方波發(fā)生電路ProteusCadence課設(shè)講解

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)教師： 工作單位：信息工程學(xué)院題目：方波發(fā)生電路初始條件：計(jì)算機(jī)、Proteus軟件、Cadence軟件要求完成的主要任務(wù):(包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫 等具體要求)1、課程設(shè)計(jì)工作量：1.5周2、技術(shù)要求：(1)學(xué)習(xí)Proteus軟件和Cadence軟件。(2)設(shè)計(jì)一個(gè)方波發(fā)生電路。(3)利用Cadence軟件對(duì)該電路設(shè)計(jì)原理圖并進(jìn)行 PCB制版，用Proteus軟件對(duì) 該電路進(jìn)行仿真。3、查閱至少5篇參考文獻(xiàn)。按武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)工作規(guī)范要求撰寫設(shè)計(jì) 報(bào)告書。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。時(shí)間安排：2015.1.12做課

2、設(shè)具體實(shí)施安排和課設(shè)報(bào)告格式要求說明。2015.1.12- 1.15學(xué)習(xí)Proteus軟件和Cadence軟件，查閱相關(guān)資料，復(fù)習(xí)所設(shè)計(jì)內(nèi) 容的基本理論知識(shí)。2015.1.16- 1.20對(duì)方波發(fā)生電路進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真工作，完成課設(shè)報(bào)告的撰寫。2015.1.21- 交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行答辯。指導(dǎo)教師簽名：年月日系主任(或責(zé)任教師)簽名：年月日目錄摘要.AbstractII.1緒論12方案論證23利用Proteus軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)及仿真 54利用Cadence軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)及 PCB繪制84.1 電路原理圖設(shè)計(jì)84.2 PCB 設(shè)計(jì)95心得體會(huì)13參考文獻(xiàn)14武漢理工大學(xué)Proteus及Caden

3、ce實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計(jì)說明書摘要方波是一種非正弦曲線的波形，方波的頻率成分非常豐富，含有大量的諧波，有頻 率、周期、幅度、占空比等技術(shù)指標(biāo)，能夠產(chǎn)生方波的電路結(jié)構(gòu)稱為方波發(fā)生器，方波 發(fā)生器常稱為多諧振蕩器。本文首先分析了常見方波發(fā)生電路的原理以及優(yōu)缺點(diǎn)，緊接 著選擇了一種適用于設(shè)計(jì)任務(wù)的方案，然后利用Proteus軟件進(jìn)行電路原理圖的繪制以及仿真分析，最后利用 Cadence軟件進(jìn)行了電路原理圖設(shè)計(jì)和 PCB設(shè)計(jì)，完成本次方 波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)任務(wù)。關(guān)鍵字：方波；Proteus； Cadence頻率2AbstractSquare wave is a kind of non sinusoidal wa

4、ve, square wave frequency components are abundant, contains a lot of harmonic, frequency, cycle, amplitude, duty cycle and other technical indicators, can produce square wave circuit structure called a square wave generator, square wave generator is often referred to as a multivibrator. At first, th

5、is paper analyzes the common principle of square wave generator circuit as well as the advantages and disadvantages, followed by the selection of a suitable for design scheme, then using Proteus software of circuit principle diagram and simulation analysis, finally using Cadence software to design t

6、he circuit principle diagram and PCB design, completed the design task of the square wave generator.Key words: square wave;Proteus;Cadence;frequency武漢理工大學(xué)Proteus及Cadence實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計(jì)說明書1緒論方波是一種非正弦曲線的波形，方波發(fā)生器的應(yīng)用非常廣泛，廣泛應(yīng)用于各種電子 電路、信號(hào)處理和控制系統(tǒng)中，特別是數(shù)字電路，幾乎離不開方波。矩形脈沖信號(hào)是數(shù) 字邏輯電路的工作信號(hào)，所有的數(shù)字形式都是靠矩形脈沖信號(hào)進(jìn)行傳送的，同時(shí)在數(shù)字 電路中常

7、用矩形脈沖信號(hào)時(shí)間周期作為定時(shí)脈沖和計(jì)時(shí)脈沖信號(hào)。Proteus軟件是英國(guó)Lab Center Electronics 公司出版的EDA工具軟件。它不僅具 有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真 單片機(jī)及外圍器件的工具。從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一 鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路 仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33 、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等， 2

8、010年又增加了 Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編 譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。還可以直接在基于原理圖的虛 擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛 擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境。用戶甚至可以實(shí) 時(shí)采用諸如RAM, ROM,鍵盤，馬達(dá)，LED, LCD, AD/DA ,部分SPI器件，部分IIC 器件。Cadence Design Systems是一個(gè)專門從事電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的軟件公司，由 SDA Systems和ECAD兩家公司于1988年兼并而成

