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模拟电路课程设计报告
设计内容:串联型直流稳压电源
设计一个输出电压在6~15V可调的串联型直流稳压电源，将市电(220V/50HZ的交流电)经电源变压器，整流电路，滤波电路，稳压电路后转变为6~15V的直流稳定电压。
目录
一：设计要求
二：直流稳压电源原理描述
三：设计步骤及电路元件选择
四：各模块电路图及其仿真结果
五：总的电路图及其仿真结果
六：总结
一：设计要求
设计一个最大负载电流100mA左右，输出电压在6~15V可调的串联型直流稳压电源，将市电(220V/50HZ的交流电)经电源变压器，整流电路，滤波电路，稳压电路后转变为6~15V的直流稳定电压。
二：直流稳压电源原理描述
电子设备一般都需要直流电源供电。这些直流电除了少数直接利用干电池和直流发电机外，大多数是采用把交流电（市电）转变为直流电的直流稳压电源。
图（1）直流稳压电源框图
图(4)具有放大环节的串联型稳压电路
图（5）串联型直流稳压电源电路图
直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如图（1）所示。电网供给的交流电压U1(220V，50Hz)经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压U2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压U3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压UI。但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。
图（2），（3），（4）串联起来就组成了具有放大环节的串联型稳压电源电路图，即图（5），其整流部分为单相桥式整流、电容滤波电路。稳压部分为具有放大环节的串联型稳压电路，它由调整元件（晶体管Q1，Q2组成的复合管）；比较放大器（集成运放A）；取样电路R2、R4、R3，基准电压DZ、R1等组成。整个稳压电路是一个具有电压串联负反馈的闭环系统，其稳压过程为：当电网电压波动或负载变动引起输出直流电压发生变化时，取样电路取出输出电压的一部分送入比较放大器，并与基准电压进行比较，产生的误差信号经比较放大器放大后送至调整管的基极，使调整管改变其管压降，以补偿输出电压的变化，从而达到稳定输出电压的目的。
三：设计步骤及电路元件选择
设计过程采用模块化进行，先依次设计好各模块电路及仿真无误后，再将它们串联起来组成总的电路图；
电路元件选择：
1：Ui的确定
Ui=Uo+Uce，因为Uomax=15V，Uce>Uces=1~2V，取Uces=2V，所以Ui=Uomax+Uces=17V;
2:调整管的选择
Ucemax=Ui-Uomin=17-6=11V，查表选择D42C3，为扩大输出电流范围，采用D42C8和D42C3构成的复合管;
3：稳压二极管Dz的选择
Uz小于等于Uomin=6V，所在选用ZPD5.1稳压管，参数为Uz=5.18V，Iz=1~10mA；
4：电阻R1的选择
UR1=Ui-Uz=17-5=12V，IR1取10mA，R1=UR1/IR1=1.2k，R1取1k;
5:集成运放的选择
因为本电路对集成运放要求不高，所以选用通用型集成运放；
6：滤波电容C1的选择
为提高滤波效果，C1选用470uf的电解电容；
7：取样环节的电阻R2，R3，R4的确定
Uomax=(R2+R3+R4)*Uz/R3
Uomin=(R2+R3+R4)*Uz/(R3+R4)
其中R4为最大阻值为1Ko的滑动变阻器，Uz=5.18V，Uomax=15V，Uomin=6V，联立方程，可求得R2=264ohm，R3=666ohm;
8：U2及变压器的确定
对于全波整流电路，Ui=1.2U2，所以U2=Ui/1.2=14V，所发选用变比为10：1的变压器，再通过电阻分压后得到14V电压；
9：整流二极管的选择
URm>1.1*1.414*U2=1.1*1.414*14=22V，查表选用1B4B42
四：各部分电路图及其仿真结果
1电源变压器电路图及其仿真结果
电源变压器将交流市电（220V/50HZ）电网电压u1变为合适的交流电压u2
2单相桥式整流电路图及其仿真结果
整流电路的任务是把交流电压转变为直流脉动的电压
电路图：
仿真结果：
3电容滤波电路图及其仿真结果
电路图：
仿真结果：滤波电容C=22uf
滤波电容C=470uf时
4具有放大环节的串联型稳压电路图及其仿真结果
五：总的电路图及其仿真结果
通过调节滑动变阻器R4的阻值可得到6~15V稳定的直流电压
仿真结果：
输入电压U2波形图
输出电压U0波形图
六：课程设计总结与体会
1通过这次稳压电源的设计，使我巩固和加深了在模拟电子技术课程中所学的理论知识，对整流电路，滤波电路，稳压电路等的认识更加深刻，并学会查阅相关手册和资料，提高了分析问题，解决问题的能力；
