protel应用课程设计Word格式文档下载.docx
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本实验主要利用AltiumDesigner进行原理图设计以及PCB板的设计，并利用multisim进行仿真，此次试验实现了正弦波-方波发生器，双端直流稳压源和60进制计数器的设计。
关键字：
AltiumDesigner、波形发生器、稳压源、计数器
Abstract
Withthedevelopmentofcomputertechnology,theapplicationofcomputersoftwareincircuitdesignismoreextensive.CADintheelectronicsindustryProtelsoftware,welldeservedtobeinfrontofmanyEDAsoftware,ithasaschematicdesign,printedcircuitboard（PCB）,designlevelschematicdesign,reportproduction,circuitsimulationandlogicdevicedesignandotherfunctions,isoneofthemostusefulelectronicdesignsoftware.Almostallelectroniccompaniesuseit.NowmorecommonlyusedisProtel99SE,PROTELDXPandthelatestversionofhigh-endAltiumDesigner.
ThisexperimentmainlyusesDesignerAltiumtodesigntheschematicdiagramandPCBboarddesign,andusesMultisimtocarryonthesimulation,thisexperimentrealizedthesinewavesquarewavegenerator,thedoublesideDCvoltagestabilizedsourceandthe60counterdesign.
Keywords:
AltiumDesigner、Wavegenerator、voltagestabilizer、counter
1直流稳压电源
将市电的220V或380V交流电经变压、整流、滤波、稳压着几个步骤后变成所需的直流电就是直流稳压过程。
变压的作用是将220V的交流电转化为具有直流成分的的脉动直流电，实现整流的电路有半波整流电路或桥式全波整流电路。
滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。
稳压电路对症整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。
直流稳压电源的结构如图1所示，通常是由变压、整流、滤波和稳压四部分组成。
图1直流稳压电源结构
1.1工作原理
1.1.1电源变压电路
我采用220V-18V，10W的变压器构成降压电路，获得所需的18V电压，电路如图2所示：
图2降压电路
电源变压器将来自电网的220V交流电压U1变换为整流电路所需要的交流电压U2。
如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。
变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，由于变压器存在着铁损与铜损，所以它的输出功率永远小于输入功率。
电源变压器的效率为：
其中：
是变压器副边的功率，
是变压器原边的功率。
一般小型变压器的效率如表1所示：
表1小型变压器的效率
副边功率
效率
0.6
0.7
0.8
0.85
因此，当算出了副边功率
后，就可以根据上表算出原边功率
。
1.1.2整流电路
单相桥式全波整流电路如图3所示：
图3桥式整流电路
桥式全波整流电路的原理如下：
在V2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向RL，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。
在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。
其电流通路可用图中实线箭头表示。
在V2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。
电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。
其电流通路如图中虚线箭头所示。
综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。
整流后的波形如图4所示：
图4整流输出波形
1.1.3滤波电路
滤波电路图如图5所示：
图5滤波电路
经过整流后得到的脉冲直流纹波还是很大的，所以要经过滤波电路的滤波，滤波电路通常有电容滤波，电感滤波，II型滤波等。
由于电感的体积和制作成本等原因，我们多采用电容滤波，其作用是把脉动直流电压中的大部分纹波加以虑除，一得到较平缓的直流电压。
其工作原理为：
当负载RL未接入（S断开）时的情况，设电容两端的初始电压为零，接入交流电源后，当v2为正半周期时，v2通过D1、D3向电容C充电充电电流的方向如图中的箭头所示：
当v2为负半周期时，经D2、D4向电容C充电，充电电流方向仍然如图中箭头方向所示。
接入负载RL（开关S合上）的情况：
设变压器二次电压v2从零开始上升时接入负载RL,若电容器在未接入负载前未充电，其电压vc=0,故刚接入负载时v2>
vc,,二极管承受外加正向电压作用而导通，电流经D1、D3向负载电阻供电，同时向电容C充电。
当v2<
vc,,二极管受反向电压作用而截止，电容C经RL放电。
滤波波形如下图6所示：
图6滤波输出波形
1.1.4稳压电路
稳压电路如下图7所示：
图7稳压电路
由于设计要求输出
12V的电压，因此这里我们采用LM117/LM137来设计电路。
LM117/LM137作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。
稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo=1.25（1+R2/R1）。
仅仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定。
然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R1和R2的阻值是不能随意设定的。
首先117/137稳压块的输出电压变化范围是Vo=
1.25V—
37V，所以R2/R1的比值范围只能是0—28.6。
其次是117/137稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。
最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。
由于117/137稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于5mA。
当117/137稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，117/137稳压块就不能正常工作。
当117/137稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时，117/137稳压块就可以输出稳定的直流电压。
如果用317稳压块制作稳压电源时，没有注意117/137稳压块的最小稳定工作电流，那么你制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象：
稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大。
输出电压Uo1=1.25[1+（R1+R2）]/R2V,R2取410Ω，当；
R1=3500Ω，Uo1=+12V。
Uo2=1.25[1+（R3+R4）]/R4V，当R3=3500Ω，R4=410Ω时，Uo2=-12V.
