项目1秒脉冲发生器的制作
纳秒脉冲发生电路设计
纳秒脉冲发生电路设计
学院审查中
工程设计
结合科研
张流强
2012
1
测控技术与仪器
电子科学与技术
单光子探测需要有单光子光源进行实验，获得单光子光源可以采用脉冲驱动的发光二极管，脉冲幅度、宽度和周期可调的纳秒级脉冲产生电路是实现单光子光源的关键。
本项目将对纳秒脉冲发生电路进行设计。
目前实验室对该课题已有前期研究，有研究生协助指导毕业设计。
实验室有电路板焊接和测试的相关设备，有开展光电探测实验的条件。
实验设备包括计算机、光学平台、显微镜、示波器、信号发射器和直流电源等。
实验经费有自然科学基金经费支持。
课题的主要研究内容有：
一、电路设计
（1）对基于发光二极管的单光子光源和纳秒脉冲发生电路进行调研，明确单脉冲发生电路的原理和要求；（2）对纳秒脉冲的形成方法进行分析，重点研究传输线脉冲成形方法和数字脉冲成形方法。
（3）提出纳秒脉冲发生放大电路设计，完成模拟仿真，实际制作电路进行实验测试。
二、电路测试
（1）根据设计电路绘制PCB版图，完成电路板的加工。
（2）焊接电路板；
（3）搭建实验平台，对制作完成的电路板进行测试。
本项目主要训练学生的电路设计、制作和调试能力。
题目难度适中，工作量适中。
（1）对项目有强烈兴趣；
（2）有电路设计基础（包括数电和模电）；
（3）有较强的创新意识或动手能力。
系主任审查通过。
FPGA实现可编程单脉冲发生器设计
可编程单脉冲发生器设计可编程单脉冲发生器是一种脉冲宽度可编程的信号发生器，其输出为TTL 电平。
在输入按键的控制下，产生单次的脉冲，脉冲的宽度由8位的输入数据控制（以下称之为脉宽参数）。
由于是8位的脉宽参数，故可以产生255种宽度的单次脉冲。
在目标板上，I0～I7用作脉宽参数输入，PULSE_OUT用做可编程单脉冲输出，而KEY和/RB作为启动键和复位键。
图3示出了可编程单脉冲发生器的电路图。
图3 可编程单脉冲发生器的电路图8.3.1 由系统功能描述时序关系可编程单脉冲发生器的操作过程是：(1) 预置脉宽参数。
(2) 按下复位键，初始化系统。
(3) 按下启动键，发出单脉冲。
以上三步可用三个按键来完成。
但是，由于目标板已确定，故考虑在复位键按下后，经过延时自动产生预置脉宽参数的动作。
这一过程可用图4的时序来描述。
图4 可编程单脉冲发生器的时序图图中的/RB为系统复位脉冲，在其之后自动产生LOAD脉冲，装载脉宽参数N。
之后，等待按下/KEY键。
/KEY键按下后，单脉冲P_PULSE便输出。
在此，应注意到：/KEY的按下是与系统时钟CLK不同步的，不加处理将会影响单脉冲P_PULSE的精度。
为此，在/KEY按下期间，产生脉冲P1，它的上跳沿与时钟取得同步。
之后，在脉宽参数的控制下，使计数单元开始计数。
当达到预定时间后，再产生一个与时钟同步的脉冲P2。
由P1和P2就可以算出单脉冲的宽度Tw。
8.3.2 流程图的设计根据时序关系，可以做出图5所示的流程图。
在系统复位后，经一定的延时产生一个预置脉冲LOAD，用来预置脉宽参数。
应该注意：复位脉冲不能用来同时预置，要在其之后再次产生一个脉冲来预置脉宽参数。
为了产生单次的脉冲，必须考虑到在按键KEY有效后，可能会保持较长的时间，也可能会产生多个尖脉冲。
因此，需要设计一种功能，使得当检测到KE Y有效后就封锁KEY的再次输入，直到系统复位。
这是本设计的一个关键所在。
基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器
基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器高频高压微纳秒脉冲发生器是一种用于产生微纳秒脉冲电压的设备，它在科研和工业领域具有广泛的应用。
本文将介绍一种基于Marx脉冲电路和脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器，以及其原理、结构和应用。
一、高频高压微纳秒脉冲发生器的原理高频高压微纳秒脉冲发生器的原理是利用脉冲电路产生高压脉冲，然后通过脉冲变压器将其升压至需要的电压水平，最终输出微纳秒脉冲信号。
Marx脉冲电路是一种常用的脉冲产生电路，它由多个串联的脉冲发生单元组成，通过依次充电和放电，可以实现高压脉冲的输出。
