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1、 课程设计说明书 NO. 14 方波三角波电路设计与仿真1. 课程设计的目的 EDA技术及应用主要是学习Multisim和Protel2004两个软件的应用，其目的是：（1）通过解决简单的实际问题巩固和加深在EDA技术及应用课程中所学的理论知 识和实验技能。（2） 训练学生综合运用学过的电子设计自动化技术基础知识，在教师指导下完成查找资料，选择、论证方案，设计电路，运行仿真，设计印制电路板，分析结果，撰写报告等工作。（3） 使学生初步掌握利用电子设计自动化工具设计电子电路的一般方法步骤，通过理论联系实际提高和培养学生分析、解决实际问题的能力和创新能力，为后续课程的学习、毕业设计和毕业后工作打下
2、一定的基础。2. 设计方案论证 2.1 设计方案的选择采用传统的直接频率合成器。由集成运放构成的方波和三角波发生器的电路形式很多，但通常由滞回比较器和积分电路构成。按积分电路的不同，又可以分为两种类型：一类是由普通的RC积分电路组成，另一类是由恒流充放电的积分电路和滞回比较器组成。在这个的课程设计里是利用常用的方波和三角波发生电路，他是由集成运放组成的积分器和滞回比较器组成的，在滞回由于采用了由集成运算放大器组成的积分器，电容C始终处在恒流充放电的状态，使三角波和方波的性能得到很大的改善，不仅能得到线性度较理想的三角波，而且也便于调节振荡频率，所以能很好的显示出方波和三角波，继而达到课程设计的
3、最终结果。 2.2方案的框图 方波三角波结构框图 如图1所示：输出三角波输出方波积分电路滞回比较器 图1 方波三角波结构框图 2.3单元电路设计 2.3.1单元电路结构 矩形波发生电路如图2所示： 积分电路如图3所示： 图2 矩形波发生电路 图3 积分电路 2.3.2元件参数计算过程和公式 Vo1是方波输出点、Vo2为三角波输出点方波和三角波的振荡频率相同，其值为： 方波的输出幅度由3稳压管Dz决定，方波经积分后得到三角波，因此三角波输出幅度为： 其中Uz为稳压管的电压 在u=-Uz期间，积分电路的输出电压uo往正方向线性增长，此时u+也随着增长， 当增长至u+=u-=0时，滞回比较器的输出电
4、压uo1发生跳变，而发生跳变时的uo 值即是三角波的最大值Uom。将条件uo1=-Uz，u+=0和uo=Uom代入上式，可得： 可解得输出幅度为（Uz为稳压管的电压）将已知代入公式得Uom=6V 2.4方波三角波发生电路组成 方波三角波发生电路主要由以下两部分组成如图4，图5所示： 图4 滞回比较器 图5 积分电路 2.5选定仪器列表 在方波三角波发生器中选择的仪器列表如表1所示： 表1 选定仪器列表结构名称符号标识个数滞回比较器电阻R1、R2、R33个集成运放A1个稳压管D1、D22个积分电路电阻R4、R52个集成运放B1个电容C1个 2.6绘制原理图步骤（1）在初始界面上单击FileNew
5、PCB Project命令创建新的PCB设计项目。执行FileNewSchematic命令创建新的原理图文件并进入原理图设计环境。（2）执行DesignDocument Options 命令，设置图纸参数。（3）单击窗口底部的Libraries 标签，打开元件库管理。单击Install按钮，打开对 话框，在其中双击所需元件库。（4）单击Close按钮关闭该对话框，元件库安装到库管理面板中，准备工作完成。（5）按照设计的电路图在库元件列表中选择所需元件单击放置按钮将其放置到合适 的位置。双击元件，打开Component Properties对话框，在其中设置元件标号，参 数值等，单击OK按钮关闭
6、对话框。（6）按照设计好的原理图连接好电路图，原理图绘制完毕。 2.7用DXP软件绘制的仿真原理图方波三角波电路仿真原理图如下图6所示： 图6 方波三角波电路仿真原理图 2.8仿真类型及参数（1）对于本题目的设计重点是观测Vo1和Vo2的波形，所以选择的仿真类型是瞬态分析。它用于求电路的时域响应；在其中可以设置Start time ,End time,Step time,Max step time等。而且最重要的是它的分析结果是以波形图的形式显示，这一点符合本设计要求。（2）针对本设计选择的参数是： 起始时间为0 终止时间为10ms 步长为20ns 最大步长为200ns 2.9实验设备及用途（
7、1）集成运放的选择由于方波的前后沿时间和滞回比较器的转换速率有关，当方波频率很高或方波前、后沿要求较高时，应选择高速集成运算放大器来组成滞回比较器。（2）稳压管的选择稳压管的作用是限制和确定方波的幅度。此外，方波幅度和宽度的对称性也与稳压管 的对称性有关。为了得到稳定而且对称的方波输出，通常选用高精度双向稳压管。R3是稳压管的限流电阻，其值根据稳压（3）分压电阻R1和R2的阻值的确定R1和R2的作用是提供一个随输出方波电压而变化的基准电压，并由此决定三角波的输出幅度。所以R1和R2的阻值应根据三角波输出幅度的要求来确定。而且当要求三角波的幅度可以调节时，可以选择用电位器来代替R1、R2。（4）
