多路触摸声光报警电路.docx
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多路触摸声光报警电路
学号：
012080932
课程设计
题目
多路触摸声光报警电路
学院
信息工程学院
专业
通信工程
班级
姓名
xxx
指导教师
刘新华
2010
年
7
月
2
日
课程设计任务书
学生姓名：
陈小攀专业班级：
通信0805
指导教师：
刘新华工作单位：
信息工程学院
题目:
Protel应用实践——多路触摸声光报警电路
初始条件：
Protel99se
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、或者一个具有完备功能的电路系统。
2.绘制相应电路原理图的双面印刷版图*.pcb
3.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：
序号
阶段内容
时间
1
安排任务
第18周
2
电路选择与绘制
第18周
3
撰写报告
第19周
4
答辩
第19周
合计
2周
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设计系统是世界上第一套将EDA环境引入到Windows环境中的EDA开发工具，是具有强大功能的电子设计CAD软件，它具有原理图设计、印刷电路板（PCB）、设计层次原理图设计、报表制作、电路仿真以及逻辑器件设计等功能，是进行电子设计最有用的软件之一。
本次课程设计的内容是用Protel软件实现多路触摸音响报警电路原理图的绘制、印刷电路板（PCB）的制作以及仿真，该电路由电源开关电路、音响电路、触摸报警显示电路等组成，可用于六个监视场点的防范、监视。
关键词：
Protel99SE;多路触摸音响报警电路;原理图设计及仿真;印刷电路板设计
Abstract
Proteldesignsystemistheworld'sfirstsetofEDAenvironmentwillbeintroducedtotheWindowsenvironmentintheEDAdevelopmenttools,isastrongfeatureoftheelectronicdesignCADsoftware,ithasaschematicdesign,printedcircuitboard（PCB）,schematicdesignleveldesign,Makingstatements,circuitemulationandlogicdevicedesign,andotherfunctions,istheconductofelectronicdesignoneofthemostusefulsoftware.
ThiscourseisdesignedwithProtelsoftwarerealizationwaytouchsoundalarmcircuitprincipledrawing,printedcircuitboard（PCB）productionandsimulation,thecircuitbythepowerswitchcircuit,audiocircuits,touchalarmdisplaycircuit,etc,whichcanbeusedtoprevent,sixmonitoringsites.
Keywords：
Protel99SE,Multi-channelaudioalarmcircuittouch,Schematicdiagramdesignandsimulation,PCBdesign
1引言PROTEL
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。
本次课程设计是以脉冲宽度调制信号控制电路为例，叙述原理图绘制、原理图库元件的创建、PCB设计等的具体步骤和出现问题及其解决方法。
早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到PROTEL99（网络上可下载到它的测试板），是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，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。
图1Protel99SE桌面图标
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，可以进行联网设计，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。
1.1Protel99SE的系统组成
按照系统功能来划分，Protel99se主要包含以下俩大部分和6个功能模块。
1.1.1电路工程设计部分
（1）电路原理设计部分（AdvancedSchematic99）：
电路原理图设计部分包括电路图编辑器（简称SCH编辑器）、电路图零件库编辑器（简称Schlib编辑器）和各种文本编辑器。
本系统的主要功能是：
绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。
（2）印刷电路板设计系统（AdvancedPCB99）：
印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器（简称PCB编辑器）、零件封装编辑器（简称PCBLib编辑器）和电路板组件管理器。