2采用分模块的设计顺序可以优化设计流程，使之更符合逻辑性。但是需要注意的是，在其中每个环节必须认真进行，如果某模块电路没有设计好，或者存在错误，则总的电路必然会受到影响，所以在设计过程中我们要保持认真严谨的态度；
3这次课程设计是一次理论联系实际的过程，在设计中遇到了许许多多的实际问题，在理论上正确的结果在模拟时可能出现各种各样意料之外的结果，这就需要我们在设计的过程中从实际出发，尽可能的考虑到实际情况。另外，在遇到问题时要学会用理论联系实际的方法分析问题，解决问题；
4通过这次课程设计，使我基本掌握了设计软件Multisim2001的使用方法，且初步掌握了电子电路的设计方法，在以后还需多加练习，熟练掌握；
摘要电路仿真技术是近十年来在电子技术研究领域的一场革命。设计人员利用计算机及其软件的强大功能，在电路模型上进行电路的性能分析和模拟实验，从而得到准确的结果，然后再付诸生产，极大的减少了实验周期和试制成本，提高了生产效率和经济效益，受到了电子生产厂家的一致欢迎。现在，电子仿真技术已成为电子工业领域不可缺少的先进技术。
可进行电子仿真的软件有多种，其中以PROTEL99流行最广。尤其是PROTEL99-SE仿真器，提供了强大的仿真功能，仅仿真元件就有6400多种，对模拟电路、数字电路和模拟数字混合电路均能实现仿真。PROTEL99-SE具有WINDOWS风格的菜单、对话框和工具栏，极大的方便了用户的操作。Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。它的下层软件有Proteldxp，用这个来做仿真就相对容易不少。用它做PCB电路，由于给定的电路相对而言很复杂，画电路原理图时还好画，但是制作PCB时就显得很麻烦，不过还好有自动布线这一功能，所以还是很简单的。
关键词：仿真、PROTEL99、PCB、自动布线
Abstract
?Circuitsimulationtechnologyisinrecenttenyearselectronictechnologyresearchinthefieldofarevolution.Researchersusedthecomputerandsoftwaredesignofthepowerfulfunction，inthecircuitmodelonthecircuitperformanceanalysisandsimulationexperiment，soastogettheexactresults，andthenputintoproduction，greatlyreducingtheexperimentalcycle，andmanufacturecost，improvetheproductionefficiencyandeconomicbenefit，bytheelectronicmanufacturer'sconsistentwelcome.Now，electronicsimulationtechnologyhasbecomeindispensableintheelectronicindustryofadvancedtechnology.
Electronicsimulationsoftwarecanbeavarietyof，amongthemwithPROTEL99'smostprevalent.EspeciallyPROTEL99-SEsimulators，providingapowerfulfunctionofthesimulation，thesimulationcomponentonlyhas6400avarietyof，foranaloganddigitalcircuitsimulationanddigitalhybridcircuitallcanrealizesimulation.PROTEL99-SEhasWINDOWSstyleofmenus，dialogboxesandtoolbar，greatlyconvenientuseroperation.LatestproductalreadyisnotmerelyProtelPCB(printedcircuitboard)designtools，butasystemtools，coveredwithPCBasthecoreofthewholephysicaldesign.ItisthesoftwareProtelDXP，usethistodomanysimulationisrelativelyeasy.UseittomakePCBcircuit，duetoagivencircuitisrelativelycomplex，thepictureofthecircuitprinciplediagramwhenstillgoodpainting，butwhenmakingPCBappearsverytroublesome，butalsogoodhaveautomaticwiringthisfunctionality，soisverysimple.
