Protel课程毕业设计模拟乘法器调幅电路.doc

Protel课程毕业设计（论文）模拟乘法器调幅电路 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的制作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本实验中载波是由晶体振荡产生的10MHZ高频信号KHZ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protelpcb模拟乘法器幅度调制电路仿真第一章设计报告211课程设计性质212课程设计目的213课程设计内容及要求214课程设计基本原理2com基本原理2com集成模拟乘法器MC14963com幅度调制6com设计原理图说明6第二章Protel绘制原理图721模拟乘法器调幅电路原理图的绘制722Protel具体绘制步骤723模拟乘法器调幅电路元件布局1024电路原理图11第三章制作PCB图1131PCB简要说明1132封装1233布局与自动布线1234自动布线结果1435设置敷铜14第四章Protel原理图的仿真1641执行分析1642静态工作点分析1743瞬态分析1944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课程设计目的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通过实验对比全载波调幅抑止载波双边带调幅波形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课程设计内容及要求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绘制电路原理图相应的双面印刷版图pcb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课程设计基本原理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中采用集成模拟乘法器MC1496来完成调幅作用图-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DV7V8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V5V6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 MC1496内部电路图用1496集成电路构成的调幅器电路图如图所示图中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12VV电阻R29R30R31R32R52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m为调幅系数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 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的内部电路图其原理简单说明如下Q1Q2Q3Q4组成双差分放大器集电极电阻由外接电阻于JO6与JO12提供Q5Q6组成的单差分放大电路用于激励Q1Q4Q7Q8及其偏置电路构成恒流源电路JO8与JO10接输入电压VxJO1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Q5Q6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V8 V10 V1 V4 V6 V12 15V V6-V8 2V 15V V8-V1 27V 15V V1-V4 27V 一般情况下晶体管的基极电流很小对于图三对差分放大器的基极电流I8I10I1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-8VJO5通过电阻R5接地因此变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左右幅度调制是正弦波或脉冲序列的幅度随调制信号线形变化的过程 其中为外加直流表示调制信号设计原理图说明本设计采用图的原理图载波信号Um经高频耦合电容C2从O10输入C1为高频旁路电容使O8接地调制信号Us经低频耦合电容C3从O1输入C5为低频旁路电容使O4接地调幅信号Uo从O12与O6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O5的偏置电阻R5接地 O2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R11R12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设计原理图rotel绘制rotel 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 projectProtel 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rotel具体绘制步骤打开protel DXP 然后依次选FileNewProjectPCB Project然后将工程保存新建原理图在菜单中选FileNewSchematicSchematic新建一张原理图保存后可开始绘制原理图图2-1 新建原理图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 添加删除元件库对话框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图 放置元件对话框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PCBProtel 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封装管理器对元件进行如图3-1所示封装图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Update 手动布局结果如图所示图 手动布局结果手动布局结束后采用自动布线器进行布线设置自动布线规则在菜单中选择Auto RouteAll在对话框中选择在弹出对话框图中修改Width的布线规则完成布线图 布线规则设置对话框自动布线结果图 自动布线结果图 自动布线顶层效果图 自动布线底层效果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 敷铜设置对话框敷铜效果图 敷铜效果图原理图的仿真Protel提供了模拟数字混合仿真其仿真引擎使用伯克利分校SPICE3f5xspice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 仿真