基于555的方波发生器设计.doc

武汉理工大学proteus及cadence课程设计课程设计任务书学生姓名： 进击的小学生 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 基于555的方波发生器设计初始条件：计算机、Proteus软件、Cadence软件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、课程设计工作量：2周2、技术要求：（1）学习Proteus软件和Cadence软件。（2）设计一个555方波发生器电路。（3）利用Cadence软件对该电路设计原理图并进行PCB制版，用Proteus软件对该电路进行仿真。3、查阅至少5篇参考文献。按武汉理工大学课程设计工作规范要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。时间安排：2013.11.11做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。2013.11.11-11.16学习Proteus软件和Cadence软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。2013.11.17-11.21对方波发生器电路进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。2013.11.22 提交课程设计报告，进行答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要2Abstract31 软件介绍41.1Proteus简介41.1.1Protues提供了丰富的资源:41.1.2电路仿真51.2 cadence简介61.2.1、板级电路设计系统61.2.2、逻辑设计与验证（LDV）设计62. 电路设计总方案82.1工作原理82.2电路结构及逻辑功能82.3整体电路设计102.3.1系统方案分析113 电路的仿真133.1 原理图的绘制133.2 原理图的仿真134 PCB图的绘制165心得体会19参考文献20摘要多谐振荡方波发生器在各理工科实验中具有广泛的应用，同时在生活中的数字设备、家用电器、电子玩具等许多领域也有需求。方波信号是一种应用极为广泛的信号，它在科学研究、工程教育及生产实践中的使用非常普遍。它通常作为为标准信号，应用于电子电路的性能试验或参数测量。另外，在许多测试仪中也需要用标准的方波信号检测一些物理量。所以研究多谐振荡方波发生器具有非常重要的现实意义。基于这种形式下，我用555时基电路设计一个电路，使其产生稳定的方波，这次的设计我是以NE555芯片作为主要部分，同时结合部分外围电路，使用Protel99软件作为辅助，把设计电路焊接在铜板上，得到电路后，输入直流电压VCC为5V，输出为占空比可调和频率可调的多谐振荡方波。设计的电路最后使得输出波形不失真，无杂波干涉，频率可调稳定的占空比可调的方波。课程设计任务书关键字：占空比，频率，NE555,方波。Abstract Multivibratorsquare-wavegeneratorinvariousscienceandengineeringexperimentswithawiderangeofapplications,whileinlifedigitaldevices,homeappliances,electronictoysandmanyotherfieldsalsohaveneeds.Squarewavesignalisanapplicationextremelywiderangeofsignals,whichinscientificresearch,engineering,educationandproductionpracticeintheuseofverycommon.Heoftenusedasastandardsignal,usedinelectroniccircuitsorparametersofperformancetestmeasurements.Inaddition,inmanytestersalsoneedastandardsquarewavesignaldetectionofsomephysicalquantity.Therefore,square-wavegeneratorMultivibratorstudyhasveryimportantpracticalsignificance.Basedonthisform,Iuse555time-basecircuitdesignacircuittoproduceastablesquarewave,thedesignprocesswasmycapacityasthemainpartoftheNE555chip,combinedwithpartoftheperipheralcircuits,theuseofProtel99softwareasasupplementtoDesignofweldedcopperonthecircuit.InputDCvoltageVCCof5V,theoutputdutycycleandfrequencyadjustableadjustablemulti-resonantsquarewave.Thefinaldesignofthecircuitmakestheoutputwaveformdistortion,noclutterinterference,frequencyadjustableadjustabledutycyclesquarewavestability.Keywords:dutycycle,frequency,NE555,square-wave1 软件介绍1.1 Proteus简介Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。