protel课程设计(41页).doc

-课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 通信0805 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: Protel应用课程设计-温度控制及显示电路 初始条件：Protel 99 se 及以上版本如protel DXP要求完成的主要任务: （1）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。 （2）绘制电路原理图相应的双面印刷版图*.pcb （3）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。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： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 摘 要PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，其基于Windows环境的99SE版本,不仅提供了功能完备的电路设计工具,而且具备强大的电路仿真能力。Protel应用实践课程设计旨在让同学们对Protel软件的熟练操作，并对其各项强大功能的了解。本次课程设计是以温度控制及显示电路为例，叙述电路原理图（sch）的设计、印制电路板（PCB）的制作以及电路的仿真分析的具体步骤和出现问题的解决方法。温度控制及显示电路由电源电路、信号采集电路、A/D转换及显示电路和报警电路四个模块组成。因为此电路比较复杂，所以我们采用了层次电路的设计思想，即模块化的设计，来绘制总的原理图。首先，要将总的电子系统分为若干个功能模块，然后自顶向下分别进行设计。这样可以使电路层次结构清晰，设计分工明确，便于理解和操作。 关键词：Protel99 SE, 功能完备， 温度控制及显示电路， 层次电路设计思想 AbstractPROTEL is introduced by PORTEL company in the late 1980s in electronic industry, as a kind of EDA software .In CAD software series of electronic industry, PROTEL,which is deservedly ahead of many EDA software products, is the first selection of electronic designers. The software version of Windows environment based on 99SE, not only provides the function complete circuit design tools, but also has the strong ability of circuit simulation. The practical application of Protel curriculum design aims to enable students to manipulate the software of Protel and its various powerful functions. This course is a pulse width modulation signal control circuit for example, D circuit principle diagram (SCH), design of printed circuit board (PCB) production and circuit simulation analysis of the specific steps and the solution to the problem.Temperature control and display circuit by power supply circuit, signal acquisition circuit, A/D conversion and display circuit and alarm circuit four modules. Because of this circuit is more complex, so we adopt hierarchical circuit design ideas, namely the modular design, and to draw general principle diagram. First, to general electronic system is divided into several function