简易数字频率计的设计--电路仿真分析与PCB板图绘制

毕毕业业设设计计 论论文文 设计 论文 题目 简易数字频率计的设计 电路仿真分析与 PCB 板图绘制 学 院 电信工程学院 教 学 系 通信技术系 班 级 原理图和 PCB 图我剪了 要的加 QQ 姓 名 不要图就直接下吧 QQ 1300400058 指导教师 我花了 200 买的图 2012 年 4 月 简易数字频率计的设计 电路仿真分 析与 PCB 板图绘制 摘要 数字频率计是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器 被测信号可 以是正弦波 方波或其它周期性变化的信号 数字频率计主要由放大整形电路 闸 门电路 计数器电路 锁存器 时基电路 逻辑控制 译码显示电路几部分组成 随着微电子技术和计算机技术的不断发展 信号完整性分析的应用已经成为解 决高速系统设计的唯一有效途径 借助功能强大的 Protel99SE 仿真软件 利用 IBIS 模型 对高速信号线进行布局布线前信号完整性仿真分析是一种简单可行的分 析方法 可以发现信号完整性问题 根据仿真结果在信号完整性相关问题上做出优 化的设计 从而缩短设计周期 讨论了基 Protel99SE 仿真软件模型的建立并对仿真结果进行了分析 研究结果 表明在高速电路设计中采用基于信号完整性的仿真设计是可行的 也是必要的 关键词 关键词 数计频率 设计方案 优化设计 PCB 目目 录录 1 绪论 1 2 数字频率计功能及要求 2 2 1 频率计功能 2 2 2 元器件数量 2 2 3 整体电路设计图及原理 3 3 Multisim8 电路仿真分析 5 3 1 直流工作点分析 5 3 2 瞬态分析 5 3 3 交流分析 6 3 4 傅里叶分析 7 4 Protel99SE 简介 8 5 pcb 板图绘制 9 5 1 PCB 设计的一般原则 9 5 1 1 布局 9 5 1 2 布线 10 5 2 元器件的自动和手工布局 11 6 原理图和 PCB 板图 13 7 结论 14 谢辞 15 参考文献 16 1 绪论 随着信息宽带化和高速化的发展 以前的低速PCB已完全不能满足日益增长信 息化发展的需要 人们对通信需求的不断提高 要求信号的传输和处理的速度越来 越快 相应的高速PCB的应用也越来越广 设计也越来越复杂 高速电路有两个方 面的含义 一是频率高 通常认为数字电路的频率达到或是超过45MHZ至50MHZ 而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个系统的三分之一 就称为高速电路 二是从信号的上升与下降时间考虑 当信号的上升时小于6倍信号传输延时时即认为 信号是高速信号 此时考虑的与信号的具体频率无关 高速PCB的出现将对硬件人 员提出更高的要求 仅仅依靠自己的经验去布线 会顾此失彼 造成研发周期过长 浪费财力物力 生产出来的产品不稳定 高速电路设计在现代电路设计中所占的比例越来越大 设计难度也越来越高 它的解决不仅需要高速器件 更需要设计者的智慧和仔细的工作 必须认真研究分 析具体情况 解决存在的高速电路问题 一般说来主要包括三方面的设计 信号完 整性设计 电磁兼容设计 电源完整性设计 在电子系统与电路全面进入1GHz以上的高速高频设计领域的今天 在实现VLSI 芯片 PCB和系统设计功能的前提下具有性能属性的信号完整性问题已经成为电子 设计的一个瓶颈 从广义上讲 信号完整性指的是在高速产品中有互连线引起的所 有问题 它主要研究互连线与数字信号的电压电流波形相互作用时其电气特性参数 如何影响产品的性能 传统的设计方法在制作的过程中没有仿真软件来考虑信号完整性问题 产品首 次成功是很难的 降低了生产效率 只有在设计过程中融入信号完整性分析 才能 做到产品在上市时间和性能方面占优势 对于高速PCB设计者来说 熟悉信号完整 性问题机理理论知识 熟练掌握信号完整性分析方法 灵活设计信号完整性问题的 解决方案是很重要的 因为只有这样才能成为21世纪信息高速化的成功硬件工程师 信号完整性的研究还是一个不成熟的领域 很多问题只能做定性分析 为此 在设计过程中首先要尽量应用已经成熟的工程经验 其次是要对产品的性能做出预 测和评估以及仿真 在设计过程中可以不断积累分析能力 不断创新解决信号完整 性的方法 利用仿真工具可以得到检验 2 数字频率计功能及要求 2 1 频率计功能频率计功能 