Protel课程设计模拟乘法器调幅电路.doc

protel软件训练课程设计摘要 protel是当今电子行业中常用的eda工具，能够完成原理图的绘制与仿真以及pcb板的制作，操作方便，功能强大。本次设计便是以protel dxp为基础平台，综合运用其原理图（sch）绘制，原理图（sch）仿真以及印刷板（pcb）的制作功能，基本展现了protel的基本功能。该设计对模拟乘法器进行了简单的原理说明，原理图的绘制，原理图的仿真以及最终的pcb的制作。 在电子科技发达的今天，通信和广播领域也在电气界中扮演着重要的角色。而通信又成为人们生活、工作当中不可或缺的组成部分。为了提高通信质量和处理信号方便，需要在将语音、图象等有用信息经过调幅后再发送出去，这就无疑需要一种振幅调制电路来实现。幅度调制就是载波的振幅（包络）受调制信号的控制作周期性的变化。变化的周期与调制信号周期相同。即振幅变化与调制信号的振幅成正比。通常称高频信号为载波信号。现设计一种简易的振幅调制电路，该电路的载波由高频信号发生器产生，经放大后和调制信号经乘法器后，输出抑制载波的双边带调幅波，输出的双边带调辐波与放大后的载波再经过相加器后，即可产生普通调幅波。本实验中载波是由晶体振荡产生的10mhz高频信号。1khz的低频信号为调制信号。振幅调制器即为产生调幅信号的装置。关键字：protel；pcb；模拟乘法器；幅度调制；电路仿真目录第一章：设计报告21.1课程设计性质21.2课程设计目的21.3课程设计内容及要求21.4课程设计基本原理21.4.1基本原理：21.4.2集成模拟乘法器mc149631.4.3幅度调制61.4.4设计原理图说明6第二章：protel绘制原理图72.1模拟乘法器调幅电路原理图的绘制72.2protel具体绘制步骤72.3模拟乘法器调幅电路元件布局102.4电路原理图11第三章：制作pcb图113.1pcb简要说明113.2封装123.3布局与自动布线123.4自动布线结果：143.5设置敷铜14第四章：protel原理图的仿真164.1执行分析：164.2静态工作点分析：174.3瞬态分析：194.4交流小信号分析：20第五章：总结体会21第六章：参考文献22第一章：设计报告1.1 课程设计性质 综合设计性试验，本课程设计涉及的主要学科分支为通信电子线路。1.2 课程设计目的1. 掌握用集成模拟乘法器实现全载波 调幅、抑止载波双边带调幅的方法。研究已调波与调制信号以及载波信号的关系。2. 通过实验对比全载波调幅、抑止载波双边带调幅波形。3. 了解并掌握模拟乘法器（mc1496）的工作原理，掌握调整与测量其特性参数的方法4. 熟悉并巩固protel软件画原理图，以及multisum仿真软件进行仿真，独立完整地设计一定功能的电子电路，以及仿真和调试等的综合能力。1.3 课程设计内容及要求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、单片机等等电路。2. 绘制电路原理图相应的双面印刷版图*.pcb3. 选做：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。本课设内容与要求：主要利用mc1496设计幅度调制器，在已知电源电压为 +12v和-12v下，工作频率，设计幅度调制器，要求输出功率：，效率1.4 课程设计基本原理1.4.1 基本原理：幅度调制就是载波的振幅（包络）随调制信号的参数变化而变化。本实验中载波是由实验箱的高频信号源产生的10mhz高频信号，利用dds信号发生器输出1khz的低频信号为调制信号。振幅调制器即为产生调幅信号的装置。1.4.2 集成模拟乘法器mc1496(1)内部结构以及图形本次课程设计主要采用集成芯片mc1496来实现幅度调制器的设计。在本设计中采用集成模拟乘法器mc1496来完成调幅作用，图1-1为1496芯片内部电路图，它是一个四象限模拟乘法器的基本电路，电路采用了两组差动对由v1v4组成，以反极性方式相连接，而且两组差分对的恒流源又组成一对差分电路，即v5与v6，因此恒流源的控制电压可正可负，以此实现了四象限工作。d、v7、v8为差动放大器v5与v6的恒流源。进行调幅时，载波信号加在v1v4的输入端，即引脚的、之间；调制信号加在差动放大器v5、v6的输入端，即引脚的、之间，、脚外接1k电位器，以扩大调制信号动态范围，已调制信号取自双差动放大器的两集电极（即引出脚、之间）输出。