1.2原理图设计
在AltiumDesigner中设计双端直流稳压电源，其完整原理图如下图8所示：
图8双端直流稳压电源原理图
1.3PCB板设计
1.3.1PCB板布线设计流程
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图比较）；
G：
可先布地线和电源线；
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；
1.3.2印制电路板布线规则
1、3点以上连线，尽量让线依次通过各点，便于测试，线长尽量短
2、引脚之间尽量不要放线，特别是集成电路引脚之间和周围。
3、不同层之间的线尽量不要平行，以免形成实际上的电容。
4、布线尽量是直线，或45度折线，避免产生电磁辐射。
5、地线、电源线至少10-15mil以上（对逻辑电路）。
6、尽量让铺地多义线连在一起，增大接地面积。
线与线之间尽量整齐。
7、注意元件排放均匀，以便安装、插件、焊接操作。
文字排放在当前字符层，位置合理，注意朝向，避免被遮挡，便于生产。
8、元件排放多考虑结构，贴片元件有正负极应在封装和最后标明，避免空间冲突。
9、目前印制板可作4—5mil的布线，但通常作6mil线宽，8mil线距，12/20mil焊盘。
布线应考虑灌入电流等的影响。
10、功能块元件尽量放在一起，斑马条等LCD附近元件不能之太近。
11、过孔要涂绿油（置为负一倍值）。
12、电池座下最好不要放置焊盘、过空等，PAD和VIL尺寸合理。
13、布线完成后要仔细检查每一个联线（包括NETLABLE）是否真的连接上（可用点亮法）。
1.3.2生成PCB板流程
选择：
File→New→PCB
，重命名并保存。
左键点中原理图，键盘上PageUp，PageDown可调整视图大小。
选择:
Design→Document
Options→Sheet
Options）可调整图纸尺寸大小。
在PCB界面下点击design，在design的下拉菜单下，会多出一个选项，选第二项，import
changes
from**.prjpcb
按照提示导入PCB。
利用AltiumDesigner设计如下图所示的PCB板，其顶层图如图9所示：
图9顶层PCB板
其底层PCB板如图10所示：
图10底层PCB板
1.4仿真输出
在multisim中进行仿真，其仿真输出如图11所示：
图10仿真输出
从仿真输出可以看出，其输出正电压为11.57V，输出负电压为-11.534V，与设计输出电压+12V和-12V相比，其失真率分别为3.6%和3,9%，失真率在误允许范围内，所以此次的设计是正确的，设计成功。
2六十进制计数器设计
2.1设计要求
1）每隔一定时间，计数器增1；
能以数字形式显示时间。
2）当定时器递增到59时，定时器会自动返回到00显示，然后继续计时。
3）本设计主要设备是两个74LS160同步十进制计数器，并且由300HZ，5V电源供给。
2.2设计方案框图
使用300HZ555定时器作为计数器的输入信号。
根据设计基理可知，计数器初值为00，按递增方式计数，增到59时，再自动返回到00。
此电路可以作为简易数字时钟的分钟显示。
图11为60进制计数器的总体框图。
图11总体设计框图
2.3单元电路设计
2.3.1六十进制计数器（个位）电路
本电路采用74LS160作为十进制计数器，它是一个具有异步清零、同步置数、可以保持状态不变的十进制上升沿计数器。
功能如表2所示：
表2十进制计数器功能表
CP
RD`
LD`
EP
ET
工作状态
×
置零
↑
1
预置数
保持
计数
连接方式如图12所示：
图12十位与个位的连接方式
2.3.2六十进制计数器（十位）电路
六十位的译码器连接方式如下图13所示：
图13十进制计数器（十位）
2.3.3震荡电路
555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。
因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。
图14为用555定时器设计的多谐振荡器的电路图及其电路产生的波形。
图13多谐振荡器电路
由多谐振荡器原理，结合上图可知其振荡周期T=T1+T2。
T1为电容充电时间，T2为电容放电时间。
充电时间
放电时间
矩形波的振荡周期
555组成的多谐振荡器实际电路参数的选择：
由于实际电路所给的器件有限，其R1=3K
，R2=6K
，RC振荡器电容为1uF，五号管脚所接的C2为10PF。
所以其振荡周期为
，所以其周期为约为0.0105S。
2.3.4译码显示电路
本实验利用数码管显示数字，其电路图如下图14所示：
图14译码显示电路
数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；
按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；
按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。
共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。
共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。
当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。
共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。
共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。
当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。