频率计主要用于测量正弦波 矩形波 三角波和尖脉冲等周期信号的频率值 其扩展功能可以测量信号的周期和脉冲宽度 数字频率计的整体结构要求如图所示 图中被测信号为外部信号 送入测量电 路进行处理 测量 档位转换用于选择测试的项目 频率 周期或脉宽 若测 量频率则进一步选择档位 图 2 1 总体结构图 2 2 元器件元器件数量数量 清零信号清零信号 锁存信号锁存信号 T N 整形放大电路 计 数 器 锁 存 器 译 码 器 逻 辑 控 制 电 路 显 示 器 时 基 电 路 闸 门 型号名称及功能数量 NE555定时器1 片 741518 选 1 数据选择器2 片 74153双 4 选 1 数据选择器2 片 7404六反向器1 片 4518十进制同步加 减计数器2 片 74132四 2 输入与非门 有施密特 触发器 1 片 74160十进制同步计数器3 片 C392数码管3 片 4017十进制计数器 脉冲分配器1 片 4511 4 线 七段所存译码器 驱动 器 3 片 TL0841 片 10K 电位器1 片 电阻电容 拨盘开关1 个 2 32 3 整体电路设计图及原理整体电路设计图及原理 2 2 测量频率计的原理图 2 3 测量周期的原理框图 输入电路 由于输入的信号可以是正弦波 三角波 而后面的闸门或计数电路 要求被测信号为矩形波 所以需要设计一个整形电路则在测量的时候 首先通过整 形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波 在整形之前由于不清楚被测信号的强弱 的情况 所以在通过整形之前通过放大衰减处理 当输入信号电压幅度较大时 通 过输入衰减电路将电压幅度降低 当输入信号电压幅度较小时 前级输入衰减为零 时若不能驱动后面的整形电路 则调节输入放大的增益 时被测信号得以放大 频率测量 测量频率的原理框图如图 2 2 测量频率共有 3 个档位 被测信号经 整形后变为脉冲信号 矩形波或者方波 送入闸门电路 等待时基信号的到来 时 基信号有 555 定时器构成一个较稳定的多谐振荡器 经整形分频后 产生一个标准 的时基信号 作为闸门开通的基准时间 被测信号通过闸门 作为计数器的时钟信 号 计数器即开始记录时钟的个数 这样就达到了测量频率的目的 周期测量 测量周期的原理框图 2 3 测量周期的方法与测量频率的方法相反 即将被测信号经整形 二分频电路后转变为方波信号 方波信号中的脉冲宽度恰好 为被测信号的 1 个周期 将方波的脉宽作为闸门导通的时间 在闸门导通的时间里 计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数 计数器累计的结果可以换算出 被测信号的周期 用时间 Tx 来表示 Tx NTs 式中 Tx 为被测信号的周期 N 为计 数器脉冲计数值 Ts 为时基信号周期 3 Multisim8 电路仿真分析 Multisim8 提供的电路仿真分析有 直流工作点分析 交流分析 瞬态分析 傅里 叶分析传输函数 分析灵敏度 分析 直流扫描分析 温度扫描分析为 用户设计分析电 路提供了极大的方便最坏情况分析 蒙特卡罗分析 批处理分析及 RF 分析 等多种 分析 分析结果以表格或波形直观地显示出来 我在此介绍简要介绍几种常用的分 析 3 1 直流工作点分析直流工作点分析 直流工作点分析 Analysis 直流工作点分析 DC Operating Point Analysis 在进行直流工作点分析 时 软件将交流电压源视为短路 交流电流源视为开路 电 容视为开路 电感视为 软件将交流电压源视为短路 交流电流源视为开路 电容视 为开路 短路 进行电路的其它分析时 首先进行直流工作点分析 以便建立小信 号模型 短路 进行电路的其它分析时 首先进行直流工作点分析 以便建立小信 号模型 具体分析步骤如下 1 创建电路 例如我们要建立如图所示单管放大电路 单击主菜单 Options 命 令 大电路 单击主菜单 命令 下的 Preferences 项 在弹出的对 下的 项 标签 话框中选择 Circuit 标签 选中 标签 Show node name 节点号就显示在 节点号就显 示在 电路图上 2 分析设置 点 击 主 菜 单 的 Simulate 选 项 下 Analysis Analysis DC Operating Point 命 Analysis 令 弹 出 Analysis DC