Protel应用课程设计方案参考模板

1、封面课程设计任务书学生姓名：XXXX专业班级：通信ZY1101指导教师：张小梅 工作单位：信息工程学院 题 目：Protel应用课程设计-模拟乘法器调幅电路 初始条件：（1） 可选元件：二极管、三极管、电阻、电位器、电容若干; 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：（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） 使用 protel 进行电路仿真设计时间安排：（1）第 1-3 周：选题及任务安排。作者：PanHon glia ng仅供个人学习

2、+ 12V 及+8V 直流电（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： 年月日 系主任（或责任教师）签名：年 月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

3、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 将工程管理方式、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ABSTRACTDepanding o

4、n transistor characteristics of the nonlinear,analog multiplier is a IntegratedDevice which can obtain excellent multiplier characteristic in the output of retaining only the twoinput signals from non-linear part of the signal of the product.And it wsidely used in High- frequencyelectronic circuits.

5、Analog multiplier can be integrate chip circuit directly or autocephaly component such as diodeand transistor. I adopt the scheme of autocephaly component to get the requirement. In this design,Iuse transistor Q1Q2,Q3Q4 to make up Double- Differential Amplifiers,and use SingleDifferentialAmplifiers(

6、Q5Q6)to provide it.Then use Q7Q8 to make up Constant current source forSingle-Differential Amplifiers.Protel DXP 2004 combine Project management, the PCB and schematic map of the twowaysynchronization technology, multi-channel technology, automatic routing technology and a strongcircuit simulation t

7、echnology together perfectly. Protel DXP provides a rich library, including theprinciple of symbols. PCB package, SI model and simulation model can easily synchronize edits.The main demands of the curriculum design master principle circuit design, PCB design andsimulation.Key words： Protel DXP，PCB d

8、esign tools， schematic design，automatic routing， principle ofmixed-signal simulation目录1 设计任务与要求 11.1 设计任务 11.2 设计要求 12 原理分析 12.1 频谱搬移原理 12.2 模拟乘法器电路分析 22.3 阻抗匹配网络 33 电路原理图绘制 43.1 DXP 绘制电路原理图 43.2 DXP 绘制 PCB 图 53.2.1 加载网络表 53.2.2 PCB 板的排版 63.2.3 PCB 板的布线 64 电路仿真及分析 75 心得体会 8参考文献 9附录 101设计任务与要求1.1设计任务

9、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

10、，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） 式中,u 为加在非线性器件上的电压。一般情况下,有 u= EQ+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）上式可以改写为：（ 2-3 ）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 u= Ucos3*,u 2=

11、 U2cos32 代入上式 , 经过计算,可以得到下列结论：1 .输出电流中的直流分量,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 ）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,存在就必有。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

12、电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。VI、V2、V5 组成差分对电路I,V3 V4 V6 组成差分对电路U,两 个差分对电路的输出端交叉耦合。（2-5）（2-6）（ 2-7）（ 2-8）由式（ 2-7 ）（ 2-8）可得：2-9)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。当 U1、U226mV 寸，（2-10 ） 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

13、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 六个三极 管存在的温度漂移。图 2.2 集成模拟乘法器 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 ）令，则有（2-12）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了载波，所 以在选择 L

14、RC 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 ）或者=（2-14）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/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

15、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 MiscellaneousDevices.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 Protel99SE

16、 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/SearchLibraries 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由正弦信号源提供，则在DXP中加Simulation Source.IntLib 元件库，里面含有

17、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/

18、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 ForDocument/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。PCB 板分为很多层，主要有 Top-Layer、Bottom-Layer、Mechanical、 Top Over

19、lay 、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 Design/Import Changes From 命令加载网络表（或者在 SchDoc 文件下选择 Design/Up

20、date 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/C

21、luster 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3.2.3PCB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/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

22、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

23、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，VOU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（DSB 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 调制信号频率为 1KHz 所以=99KHz 或者 =101Hz（4.1 ）计算出=0.5mH =5pF,再次进行仿真之后得到的输出波形比

24、较理想（如图 4.3 所示）。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，已调信号应为，其中叫做调幅指数或 者调制度,通常以百分数来表示。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

25、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。图 4.5 普通调幅（调制度 m=1）5心得体会本次课程设计，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 DXP2004 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

26、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。在本次设计的仿真过程中，出现了两个错误，错误提示如图 5.1 所示。无奈之下返 回重新一个元件一个元件的核对电路图，最终发现一个偏置电阻没有接地而是接到了偏 置电源上。我马上修改电路在进行仿真

27、，仿真波形完全符合设计要求，实现了设计任 务。也正是因为这样的波折更加激发了我对于 DXP 2004 的兴趣，我会在今后的学习中继 续钻研，做到能够比较熟练的使用。图 5.1 仿真错误提示此外，通过这次课程设计，我觉得我们通信专业属于变化非常快的领域，电子产品欣欣向荣，产品的淘汰频率很高，虽然有很多领域可以让我们大展拳脚，但同样是一条 时刻都面对巨大压力和挑战的道路。所以只有今天的努力才能换来明天的稳定，珍惜任 何一次学习的机会才是最重要也最实在的。参考文献4 高频电子线路第四版张素文 高等教育出版社 20045 通信电子线路第二版刘泉 武汉理工大学出版社 20051 Protel DXP 基

28、础教程毛潮土、王茂飞清华大学出版社 20052 Protel 2004 完全学习手册刘文涛电子工业出版社 20053 Protel DXP 中文版新手上路徐建平 上海科学普及出版社 2006附录表 7-1 元件清单元件名称具体型号封装号数量电容O.luFRAD-0.3310uFRAD-0.315nFRAD-0.31电阻1KAXIAL-0.4310KAXIAL-0.423.9KAXIAL-0.426.8KAXIAL-0.41500AXIAL-0.4351AXIAL-0.43可变电阻47KVR21电感0.5mHC1005-04021三极管NPN2N39048二极管IN4001DIO10.46-5.

29、3x2.81交流电源50/200mVVSIN2直流电源-8/12VVSRC2版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整 理。版权为潘宏亮个人所有This article in eludes some parts, in cludi ng text,pictures, and desig n. Copyright is Pan Hon glia ngs pers onal own ership.用户可将本文的内容或服务用于个人学习、研究或欣赏，以及 其他非商业性或非盈利性用途，但同时应遵守著作权法及其他相关 法律的规定，不得侵犯本网站及相关权利人的合法权利。除此以 外，将本文任何内容或服务用于其他用途时，须征得本人及相关权利人的书面许可，并支付报酬。姓名性另U专业、班级课程设计题目：课程设计答辩或质疑记录