简易数字频率计的设计电路仿真分析及pcb板图绘制.docx
《简易数字频率计的设计电路仿真分析及pcb板图绘制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《简易数字频率计的设计电路仿真分析及pcb板图绘制.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
简易数字频率计的设计电路仿真分析及pcb板图绘制
毕业设计〔论文〕
设计〔论文〕题目简易数字频率计的设计
---电路仿真分析与PCB板图绘制
学院电信工程学院
教学系通信技术系
班级原理图和PCB图我剪了。
要的加QQ
姓名不要图就直接下吧QQ1300400058。
指导教师我花了200买的图。
2021年4月
简易数字频率计的设计—电路仿真分析与PCB板图绘制
摘要
数字频率计是一种专门对被测信号频率进展测量的电子测量仪器。
被测信号可以是正弦波、方波或其它周期性变化的信号。
数字频率计主要由放大整形电路、闸门电路、计数器电路、锁存器、时基电路、逻辑控制、译码显示电路几局部组成。
随着微电子技术和计算机技术的不断开展，信号完整性分析的应用已经成为解决高速系统设计的唯一有效途径。
借助功能强大的Protel99SE仿真软件，利用IBIS模型，对高速信号线进展布局布线前信号完整性仿真分析是一种简单可行的分析方法，可以发现信号完整性问题，根据仿真结果在信号完整性相关问题上做出优化的设计，从而缩短设计周期。
讨论了基Protel99SE仿真软件模型的建立并对仿真结果进展了分析。
研究结果说明在高速电路设计中采用基于信号完整性的仿真设计是可行的,也是必要的。
关键词：
数计频率设计方案优化设计PCB
1绪论
随着信息宽带化和高速化的开展，以前的低速PCB已完全不能满足日益增长信息化开展的需要，人们对通信需求的不断提高，要求信号的传输和处理的速度越来越快，相应的高速PCB的应用也越来越广，设计也越来越复杂。
高速电路有两个方面的含义，一是频率高，通常认为数字电路的频率到达或是超过45MHZ至50MHZ，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个系统的三分之一，就称为高速电路；二是从信号的上升与下降时间考虑，当信号的上升时小于6倍信号传输延时时即认为信号是高速信号，此时考虑的与信号的具体频率无关．高速PCB的出现将对硬件人员提出更高的要求，仅仅依靠自己的经历去布线，会顾此失彼，造成研发周期过长，浪费财力物力，生产出来的产品不稳定。
高速电路设计在现代电路设计中所占的比例越来越大，设计难度也越来越高，它的解决不仅需要高速器件，更需要设计者的智慧和仔细的工作，必须认真研究分析具体情况，解决存在的高速电路问题．一般说来主要包括三方面的设计：
信号完整性设计、电磁兼容设计、电源完整性设计．
在电子系统与电路全面进入1GHz以上的高速高频设计领域的今天，在实现VLSI芯片、PCB和系统设计功能的前提下具有性能属性的信号完整性问题已经成为电子设计的一个瓶颈。
从广义上讲，信号完整性指的是在高速产品中有互连线引起的所有问题，它主要研究互连线与数字信号的电压电流波形相互作用时其电气特性参数如何影响产品的性能。
传统的设计方法在制作的过程中没有仿真软件来考虑信号完整性问题，产品首次成功是很难的，降低了生产效率。
只有在设计过程中融入信号完整性分析，才能做到产品在上市时间和性能方面占优势。
对于高速PCB设计者来说，熟悉信号完整性问题机理理论知识、熟练掌握信号完整性分析方法、灵活设计信号完整性问题的解决方案是很重要的，因为只有这样才能成为21世纪信息高速化的成功硬件工程师。
信号完整性的研究还是一个不成熟的领域，很多问题只能做定性分析，为此，在设计过程中首先要尽量应用已经成熟的工程经历；其次是要对产品的性能做出预测和评估以及仿真。
在设计过程中可以不断积累分析能力，不断创新解决信号完整性的方法，利用仿真工具可以得到检验。
2数字频率计功能及要求
2.1频率计功能
频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值。
其扩展功能可以测量信号的周期和脉冲宽度。
数字频率计的整体构造要求如下图。
图中被测信号为外部信号，送入测量电路进展处理、测量，档位转换用于选择测试的工程------频率、周期或脉宽，假设测量频率那么进一步选择档位。
图2-1总体构造图
2.2元器件数量
型号
名称及功能
数量
NE555
定时器
1片
74151
8选1数据选择器
2片
74153
双4选1数据选择器
2片
7404
六反向器
1片
4518
十进制同步加/减计数器
2片
74132
四2输入与非门〔有施密特触发器〕
1片
74160
十进制同步计数器
3片
C392
数码管
3片
4017
十进制计数器/脉冲分配器
1片
4511
4线－七段所存译码器/驱动器
3片
TL084
1片
10K电位器
1片
电阻电容
拨盘开关
1个
2.3整体电路设计图及原理
2-2测量频率计的原理图
2-3测量周期的原理框图
输入电路：
由于输入的信号可以是正弦波，三角波。