Keywords：Circuitsimulation、PROTEL99、PCB
1直流稳压电源原理分析1.1直流稳压电源的类型划分
（1）线性电源
传统线性电源
低压差线性电源（LDO)
（2）开关类电源
Chargepump(inductorlessDC-DC)
DC-DC(inductor)
1.1.2各类直流稳压源的优缺点
（1）线性电源
n优点
外围器件少，PCB面积小，花费少
无开关噪声，纹波小
n缺点
降压输出
效率低，功耗大
（2）开关电源
n优点
可升压、可降压
效率高，功耗小
n缺点
设计更复杂，外围器件多，花费也较高
输出纹波大
1.2DC-DC类直流稳压源原理1.2.1DC-DC类直流稳压源介绍
将一个不受控制的输入直流电压变换成为另一个受控的输出直流电压称之为DC-DC变换。
随着科学技术的发展，对电子设备的要求是：①性能更加可靠；②功能不断增加；③使用更加方便；④体积日益减小。这些使DC-DC变换技术变得更加重要。目前，DC-DC变换器在计算机、航空、航天、水下行器、通信及电视等领域得到了广泛的应用，同时，这些应用也促进了DC-DC变换技术的进一步发展。DC-DC类直流稳压源的原理框图如图1所示：
图1DC-DC原理图
1.2.2DC-DC的基本电路
DC-DC所包含的三种基本电路分别如下图图2、图3、图4所示：
（1）StepDown“Buck”Converter
图2buck电路图
（2）StepUP“Boost”Converter
图3boost电路图
（3）StepUp/StepDown“Buck-Boost”Converter
图4Buck–Boost电路图
1.3LDO类直流稳压源原理1.3.1LDO类直流稳压源介绍
LDO是一种线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。所谓压降电压，是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下100mV之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。正输出电压的LDO（低压降）稳压器通常使用功率晶体管（也称为传递设备）作为PNP。这种晶体管允许饱和，所以稳压器可以有一个非常低的压降电压，通常为200mV左右；与之相比，使用NPN复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为2V左右。负输出LDO使用NPN作为它的传递设备，其运行模式与正输出LDO的PNP设备类似。
更新的发展使用MOS功率晶体管，它能够提供最低的压降电压。使用功率MOS，通过稳压器的唯一电压压降是电源设备负载电流的ON电阻造成的。如果负载较小，这种方式产生的压降只有几十毫伏。其原理框图如图5所示：
图5LDO类直流稳压源原理图
1.3.2LDO电路图
图6LDO电路图
1.3.3LDO电路工作原理
n电路开始启动，恒流源电路给整个电路提供偏置，基准源电压快速建立
n输出随着输入不断上升，输出达到规定值
n误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大，再经调整管放大到输出，从而形成负反馈，保证了输出电压稳定
n输入电压变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压保持不变
2电路仿真2.1仿真用电路图
图7LDO结构的直流稳压源原理图
图8DC-DC结构的直流稳压源原理图
2.2仿真步骤
具体的仿真步骤如下所示：
（1）在原理图编辑器中载入仿真元件库"Sim.ddb"。
（2）在电路图中放置仿真元件，并设置元件的仿真参数。
（3）连接好仿真线路，绘制仿真电路原理图。
（4）在仿真电路图中添加电源及激励源。
（5）设置仿真节点以及电路的初始状态。
（6）对电路原理图进行ERC检查，当电路中没有错误的时候进行仿真。
（7）设置仿真分析的参数，使仿真图形清晰明了，得到仿真结果。
2.3仿真结果
图9LDO结构的直流稳压源电路仿真图
图10DC-DC结构的直流稳压源电路仿真图
