電路CAD課程設(shè)計(jì)

太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院課程設(shè)計(jì)太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院電路CAD課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)名稱專業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)姓名指導(dǎo)教師題目波形發(fā)生器摘要各種大規(guī)模、高密度新型電子元器件的不斷涌現(xiàn)，所以電子電路的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜、越來(lái)越精密?；谶@種迫切需求，電路CAD設(shè)計(jì)技術(shù)也充分利用了計(jì)算機(jī)革命所帶來(lái)的成果，使得設(shè)計(jì)手段發(fā)生了翻天覆地的變化，其中的Protel99電子設(shè)計(jì)軟件就是一款功能強(qiáng)大、界面友好、操作簡(jiǎn)便實(shí)用的快速、高效的電路CAD設(shè)計(jì)軟件。電路CAD課程設(shè)計(jì)我選擇了波形發(fā)生器為課題，波形發(fā)生器是指經(jīng)過(guò)電子器件處理，以交流電為能源，能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓信號(hào)的儀器。眾所周知我國(guó)民用電為220V/50HZ的正弦波交流電，如何用它獲得課程設(shè)計(jì)所要求的固定幅值，固定頻率的矩形波，三角波，便是這次課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容。由模電知識(shí)知道應(yīng)用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的滯回比較器加上穩(wěn)壓二極管，我們可以很容易的獲得一個(gè)矩形波，再通過(guò)運(yùn)放組成的積分電路，矩形積分就是三角形，我們也可以獲得三角波，而參數(shù)依靠著元器件的參數(shù)來(lái)改變。而運(yùn)放需要直流供電，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)能提供穩(wěn)定的直流電的工具--即串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電源，由交流電經(jīng)變壓整流濾波穩(wěn)壓,便可得到穩(wěn)定的直流電源，最后組裝，變得到波形發(fā)行期。AbstractAllkindsoflarge-scale,highdensityofnewelectroniccomponentscontinuetoemerge,sotheelectroniccircuitdesignbecomesmoreandmorecomplex,moreandmoreprecision.Basedontheurgentdemand,circuitCADdesigntechnologyalsomakesfulluseofthecomputerrevolutionbroughtaboutbytheresults,thedesignmeanshappeningchangeswhichturntheworldupsidedown,theProtel99electronicdesignsoftwareisapowerfulfunction,friendlyinterface,convenientoperationandpracticalfast,efficientcircuitdesignsoftwareCAD.CircuitofCADcurriculumdesignIchoosewaveformgeneratorforthesubject,thewaveformgeneratorisaelectronicdeviceprocessing,withalternatingcurrentasenergy,canautomaticallygeneratesinewave,trianglewave,squarewaveandsawtoothwave,ladderwavevoltagesignalapparatus.Aseveryoneknowsourcountrycivilpower220V/50HZsinewavealternatingcurrent,andhowtouseitforcurriculumdesignrequirementsofthefixedamplitude,fixedfrequencysquarewave,trianglewave,isthecontentofthecurriculumdesign.Theelectricmodeofknowledgeapplicationofintegratedoperationalamplifierhysteresiscomparatorcoupledwithazenerdiode,wecaneasilyobtainarectangularwave,andthenthroughtheoperationalamplifierconsistingofintegralcircuit,rectangularintegralisthetriangle,wecanalsogetatrianglewave,whiletheparametersdependonthecomponentsoftheparameterstochange.WhiletheoperationalneedsofDCpowersupply,soneedtodesignacanprovidestableDCelectrictools-SeriesDCpowersupply,bytheACrectifyingfilteringvoltagestabilizingWecangetstableDCpowersupply,finalassembly,becomingtothewaveformissue.目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求………….5二、方案設(shè)計(jì)與論證………….51．方案一………………………52.