《Protel应用实践》课程设计-直流稳压源设计.doc

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 直流稳压电源设计 初始条件：Protel99se 及以上版本如protel DXP要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）(1)利用PROTEL软件绘制LDO和DC-DC两种稳压结构电路图，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。(2) 利用PROTEL软件绘制给定的LD驱动电路及其子电路，并做成PCB电路。 参考书 1、Protel99 入门与提高赵品编著.人民邮电出版社.2000.11 2、Protel99 高级应用.赵品编著.人民邮电出版社.2000.11 3、Protel 99 SE电路设计与仿真应用 4、Protel 99 SEdxp2004入门 时间安排： 第18周理论讲解。 第19周理论设计、实验室安装调试。 地点：鉴主13楼通信工程综合实验室、鉴主15楼通信工程实验室（3）。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 目录摘要11、直流稳压电源电路31.1直流稳压电源介绍31.2 原理框图32、直流稳压源工作原理分析42.1 LDO结构的直流稳压源42.2 DC-DC结构的直流稳压源53、用PROTEL绘制电路原理图73.1创建ddb文件73.2新建一个设计73.3 元件库的调入83.4放置元器件103.5布线124、电器检查及生成网络表144.1电器检查、修改、调整144.2生成网络表145、PROTEL PCB印制板电路的绘制165.1 创建PCB文件165.2导入网络表并规划PCB版165.3设置工作参数175.4 PCB布线176、 PROTEL电路的仿真196.1 仿真步骤196.2 仿真图207、心得体会228、参考文献23武汉理工大学Protel应用实践课程设计说明书摘要 电路仿真技术是近十年来在电子技术研究领域的一场革命。设计人员利用计算机及其软件的强大功能，在电路模型上进行电路的性能分析和模拟实验，从而得到准确的结果，然后再付诸生产，极大的减少了实验周期和试制成本，提高了生产效率和经济效益，受到了电子生产厂家的一致欢迎。现在，电子仿真技术已成为电子工业领域不可缺少的先进技术。 可进行电子仿真的软件有多种，其中以PROTEL99流行最广。尤其是PROTEL99-SE仿真器，提供了强大的仿真功能，仅仿真元件就有6400多种，对模拟电路、数字电路和模拟数字混合电路均能实现仿真。PROTEL99-SE具有WINDOWS风格的菜单、对话框和工具栏，极大的方便了用户的操作。 Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。它的下层软件有Protel dxp，用这个来做仿真就相对容易不少。用它做PCB电路，由于给定的电路相对而言很复杂，画电路原理图时还好画，但是制作PCB时就显得很麻烦，不过还好有自动布线这一功能，所以还是很简单的。AbstractCircuit simulation technology is in recent ten years electronic technology research inthefield of a revolution. Researchers used the computer and software design of the powerful function, in the circuit model on the circuit performance analysis and simulation experiment, so as to get the exact results, and then put into production, greatly reducing the experimental cycle, and manufacture cost, improve the production efficiency and economic benefit, by the electronic manufacturers consistent welcome. Now, electronic simulation technology has become indispensable in the electronic industry of advanced technology. Electronic simulation software can be a variety of, among them with