图1-1 mc1496内部电路图用mc1496集成电路构成的调幅器电路图如图1-1所示，图中vr8用来节引出脚、之间的平衡，vr7用来调节脚的偏置。器件采用双电源供电方式（12v，12v），电阻r29、r30、r31、r32、r52为器件提供静态偏置电压，保证器件内部的各个晶体管工作在放大状态。调幅波的解调是调幅的逆过程，即从调幅信号中取出调制信号，通常称之为检波。调幅波解调方法主要有二极管峰值包络检波器，同步检波器。本实验板上主要完成二极管包络检波。二极管包络检波器主要用于解调含有较大载波分量的大信号，它具有电路简单，易于实现的优点。实验电路如图所示，主要由二极管d7及rc低通滤波器组成，利用二极管的单向导电特性和检波负载rc的充放电过程实现检波.所以rc时间常数的选择很重要，rc时间常数过大，则会产生对角切割失真又称惰性失真。rc常数太小，高频分量会滤不干净.综合考虑要求满足下式： 其中：ma为调幅系数，max为调制信号最高角频率。当检波器的直流负载电阻r与交流音频负载电阻r不相等，而且调幅度 又相当大时会产生负峰切割失真（又称底边切割失真），为了保证不产生负峰切割失真应满足： (2)模拟乘法器调幅电路原理本设计采用双平衡四象限模拟乘法器电路进行振幅调制，电路参考了集成模拟芯片mc1496的内部电路（图1-2），其原理简单说明如下：q1,q2,q3,q4组成双差分放大器集电极电阻由外接电阻于jo6与jo12提供。q5,q6组成的单差分放大电路用于激励q1q4。q7,q8及其偏置电路构成恒流源电路。jo8与jo10接输入电压vx，jo1与jo4接另一输入电压vy，输出电压vo从jo6和jo12输出。jo2与jo3外接电阻re，对差分放大器q5，q6产生电流负反馈，可调节乘法器的信号增益，扩展输入电压vy的线性动态范围。jo14为负电源端（双电源供电）或接地端（单电源供电），jo5外接电阻r5用来调节偏置电流i5及镜像电流i0的值。图1-2 mc1496原理图(3)静态工作点设置静态偏置电压的设置应保证各个晶体管工作在放大状态，即晶体管的集-基极间的电压应大于或等于2v，小于或等于最大允许工作电压。根据mc1496的特性参数，对于图1-1所示的内部电路，在应用时，静态偏置电压应满足下列关系：v8 = v10 v1 = v4 v6 = v12 15v (v6-v8) 2v 15v (v8-v1) 2.7v 15v (v1-v4) 2.7v 一般情况下，晶体管的基极电流很小。对于图1-2，三对差分放大器的基极电流i8,i10,i1和i4可以忽略不计，因此器件的静态偏置电流主要由恒流源i0的值确定。当单电源供电时，引脚jo14接地，jo5通过一电阻接的正电源（典型值为+12v），由于i0是i5的镜像电流，所以改变电阻r5可以调节i0的大小。 当器件为双电源工作时，jo14接负电源（一般接-8v），jo5通过电阻r5接地，因此，改变r5也可以调节i0的大小，依据mc1496的性能参数，器件的静态电流小于4ma，一般取i0=i5=1ma左右。1.4.3 幅度调制 振幅调制就是使载波信号的振幅随信号的变化规律而变化的技术。通常载波信号为高频信号，调制信号为低频信号。幅度调制也是是正弦波或脉冲序列的幅度随调制信号线形变化的过程。调幅信号的表达式为： 其中为外加直流，表示调制信号1.4.4 设计原理图说明本设计采用图1-3的原理图，载波信号um经高频耦合电容c2从jo10输入，c1为高频旁路电容，使jo8接地。调制信号us经低频耦合电容c3从jo1输入，c5为低频旁路电容，使jo4接地。调幅信号uo从jo12与jo6后经一电压跟随器变为单端信号后输出。器件采用双电源供电方式，所以jo5的偏置电阻r5接地， jo2与jo3之间接入负反馈电阻r14，以扩展调制信号的线性动态范围，r14增大，线性范围增大，但乘法器的增益随之减小。r11，r12与电位器r16组成平衡调节电路，改变r16可以使乘法器实现抑制载波的振幅调制或有载波的振幅调制。图1-3设计原理图第二章：protel绘制原理图2.1 模拟乘法器调幅电路原理图的绘制protel 的原理图绘制是十分方便的，首先要新建一个工程，将所需的文件都保存在工程里，工程是在绘制完原理图后进行仿真以及pcb板制作的基础，否则会产生仿真错误以及无法由原理图将原件导入pcb中，新建工程的类型选择为pcb project。