Protel課程設計模擬乘法器調幅電路

1、摘要 protel是當今電子行業(yè)中常用的eda工具，能夠完成原理圖的繪制與仿真以及pcb板的制作，操作方便，功能強大。本次設計便是以protel dxp為基礎平臺，綜合運用其原理圖（sch）繪制，原理圖（sch）仿真以及印刷板（pcb）的制作功能，基本展現(xiàn)了protel的基本功能。該設計對模擬乘法器進行了簡單的原理說明，原理圖的繪制，原理圖的仿真以及最終的pcb的制作。 在電子科技發(fā)達的今天，通信和廣播領域也在電氣界中扮演著重要的角色。而通信又成為人們生活、工作當中不可或缺的組成部分。為了提高通信質量和處理信號方便，需要在將語音、圖象等有用信息經過調幅后再發(fā)送出去，這就無疑需要一種振幅調制電路

2、來實現(xiàn)。幅度調制就是載波的振幅（包絡）受調制信號的控制作周期性的變化。變化的周期與調制信號周期相同。即振幅變化與調制信號的振幅成正比。通常稱高頻信號為載波信號。現(xiàn)設計一種簡易的振幅調制電路，該電路的載波由高頻信號發(fā)生器產生，經放大后和調制信號經乘法器后，輸出抑制載波的雙邊帶調幅波，輸出的雙邊帶調輻波與放大后的載波再經過相加器后，即可產生普通調幅波。本實驗中載波是由晶體振蕩產生的10mhz高頻信號。1khz的低頻信號為調制信號。振幅調制器即為產生調幅信號的裝置。關鍵字：protel；pcb；模擬乘法器；幅度調制；電路仿真目錄第一章：設計報告21.1課程設計性質21.2課程設計目的21.3課程設計

3、內容及要求21.4課程設計基本原理21.4.1基本原理：21.4.2集成模擬乘法器mc149631.4.3幅度調制61.4.4設計原理圖說明6第二章：protel繪制原理圖72.1模擬乘法器調幅電路原理圖的繪制72.2protel具體繪制步驟72.3模擬乘法器調幅電路元件布局102.4電路原理圖11第三章：制作pcb圖113.1pcb簡要說明113.2封裝123.3布局與自動布線123.4自動布線結果：143.5設置敷銅14第四章：protel原理圖的仿真164.1執(zhí)行分析：164.2靜態(tài)工作點分析：174.3瞬態(tài)分析：194.4交流小信號分析：20第五章：總結體會21第六章：參考文獻22第一

4、章：設計報告1.1 課程設計性質 綜合設計性試驗，本課程設計涉及的主要學科分支為通信電子線路。1.2 課程設計目的1. 掌握用集成模擬乘法器實現(xiàn)全載波 調幅、抑止載波雙邊帶調幅的方法。研究已調波與調制信號以及載波信號的關系。2. 通過實驗對比全載波調幅、抑止載波雙邊帶調幅波形。3. 了解并掌握模擬乘法器（mc1496）的工作原理，掌握調整與測量其特性參數的方法4. 熟悉并鞏固protel軟件畫原理圖，以及multisum仿真軟件進行仿真，獨立完整地設計一定功能的電子電路，以及仿真和調試等的綜合能力。1.3 課程設計內容及要求1. 繪制具有一定規(guī)模、一定復雜程度的電路原理圖*.sch（自選）?？?/p>

5、以涉及模擬、數字、高頻、單片機等等電路。2. 繪制電路原理圖相應的雙面印刷版圖*.pcb3. 選做：對電路原理圖進行仿真，給出仿真結果（如波形*.sdf、數據）并說明是否達到設計意圖。本課設內容與要求：主要利用mc1496設計幅度調制器，在已知電源電壓為 +12v和-12v下，工作頻率，設計幅度調制器，要求輸出功率：，效率1.4 課程設計基本原理1.4.1 基本原理：幅度調制就是載波的振幅（包絡）隨調制信號的參數變化而變化。本實驗中載波是由實驗箱的高頻信號源產生的10mhz高頻信號，利用dds信號發(fā)生器輸出1khz的低頻信號為調制信號。振幅調制器即為產生調幅信號的裝置。1.4.2 集成模擬乘法