脉冲变压器则是一种特殊的变压器，它能够将输入的脉冲信号升压至较高的电压水平，并且具有快速升压和降压的能力，非常适合用于产生微纳秒脉冲信号。
基于Marx脉冲电路和脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器主要由脉冲发生单元、脉冲变压器、控制电路和输出电路等部分组成。
脉冲发生单元是脉冲电路的核心部分，其数量和结构根据需要的脉冲电压和输出波形来确定。
脉冲变压器则是用于升压的关键部件，它通常采用特殊的材料和结构设计，以确保高频高压微纳秒脉冲的输出。
控制电路主要用于控制脉冲发生单元的充放电过程，以确保脉冲的稳定性和准确性。
输出电路则用于接收和输出高频高压微纳秒脉冲信号，通常会配合相应的传感器和测量系统使用。
高频高压微纳秒脉冲发生器在科研和工业领域具有广泛的应用，主要包括以下几个方面：1. 超声探测技术：高频高压微纳秒脉冲发生器可用于超声探测技术中的脉冲发射和接收，能够实现更高的分辨率和探测深度。
2. 电子束加速器：在电子束加速器中，需要精确控制的高频高压微纳秒脉冲信号来实现电子束的加速和聚束，高频高压微纳秒脉冲发生器是其关键部件之一。
3. 电磁脉冲模拟：在电磁脉冲干扰分析和抗干扰设计中，常常需要模拟高频高压微纳秒脉冲信号，以评估和改进电子设备的抗干扰性能。
4. 其他科学研究：在物理、化学和生物等领域的实验研究中，也常常需要使用高频高压微纳秒脉冲信号来进行实验和测量，高频高压微纳秒脉冲发生器为这些实验提供了关键的技术支持。
[设计]产生脉冲的程序的PLC程序梯形图
![[设计]产生脉冲的程序的PLC程序梯形图](https://img.taocdn.com/s3/m/2dc438044531b90d6c85ec3a87c24028915f85a5.png)
产生脉冲的程序的PLC程序梯形图（1）周期可调的脉冲信号发生器如图5-6所示采用定时器T0产生一个周期可调节的连续脉冲。
当X0常开触点闭合后，第一次扫描到T0常闭触点时，它是闭合的，于是T0线圈得电，经过1s的延时，T0常闭触点断开。
T0常闭触点断开后的下一个扫描周期中，当扫描到T0常闭触点时，因它已断开，使T0线圈失电，T0常闭触点又随之恢复闭合。
这样，在下一个扫描周期扫描到T0常闭触点时，又使T0线圈得电，重复以上动作，T0的常开触点连续闭合、断开，就产生了脉宽为一个扫描周期、脉冲周期为1s的连续脉冲。
改变T0的设定值，就可改变脉冲周期。
图5-6 周期可调的脉冲信号发生器a）梯形图b）时序图（2）占空比可调的脉冲信号发生器如图5-7所示为采用两个定时器产生连续脉冲信号，脉冲周期为5秒，占空比为3：2（接通时间：断开时间）。
接通时间3s，由定时器T1设定，断开时间为2s，由定时器T0设定，用Y0作为连续脉冲输出端。
图5-7 占空比可调的脉冲信号发生器（3）顺序脉冲发生器如图5-8a所示为用三个定时器产生一组顺序脉冲的梯形图程序，顺序脉冲波形如图5-8b所示。
当X4接通，T40开始延时，同时Y31通电，定时l0s时间到，T40常闭触点断开，Y31断电。
T40常开触点闭合，T41开始延时，同时Y32通电，当T41定时15s时间到，Y32断电。
T41常开触点闭合，T42开始延时．同时Y33通电，T42定时20s时间到，Y33断电。
如果X4仍接通，重新开始产生顺序脉冲，直至X4断开。
当X4断开时，所有的定时器全部断电，定时器触点复位，输出Y31、Y32及Y33全部断电。
图5-8 顺序脉冲发生器断电延时动作的PLC程序梯形图大多数PLC的定时器均为接通延时定时器，即定时器线圈通电后开始延时，待定时时间到，定时器的常开触点闭合、常闭触点断开。
在定时器线圈断电时，定时器的触点立刻复位。
如图5-9所示为断开延时程序的梯形图和动作时序图。
由石英钟表集成电路构成的秒脉冲电路
由石英钟表集成电路构成的
秒基准信号发生器
5G5544是国产石英钟表集成电路，国外型号为SM5544H。
它是由低压CMOS工艺制成的，功耗极微。
输出端能直接驱动永磁式步进电机，再配以齿轮传动机构和表针，制成石英钟。
5G5544的电源电压范围是＋1.2～2V，典型值为＋1.5V，工作电流仅2μA。
使用一节5号电池可连续工作一年以上。
频率稳定度可达5×10－7，年计时误差约为几十秒。
5G5544的时序波形如图2-3-5所示。
