EDA課程設(shè)計(jì)方波三角波電路設(shè)計(jì)與仿真

1、 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 no. 14 方波三角波電路設(shè)計(jì)與仿真1. 課程設(shè)計(jì)的目的 eda技術(shù)及應(yīng)用主要是學(xué)習(xí)multisim和protel2004兩個(gè)軟件的應(yīng)用，其目的是：（1）通過(guò)解決簡(jiǎn)單的實(shí)際問(wèn)題鞏固和加深在eda技術(shù)及應(yīng)用課程中所學(xué)的理論知 識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能。（2） 訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用學(xué)過(guò)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，在教師指導(dǎo)下完成查找資料，選擇、論證方案，設(shè)計(jì)電路，運(yùn)行仿真，設(shè)計(jì)印制電路板，分析結(jié)果，撰寫報(bào)告等工作。（3） 使學(xué)生初步掌握利用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具設(shè)計(jì)電子電路的一般方法步驟，通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際提高和培養(yǎng)學(xué)生分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)后工作打下

2、一定的基礎(chǔ)。2. 設(shè)計(jì)方案論證 2.1 設(shè)計(jì)方案的選擇采用傳統(tǒng)的直接頻率合成器。由集成運(yùn)放構(gòu)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(gòu)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(gè)的課程設(shè)計(jì)里是利用常用的方波和三角波發(fā)生電路，他是由集成運(yùn)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(yùn)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(diào)節(jié)振蕩頻率，所以能很好的顯示出方波和三角波，繼而達(dá)到課程設(shè)計(jì)的

3、最終結(jié)果。 2.2方案的框圖 方波三角波結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)框圖 2.3單元電路設(shè)計(jì) 2.3.1單元電路結(jié)構(gòu) 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(shù)計(jì)算過(guò)程和公式 vo1是方波輸出點(diǎn)、vo2為三角波輸出點(diǎn)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(jīng)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(zhǎng)，此時(shí)u+也隨著增長(zhǎng)， 當(dāng)增長(zhǎng)至u+=u-=0時(shí)，滯回比較器的輸出電

4、壓uo1發(fā)生跳變，而發(fā)生跳變時(shí)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(jié)構(gòu)名稱符號(hào)標(biāo)識(shí)個(gè)數(shù)滯回比較器電阻r1、r2、r33個(gè)集成運(yùn)放a1個(gè)穩(wěn)壓管d1、d22個(gè)積分電路電阻r4、r52個(gè)集成運(yùn)放b1個(gè)電容c1個(gè) 2.6繪制原理圖步驟（1）在初始界面上單擊filenew

5、pcb project命令創(chuàng)建新的pcb設(shè)計(jì)項(xiàng)目。執(zhí)行filenewschematic命令創(chuàng)建新的原理圖文件并進(jìn)入原理圖設(shè)計(jì)環(huán)境。（2）執(zhí)行designdocument options 命令，設(shè)置圖紙參數(shù)。（3）單擊窗口底部的libraries 標(biāo)簽，打開元件庫(kù)管理。單擊install按鈕，打開對(duì) 話框，在其中雙擊所需元件庫(kù)。（4）單擊close按鈕關(guān)閉該對(duì)話框，元件庫(kù)安裝到庫(kù)管理面板中，準(zhǔn)備工作完成。（5）按照設(shè)計(jì)的電路圖在庫(kù)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(duì)話框，在其中設(shè)置元件標(biāo)號(hào)，參 數(shù)值等，單擊ok按鈕關(guān)閉

6、對(duì)話框。（6）按照設(shè)計(jì)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(shù)（1）對(duì)于本題目的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是觀測(cè)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(shí)域響應(yīng)；在其中可以設(shè)置start time ,end time,step time,max step time等。而且最重要的是它的分析結(jié)果是以波形圖的形式顯示，這一點(diǎn)符合本設(shè)計(jì)要求。（2）針對(duì)本設(shè)計(jì)選擇的參數(shù)是： 起始時(shí)間為0 終止時(shí)間為10ms 步長(zhǎng)為20ns 最大步長(zhǎng)為200ns 2.9實(shí)驗(yàn)設(shè)備及用途（

7、1）集成運(yùn)放的選擇由于方波的前后沿時(shí)間和滯回比較器的轉(zhuǎn)換速率有關(guān)，當(dāng)方波頻率很高或方波前、后沿要求較高時(shí)，應(yīng)選擇高速集成運(yùn)算放大器來(lái)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(duì)稱性也與穩(wěn)壓管 的對(duì)稱性有關(guān)。為了得到穩(wěn)定而且對(duì)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(jù)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(gè)隨輸出方波電壓而變化的基準(zhǔn)電壓，并由此決定三角波的輸出幅度。所以r1和r2的阻值應(yīng)根據(jù)三角波輸出幅度的要求來(lái)確定。而且當(dāng)要求三角波的幅度可以調(diào)節(jié)時(shí)，可以選擇用電位器來(lái)代替r1、r2。（4）

