rpotel应用实践课程设计--大学毕设论文.doc

武汉理工大学Protel DXP课程设计说明书武汉理工大学Protel 应用实践课程设计说明书学号：课程设计 题目Protel 应用实践课程设计学院信息工程学院专业电子信息工程班级姓名学号指导教师 武汉理工大学Protel 应用实践课程设计说明书课程设计任务书学生姓名：专业班级：电信班指导教师：刘运苟工作单位：信息工程学院题目: 二阶带通滤波器等电路设计初始条件：安装DXP 2004软件；先学知识：模拟电子电路要求完成的主要任务:（1） 熟悉PROTELDXP2004软件及其应用环境，在电脑上安装该软件；（2） 完成电路图设计；（3）完成电路的仿真；（4）完成网表的打印；（5） 完成自动布线印制版图；（6） 对自动布线的结果进行手动布线；（7） 打印元器件清单；（8） 撰写课程设计说明书。（打印稿）注意：同题人数不得超过2人，同题人的电路图不得相同，2016年6月30日前完成任务时间安排：第1天：熟悉protel软件环境及操作流程。第23天：查阅资料确定设计方案，并完成电路原理图的设计。第45天：完成电路的仿真及PCB的设计。第67天，完善protel应用实践内容并根据实验要求撰写实验报告。指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目 录摘要 . 1 Abstract. 2 1.PROTEL简介 . 3 2.滤波器基础知识. 4 2.1.滤波器的分类 . 4 2.2.有源滤波器和无源滤波器 . 4 3.方案设计. 6 3.1方案一. 6 3.2方案二. 6 4.设计原理. 7 4.1 电路设计原理图 . 7 4.2 参数设计 . 8 5.电路仿真. 10 6.PCB制作 . 14 6.1 DXP新建工程. 14 6.2原理图绘制. 15 6.2.1原理图元件库 . 15 6.2.2原理图封装库. 16 6.2.3添加元件库 . 17 6.2.4电路图连接 . 18 6. 3.PCB的绘制. 18 6.3.1 加载网络表. 19 6.3.2 PCB板的排版 . 20 6.3.3 PCB板的布线 . 21 6.3.4 自动生成PCB图. 22 6.4 输出网络报表 . 22 6.5 输出元件清单 . 22 武汉理工大学Protel DXP 2004课程设计说明书7.心得体会. 23 参考文件. 24 附录. 25 附录1 网络报表. 25 附录2 元件清单. 30 附录3本科生课程设计成绩评定表 . 31 摘要带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。本设计利用模拟电路的相关知识，设定上线和下限频率，采用开环增益80dB以上的集成运算放大器，设计符合要求的带通滤波器。再利用Multisim 13.0仿真出滤波电路的波形和测量幅频特性。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计、PCB设计和仿真。关键字：带通滤波器、集成运放、Multisim 13.0、Protel DXPAbstract Band pass filter means by a frequency component within a frequency range, but other frequency component attenuation range to an extremely low level filters, and band rejection filter relative concept. The use of analog circuit design knowledge, set the upper and lower line frequency, using the open-loop gain of 80dB or more integrated operational amplifier designed to meet the requirements of the bandpass filter. Re-use Multisim 13.0simulation waveforms and measuring amplitude-frequency characteristics of the filter circuit. Protel DXP 2004 will be perfect together project management, schematic and PCB diagram of two-way synchronization, multi-channel technology, automatic routing technology as well as powerful circuit simulation technology. Protel DXP provides a rich library of components, including schematic symbols. PCB package, SI model and simulation model, you can easily synchronize changes. The main requirement to master the curriculum design principle schematic design, PCB design and simulation. Keywords: Band-passfilter; Integrated Operational amplifier;Multisim 13.0,;Protel DXP 1.PROTEL 简介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。