module, then the top-down design respectively. This can make the circuit structure is clear and definite division, design and operation.Keywords:Protel99 SE, Fully functional, temperature control and display circuit, hierarchical circuit design ideas目 录1温度控制及显示电路的原理21.1电路的总原理框图21.2电源电路原理图21.3信号采集电路原理图31.4 A/D转换及显示电路原理图41.5报警电路原理图42原理图绘制52.1层次电路的设计思想52.2新建原理图设计库文件52.3载入元件库62.4编辑电路总原理图72.5绘制子模块电路72.5.1电路原理图绘制的基本方法72.5.2电源电路的绘制及重要参数设置92.5.3信号采集电路绘制92.5.4A/D转换及显示电路绘制102.5.5报警电路绘制102.6.ERC电气规则检查112.7生成网络表112.8生成材料清单123印制电路板设计123.1创建PCB文件123.2电路板的规划及网络表的载入133.3手动制作封装库文件133.4手动布局与自动布线143.5电路板设计技巧铺铜154电路仿真164.1仿真知识准备164.2仿真元件库164.3绘制仿真原理图174.4设置仿真环境及对象184.5部分仿真结果194.5.1基本放大器电路的仿真分析194.5.2施密特触发器的仿真分析205个人小结216参考文献227附录221温度控制及显示电路的原理1.1电路的总原理框图 温度控制及显示电路由电源电路、信号采集电路、A/D转换及显示电路和报警电路四个模块组成。电源电路输出正负5V的直流电，为整个电路提供能量。信号采集电路将温度信号转化模拟信号，并输出至A/D转换及显示电路和报警电路。A/D转换及显示电路可以将模拟信号转化为数字信号，并通过数码管显示出来。报警电路则在模拟信号超过限定值时发出报警信号。 图1 原理框图1.2电源电路原理图电源电路主要由集成稳压电源器和消振及保护电容组成。输入的±12V直流电压经过集成稳压器7805/7905后输出为稳定的±5V直流电压，为整个电路提供能量。因为考虑到A/D转换及显示电路部分有CMOS系列的集成芯片CC14433，输出端还提供了+5V的电压VDD和接地端VSS。 图 2 电源电路1.3信号采集电路原理图信号采集电路主要是对铁块现时温度的检测转换,温度的检测由铂电阻完成,用电桥得到差动值,经差动放大器放大后,送入A/D转换及显示电路和报警电路。图 3 信号采集电路1.4 A/D转换及显示电路原理图 A/D转换及显示电路主要由CMOS系列中的 3 位半双积分型A/D 芯片CC14433和七段译码显示电路CD4511组成。通过此电路，完成对采样得到的模拟信号的A/D转换及显示。图 4 A/D转换及显示电路1.5报警电路原理图报警电路主要是通过一个电压比较器和发光二极管来实现报警功能。同时，电压比较器的输出还接至三极管的基极，并通过二极管和单刀双掷继电器开关实现对整个电路通断的控制。图 5 报警电路2原理图绘制原理图的设计流程如下： 新建原理图设计库文件载入元件库元件放置与布局原理图的绘制元件属性的编辑电气规则检查生成网络表2.1层次电路的设计思想当编辑复杂电子产品的电路原理图时，在特定幅面的图纸上绘制出整个电子系统的原理图有一定难度。这时我们可以采用层次电路的设计思想，即模块化的设计，来绘制总的原理图。用户可以将总的电子系统分为若干个功能模块，自顶向下分别进行设计。这样可以使电路层次结构清晰，设计分工明确，便于理解和操作。2.2新建原理图设计库文件（1）启动Protel 99 SE软件，选择菜单“File/New”,弹出如图6所示的对话框。建立名为“温度控制及显示电路.ddb”的原理图库文件如下。随即，此库文件名将显示在左栏explore子目录下。 图6 创建原理图库文件界面（2）双击打开库文件，选择菜单“File/New”，弹出如图7所示的对话框。单击“Schematic Document”,建立名为“温度控制及显示控制电路.prj”的原理图文件。 图7 创建原理图文件界面（3）双击原理图文件，进入原理图编辑界面。2.3载入元件库点击界面左侧Browse对话框中的“Add/Remove”按钮，屏幕上会出现如下图所示的“元件库添加/删除”对话框；选中常用的元件库Miscellaneous Devices.ddb、Protel DOS Schematic Libraries.ddb和sim.ddb，点击“Add”按钮即可。 