protel课程设计说明书模拟乘法器.pdf

武汉理工大学protel课程设计说明书摘要Protel是当今电子行业中常用的EDA工具，能够完成原理图的绘制与仿真 以及PCB板的制作，操作方便，功能强大。本次设计便是以protel DXP为基础 平台，综合运用其原理图(SCH)绘制，原理图(SCH)仿真以及印刷板(PCB)的制作功能，基本展现了 protel的基本功能。该设计对模拟乘法器进行了简单的 原理说明，原理图的绘制，原理图的仿真以及最终的P C B的制作。关键字：protel；EDA；pcb；模拟乘法器；幅度调制；电路仿真AbstractProtel is commonly used in the electronics industry today,the EDA tool,to complete the principle of mapping and simulation,as well as the production of PCB board,easy to operate and powerful.The design is based in protel DXP platform,comprehensive use of their schematic(SCH)drawn schematic(SCH)simulation,as well as printing plates(PCB)production function,the basic display of the basic functions of the protel.The design of the analog multiplier principle of a simple description of the schematic drawing,schematic diagram of the simulation and ultimately the production of PCB.Keywords:Protel;EDA;PCB;Analog Multiplier;Amplitude Modulation;Simulation武汉理工大学protel课程设计说明书引言Protel是一款使用方便，操作简单，功能强大的EDA工具，作为一名要和电 子打交道的大学生，掌握这个软件是很有必要的。Protel能够完成从电路原理图 的绘制，仿真到PCB板制作的一系列工作，能够大大简化电路的设计，其较新的 版本Protel DXP能够很好的支持FPGA的相关设计，并且在PCB板的制作方面功 能优于 Protel 99seo在原理图的设计方面，Protel DXP提供了丰富的元件库资源，并且大部分元 件都自带封装,而不需要像Protel 99se中需要自己定义元件的封装,在仿真方面，Protel DXP也提供了各种常见仿真种类的支持，在PCB设计方面，Protel DXP的 自动布局和自动布线功能远远强于99se,其自动布线器支持自定义布线规则，因而可以大大简化布线的工作量。因而熟练掌握Protel DXP的使用是十分必要的。这也是本次课程设计的目的之一。武汉理工大学protel课程设计说明书模拟乘法器调幅电路1.基本原理L1振幅调制的基本原理振幅调制就是使载波信号的振幅随调制信号的变化规律而变化的技术。通常 载波信号为高频信号，调制信号为低频信号。设载波信号的表达式为，调制信号 为，则调幅信号的表达式为：(1)(2)式中，m为调幅系数，；为载波信号；为上边带信号；为下边带信号。1.2双平衡四象限乘法器电路的基本原理双平衡四象限乘法器电路的原理图如图二所示，该电路有两个并联工作的射 极耦合差分式电路Q1Q4以及Q5和Q6构成的压控电流源电路组成。下面通过 计算简单说明其原理。图一双平衡式四象限乘法器原理图由图一可知，若IeS1=【ES2=IeS,并利用的关系，则有武汉理工大学protel课程设计说明书由于(4)(5)由式(3)(4)可得(6)因此有 同理有(8)(9)因而在图中假定的正向的条件下，输出电压为(10)(11)(12)根据|X|1时，thX=X,当，时，上式可简化为(13)(14)由式(14)可知，当输入信号较小时，可得到理想的相乘作用。Vx或Vy均可取正 或负极性，故图一所示电路具有四象限乘法功能，但是，当输入信号较大时，会 带来严重的非线性影响。1.3模拟乘法器调幅电路的基本原理本设计采用双平衡四象限模拟乘法器电路进行振幅调制，电路参考了集成模 拟芯片MC1496的内部电路(图二)，其原理简单说明如下：Qi,Q2,Q3,Q4组成 双差分放大器集电极电阻由外接电阻于106与1012提供。Q5,Q6组成的单差分放 大电路用于激励QlQ4。Q7,Q8及其偏置电路构成恒流源电路。