RC移相振荡器.doc

武汉理工大学protel应用课程设计1. 软件介绍随着计算机技术的飞速发展，集成电路被广泛应用，电路越来越复杂，集成度越来越高，加之新型元件层出不穷，使得越来越多的工作已经无法用手工来完成，因此计算机辅助电路板设计已经成为电路板设计制作的必然趋势。Protel 99SE具有丰富的设计功能，能进行原理图的设计、印制电路板的设计、PCB板的设计等功能，现对其进行介绍：Protel 99SE采用数据库的管理方式。Protel 99SE软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel 99大体相同，新增加了一些功能模块，功能更加强大。新增的层堆栈管理功能，可以设计32个信号层，16个地电层，16个机械层。新增的3D功能让您在加工印制版之前可以看到板的三维效果。增强的打印功能，使您可以轻松修改打印设置控制打印结果。Protel 99SE容易使用的特性还体现在“这是什么”帮助，按下右上角的小问号，然后输入你所要的信息，可以很快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语言帮助顾问。Protel 99 SE的OrCAD Layout PCB汇入功能提供Layout V9电路板档(MAX)和零件库档(LLB)非常健全的转换介面。这个转换介面提供使用者自订层面的对应关系和保存整个板子的连接线信息。您也可以直接撷取OrCAD Layout PCB上所使用之全部零件，转存成Protel格式之专属零件库档。只要您按一个钮就可以将OrCAD Capture电路图档和零件库档汇进Protel 99 SE。这个汇入的功能提供将Capture V7和V9版本的电路图档(DSN)和零件库档(OLB)两种类型的档案完美无缺的汇入。Protel 99 SE让您很轻松的进行将您早期留存的OrCAD工作档汇入，然后继续在Protel进行处理。 2. 设计内容2.1设计步骤设计原理图理论分析软件绘图生成PCB图软件仿真综合分析 结论 图2.1 设计原理图2.2安装软件安装Protel 99se安装前请按如下设置：a.开始=设置=控制面板=区域选项 常规页中，区域设置改成英语(美国)。 b.高级选项中，在非unicode程序语言里选择英文(美国）。 c.重启电脑 d.安装完之后，把默认语言和区域设置改回来(简体中文中国), 重新启动就可以了。 3.理论分析3.1 RC移相原理介绍如图,一电阻与一电容串联,U0从电阻与电容中间输出,则U0与U之间会产生一个相位角,这就是RC移相电路的原理,用途是可以得到与原电压相位不同的电压.图2 移相原理图电路向量图RC串联电路如图2所示，电路的向量如图3所示。在RC串联电路中，若输入电压是正弦波，则电路中各处的电压，电流都是正弦波。从相位可以看出，输出电压相位超前输入电压相位一个角度。如果输入电压大小不变，则当改变电源的频率f或者电路的参数或时候，角度都会改变，而且点的轨迹是一个半圆。同理可以分析出，以电容电压作为输出电压时，输出电压相位滞后输入电压相位一个角度。因此，不论以端或者端作为输出，其输出电压较输入电压都具有移相作用，这种作用效果称为阻容移相。阻容移相环节在电子技术中广泛采用，如移相电路，耦合电路，微分电路，积分电路等。由电路的频率响应可知，一节电路的最大相移不超过度，两节电路的最大相移也不超过度，当相移接近度时，低通电路的频率会很高，而高通电路的频率也很低，此时输出电压接近于零，又不能满足振荡电路的幅度平衡条件。对于三节电路，其最大相移课接近度，有可能在某一特定的频率下使其相移为度，即度，则有合理选择元件参数时，就能满足相位平衡条件。3.2自激原理介绍基本放大电路+反馈网络图正弦波振荡方框图如图表示的是一个正反馈放大器的方框图，它由放大电路与正反馈选频网络组成。该图表示接成正反馈时，放大器在输入信号为时方框图。如果在基本放大电路输入端外接一定频率，一定幅度的正弦信号，经过基本放大电路放大和反馈网络传输后，在反馈网络的输出端得到信号，如果和大小相等，相位相同，那么就可以在不用外接信号，也可得到同样的信号输出，即电路产生振荡，此时有，那么*振幅平衡条件为，相位平衡条件为（，）振幅平衡条件是已经进入稳态而言的，也就是电路保持恒定输出的振荡条件。振荡是如何建立的呢？首先信号源从何而来，产生振荡的条件又如何？