而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路那么在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。
在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。
所以在通过整形之前通过放大衰减处理。
当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。
当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时假设不能驱动后面的整形电路，那么调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。
频率测量：
测量频率的原理框图如图2.2.测量频率共有3个档位。
被测信号经整形后变为脉冲信号〔矩形波或者方波〕，送入闸门电路，等待时基信号的到来。
时基信号有555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。
被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开场记录时钟的个数，这样就到达了测量频率的目的。
周期测量：
测量周期的原理框图2.3.测量周期的方法与测量频率的方法相反，即将被测信号经整形、二分频电路后转变为方波信号。
方波信号中的脉冲宽度恰好为被测信号的1个周期。
将方波的脉宽作为闸门导通的时间，在闸门导通的时间里，计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数。
计数器累计的结果可以换算出被测信号的周期。
用时间Tx来表示：
Tx=NTs式中：
Tx为被测信号的周期；N为计数器脉冲计数值；Ts为时基信号周期。
3Multisim8电路仿真分析
Multisim8提供的电路仿真分析有:
直流工作点分析交流分析瞬态分析傅里叶分析传输函数分析灵敏度分析直流扫描分析温度扫描分析为用户设计分析电路提供了极大的方便最坏情况分析、蒙特卡罗分析、批处理分析及RF分析等多种分析，分析结果以表格或波形直观地显示出来。
我在此介绍简要介绍几种常用的分析。
3.1直流工作点分析
直流工作点分析〔Analysis〕直流工作点分析〔DCOperatingPointAnalysis〕在进展直流工作点分析时，软件将交流电压源视为短路，交流电流源视为开路，电容视为开路，电感视为软件将交流电压源视为短路，交流电流源视为开路，电容视为开路，短路。
进展电路的其它分析时，首先进展直流工作点分析，以便建立小信号模型。
短路。
进展电路的其它分析时，首先进展直流工作点分析，以便建立小信号模型。
具体分析步骤如下
1、创立电路、例如我们要建立如下图单管放大电路，单击主菜单Options命令大电路，单击主菜单命令下的Preferences项，在弹出的对下的项标签，话框中选择Circuit标签，选中标签Shownodename节点号就显示在节点号就显示在电路图上。
2、分析设置、
点击主菜单的Simulate选项下Analysis\Analysis\DCOperatingPoint〞命Analysis\令，弹出Analysis\DCOperatingPointAnalysis对话框如图所Analysis对话框如图所该对话框包括:
示，该对话框包括:
OutputAnalysisSummary共3个标签。
3、进展仿真分析
单击Simulate按按单击钮即可进展分析。
钮即可进展分析。
3.2瞬态分析
瞬态分析（TransientAnalysis）对选定的电路节点进展的时域响应分析。
即观察节点的电压波形。
压波形。
在进展瞬态分析时，直流电源具有恒定的数值，定的数值，交流电源的数值随时间而变化。
瞬态分析的具体步骤如下
点击主菜单的Simulate选项下Analysis\TransientAnalysis〞命令，Simulate选项下Analysis弹出TransientAnalysis对话框如图所示，该对话框包括。
Parameters、Output、AnalysisOptions及Summary共4个标签。
除了AnalysisParameters标签Parameters标签外，其余标签页与直流工作点分析的设置一样。
在AnalysisParameters标签页中那么包括标签页中那么包括如下工程：
1〕Initialconditions区：
其功能是设〕区置初始条件，包括以下选项：
置初始条件，包括以下选项：
Automaticallydetermineinitialconditions程序自动设置初始值。
初始值设置为0Settozero初始值设置为0。
由用户定义初始值。
Userdefined由用户定义初始值。
CalculateDCoperatingpoint通过计算直流工作点得到的初始值。
Automaticallydetermineinitialconditions自动获得规定的初始值。
Parameters区：
对时间间隔和步长等参数进展设置。
包括：
步长等参数进展设置。
包括：
tarttime：
设置：
分析开场的时间。
Endtime：
设置：
分析完毕的时间。
分析完毕的时间。
Maximumtimestep：
