Protel应用课程设计参考模板

1、课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名：学生姓名： XXXX 专业班级：专业班级： 通信 ZY1101 指导教师：指导教师： 张小梅 工作单位：工作单位： 信息工程学院 题题 目目: Protel 应用课程设计-模拟乘法器调幅电路 初始条件：初始条件： （1）可选元件：二极管、三极管、电阻、电位器、电容若干；+12V 及+8V 直流电 源；正弦交流电源 （2）可用仪器：示波器，万用表，毫伏表 （3）仿真软件：Protel DXP 2004 要求完成的主要任务要求完成的主要任务: （1）使用 protel 制作模拟乘法器的电路原理图 （2）使用 protel 制作模拟乘法器的 PCB 图 （3）

2、使用 protel 进行电路仿真设计 时间安排：时间安排： （1）第 1-3 周：选题及任务安排。 （2）第 4-10 周：方案选择及设计。 （3）第 11-16 周：仿真及 PCB 制作（鉴主 13 楼计算机实验室） 。 （4）第 17-18 周：撰写报告及答辩。 指导教师签名：指导教师签名： 年年 月月 日日 系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 年年 月月 日日 摘 要 模拟乘法器是利用晶体管的非线性特性，在输出中仅保留两路输入信号中由非线性部 分产生的信号的乘积项，从而获得良好的乘积特性的集成器件。在高频电子线路中，振幅 调制、同步检波、混频、鉴频中都有广泛应用。 模拟

3、乘法器可以由集成芯片构成，也可以用分立元件如二极管、三极管等来实现电路 功能。从深入理解原理的角度出发，本次课程设计采用了分立元件构成的电路来实现要求。 在设计中使用 Q5Q6 组成的单差分放大器来激励由 Q1Q2、Q3Q4 双差分放大器。Q7Q8 及其偏置电路组成 Q5Q6 的恒流源。 Protel DXP 2004 将项目管理方式、原理图和 PCB 图的双向同步技术、多通道技术、 自动布线技术以及强大的电路仿真的技术完美的融合在一起。Protel DXP 提供了丰富的元 件库，包括原理图符号。PCB 封装、SI 模型及仿真模型，可以方便地进行同步修改。这 次课程设计主要要求掌握原理电路图设

4、计、PCB 设计和仿真。 关键词： Protel DXP，PCB 设计工具，原理图设计、自动布线器、原理图混合信号仿真 ABSTRACT Depanding on transistor characteristics of the nonlinear,analog multiplier is a Integrated Device which can obtain excellent multiplier characteristic in the output of retaining only the two input signals from non-linear part of th

5、e signal of the product.And its widely used in High- frequency electronic circuits. Analog multiplier can be integrate chip circuit directly or autocephaly component such as diode and transistor. I adopt the scheme of autocephaly component to get the requirement. In this design,I use transistor Q1Q2

6、,Q3Q4 to make up Double- Differential Amplifiers,and use Single- Differential Amplifiers(Q5Q6)to provide it.Then use Q7Q8 to make up Constant current source for Single-Differential Amplifiers. Protel DXP 2004 combine Project management, the PCB and schematic map of the two- way synchronization techn

7、ology, multi-channel technology, automatic routing technology and a strong circuit simulation technology together perfectly. Protel DXP provides a rich library, including the principle of symbols. PCB package, SI model and simulation model can easily synchronize edits. The main demands of the curric

8、ulum design master principle circuit design, PCB design and simulation. Key words： Protel DXP，PCB design tools，schematic design，automatic routing，principle of mixed-signal simulation 目 录 1 设计任务与要求设计任务与要求.1 1.1 设计任务.1 1.2 设计要求.1 2 原理分析原理分析.1 2.1 频谱搬移原理.1 2.2 模拟乘法器电路分析.2 2.3 阻抗匹配网络.4 3 电路原理图绘制电路原理图绘制.

9、5 3.1 DXP 绘制电路原理图 .5 3.2 DXP 绘制 PCB 图.10 3.2.1 加载网络表.10 3.2.2 PCB 板的排版.11 3.2.3 PCB 板的布线.12 4 电路仿真及分析电路仿真及分析.14 5 心得体会心得体会.17 参考文献参考文献.18 附录附录.19 1 设计任务与要求设计任务与要求 1.1 设计任务 设计一个模拟乘法器，通过晶体管的非线性特性，在输出中仅保留两路输入信号中由 非线性部分产生的信号的乘积项，在输出端获得良好的乘积特性，从而能够实现利用模拟 乘法器进行振幅调制的功能。 1.2 设计要求 1. 使用 protel 制作模拟乘法器的电路原理图

