EDA課程設計方波三角波電路設計與仿真.docVIP

課程設計說明書 NO. 14 方波三角波電路設計與仿真1. 課程設計的目的 EDA技術及應用主要是學習Multisim和Protel2004兩個軟件的應用，其目的是：（1）通過解決簡單的實際問題鞏固和加深在EDA技術及應用課程中所學的理論知 識和實驗技能。（2） 訓練學生綜合運用學過的電子設計自動化技術基礎知識，在教師指導下完成查找資料，選擇、論證方案，設計電路，運行仿真，設計印制電路板，分析結果，撰寫報告等工作。（3） 使學生初步掌握利用電子設計自動化工具設計電子電路的一般方法步驟，通過理論聯系實際提高和培養(yǎng)學生分析、解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程的學習、畢業(yè)設計和畢業(yè)后工作打下一定的基礎。2. 設計方案論證 2.1 設計方案的選擇采用傳統(tǒng)的直接頻率合成器。由集成運放構成的方波和三角波發(fā)生器的電路形式很多，但通常由滯回比較器和積分電路構成。按積分電路的不同，又可以分為兩種類型：一類是由普通的RC積分電路組成，另一類是由恒流充放電的積分電路和滯回比較器組成。在這個的課程設計里是利用常用的方波和三角波發(fā)生電路，他是由集成運放組成的積分器和滯回比較器組成的，在滯回由于采用了由集成運算放大器組成的積分器，電容C始終處在恒流充放電的狀態(tài)，使三角波和方波的性能得到很大的改善，不僅能得到線性度較理想的三角波，而且也便于調節(jié)振蕩頻率，所以能很好的顯示出方波和三角波，繼而達到課程設計的最終結果。 2.2方案的框圖 方波三角波結構框圖 如圖1所示：輸出三角波輸出方波積分電路滯回比較器 圖1 方波三角波結構框圖 2.3單元電路設計 2.3.1單元電路結構 矩形波發(fā)生電路如圖2所示： 積分電路如圖3所示： 圖2 矩形波發(fā)生電路 圖3 積分電路 2.3.2元件參數計算過程和公式 Vo1是方波輸出點、Vo2為三角波輸出點方波和三角波的振蕩頻率相同，其值為： 方波的輸出幅度由3穩(wěn)壓管Dz決定，方波經積分后得到三角波，因此三角波輸出幅度為： 其中Uz為穩(wěn)壓管的電壓 在u=-Uz期間，積分電路的輸出電壓uo往正方向線性增長，此時u+也隨著增長， 當增長至u+=u-=0時，滯回比較器的輸出電壓uo1發(fā)生跳變，而發(fā)生跳變時的uo 值即是三角波的最大值Uom。將條件uo1=-Uz，u+=0和uo=Uom代入上式，可得： 可解得輸出幅度為（Uz為穩(wěn)壓管的電壓）將已知代入公式得Uom=6V 2.4方波三角波發(fā)生電路組成 方波三角波發(fā)生電路主要由以下兩部分組成如圖4，圖5所示： 圖4 滯回比較器 圖5 積分電路 2.5選定儀器列表 在方波三角波發(fā)生器中選擇的儀器列表如表1所示： 表1 選定儀器列表結構名稱符號標識個數滯回比較器電阻R1、R2、R33個集成運放A1個穩(wěn)壓管D1、D22個積分電路電阻R4、R52個集成運放B1個電容C1個 2.6繪制原理圖步驟（1）在初始界面上單擊FileNewPCB Project命令創(chuàng)建新的PCB設計項目。執(zhí)行FileNewSchematic命令創(chuàng)建新的原理圖文件并進入原理圖設計環(huán)境。（2）執(zhí)行DesignDocument Options 命令，設置圖紙參數。（3）單擊窗口底部的Libraries 標簽，打開元件庫管理。單擊Install按鈕，打開對 話框，在其中雙擊所需元件庫。（4）單擊Close按鈕關閉該對話框，元件庫安裝到庫管理面板中，準備工作完成。（5）按照設計的電路圖在庫元件列表中選擇所需元件單擊放置按鈕將其放置到合適 的位置。雙擊元件，打開Component Properties對話框，在其中設置元件標號，參 數值等，單擊OK按鈕關閉對話框。（6）按照設計好的原理圖連接好電路圖，原理圖繪制完畢。 2.7用DXP軟件繪制的仿真原理圖方波三角波電路仿真原理圖如下圖6所示： 圖6 方波三角波電路仿真原理圖 2.8仿真類型及參數（1）對于本題目的設計重點是觀測Vo1和Vo2的波形，所以選擇的仿真類型是瞬態(tài)分析。它用于求電路的時域響應；在其中可以設置Start time ,End time,Step time,Max step time等。而且最重要的是它的分析結果是以波形圖的形式顯示，這一點符合本設計要求。（2）針對本設計選擇的參數是： 起始時間為0 終止時間為10ms 步長為20ns 最大步長為200ns 2.9實驗設備及用途（1）集成運放的選擇由于方波的前后沿時間和滯回比較器的轉換速率有關，當方波頻率很高或方波前、后沿要求較高時，應選擇高速集成運算放大器來組成滯回比較器。（2）穩(wěn)壓管的選擇穩(wěn)壓管的作用是限制和確定方波的幅度。此外，方波幅度和寬度的對稱性也與穩(wěn)壓管 的對稱性有關。為了得到穩(wěn)定而且對稱的方波輸出，通常選用高精度雙向穩(wěn)壓管。R3是穩(wěn)壓管的限流電阻，其值根據穩(wěn)壓（3）分壓電阻R1和R2的阻值的確定R1和R2的作用是提供一個隨輸出方波電壓而變化的基準電壓，并由此決定三角波的輸出幅度。