方案二………………………6三、單元電路設(shè)計(jì)…………….61.矩形波發(fā)生器電路設(shè)………62.三角形波發(fā)生器電路設(shè)計(jì)…………………83.電源電路設(shè)計(jì)………………8四、單元電路計(jì)算…………….9五、總原理圖及元器件清單………111．總原理圖……………………112.元器件清單…………………14六、設(shè)計(jì)結(jié)論與心得………………15七、參考文獻(xiàn)………………………15一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.設(shè)計(jì)要求：使用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)一個(gè)波形發(fā)生器，產(chǎn)生一個(gè)頻率為fo=5kHz的方波，其電壓幅度為+Vs=|－Vs|=14V。同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)頻率為fo=5kHz的三角波，其幅度為+Vt=|－Vt|=5V。波形發(fā)生器方框圖見(jiàn)圖（圖1）。方波發(fā)生器電路方波發(fā)生器電路三角波發(fā)生器電路電源電路圖1波形發(fā)生器方框圖2.設(shè)計(jì)任務(wù)：（1）方波發(fā)生器設(shè)計(jì)；（2）三角波發(fā)生器設(shè)計(jì)；（3）電源電路設(shè)計(jì)。二、方案設(shè)計(jì)與論證波形發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電壓或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的波形發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件（如視頻信號(hào)函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管），也可以采用集成電路（如單片函數(shù)發(fā)生器模塊5G8038）。為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及實(shí)驗(yàn)調(diào)試技術(shù)，本課題要求設(shè)計(jì)由集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波-三角波-波形發(fā)生器。本次波形發(fā)生器設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生方波和三角波，矩形波發(fā)生電路是其它非正弦發(fā)生電路的基礎(chǔ)，當(dāng)方波電壓加在積分運(yùn)算電路的輸入端是，輸出就獲得三角波電壓。而矩形波電壓只有兩種狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因?yàn)楫a(chǎn)生振蕩，就要求輸出的兩種狀態(tài)自動(dòng)地相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋；因?yàn)檩敵鰻顟B(tài)應(yīng)按一定的時(shí)間間隔交替變化，即產(chǎn)生周期性變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來(lái)確定每種狀態(tài)維持的時(shí)間。方案一：模擬電路實(shí)現(xiàn)方案系統(tǒng)原理框圖如下示：正弦波發(fā)生器正弦波發(fā)生器過(guò)零比較器積分器正弦波方波三角波圖2模擬電路實(shí)現(xiàn)方案用正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號(hào)，然后用過(guò)零比較器產(chǎn)生方波，再經(jīng)積分電路產(chǎn)生三角波，電路框圖如上示。此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且有良好的正弦波和方波信號(hào)。但經(jīng)過(guò)積分電路產(chǎn)生同步三角波信號(hào)，存在難度。原因是積分器電路的積分時(shí)間常數(shù)是不變的，且隨著方波信號(hào)頻率的改變，積分電路輸出的三角波的幅度同時(shí)改變。若要同時(shí)保持三角波的輸出幅度不變，須同時(shí)改變積分時(shí)間常數(shù)的大小。方案二：運(yùn)放實(shí)現(xiàn)方案系統(tǒng)原理框圖如下示：方波發(fā)生器電路方波發(fā)生器電路三角波發(fā)生器電路電源電路圖3波形發(fā)生器方框圖若用運(yùn)放完成，則選定用比較器，比較器器有好多種，比如單限比較器，滯回比較器，窗口比較器等等。雖然單限比較器很靈敏，但是抗干擾能力差。滯回比較器具有滯回特性，即具有慣性，因而也就是具有一定的抗干擾能力。從而選擇滯回比較器。由于本次波形發(fā)生器設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生方波和三角波，矩形波發(fā)生電路是其它非正弦發(fā)生電路的基礎(chǔ)，當(dāng)方波電壓加在積分運(yùn)算電路的輸入端是，輸出就獲得三角波電壓。而矩形波電壓只有兩種狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因?yàn)楫a(chǎn)生振蕩，就要求輸出的兩種狀態(tài)自動(dòng)地相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋；因?yàn)檩敵鰻顟B(tài)應(yīng)按一定的時(shí)間間隔交替變化，即產(chǎn)生周期性變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來(lái)確定每種狀態(tài)維持的時(shí)間。綜上考慮，方案一的三角波信號(hào)產(chǎn)生過(guò)于繁瑣，而方案二的電路結(jié)構(gòu)、思路簡(jiǎn)單，運(yùn)行時(shí)性能穩(wěn)定且能較好的符合設(shè)計(jì)要求。