Protel课设报告.doc

课程设计任务书学生姓名： 昌斌 专业班级：通信0803指导教师： 许建霞 工作单位： 信息工程学院 题 目: Protel应用实践555定时器构成的多谐振荡器及序列产生器 初始条件：Protel99se 及以上版本如protel DXP要求完成的主要任务: 1. 绘制具有一定规模、一定复杂程度的电路原理图*.sch（自选）。可以涉及模拟、数字、高频、单片机、或者一个具有完备功能的电路系统。2. 绘制相应电路原理图的双面印刷版图*.pcb3. 对电路原理图进行仿真，给出仿真结果（如波形*.sdf、数据）并说明是否达到设计意图。时间安排：序号阶段内容时间1安排任务第17周2电路选择与绘制第18周3撰写报告第18周4答辩第18周合 计2周指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要 随着计算机技术的发展与应用，电脑软件越来越多的应用到电路设计中，诸如：Protel，Multisim等，这些软件的应用使得电路设计更加的方便，它们的仿真功能更是使得电路设计更好的与实际结合。Protel是当今电子行业中常见的EDA工具，能够完成电路图的设计与仿真。本课程设计将从555定时器构成的多谐振荡器及序列产生器的设计，仿真与印刷板电路板（PCB）的制作加强对Protel99SE的学习与应用。关键字：Protel99SE，电路设计，多谐振荡器，PCBAbstractAs computer technology development and application, computer software more and more applications to circuit design, such as: Protel, Multisim, and so on, this software application makes it more convenient for circuit design, simulation feature is to make the design better and reality. Protel is todays electronics industry in EDA tools that is able to complete the circuit design and simulation. This course is designed to be formed from the 555 timer multivibrator and sequence generator design, simulation and PCB circuit board (PCB) fabrication to strengthen learning and application of Protel99SE.Keywords: Protel99SE, circuit design, multivibrator, PCB目目录摘要IAbstractII1引言12 555构成的多谐振荡器原理图绘制与仿真32.1 基本工作原理32.2 参数计算42.3 序列产生器原理52.4 Protel绘制电路图62.5 电路仿真102.5.1仿真参数的设置102.5.2 运行电路仿真123 电路的PCB印刷板电路的制作133.1 元件封装与网络表的生成133.2新建PCB文件并导入网络表143.3 PCB布局与布线163.4PCB覆铜164心得体会185参考文献19附录201元件清单202整体电路图211引言Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层。按照系统功能来划分，Protel99se主要包含以下俩大部分和6个功能模块。1、电路工程设计部分(1)电路原理设计部分：电路原理图设计部分包括电路图编辑器（简称SCH编辑器）、电路图零件库编辑器（简称Schlep编辑器）和各种文本编辑器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。（2）印刷电路板设计系统：印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器（简称PCB编辑器）、零件封装编辑器（简称Public编辑器）和电路板组件管理器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。（3）自动布线系统：本系统包含一个基于形状（Shape-based）的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现PCB设计的自动化。2、电路仿真与PLD部分（1）电路模拟仿真系统：电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。（2）可编程逻辑设计系统：可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器（Waveform）。本系统的主要功能是；对逻辑电路进行分析、综合；观察信号的波形。利用PLD系统可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。（3）高级信号完整性分析系统：信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析PCB设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。 