protel dxp自带了丰富的元件库，可以很方便的绘制原理图，并且还提供了一些专门用于仿真的元件库，包括一些常用的元器件的仿真模型以及一些常用的信号源（包括正弦，方波，指数，受控源）和一些常用的数学运算电路，可以很方便的用于仿真。2.2 protel具体绘制步骤1） 打开protel dxp 然后依次选filenewprojectpcb project，然后将工程保存。2） 新建原理图，在菜单中选filenewschematic或对工程右键选择给工程添加新的schematic新建一张原理图，保存后便可开始绘制原理图。图2-1 新建原理图3） 网络交叉报表统计所需元器件，在protel 99se中reportscross reference生成。表 2-1 元件清单表4） 绘制原理图，首先要添加所需的元件库，具体做法是，打开右侧浮动面板中的library，然后单击libraries，在弹出对话框中单击installs选择相应的元件库即可完成安装。图2-2 添加删除元件库对话框5） 在绘制原理图时元件的标号默认是加“？”的，绘制过程中需要修改，可以采用放置历史元件的方法对元件自动编号。将designator后修改为所需的起始编号，放元件时会随元件数目增加，标号也会自动增加。图2-3 查找元件图2-4 放置元件对话框6） 为增加原理图的可读性和方便仿真，一般要对关键的节点加网络标号，通过菜单中的placenet label（也可用工具栏的快捷按钮）进行添加，双击相应的网络标号可对其做必要的修改。2.3 模拟乘法器调幅电路元件布局根据元件清单进行元件布局如图：图2-5 模拟乘法器调幅电路元件布局图2.4 电路原理图protel本次模拟乘法器调幅电路用到的mc1496集成电路在protel dxp中并没有提供仿真模型，而mc1496的内部基本原理有较为简单，因而采用了依据其内部基本原理用分立元件搭建mc1496乘法器的方法设计的该调幅电路。在乘法器的输出采用了以受控电压源将双端输出信号转变为单端输出，具体电路如图所示：图2-6 protel设计原理图 第三章：制作pcb图3.1 pcb简要说明protel dxp提供了非常强大的pcb电路板的绘制功能，可以通过原理图直接经网络报表生成pcb，protel dxp还提供了非常强大的自动布局与自动布线功能，并且用户有更多的选择余地，例如，在自动布局中有最短连线，最小板面积两种布局方式，并且每种方式还有其他的参数选择，在自动布线上，protel dxp 提供了布线规则的设置，可以设置布线的宽度、方向，布线的优先级，布线速度与过孔数目之间的衡量等多种选项。虽然通过protel dxp的自动布局和自动布线功能十分方便，但在自动布局方面有时人不十分理想，尤其是在涉及高频时，在对元件的摆放有特别的限制是，自动布局的效果往往不是很理想，因而一般以自动布局为参考，适当的手工更改某些元件的摆放位置的设计方式。3.2 封装在进行pcb的制作前，必须对原理图中的元器件进行封装。点击工具封装管理器，对元件进行如图3-1所示封装。图3-1 封装设置3.3 布局与自动布线由于本次设计所涉及的元件数目较少，因而采用手动布局的方式(设计update)，手动布局结果如图3-2所示。图3-2 手动布局结果1） 手动布局结束后，采用自动布线器进行布线。2） 设置自动布线规则，在菜单中选择auto routeall，在对话框中选择编辑规则，在弹出对话框（图3-3）中修改width的布线规则完成布线。图3-3 布线规则设置对话框3.4 自动布线结果：图3-4 自动布线结果图3-5 自动布线顶层效果图3-6 自动布线底层效果3.5 设置敷铜敷铜主要是为了提高电路板的抗干扰能力，由于电路板上的电路的工作频率较高，电磁干扰较强，如果不进行接地线敷铜操作，那么整个电路板的接地面积过小，将导致整个电路板的地电平不稳定，噪声很大，容易产生干扰信号，从而导致电路板无法正常工作。在protel dxp中放置敷铜也非常简单，从菜单中的placepolygon pour在弹出对话框中进行敷铜设置，将敷铜放在底层，与gnd网路相连，去除死铜。图3-7 敷铜设置对话框敷铜效果：图3-8 敷铜效果图第四章：protel原理图的仿真4.1 执行分析：protel提供了模拟/数字混合仿真，其仿真引擎使用伯克利分校spice3f5/xspice，它可以精确仿真由各种元器件构成的电路。