9、。是全球最大的電子設(shè)計(jì)技術(shù) (Electronic Design Technologies)程序方案服務(wù)和設(shè)計(jì)服務(wù)供應(yīng)商。其解決方案旨在提 升和監(jiān)控半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)工程和電信設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品以及其它各類型電 子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。Cadence Allegro系統(tǒng)互連平臺(tái)能夠跨集成電路、封裝和PCB協(xié)同設(shè)計(jì)高性能互連。應(yīng)用平臺(tái)的協(xié)同設(shè)計(jì)方法，工程師可以迅速優(yōu)化I/O緩沖器之間和跨集成電路、封裝和PCB的系統(tǒng)互聯(lián)。該方法能避免硬件返工并降低硬件成本和縮短設(shè)計(jì)周 期。約束驅(qū)動(dòng)的Allegro流程包括高級(jí)功能用于設(shè)計(jì)捕捉、信號(hào)完整性和物理實(shí)現(xiàn)。由 于它還得到Cadence Encounter與Vi

10、rtuoso平臺(tái)的支持，Allegro協(xié)同設(shè)計(jì)方法使得高效 的設(shè)計(jì)鏈協(xié)同成為現(xiàn)實(shí)。2方案論證方案一：利用施密特觸發(fā)器，再加上少量的電阻、電容元件，如圖 2.1所示，即遲 滯比較器構(gòu)成的方波發(fā)生器。圖2.1遲滯比較器構(gòu)成的方波發(fā)生器該發(fā)生器具有正反饋和負(fù)反饋，其中電路的正反饋系數(shù)為R2F : 1Ri R2在接通電源的瞬間，輸出電壓究竟是正向飽和還是負(fù)向飽和，這是隨機(jī)的。它是通 過電阻和電容充放電進(jìn)而引起輸出電壓翻轉(zhuǎn)的，假設(shè)初始輸出電壓為負(fù)向飽和，而加于 反向端的電壓由于電容器上的電壓不能突變， 只能由輸出電壓通過負(fù)反饋電阻向電容充 電來建立，當(dāng)Vn愈來愈負(fù)，低于Vp時(shí)，則輸出電壓立即從負(fù)飽和值迅

11、速翻轉(zhuǎn)到正飽 和值，輸出電壓從正的飽和值翻轉(zhuǎn)到負(fù)飽和值同理可得，只不過是Vn愈來愈正，高于Vp時(shí)可以實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，如此不斷循環(huán)下去，則可以形成方波輸出。根據(jù)一階RC電路的三要素法，輸出高電平的時(shí)間問隔八 1 FTi 二 RCln 一1 一 F同理，輸出低電平的時(shí)間間隔等于輸出高電平的時(shí)間問隔。則方波的周期為T T2 =2RCln1 F方案二：利用DDS技術(shù)進(jìn)行方波發(fā)生器的設(shè)計(jì)，芯片選用AD9850。AD9850是AD公司生產(chǎn)的最高時(shí)鐘為125 MHz、采用先進(jìn)的CMOS技術(shù)的直接頻率合成器，主要 由可編程DDS系統(tǒng)、高性能數(shù)模變換器（DAC）和高速比較器3部分構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)全 數(shù)字編程控制的頻率合成

12、。AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，可實(shí)現(xiàn)全數(shù) 字編程控制的頻率合成?？删幊?DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，由一個(gè)加法器和一個(gè) N位相位寄存器組成，N 一般為2432。每來一個(gè)外部參考時(shí)鐘，相位寄存器便以步 長(zhǎng)M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦 查詢表包含一個(gè)正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中0360范圍 的一個(gè)相位點(diǎn)。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)DAC輸出模擬量，再通過內(nèi)部高速比較器便可形成方波發(fā)生器。方案三：利用555定時(shí)器構(gòu)成方波發(fā)生器。555定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要 外接幾個(gè)電阻、電容，就

13、可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn) 生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測(cè)量及自動(dòng)控 制等方面。555定時(shí)器的內(nèi)部電路框圖如圖2.2所示。 L 4j圖2.2 555定時(shí)器內(nèi)部電路框圖利用555定時(shí)器構(gòu)成的方波發(fā)生器如圖 2.3所示。從電路的連接來講，也是將 555定時(shí)器接成施密特觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)，即將 2、6端并聯(lián)，再與RC構(gòu)成的充放電電路的申15聯(lián)點(diǎn)連接，將7端接到接到放電點(diǎn)。QDCTHTR362DIU1555RVRes Tap圖2.3 555定時(shí)器構(gòu)成的方波發(fā)生器當(dāng)電路與電源接通瞬間,6端輸入電壓為零，即出現(xiàn)況，輸出信號(hào)為高電平，使C兩端沒有存儲(chǔ)