6、器mc1496(1)內部結構以及圖形本次課程設計主要采用集成芯片mc1496來實現(xiàn)幅度調制器的設計。在本設計中采用集成模擬乘法器mc1496來完成調幅作用，圖1-1為1496芯片內部電路圖，它是一個四象限模擬乘法器的基本電路，電路采用了兩組差動對由v1v4組成，以反極性方式相連接，而且兩組差分對的恒流源又組成一對差分電路，即v5與v6，因此恒流源的控制電壓可正可負，以此實現(xiàn)了四象限工作。d、v7、v8為差動放大器v5與v6的恒流源。進行調幅時，載波信號加在v1v4的輸入端，即引腳的、之間；調制信號加在差動放大器v5、v6的輸入端，即引腳的、之間，、腳外接1k電位器，以擴大調制信號動態(tài)范圍，已調

7、制信號取自雙差動放大器的兩集電極（即引出腳、之間）輸出。圖1-1 mc1496內部電路圖用mc1496集成電路構成的調幅器電路圖如圖1-1所示，圖中vr8用來節(jié)引出腳、之間的平衡，vr7用來調節(jié)腳的偏置。器件采用雙電源供電方式（12v，12v），電阻r29、r30、r31、r32、r52為器件提供靜態(tài)偏置電壓，保證器件內部的各個晶體管工作在放大狀態(tài)。調幅波的解調是調幅的逆過程，即從調幅信號中取出調制信號，通常稱之為檢波。調幅波解調方法主要有二極管峰值包絡檢波器，同步檢波器。本實驗板上主要完成二極管包絡檢波。二極管包絡檢波器主要用于解調含有較大載波分量的大信號，它具有電路簡單，易于實現(xiàn)的優(yōu)點。實

8、驗電路如圖所示，主要由二極管d7及rc低通濾波器組成，利用二極管的單向導電特性和檢波負載rc的充放電過程實現(xiàn)檢波.所以rc時間常數的選擇很重要，rc時間常數過大，則會產生對角切割失真又稱惰性失真。rc常數太小，高頻分量會濾不干凈.綜合考慮要求滿足下式： 其中：ma為調幅系數，max為調制信號最高角頻率。當檢波器的直流負載電阻r與交流音頻負載電阻r不相等，而且調幅度 又相當大時會產生負峰切割失真（又稱底邊切割失真），為了保證不產生負峰切割失真應滿足： (2)模擬乘法器調幅電路原理本設計采用雙平衡四象限模擬乘法器電路進行振幅調制，電路參考了集成模擬芯片mc1496的內部電路（圖1-2），其原理簡單

9、說明如下：q1,q2,q3,q4組成雙差分放大器集電極電阻由外接電阻于jo6與jo12提供。q5,q6組成的單差分放大電路用于激勵q1q4。q7,q8及其偏置電路構成恒流源電路。jo8與jo10接輸入電壓vx，jo1與jo4接另一輸入電壓vy，輸出電壓vo從jo6和jo12輸出。jo2與jo3外接電阻re，對差分放大器q5，q6產生電流負反饋，可調節(jié)乘法器的信號增益，擴展輸入電壓vy的線性動態(tài)范圍。jo14為負電源端（雙電源供電）或接地端（單電源供電），jo5外接電阻r5用來調節(jié)偏置電流i5及鏡像電流i0的值。圖1-2 mc1496原理圖(3)靜態(tài)工作點設置靜態(tài)偏置電壓的設置應保證各個晶體管工

10、作在放大狀態(tài)，即晶體管的集-基極間的電壓應大于或等于2v，小于或等于最大允許工作電壓。根據mc1496的特性參數，對于圖1-1所示的內部電路，在應用時，靜態(tài)偏置電壓應滿足下列關系：v8 = v10 v1 = v4 v6 = v12 15v (v6-v8) 2v 15v (v8-v1) 2.7v 15v (v1-v4) 2.7v 一般情況下，晶體管的基極電流很小。對于圖1-2，三對差分放大器的基極電流i8,i10,i1和i4可以忽略不計，因此器件的靜態(tài)偏置電流主要由恒流源i0的值確定。當單電源供電時，引腳jo14接地，jo5通過一電阻接的正電源（典型值為+12v），由于i0是i5的鏡像電流，所以

