方波发生电路ProteusCadence课设

课程设计任务书

学生姓名：专业班级：

指导教师：工作单位：信息工程学院

题目: 方波发生电路

初始条件：

计算机、Proteus软件、Cadence软件

要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、课程设计工作量：1.5周

2、技术要求：

（1）学习Proteus软件和Cadence软件。

（2）设计一个方波发生电路。

（3）利用Cadence软件对该电路设计原理图并进行PCB制版，用Proteus软件对该电路进行仿真。

3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：

2015.1.12做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。

2015.1.12-1.15学习Proteus软件和Cadence软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。

2015.1.16-1.20对方波发生电路进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。

2015.1.21 提交课程设计报告，进行答辩。

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

目录

摘要..................................................................................................................................... I Abstract .............................................................................................................................. I I 1绪论 (1)

2方案论证 (2)

3利用Proteus软件进行电路设计及仿真 (5)

4利用Cadence软件进行电路设计及PCB绘制 (8)

4.1电路原理图设计 (8)

4.2 PCB设计 (9)

5心得体会 (13)

参考文献 (14)

摘要

方波是一种非正弦曲线的波形，方波的频率成分非常丰富，含有大量的谐波，有频率、周期、幅度、占空比等技术指标，能够产生方波的电路结构称为方波发生器，方波发生器常称为多谐振荡器。本文首先分析了常见方波发生电路的原理以及优缺点，紧接着选择了一种适用于设计任务的方案，然后利用Proteus软件进行电路原理图的绘制以及仿真分析，最后利用Cadence软件进行了电路原理图设计和PCB设计，完成本次方波发生电路的设计任务。

关键字：方波；Proteus；Cadence；频率

Abstract

Square wave is a kind of non sinusoidal wave, square wave frequency components are abundant, contains a lot of harmonic, frequency, cycle, amplitude, duty cycle and other technical indicators, can produce square wave circuit structure called a square wave generator, square wave generator is often referred to as a multivibrator. At first, this paper analyzes the common principle of square wave generator circuit as well as the advantages and disadvantages, followed by the selection of a suitable for design scheme, then using Proteus software of circuit principle diagram and simulation analysis, finally using Cadence software to design the circuit principle diagram and PCB design, completed the design task of the square wave generator.

Key words: square wave;Proteus;Cadence;frequency

1绪论

方波是一种非正弦曲线的波形，方波发生器的应用非常广泛，广泛应用于各种电子电路、信号处理和控制系统中，特别是数字电路，几乎离不开方波。矩形脉冲信号是数字逻辑电路的工作信号，所有的数字形式都是靠矩形脉冲信号进行传送的，同时在数字电路中常用矩形脉冲信号时间周期作为定时脉冲和计时脉冲信号。

Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC 器件。

Cadence Design Systems是一个专门从事电子设计自动化（EDA）的软件公司，由SDA Systems和ECAD两家公司于1988年兼并而成。是全球最大的电子设计技术(Electronic Design Technologies)、程序方案服务和设计服务供应商。其解决方案旨在提升和监控半导体、计算机系统、网络工程和电信设备、消费电子产品以及其它各类型电子产品的设计。Cadence Allegro系统互连平台能够跨集成电路、封装和PCB协同设计高性能互连。应用平台的协同设计方法，工程师可以迅速优化I/O缓冲器之间和跨集成电路、封装和PCB的系统互联。该方法能避免硬件返工并降低硬件成本和缩短设计周期。约束驱动的Allegro流程包括高级功能用于设计捕捉、信号完整性和物理实现。由于它还得到Cadence Encounter与Virtuoso平台的支持，Allegro协同设计方法使得高效的设计链协同成为现实。

2方案论证

方案一：利用施密特触发器，再加上少量的电阻、电容元件，如图2.1所示，即迟滞比较器构成的方波发生器。

图2.1 迟滞比较器构成的方波发生器

该发生器具有正反馈和负反馈，其中电路的正反馈系数为

2

12R R R F += （1） 在接通电源的瞬间，输出电压究竟是正向饱和还是负向饱和，这是随机的。它是通过电阻和电容充放电进而引起输出电压翻转的，假设初始输出电压为负向饱和，而加于反向端的电压由于电容器上的电压不能突变，只能由输出电压通过负反馈电阻向电容充电来建立，当Vn 愈来愈负，低于Vp 时，则输出电压立即从负饱和值迅速翻转到正饱和值，输出电压从正的饱和值翻转到负饱和值同理可得，只不过是Vn 愈来愈正，高于Vp 时可以实现翻转，如此不断循环下去，则可以形成方波输出。

