROM SYMBOL)点击想要生成的方块图，则系统自动根据方块图的FILE NAME生成文件名对应的原理图，且原理图中会自动产生与方块图名称相同的电路输入输出点。6.完成分页原理图绘制。7.当全部的分页都绘制完成后，便可以在总模块图中生成网络表，或UPDATE PCB2.自下而上的设计方法：自下而上的设计就是指先绘制各个模块的原理图，或者说有全部或部分的模块图已经绘制完成。然后在绘制上层总的模块连接结构图。两种方法的结果相同，只是中间的操作过程有些差异。 自下而上的设计步骤：1.首先建立所有的分页原理图并完成绘制工作。2.放置分页图电路输入输出点（PLACE-ADD SHEET ENTRY)3.新建一个SCH设计文件（总模块图）4.在总模块图中生成分页原理图的电路方块（DESIGN-CREATE SYMBOL FROM SHEET)在弹出的对话框中依次选择绘制好的分页图，然后放置于模块图适当位置。5.放置外部元件并连接各部分网络。6.当外部网络绘制完成后，便可以在总模块图中生成网络表，或UPDATE PCB。 2.2.2层次原路图设计过程1建立层次原理图1启动原理图设计服务器，并建立层次原理图文件名。2在工作面上打开绘图工具Wiring Tools，3执行绘制方块电路命令（也可用Place/Sheet Symbol）4设置属性对话框：Filename设置成该模块所代表的原理图文件名Name设置成该模块的名字。5确定方块电路的大小和位置。（是确定对角线的两个端点）可单独修改文字标注。6继续绘制方块图7执行放置方块电路端口命令（Place/Sheet Entry）8在需要放置方块图上单击即可（注：当在需要放置端口的方块图上单击鼠标.左键，光标处出现方块电路的端口符号后，光标就只能在方块图内部移动，只到放置了端口并结束该步骤）9设置Name、I/O Type选项（必须设定）：Unspecified（不指定），Output（输出），Input（输入）和Bidirectional（双向）10单击定位11继续放置端口12将电气关系上具有相连关系的端口用导线或总线连接在一起，（在原理图有总线时，层次原理图也应有；其余的用导线连接）13当模块中还有子模块时，应根据两模块的接口关系，在模块图上绘制一个方块图，以连接子模块（类示于文件夹中的子文件夹）2不同层次电路之间的切换在同时读入或编辑层次电路的多张原理图时，不同层次之间的切换：ToolsUp/Down Hierarchy（或工具栏）将十字光标移到上层或下层的方块电路的某个端口上，单击即可。利用项目管理器，用户直接可以用鼠标左键单击项目窗口的层次结构中所要编辑的文件名即可。由方块电路符号产生新原理图中的I/O端口符号在采用自上而下设计层次电路图时，是先建立方法电路，再制作该方块电路相对应的原理图文件。而制作原理图时，其I/O端口符号必须和方块电路上的I/O端口符号相对应。Protel99SE提供了一条捷径，即由方块电路符号直接产生原理图文件的端口符号：1、Design/Create Sheet From Symbol：十字光标移动到方块电路，单击左键。Yes按钮所产生的I/O端口的电气特性与原来的方块电路中相反，即输出变为输入。单击对话框中的No按钮所产生的I/O端口的电气特性与原来的方块电路中相同，即输出仍为输出。此处我们选择Yes按钮则自动生成一个文件名为*sch原理图文件，并布置好I/O端口。3由原理图文件产生方块电路符号自下而上的设计方法：即先设计原理图，再设计方块电路Design/Create Symbol From Sheet选择要产生的方块电路的文件，确认Yes按钮移动光标定位即可自动生成方块电路，根据需要对方块电路上的端口进行适当调整。4生成层次表层次记录了一个由多张绘图页组成的层次原理图的层次结构数据，其输出结果为ASCII文件，文件存盘名为.Rep。打开已经绘制的层次原理图Reports/Design of Hierarchy，系统将会生成该原理图的层次关系2.3电路原理图设计检查电路原理图的设计检查主要包括：电气设计规则检查元件标号的重新分配检查遗漏的封装生成报表生成网络表文件生成元件列表生成交叉参考元件列表1.