5G5544构成的秒信号发生器电路如图2-3-6所示。
采用32768Hz石英晶体，C是频率微调电容，用来校准时间。
5G5544的驱动信号输出级采用漏极开路的N沟道MOS管，需外接PNP晶体管进行功率放大。
VD1、VD2和3CG21就等效于二输入端或非门。
S为闹时开关，用来“定闹”。
当钟表时间与定闹时间一致时S闭合，从ALO端输出的闹铃脉冲经过VT2（3DG6）驱动压电陶瓷蜂鸣器BZ发声。
若为提高闹铃声，还可将BZ换成微型扬声器，VT2改用JE9014型晶体管。
基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器
基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器高频高压微纳秒脉冲发生器是一种用于产生微纳秒级脉冲的设备，可以应用于多种领域，如医疗、科研等。
本文将介绍一种基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器的制作方法及其应用。
一、高频高压脉冲发生器的基本原理高频高压微纳秒脉冲发生器是通过将直流电源转换为高压微纳秒脉冲来实现的。
通常，高频高压脉冲发生器包括三个基本部分：充电系统、脉冲产生部分和输出负载部分。
充电系统用于将直流电源充电到特定电压；脉冲产生部分是通过某种方式将储存的能量转换成脉冲能量并输出；输出负载部分将所产生的脉冲能量输出到负载上。
Marx发生器是一种常用的高压脉冲发生器，其原理是通过多个串联的电容器和开关来存储和释放电能，从而产生高压脉冲。
而脉冲变压器则是用来将低电压高频脉冲转换为高电压微纳秒脉冲的装置。
1. 设计Marx发生器部分：首先确定所需的电压和脉冲宽度等参数，然后设计合适的电容器串联数目和开关数目，并选择合适的开关。
接下来进行电路板的设计和制作，安装电容器和开关等元器件。
2. 设计脉冲变压器部分：根据Marx发生器输出的脉冲电压和电容器充放电时间等参数，设计脉冲变压器的参数，包括线圈匝数、线圈结构等。
然后进行线圈的绕制和绝缘处理。
3. 脉冲发生器的组装：将Marx发生器和脉冲变压器部分连接在一起，并进行调试和测试，以确保脉冲发生器的正常工作。
三、高频高压微纳秒脉冲发生器在科研和医疗领域的应用1. 科研领域：高频高压微纳秒脉冲发生器可以用于一些需要高压脉冲能量的实验，如等离子体物理实验、激光物理实验等。
其微纳秒脉冲特性使其能够用来进行一些超快过程的研究。
2. 医疗领域：高频高压微纳秒脉冲发生器可以用于一些医疗设备，比如微生物杀菌设备、癌细胞破坏设备等。
脉冲的高压和微纳秒的宽度能够有效地杀灭微生物和癌细胞，而对周围组织的损伤相对较小。
最简易脉冲电路
最简易脉冲电路
最简易脉冲电路是一种基础电路，它可以产生尖锐但短暂的信号脉冲。
这种电路通常由一个电容和一个电阻构成。
电容储存电荷，而电阻控
制电荷的流动速度。
当电容充电时，电荷开始积累在电容器的板上，
直到电压达到一个特定的电压阈值。
然后，电容开始放电，电流通过
电阻流回电源，形成一个脉冲信号。
要构建最简易脉冲电路，可以以下列步骤操作：
第一步，选择电容和电阻的值。
为了产生短暂的脉冲信号，应该选择
较小的电容和较大的电阻。
例如，如果选用100nF的电容和1MΩ的
电阻，电路就可以生成一个持续时间约为0.1秒的脉冲信号。
第二步，将电容和电阻连接在一起。
将电容的正极连接到电源的正极，将电容的负极连接到电阻的一端，将电阻的另一端连接回电源的负极。
这样就形成了一个简易脉冲电路。
第三步，测试电路。
将电路连接到示波器或LED灯等设备上，以便观
察脉冲信号的形状和持续时间。
在测试过程中，应该小心操作，以免
触电或损坏电路元件。
最简易脉冲电路的应用十分广泛。
例如，它可以用于在数字电路中生成同步脉冲信号，使各个部分的计算和通信保持同步。
它还可以用于制作电子钟、电子计数器等等。
此外，最简易脉冲电路还可以用于科学实验中的信号处理和测量。
总的来说，最简易脉冲电路是一种常见的基础电路，可以轻松生成短暂的脉冲信号，应用也十分广泛。
在构建电路时，要小心操作，选择适当的电容和电阻值，并测试电路以确保其性能。
产生脉冲的程序的PLC程序梯形图
产生脉冲的程序的PLC程序梯形图 （1）周期可调的脉冲信号发生器