与IO10接输 入电压Vx，101与104接另一输入电压Vy,输出电压V。从1。6和1012输出。1。2 与1。3外接电阻Re，对差分放大器Q5,Q6产生电流负反馈，可调节乘法器的信 号增益，扩展输入电压Vy的线性动态范围。1014为负电源端(双电源供电)或 接地端(单电源供电)，1。5外接电阻R5用来调节偏置电流15及镜像电流I。的 值。武汉理工大学protel课程设计说明书图二mcl496原理图1.3.1 静态工作点设置静态偏置电压的设置以保证各个晶体管工作在放大状态，即晶体管的集 基极间的电压成大于或等于2V,小于或等于最大允许工作电压。根据特性参数，取用时静态偏置电压(输入电压为零时)取满足下列关系：(15)(16)一般情况下，晶体管的基极电流很小。对于图二，三对差分放大器的基极 电流18,110和14可以忽略不计，因此器件的静态偏置电流主要由恒流源10的值 确定。当单电源供电时，弓I脚1014接地，1。5通过一电阻接的正电源(典型值为+12V),由于Io是15的镜像电流，所以改变电阻R5可以调节I。的大小，即(当器件为双电源工作时，1014接负电源(一般接-8V),1。5通过电阻R5接 地，因此，改变R5也可以调节Io的大小，即(18)依据MC1496的性能参数，器件的静态电流小于4mA,一般取Io=l5=lmA左右。武汉理工大学protel课程设计说明书1.3.2 基本工作原理设输入信号，则乘法器的输出Uo与反馈电阻Re及输入信号网,内的幅值 有关。1)不接负反馈电阻(102与1。3端接)Ux和Uy皆为小信号(26mV)时，由于三对差分放大器(QlQ6)均工作在 线性放大状态，则输出电压U。可近似表示为(19)式中，一一乘法器的乘积系数，与器件外接元件参数有关，即式中，温度的电压当量，当T=300K时，输出负载电阻。式(19)表明，输入均为小信号时，MC1496可近似为一理想乘法器。输出信号 Uo中只包含两个输入信号的和频与差频分量。(2)Uy为小信号，Ux为大信号(大于100mV)时，由于双差分放大器(QlQQ 处于开关工作状态，其电流波形将是对称的方波，乘法器的输出电压U。可 近似表示为(20)输出信号Uo中包含等频率分量。2)接入负反馈电阻由于Re的接入，扩展了 Uy的线性动态范围，所以器件的工作状态主要由Ux 决定，分析表明：(1)当取为小信号(100mV)时，输出电压U。可近似表示为(22)上式表明，&为大信号时，输出电压U。与输入信号Ux无关。武汉理工大学protel课程设计说明书1.4设计原理图说明本设计采用图三的原理图，载波信号Um经高频耦合电容C2从IOK）输入,C1为高频旁路电容,使108接地。调制信号Us经低频耦合电容C3从IO1输入,C5为低频旁路电容，使104接地。调幅信号U。从1012与1。6后经一电压跟随 器变为单端信号后输出。器件采用双电源供电方式，所以105的偏置电阻R5 接地，由式（18）可计算R13的值。1。2与1。3之间接入负反馈电阻R14，以 扩展调制信号的线性动态范围，R14增大，线性范围增大，但乘法器的增益随 之减小。R11，R12与电位器R16组成平衡调节电路，改变R16可以使乘法器实 现抑制载波的振幅调制或有载波的振幅调制。图三设计原理图2.Protel原理图的绘制Protel的原理图绘制是十分方便的，首先要新建一个工程，将所需的文 件都保存在工程里，工程是在绘制完原理图后进行仿真以及pcb板制作的基 础，否则会产生仿真错误以及无法由原理图将原件导入pcb中，新建工程的 类型选择为PCB projectoProtel DXP自带了丰富的元件库，可以很方便的绘制原理图，并且还提 供了一些专门用于仿真的元件库，包括一些常用的元器件的仿真模型以及一 武汉理工大学protel课程设计说明书些常用的信号源（包括正弦，方波，指数，受控源）和一些常用的数学运算 电路，可以很方便的用于仿真。具体绘制步骤：1）打开 protel DXP 然后依次选 FileNew-ProjectPCB Project,然后将 工程保存。2）新建原理图，在菜单中选FileNewSchematic,新建一张原理图，保存后就可以开始绘制原理图了。3）绘制原理图，首先要添加所需的元件库，具体做法是，打开右侧浮动面 板中的Library,然后单击libraries,在弹出对话框中单击installs选择相 成的元件库即可完成安装。本次设计涉及到的元件种类较少，又要进行仿 真，因而安装了与仿真有关的几个元件库。图四添加删除元件库对话框4）在绘制原理图时元件的标号默认是加“？”的，绘制过程中需要修改，可以采用放置历史元件的方法对元件自动编号。将Designator后修改为所需 的起始编号，放元件时会随元件数目增加，标号也会自动增加。