根据一阶RC 电路的三要素法，输出高电平的时间间隔

F

F RC T -+=11ln 1 （2） 同理，输出低电平的时间间隔等于输出高电平的时间间隔。则方波的周期为

F

F RC T T T -+=+=11ln 221 （3）

方案二：利用DDS技术进行方波发生器的设计，芯片选用AD9850。AD9850是AD公司生产的最高时钟为125 MHz、采用先进的CMOS技术的直接频率合成器，主要由可编程DDS系统、高性能数模变换器（DAC）和高速比较器3部分构成，能实现全数字编程控制的频率合成。AD9850内含可编程DDS 系统和高速比较器，可实现全数字编程控制的频率合成。可编程DDS系统的核心是相位累加器，由一个加法器和一个N位相位寄存器组成，N 一般为24～32。每来一个外部参考时钟，相位寄存器便以步长M递加。相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中0°～360°范围的一个相位点。查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动DAC 输出模拟量，再通过内部高速比较器便可形成方波发生器。

方案三：利用555定时器构成方波发生器。555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图如图2.2所示。

图2.2 555定时器内部电路框图

利用555定时器构成的方波发生器如图2.3所示。从电路的连接来讲，也是将555定时器接成施密特触发器的结构，即将2、6端并联，再与RC构成的充放电电路的串

联点连接，将7端接到接到放电点。

图2.3 555定时器构成的方波发生器

当电路与电源接通瞬间，C两端没有存储电荷，两端的电压为零，555定时器的2，6端输入电压为零，即出现6端输入电压小于2/3Vcc，2端的输入电压小于1/3Vcc的情况，输出信号为高电平，使555定时器内部晶体管截止，电源Vcc经R1、Rv和D2对C充电，这种情况一直维持到C的两端电压超过2/3Vcc。当C两端的电压超过2/3Vcc 时，出现6端输入电压大于2/3Vcc，2端的输入电压大于1/3Vcc的情况，输出信号为低电平，使晶体管导通，电容C放电，这种情况一直维持到C的两端电压低于1/3Vcc。此后又重新回到上述的充电过程，如此周而复始，形成振荡，产生方波脉冲。

方案一是迟滞比较器构成的方波发生器，方案简单，但振荡频率不够稳定，没有隔离电路，带载能力较差，而且不易控制占空比等参量；方案二是选用AD9850芯片，利用DDS技术输出方波，这种方案做出的方波频率稳定性好，频率范围较宽，而且更容易实现数字化控制，但是此方案难度相对较高，而且本次课程设计是利用Proteus软件进行仿真的，但是Proteus元件库里面没有AD9850芯片；方案三利用555定时器实现方波电路，原理简单，振荡频率相对稳定，在Proteus元件库里面有对应元器件，完全满足本次课程设计的任务要求，故选用方案三作为方波发生电路的实现方案。

3利用Proteus 软件进行电路设计及仿真

启动Proteus 软件，然后进行电路图的绘制，最终绘制出的方波发生电路如图3.1所示。

图3.1 方波发生电路

根据一阶电路的三要素法，充电所用时间，即脉冲维持时间：

2ln )(1_1211C R R R t V V ++= （4）

放电所用时间，即脉冲低电平时间：

2ln )(2_1322C R R R t V V ++=

（5） 所以，脉冲周期为

C R R R R R C R R R R R t t t V V V V V V )(7.02ln )(321213212121++++=++++=+= （6） 脉冲频率为

C R R R R R t f V V V )(43.1132121++++== （7）

其中C 根据SW1的位置可能是C2、C3和C4；调节C2、C3、C4和RV2、RV3可调节频率，根据公式（7）和C2、C3、C4、RV1、RV2、RV3的值易得，当C 为1nF 时频率范围为1KHZ~100KHZ ，当C 为10nF 时频率范围为100HZ~10KHZ ，当C 为100nF 时OUT OUT BUFF BUFF R 4DC 7Q

3G N D 1

V C C

8TR 2TH 6CV

5U1555R1

1.1K R21.1K C1

47nF +9V

C2

1nF 50%RV112k D11N4148D21N414850%RV2700k 50%RV3700K R3

680D3

LED-RED C310nF C4

100nF

SW1

SW-ROT-3双联电位器RV2&RV3A

B C D

频率范围为10HZ~1KHZ；利用二极管的单向导电性，调节1W

R实现占空比可调；其中D3为电源指示灯；C1的作用是避免电路高频脉冲的影响。

当C为100nF时，RV2=RV3=700K时，得到电路的最低频率，电容端和电路输出端的波形图如图3.2所示。

图3.2 电路为最低频率时电容端和电路输出端波形图

当C为10nF时，RV2=RV3=350K时，得到此电路的中频频率，电容端和电路输出端的波形图如图3.3所示。

图3.3电路为中频频率时电容端和电路输出端波形图

当C为1nF时，RV2=RV3=0时，得到电路的最高频率，电容端和电路输出端的波形图如图3.4所示。

图3.4电路为最高频率时电容端和电路输出端波形图

当C为10nF时，RV2=RV3=0K时，调节RV1为25%阻值时来改变方波的占空比，电容端和电路输出端的波形图如图3.5所示。

图3.5改变占空比后某一频率下电容端和电路输出端波形图由图3.2可以得出电路输出端的最低频率大致为9HZ，由图3.4可以得出电路输出端的最高频率大致为98KHZ，这与由公式（7）得出的结论是一致的，而且有图3.5可以得出此方波发生电路占空比可调，因此此方波发生电路是正确的。