8、积分元件R和C参数的确定R和C的值应根据方波和三角波发生器的振荡频率来确定。当分压的电阻R1和R2的阻值确定后，先选择电容C的值，然后确定R的值。而且为了减小积分漂移，应尽量将电容C的值取大些。但是电容量大的电容漏电也大，所以通常积分电容应不超过1uF。管的稳压电流来确定。 2.10仿真分析步骤（1）进入Protel DXP环境界面，安装元件库，常用元件库有Miscellaneous Devices.IntLib和Simulation Sources.Intlib。（2）另外还需要安装FSC Discrete Diode.IntLib,TI Operational Amplifier。 设计仿
9、真原理图，双击仿真元件，设置仿真元件参数。（3）对于普通无源仿真元件如电阻、电容除了设置元件的名称外，还需要对右侧的Parameters for选项组中设置元件的标注。（4）对于电源等需要设置较多参数的仿真元件，需要双击对话框右下部的Models for选项组中双击Type选项中的Simulation模型，打开仿真模型参数对话框，在 Parameters(参数)选项卡中设置模型参数，并根据需要选择是否显示该参数。 （5）设置仿真类型和参数，执行Design Simulation MixSim命令，单击如图所示工具栏中的设置仿真分析按钮，打开仿真分析参数设置对话框如图7所示： 图7 仿真参数设置
10、对话框（6）在分析选项区中选择所需的分析类型瞬态分析，之后打开参数设置对话框，根据需要设置分析参数 。参数为：起始时间、终止时间、步长时间以及最大步长时间。（7）运行仿真分析，自动进入仿真结果显示环境，观察输出结果。3. 设计结果与分析 3.1仿真波形 （1）Vo1仿真波形如图8所示： 图8 Vo1矩形波仿真输出波形 （2）Vo2仿真波形如图9所示： 图9 Vo2三角波仿真输出波形 3.2 测量值（1）Vo1频率及幅值如下图11所示： （2）Vo2频率及幅值如下图12所示： 图11 矩形波输出波形频率及幅值 图12 三角形波输出波形频率及幅值3.3两个波形进行比较两个波形进行比较如下图10所示
11、： 图10 两波形进行比较 3.4数据记录 数据记录如表5 所示： 表5 数据记录表观察点幅值频率Vo16.32V998HzVo26.76V988Hz 3.5计算与验证（1）频率计算 如原理图可知：方波和三角波的振荡频率相同，其值为： 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）幅度计算 由于电路由滞回比较器和积分电路组成，假设t=0时积分电容上的初始电压为零，而 滞回比较器输出端为高电平，即uo1=+Uz。根据叠加定理可得 在uo1=-Uz期间，积分电路的输出电压uo往正方向线性增长，此时u
12、+也随着增长，当增长至u+=u-=0时，滞回比较器的输出电压uo1发生跳变，而发生跳变时的uo值即是三角波的最大值Uom。将条件: uo1=-Uz，u+=0和uo=Uom， 可得 可解得输出幅度为: uo1=-Uz u+=u-=0 （Uz为稳压管的电压）将已知代入公式得: Uom=6V （R1=60K R2=60K Uz=6V） 参数符合课设题目要求：即频率约1000Hz，幅度大于2V。 3.6印制电路板图 (1)方波三角波的电路PCB图如图11所示 ： 图11 方波三角波的电路PCB图 （2）印制电路板3D显示如图12所示： 图12 印制电路板3D显示 （3）布线框架图显示如图13所示： 图
13、13 布线框架图显 3.7误差分析 仿真软件的元器件值不可能绝对的精确造成仿真结果会有一定的非可见差。 参数的设置问题以及小数点的取舍都是影响结果的因素。 人眼观察也是有一定的误差的。 由于有效值的取值位数不同会造成误差 。4.设计体会 EDA技术及应用课程设计使我们稍懂的了如何使用DXP这种仿真软件，深深的体会到仿真软件的巨大用途。我们可以把学到的理论知识用计算机真实的再现出来。由被动学习变为主动学习，提高了自己的学习热情。初步掌握利用电子设计自动化工具设计电子电路的一般方法步骤，通过理论联系实际提高和培养学生分析、解决实际问题的能力和创新能力，为后续课程的学习、毕业设计和毕业后工作打下一定
14、的基础。通过解决简单的实际问题巩固和加深在EDA技术及应用课程中所学的理论知识和实验技能。 课程设计是学科专业知识的补充与延伸，培养了我们的学习兴趣和电子制图的工程意识，尤其在印制电路板方面，我们必须要考虑如何节省材料，如果以最小的成本投资来获得更大的利益而绝对不失其功能。 通过此次的课程设计，让我学习了许多课外知识，丰富课上学习的理论知识，把理论和实际有效的联系起来，锻炼我们独自思考和处理问题的思维，使我们初步掌握计算机电子线路制图的一般方法步骤。在实践中体会理论知识的具体运用，让我们受益匪浅。为以后的各方面的实际任务提供了宝贵的设计经验。这次的课程设计真的让我受益很多。 5参考文献1 曹丽萍.浅谈DXP的学习 J.龙源期刊网，2008.5(4):592常书惠.高频电子线路课程的教学探讨J.中国电力教育，2010.10(4):10153 傅娟.微机原理及应用M.北京:国防工业出版社，2009.4:2783294 韩志军.微机原理M.南京:南京工程学院出版社，2008.12:2593655 王伟,王东宏.计算机控制技术M.江苏:江苏大学出版社，2008.10:169285沈 阳 大 学