对于复杂的数字器件，protel允许使用一种特殊的描述性语言(digital simcode),设计者可通过它建立相应的数字器件模型，以供protel仿真使用。它所执行的分析功能有：(1) 静态工作点分析(operating point):静态工作点分析可用于分析直流稳态电路和交流放大电路的静态工作点。选择合适的静态工作点是交流放大电路进行正常工作的前提。(2) 直流扫描分析(dcs):直流扫描分析是直流转移特性分析，允许设置两个扫描变量，通常第一个扫描变量(主独立源)所覆盖的区间是内循环，第二个扫描变量(次独立源)扫描区间为外循环。(3) 交流小信号分析(ac small signal):交流小信号分析是一种线性领域分析，仿真程序将首先分析计算电路的直流工作点，以确定电路中非线性元件的线性化模型参数，然后在设计者指定的频率范围内，对变换后的线性化电路进行频率扫描分析。(4) 瞬态分析(transient analysis):瞬态分析是一种非线性时域分析方法，它可以在给定激励信号(或无任何激励)的条件下，计算电路的时域响应。它类似于利用示波器观察各节点电压或电流的波形。瞬态分析时，电路的初始状态允许设计者自行指定。(5) 温度扫描分析(temperature sweep):温度扫描分析是指在一定温度范围内进行电路参数计算，从而确定温度漂移等性能指标。它不能单独使用，必须在瞬态分析、直流扫描分析或交流小信号分析时，才允许使用温度扫描分析。(6) 傅立叶分析(fourier analysis):傅立叶分析是在大信号正弦瞬态分析时，对输出的最后一个周期波形进行谐波分析。(7) 噪声分析(noise)：噪声分析可通过绘制噪声谱密度图，以确定电阻噪声和半导体噪声对噪声特性的影响。噪声谱密度按每赫兹噪声强度绘制，系统能够计算下列噪声：输入噪声、输出噪声和器件噪声。(8) 传递函数分析(transfer function)：传递函数分析是在直流工作点的基础上，在电路直流偏置附近将电路线性化，从而计算电路的输入阻抗，输出阻抗以及直流增益。(9) 蒙特卡罗分析(monte carlo)：蒙特卡罗分析是一种统计模拟方式，它是在给定电路元器件参数容差的统计分布规律的条件下，用一组组伪随机数求得元件参数的随机抽样序列。对这些随机抽样的电路进行直流、交流小信号、瞬态分析，并通过多次分析的结果估算出电路性能的统计分布规律以及电路的合格率、成本等等。(10) 参数扫描分析(parameter sweep):参数扫描分析允许设计者在指定的范围内，以自定义的增幅扫描元件的参数值，它可以与其它分析方法配合起来使用，对电路所执行的分析进行参数扫描，对于研究电路参数变化对电路特性的影响提供了很大的方便。本次设计主要对所设计的模拟乘法器调幅电路进行各种仿真，为使仿真能够顺利进行，需要对原理图进行必要的修改，首先是添加相应的激励源，信号源，并对信号源的仿真参数进行必要的修改。在本次仿真中载波频率设置为10khz，调制波频率设置为1khz，两个信号源的输出分别添加相应的网络标号，同时为输出添加网络标号，将受控电压源的比例系数改为1，作为电压跟随器使用。4.2 静态工作点分析：静态工作点主要是针对mc1496静态工作点进行分析，以验证mc1496是否处于正常的工作状态，具体做法如下：1） 首先将工程进行编译，在菜单中依次选择projectcompile document，对原理图进行编译，若出现错误，将错误修正后重新编译，直至无错误为止。2） 设置仿真，在菜单中依次选designsimulatesim，弹出如图所示的对话框，在右侧的available signals列表中将所需要分析的节点网络标号添加至右侧activesignals列表中，然后从中选择operating point analysis（静态工作点分析），设置完成后单击ok进行仿真。图4-1 仿真中设置对话框仿真结果：图4-2 静态工作点分析仿真结果4.3 瞬态分析：瞬态分析主要是对模拟乘法器调幅电路的工作性能进行分析，在仿真设置对话框中将仿真节点选择为vs，vm，vo，仿真类型中选择transient/ fourier analysis,仿真的起始时间，结束时间和时间步长采用默认值即可仿真结果如图：图4-3 瞬态仿真结果图4-4 傅里叶仿真分析结果