有以下一些功能：1.可生成30多种格式的电气连接网络表；2.强大的全局编辑功能；3.在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中；4.同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络5.既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到 PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性；6.满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）； * 方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE 3f5）；7.支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件； * PCB 可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；8.强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；9.提供大量的工业化标准电路板做为设计模版；10.智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）；11.方便的打印预览功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果；12.强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等；13.经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB启动；2.滤波器基础知识2.1.滤波器的分类滤波器有各种不同的分类，一般有如下几种：1.按处理信号类型分类，可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类。离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。2.按选择物理量分类-按选择物理量分类，滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择（例如PCM制中的话路信号）和信息选择（例如匹配滤波器）等四类滤波器。3.按频率通带范围分类-按频率通带范围分类，滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别，而梳形滤波器属于带通和带阻滤波器，因为它有周期性的通带和阻带。2.2.有源滤波器和无源滤波器有源滤波自身就是谐波源。其依靠电力电子装置，在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等，相位相反的谐波向量，这样可以抵消掉系统谐波，使其成为正弦波形。有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95以上，补偿无功细致。缺点为价格高，容量小。由于目前国际上大容量硅阀技术还不成熟，所以当前常见的有源滤波容量不超过600千瓦。其运行可靠性也不及无源。一般无源滤波指通过电感和电容的匹配对某次谐波并联低阻（调谐滤波）状态,给某次谐波电流构成一个低阻态通路。这样谐波电流就不会流入系统。无源滤波的优点为成本低，运行稳定，技术相对成熟，容量大。缺点为谐波滤除率一般只有 80，对基波的无功补偿也是一定的。目前在容量大且要求补偿细致的地方一般使用有源加无源混合型，即无源进行大容量的滤波补偿，有源进行微调。由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。根据对频率范围的选择不同，可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)四种滤波器，它们的幅频特性如图2.1所示。由于具有理想幅频特性的滤波器很难实现，只能用实际的幅频特性逼近。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快，但RC网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC有滤波器级联实现。a.低通b.高通c.带通d.带阻图2.1四种滤波电路的幅频特性示意图3.方案设计滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个网络，它允许某些频率的信号通过，而其他频率的信号受到衰减或抑制。由集成运放、电阻、电容组成的有源滤波器有体积小、质量轻的特点。由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高，输出阻抗又低构成滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲作用，因此本设计采用有源滤波器为了获得比较稳定的信号，选择二阶RC有源滤波器设计方案。二阶RC带通滤波器的常用电路有电压控制电压源电路和无限增益反馈电路。电压控制电压源电路中的运放为同相输入，输入阻很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，故称电压控制电压源电路，优点是电路性能稳定。经过多方面分析、比较，选出的方案为：设计一个二阶RC有源滤波器。3.1方案一本方案电路分为两部分，即由R1和C1组成一个低通滤波器，再由R2和C2 组成一个高通滤波器，R3引入正反馈，实现输出电压（即电压源）对电压放大倍数的控制，即为压控式带通滤波器。