PROTEL99s most prevalent. Especially PROTEL99-SE simulators, providing a powerful function of the simulation, the simulation component only has 6400 a variety of, for analog and digital circuit simulation and digital hybrid circuit all can realize simulation. PROTEL99-SE has WINDOWS style of menus, dialog boxes and toolbar, greatly convenient user operation. Latest product already is not merely Protel PCB (printed circuit board) design tools, but a system tools, covered with PCB as the core of the whole physical design. It is the software Protel DXP, use this to do many simulation is relatively easy. Use it to make PCB circuit, due to a given circuit is relatively complex, the picture of the circuit principle diagram when still good painting, but when making PCB appears very troublesome, but also good have automatic wiring this functionality, so is very simple.1、直流稳压电源电路1.1直流稳压电源介绍 几乎所有的电子电路都需要稳定的直流电源，在检定检修指示仪表时，除了要有合适的标准仪器外，还必须要有合适的直流电源及调节装置。当由交流电网供电时，则需要把电网供给的交流电转换为稳定的直流电。交流电经过整流、滤波后变成直流电，虽然能够作为直流电源使用，但是，由于电网电压的波动，会使整流后输出的直流电压也随着波动。同时，使用中负载电流也是不断变动的，有的变动幅度很大，当它流过整流器的内阻时，就会在内阻上产生一个波动的电压降，这样输出电压也会随着负载电流的波动而波动。负载电流小，输出电压就高，负载电流大，输出电压就低。直流电源电压产生波动，会引起电路工作的不稳定，对于精密的测量仪器、自动控制或电子计算装置等，将会造成测量、计算的误差，甚至根本无法正常工作。因此，通常都需要电压稳定的直流稳压电源供电。晶体管直流稳压电源可以作为各种晶体管仪器、仪表、电子计算机、自动控制系统与设备的直流电源。精密稳压、稳流电源还可作为检定某些电工仪表用的稳压、稳流电源。因此， 晶体管直流稳压电源是科研、生产、教学和维修等单位常用的必备仪器。 直流稳压电源电路，通过变压器、整流桥、半导体器件等一系列元件将常用220v交流电压转换位稳定的直流电压，大大方便了广大用户，如：收音机、充电器等等，在很大程度上都依赖直流稳压电源，本课程设计就直流稳压电源中的一个常用电路，用protel软件做相关实验，仿真。1.2 原理框图直流稳压电源需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。如图1所示。图1 直流稳压电源组成框图2、直流稳压源工作原理分析2.1 LDO结构的直流稳压源LDO结构的直流稳压源如图2所示：图2 LDO结构的直流稳压源 电路各元器件参数就如图中所示，假设输入电压为5V。由于Q1基极电流较小，所以R1上压降小，V62.2，由于DZ2稳压管的存在，电压被稳压在2.2V。对于Q1和Q2来说，发射极电位一样，而集电极电位也差不太多（相差一个二极管管压降），由此两管的Vce相差不大，Q1和Q2是一个品牌管子，所以从其关系曲线可以Vce差不多，则Ic也差不多，由于两管Q值不相上下，则Ib差不多；由于两管Ve一样，由于Ib一样，则Vbe一样，则Vb一样，下面定性探讨一下该电路怎么维持输出电压的动态平衡的。假设由于某种原因输出电压突然增大，则4点电位也增大，怎Q3的Vbe增大，Q3的Ib怎大，5点电位升高，Q1的Vbe减小，Q1的Ib减小，Q1的Ic减小，Q2的Ib=IcQ1也减小，Q2的Ic也减小，Q2的管压降Vce增大，维持Vout=Vin-VceQ2保持不变。另外一种情况如果输出电压突然减小，情况类似。