电气设计规则检查： 执行菜单命令Tool/REC对画好的电路原理图进行电气规则检查。2.元件标号的重新分配：执行菜单命令Tool/Annotate,如图2-2进行元件的重新标号图2-2 Annotate对话框3.检查遗漏的封装：在原理图画好后，许多细节之处可能存在疏漏，所以必须进行其属性（Attributes），特别是封装形式(package)的遗漏检查，否则不能生成有效的网络表。Protel提供了表格编辑器用来快速检查元件的属性遗漏，即执行菜单命令【Edit】/【Exporttospread.】，选择好所需的复选框后，生成电子表格。通过电子表格可直接看出各元件的属性设置情况，并可在表格内直接进行属性的修改，然后用【File】/【Update】更新电路原理图文件即可。4.生成报表：执行菜单命令【Reports】/ 【Board Information】，弹出生成信息报表对话框。生成一般的信息报表。单击对话框中Gneral标签，即可进入相应的选项卡。单击Report按钮，程序就会自动生成相应的REP报表文件。同时启动文本编辑器并打开该文件，从中可以阅读相信的信息5.生成网络表文件：网络表是电路原理图设计和印刷电路板设计之间的桥梁，执行菜单命令Design/Create Netlist可以生成具有元件名、元件封装、参数及元件之间连接关系的网络表。如图2-3进行生成网络表文件 图2-3Create Netlis对话框6.生成元件列表：元件列表主要包括元件的名称、序号、封装形式。这样可以对原理图的所有元件有一个详细的清单，比便检查，校对。执行菜单命令【Report】/【Bill of Material】7.生成交叉参考元件列表：交叉参考元件列表可以列出电路原理图中每个元件的标号、标注和元件所在的电路原理图的文件名。打开原理图，执行菜单命令【Reports】/ 【Corss Reference】，每执行一次上一步操作，程序都会将该单张原理图交叉参考元件列表增添到层次式原理图的交叉参考元件列表文件中。所有的单张原理图都执行完上一步操作后，即可生成一张整个层次原理图的交叉参考元件列表文件，文件名与层次式项目文件相同，后缀为*.xrf。3 Protel电路仿真3.1 添加仿真库元件添加仿真元件库：打开原理图文件后，单击浏览管理器“Browse Sch”，单击“Add/Remove”，打开“Change Library File List”对话框，选择库文件，对于仿真电路，必须选择系统提供的仿真元件库“Sim.ddb”，其存放的位置在安装Protel99的文件夹下的Library/Sch/Sim.ddb，加载后即打开了系统的28个分类的元件库文件(.LIB)。3.2 仿真库中的元件 在SIM99的仿真元件库中，包含了如下一些主要的仿真元器件。有：电阻、电容、电感、二极管、三极管、JFET 结型场效应晶体管、MOS场效应晶体管、电压/电流控制开关、熔丝、继电器、互感、TTL和CMOS数字电路元器件、模块电路等3.3 画仿真电路 1 仿真原理图设计步骤（1）调用元件库 在Protel 99 SE中，默认的原理图库包含中一系列的数据库中，每个数据库中有数目不等的原理图库。设计中，一旦加载数据库，则该数据库下的所有库都将列出来。仿真原理图用库在LibrarySChSIM.ddb中。 创建仿真用的原理图在仿真用的数据库SIM.ddb加载后，如图3-1所示的包含在SIM.ddb中的后缀名为.lib的仿真原理图库将列出在Browse栏内。图3-1 SIM.ddb中包含.Lib库文件（2）选择仿真元件 创建仿真用原理图的简便方法是使用Protel仿真库中的件。Protel 99 SE包含了大约6400多个 元器件模型，这些模型都是为仿真准备的。 最常用的仿真元器件如下：激励源： 给所设计电路一个合适的激励源，以便仿真器进行仿真；添加网络标号： 须在需要观测输出波形的节点处定义网络标号，以便于仿真器的识别。（3）实施仿真 在设计完原理图后并对该原理图进行ERC检查，如有 错误返回原理图设计。然后，设计者就需对该仿真器设置，决定对原理图进行何种分析，并确定该分析采有的参数。设置不正确，仿真器可能在仿真前报告警告信息，仿真后将仿真过程中的错误写入Filename.err文件中。