再根据低通截止频率和高通截止频率来确定各R和C的值。3.2方案二本方案设计原理同样是有一个低通滤波器串连一个高通滤波器组成的，但是无限增益多路负反馈电路通过改变Rf的连接，改善f0附近的频率特性，实现多路反馈效果。综合比较，选择方案二。4.设计原理4.1 电路设计原理图带通滤波器的原理是通过对电容、电阻参数的配置，使得滤波器对频率在通带内的频率分量呈现很小的阻抗，而对频带外的频率分量呈现很大的阻抗，这样当负载电流信号通过该滤波器时就可以把通带内所需的信号提取出来把通带外的信号滤掉。图4.1 二阶带通滤波器原理图本次设计的二阶有源带通滤波器的设计要求是：中心频率f0=1.5KHz，上限频率为2K,下限频率为1K，增益AV2。二阶有源带通滤波器是由一个低通滤波器和一个高通滤波器组成的，使低通滤波器的通带截止频率fp2大于高通滤波器的通带截止频率fp1，则频率在fp1<f<fp2范围内的信号能通过，其余频率的信号不能通过，因而构成了带通滤波器。所以，我们需要设计成低通滤波器的通带截止频率fp2=2000HZ，高通滤波器的通带截止频率fp1=1000HZ，当有信号输入时，先经过低通滤波器电路，只有低于低通滤波器的通带截止频率 fp2=2000HZ 信号才能通过，其他的信号被过滤，然后再经过高通滤波器电路，只有大于高通滤波器的通带截止频率fp1=1000HZ的信号才能通过，这样经过放大器后的电路就只剩下带宽为1000HZ2000HZ的信号。4.2 参数设计多反馈滤波器是一种流行的滤波器结构，以运算放大器作为积分器，如图 4.2所示。因而，其传递函数对运算放大器参数的依赖度高于Sallen-Key设计。受运算放大器开环增益所限，难以生成高Q、高频节。一般来说，运算放大器开环增益应至少比谐振(或截止)频率处的幅度响应高20 dB (X10)，其中包括滤波器Q所导致的峰值。Q影响峰值幅度A：A= HQ 其中，H为电路增益。多反馈滤波器会使信号相位发生反转，等效于将结果形成的180°相移添加到滤波器自身的相移之上。带通滤波电路的传递函数为：图4.2 带通滤波器通过设计软件，计算得到参数值，如图4.1所示，其传递函数如下图所示；图4.2 二阶带通滤波器传递函数5.电路仿真仿真图如图5.1的所示：图5.1 仿真原理图仿真出的波形图如下：500HZ时的波形图如图5.2所示：图5.2 500HZ输入输出波形1KHZ时的波形图如图5.3所示：图5.3 1KHZ输入输出波形1.2KHZ时的波形图如图5.4所示：图5.4 1.2KHZ输入输出波形1.5KHZ时的波形图如图5.5所示：图5.5 1.5KHZ输入输出波形1.8KHZ时的波形图如图5.6所示：图5.6 1.8KHZ输入输出波形2KHZ时的波形图如图5.7所示：图5.7 2KHZ输入输出波形2.5KHZ时的波形图如图5.8所示：图5.8 2.5KHZ输入输出波形fh=982.982HZ时的波特图如图5.9所示：图5.9 fh=982.982HZ波特图fh=1.373KHZ时的波特图如图5.10所示：图5.10 fh=1.373HZ波特图 fh=2.064KHZ时的波特图如图5.11所示：图5.11 fh=2.064HZ波特图由仿真结果可知，该滤波器的低通截止频率为2K左右，高通截止频率为1K左右，通带放大倍数为1，满足设计要求。6.PCB制作6.1 DXP新建工程进入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6.1 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的原理图和PCB图，建立原理图与工程的关联。图6.2 新建原理图图6.3新建PCB图6.2 原理图绘制6.2.1原理图元件库新建一个原理图元件库文件，依次点击“文件”“新建”“库”“原理图库”，点击画图工具，画一个合适的矩形，并画上引脚，例如OPA227这个芯片有8个引脚，先画一个合适的三角形，然后依次画上8个引脚，各引脚参数可按 TAB键进行设置其参数，如图6.4 所示，最后画好的原理图元件如图6.5 所示。图6.4 元件图引脚参数设置图图6.5 OPA227 元件图6.2.2原理图封装库新建一个原理图元件库文件，依次点击“文件”“新建”“库”“PCB 图库”，在网上查找所画封装元件的资料，然后单击菜单中的工具按钮，选择元器件向导，按照元件得到封装资料，再根据元件向导的指示一步步设计，即可得到所需元件的封装。另外，还可以自己手工绘制封装元件，点击画图工具，画一个与封装一样的图形框架,然后很据元件的资料放置焊盘，焊盘参数设置如图6.6所示，画得的封装元件如图6.7。图6.6 焊盘参数设置图图6.7 OPA227封装图6.2.3添加元件库画原理图首先得安装元件库了，其中原理图常用库文件：Miscellaneous Devices Dallas Microprocessor Intel Data books Protel DOS Schematic Libraries PCB 元件常用库：Advpcb, General IC Miscellaneous 左键单击库，即可安装元件库了，如图6.8所示图6.8 添加元件库6.2.4电路图连接首先在库里面找到元件，然后按照所给电路图放置元件，如果库里面没有，就要自己动手相应元件的原理图元件执行菜单命令【Place】/【Wire】或单击布线工具栏的按钮，光标移动到元件的引脚端（电气点）时，光标中心的“×”号变为一个红“米”字形符号，表示导线的端点与元件引脚的电气点可以正确，单击导线的起点就与元件的引脚连接在一起了，画成的原理图，如图6.9所示。