所以R1和R2的阻值應根據三角波輸出幅度的要求來確定。而且當要求三角波的幅度可以調節(jié)時，可以選擇用電位器來代替R1、R2。（4）積分元件R和C參數的確定R和C的值應根據方波和三角波發(fā)生器的振蕩頻率來確定。當分壓的電阻R1和R2的阻值確定后，先選擇電容C的值，然后確定R的值。而且為了減小積分漂移，應盡量將電容C的值取大些。但是電容量大的電容漏電也大，所以通常積分電容應不超過1uF。管的穩(wěn)壓電流來確定。 2.10仿真分析步驟（1）進入Protel DXP環(huán)境界面，安裝元件庫，常用元件庫有Miscellaneous Devices.IntLib和Simulation Sources.Intlib。（2）另外還需要安裝FSC Discrete Diode.IntLib,TI Operational Amplifier。 設計仿真原理圖，雙擊仿真元件，設置仿真元件參數。（3）對于普通無源仿真元件如電阻、電容除了設置元件的名稱外，還需要對右側的Parameters for選項組中設置元件的標注。（4）對于電源等需要設置較多參數的仿真元件，需要雙擊對話框右下部的Models for選項組中雙擊Type選項中的Simulation模型，打開仿真模型參數對話框，在 Parameters(參數)選項卡中設置模型參數，并根據需要選擇是否顯示該參數。 （5）設置仿真類型和參數，執(zhí)行Design Simulation MixSim命令，單擊如圖所示工具欄中的設置仿真分析按鈕，打開仿真分析參數設置對話框如圖7所示： 圖7 仿真參數設置對話框（6）在分析選項區(qū)中選擇所需的分析類型瞬態(tài)分析，之后打開參數設置對話框，根據需要設置分析參數 。參數為：起始時間、終止時間、步長時間以及最大步長時間。（7）運行仿真分析，自動進入仿真結果顯示環(huán)境，觀察輸出結果。3. 設計結果與分析 3.1仿真波形 （1）Vo1仿真波形如圖8所示： 圖8 Vo1矩形波仿真輸出波形 （2）Vo2仿真波形如圖9所示： 圖9 Vo2三角波仿真輸出波形 3.2 測量值（1）Vo1頻率及幅值如下圖11所示： （2）Vo2頻率及幅值如下圖12所示： 圖11 矩形波輸出波形頻率及幅值 圖12 三角形波輸出波形頻率及幅值3.3兩個波形進行比較兩個波形進行比較如下圖10所示： 圖10 兩波形進行比較 3.4數據記錄 數據記錄如表5 所示： 表5 數據記錄表觀察點幅值頻率Vo16.32V998HzVo26.76V988Hz 3.5計算與驗證（1）頻率計算 如原理圖可知：方波和三角波的振蕩頻率相同，其值為： 已知：R1=60K R2=60K R3=2K R4=22K R5=22K C=0.01uF Uz=6V 代入公式中得出 f=998Hz.（）（2）幅度計算 由于電路由滯回比較器和積分電路組成，假設t=0時積分電容上的初始電壓為零，而 滯回比較器輸出端為高電平，即uo1=+Uz。根據疊加定理可得 在uo1=-Uz期間，積分電路的輸出電壓uo往正方向線性增長，此時u+也隨著增長，當增長至u+=u-=0時，滯回比較器的輸出電壓uo1發(fā)生跳變，而發(fā)生跳變時的uo值即是三角波的最大值Uom。將條件: uo1=-Uz，u+=0和uo=Uom， 可得 可解得輸出幅度為: uo1=-Uz u+=u-=0 （Uz為穩(wěn)壓管的電壓）將已知代入公式得: Uom=6V （R1=60K R2=60K Uz=6V） 參數符合課設題目要求：即頻率約1000Hz，幅度大于2V。 3.6印制電路板圖 (1)方波三角波的電路PCB圖如圖11所示 ： 圖11 方波三角波的電路PCB圖 （2）印制電路板3D顯示如圖12所示： 圖12 印制電路板3D顯示 （3）布線框架圖顯示如圖13所示： 圖13 布線框架圖顯 3.7誤差分析 仿真軟件的元器件值不可能絕對的精確造成仿真結果會有一定的非可見差。 參數的設置問題以及小數點的取舍都是影響結果的因素。 人眼觀察也是有一定的誤差的。 由于有效值的取值位數不同會造成誤差 。4.設計體會 EDA技術及應用課程設計使我們稍懂的了如何使用DXP這種仿真軟件，深深的體會到仿真軟件的巨大用途。我們可以把學到的理論知識用計算機真實的再現出來。由被動學習變?yōu)橹鲃訉W習，提高了自己的學習熱情。初步掌握利用電子設計自動化工具設計電子電路的一般方法步驟，通過理論聯系實際提高和培養(yǎng)學生分析、解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程的學習、畢業(yè)設計和畢業(yè)后工作打下一定的基礎。通過解決簡單的實際問題鞏固和加深在EDA技術及應用課程中所學的理論知識和實驗技能。 課程設計是學科專業(yè)知識的補充與延伸，培養(yǎng)了我們的學習興趣和電子制圖的工程意識，尤其在印制電路板方面，我們必須要考慮如何節(jié)省材料，如果以最小的成本投資來獲得更大的利益而絕對不失其功能。 通過此次的課程設計，讓我學習了許多課外知識，豐富課上學習的理論知識，把理論和實際有效的聯系起來，鍛煉我們獨自思考和處理問題的思維，使我們初步掌握計算機電子線路制圖的一般方法步驟。在實踐中體會理論知識的具體運用，讓我們受益匪淺。為以后的各方面的實際任務提供了寶貴的設計經驗。這次的課程設