Protel应用课程设计报告-函数发生器设计.doc

武汉理工大学Protel应用课程设计课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导老师： 工作单位： 题 目: Protel应用-函数发生器设计初始条件：对电路、模电、数电等基础知识的掌握，对PROTEL软件的熟练使用要求完成的主要任务:1. 绘制一定难度的电路原理图*.Sch，能够实现完备的功能2. 绘制相应电路的双面印刷版图*.Pcb并进行仿真，给出仿真结果3. 设计报告的撰写4. 答辩时间安排：序号阶段内容所需时间1电路图的设计选取0.5天2用Protel软件绘制并仿真1天3撰写报告1天4答辩1天合 计3.5天指导老师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 武汉理工大学Protel应用课程设计目 录摘 要4Abstact51函数发生器基本原理61.1 原理框图61.2 函数发生器的总方案72各组成部分的工作原理72.1 方波发生电路的工作原理72.2 方波-三角波转换电路的工作原理82.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理93Protel原理图绘制113.1 准备画图113.2 定位元件和加载元件库123.3 放置元件并排版133.4 电路连接143.5 电路及电气规则检查144 PCB板的制作164.1 生成网络表164.2 创建PCB文件174.3 导入元件至PCB184.4元件的布局184.5自动布线184.6 PCB板3D效果图195 Protel电路的仿真205.1 放置电源及信号源205.2 放置网络标号215.3 设置仿真参数225.4 查看仿真波形226实验总结25摘 要 PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的软件，率先将EDA环境引入到Windows环境中。在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它具有原理图设计、印刷电路板（PCB）、设计层次原理图设计、报表制作、电路仿真以及逻辑器件设计等功能，在国内已经很流行，许多公司都要用到它。从2000年成功推出Protel 99se后，2001年Protel公司更名为Altium公司并相继推出Protel DXP和Protel 2004。2006年初，公司推出了Protel系列的最新高端版本Altium Designer 6。本版本全面继承以前版本的优点，并增加了许多改进和高端功能，构成完整的板级全方位电子设计系统。Altium Designer 是业界首例将设计流程、集成化PCB 设计、可编程器件（如FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。本次protel课程设计实现函数信号发生器的原理图绘制，PCB板图制作，以及电路的仿真。运用运放构成的比较器和积分器实现矩形波和三角波的输出，再经差分放大产生正余弦波形。关键字：dxp 矩形波 三角波 正弦波Abstact PROTEL is a software produced by PROTEL company in the late 80s, the first to introduce EDA environment to the Windows environment. CAD software in the electronics industry, and it deservedly came in front of many EDA software is the software of choice for electronic designers, it has the schematic design, printed circuit board (PCB), design-level schematic design, report production, the circuit design, simulation and logic functions, have been very popular in China, many companies have to use it. Since 2000, after the successful launch of Protel 99se, 2001, the company changed its name to Altium Protel and the gradual introduction of the company Protel DXP and Protel 2004. 2006 year, the company launched the latest series of high-end version of Protel Altium Designer 6. This version of the inherited advantages of previous versions and adds many improvements and high-end features, a complete board-level electronic design system wide. Altium Designer is the industrys first case of the design process, integrated PCB design, programmable devices (eg FPGA) design and embedded software-based processor design integrated with the product development function, a simultaneous PCB and FPGA design and embedded design solutions, with the design concept into a finished product from all the functions required. The program design and implementation protel Signal Generator schematic drawing, PCB board map