11、改變電阻r5可以調節(jié)i0的大小。 當器件為雙電源工作時，jo14接負電源（一般接-8v），jo5通過電阻r5接地，因此，改變r5也可以調節(jié)i0的大小，依據mc1496的性能參數，器件的靜態(tài)電流小于4ma，一般取i0=i5=1ma左右。1.4.3 幅度調制 振幅調制就是使載波信號的振幅隨信號的變化規(guī)律而變化的技術。通常載波信號為高頻信號，調制信號為低頻信號。幅度調制也是是正弦波或脈沖序列的幅度隨調制信號線形變化的過程。調幅信號的表達式為： 其中為外加直流，表示調制信號1.4.4 設計原理圖說明本設計采用圖1-3的原理圖，載波信號um經高頻耦合電容c2從jo10輸入，c1為高頻旁路電容，使jo8接

12、地。調制信號us經低頻耦合電容c3從jo1輸入，c5為低頻旁路電容，使jo4接地。調幅信號uo從jo12與jo6后經一電壓跟隨器變?yōu)閱味诵盘柡筝敵?。器件采用雙電源供電方式，所以jo5的偏置電阻r5接地， jo2與jo3之間接入負反饋電阻r14，以擴展調制信號的線性動態(tài)范圍，r14增大，線性范圍增大，但乘法器的增益隨之減小。r11，r12與電位器r16組成平衡調節(jié)電路，改變r16可以使乘法器實現(xiàn)抑制載波的振幅調制或有載波的振幅調制。圖1-3設計原理圖第二章：protel繪制原理圖2.1 模擬乘法器調幅電路原理圖的繪制protel 的原理圖繪制是十分方便的，首先要新建一個工程，將所需的文件都保存在

13、工程里，工程是在繪制完原理圖后進行仿真以及pcb板制作的基礎，否則會產生仿真錯誤以及無法由原理圖將原件導入pcb中，新建工程的類型選擇為pcb project。protel dxp自帶了豐富的元件庫，可以很方便的繪制原理圖，并且還提供了一些專門用于仿真的元件庫，包括一些常用的元器件的仿真模型以及一些常用的信號源（包括正弦，方波，指數，受控源）和一些常用的數學運算電路，可以很方便的用于仿真。2.2 protel具體繪制步驟1） 打開protel dxp 然后依次選filenewprojectpcb project，然后將工程保存。2） 新建原理圖，在菜單中選filenewschematic或對工

14、程右鍵選擇給工程添加新的schematic新建一張原理圖，保存后便可開始繪制原理圖。圖2-1 新建原理圖3） 網絡交叉報表統(tǒng)計所需元器件，在protel 99se中reportscross reference生成。表 2-1 元件清單表4） 繪制原理圖，首先要添加所需的元件庫，具體做法是，打開右側浮動面板中的library，然后單擊libraries，在彈出對話框中單擊installs選擇相應的元件庫即可完成安裝。圖2-2 添加刪除元件庫對話框5） 在繪制原理圖時元件的標號默認是加“？”的，繪制過程中需要修改，可以采用放置歷史元件的方法對元件自動編號。將designator后修改為所需的起始編

15、號，放元件時會隨元件數目增加，標號也會自動增加。圖2-3 查找元件圖2-4 放置元件對話框6） 為增加原理圖的可讀性和方便仿真，一般要對關鍵的節(jié)點加網絡標號，通過菜單中的placenet label（也可用工具欄的快捷按鈕）進行添加，雙擊相應的網絡標號可對其做必要的修改。2.3 模擬乘法器調幅電路元件布局根據元件清單進行元件布局如圖：圖2-5 模擬乘法器調幅電路元件布局圖2.4 電路原理圖protel本次模擬乘法器調幅電路用到的mc1496集成電路在protel dxp中并沒有提供仿真模型，而mc1496的內部基本原理有較為簡單，因而采用了依據其內部基本原理用分立元件搭建mc1496乘法器的方

