protel课程设计.docx
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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