因此Protel是一款使用方便，操作简单，功能强大的EDA工具，在电路设计中应用很普遍，电子类专业的学生有必要对其功能及应用有一定的了解，要做到基本能够熟练操作与应用。本课设的目的就是加强对Protel的操作与应用。2 555构成的多谐振荡器原理图绘制与仿真2.1 基本工作原理 图1 555构成的多谐振荡器原理图多谐振荡器的电路结构是一种能够产生矩形脉冲信号的电路，产生的脉冲信号具有比较陡的矩形脉冲信号的上升沿和下降沿。一个理想的矩形脉冲信号电压波形，可以用傅里叶级数展开成为具有基波正弦分量和基波频率整数倍各次谐波分量，所以矩形脉冲波是一种多谐波，从而把能够产生矩形脉冲波的电路结构称为多谐振荡器电路或多谢振荡器。由555构成的多谐振荡器基本原理电路图如图1所示。如图1当电路与电源接通瞬间，C两端没有存储电荷，两端的电压为零，555定时器的2、6端输入电压为0，即出现6端电压小于2Vcc/3,2端的输入电压小于Vcc/3的情况，集成运放的C1输出高电平，C2输出低电平，基本RS触发器置“1”工作状态，输出信号V0为高电平，是晶体管截止，电源Vcc经过R1、R2、C1到公共端对电容C充电。这种情况一直维持到C的两端电压略高于2Vcc/3。当C的两端电压略超过2Vcc/3时，出现6端输入电压大于2Vcc/3,2端输入电压大于Vcc/3的情况，集成运放C1输出低电平，C2输出高电平，基本RS触发器清零工作状态，输出信号V0为低电平，使晶体管导通，电容C经C、R2、晶体管TD到公共端放电。这种情况一直维持到C的两端电压略低于Vcc/3。此后又进入新回到上述的充电过程，如此周而复始，形成振荡，产生矩形脉冲波输出。输出波形如图2。图2 多谐振荡器输出波形2.2 参数计算从图2所示的工作波形可以看出，电容充电过程的初始状态位Vcc/3，终止状态为2Vcc/3，稳定电压为Vcc，充电的时间常数为（R1+R2）*C。电容放电过程中，由于晶体管基本处于饱和导通状态，两端的电压很低，因此供电电源对放电电路影响很小，放电时的初始状态为2Vcc/3，终止状态为Vcc/3，稳定状态为0，充电时间常数为R2*C2。根据这些条件，结合一阶电路暂态过程的三要素法，可以计算出充放电过程所用的时间。充电过程的方程式： （2.2.1）充电所用时间，即脉冲维持： （2.2.2）放电过程的方程： （2.2.3）放电所用时间，即脉冲低电平时间： （2.2.4）所以，脉冲周期时间为： （2.2.5）2.3 序列产生器原理图3序列产生器原理图如图3为一由七进制和数据选择器组成的序列产生器，输出序列为1101101。运用强制清零的办法将74LS90变成七进制计数器，即当QAQBQC同时为逻辑高时，清零端接高电平，则计数器清零。然后用其控制后面的数据选择器工作，产生所需要的序列。而七进制计数器的时钟脉冲由前面的多谐振荡器提供。2.4 Protel绘制电路图1. 建立工程文件、原理图文件建立工程文件及原理图文件。选择菜单【File】/【New】,建立名为“多谐振荡器电路.ddb”的工程文件，然后再选择菜单【File】/【New】，弹出如图3所示的对话框。选择“Schematic Document”,点击OK建立名为“多谐振荡器电路.sch”的原理图文件。图4 New Document 对话框2. 添加元件库为了电路仿真方便一般在绘制电路图是选用仿真库里的元件，因此添加元件库时添加名为sim.ddb的库文件。选中后单击AddOK添加库文件，如图5图5 添加元件库3. 绘制原理电路图 在元件库中找到绘制电路所需的元件将它们合理的摆放到Protel的工作界面上，摆放元件是的基本快捷方式为：移动元件：用鼠标左键点中元件，并按住不放，然后移动元件。元件的旋转：就是改变元件的放置方向。用鼠标左键点中元件后，按住不放，此时可以使用功能键，就可以实现元件的旋转。SPACE键：让元件旋转90。Ctril+X键：使元件左右对掉，即是自光标为轴作水平对调。Ctril+Y键：使元件上下对掉，即是自光标为轴作垂直对调。待元件摆放完毕后，点击图标给元件连线。经过上述操作后得到电路图如图6、图7。图6 555构成的多谐振荡器原理图图7 由计数器和数据选择器组成的序列产生器4. 设计检查原理图绘制完成之后，还需要对原理图进行编译并对其连接进行检查，检查无误后才能进入PCB班的设计阶段，系统会按照用户的设置及问题的严重性，分别以“Error”（错误）或“Warning”（警告）等信息来提醒用户。ERC检查方法：点击菜单栏的【Tools】，在下拉菜单中选择ERC，会弹出一个对话框如图8。点击OK，就会对电路进行电气检查。电气检查完之后，就会弹出图9所示对话框，如果有错误，就要根据ERC检查的提示自己检查电路的连接，查看错误的连接处，改正错误的连接，然后再检查，直到ERC检查无误，再进入下一步。 图8 ERC检查图9 ERC检查无误5. 生成元件清单执行菜单命令/【BILL OF MATERIAL】出现新的对话框选择sheet点击下一步，其他默认直到倒数第二步将Protel Format、CSV Format、Client Spreadsheet全部选中点击下一步和Finish就生成了材料清单，材料清单见附录1。2.5 电路仿真 电路仿真是Protel的一个重要功能，电路仿真可以更好的检查电路设计是否符合设计者要求。2.5.1仿真参数的设置电路连接完成和ERC之后，就要对电路进行仿真，电路仿真的一个关键步骤是对仿真参数的设置。只有在正确设置仿真参数的前提下，仿真才能正确运行。下面我们进行仿真参数的设置。