武汉理工大学protel课程设计说明书图五放置元件对话框5）为增加原理图的可读性和方便仿真，一般要对关键的节点加网络标号，通过菜单中的PlaceNet Label（也可用工具栏的快捷按钮）进行添加，双击相反的网络标号可对其做必要的修改。本次模拟乘法器调幅电路用到的MCI496集成电路在protel DXP中并没有 提供仿真模型，而MC1496的内部基本原理有较为简单，因而采用了依据其内部 基本原理用分立元件搭建MC1496乘法器的方法设计的该调幅电路。在乘法器的 输出采用了以受控电压源将双端输出信号转变为单端输出，具体电路如图所示：图六设计原理图武汉理工大学protel课程设计说明书3.protel原理图的仿真Protel提供了模拟/数字混合仿真，其仿真引擎使用伯克利分校SPICE3f5/xspice,它可以精确的仿真由各种元器件构成的电路。对于复杂的数 字器件，Protel允许使用一种特殊的描述性语言(Digital SimCode),设计者可通过 它建立相应的数字器件模型，以供Protel仿真使用。它所执行的分析功能有：静态工作点分析(Operating Point):静态工作点分析可用于分析直流稳态电路和交流放大电路的静态工作点。选 择合适的静态工作点是交流放大电路进行正常工作的前提。(2)直流扫描分析(DCS):直流扫描分析是直流转移特性分析，允许设置两个扫描变量，通常第一个扫 描变量(主独立源)所覆盖的区间是内循环，第二个扫描变量(次独立源)扫描区 间为外循环。(3)交流小信号分析(AC Small Signal):交流小信号分析是一种线性领域分析，仿真程序将首先分析计算电路的直流 工作点，以确定电路中非线性元件的线性化模型参数，然后在设计者指定的 频率范围内，对变换后的线性化电路进行频率扫描分析。(4)瞬态分析(Transient Analysis):瞬态分析是一种非线性时域分析方法，它可以在给定激励信号(或无任何激励)的条件下，计算电路的时域响成。它类似于利用示波器观察各节点电压或电 流的波形。瞬态分析时，电路的初始状态允许设计者自行指定。温度扫描分析(Temperature Sweep):温度扫描分析是指在一定温度范围内进行电路参数计算，从而确定温度漂移 等性能指标。它不能单独使用，必须在瞬态分析、直流扫描分析或交流小信 号分析时，才允许使用温度扫描分析。(6)傅立叶分析(Fourier Analysis):傅立叶分析是在大信号正弦瞬态分析时，对输出的最后一个周期波形进行谐 波分析。噪声分析(NOISE)：武汉理工大学protel课程设计说明书噪声分析可通过绘制噪声谱密度图，以确定电阻噪声和半导体噪声对噪声特 性的影响。噪声谱密度按每赫兹噪声强度绘制，系统能够计算下列噪声：输 入噪声、输出噪声和器件噪声。(8)传递函数分析(Transfer Function)：传递函数分析是在直流工作点的基础上，在电路直流偏置附近将电路线性化,从而计算电路的输入阻抗，输出阻抗以及直流增益。(9)蒙特卡罗分析(Monte Carlo)：蒙特卡罗分析是一种统计模拟方式，它是在给定电路元器件参数容差的统计 分布规律的条件下，用一组组伪随机数求得元件参数的随机抽样序列。对这 些随机抽样的电路进行直流、交流小信号、瞬态分析，并通过多次分析的结 果估算出电路性能的统计分布规律以及电路的合格率、成本等等。(10)参数扫描分析(Parameter Sweep):参数扫描分析允许设计者在指定的范围内，以自定义的增幅扫描元件的参数 值，它可以与其它分析方法配合起来使用，对电路所执行的分析进行参数扫 描，对于研究电路参数变化对电路特性的影响提供了很大的方便。本次设计主要对所设计的模拟乘法器调幅电路进行各种仿真，为使仿真能够 顺利进行，需要对原理图进行必要的修改，首先是添加相反的激励源，信号源，并对信号源的仿真参数进行必要的修改。在本次仿真中载波频率设置为lOKHz,调制波频率设置为IKHz,两个信号源的输出分别添加相反的网络标号，同时为 输出添加网络标号，将受控电压源的比例系数改为1,作为电压跟随器使用。3.1 静态工作点分析静态工作点主要是针对mcl496静态工作点进行分析，以验证mcl496是否 处于正常的工作状态，具体做法如下：1)首先将工程进行编译，在菜单中依次选择Project-Compile Document,对原理图进行编译，若出现错误，将错误修正后重新编译，直至无错误 为止。武汉理工大学protel课程设计说明书2）设置仿真，在菜单中依次选Design-SimulateSim,弹出如图六所示的对话框，在右侧的Available Signals列表中将所需要分析的节点网络标 号添加至右侧ActiveSignals列表中然后从中选择Operating Point Analysis（静态工作点分析），设置完成后单击OK进行仿真。