2.2 DC-DC结构的直流稳压源 DC-DC结构的直流稳压源原理图如下所示：图3 DC-DC结构的直流稳压源 直流稳压电源由输入电压变换电路、整流、滤波电路和稳压输出电路组成。输入电压变换电路由电源变压器、整流电路、滤波电路组成，其中整流电路方式有半波整 流、全波整流和桥式整流三种。 半波整流是利用二极管的单向导通作用就可以把交流电变成单方向流通的直流电。一个基本的整流电路，在电压为正半周时，电流流经二极管和电阻，而在电压反相的负半周时，二极管不导电，所以在电阻两端所得到的电压是单方向的， 负载上只有半个周期有输出电压。从 而 实现了整流。由于是只在一半的时间内导电，所以称为半波整流。此时输出波形脉动大，直流成分（即平均值）比较低，交流电有一半时间没有利用上，转换率低。 桥式整流也可认为它是全波整流电路的一种，变压器绕组的输出接四只二极管。这四个二极管为四只相同的整流二极管，接成电桥形式，故称桥式整流电路。利用二极管的导引作用，使在负半周时也能把次级输出引向负载。在这种结构中，若输出同样的直流电压，变压器次级绕组与全波整流相比则只须一半绕组即可，但若要输出同样大小的电流，则绕组的线径要相应加粗。至于脉动，和前面讲的全波整流电路完全相同。由于整流电路的输出电压都含有较大的脉动成分。为了尽量压低脉动成分，另一方面还要尽量保留直流成分，使输出电压接近理想的直流，这种措施就是滤波。滤波通常是利用电容或电感的能量存储作用来实现的。 3、用PROTEL绘制电路原理图3.1创建ddb文件 首先打开protel99SE软件，新建一个工程项目即执行菜单命令【FILE】/【NEW】，在弹出的对话框如图所示中将文件格式设置为MS Access Database，文件名改为自己喜欢的名字，存储路径根据需要更改，然后点击“OK”就创建了一个后缀名为DDB的文件，我所做的所有内容都会在这个文件里面了。我的工程中我将它命名为 “直流稳压电源.ddb”。图4 创建DDB文件界面3.2新建一个设计 用右键、新建、选择SCHEMATIC DOCUMENT创建一设计，命名，选择文件路径，然后进入Protel99SE的标准界面。进入Documents目录，用File/New命令，系统弹出文件类型的对话框。我们选择SCH图标，即进入SCH设计系统，同时系统界面变为SCH的设计界面。图5 创建SCH文件界面图6 绘制原理图界面3.3 元件库的调入 我们发现，左边多了一个Browse SCH的选项卡。单击则进入了原理图管理器，Libraries即所使用的元件库图7 查找原件界面 一般来说，默认元件库Miscellaneous Devices.lib即可满足需要。如需使用其他元件库，例如在本课程设计任务中我需载入sim仿真库 ，如图点击“Add ”，此元件库便添加到工作界面。如果要移除此库，点Remove即可。则可按照以下步骤选择新的库文件。点击钮，弹出以下对话框： 图8 添加库文件界面b.选择路径，指定所要加入的元件库，再按Add按钮，即可将它复制到下面的区域，如下图所示。 图9 添加原件库界面同样，如果程序加了太多元件库，也可以在下面的区域中指定所要移除的元件库，按Remove按钮即可将它拿掉。一切就绪后，再按OK按钮，我们所指定的元件库也就已经成功添加好了。3.4放置元器件 在元件库元件列表中选中所需器件，双击，移动光标至工作平面的适当位置，在移动的过程中，按空格键可以将元器件进行旋转。单击左键，即可将元件定位到工作平面上了。双击该器件，弹出设计元器件属性的对话框，。 图10 设置原件属性框中各栏的意义如下：Lib Ref : 元件名称。该项是根据放置元件时的名称设置自动提供的，不可更改。Footprint : 器件封装，系统自动根据放置元件提供，不可更改。Designator : 元件标号，如R1，C2。Part : 器件类别或标准值，如1K，0.01u。此外，为更加方便地找寻元件，还可点击左边的“Browse Sch”下的“Find”可以直接搜索，打开直接输入RES系统自动在所有库中寻找到目标元件，之间加入这个库并且点击就可以放置这个元件到所需要的位置。3.5布线 在进行合理布局之后就可以开始布线了，将放置好的元器件各管脚用具有电气意义的导线、网络标号等连接起来，使各原件之间具有用户所设计的电气连接关系。执行画导线命令的方法有两种：一是用鼠标单击画原理图工具栏（Wiring tools）中的Wiring图标；二是利用菜单命令Place/Wire。执行以上操作后，单击鼠标左键，确定导线的起点，移动鼠标的位置，拖动线头至导线的末端，单击左键，确定导线的终点。最终即可得到电路原理图。 并且注意到其中的一些快捷键的用法可大大提升布线效率，如PGUPPGDN放大缩小,TAB切换属性,E/D剪切修改等。布线时一定要考虑大局，线路拐弯时可以用两个45度角拐过去，这样布出的线路就好看一点。注意总线分支的方向转换用空格键。 