2.4实验结果分析
根据仿真结果来看，两种结构的直流稳压源的输出均表现为一条平行的直线。由此可以看出，两种电源都能够达到直流稳压的性能要求。符合设计要求，实验仿真成功。
3用PROTEL绘制电路原理图3.1创建ddb文件
首先打开protel99SE软件，新建一个工程项目即执行菜单命令【FILE】/【NEW】，在弹出的对话框如图所示中将文件格式设置为MSAccessDatabase，文件名改为自己喜欢的名字，存储路径根据需要更改，然后点击“OK”就创建了一个后缀名为DDB的文件，我所做的所有内容都会在这个文件里面了。我的工程中我将它命名为“直流稳压电源.ddb”。
图11创建DDB文件界面
3.2新建一个设计
用右键、新建、选择SCHEMATICDOCUMENT创建一设计，命名，选择文件路径，然后进入Protel99SE的标准界面。进入Documents目录，用File/New命令，系统弹出文件类型的对话框。我们选择SCH图标，即进入SCH设计系统，同时系统界面变为SCH的设计界面。
图12创建SCH文件界面
图13绘制原理图界面
3.3元件库的调入
我们发现，左边多了一个BrowseSCH的选项卡。单击则进入了原理图管理器，Libraries即所使用的元件库
图14查找原件界面
一般来说，默认元件库MiscellaneousDevices.lib即可满足需要。如需使用其他元件库，例如在本课程设计任务中我需载入sim仿真库，如图点击“Add”，此元件库便添加到工作界面。如果要移除此库，点Remove即可。
则可按照以下步骤选择新的库文件。
点击钮，弹出以下对话框：
图15添加库文件界面
b.选择路径，指定所要加入的元件库，再按Add按钮，即可将它复制到下面的区域，如下图所示。
图16添加原件库界面
同样，如果程序加了太多元件库，也可以在下面的区域中指定所要移除的元件库，按Remove按钮即可将它拿掉。
一切就绪后，再按OK按钮，我们所指定的元件库也就已经成功添加好了。
3.4放置元器件
在元件库元件列表中选中所需器件，双击，移动光标至工作平面的适当位置，在移动的过程中，按空格键可以将元器件进行旋转。单击左键，即可将元件定位到工作平面上了。双击该器件，弹出设计元器件属性的对话框，。
图17设置原件属性
框中各栏的意义如下：
LibRef:元件名称。该项是根据放置元件时的名称设置自动提供的，不可更改。
Footprint:器件封装，系统自动根据放置元件提供，不可更改。
Designator:元件标号，如R1，C2。
Part:器件类别或标准值，如1K，0.01u。
此外，为更加方便地找寻元件，还可点击左边的“BrowseSch”下的“Find”可以直接搜索，打开直接输入RES系统自动在所有库中寻找到目标元件，之间加入这个库并且点击就可以放置这个元件到所需要的位置。
3.5布线
在进行合理布局之后就可以开始布线了，将放置好的元器件各管脚用具有电气意义的导线、网络标号等连接起来，使各原件之间具有用户所设计的电气连接关系。执行画导线命令的方法有两种：一是用鼠标单击画原理图工具栏（Wiringtools）中的Wiring图标；二是利用菜单命令Place/Wire。执行以上操作后，单击鼠标左键，确定导线的起点，移动鼠标的位置，拖动线头至导线的末端，单击左键，确定导线的终点。最终即可得到电路原理图。
并且注意到其中的一些快捷键的用法可大大提升布线效率，如PGUP\PGDN放大缩小，TAB切换属性，E/D剪切修改等。布线时一定要考虑大局，线路拐弯时可以用两个45度角拐过去，这样布出的线路就好看一点。注
意总线分支的方向转换用空格键。
4电器检查及生成网络表4.1电器检查、修改、调整
选择TOOLS菜单下的ERC项，弹出对话框，直接点击OK键即可进行ERC检查，如果有问题将用坐标标注元件的位置。返回电路原理图，改正错误的元件属性，再进行ERC检查，直至完全正确。如图18：
图18电气检查界面
4.2生成网络表
执行菜单命令【DESIGN】/【CREATNETLIST】，弹出的对话框中将outputformat选择protel，将netidentifierscope选择网络标号和端口全局有效，下面的选择activesheet然后点击OK就自动生成了网络表，其后缀名为.net。关于网络列表的生成对PCB文件的成功导入至关重要。