Analyses SetupAnalyses/Option5 General Setup Operating Point Analysis T ransient/Fourier Analysis DC Sweep Analysis AC Small Signal Analysis Noise Analysis Pole-Zero Analysis T ransfer Function Analysis Temperature Sweep Parameter Sweep Monte Carlo Analysis Advanced OptionsEnabled回口Collect Data ForNode Voltage.Supply Currenl Device Current and PowerSheets to Netlist Active projectSimView Setup Show active signalsAvailable SignalsNetQ2_1CHO CUPC3p C5i C5p D1id D1P1 E1p NetD1_2 NetE1_1 NetE1_2I Preferences.jActive Signals图六 仿真中设置对话框仿真结果：io1-60.42mVio105.990 Vk)128.178 Vio14-8.000 Vk)2-706.5mVio3-730.8mVio4-85.40mVio5-6.850 Vio68.160 Vio85.990 V图七静态工作点分析仿真结果3.2 瞬态分析瞬态分析主要是对模拟乘法器调幅电路的工作性能进行分析，在仿真设置对 话框中将仿真节点选择为Vs,Vm,Vo,仿真类型中选择Transient/Fourier Analysis,仿真的起始时间，结束时间和时间步长采用默认值即可仿真结果如图：武汉理工大学protel课程设计说明书inimmiliriiNiniiiiiILi ii i I iiiiiiiiHVIIINI踊S跚删毗跚册网跚朋册rm惴册m1jImiijiIIIIIIJIHhllliiiLwmif!imiiiii5iiiTinil|vmW W 州 IP 附 W W j W T P i F b IIIIILIIIUIIIIIUILIIIUIIIIIUIIIIIUIIIJIUIIIJIIjllUmillllLIIIUIIIIIIIIIII1 uimmi in r(if mm limy m Ullll Mill u由1阍山四面和面正旧说血曲1面面近旧同，口输应运百出面曲而回iii川田ii I UI I fl i iij ui in u 111iiihiiihiiiuiijiiilnil mi inli dui ihi iuii in ri iy 11 ui i riIIIIIJILITime(s)图八瞬态仿真结果FFT of Transient Analysis Chart,length=128(Hz)(Hz)图九傅里叶仿真分析结果武汉理工大学protel课程设计说明书3.3 交流小信号分析交流小信号分析主要是对模拟乘法器调幅电路的频率特性进行分析，在仿真 设置对话框中仿真节点设置为Vs,Vm,Vo,仿真类型中选择AC Small Signal Analysis（交流小信号分析），将频率设置为1Hz100MHz,单击OK进行仿真,仿真结果如图：图十交流小信号分析仿真结果4.PCB电路板的制作Protel DXP提供了非常强大的PCB电路板的绘制功能，可以通过原理图直 接经网络报表生成PCB,Protel DXP还提供了非常强大的自动布局与自动布线功 能，并且用户有更多的选择余地，例如，在自动布局中有最短连线，最小板面积 两种布局方式，并且每种方式还有其他的参数选择，在自动布线上，Protel DXP 提供了布线规则的设置，可以设置布线的宽度、方向，布线的优先级，布线速度 与过孔数目之间的衡量等多种选项。虽然通过Protel DXP的自动布局和自动布线功能十分方便，但在自动布局 方面有时人不十分理想，尤其是在涉及高频时,在对元件的摆放有特别的限制是,武汉理工大学protel课程设计说明书自动布局的效果往往不是很理想，因而一般以自动布局为参考，适当的手工更改 某些元件的摆放位置的设计方式。4.1 布局与自动布线由于本次设计所涉及的元件数目较少，因而采用手动布局的方式，手动布局 结果如图十所示。图十一*手动布局结果手动布局结束后，采用自动布线器进行布线，由于电源和地线要承载较大的 电流，因而要对电源和地线进行适当的加粗，在ProtelDXP中可以将电源和地 线归于一个类中，然后在布线规则中对该类的布线宽度进行设置，具体实现方法 如下：1)在左侧面板中选择PCB中的all nets,弹出图H一所示的对话框，在其中新建 一个类，命名为dianyuan将相关的网络(+15V,-15V,+12V,-8V,GND)添加至 dianyuan类中，然后关闭。