故此次設(shè)計(jì)選用方案二進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。三、單元電路設(shè)計(jì)1．矩形波發(fā)生器電路矩形波發(fā)生電路是其它非正弦發(fā)生電路的基礎(chǔ)，當(dāng)方波電壓加在積分運(yùn)算電路的輸入端是，輸出就獲得三角波電壓。而矩形波電壓只有兩種狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因?yàn)楫a(chǎn)生振蕩，就要求輸出的兩種狀態(tài)自動(dòng)地相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋；因?yàn)檩敵鰻顟B(tài)應(yīng)按一定的時(shí)間間隔交替變化，即產(chǎn)生周期性變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來(lái)確定每種狀態(tài)維持的時(shí)間。下圖（圖4）是矩形發(fā)生器電路，它由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)RC充，放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。圖4矩形發(fā)生電路圖（4）中滯回比較器的輸出電壓＝閾值電壓，即：Uo=±Uz,又±Ut=±R1Uz/(R1+R2)因而電壓傳輸特性如圖（5）所示。圖5電壓傳輸特性設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓Uo=+Uz，則同相輸入端電位Up=+Ut。Uo通過(guò)R3對(duì)電容C正向充電，如圖中實(shí)線所示：反相輸入端電位Un隨時(shí)間t增長(zhǎng)而逐漸升高，當(dāng)t趨近于無(wú)窮是，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut，再稍增大，Uo就從+Uz躍變?yōu)?Uz，與此同時(shí)Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過(guò)R3對(duì)電容C反向充電，或者說(shuō)放電。反相輸入端電位完整電路圖Un隨時(shí)間t增長(zhǎng)而逐漸降低，當(dāng)t趨近于無(wú)窮時(shí)，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=-Ut，再稍減小，Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，與此同時(shí)Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開(kāi)始正向充電。上述過(guò)程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。2．三角形波發(fā)生器電路在方波發(fā)生電路中，當(dāng)滯回比較器的閾值電壓數(shù)值比較小時(shí)，可將電容兩端的電壓看成為近似三角波。但是，一方面這個(gè)三角波的線性度較差，另一方面帶負(fù)載后將使電路的性能產(chǎn)生變化。實(shí)際上，只要將方波電壓作為積分運(yùn)算電路的輸入，在積分運(yùn)算的輸出就得到三角波電壓。如圖（6）所示。圖6三角波產(chǎn)生電路3．電源電路串聯(lián)式穩(wěn)壓電源：由變壓→整流→濾波→穩(wěn)壓，即可得到穩(wěn)定的直流電壓源。查模電書可知：因此這里取R9=500,R10=1K圖7輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電源四、單元電路計(jì)算1.頻率計(jì)算公式：由于R3是可調(diào)電阻，可調(diào)范圍為0~100K，所以頻率f的可調(diào)范圍為500~50M。當(dāng)可調(diào)電阻R3為10K時(shí)，達(dá)到本次設(shè)計(jì)要求的5KHz。在本次設(shè)計(jì)中，為了滿足負(fù)載的需要，在集成運(yùn)放的輸出端加穩(wěn)壓管限幅電路，從而獲得合適的Ut。為了產(chǎn)生幅度相同的矩形波，兩個(gè)穩(wěn)壓管的特性必須相同，如圖（6）。本次設(shè)計(jì)采用兩穩(wěn)壓管反向串接，其中穩(wěn)壓電壓為14V，正向?qū)妷簽?.9717V。所以Uz的值為14.9717V。2.幅度的計(jì)算公式：±Ut=±R1Uz/R2Ut=±14.9717V。如果電路圖僅此而已，如下圖（8）所示，則幅度改變的話，頻率就跟著改變。如何使調(diào)頻率和調(diào)幅度不相互影響？圖8幅度改變頻率就跟著改變的信號(hào)發(fā)生器圖9對(duì)應(yīng)圖（8）的信號(hào)發(fā)生器輸出波形可以在輸出端Ut處加一跟隨器，這樣調(diào)頻和調(diào)幅可互不影響。如下圖圖（10）所示：圖10調(diào)頻和調(diào)幅可互不影響的信號(hào)發(fā)生器圖11對(duì)應(yīng)圖（10）的調(diào)頻和調(diào)幅可互不影響的信號(hào)發(fā)生器輸出波形這樣調(diào)頻率則調(diào)R3，調(diào)方波幅度則調(diào)R6，調(diào)三角波幅度則調(diào)R7，所以方波輸出幅度的范圍為0V~14.9717V，當(dāng)電阻R6為20K*6%=1.2K時(shí)，達(dá)到本次設(shè)計(jì)的要求14V。三角波輸出幅度范圍為0V~14.9717V，當(dāng)電阻R7為20K*66%=13.4K時(shí)，達(dá)到本次設(shè)計(jì)的要求5V。五、總原理圖及元器件清單1．總原理圖（1）用EWB仿真設(shè)計(jì)a．用EWB繪制的電路圖：圖12EWB繪制波形發(fā)生器b．用EWB仿真的波形圖圖13EWB繪制波形發(fā)生器仿真結(jié)果此時(shí)即為設(shè)計(jì)要求的值。（2）用Protel模擬電路a.用Protel繪制的原理圖圖14電路原理圖b.用Protel繪制的PCB板：圖15PCB電路圖（3）元件清單及封裝（表一）序號(hào)元件型號(hào)主要參數(shù)