Operating Point Analysis 对话框如图所 Analysis 对话框如图所 该对话框包括 示 该对话框包括 Output Analysis Summary 共 3 个标签 3 进行仿真分析 单击 Simulate 按 按 单击 钮即可进行分析 钮即可进行分析 3 2 瞬态分析瞬态分析 瞬态分析 Transient Analysis 对选定的电路节点进行的时域响应分析 即观察 节点的电 压波形 压波形 在进行瞬态分析时 直流电源具有恒 定的数值 定的 数值 交流电源的 数值随时间而变化 瞬态分析的具体步骤如下 点击主菜单的 Simulate 选项下 Analysis Transient Analysis 命令 Simulate 选 项下 Analysis 弹 出 Transient Analysis 对 话 框 如 图 所 示 该 对 话 框 包 括 Parameters Output Analysis Options 及 Summary 共 4 个标签 除了 Analysis Parameters 标签 Parameters 标签 外 其余标签页与直 流工作点分析的设置 一样 在 Analysis Parameters 标签页中则包括 标签页中则包括 如下项目 1 Initial conditions 区 其功能是设 区 置初始条件 包括以下选项 置初始条件 包括 以下选项 Automatically determine initial conditions 程序自动设置初始值 初始值设 置为 0 Set to zero 初始值设置为 0 由用户定义初始值 User defined 由用户定义 初始值 Calculate DC operating point 通过计算直流工作点得到的 初始值 Automatically determine initial conditions 自动获得规定 的初始值 Parameters 区 对时间间隔和步长等参数进行设置 包括 步长等参数进行设置 包括 tart time 设置 分析开始的时间 End time 设置 分析结束的时间 分析结束的时间 Maximum time step 设置最大 Generate time steps automa 由软件自动决 3 3 交流分析交流分析 交流分析 AC Analysis 就是对电路进行交流频率响应分析 分析时 Multisim 仿真软件首先对电路进行直流工作点分析 仿真软件首先对电路进行直流工作点分 析 以建立电路中非线性元件的交流小信号模型 以建立电路中非线性元件的交流 小信号模型 然后对电路进 行交流分析 并且输入信号源都被认为是正弦波信号 行交流分析 并且输入信号源都被认为是正弦波信号 若使 用函数信号发生器作为 输入信号时 用函数信号发生器作为输入信号时 即使选用三角波或方波 信号 也自动将它改为正弦波形输出 信号 Multisim 也自动将它改为正弦波形输出 首先在 Multisim 用户界面的电路窗口中 创建用户界面的电路窗口中 首先在 用户界面的电路窗口中电路 的 RCL 电路 然后单击 Simulate 菜单中 菜单中 Analyses 选项下然后单击菜单选项下命令 命令弹出 AC Analysis 对话框 该对话框含有 4 个标签 除 Frequency Parameters 标签外 其余与直流工作点 分析的标签一样 在此不再赘述 Frequency Parameters 标签页主要用于设置 AC 分析时的频率参数 分析时的频率 参数 用于设置分析时的频率参数 Start frequency 设置交流分析的起始频率 Stop frequency FSTOP 设置交流 分析的终止频率 Sweep type 设置交流分析的扫描方式 主要有 Decade 十倍 设置交流分析的扫描方式 主要有 十倍 程扫描 八倍程扫描 和 线性扫描 Octave 八倍程扫描 和 Linear 线性扫描 通常采用十 八倍程扫描 线性扫描 以对 数方式展现 倍程扫描选项以对数方式展现 Number of points per decade 设置每 十倍频率的取样数量 设置每十倍频率的取样数量 设置的值越大 则分析所 需的时间越长 设置的值越大 则分析所需的时间越长 3 4 傅里叶分析傅里叶分析 所谓傅里叶分析 Fourier Analysis 就是求解一个时域信号的直流分量 基波分量 和各谐波分量的大小 