众所周知，电磁波无处不在，电路中的噪声的频率成分复杂，覆盖整个电磁波段，即电路的电磁波干扰就是信号来源，它必定含有选频网络决定的频率成分，值不过此频率信号非常微弱。若要如此微弱的信号的振荡在电路中建立起来，要求振荡器在振荡时（起振），需要正反馈进行增幅振荡，即要求的产生振荡（起振）条件是随着信号在环内不断地反馈，信号幅度越来越大，最后靠三极管放大信号运用时的非线性特性去限制幅度的增加，保证信号不失真。这就要依靠选频网络的作用，选出失真波形的基波分量作为输出信号，一获得正弦波输出。也可以在反馈网络中加入非线性的稳定幅度环节，用以调节放大电路的增益，从而达到稳定幅度的目的。因此，正弦波振荡电路由放大电路，正反馈网络，选频网络，稳定振幅电路组成。3.3原理图图原理图3.电路原理分析图1是RC移相式振荡电路。其原理是利用RC电路的移相作用产生自己振荡，在共发射极电路中加入了三节串联的RC电路。由于交流电通过电阻的相移为0度，通过电容的相移为90度，因此交流电通过RC电路将随频率而产生大于0度，小于90度的移相。如果三节的RC相等，并在某一频率下产生60度的相移，则相移的综合就为180度形成正反馈，产生自激振荡。因此，利用RC移相电路与放大器配合可构成移相振荡器。两级rc移相电路，不可能可以实现180度移相，最少也要三级。R的阻抗为实数，C的阻抗为1/（jwC），将电路的总阻抗算出来后，用阻抗的虚部与实部只比值求反正切就得到了相位变化量。 -180为无相移。在-90到-180间为超前，-180到-270为滞后。电容与电路参数串联，分压作用增加，加到放大元件两端的有效信号减小产生超前。同理，并联时可以算出是滞后的信号通过RC电路要产生衰减。根据计算，假设图中的RC移相电路对某信号的衰减使反馈信号只输出信号。那么要求放大器的增益就应大于29，否则就不能维持振荡，故电路的振幅自激条件为（当电阻RRi时），选用电流放大系统较大的晶体管有利于电路起振，但过大将增加输出波形的失真。当上述电路中三节点的RC相等时，振荡频率由RC参数决定，即：。4.绘制原理图4.1 原理图打开PROTEL,点击文件创建一个新的项目，然后再选file菜单下的new.则弹出对话框，里面包含了文件类型，选择Schematic Document来创建一个电路原理设计文件Sheet.ddb，改名为稳压源ddb。打开它进入设计主界面，开始电路图的绘制。（） 选取元件先从元件库中把各个元件找到，放在设计图纸中，点击view下的tool bars下的digital object,使元件工具条显示在页面中，从中选中电阻在图纸上放置三次。选中元件库中的Miscellaneous Devices.lib元件库，在找到NPN,取两个三极管。找到，选取七个电阻。找到ELECR0,取两个电解电容。找到CAP，选取三个个无极性电容。至此，所以的元件都已经选好。（）摆放元件用鼠标左键点中元件，并按住不放，即可移动元件。用鼠标左键点中元件后，按住不放，再按空格键即可实现元件的旋转。将元件按自己设计的电路图中摆放。（3）元件连线在Wiring tools中选择布线，进行连线。要注意的是连接线不得贯穿元件，连接线不能重合，且不能搭接在元件端口之内。按电路原理图连好电路。（4）加入输出并接VCC和接地在Wiring tools中选择端口相，并布置，双击图标，在弹出的对话框中对进行不同的命名，在输出端改为向右输出。再点击接地图标，布置后双击图标将其名字改为VCC和GND。（5）更改元件属性用鼠标双击任意一个元件都会出现属性对话框，其中的Lib Ref项为元件样本名，无需改动。Footprint填入元件的封装号，电阻封装号为AXIAL0.3,电容的封装号为RB.2/.4,三极管为TO-92A。在Designator中填入元件序号，并在Part type中设置元件的数值。原理图见图14.2（电气常规）检查选择TOOLS菜单下的ERC项，则弹出对话框，直接点击OK键即可进行ERC检验，见附录部分。4.3生成网络表选择设计菜单下的creat netlist选项则弹出对话框，直接点击OK即可生成网络表。见附录部分。4.4元件清单见附录部分。4.5生成PCB板同创建SCH文件类似，在设计管理版面点击*.ddb文件后点击file菜单闲的new.项，在弹出的对话框中选择PCB Document。点击OK即可创建PCB文件。双击图标进入设计主页面。PCB的制作过程及步骤如下：（1） 定义边框在设计工作区的半层标签选择KeepOut layer,然后选择工具条上的图标，画边框，此时画的是一个粗略的边框。