设置最大。
Generatetimestepsautoma：
由软件自动决：
3.3交流分析
交流分析（ACAnalysis）就是对电路进展交流频率响应分析。
分析时Multisim仿真软件首先对电路进展直流工作点分析，仿真软件首先对电路进展直流工作点分析，以建立电路中非线性元件的交流小信号模型。
以建立电路中非线性元件的交流小信号模型。
然后对电路进行交流分析，并且输入信号源都被认为是正弦波信号。
行交流分析，并且输入信号源都被认为是正弦波信号。
假设使用函数信号发生器作为输入信号时，用函数信号发生器作为输入信号时，即使选用三角波或方波信号，也自动将它改为正弦波形输出。
信号，Multisim也自动将它改为正弦波形输出。
首先在Multisim用户界面的电路窗口中，创立用户界面的电路窗口中，首先在用户界面的电路窗口中电路。
的RCL电路。
然后单击Simulate菜单中菜单中Analyses选项下然后单击菜单项选择项下命令，命令弹出ACAnalysis对话框
该对话框含有4个标签，除FrequencyParameters标签外，其余与直流工作点分析的标签一样，在此不再赘述。
FrequencyParameters标签页主要用于设置AC分析时的频率参数分析时的频率参数。
用于设置分析时的频率参数。
Startfrequency：
设置交流分析的起始频率。
Stopfrequency（FSTOP）：
设置交流分析的终止频率。
Sweeptype：
设置交流分析的扫描方式，主要有：
Decade（十倍：
设置交流分析的扫描方式，主要有：
十倍程扫描）、八倍程扫描）和线性扫描）。
Octave（八倍程扫描和Linear（线性扫描。
通常采用十八倍程扫描线性扫描，以对数方式展现。
倍程扫描选项以对数方式展现。
Numberofpointsperdecade：
设置每十倍频率的取样数量。
：
设置每十倍频率的取样数量。
设置的值越大，那么分析所需的时间越长。
设置的值越大，那么分析所需的时间越长。
3.4傅里叶分析
所谓傅里叶分析（FourierAnalysis）就是求解一个时域信号的直流分量、基波分量和各谐波分量的大小。
首先确定分析节点，其次把电路的交流鼓励信号源设置为基频。
下面以图示的方波鼓励RC电路为例，说明傅里叶分析的电路为例具体操作步骤。
首先在Multisim电路窗口中创立方波鼓励电路窗口中创立方波鼓励RC电路。
单击Simulate菜单中菜单中Analyses选项下的单击菜单中选项下的FourierAnalysis命令，弹出如下列图所示命令，对话框。
的FourierAnalysis对话框。
对话框含有4个除AnalysisParameters标签，其余与直流工作点分析的标签一样，在此不再赘述。
AnalysisParameters标签页主要用于设置傅里叶分析时的有关采样参数和显示方式。
（1）Samplingoptions区。
主要用于设置有关采样的根本参数。
Fundamentalfrequency：
设置基波的频率，即交流信号鼓励源的频率或最小公因数频率。
频率值确实定由电路所要处理的信号来决定，默认设置为lkHz。
NumberOfharmonics：
设置包括基波在内的谐波总数。
设置包括基波在内的谐波总数为9。
Stoptimeforsampling（TSTOP）：
设置停顿取样的时间，该值一般比拟小，通常为毫秒级。
如果不知如何设置，可单击Estimate按钮，由Multisim8仿真软件自行设置，Edittransientanalysis：
该按钮的功能是设置瞬态分析的选项，单击它弹出瞬态分析对话框。
（2）Results区。
主要用于设置仿真结果的显示方式。
Displayphase：
显示傅里叶分析的相频特性。
默认设置不选用。
Displayasbargraph：
以线条形式来描绘频谱图。
Normalizegraphs：
显示归一化频谱图。
Verticalscale：
Y轴刻度类型选择：
包括线性〔Linear〕。
对数轴刻度类型选择包括线性和分贝和分贝2种类型。
设置所要显示的工程：
它包括3个选项：
即Chart，Graph和ChartandGraph。
对于本例RC的电路，基频设置为1000Hz，谐波的次数取9，Estimate，即仿真软件自动给出停顿取样的时间，同时在Output标签中选择节点２为仿真分析变量。
设置参数如下列图所示。
中选择节点２为仿真分析变量。
单击FourierAnalysis对话框中单击Simulate按钮，就会显示该电路的频谱图。
4.Protel99SE简介
Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。
因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB〔印制电路板〕设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。
最新版本的Protel软件可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel（PCAD）等知名EDA公司设计文件，以便用户顺利过渡到新的EDA平台。