其功能特点如下:Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：（1）原理布图（2）PCB自动或人工布线（3）SPICE电路仿真具有3大功能模块:a、个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；b、PROSPICE混合模型SPICE仿真;c、ARESPCB设计.1.1.1Protues提供了丰富的资源:（1）Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。（2）Proteus可提供的仿真仪表资源：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。（3）除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。（4）Proteus可提供的调试手段Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。软件仿真:支持当前的主流单片机，如51系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC182系列、Z80系列、HC11系列、68000系列等。1.1.2电路仿真在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛的应用。使用Proteus软件进行单片机系统仿真设计，是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力；在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用 Proteus开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用 Proteus 进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此，Proteus 有较高的推广利用价值。1.2 cadence简介 铿腾电子科技有限公司或益华电脑科技股份有限公司（Cadence Design Systems, Inc；NASDAQ：CDNS）是一个专门从事电子设计自动化（EDA）的软件公司，由SDA Systems和ECAD两家公司于1988年兼并而成。是全球最大的电子设计技术(Electronic Design Technologies)、程序方案服务和设计服务供应商。其解决方案旨在提升和监控半导体、计算机系统、网络工程和电信设备、消费电子产品以及其它各类型电子产品的设计。产品涵盖了电子设计的整个流程，包括系统级设计，功能验证，IC综合及布局布线，模拟、混合信号及射频IC设计，全定制集成电路设计，IC物理验证，PCB设计和硬件仿真建模等。 其总部位于美国加州圣何塞（San Jose），在全球各地设有销售办事处、设计及研发中心。1.2.1、板级电路设计系统包括原理图输入、生成、模拟数字/混合电路仿真，fpga设计，pcb编辑和自动布局布线mcm电路设计、高速pcb版图的设计仿真等等。包括：* Concept HDL原理图设计输入工具，有for NT和for Unix的产品。* Check Plus HDL原理图设计规则检查工具（NT & Unix）。* SPECTRA Quest Engineer PCB版图布局规划工具（NT & Unix）。* AllegroExpert专家级PCB版图编辑工具（NT & Unix)。* SPECTRA Expert AutoRouter 专家级pcb自动布线工具。* SigNoise信噪分析工具。* EMControl电磁兼容性检查工具。* Synplify FPGA / CPLD综合工具。* HDL Analyst HDL分析器。* Advanced Package Designer先进的MCM封装设计工具。1.2.2、逻辑设计与验证（LDV）设计这部分的软件大家都应该是很熟悉的，因为pc版的d版好象现在已绮很普及了。这里简单介绍一下cadence的ldv流程，虽然感觉大家用synopsys还是居多。首先是老板产生一个创意，然后就是设计人员（学生）使用vhdl或者是verilog语言对设计来进 行描述，生成hdl代码。然后，可以用 Verilog-XL, NC-Verilog, LeapfrogVHDL NC-VHDL等工具来进行行为级仿真，判断设计的可行性，验证模块的功能和设计的debug。然后是调试和分析环境中使用代码处理箱（verisure/for verilog) (VHDLCover/for VHDL)分析仿真结果，验证测试级别。然后用Ambit BuildGates进行综合，并使用综合后的时延估计（SDF文件）来进行门级仿真，然后再使用verifault进行故障仿真。2. 电路设计总方案2.1工作原理这里我采用由555定时器组成多谐振荡器来产生方波。2.2电路结构及逻辑功能图2.1 555时基电路及其引脚图图2.1为555时基电路的电路结构和8脚双列直插式的引脚图，由图可知555电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电管和输出缓冲器5个部分组成。它的各个引脚功能如下：1脚：GND(或Vss)外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚：VCC(或VDD)外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.516V，CMOS型时基电路VCC的范围为318V。一般情况下选用5V。2脚：TR低触发端。3脚：OUT（或Vo）输出端。4脚：R是直接清零端。