首先确定分析节点 其次把电路的交流激励信号源设置为基 频 下面以图示的方波激励 RC 电路为例 说明傅里叶分析的电路为例具体操作步 骤 首先在 Multisim 电路窗口中创建方波激励电路窗口中创建方波激励 RC 电路 单击 Simulate 菜单中 菜单中 Analyses 选项下的 单击 菜单中 选项下的 Fourier Analysis 命令 弹出如下图所示命令 对话框 的 Fourier Analysis 对话框 对话框含有 4 个除 Analysis Parameters 标签 其余与直流工作点分析的标 签 一样 在此不再赘述 Analysis Parameters 标签页主要用于设置傅里叶分析时的有关采样参数和显示 方式 1 Sampling options 区 主要用于设置有关采样的基本参数 Fundamental frequency 设置基波的频率 即交流信号激励源的频率或最小公因数频率 频率值 的确定由电路所要处理的信号来决定 默认设置为 l kHz Number Of harmonics 设 置包括基波在内的谐波总数 设置包括基波在内的谐波总数为 9 Stop time for sampling TSTOP 设置停止取样的时间 该值一般比较小 通常为毫秒级 如果不 知如何设置 可单击 Estimate 按钮 由 Multisim 8 仿真软件自行设置 Edit transient analysis 该按钮的功能是设置瞬态分析的选项 单击它弹出瞬态分析对话 框 2 Results 区 主要用于设置仿真结果的显示方式 Display phase 显示傅里叶 分析的相频特性 默认设置不选用 Display as bar graph 以线条形式来描绘频谱图 Normalize graphs 显示归一化频谱图 Vertical scale Y 轴刻度类型选择 包括线 性 Linear 对数轴刻度类型选择包括线性和分贝 和分贝 2 种类型 设置所要显示 的项目 它包括 3 个选项 即 Chart Graph 和 Chartand Graph 对于本例 RC 的电 路 基频设置为 1000Hz 谐波的次数取 9 Estimate 即仿真软件自动给出停止取 样的时间 同时在 Output 标签 中选择节点 为仿真分析变量 设置参数如下图所 示 中选择节点 为仿真分析变量 单击 FourierAnalysis 对话框中单击 Simulate 按钮 就会显示该电路的频谱图 4 Protel99SE 简介 Protel99SE 是 Protel 公司近 10 年来致力于 Windows 平台开发的最新结晶 能实 现从电学概念设计到输出物理生产数据 以及这之间的所有分析 验证和设计数据 管理 因而今天的 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 最新版本的 Protel 软件 可以毫无障碍地读 Orcad Pads Accel PCAD 等知名 EDA 公司设计文件 以便用 户顺利过渡到新的 EDA 平台 Protel99 SE 共分 5 个模块 分别是原理图设计 PCB 设计 包含信号完整性分析 自动布线器 原理图混合信号仿真 PLD 设计 Protel99SE 是应用于 Windows9X 2000 NT 操作系统下的 EDA 设计软件 采用设计 库管理模式 可以进行联网设计 具有很强的数据交换能力和开放性及 3D 模拟功 能 是一个 32 位的设计软件 可以完成电路原理图设计 印制电路板设计和可编程 逻辑器件设计等工作 可以设计 32 个信号层 16 个电源 地层和 16 个机加工层 是 个完整的板级全方位电子设计系统 同时还兼容一些其它设计软件的文件格式 其 多层印制线路板的自动布线可实现高密度 PCB 的 100 布通率 Protel99SE 在仿真方面的特点 Protel99SE 软件中提供了 SIM99se 数模混合仿真器集成软件可以对许多电子线 路进行模拟设计 模拟运行 反复修改 提供了接近 6000 各仿真元件和大量的数学 模型期间 可以对电工电路 低频电子线路 高频电子线路和脉冲数字电路在一定 范围内进行仿真分析 仿真结果以多种图形方式输出 直观明了 可以单图精细分 析 也可以多图综合比较分析 并可通过不同的角度进行分析 以获得对电路设计 的准确判断 5 pcb 板图绘制 如图是传统的设计方法 在最后测试之前 