Protel99SE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。
Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进展联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层,是个完整的板级全方位电子设计系统，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率。
Protel99SE在仿真方面的特点：
Protel99SE软件中提供了SIM99se数模混合仿真器集成软件可以对许多电子线路进展模拟设计，模拟运行，反复修改。
提供了接近6000各仿真元件和大量的数学模型期间，可以对电工电路，低频电子线路、高频电子线路和脉冲数字电路在一定X围内进展仿真分析。
仿真结果以多种图形方式输出，直观明了，可以单图精细分析，也可以多图综合比拟分析、并可通过不同的角度进展分析，以获得对电路设计的准确判断。
5pcb板图绘制
如图是传统的设计方法，在最后测试之前，没有做任何的处理，根本都是依靠设计者的经历来完成的。
在对样机测试检验时才可以查找到问题，确定问题原因。
为了解决问题，很可能又要从头开场设计一遍。
无论是从开发周期还是开发本钱上看，这种主要依赖设计者经历的方法不能满足现代产品开发的要求，更不能适应现代高速电路高复杂性的设计。
所以必须借助先进的设计工具来定性、定量的分析，控制设计流程。
5.1PCB设计的一般原那么
5.1.1布局
首先，要考虑PCB尺寸大小。
PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，本钱也增加；过小，那么散热不好，且邻近线条易受干扰。
在确定PCB尺寸后，再确定特殊元件的位置。
最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进展布局。
在确定特殊元件的位置时要遵守以下原那么：
〔1〕尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。
易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。
〔2〕某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。
带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。
〔3〕重量超过15g的元器件，应当用支架加以固定，然后焊接。
那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。
热敏元件应远离发热元件。
〔4〕对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的构造要求。
假设是机内调节，应放在印制板上方便调节的地方；假设是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。
〔5〕应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。
根据电路的功能单元。
对电路的全部元器件进展布局时，要符合以下原那么：
〔1〕按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。
〔2〕以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进展布局。
元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上。
尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。
〔3〕在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。
一般电路应尽可能使元器件平行排列。
这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。
〔4〕位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。
电路板的最正确形状为矩形。
长宽双为3:
2或4:
3。
电路板面尺寸大于200×150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。
5.1.2布线
布线的原那么如下：
〔1〕输入输出端用的导线应尽量防止相邻平行。
最好加线间地线，以免发生反应藕合。
〔2〕印制板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。
当铜箔厚度为0.5mm、宽度为1～15mm时，通过2A的电流，温度不会高于3℃。
因此，导线宽度为1.5mm可满足要求。
对于集成电路，尤其是数字电路，通常选0.02～0.3mm导线宽度。
当然，只要允许，还是尽可能用宽线，尤其是电源线和地线。
导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。