当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：CO(或VC)为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。6脚：TH高触发端。7脚：D放电端。555定时器的主要功能取决于比较器，比较器的输出控制RS触发器和放电BJTT的状态。当1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器的基准电压分别为2/3Vcc，1/3Vcc的情况下：当TH高触发端加入的电平小于2/3Vcc，TL低触发端的电平大于1/3Vcc时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器R=1、S=1，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。当TH高触发端6脚加入的电平小于2/3Vcc，TL低触发端的电平小于1/3Vcc时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器置“1”，放电三极管截止，输出端Vo为高电平。因7脚为集电极开路输出，所以工作时应有外接上拉电阻，故7脚为高电平。当从功能表的最后一行向倒数第二行变化时，电路的输出将保持最后一行的状态，即输出为高电平，7脚高电平。只有高触发端和低触发端的电平变化到倒数第三行的情况时，电路输出的状态才发生变化，即输出为低电平，7脚为低电平。综合上述分析，可得555定时器功能表如下表1：表1 555定时器功能表根据555定时器的这种原理改变阈值电压的值使之输出高电平或低电平，就可以产生方波，我们再通过改变电阻的值来控制高低电平的时间就可以调占空比了.2.3整体电路设计图2.2方波发生器总原理图如图2.2所示，这是一个无线电信号线路和电视的最有用的方波发生器项目。方波是最适合用于测试信号的中频(IF)地带，将通过中频变压器没有任何衰减，不管是什么电路的调谐频率。555timer是配置非稳态运行，这意味着它将触发本身作为一个多谐振荡器自由运行。计时元件电阻R1，R2和电容器(C1-6)在此图中显示的值，产生的六个频率1Hz的，10HZ，100HZ，1KHZ，如果你想产生一个可变频率10kHz到100kHz您可以用一个100K的迷你系列10K电阻微调电位连接，68K电阻。这方波振荡器的电子项目，可提供5至18伏直流输出电压从电源供电，但通常建议使用9伏直流电源。2.3.1系统方案分析用555定时器组成的多谐振荡器如图2.2所示。接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到2Vcc/3时，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2和T放电，Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时，Vo翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为Tpl=R2Cln2=0.7R2C当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2向电容C充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为Tph=（R1+R2）Cln2=0.7（R1+R2）C当Vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如图2.3，其振荡频率为f=1/(Tph+Tpl)=1.43/(R1+R2)C2图2.3电路的工作波形由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。图2.3所示的Tph不等于Tpl，而且占空比固定不变。如果要实现占空比可调，可采用图（c）所示电路。由于电路中二极管D1、D2的单向导电性，使电容器C的充放电回路分开，调节电位器，就可调节多谐振荡器的占空比。图中，Vcc通过Ra、D1向电容C充电，充电时间为Tph=0.7RaC电容器C通过D2、Rb及555中的三极管T放电，放电时间为Tpl=0.7RbC因而，振荡频率为f=1/(Tph+Tpl)=1.43/(Ra+Rb)C电路输出波形的占空比为q（%）=Ra/(Ra+Rb)*100%3 电路的仿真3.1 原理图的绘制图3.1 proteus上画的原理图如图3.1所示，计时元件电阻R1，R2和电容器(C2-7)在此图中显示的值，产生的六个频率1Hz的，10HZ，100HZ，1KHZ，如果想产生一个可变频率10kHz到100kHz可以用一个100K的迷你系列10K电阻微调电位连接，68K电阻。这方波振荡器的电子项目，可提供5至18伏直流输出电压从电源供电，但通常建议使用9伏直流电源。3.2 原理图的仿真图3.2 仿真电路图如图3.2所示，在原理图上按一个示波器就可以对原理图进行仿真，点击左下角的运行按钮，可以得到示波器显示的波形，这里得到的波形如图3.3所示，上下拨动SW1改变电容，可以改变其输出方波频率如图3.4所示。图3.3 仿真波形1图3.4 波形仿真24 PCB图的绘制首先在OrCAD capture CIS中画出电路原理图，如图4.1所示图4.1 555方波发生器的原理图为了节省时间，这里的可变电容调节器我用的是一个0.01uF的电容代替的。原理图画出来后，检查原理图的电气规则是否有错误，选中工程，点击菜单栏tools下的DRC检查，不报错，说明电路电气设计合理。然后开始生成网络表，选中工程，点击tools下的生成网络表，出现图4.2所示的设置栏。4.2 网络表生成设置栏的点击确定，生成网络表，保存在一个文件夹下。然后打开OrCAD PCB editor，新建一个文件如图4.3所示。图4.3 新建菜单栏点击下一步，一直到设置样板长度的页面，如图4.4所示。图4.4 设置菜单栏设置出样板大小，继续下一步，选择样