图19网络表界面
5PROTELPCB印制板电路的绘制5.1绘制电路图
图20绘制pcb电路图
5.2创建PCB文件
同创建sch电路图文件一样，双击进入document，执行右键、新建、PCBdocument即可创建PCB文件。在生成PCB文件之前应保证原理图没有错误，文件生成后将所需要的库文件导入到PCB，否则即使原理图无错误系统也会报错。
图21PCB设计界面
5.3导入网络表并规划PCB版
选择设计/加载网络表再弹出的对话框中按Browse按钮，将弹出文件选择李念.NET文件，点击OK，弹出对话框。若元件封装、原理图均无错误后即可在PCB版上生成元器件。然后就可以开始规划PCB版了，首先在KeepoutLayer或者MutiLayer用线(track)画出一长方形区域(足以容纳元器件)，以此来确定电路板大小范围。注意板子大小要适中，太大会造成材料的浪费，太小会给后面的连线带来很大的麻烦。
5.4设置工作参数
元器件导入后，我就开始设置工作参数，在图层堆栈管理器内，根据设计需要，可以将PCB版设计成单面板、双面板和多层板3种。在设定完PCB的类型后，还应当预设工作参数，如相应的布线规则。
5.5PCB布线
在确保以上步骤正确进行后点击命令菜单【AUTOROUTE】/【ALL】中执行【ROUTEALL】即可进行自动布线，自动布线的前提是已经将边界框好，否则点击自动布线系统将会报错，自动布线选择的是最短路程。最后可得到如下的pcb图。
5.5.1自动布线及调整生成的PCB
图22自动布线的生成的PCB
5.5.2得到的顶层的PCB
图23顶层的PCB图
5.5.3得到的底层的PCB
图24底层的PCB图
这样就完成了一个从原理图到印刷电路板的设计。
6小结与体会
这次Protel课程设计的学习，学到了很多关于电路理论方面和实践方面的知识，受益匪浅。对这门课程设计非常感兴趣。不仅锻炼了自己的动手能力，也从一定程度上学会Protel仿真软件的应用，亦加深了对书本上知识上的认识。在Protel99SE课程设计中，最初的盲目乱划乱布线到有条理，有步骤，收获不小，但在中间总是有地方想不过去，后来请教同学，查看资料，最终解决了问题。
在Protel课程设计中，首先熟悉下理论上知识，然后重点学习对Protel的使用方法。在了解理论知识前提下，使用Protel对电路图进行绘制，然后进行相应结果与实际的理论上进行一下比较看看是否合理，在对误差进行分析，大大增加了这次课程设计的实用性。这样的模拟也大大减少了真实成品过程中实践所用的时间和金钱。对整个用Protel过程中其实也并不是很难，重点是自己不要粗心大意掉这个掉那个，难就是难在对PCB版手动布线这不仅要很好的耐心也要有良好的动手基础。这也是对学生我们自己的考验。
我觉得老师给我们作类似的课程设计是十分必要的，这不仅可以提起我们对这门课的学习兴趣，同时还可以在专业上用实践锻炼一下我们，使我们不但不在对所学专业感到陌生，而且还可以培养大家的动手积极性。
总的来说，对于作为通信类的学生，我觉得能做类似的课程设计不仅是十分有意义，而且是十分必要的。我深知课程设计的重要性。这不仅使一次实践也是一次对所学的总结，理解，赋予实际的绝好时机。这次课程设计中我从刚开始的什么都不懂不会，以一种不可下手的无力感。到现在的基本了解了一个电路元件是构成，封号的，还可很好完成软件的使用。其中用软件仿真也让我对以前学习的电路理论知识有了详细地了解。
7参考文献
[1]Protel99入门与提高.赵品编著.人民邮电出版社.2000.11
[2]Protel99高级应用.赵品编著.人民邮电出版社.2000.11
[3]Protel99SE电路设计与仿真应用
[4]Protel99SE电路设计与制版.赵广林.北京：电子工业出版社，2005
[5]Protel99入门与提高.高鹏等编.北京：人民邮电出版社，2003
[6]Protel99高级应用.赵晶等编.北京：人民邮电出版社，2003
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