（2） 加载网络表选择设计/加载网络表再在弹出的对话框中按Browse按钮，并在弹出的对话框中选择移相振荡器.NET,点击OK弹出对话框，在这过程中有可能出现错误，此时要检查原理图。当再次生成无误是直接点击Execute键，则元件加载到工作区上。（3） 摆放元件先把重叠的元件拖开，并拖到定义的边框内。先按照电路图摆放各元件，再进行适当调整，直到飞线尽量不要交叉。（4） 自动布线点击Auto Route/All选项，在出现的对话框中点击OK即可。点击其中任意一条线，将其宽度改为3mil,并点击Global,再点击OK。当碰到个别的线条变绿的情况，应该将该线条的宽带改小一点，知道颜色为红或者是蓝色为止。（5） 修改边框选择工具条上的图标，重新沿着PCB图的边界画图，并将原来的边界删除。至此PCB制作完毕。PCB图如图所示。图4.1移相振荡器PCB图注意此过程中，要注意手工调整元件的方向和排列顺序，尽量使走线不要交叉叠和重合，还有注意元件之间的距离要调整合适。.结果分析与总结移相主要用到的是电容的积分效应。利用元件两端电压与流过它的电流之间的相位关系来实现的。原理图是用一个放大器和移相反馈网络组成的，如果放大器在相当宽的频率范围内的相角为180度，反馈网络还必须使它通过它的某一特定频率的正弦电压再移相180度，才能满足自激振荡的相位平衡条件，一节rc移相电路最大相移不超过90度，不能满足相位平衡条件，若两节rc电路最大相移最大相移虽可以接近180度，但是此时的频率必须很低，从而容抗很大，致使输出电压接近于零，又不能满足自激的幅度平衡条件，所以，实际上至少要用到三节rc电路来实现180度的相移来满足振荡条件。本次设计让我对RC移相原理和自己振荡原理有了进一步的了解和认识。.心得体会由于之前的电工实习用过protel，所以对于本次的课程设计相对来说还是比较熟悉的。下面就这次的课程设计中遇到的问题和心得体会总结如下。此次设计中的难点我认为是封装号的填写。要熟练掌握电阻电容三极管等一些常用电子元件的封装，那样完成此次的课程设计相对于来说就比较轻松了。当然合理布局对最后产生的PCB图也是至关重要的。利用原理图设计工具绘制原理图，并且生成对应的网络表。当然，有些特殊情况下，如电路版比较简单，已经有了网络表等情况下也可以不进行原理图的设计，直接进入PCB设计系统，在PCB设计系统中，可以直接取用零件封装，人工生成网络表。Protel 99SE可以进行自动布局,也可以进行手动布局。如果进行自动布局，运行Tools下面的Auto Place,用这个命令，你需要有足够的耐心。布线的关键是布局，多数设计者采用手动布局的形式。用鼠标选中一个元件，按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键，将该元件固定。在布局方面新增加了一些技巧。新的交互式布局选项包含自动选择和自动对齐。使用自动选择方式可以很快地收集相似封装的元件，然后旋转、展开和整理成组，就可以移动到板上所需位置上了。而在此次的课程设计中说不碰到困难是不可能的。因为我们毕竟不是经常接触这些东西，在短时间内必然会碰到很多的困难和疑惑。当我们碰到这些后应该怎么办呢？首先认为手头必须有一本好的入门教材，只有静下心来认真读完一两本书，那样我们才能有解决问题的方法，不然就是浪费时间。其次就是要利用好网络，当有不明白的问题和疑惑时，一些论坛和网页上往往有我们需要的答案，那样我们可以省去不少的时间。当然不可能所有的问题都可以通过这种途径解决，那么我们就要利用好我们身边的同学和老师了。当然此时最忌讳的是什么都没考虑就去问别人，这样绝对不会有什么收获的，而且往往也会令人反感。只有考虑成熟之后才有开口问别人的意义，不然还不如干脆不做。只有经过思考的东西，才能成为自己的财富。参考文献1 王卫兵.Protel99SE基础教程.北京：北京邮电学院出版社，2008.2 刘朋. Protel99SE自学手册.北京：人民邮电出版社,2008.3 余周军.ProtelDXP入门与提高实用教程.北京：高等教育出版社，2003.4 姜立东.ProtelDXP入门与提高实用教程.北京：国防工业出版社社,2005.5左昉.PROTEL应用教程.上海：复旦大学出版社，2007.附录1电气规则检查附录2元件清单附录3网络表C1RB.2/.4C2RB.2/.4C3RB.2/.4C5RB.2/.4CERB