对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许，可使间距小于5～8mil。
〔3〕印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。
此外，尽量防止使用大面积铜箔，否那么，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。
必须用大面积铜箔时，最好用栅格状。
这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。
3.焊盘
焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。
焊盘太大易形成虚焊。
焊盘外径D一般不小于〔d+1.2〕mm，其中d为引线孔径。
对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取（d+1.0）mm
在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的，在整个PCB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。
PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线。
布线的方式也有两种：
自动布线及交互式布线，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比拟严格的线进展布线，输入端与输出端的边线应防止相邻平行，以免产生反射干扰。
必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。
自动布线的布通率，依赖于良好的布局，布线规那么可以预先设定，包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。
一般先进展探索式布经线，快速地把短线连通，然后进展迷宫式布线，先把要布的连线进展全局的布线路径优化，它可以根据需要断开已布的线。
并试着重新再布线，以改良总体效果。
不过既使在整个PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。
所以对电、地线的布线要认真对待，把电、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。
对每个从事电子产品设计的工程人员来说都明白地线与电源线之间噪音所产生的原因，现只对降低式抑制噪音作以表述：
〔1〕、众所周知的是在电源、地线之间加上去耦电容。
〔2〕、尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：
地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为：
0.2～0.3mm,最经细宽度可达0.05～0.07mm,电源线为1.2～2.5mm
对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路,即构成一个地网来使用（模拟电路的地不能这样使用）
〔3〕、用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。
或是做成多层板，电源，地线各占用一层。
5.2元器件的自动和手工布局
中止自动布局ToolsponentPlacementStopAutoPlacer
设置推挤元件的深度
ToolsponentPlacementSetShoveDepth
推挤元件ToolsponentPlacementShove
顺序：
先布置与机械尺寸有关的器件并锁定这些器件，然后是大的、核心的元件，最后是外围的
小元件。
布局原那么：
接插件的安装位置要符合设计要求；
元件在PCB板上布置的位置平衡、疏密有致，不能散热要求。
发热元件的放置位置要合理、散热要通畅，不能干扰到电路其他局部工作；电解电容、晶振、锗管等热敏元件要与发热元件保持一定距离；
尽量做到按模块布局；尽量使连线的距离最短、穿插最少。
首先将较大的元件放置在适宜位置；
然后按模块放置其他元件；最后放置其他外围元件。
设定布线规那么，局部线路手动预布线自动布线手动调整
命令：
DesignRules
布线前首先制定详细的布线规那么，如线宽、间距、过孔类型等；有特殊要求的手动预布线，例如电源线、高速线路等；其他线路用自动布线功能；最后对自动布线结果手动调整。
6.原理图和PCB板图
图没了加1300400058
图6-1频率计电路原理图
图没了1300400058
图6-2频率计PCB板图
7结论
通常当提到印刷电路板〔PCB〕时，会想到电路设计、板图设计和可靠性分析等。
现在，随着数字电子系统突破1GHz的壁垒，PCB板的设计必需要考虑信号完整性问题，保持信号完整性对设计者来说越来越富有挑战性。
随着信号电平跳变时间的不断减小，PCB板面上的走线将都可以作为传输线来对待，理解传输线原理是研究信号完整性问题的根底和前提。
信号完整性问题的
升级会员 