图8 添加元件库界面2.4编辑电路总原理图 （1）选择“Place”菜单下的“Sheet Symbol”，移动光标到原理图编辑区内， （2）按下“Tab”键，进入放宽电路属性设置窗口，编辑方块电路名（如“信号采集电路”）和方块电路文件名（如“信号采集电路.sch”）； （3）移动光标到合适位置，左击放置方块电路模型； （4）重复上述操作三次，完成总的方块电路模型； （5)放置方块电路的I/O端口，注意模块间的输入输出关系，设置端口属性。 图9 总原理图绘制2.5绘制子模块电路建立了项目文件原理图后，可以单独编辑各自模块电路的原理图，编辑器会自动完成匹配，生成总的电路原理图。 单击“Design”菜单下的“Creat Sheet From Symbol”，将光标移动到某一方块电路上，单击鼠标进入该模块的电路原理图的绘制。2.5.1电路原理图绘制的基本方法（1）元件放置与布局加载元件库后，在元件浏览器中可浏览到各种元件库元件列表及图形。选中绘制原理图所需的元件，点击“Place”按钮，将选中的元件放置到原理图中的合适位置。可单击鼠标左键多次，进行同类元件的多个放置，以单击鼠标右键结束放置。为了使元件位置布局合理，原理图整体效果规范和美观，可以对元件位置进行调整。选中目标不放，将其拖拽到合适的位置，即可完成移动；选中目标后，点击“Space”键，还可以使元件做90旋转。（2）原理图的绘制 绘制导线。选择视图/工具栏中的wiring工具栏 点击电气线图标连接原理图中每个元件；添加电源及接地符号；放置电路节点和端口，以及总线和网络标号等。（3）元件属性的编辑双击某一元件，进入该元件属性设置的窗口。通常需要设置的项目有元件的封装形式Footprint，元件标号Designation和元件标称值Part。不同元件的封装形式不同，需要特别注意。以下是常用元件的封装形式：（1）三极管NPN封装号（Footprint）为TO-92B，器件类别（Part）为9013，元件称号（Designator）依次设为VT1-VT4；（2）电阻RES2封装号(Footprint)为AXIAL0.3，标示值（part）为阻值，称号（Designator）依次设为R1-R15；（3）滑动变阻器POT1封装号（Footprint）为VR1，标示值（Part）为总阻值，称号（Designator）依次设为RW1-RW4；（4）无极性电容CAP封装号（Footprint）为RAD0.2，标示值（Part）为电容值，均为470nF，称号（Designator）C4，C6；（5）电解电容ELECTRO1封装号（Footprint）为RB.2/.4，标示值（Part）为其大小，称号（Designator）C1-C3,C5。2.5.2电源电路的绘制及重要参数设置 图10 电源电路及元件参数设置2.5.3信号采集电路绘制 图11 信号采集电路2.5.4A/D转换及显示电路绘制 CC14433芯片的部分引脚不用，可以对其做如图所示的处理，表示不接入电路。 图12 A/D转换及显示电路绘制2.5.5报警电路绘制 图13 报警电路绘制2.6ERC电气规则检查 当整个电路设计完成后，进行ERC检查。选择“Tools”下设的“ERC”，弹出如下对话框，点击OK即可。图14 ERC界面2.7生成网络表 网络表是原理图与印制电路板之间的一座桥梁，是印制电路板自动布线的依据。网络表提供了电路的元件清单以及元件之间的互联关系。使用菜单命令【Design】/【Create Netlist】，在弹出的对话框中，单击OK即可生成与原理图同名的网络表文件*.net。 图 15 网络表对话框2.8生成材料清单执行菜单命令【REPORT】/【BILL OF MATERIAL】出现新的对话框选择“project”点击下一步，其他默认直到倒数第二步将Protel Format、CSV Format、Client Spreadsheet全部选中点击下一步和Finish就生成了材料清单，材料清单见附录1。3印制电路板设计3.1创建PCB文件（1） 执行“FileNew”命令，选择创建PCB文件。（2） 双击PCB文件图标，进入PCB设计界面。3.2电路板的规划及网络表的载入（1）在PCB设计界面，单击标签“Keepout layer”进入禁止布线层。执行“PlaceTrack”命令，移动光标绘制电路板边框。（2）选择“Design ”菜单下的“Creat Netlist”，在弹出的“Netlist File”对话框中浏览并选中网络表文件，单击“Execute”按钮，即可加载网络表格。在网络表文件载入时，常常会出现两种错误：Footprint Not Found(封装元件遗漏)、Node Not Found(引脚遗漏)。在加载的时候，应该注意改正错误，得到正确的网络表。 图16 导入网络表后界面3.3手动制作封装库文件 本电路有一个元件单刀双掷继电器开关，在元件封装库里找不到对应的封装，在导入网络表时提示有错，所以，我对此元件单独建立了一个封装库文件，手动制作了它的封装。 (1)创建封装库文件，操作同原理图文件的新建方法。 (2)根据元件实际情况，放置焊盘，设置其参数并确定位置。 (3)切换到"TopOverLayer",用线条工具绘制元件封装的外形轮廓线。 (4)设置元件的参考原点，并将文件保存为原理图中此元件的名字。 图 17 新建的元件封装3.4手动布局与自动布线 由于此电路图元件较多，不适合自动布局，所以我采取了手动布局的方法，手工完成电路板的布局。对于布线操作，我采取了系统自动布线的方式。因为在手动布局时，已注意使有关联的元件尽量排布在一起，所以自动布线操作非常成功。 （1）用鼠标拖开重叠的元件，手动布局，使所有的元件互不重叠。在确定元件放置位置时，要注意相关联元件的放置，尽量使各元件之间的连线最短。 图 18 手动布局后的PCB(2)在“Auto Route”下拉菜单中点击“All”进行自动布线。 图19 布线后的PCB图3.5电路板设计技巧铺铜 执行“PlacePloygon Plane”命令，选择需要铺铜的区域点吉鼠标右键进行铺铜。图 20 铺铜后的PCB图4电路仿真4.1仿真知识准备Protel99 SE不但可以绘制电路图和制作印刷电路板，还可以对模拟和数字信号混合电路进行各种仿真分析。Protel中支持的电路分析类型有：静态工作点分析，交流小信号分析，瞬态分析，付立叶分析，噪声分析，直流分析，温度扫描分析和蒙特卡罗分析等。不过，在使用Protel99 SE进行仿真时，有一系列严格的约束条件：绘制仿真原理图时，必须使用仿真库中的器件（或用户自己建的器件仿真模型和器件符号），否则，仿真将无法进行。仿真库在Design Explorer 99 SELibrarySchSim.ddb文件中；所有的电源都必须使用仿真信号源，即必须从simulate中选择；对所关心的节点，即信号测试点和输入输出点，要建立网络标号，以便仿真器识别；在进行某项仿真分析时，必须要对元件设定相关的初始条件和参数；否则，将不能实现该仿真分析。电路仿真的一般流程是：调用仿真元件库编辑原理图文件设置仿真环境及对象分析仿真结果4.2仿真元件库在编辑仿真原理图的过程中，除了导线、电源符号、接地符号外，原理图中所有元件的电气图形符号均要取自电路仿真专用元件库Sim.ddb，否则仿真时会因找不到元件参数而给出错误提示并终止仿真过程。添加仿真库的方法，同原理图设计阶段给出的操作。Protel Advanced SIM99中所包含的仿真元件库种类很多，有常用的模拟器件库：1)Simulation Symbols.lib通用器件库（电阻、电容、电感、电源、受控源、熔丝等），2)Diode.lib二极管3) Bjt.lib晶体管4）Comparator.lib比较器5）Opamp.lib运算放大器等，还有丰富的数字器件库：1）74xx.lib74系列TTL元件2）Cmos.lib CMOS4000系列元件3)7segdisp.lib7段LED管4）Timer.lib555时钟芯片等。这些仿真器件在使用时要根据需要设置其仿真参数，如电容须设置初始电压值IC，三极管也须设置初始条件IC和开关状态OFF等。在电路仿真过程中需要的激励源，也取自sim.ddb中的Simulation Symbols.lib，常见的有直流电压激励源VSRC 和直流电流激励源 ISRC、正弦波电压激励源VSIN和正弦波电流激励源ISIN。它们的仿真参数设置更为复杂，具体情况如下：直流信号源设置：AC Magnitude 及Phase为交流小信号幅度及相位。正弦信号源设置：Amplitude和Frequency为正弦信号的幅度及频率，Phase Delay为正弦信号的相移。 图21 正弦信号源参数设置4.3绘制仿真原理图 此部分绘制操作与PCB原理图的设计基本相同，具体步骤如下：1) 放置元件并合理布局、电气连线。2) 添加仿真信号源及接地符号。仿真信号源可从Simulation Symbols.lib元件库中选择，或在工具栏的simulate下拉菜单中选择Sources进行添加。3) 元件属性编辑。此过程中要特别注意对上述各元件的一些仿真参数的设置。4) 放置节点网络标号。在需要观察电压波形的节点上，放置节点网络标号，以便观察到指定节点的电压波形，因为Protel99SE仿真程序只能自动检测到支路电流、元件阻抗，没有节点电压。5) 电气规则检查及生成网络表。4.4设置仿真环境及对象 在原理图编辑窗口内，单击“Simulate”菜单下的“Setup”命令仿真设置窗口，选择仿真方式及仿真参数。 图 22 仿真基本参数设置 图23 瞬态仿真分析界面选择 一般情况下，我们只要求做静态工作点分析和动态仿真分析。如上设置完成后，点击“Run Analyses”按钮，启动仿真过程。4.5部分仿真结果 因为此次设计的原理图较复杂，全面仿真有很大的难度。我做了很多努力，到最后仿真也还是没能够做出来。所以，我选择了部分元件及电路进行了一些仿真分析，希望能在这些简单电路的仿真分析中锻炼自己对protel仿真功能的运用。4.5.1基本放大器电路的仿真分析 图24 放大电路的仿真原理图绘制 图25 放大电路的仿真结果 本图形仿真分析类型为瞬态分析，从仿真结果来看，仿真比较成功。