如图5—6所示采用定时器T0产生一个周期可调节的连续脉冲。当X0常开触点闭合后,第一次扫描到T0常闭触点时，它是闭合的,于是T0线圈得电，经过1s的延时，T0常闭触点断开.T0常闭触点断开后的下一个扫描周期中,当扫描到T0常闭触点时,因它已断开，使T0线圈失电,T0常闭触点又随之恢复闭合.这样,在下一个扫描周期扫描到T0常闭触点时，又使T0线圈得电，重复以上动作，T0的常开触点连续闭合、断开，就产生了脉宽为一个扫描周期、脉冲周期为1s的连续脉冲。改变T0的设定值，就可改变脉冲周期。
图5—6 周期可调的脉冲信号发生器 a）梯形图 b)时序图 (2)占空比可调的脉冲信号发生器 如图5—7所示为采用两个定时器产生连续脉冲信号，脉冲周期为5秒，占空比为3:2（接通时间：断开时间)。接通时间3s,由定时器T1设定,断开时间为2s，由定时器T0设定，用Y0作为连续脉冲输出端. 图5-7 占空比可调的脉冲信号发生器 a）梯形图 b)时序图 (3)顺序脉冲发生器 如图5-8a所示为用三个定时器产生一组顺序脉冲的梯形图程序，顺序脉冲波形如图5—8b所示.当X4接通，T40开始延时,同时Y31通电，定时l0s时间到，T40常闭触点断开，Y31断电。T40常开触点闭合，T41开始延时，同时Y32通电，当T41定时15s时间到，Y32断电。T41常开触点闭合，T42开始延时．同时Y33通电，T42定时20s时间到，Y33断电.如果X4仍接通,重新开始产生顺序脉冲,直至X4断开。当X4断开时,所有的定时器全部断电，定时器触点复位，输出Y31、Y32及Y33全部断电. 图5—8 顺序脉冲发生器 a）梯形图 b)时序图
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ANSI标题栏输入内容
子项目2 常用元件库介绍、加 载原理图元件库及移出元件库
• • • • 1、各种常用元件库介绍 2、加载元件库 3、移出元件库 4、Browse Sch选项卡介绍
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1.各种常用元件库介绍
Miscellaneous Devices. Ddb：基本元件库， 包括电阻、电容、二极管、三极管等各种分立 元件电路符号。 • Sim.ddb：仿真元器件库。 • TI Databooks.ddb：德克萨斯仪器公司数据 手册。 • NEC Databooks.ddb：美国国家半导体公司 数据手册。 • Protel DOS Schematic Libraries.ddb：主 要存放各种集成电路芯片的电路符号。
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1.1.3 【技能训练】
• 子项目1 原理图选项设置 • 子项目2 常用元件库介绍、加载原理图 元件库及移出元件库 • 子项目3 元器件放置与编辑 • 子项目4 绘制电路原理图 • 子项目5 元件清单的产生和原理图的导 出、打印
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子项目1 原理图选项设置
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Protel DOS Schematic Libraries.ddb中所装的元件类型表
库名 Protel Dos Schematic Analog Digital.Lib Protel Dos Schematic 4000 Cmos .Lib Protel Dos Schematic Analog Digital.Lib Protel Dos Schematic Comparator.Lib Protel Dos Shcematic Intel.Lib Protel Dos Schematic Linear.lib Protel Dos Schemattic Memory Devices.Lib 库所对应的元器件类型 模拟数字式集成块元件库 40.系列CMOS管集成块元件库 模拟数字式集成块元件库 比较放大器元件库 INTEL公司生产的80系列CPU集成块元件库 线性元件库 内存存储器元件库