武汉理工大学protel课程设计说明书图十二新建类对话框2）设置自动布线规则，在菜单中选择Auto Route-All,在弹出对话框中选择Edit Rules,在弹出对话框（图十三）中修改Width的布线规则，将dianyuan类的布线宽度改成20nil即可，最后完成布线。PCB Rules and Constraints Editor毋I眼JB 3Design RulesB.Electrical 日 F Clearance.ClearanceEI#ShorbCircuit.ShortCircuit 日岔 Un-Routed NetW UnRoutedNet W Un-Connected Pin 日 RoutingS Width二 Width0 4 Routing Topology工 Routing!opologyS 点 Routing Priority 白 RoutingPriorityB Routing Layers 二 RoutingLayer，Routing CornersRoutingCorners 日二 R outing Via S tyleWidthGKBCSRHPWhere the First object matchesAllNetQ Net ClassLayerNet and LayerAdvanced(Query)dianyuanQuery HelperFull Query InNet Class(*di a nyuanConstraintsQuery Builder.Preferred Width 20milMin Width 20mrtMax Width 20mil于干Priorities.|Rule Wizard 图十三 布线规则设置对话框武汉理工大学protel课程设计说明书4.2 自动布线结果:图十五自动布线顶层效果图十七自动布线底层效果4.3 设置敷铜敷铜主要是为了提高电路板的抗干扰能力，由于电路板上的电路的工作频率 较高，电磁干扰较强，如果不进行接地线敷铜操作，那么整个电路板的接地面积 过小，将导致整个电路板的地电平不稳定，噪声很大，容易产生干扰信号，从而 导致电路板无法正常工作。在Protel DXP中放置敷铜也非常简单，从菜单中的PlacePolygon Pour在 弹出对话框中进行敷铜设置，将敷铜放在底层，与GND网路相连，去除死铜。武汉理工大学protel课程设计说明书图十八 敷铜设置对话框4.3.1敷铜效果:图十九敷铜效果图武汉理工大学protel课程设计说明书5.总结体会这次课程设计主要是针对于Protel软件进行的，与以往的课程设计有所不 同，此次接到设计题目之后不仅要查相关的电路设计资料，还要学习Protel软件 的操作，设计原理图的设计与仿真以及PCB板的制作，虽然之前也接触过一些 EDA的相关工具，并对Protel 99se有一定的了解，但并不是很深入，通过这次课 设，我对与Protel的较高版本Protel DXP有了一定程度的了解，能够利用该软件 进行一些电路的原理图的设计与仿真并利用它来绘制PCB板，从刚开始对于 Protel DXP几乎一无所知到现在能够利用该软件的基本功能，我在这个过程中收 获很多。当然要想充分利用该软件的各种功能，我还需要不断地学习。关于模拟乘法器，虽然之前在模电书上学过，并对其后用有简单的了解，但 在此次设计中仍然遇到不少的问题，在设计电路上也遇到不少的问题，但通过查 阅各种资源，最终确定了原理图，确定原理图之后，在原理图的绘制上没有遇到 什么问题，但是在仿真时遇到很多问题，其中最显著的便是电源的问题，仿真对 于电源的要求很高，而所选的原理图的电源种类不一，涉及15V,12V,-8V等多 种电源，在刚开始仿真时由于电源参数设置的问题，导致仿真结果始终不对，经 多次尝试，发现并改正错误后最终得到了正确的仿真结果。总之，通过这次课程设计，我学会了 Protel DXP的使用，并用其完成了一个完整的设计，学到好多知识，收获很大。武汉理工大学protel课程设计说明书6.参考文献1.康华光.电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社2.刘 泉.通信电子线路.武汉理工大学出版社3.劳五一劳佳.模拟电子电路分析，设计与仿真.清华大学出版社.许自图.电子电路原理分析与仿真.电子工业出版社5.赵景波王劲松滕敦朋.Protel 2004电路设计从基础到实践武汉理工大学protel课程设计说明书本科生课程设计成绩评定表附件：姓 名性 另U专业、班级课程设计题目：模拟乘法器调幅电路课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字:武汉理工大学protel课程设计说明书年 月 日