本次课设要求绘制直流源的电路原理图，包括LDO和DC-DC的两种结构的图，以及给定的一幅LD耦合电路原理图。分别如下所示：图11 LDO结构的直流稳压源原理图图12 DC-DC结构的直流稳压源原理图图13 耦合电路原理图4、电器检查及生成网络表4.1电器检查、修改、调整选择TOOLS菜单下的ERC项，弹出对话框，直接点击OK键即可进行ERC检查，如果有问题将用坐标标注元件的位置。返回电路原理图，改正错误的元件属性，再进行ERC检查，直至完全正确。如图：图14 电气检查界面4.2生成网络表 执行菜单命令【 DESIGN】/【CREAT NETLIST】，弹出的对话框中将output format选择protel,将net identifier scope选择网络标号和端口全局有效，下面的选择active sheet然后点击OK就自动生成了网络表，其后缀名为.net。关于网络列表的生成对PCB文件的成功导入至关重要。 图15 网络表界面5、PROTEL PCB印制板电路的绘制5.1 创建PCB文件 同创建sch电路图文件一样，双击进入document,执行右键、新建、PCBdocument即可创建PCB文件。在生成PCB文件之前应保证原理图没有错误，文件生成后将所需要的库文件导入到PCB，否则即使原理图无错误系统也会报错。图16 PCB设计界面5.2导入网络表并规划PCB版 选择设计/加载网络表再弹出的对话框中按Browse 按钮，将弹出文件选择李念.NET文件，点击OK，弹出对话框。若元件封装、原理图均无错误后即可在PCB版上生成元器件。然后就可以开始规划PCB版了，首先在KeepoutLayer或者MutiLayer用线(track)画出一长方形区域(足以容纳元器件)，以此来确定电路板大小范围。注意板子大小要适中，太大会造成材料的浪费，太小会给后面的连线带来很大的麻烦。5.3设置工作参数 元器件导入后，我就开始设置工作参数，在图层堆栈管理器内，根据设计需要，可以将PCB版设计成单面板、双面板和多层板3种。在设定完PCB的类型后，还应当预设工作参数，如相应的布线规则。5.4 PCB布线 在确保以上步骤正确进行后点击命令菜单【AUTO ROUTE】/【ALL】中执行【ROUTE ALL】即可进行自动布线，自动布线的前提是已经将边界框好，否则点击自动布线系统将会报错，自动布线选择的是最短路程。最后可得到如下的pcb图。5.4.1 自动布线及调整生成的PCB图17 自动布线的生成的PCB 5.4.2 得到的底层的顶层的PCB图18 顶层的PCB图图19 底层的PCB图这样就完成了一个从原理图到印刷电路板的设计。6、 PROTEL电路的仿真6.1 仿真步骤 1、具体的仿真步骤如下所示： （1）在原理图编辑器中载入仿真元件库Sim.ddb。 （2） 在电路图中放置仿真元件，并设置元件的仿真参数。 （3） 连接好仿真线路，绘制仿真电路原理图。 （4） 在仿真电路图中添加电源及激励源。 （5） 设置仿真节点以及电路的初始状态。 （6）对电路原理图进行ERC检查，当电路中没有错误的时候进行仿真。 （7）设置仿真分析的参数，使仿真图形清晰明了，得到仿真结果。Protel DXP 电路仿真设计的一般步骤 电路仿真是指在计算机上通过软件来模拟具体电路的实际工作过程,并计算出在给定条件下电路中各节点(包括中间节点和输出节点) 的输出波形。电路仿真是否成功,取决于电路原理图、元件模型的仿真属性、电路的网表结构以及仿真设置等。(a) 原理图设计: 首先, 新建一个原理图文件*.schdoc ,打开编辑环境,与普通原理图大致相同;然后,打开Libraries ,加载必要的元器件库,添加元器件并设置参数,这里所有的元器件都必须具有Simulation 仿真属性,否则仿真时将出现错误信息,在DXP中假定所有元器件都是理想元器件;最后,用导线进行电气连接或网络标号,对整个电路进行编译ERC 校验,确保整个电路没有错误。(b) 设置仿真环境: 执行菜单命令,打开Analysessetup 对话框,设置仿真方式并指定要显示的数据,DXP 提供10 种分析仿真方式,包括直流工作点、直流扫描、交流小信号、瞬态过程、Fourier 、噪声、传输函数、温度扫描、参数扫描以及蒙特卡罗分析等。(c) 仿真:设置仿真环境后单击OK 按钮,系统进行电路仿真,生成一*.sdf 文件,同时打开窗口显示分析结果。(d) 分析结果:观察电路仿真结果,分析仿真波形是否符合电路设计要求,如果不符合,则重新调整电路参数进行仿真,直到满意为止。6.2 仿真图图20 LDO结构的直流稳压源电路仿真图图21 DC-DC结构的直流稳压源电路仿真图7、心得体会 这次Protel课程设计的学习，学到了很多关于电路理论方面和实践方面的知识，受益匪浅。对这门课程设计非常感兴趣。不仅锻炼了自己的动手能力，也从一定程度上学会Pr