14、電荷，兩端的電壓為零，555定時(shí)器的2, 6端輸入電壓小于2/3VCC, 2端的輸入電壓小于1/3VCC的情 555定時(shí)器內(nèi)部晶體管截止，電源 Vcc經(jīng)R1、Rv和D2對(duì)C充電，這種情況一直維持到 C的兩端電壓超過2/3Vcc。當(dāng)C兩端的電壓超過2/3Vcc 時(shí)，出現(xiàn)6端輸入電壓大于2/3Vcc, 2端的輸入電壓大于1/3Vcc的情況，輸出信號(hào)為低電平，使晶體管導(dǎo)通，電容 C放電，這種情況一直維持到 C的兩端電壓低于1/3Vcc。此后又重新回到上述的充電過程，如此周而復(fù)始，形成振蕩，產(chǎn)生方波脈沖。方案一是遲滯比較器構(gòu)成的方波發(fā)生器，方案簡(jiǎn)單，但振蕩頻率不夠穩(wěn)定，沒有隔離電路，帶載能力較差，而且

15、不易控制占空比等參量；方案二是選用AD9850芯片，利用DDS技術(shù)輸出方波，這種方案做出的方波頻率穩(wěn)定性好，頻率范圍較寬，而且更容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，但是此方案難度相又t較高，而且本次課程設(shè)計(jì)是利用Proteus軟件進(jìn)行仿真的，但是Proteus元件庫(kù)里面沒有AD9850芯片；方案三利用555定時(shí)器實(shí)現(xiàn)方波電路，原理簡(jiǎn)單，振蕩頻率相對(duì)穩(wěn)定，在Proteus元件庫(kù)里面有對(duì)應(yīng)元器件，完全滿足本次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)要求，故選用方案三作為方波發(fā)生電路的實(shí)現(xiàn)方案。3利用Proteus軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)及仿真啟動(dòng)Proteus軟件，然后進(jìn)行電路圖的繪制，最終繪制出的方波發(fā)生電路如圖3.1所示。+9V85551U1

16、1.1KR1OUT3RV2_150%700k*D11N414OUTRV1， BUF 50% 12k .C21nFD2 1N4148i.ik R2RV3RV2&RV3C4| :100*SW1C310nfbuff聯(lián)電位器700K圖3.1方波發(fā)生電路根據(jù)一階電路的三要素法，充電所用時(shí)間，即脈沖維持時(shí)間：t1=(R + RV2 + RV1_1)Cln2(4)放電所用時(shí)間，即脈沖低電平時(shí)間：t2 =(R2+RV3+RV1_2)Cln2(5)所以，脈沖周期為(6)(7)t =t1t2=(R1R2RV1RV2RV3)Cln 2 =0.7(R1R2RV1RV2RV3)C脈沖頻率為1.43(R1 R2 Rvi

17、RV2 RV3)C其中C根據(jù)SW1的位置可能是 C2、C3和C4;調(diào)節(jié)C2、C3、C4和RV2、RV3可調(diào)節(jié) 頻率，根據(jù)公式(7)和C2、C3、C4、RV1、RV2、RV3的佰易得，當(dāng)C為1nF時(shí)頻率 范圍為1KHZ100KHz，當(dāng)C為10nF時(shí)頻率范圍為100Hz10KHZ ,當(dāng)C為100nF時(shí)頻率范圍為10HZ1KHZ ;利用二極管的單向?qū)щ娦?，調(diào)節(jié) Rwi實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)；其中D3為電源指示燈；C1的作用是避免電路高頻脈沖的影響當(dāng)C為100nF時(shí)，RV2=RV3=700K時(shí)，得到電路的最低頻率，電容端和電路輸出端 的波形圖如圖3.2所示圖3.2電路為最低頻率時(shí)電容端和電路輸出端波形圖當(dāng)C為

18、10nF時(shí)，RV2=RV3=350K時(shí)，得至恥匕電路的中頻頻率，電容端和電路輸出 端的波形圖如圖3.3所示。圖3.3電路為中頻頻率時(shí)電容端和電路輸出端波形圖當(dāng)C為1nF時(shí)，RV2=RV3=0時(shí)，得到電路的最圖頻率，電容端和電路輸出端的波形圖如圖3.4所示。圖3.4電路為最高頻率時(shí)電容端和電路輸出端波形圖當(dāng)C為10nF時(shí)，RV2=RV3=0K時(shí)，調(diào)節(jié)RV1為25%阻值時(shí)來改變方波的占空比, 電容端和電路輸出端的波形圖如圖 3.5所示。Digital Oscillo-scope圖3.5改變占空比后某一頻率下電容端和電路輸出端波形圖由圖3.2可以得出電路輸出端的最低頻率大致為9HZ,由圖3.4可以得