10、2. 使用 protel 制作模拟乘法器的 PCB 图 3使用 protel 对基于模拟乘法器的调幅电路进行仿真 2 原理分析原理分析 2.1 频谱搬移原理 在通信系统中，频谱的频谱搬移电路是最基本的单元电路。幅度调制和解调以及变频 都需要在保证信号频谱结构不变的情况下进行频谱的线性平移变换，以获得频谱满足要求 的输出信号。在这种变换中输出信号与输入信号的频率成分是不同的，由于信号通过线性 电路其输出并不会产生新的频率分量，因此这种变换只能通过非线性电路才能实现。 假设非线性器件的伏安特性可用下面的非线性函数来表示： （2-1）( )if u 式中,u 为加在非线性器件上的电压。一般情况下,有

11、 uEQ+u1+u2,其中 EQ 为静态工 作点,u1 和 u2 为两个输入电压。在 V 静态工作点将式（2-1）展开为泰勒级数,可得： （2-2） 2 011221212 ()()() n n iaa uua uua uu 上式可以改写为： （2-3） 12 00 ! !()! n n mm n nm n ia uu m nm 可见，当非线性器件同时受两个电压作用时，器件相应电流中存在着两个电压的相乘 项 2a2u1u2，它是由伏安特性的二次方向产生的。若作用在非线性器件上的两个电压均为 余弦信号,即 u1U1cos1t,u2U2cos2t,代入上式,经过计算，可以得到下列结论： 1.输出电

12、流中的直流分量，除了由静态工作点所确定的静态分量外，还增加了由于非 线性变换而引入的新分量； 2输出电流中包含由下列通式表示的无限多个组合频率分量： （2-4） 12pq pq 当 p=1,q=1 的频率分量是有用相乘项产生的，而其他组合频率分量是 1112 无用相乘项产生的。并且所有组合频率都是成对出现的，即存在就必有， 12 12 存在就必有。 12 2 12 2 3和差频率的出现使非线性器件能够实现频谱搬移，但其中某些频率分量可能落入 有用信号频带内而形成干扰。 2.2 模拟乘法器电路分析 模拟乘法器以差分放大电路作为主要组成部分，利用差分电路的非线性特性进行频谱 线性搬移，用双差分对电

13、路可以使得输出信号模拟两个输入信号的乘积，从而实现 AM 振 幅调制。 双差分对频谱搬移电路如图 2.1 所示，它由三个基本部分组成，也可以看成由两个单 差分对电路组成。V1、V2、V5 组成差分对电路，V3、V4、V6 组成差分对电路，两个 差分对电路的输出端交叉耦合。 （2-5） 13241243 ()()()() o iiiiiiiiiii （2-6） 125 436 tanh() 2 tanh() 2 A T A T u iii V u iii V （2-7） 56 ()tanh() 2 A o T u iii V （2-8）56 tanh() 2 B o T u iiI V 由式（2

14、-7） （2-8）可得： （2-9） tanh()tanh() 22 AB oo TT uu iI VV 可见双差分对的差动输出电流与两个输入电压 u1、u2 之间均为非线性关系。 o i 当 U1、U226mV 时， （2-10）12 2 4 o o T I iu u V 从上式可以看出，对小信号 u1、u2，双差分对电路具有模拟相乘的作用。 图 2.1 双差动乘法器 在此之外，简单的双差分电路存在温度漂移的问题，可以另外用 V7 和 V8 构成镜像电 流源，同时和同时都是对称双端输入，以上两个方面可以用来抑制 V1 到 V6 六个三 A u B u 极管存在的温度漂移。 图 2.2 集成模

15、拟乘法器 MC1496 及其引脚图 但在加上 V7、V8 构成的镜像电流源之后，输出电压与输入电压的关系就和双差动电路的 输入输出关系不同，而是如下式所示 （2-11） 1 1 2o vK v v 令，则有 110 cos m vVt 22 cos m vVt （2-12） 01 1201 120 1 coscoscos()cos() 2 mmmmo vKV VttKV Vtt 模拟乘法器的输出为载波被抑制的调幅波，实现了振幅调制。 2.3 阻抗匹配网络 在输入信号经过模拟乘法器进行振幅调制之后，还必须在输出端加上相应的阻抗匹配 网络，以便能使负载获得最大的振幅调制输出信号。由于模拟乘法器抑制