没有做任何的处理 基本都是 依靠设计者的经验来完成的 在对样机测试检验时才可以查找到问题 确定问 题原因 为了解决问题 很可能又要从头开始设计一遍 无论是从开发周期还 是开发成本上看 这种主要依赖设计者经验的方法不能满足现代产品开发的要 求 更不能适应现代高速电路高复杂性的设计 所以必须借助先进的设计工具 来定性 定量的分析 控制设计流程 5 1 PCB 设计的一般原则 5 1 1 布局 首先 要考虑 PCB 尺寸大小 PCB 尺寸过大时 印制线条长 阻抗增加 抗噪 声能力下降 成本也增加 过小 则散热不好 且邻近线条易受干扰 在确定 PCB 尺寸后 再确定特殊元件的位置 最后 根据电路的功能单元 对电路的全部元器 件进行布局 在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则 1 尽可能缩短高频元器件之间的连线 设法减少它们的分布参数和相互间的电磁 干扰 易受干扰的元器件不能相互挨得太近 输入和输出元件应尽量远离 2 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差 应加大它们之间的距离 以免放 电引出意外短路 带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方 3 重量超过 15g 的元器件 应当用支架加以固定 然后焊接 那些又大又重 发 热量多的元器件 不宜装在印制板上 而应装在整机的机箱底板上 且应考虑散热 问题 热敏元件应远离发热元件 4 对于电位器 可调电感线圈 可变电容器 微动开关等可调元件的布局应考虑 整机的结构要求 若是机内调节 应放在印制板上方便调节的地方 若是机外调节 其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应 5 应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置 根据电路的功能单元 对电路的全部元器件进行布局时 要符合以下原则 1 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置 使布局便于信号流通 并使信 号尽可能保持一致的方向 2 以每个功能电路的核心元件为中心 围绕它来进行布局 元器件应均匀 整齐 紧凑地排列在 PCB 上 尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接 3 在高频下工作的电路 要考虑元器件之间的分布参数 一般电路应尽可能使元 器件平行排列 这样 不但美观 而且装焊容易 易于批量生产 4 位于电路板边缘的元器件 离电路板边缘一般不小于 2mm 电路板的最佳形 状为矩形 长宽双为 3 2 或 4 3 电路板面尺寸大于 200 150mm 时 应考虑电路板 所受的机械强度 5 1 2 布线 布线的原则如下 1 输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行 最好加线间地线 以免发生反馈藕 合 2 印制板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流 值决定 当铜箔厚度为 0 5mm 宽度为 1 15mm 时 通过 2A 的电流 温度不会高 于 3 因此 导线宽度为 1 5mm 可满足要求 对于集成电路 尤其是数字电路 通常选 0 02 0 3mm 导线宽度 当然 只要允许 还是尽可能用宽线 尤其是电源 线和地线 导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定 对 于集成电路 尤其是数字电路 只要工艺允许 可使间距小于 5 8mil 3 印制导线拐弯处一般取圆弧形 而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能 此外 尽量避免使用大面积铜箔 否则 长时间受热时 易发生铜箔膨胀和脱落现 象 必须用大面积铜箔时 最好用栅格状 这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受 热产生的挥发性气体 3 焊盘 焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些 