点击菜单栏的【Simulation】/【Setup.】，会弹出图10的对话框。图10仿真参数设置然后在【General】标签中的【Select Analyses to Run】栏下，选择仿真分析的方法。这里选择【Operating Point Analysis】（直流工作点分析）和【Transient/Fourier Analysis】（瞬态分析/傅里叶分析）。在对话框中的【Collect Data For】下拉表中，有5个不同的数据存储类型。这里选择“Node Voltages ,Supply Currents ,Device Currents and Powers”(存储每个节点的电压、每个供电电源的电流以及每个元件上的电流和功耗)。接着指定所要显示数据的节点，直接双击【Available Signals】列表总需要的节点，就会在【Active Signals】列表栏中列出。我选择与C2、R5、R6和U6有关的节点。然后再点击Transient/Fourier对话框会变成如图11所示。对参数进行设置选中Use Initial Cond，取消的选中，将Stop Time改成2.000m，这样可以观察到更多的波形。图11 设置仿真停止时间2.5.2 运行电路仿真仿真器在仿真时需要用到SPICE网络表。执行菜单命令【Simulate】/【Create SPICE Netlist】生成SPICE网络表文件*.nsx。参数设置完毕之后，就开始对电路进行仿真。点击菜单栏中的【Simulated】在下拉栏中选择【Run】，则开始对电路进行仿真，仿真结果如图12所示。图12 仿真结果经过对电路图的仿真分析和仿真结果可以看出，电路图达到了设计的目的。电路设计完成。不过，由于对Protel仿真功能不太了解，所以只能对电路进行部分仿真。3 电路的PCB印刷板电路的制作3.1 元件封装与网络表的生成在制作PCB前一个重要步骤是元件的封装，只有元件的封装号与PCB封装库里的一一对应，导入网格表才能顺利成功。封装时双击所要封装的元件就会弹出图13所示对话框。在中修改封装号。修改完毕后点击OK，就这样对每一个元件进行封装。图13修改封装号另一个重要步骤是生成网络表，点击菜单栏中的【Design】在下拉菜单中选择Create Netlist就会弹出图14所示的对话框。这样，网络表生成完毕。图14网格表3.2新建PCB文件并导入网络表双击Document，在空白处右击，在下拉菜单中选择New，会弹出图4所示的对话框，选中PCB Document，单击OK则生成一个PCB文件。双击PCB文件。在弹出的对话框中点击【KeepOutlayer】在工作区用线画一个合适的框。然后在菜单栏中选择【Design】/【Load Net】就会弹出图14所示对话框。选择Browse，在弹出的对话框中选择Sheet2.NET，然后单击OK，会弹出图15所示对话框。由图15可以看出电路元件的封装没有问题，点击Execute，加载网络表成功。图15加载网络表图16 检查网格表3.3 PCB布局与布线PCB的布局分为自动布局和手动布局，在这里我选择手动布局。将各元件通过鼠标分开摆放在合适的位置，然后对摆放的元件布线。PCB的布线也分为手动布线和自动布线，一般为了PCB的美观，我们选择手动布线，其次布线时要小心，线不能从元件中穿过。在布局和布线完成之后所得图为图17。图17 电路的PCB电路由于是手动布线，在布线完成之后要对布线进行检查。单击菜单栏的【Tools】/【Design Rule Check】会弹出一个对话框，选择Run DRC对PCB布线进行检查。如有错误，则需要根据提示对错误部分进行检查及相应的修改，直到检查无误。3.4 PCB覆铜作为PCB制作的最后一步，PCB的敷铜一般都是连在地线上，增大地线面积，有利于地线阻抗降低，使电源和信号传输稳定，在高频的信号线附近敷铜，可大大减少电磁辐射干扰。总的来说增强了PCB的电磁兼容性。提高板子的抗干扰能力。PCB的覆铜点击工具栏图标，将弹出的对话框设置，点击OK，然后在PCB上画一个框将PCB电路图前不包含在内，完成之后电路覆铜完成。电路板覆铜如图18、19。图18 TopLayer的覆铜图 图19 BottomLayer覆铜图4心得体会 本学期末和上学期一样在学习结束之后就开始了课程设计，这次的Protel课设不像上学期的模电课设，这次的时间比较充裕，所以觉得这次的比上次的做的好一点，虽然还是有瑕疵。但是这次全是靠自己的力量完成的，感觉比上次学到的东西更多。上次的课设几乎就是应付一下，可是这次我是完全投入到了Protel软件的学习与应用中。在这次的Protel课程设计中，由于太久没有用过Protel，有些基本的操作已经忘记，所以开始的一段时间我到图书馆去借阅了一些关于Protel的书籍，并通过边看书边操作的方法对Protel的操作进行熟练。把基本操作熟练之后，我就开始进入对课设题目的选择中了，开始时不知道做什么题目，后来发现还是做书上的电路比较好，不仅原理比较清楚，而且也可以达到对书本知识加以验证与运用的目的。经过一番选择之后，我决定做目前的这个题目。找到电路之后，接下来的就是开始用Protel画原理图，仿真以及制作PCB印刷板了。在绘制电路图时，由于开始没有直接用仿真库里的元件进行绘制，因此在电路仿真时，出现了问题。后来在网上搜索才知道，最好在绘制电路图是用仿真库里的元件，这样有利于仿真。经过重新绘制电路，最后终于可以仿真，可是开始时由于仿真参数设置不好，总是不能得到理想的结果。最后通过对仿真参数的设置，终于得到了理想的波形，心中无限欣慰。仿真完后，就开始对电路图做PCB印刷板。绘制完电路