16、了载波，所以在 选择 LRC 并联阻抗匹配网络时要考虑使得 LC 的阻抗值能够满足 = （2-13） 1 p LC o 或者 = （2-14） 1 p LC o 当 RLC 并联网络谐振时，整个网络的阻抗值最大，输出电压也最大，能够较好的向负 载网络提供 AM 调幅信号。 3 电路原理图绘电路原理图绘制制 3.1 DXP 绘制电路原理图 进入 Protel DXP 2004 后，依次点击工具栏上的 File/New/PCB Project，新建一个 后缀名为 prjPCB 的工程文件。 图 3.1 新建 prjPCB 工程文件 接下来在刚建立的 prjPCB 的工程文件下点击 File/New

17、/Schematic 新建一个后缀名 为 SchDoc 的原理图，建立原理图与工程的关联。 图 3.2 新建原理图 在绘制原理图时，Protel DXP 2004 在工具栏上提供了常用元件的快捷方式，例如电 阻、电解电容、瓷片电容以及常用的与、或、非等组合逻辑门，使用起来很方便。如果要 使用其他元件则可以使用 Place/Part 命令打开元件选择窗口。 若使用的是比较基本的元件可以在 Protel DXP 2004 默认提供的元件库 Miscellaneous Devices.lntLib 中直接浏览。Protel DXP 2004 将元件的原理图符号，元 件描述、封装号以及 SI 仿真模型

18、都集中在一起显示，使用起来很方便，也在一定程度上 避免了 Protel 99 SE 中不知道元件封装号的问题。如果需要修改，可以在 Model Name 框 中自行修改。 图 3.3 添加元件 如果是寻找不那么常用的元件可以在元件库管理器中选择 Libraries/Search/Search Libraries 命令，再输入元件名称查找。根据电路要求可以在 DXP 中加载相应的元件库， DXP 中带有非常丰富的元件库，并且按照芯片的生产公司的名称分开放置，便于查找。如 果没有相应的元件，还可以通过 PCB 库文件编辑器来自己编辑。 图 3.4 加载元件库 在本次设计中，模拟乘法器的本地载波信号

19、由正弦信号源提供，则在 DXP 中加载 Simulation Source.IntLib 元件库，里面含有各种波形的激励源，在库中找到元件名为 VSIN 的正弦信号源。 图 3.5 选择激励源 在依照电路安放好所有元件之后再开始连线。点击工具栏上的 place wire 图标进行 连线操作，将各元件的引脚连接起来。在连线时需要注意导线交叉时是否导通的问题。如 图 3.5 所示，第一条水平导线与竖直导线导通，但在绘图时经常忽略这一点，处理成第二 条水平线。所以在画图时应该在连接处用 Place 菜单下的 ManualJunction 工具添加一个 电气结点。 图 3.6 连线时的结点处理 完成所

20、有连线之后，选择 File/New/TextDocument 命令，开启一个数据库文本；再选 择 Project/Project Options 命令设置工程检查参数，在执行 Project/Compile Document 检查系统错误。如果提示错误则返回修改原理图，如果没有错误，则选择 Design/Netlist For Document/Protel 命令生成网络表。 图 3.7 模拟乘法器电路原理图 3.2 DXP 绘制 PCB 图 3.2.1 加载网络表加载网络表 生成网络表之后，就进入了 PCB 板绘制的阶段。选择 File/New/PCB 生成一个后缀为 PcbDoc 的文件。

21、PCB 板分为很多层，主要有 Top-Layer、Bottom- Layer、Mechanical、Top Overlay、Keep-Out-layer 和 Multi-Layer。 按步骤设置 PCB 板的 Mechanical 物理边界以及 Keep-Out Layer 电气边界。先执行 Design/Board Sharp/Redefine Board Sharp 命令，此时光变变成十字形。然后在 Mechanical 层面上划定 PCB 板的物理边界，最后在禁止布线层（Keep-Out Layer）上面 划定电器边界。 在正确设置完成 PCB 板之后，在 PcbDoc 文件下选择 De

22、sign/Import Changes From 命 令加载网络表（或者在 SchDoc 文件下选择 Design/Update PCB Document 命令） ，屏幕上 显示详细的网络连接信息。点击 Validate Changes 按钮可以检查装入的元件封装、电器 规则以及元件的网络连接是否正确，如果正确，屏幕上将显示绿色打勾标记。再点击 Execute Changes 按钮完成元件网络表的加载。 图 3.8 加载网络表 3.2.2 PCB 板的排版板的排版 网络表加载完成之后，PCB 根据网络表产生预拉线，在屏幕上会出现排列整齐的所有 元件以及设置过的 PCB 板，然后 PCB 根据预