图3-2仿真电路图3.4 运行电路仿真 3.4.1 仿真器设计 1. 设置仿真初始状态 设置初始状态是为计算仿真电路直流偏置点而设定一个或多个电压（或电流）值。在仿真非线性电路、振荡电路及触发器电路的直流或瞬态特性时，常出现解的不收敛现象，而实际电路是收敛的，其原因是偏置点发散或收敛的偏置点不能适应多种情况。设置初始值最通常的原因就是在两个或更多的稳定工作点中选择一个，以便仿真顺利进行。 库Simulation Symbols.lib 中，包含了两个特别的初始状态定义符： NS NODESET； IC Initial Condition。1.节点电压设置.NS 该设置使指定的节点固定在所给定的电压下，仿真器按这些节点电压求得直流或瞬态的初始解。其对双稳态或非稳态电路的计算收敛可能是必须的，它可使电路摆脱“停顿”状态，而进入所希望的状态。一般情况下，设置是不必要。 在节点电压设置的属性对话框可设置如下参数： 1.Designator： 节点名称，每个节点电压设置必须有唯一的标识符，如NS1； 2. Part Type： 节点电压的初始幅值，如12V。2初始条件设置.IC 该设置是用来设置瞬态初始条件的，“IC”仅用于设置偏置点的初始条件，它不影响DC扫描。 在初始条件设置的属性对话框可设置如下参数：1.Designator： 节点名称，每个初始条件设置必须有唯一的标识符（如IC1）；2.Part Type： 节点电压的初始幅值，如5V。 初始状态的设置共有三种途径：“IC”设置、“NS”设置和定义元器件属性。在电路模拟中，如有这三种或两种共存时，在分析中优先考虑的次序是定义元器件属性、“IC”设置、“NS”设置。如果“NS”和“IC”共存时，则“IC”设置将取代“NS”设置。2.仿真器设置在进行仿真前，必须决定对电路进行哪种分析，要收集哪几个变量数据，以及仿真完成后自动显示哪个变量的波形等。 1进入分析（Analysis）主菜单 2. 瞬态特性分析(Transient Analysis)3傅里叶分析（Fourier）4交流小信号分析(AC Small Signal Analysis)5. 直流分析(DC Sweep Analysis)6蒙特卡罗分析（Monte Carlo Analysis）7扫描参数分析（Parame Sweep Anlysis）8扫描温度分析(Temperature Sweep Analysis)9传递函数分析10. 噪声分析（Noise Analysis）3.4.2 添加测试点 网络标号就是导线与单个网络的关联，给导线放上网络标号相当于给号命名，同样名字的信号等同于用导线连接。1网络标号放置的方法。将元件引脚与一段导线相连，然后将网络标号放在导线上。 2网络标号的作用。作用之一是使复杂的电路原理图变得简单漂亮，避免了连线绕来绕去，在原理图中的Vcc，就是电源网络标号，所有的Vcc，信号线是连在一起的；网络标号作用之二是连接总线和总线入口；网络标号作用之三是在PCB印制板图中用来修改和定义元件焊盘的连接关系，比如在PCB图中添加了一个新元件封装x1，元件Xl的第1焊盘要与PCB图已经存在的Y1元件第1焊盘相连，我们可以双击X1的第1焊盘，将它的网络属性改为与Y1元件第l焊盘相连的网络标号，这时X1的第1焊盘与Y1元件第1焊盘就连在一起，可以看到它们之间有一根预拉线。 3使用技巧。当电路中连接点较远时可使用网络标号。当PCB图中某一元件的焊盘本应与其他元件相连而又没有连上的时候，双击该元件的焊盘修改其网络标号，这种方法常常用来修改PCB图中的错误。在进行层次原理图设计时，各分原理图之问要使用网络标号。3.4.3 仿真效果 设置完仿真器以后，单击Run Analyses按钮开始仿真，或单击Close按钮结束该设置，再通过SimulateSetupCreat SPICE Netlist菜单实现仿真。在仿真设置后，将生成“.cfg”文件。该文件以文本的方式记录下了仿真器的设置环境。仿真器输出仿真结果 仿真器的输出文件为“.Nsx”文件和“.Sdf”文件。为了更好地完善原理图设计可以执行“SimulateCreateSPI