本系统的主要功能是：
绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。
（3）自动布线系统（AdvancedRoute99）：
本系统包含一个基于形状（Shape-based）的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现PCB设计的自动化。
1.1.2电路仿真与PLD部分
（1）电路模拟仿真系统（AdvancedSIM99）：
电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。
（2）可编程逻辑设计系统（AdvancedPLD99）：
可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器（Waveform）。
本系统的主要功能是；对逻辑电路进行分析、综合；观察信号的波形。
利用PLD系统可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。
（3）高级信号完整性分析系统（AdvancedIntegrity99）：
信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析PCB设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。
1.2Protel99SE的功能特性
1、开放式集成化的设计管理体系
2、超强功能的、修改与编辑功能
3、强大的设计自动化功能
2电路工作原理及原理图绘制
无论是可编程逻辑器件的设计、电路仿真，还是PCB电路板的设计，原理图的设计都是这一切工作的基础，因此在进行电路原理图的绘制时一定要保证准确无误，尽量做到图面清晰、可读性好。
2.1电路总体设计及原理
图2电路总体设计及原理
2.1.1总体电路和工作原理
如图所示为多路触摸音响报警电路。
该电路由电源开关电路、音响电路、触摸报警显示电路等组成，可用于六个监视场点的防范、监视。
电源开关电路由BG1～BG4组成，音响电路由IC1、IC2组成，触摸报警显示电路由二极管D1～D6、反相器F1～F6、发光二极管LED1～LED6组成。
其中IC1与R5、W1、C2组成无稳态多谐振荡器，振荡频率为f=l.44/（R52Rw1）C2，调节电位器W1使频率为1Hz左右。
IC2与R8、R9、C3组成多谐振荡器，其控制信号来自IC1的输出信号。
当有人触摸报警线A～F中的任一端时，反相器F1～F6中对应的门电路导通，相应LED发光，BG1～BG4导通，音响电路的地回路接通，相应音响电路接通并发出警车报警声。
同时，电容器C2上的充放电锯齿波经BG5管的射极输出后加至IC2⑤脚，以对相应的振荡电路进行控制，该振荡电路3脚的输出信号使喇叭发出“嘀-哒-”的警车报警声。
在使用时应注意的是：
Q端要可靠地接地。
F1~F6使用CD4069或CC4069；IC1采用功耗低的CMOS型555，IC2双极型555，VT1~VT5分别采用小功率硅三极管9013,9014,9015,8050，hBE>=80;B采用内磁式电动扬声器YD50-1型
2.1.2单元电路
1、触摸报警显示电路2、电源开关电路
图3触摸报警电路图4电源开关电路
3、
音响电路
图5音响电路
2.2Protel原理图绘制
2.2.1准备画图
2.2.1.1启动Protel99SE
（1）从Windows操作系统的开始菜单或桌面快捷图标进入Protel99SE环境。
（2）使用菜单File/New或File/NewDesign建立新设计数据库文件。
（3）使用菜单File/New，在打开的窗口选择SchematicDocument图标，建立名为“多路触摸音响报警器”的新原理图文件。
（4）将原理图文件打开。
图6NewDocument对话框
2.2.1.2设置画图环境
（1）选择菜单【Design】/【Options…】，弹出“DocumentOptions”对话框，如图4。
注意根据原理图的大小，设置图纸尺寸，一般选择A4。
同时要选择捕捉栅格（SnapGrid）和电气特性（ElectricalGrid）复选框，注意电气栅格的尺寸一定要比捕捉栅格小，而可视栅格可以根据个人的喜好显示或不显示。
画图方向一般都是横向。
图7Design/Option菜单显示的SheetOptions对话框
（2）使用菜单Tool/preference中设置图纸移动方式和速度等项内容，见图2-2。
一般图纸移动方式为AutoPanRecenter，移动速度为中等。
为将原理图中的内容拷贝到文本编辑软件中，应该去掉AddTemplatetoClipboard前的对号。
若是要在标题栏中输入一些内容，就应该在ConvertSpecialStrings前加上对号。
光标形状可以根据自己的需要选择。
图8Design/Option菜单显示的SheetOptions页面
2.2.2设置元件库
必须有元件库才能画图，所以画图前应该在元件库管理器中放置一些元件库。
首先进入元件库管理器，然后单击Add/Remove按钮，在出现的窗口（见图2-3）选择\DesignExplorer99SE/Library/Sch路径，再选择如图2-3所示窗口下部显示的常用元件库文件。
单击OK，就会看到这些选择的元件库已经显示在元件库管理器窗口了。
一般常用元件都在miscellaneousDecive.ddb库中。