23、拉线一条一条变为铜膜走线。选定所有的元件 拖至 PCB 板上，执行 Tools/Auto Placement/Auto Placer/Cluster Placer 命令，DXP 开 始自动排版。 图 3.9 DXP 自动排版 一般来说 DXP 的自动排版后的 PCB 板已经比较理想了，但是仍然可以手动排版进行进一步 美化。 图 3.10 PCB 手动排版 3.2.3 PCB 板的布线板的布线 在元件排版完毕之后，就可以进入到最后的布线阶段。Protel DXP 2004 沿袭了 Protel99 SE 强大的自动布线功能，不仅布线快速而且合理，通过率很高。我们可以执 行 Auto Route/

24、All 命令，选择 Default 2 Layer Board 选项，再点击 Route All 完成 双层 PCB 板的布线。 图 3.10 DXP 自动布线后的 PCB 板 DXP 在完成自动布线之后显示一共布线 43 条，并且全部成功，至此基于 DXP 的 PCB 板设计全部制作完成。 图 3.11 自动布线提示 4 电路仿真电路仿真及分析及分析 在完成了 PCB 板的制作后，下面对模拟乘法器调幅电路的原理图进行仿真。作为一款 驰名已久的板卡级设计软件，相比 Protel 99 SE，Protel DXP 2004 在仿真功能上有了很 大的进步，同样拥有强大的仿真功能。 在仿真之前再检查

25、一遍电路元件的参数设置，进行正确的封装。将电容电感的初始储 能设置为 0V，将二极管和三极管的初始状态设置为截止状态“OFF” 。 然后执行 Design/Simulate/Mixed Sim 命令进入仿真对话框。选择最基本的瞬态特性 分析 Transient Analysis 选项，并且将载波信号，调制信号，已调信号的节点 VC，VIN，VOUT 添加到激活信号（Active Signal）框格内开始仿真。 图 4.1 仿真参数设置 在仿真过程中一开始阻抗匹配网络没有选择好，处于失谐状态，使得负载上得到的模 拟乘法器的调幅输出很小（如图 4.2 所示） 。因为模拟乘法器的调幅输出是双边带（D

26、SB） 调制信号，其上下边频分别为或者。由于设计的载波频率为 100KHz，调制 o o 信号频率为 1KHz，所以 =99KHz 或者 =101Hz 1 p LC 1 p LC （4.1） 计算出=0.5mH，=5pF，再次进行仿真之后得到的输出波形比较理想（如图 4.3 所示） 。 0 L 0 C 图 4.2 阻抗网络失谐时的仿真波形 图 4.3 阻抗网络匹配时的仿真波形 此外，如果想获得标准的调幅波输出，则只要在调制信号为零的时候，调整电位器 R9，使输出的载波电压 Vo 为适当数值，然后在加入调制信号之后即可获得标准的调幅输 出的波形（如图 4.4 所示） 。 图 4.4 普通调幅(含

27、载波、上下边频) 在普通调幅中，若调制信号为，载波信号为，已调信号cosvVt 000 cosvVt 应为，其中叫做调幅指数或者调制度,通常以百分数 00 (1cos)cos a vVmtt 0 a a k V m V 来表示。的数值范围可以从 0 到 1 变化，但不应超过 1，否则输出波形将有一段时间 a m 为零，这时已调波的包络产生严重失真。这样的已调波经过检波后无法解调为原来的调制 信号，而且它所占据的频带较宽，会对其他信号产生干扰。因此，过量调幅必须要尽量避 免，所以=1 为普通振幅调制的一个极限,如图 4.5 所示。 a m 图 4.5 普通调幅（调制度 m=1） 5 心得体会心得

28、体会 本次课程设计，要求我们在设计电路图的同时还要使用 Protel 软件画出电路的 PCB 板。这与以往的课程设计不同。印刷电路板是电子线路从理论走向实际的成果，无论是制 作实物进行测试还是用仿真软件进行仿真，都是为了检验设计结果，并最终向实际生产方 向发展。Protel DXP 2004 拥有强大的人机对话功能，能够很好的将设计者的思维转化成 能够被批量推广的产品，这一点对于工科专业来说是非常重要的，因为我们现在所学习的 一切都是为了将来能够在工作岗位上设计出更多功能强大适合广泛使用的电子产品，这样 才能创造更大的价值。 此外，在课程设计中，遇到挫折是非常正常的现象，但是如果确实付出努力了却没有 实现目标，虽然充满遗憾但是自己确实快乐的。在开始设计的时候，我选定的题目是篮球 赛 24 秒计时器的设计。但是在对照 DXP 元件库清单的情况下也没有找到译码器 74LS48 以 及替代品 CD4511，无奈之下只好放弃。 在本次设计的仿真