16、法設計的該調幅電路。在乘法器的輸出采用了以受控電壓源將雙端輸出信號轉變?yōu)閱味溯敵觯唧w電路如圖所示：圖2-6 protel設計原理圖 第三章：制作pcb圖3.1 pcb簡要說明protel dxp提供了非常強大的pcb電路板的繪制功能，可以通過原理圖直接經網絡報表生成pcb，protel dxp還提供了非常強大的自動布局與自動布線功能，并且用戶有更多的選擇余地，例如，在自動布局中有最短連線，最小板面積兩種布局方式，并且每種方式還有其他的參數選擇，在自動布線上，protel dxp 提供了布線規(guī)則的設置，可以設置布線的寬度、方向，布線的優(yōu)先級，布線速度與過孔數目之間的衡量等多種選項。雖然通過pr

17、otel dxp的自動布局和自動布線功能十分方便，但在自動布局方面有時人不十分理想，尤其是在涉及高頻時，在對元件的擺放有特別的限制是，自動布局的效果往往不是很理想，因而一般以自動布局為參考，適當的手工更改某些元件的擺放位置的設計方式。3.2 封裝在進行pcb的制作前，必須對原理圖中的元器件進行封裝。點擊工具封裝管理器，對元件進行如圖3-1所示封裝。圖3-1 封裝設置3.3 布局與自動布線由于本次設計所涉及的元件數目較少，因而采用手動布局的方式(設計update)，手動布局結果如圖3-2所示。圖3-2 手動布局結果1） 手動布局結束后，采用自動布線器進行布線。2） 設置自動布線規(guī)則，在菜單中選擇

18、auto routeall，在對話框中選擇編輯規(guī)則，在彈出對話框（圖3-3）中修改width的布線規(guī)則完成布線。圖3-3 布線規(guī)則設置對話框3.4 自動布線結果：圖3-4 自動布線結果圖3-5 自動布線頂層效果圖3-6 自動布線底層效果3.5 設置敷銅敷銅主要是為了提高電路板的抗干擾能力，由于電路板上的電路的工作頻率較高，電磁干擾較強，如果不進行接地線敷銅操作，那么整個電路板的接地面積過小，將導致整個電路板的地電平不穩(wěn)定，噪聲很大，容易產生干擾信號，從而導致電路板無法正常工作。在protel dxp中放置敷銅也非常簡單，從菜單中的placepolygon pour在彈出對話框中進行敷銅設置，將

19、敷銅放在底層，與gnd網路相連，去除死銅。圖3-7 敷銅設置對話框敷銅效果：圖3-8 敷銅效果圖第四章：protel原理圖的仿真4.1 執(zhí)行分析：protel提供了模擬/數字混合仿真，其仿真引擎使用伯克利分校spice3f5/xspice，它可以精確仿真由各種元器件構成的電路。對于復雜的數字器件，protel允許使用一種特殊的描述性語言(digital simcode),設計者可通過它建立相應的數字器件模型，以供protel仿真使用。它所執(zhí)行的分析功能有：(1) 靜態(tài)工作點分析(operating point):靜態(tài)工作點分析可用于分析直流穩(wěn)態(tài)電路和交流放大電路的靜態(tài)工作點。選擇合適的靜態(tài)工作

20、點是交流放大電路進行正常工作的前提。(2) 直流掃描分析(dcs):直流掃描分析是直流轉移特性分析，允許設置兩個掃描變量，通常第一個掃描變量(主獨立源)所覆蓋的區(qū)間是內循環(huán)，第二個掃描變量(次獨立源)掃描區(qū)間為外循環(huán)。(3) 交流小信號分析(ac small signal):交流小信號分析是一種線性領域分析，仿真程序將首先分析計算電路的直流工作點，以確定電路中非線性元件的線性化模型參數，然后在設計者指定的頻率范圍內，對變換后的線性化電路進行頻率掃描分析。(4) 瞬態(tài)分析(transient analysis):瞬態(tài)分析是一種非線性時域分析方法，它可以在給定激勵信號(或無任何激勵)的條件下，計算