production, and circuit simulation. Posed the use of op amp comparator and integrator and the triangular wave and rectangular wave output, and then the differential amplifier to generate positive cosine wave. Keyword：dxp Sine wave square wave triangle 1函数发生器基本原理1.1 原理框图图 （1）总基本原理图1.2 函数发生器的总方案 函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件 (如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生方波三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，本课题中函数发生器电路组成为由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。2 各组成部分的工作原理2.1 方波发生电路的工作原理图（2）矩形波产生电路此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R3对电容C正向充电。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut后再稍增大，Uo就会从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充电。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。2.2 方波-三角波转换电路的工作原理图（3）方波三角波产生电路方波变三角波电路图(3)， 方波转三角波电路图如图所示为具有三角波和矩形波输出的振荡电路。该电路由密勒积分器A2和施密特触发器A1构成，可以产生三角波和矩形波输出。振荡频率由密勒积分器的时间常数(R3+R4)C1和触发器的滞后电压Vcc(R1+R2)/(R1+R2+R3)确定，其中Vcc为电源电压。调节电阻R3可以改变振荡频率，而调节电阻R2既可以改变三角波的输出幅度，也可以改变振荡频率。A2输出三角波，A1输出矩形波，它们之间相位差为90度。图（4） 图（5） 2.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理三角波正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成，电路图如图（6）所示。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器的传输特性曲线的非线性，波形变换过程如图(7)所示。由图可以看出，传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好;三角波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。用差分放大电路实现三角波到正弦波。 图（6） 三角波正弦波变换电路图（7）三角波-正弦波变换3 Protel原理图绘制3.1 准备画图 1.安装好软件后点击桌面上图标进入软件环境。2.使用菜单“文件|创建|项目|PCB项目”建立新工程文件。在工具栏中可对其save as 并且重命名为changyanan. PrjPCB。3.使用菜单File/New，在下拉菜单选择Schematic，建立新原理图文件。4.名为Sheet1.SchDoc的原理图图纸出现在设计窗口中，并且原理图文件夹也自动地添加（连接）到此项目下。这个原理图图纸现在列表在Projects标签中的紧挨着项目名下的SourceDocuments文件夹下。然后保存（可以重命名，或者不用）。5.设置画图环境。使用菜单Design/Document Options，出现如图（8）所示的窗口，可以设置图纸尺寸、栅格等内容。还可以在菜单选择Tools SchematicPreferences打开原理图参数对话框进行设置,然后保存作为图纸使用。图（8） Document Option对话框3.2 定位元件和加载元件库1、点击右上角Libraries标签显示库工作区面板，如图（9）所示。2、在库面板中按下Search按钮打开查找库对话框，如图（10）所示。图（9） 库工作区面板 图（10） 元件查找面板3、确认Scope被设置为Libraries on Path，并且Path区含有指向你的库的正确路径。如果你接受安装过程中的默认目录，路径中会显示C:Program FilesALTIUM DESIGNTERLibrary。4、所以在Search Criteria单元的Name文本框内键入要查照器件的名字，元件名称和图会列在库工作面板上，如图（9）。如果找不到，就用查找功能在如图（10）的空白处填入器件名称，如*747*找运放。同样的方法找到其他元件。3.3 放置元件并排版1、电容、电阻等常用元件也在Miscellaneous Devices.IntLib库里，应该在Libraries面板中被选择。2、在Libraries面板的元件过滤器栏键入cap电容，res电阻，res tap滑动变阻器，NPN三极管，LM348运放等找到相应的元件。3、在元件列表中点击元件选择它，然后点击Place按钮（也可双击）。现在在你的光标上悬浮着一个相应元件的符号。4、按TAB键编辑属性，包括Designator和Value等。在Component Properties对话框的Properties单元，设置Designator，检查PCB封装模型。如图示（11）为一个实例。图（11）一个电容的原件属性5、规则栏的设置将显示在原理图中。点击规则列表中的Add显示Parameter Properties对话框。输入名称Value并修改为所需的值。确认String作为规则类型被选择，并且value的Visible框被勾选。点击OK。6、在对话框的Properties单元，点击Comment栏并从下拉列表中选择=Value，将Visible关闭。点击OK按钮返回放置模式。右击或按ESC退出放置模式。3.4 电路连接1、从菜单选择Place Wire或从Wiring Tools工具栏点击Wire工具进入连线模式。