焊盘太大易形成虚焊 焊盘外径 D 一般不 小于 d 1 2 mm 其中 d 为引线孔径 对高密度的数字电路 焊盘最小直径可取 d 1 0 mm 在 PCB 设计中 布线是完成产品设计的重要步骤 可以说前面的准备工作都是 为它而做的 在整个 PCB 中 以布线的设计过程限定最高 技巧最细 工作量最 大 PCB 布线有单面布线 双面布线及多层布线 布线的方式也有两种 自动布 线及交互式布线 在自动布线之前 可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布 线 输入端与输出端的边线应避免相邻平行 以免产生反射干扰 必要时应加地线 隔离 两相邻层的布线要互相垂直 平行容易产生寄生耦合 自动布线的布通率 依赖于良好的布局 布线规则可以预先设定 包括走线的 弯曲次数 导通孔的数目 步进的数目等 一般先进行探索式布经线 快速地把短 线连通 然后进行迷宫式布线 先把要布的连线进行全局的布线路径优化 它可以 根据需要断开已布的线 并试着重新再布线 以改进总体效果 不过既使在整个 PCB 板中的布线完成得都很好 但由于电源 地线的考虑不周 到而引起的干扰 会使产品的性能下降 有时甚至影响到产品的成功率 所以对电 地线的布线要认真对待 把电 地线所产生的噪音干扰降到最低限度 以保证产品 的质量 对每个从事电子产品设计的工程人员来说都明白地线与电源线之间噪音所 产生的原因 现只对降低式抑制噪音作以表述 1 众所周知的是在电源 地线之间加上去耦电容 2 尽量加宽电源 地线宽度 最好是地线比电源线宽 它们的关系是 地线 电源线 信号线 通常信号线宽为 0 2 0 3mm 最经细宽度可达 0 05 0 07mm 电 源线为 1 2 2 5 mm 对数字电路的 PCB 可用宽的地导线组成一个回路 即构成一个地网来使用 模拟 电路的地不能这样使用 3 用大面积铜层作地线用 在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线 用 或是做成多层板 电源 地线各占用一层 5 25 2 元器件的自动和手工布局元器件的自动和手工布局 中止自动布局 Tools Component Placement Stop Auto Placer 设置推挤元件的深度 Tools Component Placement Set Shove Depth 推挤元件 Tools Component Placement Shove 顺序 先布置与机械尺寸有关的器件并锁定这些器件 然后是大的 核心的元 件 最后是外围的 小元件 布局原则 接插件的安装位置要符合设计要求 元件在 PCB 板上布置的位置平衡 疏密有致 不能散热要求 发热元件的放置 位置要合理 散热要通畅 不能干扰到电路其他部分工作 电解电容 晶振 锗管 等热敏元件要与发热元件保持一定距离 尽量做到按模块布局 尽量使连线的距离最短 交叉最少 首先将较大的元件 放置在合适位置 然后按模块放置其他元件 最后放置其他外围元件 设定布线规则 部分线路手动预布线自动布线手动调整 命令 Design Rules 布线前首先制定详细的布线规则 如线宽 间距 过孔类型等 有特殊要求的 手动预布线 例如电源线 高速线路等 其他线路用自动布线功能 最后对自动布 线结果手动调整 6 原理图和 PCB 板图 图没了加 1300400058 图 6 1 频率计电路原理图 图没了 1300400058 图 6 2 频率计 PCB 板图 7 结论 通常当提到印刷电路板 PCB 时 会想到电路设计 板图设计和可靠性分析 等 现在 随着数字电子系统突破1GHz的壁垒 PCB板的设计必需要考虑信号完整 性问题 保持信号完整性对设计者来说越来越富有挑战性 随着信号电平跳变时间的不断减小 PCB 板面上的走线将都可以作为传输线来看 待 理解传输线原理是研究信号完整性问题的基础和前提 信号完整性问题的引发因 素是多方面的 其中串扰和反射是最主要的因素 减小反射和串扰就成为信号完整性 研究的主要内容 通过减小走线长度可以抑制反射 但这在元件密度甚高的 PCB 板中 往往是不现实的 通过端接电阻达到阻抗匹配才是减小反射的最可行和有效的办法 对于串扰而言 最直观的减小串扰的方法就是增大走线间距和缩短走线并行长度 但 这些做法在高密度板中是很难办到的 由于串扰具有叠加性 所以可以用巧妙的走线 拓扑结构来抵消串扰 这种叠加抵消的方法不能完