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Sim.ddb（仿真元器件库）中的所装的元件类型表
Sim.ddb 库名 74XX.lib 7SEGDISP.LIB BJT.LIB BUFFER.LIB COMP.LIB CMOS.LIB COMPARATOR.LIB CRYSTAL.LIB DIODE.LIB IGBT.LIB JFET.LIB MATH.LIB MESFET.LIB MOSFET.LIB OPAMP.LIB 库所对应的元器件类型 74系列数字电路逻辑集成块 七段数码管 三极管 缓冲器 运算放大器 CMOS系列数字电路逻辑集成块 比较器 晶体振荡器 二极管 三极管 场效应管 数学函数 场效应管 场效应管 运算放大器 库名 MISC.LIB OPAMP.LIB OPTO.LIB REGULATOR.LIB RELAY.LIB SCR.LIB SIMULATION.LIB SWITCH.LIB TIMER.LIB TRANSFORMER.LIB TRANSSLINE.LIB TRIALC.LIB TUBE.LIB UJT.LIB 库所对应的元器件类型 混杂库 运算放大器 光电系列 电压调整器 继电器 可控硅 各种模拟电路符号 可控开关源 定时器 变压器 传导线 双向可控硅 电子管 可控硅
任务二、按项目描述完成标 题栏设置
• 标题栏设置的方法：
方法1、双击SCH 的边框，弹出的对话框， 就是图纸设置对话框（Document Options对 话框）。 方法2、点击菜单Design/Options。 方法3、单击鼠标右键，在出现的下拉菜单 中选择Document Options，就会出现图纸设 置对话框（Document Options对话框）。可 直接修改纸张大小和纸的方向，设置标题栏。
图1-7
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任务一、进入原理图环境，新 建秒脉冲发生器.sch
• 7）此时在设计窗口的“Document”文件 夹中将增加一个文件图标，其文件名可 以根据自己的需要更改，这里改为“秒 脉冲发生器.sch”；若不改默认为 “Sheet1.sch”。
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图纸大小、栅格和标题栏设置
• ① 打开原理图文件 • ② 执行菜单命令Design/Options ，该命令用 于对图纸大小、栅格和标题栏进行设置。执行 完该命令可以进入“Document Options”窗口。 • ③Title Block : 图纸标题栏设置。图纸标题栏 有两类，分别为Standard：标准标题栏。 ANSI：美国国家标准协会标题栏。
• 任务一、进入原理图环境，新建秒脉冲 发生器.sch • 任务二、按项目描述完成标题栏设置
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任务一、进入原理图环境，新建秒脉冲 发生器.sch • 1）建立设计数据库:双击Protel 99 SE 图标，进入Protel 99 SE。 • 2）执行File/New，系统将会弹出 “New Design Database”对话框，如图 1-4所示。
设置颜 色 为 223#
设置字 体为华 文彩云
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美国国家标准协会模式标题栏设置方法
• ANSI：美国国家标准协会 模式标题栏
在“Design/Options”对 话框里单击 “Organization”选项， 将会出现图1-12 ANSI 标题栏输入内容对话框。 在该对话框中，各输入 栏中的内容可以自动地 填入到标题栏中合适的 位置。
• 用“Place/Annotation”命令或单击 图 标，在标题栏中输入相应的特殊字符串 。 • 在项目描述中，此处要求输入标题为 “我的设计”，字体为“华文彩云”， 字体颜色“223#”。在Text（文本）处 输入“我的设计”；用鼠标左键点击 Color 处选择223#颜色；用鼠标左键点 击Font（字体）的change(改变字体),选 择字体为“华文彩云”。点击OK即可。 • Drawn By (制图者)：要求用特殊字符 串设置制图者为“蓝牙设计室”。同样 是用“Place/Annotation”命令，在 Text（文本）处输入“蓝牙设计室”。 • Number(文档编号)：要求文档编号设置 为“10-1”。同样是用 “Place/Annotation”命令，在Text （文本）处输入将文档编号设置为“101”。