4利用Cadence软件进行电路设计及PCB绘制

4.1电路原理图设计

启动Cadence 16.6中的OrCAD Capture CIS组件进行电路原理图的绘制，首先创建元件库及元件lmc555，绘制得到的lmc555如图4.1所示。

图4.1 利用OrCAD Capture CIS绘制的lmc555元件

然后在原理图页面进行电路原理图的绘制，最终设计出的电路原理图如图4.2所示。

图4.2 方波发生电路原理图

然后点击菜单栏Tools->Create Netlist生成网表文件，选择PCB Editor的网表，网表文件选择标准的allegro，如图4.3所示。

图4.3生成网表选项卡

4.2 PCB设计

Allegro零件库是多个零件，焊盘和图形文件的集合，包括零件的封装、机械零件、绘图格式文件、自定义的焊盘和自定义的图形文件等。在使用Allegro PCB Edit设计PCB 时，必须首先要创建零件库，Allegro自带了一个零件库，其中定义了一些常用的标准零件图形及焊盘定义等。在Allegro PCB Edit窗口中，零件的每一个引脚必须有一个对应的焊盘名称，在创建零件封装时，要在绘图文件里添加引脚，必须使用焊盘名称找到焊盘，因此创建封装之前必须定义焊盘。启动Cadence 16.6中的Pad Designer组件进行焊盘的设计，设计出来的焊盘分别命名为my_smd60_50.pad和my_smd80rec100.pad。然后启动Cadence 16.6中的PCB Edit组件进行封装的设计，使用封装向导进行相应的设计，

设计出的电容和电阻的0805封装引用设计的my_smd60_50焊盘，如图4.4所示。

图4.4 电容和电阻的0805封装

设计出的1N4148二极管的封装引用了设计的my_smd80rec100焊盘，如图4.5所示。

图4.5 1N4148二极管封装

在进行其它的元件封装均采用元件库自带的封装，其中包含jumper3，dip6_3和dip8_3等。

然后使用PCB Edit创建电路板，设置好相应的规则，设置好允许布线区域和允许零件摆放区域等区域，然后设置好各个层次的颜色，添加安装孔和光学定位孔后导入网表信息，相应的设置如图4.6所示，然后点击Import Cadence导入网表。

图4.6 导入网表相应设置

然后进行零件布局，可以选用手工放置零件和使用原理图交互式摆放零件，最后再进行连线，可以选择手工布线和自动布线两种方式，最终得到的PCB图分别如图4.7和图4.8所示。

图4.7 使用手工放置零件和自动布线方式得到的PCB图

图4.8使用交互式摆放零件和手工布线得到的PCB图

手工布线时使用45度拐角可以使制作出的电路板连线部分机械性能和电气性能更加良好。其3D图像如图4.9所示，其中使用了Solid模型进行3D图像的建立。

图4.9方波发生电路PCB的3D图像

5心得体会

在本次课程设计过程中，我所做的是“方波发生电路”这一课题，通过认真的学习，成功地得到了方波发生电路仿真结果和PCB。感觉通过这个课程设计，收获颇丰。不仅掌握了Cadence和Proteus软件的运用，而且对所学的知识进行了一次成功的梳理和巩固，这是一次很好的锻炼。

对这次课程设计，我感觉自己的收获还不仅仅局限于此，因为实际的仿真调试和画PCB的过程，远非自己原来想象的那么简单。一次次的查阅教材和其它书籍，一次次地进行参数更正，一次次地进行分析，在不断的，一次次的重复过程中，坚持不懈，最终完成了达到仿真效果，得到了方波发生电路PCB。当然，进行本次课程设计过程中，也不全是辛劳，看着自己的作品一点点地趋向完美也是一种巨大的快乐；能和同学们一起调试分析，大家互相探讨，相互促进，共同提高，亦不失为一种莫大的享受；进行方波发生电路设计仿真和进行PCB设计的日子里，感觉自己的生活和学习更加充实了，心中更是有一种莫名的欣慰。

总之，通过本次课程设计，我收获颇丰，感触良多，以后在扎实掌握理论知识的基础上，还要更加注重培养自己的实践动手能力。当然，最后还要感谢老师们，因为有了老师们的谆谆教导和诲人不倦的精神，才有了我们的进步。

参考文献

[1] 周润景.Cadence高速电路板设计与仿真.北京：电子工业出版社，2011.9

[2] 邵鹏.信号/电源完整性仿真分析与实践.北京：电子工业出版社，2013.4

[3] 周润景.PROTEUS入门实用教程.北京：机械工业出版社，2005.12

[4] 谢嘉奎.电子线路.北京：高等教育出版社，2013.3

[5] 童诗白.模拟电子技术基础.北京：电子工业出版社，2011.7

[6] 贾新章.电子电路CAD技术.西安：西安电子科技大学出版社，2002.3

本科生课程设计成绩评定表

姓名性别

专业、班级

题目：方波发生电路

答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日