光标将变为十字形状。2、将光标放在元件一端。当你放对位置时，一个红色的连接标记会出现在光标处。这表示光标在元件的一个电气连接点上。3、左击固定第一个导线点。移动光标你会看见一根导线从光标处延伸到固定点。4、将光标称到另一个电气点上，你会看见光标变为一个红色连接 图（12）标记。左击或按ENTER连接到Q1的基极。5、完成这部分导线的放置。注意光标仍然为十字形状，表示你准备放置其它导线。要完全退出放置模式恢复箭头光标，你应该再一次右击或按ESC。 6、注意最后要放置好电源VEE和地GND。3.5 电路及电气规则检查1、选择Project Compile PCB Project。2、当项目被编辑时，任何已经启动的错误均将显示在设计窗口下部的Messages面板中。被编辑的文件会与同级的文件、元件和列出的网络以及一个能浏览的连接模型一起列表在Compiled面板中。图（13）错误及电气规则检查结果Message框3、如图（13）所示为Compile PCB Project的结果，有部分Warning为正常情况，可以继续。如果出现Error则必须检查修改否则不能继续。图（14）整体电路图结果5 PCB板的制作5.1 生成网络表选择菜单Design/Netlist For Project/Protel命令，如图(15)所示。图（15）生成网络表选项随后在project栏会多出一项Generated/Netlist Files，展开后有一个“changyanan.NET”，这就是生成的网络表，如图(16)所示。图（16）网络表网络表中主要内容分为两部分，一部分是各元件的属性参数，以方括号作为开头和结尾；一部分是各元件引脚的电气连接信息，以圆括号作为开头和结尾，如上图(16)所示。5.2 创建PCB文件1、使用菜单File/New/PCB建立PCB文件，或者使用右键Add New Project/PCB Project。在工具栏中可对其save as 并且命名为PCB1.PCBdoc。如图（17）所示。图（17）新建PCB文件2、出现PCB界面后要画出版图，注意此时要点到Keep-OutLayer再开始画线，画出为粉色。然后画Top Layer，稍微比布局层大一点，画出为红色，如图（18）所示。图（18）PCB置线5.3 导入元件至PCB1、使用菜单Degsin/Import PCB Document PCB1.PcbDoc2、弹出的对话框下方的按钮，则在Status栏的Check列中可以查看装入的元件是否正确，如果正确的话，会有标志，确定所有元件封装和网络都正确以后，单击按钮，再单击按钮，这时网络表和元件已经装载到PCB文件中。3、如果有错误修改后可使用菜单Degsin/Update PCB Document PCB1.PcbDoc更新。图（19）导入元件5.4元件的布局在AltiumDesigner6下可以有手动和自动两种方式来布局，由于自动布局效果不甚好，这里采用手动布局的方式。5.5自动布线执行Auto Route/All后开始自动布线。布线后见图（21）。图（20）执行自动布线图（21）自动布线后的效果图6 Protel电路的仿真由于制版原理图与仿真原理图有差别，所以须在以上做好的原理图进行修改达到仿真。例如添加仿真源等。6.1 放置电源及信号源一般的电源信号源可以从工具条里进行选择，若找不到，可以通过View/Toolbars/Utilities使之显现。本次仿真选+12V和-12V的电源信号源。图（22）仿真源的放置6.2 放置网络标号利用Place/NetLabel，放在需要指明节点的附近，指示信号的测试点或信号输入输出点。图（23）仿真原理图6.3 设置仿真参数执行菜单命令Designer/Simulate/Mixed Sim弹出如图(24)所示的对话框。选中工作点分析（Operation Point Analysis）和暂态分析（Transient Anlysis）。选择要观察的Net，以及时间进行设置。 图 （24）暂态分析对话框 (25）仿真设置图 6.4 查看仿真波形工作点分析中选中要观察的三个波形的输出点Netlabel1、Netlabel2、Netlabel3，瞬态分析的时间设置见图（27）。图（26）设置要观察的节点图（27）瞬态分析时间设置设置好后点击Ok即可观察到仿真波形，project文件夹下产生PCB_Project1.sdf文件。图（28）产生的仿真波形7 实验总结 此次通过使用AltiumDesigner6软件对函数信号发生器的设计与仿真，我深刻认识到了实践的重要性。许多东西在书上看起来很简单，但在实际操作时不那么容易，比如对工具软件的使用。通过本次课设对于电路仿真软件有了系统的认识，并且掌握了基本的操作，能够完成原理图的绘制，PCB的制作及仿真等。最重要的是锻炼了实际动手操作能力，掌握了新的技能，也明白学校安排这个课程设计的原因。本次课设更接近与实际的设计，学校在有意的培养我们是我们能够更有竞争力。真正使我们能在现实社会中掌握真本领，有立足之地。在整个电路绘制到PCB制作再到仿真，我个人感觉仿真部分是最难的，本次软件使用中，前四五次的仿真都无法出现。后来通过使用一个电容产生自激后才有波形的显现，可能这个软件的仿真是十分理想的的电路状况。当出现问题并想方设法去解决的时候才是真正考验人的时候，需要你去查找去找新的知识，在这个过程中无疑又增进了自己对软件的认识与知识的掌握。通过这次课程设计，我第一次比较独立的完成了对一个工具软件的从学习到使用的整个过程，可以想象在实际电路的设计时会是怎样的情形。对于AltiumDesigner这个软件的强大功能有了深刻的了解。当一次次的布局与一次次的仿真失败到最终看到仿真波形的时候，心里感到非常的兴奋，虽然几经周折，但最后还是成功了，实现了应有的功能，感觉有很大的收获。 附录 仪器仪表清单DescriptionDesignatorFootprintLibRefQuantityVoltage Source12VnegVSRC1Voltage Source12VposVSRC1CapacitorC1RAD-0.3Cap1CapacitorC2RAD-0.3Cap1CapacitorC3RAD-0.3Cap1CapacitorC4RAD-0.3Cap1CapacitorC5RAD-0.3Cap1NPN General Purpose AmplifierQ1BCY-W3/E42N39041NPN General Purpose AmplifierQ2BCY-W3/E42N39041NPN General Purp