21、電路的時域響應。它類似于利用示波器觀察各節(jié)點電壓或電流的波形。瞬態(tài)分析時，電路的初始狀態(tài)允許設計者自行指定。(5) 溫度掃描分析(temperature sweep):溫度掃描分析是指在一定溫度范圍內進行電路參數計算，從而確定溫度漂移等性能指標。它不能單獨使用，必須在瞬態(tài)分析、直流掃描分析或交流小信號分析時，才允許使用溫度掃描分析。(6) 傅立葉分析(fourier analysis):傅立葉分析是在大信號正弦瞬態(tài)分析時，對輸出的最后一個周期波形進行諧波分析。(7) 噪聲分析(noise)：噪聲分析可通過繪制噪聲譜密度圖，以確定電阻噪聲和半導體噪聲對噪聲特性的影響。噪聲譜密度按每赫茲噪聲強度繪

22、制，系統(tǒng)能夠計算下列噪聲：輸入噪聲、輸出噪聲和器件噪聲。(8) 傳遞函數分析(transfer function)：傳遞函數分析是在直流工作點的基礎上，在電路直流偏置附近將電路線性化，從而計算電路的輸入阻抗，輸出阻抗以及直流增益。(9) 蒙特卡羅分析(monte carlo)：蒙特卡羅分析是一種統(tǒng)計模擬方式，它是在給定電路元器件參數容差的統(tǒng)計分布規(guī)律的條件下，用一組組偽隨機數求得元件參數的隨機抽樣序列。對這些隨機抽樣的電路進行直流、交流小信號、瞬態(tài)分析，并通過多次分析的結果估算出電路性能的統(tǒng)計分布規(guī)律以及電路的合格率、成本等等。(10) 參數掃描分析(parameter sweep):參數掃描

23、分析允許設計者在指定的范圍內，以自定義的增幅掃描元件的參數值，它可以與其它分析方法配合起來使用，對電路所執(zhí)行的分析進行參數掃描，對于研究電路參數變化對電路特性的影響提供了很大的方便。本次設計主要對所設計的模擬乘法器調幅電路進行各種仿真，為使仿真能夠順利進行，需要對原理圖進行必要的修改，首先是添加相應的激勵源，信號源，并對信號源的仿真參數進行必要的修改。在本次仿真中載波頻率設置為10khz，調制波頻率設置為1khz，兩個信號源的輸出分別添加相應的網絡標號，同時為輸出添加網絡標號，將受控電壓源的比例系數改為1，作為電壓跟隨器使用。4.2 靜態(tài)工作點分析：靜態(tài)工作點主要是針對mc1496靜態(tài)工作點進

24、行分析，以驗證mc1496是否處于正常的工作狀態(tài)，具體做法如下：1） 首先將工程進行編譯，在菜單中依次選擇projectcompile document，對原理圖進行編譯，若出現(xiàn)錯誤，將錯誤修正后重新編譯，直至無錯誤為止。2） 設置仿真，在菜單中依次選designsimulatesim，彈出如圖所示的對話框，在右側的available signals列表中將所需要分析的節(jié)點網絡標號添加至右側activesignals列表中，然后從中選擇operating point analysis（靜態(tài)工作點分析），設置完成后單擊ok進行仿真。圖4-1 仿真中設置對話框仿真結果：圖4-2 靜態(tài)工作點分析仿真結果4.3 瞬態(tài)分析：瞬態(tài)分析主要是對模擬乘法器調幅電路的工作性能進行分析，在仿真設置對話框中將仿真節(jié)點選擇為vs，vm，vo，仿真類型中選擇transient/ fourier analysis,仿真的起始時間，結束時間和時間步長采用默認值即可仿真結果如圖：圖4-3 瞬態(tài)仿真結果圖4-4 傅里葉仿真分析結