而TTL和CMOS数字集成电路可以在TIDatabooks库或NSCDatabooks库中查找。
运算放大器和稳压电源电路可以在NSCanalog.ddb库中查找。
图9选择元件库窗口
2.2.3绘制原理图步骤
（1）首先将所有元件都从库中取出来，放置在图纸上，并且调整好位置。
（2）使用连线工具将元件连接起来，分别设置元件属性，并使用Tool/Annotate菜单队元件进行编号。
（3）进行电气检查（ERC）。
原理图绘制完成之后，还需要对原理图进行编译并对其连接进行检查，检查无误后才能进入PCB班的设计阶段，系统会按照用户的设置及问题的严重性，分别以“Error”（错误）或“Warning”（警告）等信息来提醒用户。
选择【Tools】/【ERC】菜单，保留默认设置，单击“OK”，进行电气规则设计检查。
检查后会生成与电路图同名、后缀为“ERC”的文件。
至此原理图设计完成。
完整原理图如下。
图10多路触摸音响报警器
图11555芯片
3Protel电路仿真
对于“脉冲宽度调制信号控制电路”，一方面由于在protel仿真元件库里，即在sim.ddb里，有些仿真元件没有，不能进行仿真；另一方面，在本人选取protel课程设计的原理图时，一开始注重电路的复杂和丰富，希望在绘制原理图比较有挑战性，但是忽略了对电路图原理的理解。
虽然对芯片NE555有一定的了解，但对于其应用电路并不是很熟悉，不能准确分析电路并正常进行仿真。
所以进行局部仿真，只对整流稳压电路进行仿真。
3.1绘制原理图
元件必须选自Sim.ddb，其它所有的元件库都不能用于仿真。
所以首先要在原理图编辑器中载入仿真元件库Sim.ddb。
在电路图上放置仿真元件，并设置元件的仿真参数；放置连线，绘制仿真电路原理图；在仿真电路原理图中添加电源及激励源；设置仿真节点以及电路的初始状态；接着对电力原理图进行ERC检查，如果电路中存在错误，要先纠正错误才能进行仿真。
这些步骤及绘制方法与第四部分电路原理图的绘制内容完全一致，最后绘制的仿真原理图如图9。
最重要的是设置仿真分析的参数。
图14绘制仿真电路原理图
图12用仿真元件绘制的稳压电路
3.2电路仿真分析的设置
执行菜单命令【Simulation】/【Setup...】,弹出如图10的对话框。
在【General】标签中的【SelectAnalysestoRun】栏下，选择仿真分析的方法。
这里选择【OperatingPointAnalysis】（直流工作点分析）和【Transient/FourierAnalysis】（瞬态分析/傅里叶分析）。
在对话框中的【CollectDataFor】下拉表中，有5个不同的数据存储类型。
这里选择“NodeVoltages,SupplyCurrents,DeviceCurrentsandPowers”（存储每个节点的电压、每个供电电源的电流以及每个元件上的电流和功耗）。
接着指定所要显示数据的节点，直接双击【AvailableSignals】列表总需要的节点，就会在【ActiveSignals】列表栏中列出。
如图13所示，选中“VIN”和“VOUT”。
其他需要修改的参数，可以在另外的8个标签下的设置项修改。
图13仿真分析对话框
3.3运行电路仿真
仿真器在仿真时需要用到SPICE网络表。
执行菜单命令【Simulate】/【CreateSPICENetlist】生成SPICE网络表文件*.nsx。
在设置好电路原理图和仿真分析的参数后，执行菜单命令【Simulated】/【Run】就可以运行电路仿真了。
仿真结果文档*.sdf将存储在本电路的设计数据库文件中，并在一个新的窗口（仿真波形分析器窗口）中显示，同时还会生成一个“*.cfg”的文件，其内保存有仿真分析参数的设置内容。
如图11，是稳压电路进行仿真后的波形分析器窗口。
在另一个波形分析标签“OperatingPoint”的显示如图12。
图14在TransientAnalysis仿真波形分析器窗口
图15在OperatingPoint下的显示
图16报警电路文件
4PCB印制板电路的绘制
4.1创建PCB文件
同创建sch电路图文件一样，双击进入document，执行菜单命令
/【NEW】，双击即可创建PCB文件。
在生成PCB文件之前应保证原理图没有错误，文件生成后将所需要的库文件导入到PCB，否则即使原理图无错误系统也会报错。
4.2规划PCB版并导入网络表
（1）设定工作层面：
执行菜单命令Design/Options后，得到图13所示对话框。
图17Design/Options页面
基本工作层面说明：
信号层（SignalLayers）：
用来放置元件、导线等与电气信号有关的电气元素。
对于制作双面板而言，要选中顶层铜膜布线面（TopLayers）和底层铜膜布线面（BottomLayers）。
丝印层（Silkscreen）：
用于绘制元件的外形轮廓，元件序号和标注字符等。
一般选中顶层（Topoverlay）即可。
防护层（Mask）：
自动生成，不选。
禁止布线层（KeepOutLayer）：
用于规定放置元件和布线的区域。
多层面（Multilayer）：
用于快速把对象（例如，焊盘和过孔）加入到所有的信号层，选中即可。
其它的选项使用默认设置即可。
（2）规划电气边界：
在禁止布线层（KeepOutlayer）进行。
首先点击相应的层面标签：
然后在此层面上绘制一个区域（一般为方形）。
在*.Sch文件界面下，执行菜单命令Design/UpdatePCB,会出现一个界面。