图6.9 完成好的原理图完成所有连线之后，选择File/New/TextDocument命令，开启一个数据库文本；再选择 Project/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。6.3.PCB的绘制PCB 布线设计流程：A：设计原理图；B：确认原理；C：检查电器连接是否完全；D：检查是否封装所有元件，是否尺寸正确；E：放置元件；F：检查元件位置是否合理（可打印1：1 图比G：可先布地线和电源线；较）；H：检查有无飞线（可关掉除飞线层外其他层）；I：优化布线；J：再检查布线完整性；K：比较网络表，查有无遗漏；L：规则校验，有无不应该的错误标号；M：文字说明整理；N：添加制板标志性文字说明；6.3.1 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 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Design/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6.10 加载网络表6.3.2 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，如图6.11所示，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，然后开始根据符合电气规则和走线最简易化安排元器件的摆放。如6.12图所示。图6.11 自动生成PCB排版图6.12 PCB手动排版6.3.3 PCB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。本次课设采用了全手动布线方式，在之前合理的手动布局的基础上，走线会变得更加容易。尽可能加大电源与地平面的面积，使每个层的走线顺畅，且保证顶层与地层走线相交叉，使干扰减到最小。图6.13 手动布线后的PCB 板图6.14 顶层印制板图图6.15 底层印制板图6.3.4 自动生成PCB图自动布线：执行Auto Route All命令，弹出Situs Routing Strategies对话框，单击Route All。得到自动布线图如下：图6.16 自动布线后的PCB 板6.4 输出网络报表执行DesignNetlistProtel命令生成网络报表。6.5 输出元件清单执行ReportsBill of Materials在弹出对话框中单击Export输出元件清单。7.心得体会在本次课设中，得到的中心频率、输出输入电压、增益等数据与理论计算基本吻合，使用了两种方案，都基本达到了设计要求。本次实验是一次很好的经历，从中学到了很多知识，首先，从动手能力上来讲就是一次不错的锻炼，另外，本次设计的是一个带通滤波器，这就需要将低通滤波器和高通滤波器的知识结合起来，所以具有一定的综合性，同时需要我们能够很好的应用滤波器电路的知识。在本次课设中，我基本上掌握了Protel DXP 2004的基本用法，并且学会了用该软件绘制仪用放大器的原理图绘制，仿真设计，以及绘制PCB版图。并且在学习中还练习使用Protel 制作覆铜板的腐蚀板的过程，感觉Protel还是一个非常有用的电子信息的学习软件。参考文献1康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）M.北京：高等教育出版社2006-01 2徐向民.Altium Designer快速入门（第二版）M.北京：北京航天航空大学出版社,2011-04 3铃木雅臣.晶体管电路设计（上）M.北京：科学出版社,2004-9 4张新喜.Muitisim 10电路仿真及应用M.北京：机械工业出版社,2010-015谢自美.电子线路.实验.设计.测试华中科技大学出版社1994年附录附录1 网络报表 C1 0805C Cap C2 0805C Cap C3 0805C Cap C4 0805C Cap C7 0805C Cap C8 0805C Cap C9 0805C Cap C10 0805C Cap C11 0805C Cap C12 0805C Cap C13 0805C Cap C14 0805C Cap D1 M7 DIODE D2 M7 DIODE J1 SMA_2D SMA J2 SMAÎÔ SMA P3 HDR1X3H Header 3H R1 0805R 0805µç×è R2 0805R 0805µç×è R3 0805R 0805µç×è R4 0805R 0805µç×è R5 0805R 0805µç×è R6 0805R 0805µç×è U1 SO-8 OPA227 U2 SO-8 OPA227 ( GND C7-1 C8-1 C9-1 C10-1 C11-1 C12-1 C13-1 C14-1 D1-2 D2-1 J1-1 J2-1 P3-2 R4-2 R6-2 U1-3 U2-3 ) ( NetC1_1 C1-1 R1-1 U1-2 ) ( NetC1_2 C1-2 C2-1 R3-2 R4-1 ) ( NetC2_2 C2-2 R1-2 R5-1 U1-6 ) ( NetC3_1 C3-1 R2-1 U2-2 ) ( NetC3_2 C3-2 C4-1 R5-2 R6-1 ) ( NetC4_2 C4-2 J2-2 R2-2 U2-6 ) ( NetJ1_2 J1-2 R3-1 ) ( VCC C7-2 C8-2 C11-2 C12-2 D2-2 P3-3 U1-7 U2-7 ) ( VEE C9-2 C10-2 C13-2 C14-2 D1-1 P3-1 U1-4 U2-4) 附录2 元件清单附录3本科生课程设计成绩评定表本科生课程设计成绩评定表姓名性别男专业、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、及格、不及格评定）指导教师签字: 年月日29