8、積分元件r和c參數(shù)的確定r和c的值應(yīng)根據(jù)方波和三角波發(fā)生器的振蕩頻率來(lái)確定。當(dāng)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(yīng)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(yīng)不超過(guò)1uf。管的穩(wěn)壓電流來(lái)確定。 2.10仿真分析步驟（1）進(jìn)入protel dxp環(huán)境界面，安裝元件庫(kù)，常用元件庫(kù)有miscellaneous devices.intlib和simulation sources.intlib。（2）另外還需要安裝fsc discrete diode.intlib,ti operational amplifier。 設(shè)計(jì)仿

9、真原理圖，雙擊仿真元件，設(shè)置仿真元件參數(shù)。（3）對(duì)于普通無(wú)源仿真元件如電阻、電容除了設(shè)置元件的名稱外，還需要對(duì)右側(cè)的parameters for選項(xiàng)組中設(shè)置元件的標(biāo)注。（4）對(duì)于電源等需要設(shè)置較多參數(shù)的仿真元件，需要雙擊對(duì)話框右下部的models for選項(xiàng)組中雙擊type選項(xiàng)中的simulation模型，打開仿真模型參數(shù)對(duì)話框，在 parameters(參數(shù))選項(xiàng)卡中設(shè)置模型參數(shù)，并根據(jù)需要選擇是否顯示該參數(shù)。 （5）設(shè)置仿真類型和參數(shù)，執(zhí)行design simulation mixsim命令，單擊如圖所示工具欄中的設(shè)置仿真分析按鈕，打開仿真分析參數(shù)設(shè)置對(duì)話框如圖7所示： 圖7 仿真參數(shù)設(shè)置

10、對(duì)話框（6）在分析選項(xiàng)區(qū)中選擇所需的分析類型瞬態(tài)分析，之后打開參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，根據(jù)需要設(shè)置分析參數(shù) 。參數(shù)為：起始時(shí)間、終止時(shí)間、步長(zhǎng)時(shí)間以及最大步長(zhǎng)時(shí)間。（7）運(yùn)行仿真分析，自動(dòng)進(jìn)入仿真結(jié)果顯示環(huán)境，觀察輸出結(jié)果。3. 設(shè)計(jì)結(jié)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(cè)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(gè)波形進(jìn)行比較兩個(gè)波形進(jìn)行比較如下圖10所示

11、： 圖10 兩波形進(jìn)行比較 3.4數(shù)據(jù)記錄 數(shù)據(jù)記錄如表5 所示： 表5 數(shù)據(jù)記錄表觀察點(diǎn)幅值頻率vo16.32v998hzvo26.76v988hz 3.5計(jì)算與驗(yàn)證（1）頻率計(jì)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(jì)算 由于電路由滯回比較器和積分電路組成，假設(shè)t=0時(shí)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(jù)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(zhǎng)，此時(shí)u

12、+也隨著增長(zhǎng)，當(dāng)增長(zhǎng)至u+=u-=0時(shí)，滯回比較器的輸出電壓uo1發(fā)生跳變，而發(fā)生跳變時(shí)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(shù)符合課設(shè)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、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(duì)的精確造成仿真結(jié)果會(huì)有一定的非可見(jiàn)差。 參數(shù)的設(shè)置問(wèn)題以及小數(shù)點(diǎn)的取舍都是影響結(jié)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(shù)不同會(huì)造成誤差 。4.設(shè)計(jì)體會(huì) eda技術(shù)及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)使我們稍懂的了如何使用dxp這種仿真軟件，深深的體會(huì)到仿真軟件的巨大用途。我們可以把學(xué)到的理論知識(shí)用計(jì)算機(jī)真實(shí)的再現(xiàn)出來(lái)。由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，提高了自己的學(xué)習(xí)熱情。初步掌握利用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具設(shè)計(jì)電子電路的一般方法步驟，通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際提高和培養(yǎng)學(xué)生分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)后工作打下一定的基礎(chǔ)。通過(guò)解決簡(jiǎn)單的實(shí)際問(wèn)題鞏固和加深在eda技術(shù)及應(yīng)用課程中所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能。 課程設(shè)計(jì)是學(xué)科專業(yè)知識(shí)的補(bǔ)充與延伸，培養(yǎng)了我們的學(xué)習(xí)興趣和電子制圖的工程意識(shí)，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(lái)獲得更大的利益而絕對(duì)不失其功能。 通過(guò)此次的課程設(shè)計(jì)，讓我學(xué)習(xí)了許多課外知識(shí)，豐富課上學(xué)習(xí)的理論知識(shí)，把理論和實(shí)際有效的聯(lián)系起來(lái)，鍛煉我們獨(dú)自思考和處理問(wèn)題的思維，使我們初步掌握計(jì)算機(jī)電子線路制圖的一般方法步驟。在實(shí)踐中體會(huì)理論知識(shí)的具體運(yùn)用，讓我們受益匪淺。為以后的各方面的實(shí)際任務(wù)提供了寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。這次的課程設(shè)