Protel应用课程设计参考模板.docx
《Protel应用课程设计参考模板.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Protel应用课程设计参考模板.docx（23页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
Protel应用课程设计参考模板
课程设计任务书
学生姓名：
XXXX专业班级：
SY1101
指导教师：
刘新华工作单位：
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；+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：
ProtelDXP2004
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：
（第18周）
（1）第1天：
选题及任务安排。
（2）第2-4天：
设计方案确定及电路设计。
（3）第5天：
电路测试及结果分析（鉴主15楼通信工程专业实验室）。
（4）第6-7天：
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。
ProtelDXP2004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。
ProtelDXP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：
Prote；模拟乘法器；仿真；电路设计
ABSTRACT
Depandingontransistorcharacteristicsofthenonlinear,analogmultiplierisaIntegratedDevicewhichcanobtainexcellentmultipliercharacteristicintheoutputofretainingonlythetwoinputsignalsfromnon-linearpartofthesignaloftheproduct.Andit’swidelyusedinHigh-frequencyelectroniccircuits.
Analogmultipliercanbeintegratechipcircuitdirectlyorautocephalycomponentsuchasdiodeandtransistor.Iadopttheschemeofautocephalycomponenttogettherequirement.Inthisdesign,IusetransistorQ1Q2,Q3Q4tomakeupDouble-DifferentialAmplifiers,anduseSingle-DifferentialAmplifiers（Q5Q6）toprovideit.ThenuseQ7Q8tomakeupConstantcurrentsourceforSingle-DifferentialAmplifiers.
ProtelDXP2004combineProjectmanagement,thePCBandschematicmapofthetwo-waysynchronizationtechnology,multi-channeltechnology,automaticroutingtechnologyandastrongcircuitsimulationtechnologytogetherperfectly.ProtelDXPprovidesarichlibrary,includingtheprincipleofsymbols.PCBpackage,SImodelandsimulationmodelcaneasilysynchronizeedits.Themaindemandsofthecurriculumdesignmasterprinciplecircuitdesign,PCBdesignandsimulation.
Keywords：
Protel;Analogmultiplier，Simulation;Schematicdesign
目录
1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5
3.1DXP绘制电路原理图5
3.2DXP绘制PCB图10
3.2.1加载网络表10
3.2.2PCB板的排版11
3.2.3PCB板的布线12
4电路仿真及分析14
5心得体会17
参考文献18
附录19
1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
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，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u1＝U1cosω1t,u2＝U2cosω2t,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。
V1、V2、V5组成差分对电路Ⅰ，V3、V4、V6组成差分对电路Ⅱ，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、U2<26mV时，
（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）
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
3.1DXP绘制电路原理图
进入ProtelDXP2004后，依次点击工具栏上的File/New/PCBProject，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3.2新建原理图
在绘制原理图时，ProtelDXP2004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ProtelDXP2004默认提供的元件库MiscellaneousDevices.lntLib中直接浏览。
ProtelDXP2004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中不知道元件封装号的问题。
如果需要修改，可以在ModelName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中加载SimulationSource.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placewire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/ProjectOptions命令设置工程检查参数，在执行Project/CompileDocument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/NetlistForDocument/Protel命令生成网络表。
图3.7模拟乘法器电路原理图
3.2DXP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、TopOverlay、Keep-Out-layer和Multi-Layer。
按步骤设置PCB板的Mechanical物理边界以及Keep-OutLayer电气边界。
先执行Design/BoardSharp/RedefineBoardSharp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-OutLayer）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/ImportChangesFrom命令加载网络表（或者在SchDoc文件下选择Design/UpdatePCBDocument命令），屏幕上显示详细的网络连接信息。
点击ValidateChanges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ExecuteChanges按钮完成元件网络表的加载。
图3.8加载网络表
3.2.2PCB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/AutoPlacement/AutoPlacer/ClusterPlacer命令，DXP开始自动排版。
图3.9DXP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3.10PCB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。
ProtelDXP2004沿袭了Protel99SE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AutoRoute/All命令，选择Default2LayerBoard选项，再点击RouteAll完成双层PCB板的布线。
图3.10DXP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Protel99SE，ProtelDXP2004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/MixedSim命令进入仿真对话框。
选择最基本的瞬态特性分析TransientAnalysis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（ActiveSignal）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。
ProtelDXP2004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，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DXP2004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
1《ProtelDXP基础教程》毛潮土、王茂飞清华大学出版社2005
2《Protel2004完全学习手册》刘文涛电子工业出版社2005
3《ProtelDXP中文版新手上路》徐建平上海科学普及出版社2006
4《高频电子线路》第四版张素文高等教育出版社2004
5《通信电子线路》第二版刘泉武汉理工大学出版社2005
附录
表7-1元件清单
元件名称
具体型号
封装号
数量
电容
0.1uF
RAD-0.3
3
10uF
RAD-0.3
1
5nF
RAD-0.3
1
电阻
1K
AXIAL-0.4
3
10K
AXIAL-0.4
2
3.9K
AXIAL-0.4
2
6.8K
AXIAL-0.4
1
500
AXIAL-0.4
3
51
AXIAL-0.4
3
可变电阻
47K
VR2
1
电感
0.5mH
C1005-0402
1
三极管
NPN
2N3904
8
二极管
IN4001
DIO10.46-5.3x2.8
1
交流电源
50/200mV
VSIN
2
直流电源
-8/12V
VSRC
2
附件6：
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
升级会员 