基极与集电极的电压方向相反，且VC>VB。4.5.2施密特触发器的仿真分析 图26 施密特触发器仿真图形绘制图图27 施密特触发器仿真结果如图所示的仿真分析类型也是瞬态分析，从仿真结果来看，仿真比较成功。输入波形为正弦波，输出则为方波。5个人小结经过此次Protel应用课程设计，我初步了解了其基本操作过程，并成功地完成了温度显示及控制电路PCB的设计；遗憾的是，对该电路的仿真分析没有能够实现。 本次课程设计，我选择了一个具有挑战性的项目层次电路的设计。这是我首次接触到PROTEL层次电路设计的概念，通过在温度显示及控制电路中的运用，我更加具体地明白了其优越性，模块化的设计思路会让电路更清晰易懂。 自己做的时候并不是一帆风顺，某些特殊元件都是在网上搜索其各种信息，花费好多时间在各个元件库里查找才发现的，如 cc14433是在Motoral Converter库里找到的。在生成PCB前的加载网络表也不断出错，最要命的是封装号的问题，陌生的元件只能借助于网络，虽然借了诸多书籍，但查找基本上都没有。但是，我没有灰心，如单刀双掷继电器开关，我按照指导书为其手动只做了一个封装，然后所有问题都解决了，那时真的特别有成就感。仿真时的问题就更大了。电路图太复杂，现有知识有限，只能做局部仿真了。在仿真时元件参数的设置中，我深深得体会到了细节的重要性。一些小细节如果淡化了，就真的会导致全盘皆输。 我以前从没有像这样认真的学过一个软件，也没有像这样认真的做过一门课程设计。这次的经历，让我坚定了自己的信念。作为一名通信的学生，我应该多去尝试各种专业软件的使用，多去动手设计制作各种电路模型，这对于我自己今后的发展很有益处。 6参考文献1电路仿真与PCB设计-Pspice8.0,Multism 2001及Protel 99 SE的应用骆新全 黄玲玲 编著 北京航空航天大学出版社2Protel电路设计教程（第2版）江思敏 陈明 编著 清华大学出版社3.电路设计与仿真谭孝辉 主编 电子科技大学出版社4.Protel 99 SE印刷电路板设计技术王栓柱 主编 西北工业大学出版社 5.电子CAD入门Protel 99 SE胡继胜 主编 中国电力出版社7附录材料清单Part TypeDesignatorFootprintDescription0.1F C6 RAD0.2Capacitor0.1F C5 RAD0.2Capacitor0.1F C7 RAD0.2Capacitor0.1F C9 RAD0.2Capacitor0.1F C8 RAD0.2Capacitor0.1uF C13 RAD0.1Capacitor0.1uF C12 RAD0.1Capacitor1K R21 AXIAL0.31K R25 AXIAL0.31K R23 AXIAL0.31K R22 AXIAL0.31K R19 AXIAL0.31K R20 AXIAL0.31K R18 AXIAL0.31K R17 AXIAL0.31M R24 AXIAL0.31N4001 D5 DIODE0.4Diode3.3K R12 AXIAL0.34.7K R26 AXIAL0.39.1K R13AXIAL0.310K R7 AXIAL0.310K R8 AXIAL0.310K R4 AXIAL0.310K R5 AXIAL0.310K R6 AXIAL0.310K R9 AXIAL0.310K R2 VR2 Potentiometer10K R1 VR2 Potentiometer10k R11AXIAL0.310k R10AXIAL0.310k R3 VR2 Potentiometer100K R14VR2 Potentiometer300K R16AXIAL0.3470K R15AXIAL0.3470uF C10RB.2/.4 Electrolytic Capacitor470uF C11RB.2/.4 Electrolytic Capacitor4511 U7DIP169013 Q3TO-92A NPN TransistorCC14433 U6SOJ-24 3.5 Digit A/D ConverterCON3 J3SIP3 ConnectorCON3 J2SIP3 ConnectorCON3 J1SIP3 ConnectorK1 K1K1LM324 U5SOJ-14LM7805CT U4TO-220LM7905CT U3TO-220YELLOWCC U8DIP16Common Cathhode Seven-Segment Display, Right Hand Decimal红 D7DIODE0.4绿 D6DIODE0.4 本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级课程设计题目：课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日第 40 页-