19、出電路輸出端的最高頻率大致為98KHZ,這與由公式（7）得出的結(jié)論是一致的，而且有圖3.5可以得出此方波發(fā)生電路占空比可調(diào)，因此此方波發(fā)生電路是正確的。4利用Cadence軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)及PCB繪制4.1 電路原理圖設(shè)計(jì)啟動(dòng)Cadence 16.6中的OrCAD Capture CIS組件進(jìn)行電路原理圖的繪制，首先創(chuàng)建 元件庫(kù)及元件lmc555,繪制得到的lmc555如圖4.1所示。CV3762Imc555DCTHTR圖4.1利用OrCAD Capture CIS繪制的lmc555元件然后在原理圖頁(yè)面進(jìn)行電路原理圖的繪制， 最終設(shè)計(jì)出的電路原理圖如圖4.2所示。圖4.2方波發(fā)生電路原理圖然后

20、點(diǎn)擊菜單欄Tools-Create Netlist生成網(wǎng)表文件，選才？ PCB Editor的網(wǎng)表，網(wǎng)表文件選擇標(biāo)準(zhǔn)的allegro,如圖4.3所示。f Create Netlist圖4.3生成網(wǎng)表選項(xiàng)卡4.2 PCB設(shè)計(jì)Allegro零件庫(kù)是多個(gè)零件，焊盤和圖形文件的集合，包括零件的封裝、機(jī)械零件、 繪圖格式文件、自定義的焊盤和自定義的圖形文件等。在使用Allegro PCB Edit設(shè)計(jì)PCB 時(shí)，必須首先要?jiǎng)?chuàng)建零件庫(kù)，Allegro自帶了一個(gè)零件庫(kù)，其中定義了一些常用的標(biāo)準(zhǔn) 零件圖形及焊盤定義等。在 Allegro PCB Edit窗口中，零件的每一個(gè)引腳必須有一個(gè)對(duì) 應(yīng)的焊盤名稱，在創(chuàng)

21、建零件封裝時(shí)，要在繪圖文件里添加引腳，必須使用焊盤名稱找到 焊盤，因此創(chuàng)建封裝之前必須定義焊盤。啟動(dòng) Cadence 16.6中的Pad Designe卸件進(jìn)行 焊盤的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出來的焊盤分別命名為 my_smd60_50.pad和my_smd80rec100.pad然 后啟動(dòng)Cadence 16.6中的PCB Edit組件進(jìn)行封裝的設(shè)計(jì)，使用封裝向?qū)нM(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的電容和電阻的0805封裝引用設(shè)計(jì)的my_smd60_50焊盤，如圖4.4所示。圖4.4電容和電阻的0805封裝設(shè)計(jì)出的1N4148二極管的封裝引用了設(shè)計(jì)的 my_smd80rec100焊盤，如圖4.5所示圖4.5 1N41

22、48二極管封裝在進(jìn)行其它的元件封裝均采用元件庫(kù)自帶的封裝，其中包含jumper3, dip6_3和dip8_3 等。然后使用PCB Edit創(chuàng)建電路板，設(shè)置好相應(yīng)的規(guī)則，設(shè)置好允許布線區(qū)域和允許 零件擺放區(qū)域等區(qū)域，然后設(shè)置好各個(gè)層次的顏色，添加安裝孔和光學(xué)定位孔后導(dǎo)入網(wǎng) 表信息，相應(yīng)的設(shè)置如圖4.6所示，然后點(diǎn)擊Import Cadence導(dǎo)入網(wǎng)表。圖4.6導(dǎo)入網(wǎng)表相應(yīng)設(shè)置然后進(jìn)行零件布局，可以選用手工放置零件和使用原理圖交互式擺放零件，最后再進(jìn)行連線，可以選擇手工布線和自動(dòng)布線兩種方式，最終得到的PCB圖分別如圖4.7和圖4.8所示。-S1VL圖4.7使用手工放置零件和自動(dòng)布線方式得到的PCB圖圖4.8使用交互式擺放零件和手工布線得到的PCB圖手工布線時(shí)使用45度拐角可以使制作出的電路板連線部分機(jī)械性能和電氣性能更 加良好。其3D圖像如圖4,9所示，其中使用了 Solid模型進(jìn)行3D圖像的建立。圖4.9方波發(fā)生電路 PCB的3D圖像5心得體會(huì)在本次課程設(shè)計(jì)過程中，我所做的是“方波發(fā)生電路”這一課題，通過認(rèn)真的學(xué)習(xí), 成功地得到了方波發(fā)生電路仿真結(jié)果和 PC