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protel课程设计

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：

Protel99se及以上版本如protelDXP

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：

Protel99SE,功能完备，温度控制及显示电路，层次电路设计思想

Abstract

PROTELisintroducedbyPORTELcompanyinthelate1980sinelectronicindustry,asakindofEDAsoftware.InCADsoftwareseriesofelectronicindustry,PROTEL,whichisdeservedlyaheadofmanyEDAsoftwareproducts,isthefirstselectionofelectronicdesigners.ThesoftwareversionofWindowsenvironmentbasedon99SE,notonlyprovidesthefunctioncompletecircuitdesigntools,butalsohasthestrongabilityofcircuitsimulation.ThepracticalapplicationofProtelcurriculumdesignaimstoenablestudentstomanipulatethesoftwareofProtelanditsvariouspowerfulfunctions.Thiscourseisapulsewidthmodulationsignalcontrolcircuitforexample,Dcircuitprinciplediagram（SCH）,designofprintedcircuitboard（PCB）productionandcircuitsimulationanalysisofthespecificstepsandthesolutiontotheproblem.

Temperaturecontrolanddisplaycircuitbypowersupplycircuit,signalacquisitioncircuit,A/Dconversionanddisplaycircuitandalarmcircuitfourmodules.Becauseofthiscircuitismorecomplex,soweadopthierarchicalcircuitdesignideas,namelythemodulardesign,andtodrawgeneralprinciplediagram.First,togeneralelectronicsystemisdividedintoseveralfunctionmodule,thenthetop-downdesignrespectively.Thiscanmakethecircuitstructureisclearanddefinitedivision,designandoperation.

Keywords:

Protel99SE,Fullyfunctional,temperaturecontrolanddisplaycircuit,hierarchicalcircuitdesignideas

目录

1温度控制及显示电路的原理2

1.1电路的总原理框图2

1.2电源电路原理图2

1.3信号采集电路原理图3

1.4A/D转换及显示电路原理图4

1.5报警电路原理图4

2原理图绘制5

2.1层次电路的设计思想5

2.2新建原理图设计库文件5

2.3载入元件库6

2.4编辑电路总原理图7

2.5绘制子模块电路7

2.5.1电路原理图绘制的基本方法7

2.5.2电源电路的绘制及重要参数设置9

2.5.3信号采集电路绘制9

2.5.4A/D转换及显示电路绘制10

2.5.5报警电路绘制10

2.6.ERC电气规则检查11

2.7生成网络表11

2.8生成材料清单12

3印制电路板设计12

3.1创建PCB文件12

3.2电路板的规划及网络表的载入13

3.3手动制作封装库文件13

3.4手动布局与自动布线14

3.5电路板设计技巧–铺铜15

4电路仿真16

4.1仿真知识准备16

4.2仿真元件库16

4.3绘制仿真原理图17

4.4设置仿真环境及对象18

4.5部分仿真结果19

4.5.1基本放大器电路的仿真分析19

4.5.2施密特触发器的仿真分析20

5个人小结21

6参考文献22

7附录22

1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

1.4A/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4A/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Protel99SE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“SchematicDocument”,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MiscellaneousDevices.ddb、ProtelDOSSchematicLibraries.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“SheetSymbol”，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“CreatSheetFromSymbol”，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

①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；

②添加电源及接地符号；

③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12A/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14ERC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】/【CreateNetlist】，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】/【BILLOFMATERIAL】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ProtelFormat、CSVFormat、ClientSpreadsheet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“File\New”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“Keepoutlayer”进入禁止布线层。

执行“Place\Track”命令，移动光标绘制电路板边框。

（2）选择“Design”菜单下的“CreatNetlist”，在弹出的“NetlistFile”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：

FootprintNotFound（封装元件遗漏）、NodeNotFound（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“AutoRoute”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“Place\PloygonPlane”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

Protel99SE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Protel99SE进行仿真时，有一系列严格的约束条件：

①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\\DesignExplorer99SE\Library\Sch\Sim.ddb文件中；

②所有的电源都必须使用仿真信号源，即必须从simulate中选择；

③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；

④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。

ProtelAdvancedSIM99中所包含的仿真元件库种类很多，有常用的模拟器件库：

1）SimulationSymbols.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.libCMOS4000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SimulationSymbols.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：

ACMagnitude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，PhaseDelay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SimulationSymbols.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“RunAnalyses”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MotoralConverter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,Multism2001及Protel99SE的应用

骆新全黄玲玲编著北京航空航天大学出版社

2．《Protel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.《Protel99SE印刷电路板设计技术》

王栓柱主编西北工业