全部使用默认值。
若元件封装、原理图均无错误后即可在PCB版上生成元器件。
单击按钮
进入UpdateDesign对话框的Changes选项卡，可以发现更新过程是否存在错误。
如果没有错误，单击对话框的按钮Execute即可将本次更新的变动反映的PCB文件中。
图18UpdateDesign对话框
（3）在PCB状态下执行菜单命令【Design】/【Netlist……】,在出现的对话框中点击标签然后选择之前创建好的后缀名为.net的网络表。
在网络表文件载入时，常常会出现两种错误：
FootprintNotAvailable（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。
4.3布局与布线
由于这次的电路图元件较多，不适合自动布局，所以采取边布局边布线的方法，手工完成电路板的设计。
手工布局，可以完全按照电路工作的实际需要，来进行元件的布局，所生成的元件布局可以符合实际应用的要求，也有利于后面的布线操作。
当然，也可以采取自动布局和手工布局的结合可以提高效率。
此次的边布局边布线的方法既可以根据布局来布线，又可以以根据走线来布局。
对于制作“多路触摸音响报警器电路”的PCB文件，具体如下：
1、执行菜单命令【Tools】/【AutoPlace…】,在弹出的自动布局设置对话框中，选择采用【ClusterPlacer】方式进行元件的快速布局。
2、用鼠标将所有的元件选中，并将它们移出所设定的电路板范围。
移动完毕后，取消图件的选中状态。
3、元件位置、方向的调整：
利用鼠标拖动改变元件的位置；结合x、y和空格键改变元件的方向。
图19元件布局图
4、设置布线参数：
Design/Rules。
5、设定自动布线器：
执行AutoRoute/Setup后，出现图14所示对话框，把RoutingGrid设置为“20.0000”，其余选项使用默认。
之后，点击按钮RouteAll，开始自动布线。
6、自动布线手动调整：
利用Tools/Un－route删除已有布线，进行人工布线。
图20布线结果图
5、将电容C103两个引脚上的+15V电源线和地线向右布线，并在走线的尾部上各加一个焊盘，避免放置【LoopRemoval】功能起作用。
之后进行运算放大器U1和比较器U2、U3及其它们周边元件的布局和布线，注意起降噪作用的电容要靠近运放的引脚放置。
6、调整电路板的大小，并放置安装孔（即没有网络名称的焊盘），得电路板如图16。
接着要在电路板底层上对“GND”覆铜，即网络名称为“GND”的焊盘要与覆铜完全连接，而不是辐射方式连接。
所以对设计规则进行设置。
执行菜单【Design】/【Rules…】，单击对话框中的【Manufacturing】标签，在【PolygonConnectionStyle】设置项中对整块电路板进行设置。
接下来放置覆铜。
执行菜单命令【Place】/【PolygonPlane…】，在弹出的对话框中进行设置，单击“OK”。
之后指定放置覆铜区域即可。
如图20。
接着，在对电路板上的其他走线进行适当地调整。
如加粗电源线等等。
最后得到的电路板见附录3。
7、布线完毕后，执行菜单命令【Tools】/【DesignRulesCheck…】，对短路情况和没有布置的连线进行检查，如果不存在错误，那么对电路板的设计就完成了。
图21放置网络名称为“GND”的覆铜
4心得和体会
protel软件的功能是模拟电路的输入输出，帮助人们进行智能分析，这样一来，我们就将人工根本不能计算或者是特别繁琐的计算通过计算机轻而易举的就可以获得我们想要的结果。
在大二上学期电工实习时接触过Protel，当时只是在老师的细心指导下一步一步地跟着学，有种“依葫芦画瓢”的样子，而且进行的是较为简单的电路，其中布局布线也更多直接采用自动布局和布线，也没有进行仿真，所以还有很多功能没有用到。
而这次是要靠自己去摸索，在完成课程设计的过程中，遇到了很多的困难。
例如：
在制作印刷电路板时，最经常出现问题的是元件封装号，如果元件的封装号不正确，就无法从网络表载入到PCB界面，一些常用器件（电阻、电容、二极管、三极管等）的封装号很容易查到，但是有些不常用的器件就很难找到,经常在网上XX，翻看了很多的网站才能找到，甚至还找不到的。
但也恰是如此，让自己在不知不觉中学到了一些知识。
通过这次学习和应用，我感受颇深。
这次使用protel做的课题是脉冲宽度调制信号控制电路的设计。
这个电路一看，还是比较丰富的，有集成运放LF353、电压比较器LM393、集成芯片SG3525A、还有没有见过的插接件等，看着觉得比较有挑战性。
在绘制原理图时，还是比较顺利的，相关的器件能在元件库里找的就放置上去，而SG3525A和插接件是自己画的元件，在原理图编辑器里添加这两个自己用心画的库元件。
感觉还是很高兴的，在画元件的时候，也有相关的很多知识要学习和注意的。
在进行ERC电气化检查的时候，出现了错误，仔细研究才知道是芯片的引脚悬空。
一开始是按照自己选取的电路图画的，没有太仔细具体研究整个电路，询问过同学，才知道可以把它忽略或者在原理图上设置引脚“NoERC”。
在生成网络表，创建PCB文件，载入网络表的时候，一开始出现了几十个错误，除了是封装遗漏，还有引脚遗漏的问题。
我右击，点击“Report”让它生成报表，一个一个的检查，排除错误。
其中一大原因是因为插接件没有相应的封装号，所以要自己画封
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