图15数码管类型
本实验采用74LS248进行译码，其封装如下图16所示：
图1674LS248封装
真值表如下表3所示：
表374LS248真值表
输入
输出
数字
A3
A2
A1
A0
Ya
Yb
Yc
Yd
Ye
Yf
Yg
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
2.4完整电路图
在AltiumDesigner中设计出完整的电路图如下图17所示：
图1760进制计数器原理图
2.5PCB板设计
在AltiumDesigner中安上节提供的方法设计PCB板，其顶层板如下图18所示：
图18顶层PCB板
其底层PCB板如下图19所示：
图19底层PCB板
2.6仿真输出
在multium中进行仿真，利用555定时器设计的多谐振荡器，其震荡输出波形如下图20所示：
图20震荡输出波形
本实验要求设计60进制计数器，即可以输出00——59，开始输出为00，计数一次增加，达到59后，在输出00，输出00的显示如下图21所示：
图21输出00
输出59的显示如下图22所示：
图22输出59
从仿真输出可以看出，计数器从00开始计数，依次增加1，当达到59后，计数器又从00开始计数，所以本次的计数器设计是正确的。
3正弦波-方波发生器
本信号发生器主要由RC桥式震荡器，滞回比较器，两大主要电路模块构成。
经过RC桥式震荡电路产生正弦波，再经过滞回比较电路产生方波，其总的设计原理框图如图23所示：
图23总原理框图
3.1单元电路设计与分析
3.1.1正弦波产生电路
利用RC桥式震荡电路产生正弦波，原理如图24所示，其中的RC串并联支路构成正反馈支路，同时兼并选频网络，R3，R4，以及二极管构成负反馈支路并且稳幅。
图24正弦波产生电路电路
调节电位器R4，可以改变负反馈深度，以便于满足震荡的振幅条件和改变波形。
在电位器支路串联两个并联的二极管，利用电流增大时二极管动态电阻减小、电流减小时二极管动态电阻增大的特点，，加入非线性环节，从而使输出电压稳定，两个二极管特性必须匹配，否则将会出现波形正负半周不对称。
电路震荡频率计算公式:
振幅值条件：
3.1.2方波产生电路
在单限比较器，输入电压在阈值电压附近的任何微小变化，都将引起输出电压的跃变，单限比较器虽然灵敏，但是抗干扰能力比较弱，滞回比较器具有滞回特性，既具有惯性，因而具有一定的抗干扰能力，所以我们在此选择滞回比较器产生方波。
其电路原理图如图25。
当输入为正弦波时，产生的是方波，其中稳压管的作用是限幅。
方波的幅值为：
图25方波产生电路
3.2总原理图设计
在AltiumDesigner进行正弦波-方波发生器的设计，其电路连接方式如下图26所示：
图26总原理图
3.3PCB板设计
按第一节提供的方法设计正弦波-方波的顶层PCB板如下图27所示：
图27正弦波-方波顶层PCB板设计
正弦波-方波的底层PCB板如下图28所示：
图28正弦波-方波底层PCB板
3.4仿真输出
在multisim中，设计正弦波-方波的原理图，正弦波的仿真输出如下图29所示：
图29正弦波仿真输出
方波的输入为原理图的输出，其仿真输出入下图30所示：
图30方波仿真输出
通过multisim的仿真输出来看，正弦波的电路输出和方波的电路输出失真较小，因此本次的原理图设计是正确的。
4总结体会
这次已经不是第一次做课程设计了，因为有以前做课程设计的经验，此次的课设做起来要得心应手多了。
本次试验利用AltiumDesigner进行原理图的设计和PCB板的设计，并且利用multisim进行仿真。
因为以前经常利用multisim进行仿真，所以此次仿真结果很快就出来了，但是没有利用AltiumDesigner进行设计，所以是在学习中进行的，因此在设计过程中还是出现了一些问题。
为了能更好的做好本次课程设计，我特地去图书馆借了几本书，通过看书，我渐渐了解了AltiumDesigner的设计过程，慢慢的也就克服了设计过程中出现的错误，最终完成了设计。
通过此次设计，也培养了我们的专业学习能力。
通过对所设计电路的仿真，我们掌握了一些基本的使用专业软件的能力，为我们以后的专业学习打下基础。
这次课程设计为以后的学习打下了基础，也使我懂得了做事要持之以恒，不然只会徒劳无功。
5参考文献
[1]赵品.《Protel99入门与提高》.人民邮电出版社.2000年出版
[2]赵品.《Protel99高级应用》.人民邮电出版社.2000年出版
[3]赵景波等.《电路设计与制版—Protel99SE从入门到精通》.机械工业出版社.2012年出版
[4]江思敏等.《Protel99SE电路原理图与PCB设计及仿真》.机械工业出版社.2007年出版
[5]倪泽峰，江中华.《电路设计与制版—ProtelDXP典型实例》.人民邮电出版社.2004年出版
[6]谷树忠，倪虹霞等.《AltiumDesigner教程—原理图、PCB设计与仿真》.电子工业出版社.2014年出版
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：
PROTEL应用实际—直流稳压电源，60进制计数器与正弦波-方波发生器
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
评分项目
最高分限
实际得分
设计说明书（论文）文理通顺、书写工整、图纸整洁。
方案设计合理，有一定创新，计算正确，论证充分。
20
答辩时态度谦虚有礼。
能够及时正确地回答教师所提出的问题。
30
仿真设计及其运行情况
硬件实物及其运行情况
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
2015年9月25日
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