图1-12 ANSI标题栏输入内容
电子线路板设计项目化教程 • Organization：用来设定制图者、公司或单位 的名称。如“蓝牙设计室”。 • Address：用来设定公司或单位的地址。 • .address1：地址1 • .address2：地址2 • .address3：地址3 • .address4：地址4 • Sheet：用来设定原理图的编号。其中No. 表 示本章原理图的编号，Total表示本设计中原 理图的数量。 • Document：文件的其他信息。其中Title表示 本章原理图的标题，No. 表示编号，Revision 表示版本号。
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Miscellaneous Devices. Ddb中元件的中文名与元 件在库中名称的对应关系如下
•
• • • • • • • • • • 插头：各种管脚的插头(座)连接器 (HEADE,CON,PIN) ISA插座：CON AT62,CON EISA62,CON EISA3等 D型插头：串口用的DB9,DB15,并口用的 DB25等 电阻:标准电阻：RES1,RES2 电阻排： RESPACK1 ,RESPACK2,POT1,POT2等 两端口可变电阻：RES3,RES4. 三端口可变电阻： RESISTORTAPPED,POT1,POT2 电容: 无机性电容：CAP 有机性电容；ELECTRO1,ELETRO2 可变电容：CAPVAR 电感:普通电感： INDUCTOR,INDUCTOR1,INDUCTOR 2 可变电感：INDUCTOR VAR,INDUCTOR3,INDUCTOR4 晶体：CRYSTAL 二极管：DIODE 三极管：NPN, PNP
图1-5
任务一、进入原理图环境，新 建秒脉冲发生器.sch
• 4）双击图1-5中“Document”图标，就 会出现图1-6所示的图形。
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图1-6
任务一、进入原理图环境，新 建秒脉冲发生器.sch
• 5）在工作窗口空白处单击鼠标右键，在弹出 的快捷菜单中选择New;或执行菜单命令 File/New。 • 6）此时系统将弹出“New Document”对话框， 如图1-7所示。设计者在新建文件对话框中选 择相应的文件类型图标（Schematic Document）后，单击OK按钮即可；或者用鼠 标左键双击该图标。
选择设计数 据库所在的 目录位置
更改设计数 据库的名称
图1-4 “New
Design Database”对话框
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任务一、进入原理图环境，新建秒脉冲 发生器.sch • 3）在弹出的“New Design Database” 对话框中，给数据库文件名“Database File Name”输入一个名称，这里输入的 名称是“秒脉冲发生器.ddb”。单击 “Browse”按钮，就可以选择一个设计 数据库所在的目录。单击【OK】按钮， 就会出现如图1-5所示的图形。
• • •
•场效应管：MOSFET N, MOSFET P, JFET N,JFET P 发光二极管：LED 发光数码管：DPY 跳线：JUMPER： 保险丝：FUSE1, FUSE2 光耦： OPTOISO1, OPTOISO2 继电器：单刀单掷: DELAY-SPST 单刀双掷：DELAY-SPDT 双刀单掷：DELAY-DPST 双刀双掷：DELAY-DPDT 话筒：MICROPHONE1,MICROPHONE2 耳机接口：PHONEJACK 开关：拨码开关 SW DIP 按键：SW-PB 其它开关：SW 变压器:： TRANS1,TRANS2,TRANS3,TRANS4, TRANS图1Βιβλιοθήκη 1电子线路板设计项目化教程