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1、数字音量控制的功率放大器的设计1 绪 论1.1 课题背景功率放大器在家电、数码产品中的应用越来越广泛，与我们日常生活有着密切关系。随着生活水平的提高，人们越来越注重视觉，音质的享受。在大多数情况下，增强系统性能，如更好的声音效果，是促使消费者购买产品的一个重要因素。低频功率放大器作为音响等电子设备的后级放大电路，它的主要作用是将前级的音频信号进行功率放大以推动负载工作，获得良好的声音效果。同时低频功率放大器又是音响等电声设备消耗电源能量的主要部分。因此设计出失真度小、效率高、功率足够大的功放是一个发展方向。功率放大器随着科技的进步是不断发展的，从最初的电子管功率放大器到现在的集成功率放大器，功
2、率放大器经历了几个不同的发展阶段：电子管功放 晶体管功放 集成功放。功放按不同的分类方法可分为不同的类型，按所用的放大器件分类，可分为电子管式放大器、晶体管式功率放大器（包括场效应管功率放大器）和集成电路功率放大器（包括厚膜集成功率放大器），目前以晶体管和集成电路式功率放大器为主，电子管功率放大器也占有一席之地。电子管功率放大器俗称胆机，电子管功放的生产工艺相当成熟，产品的稳定性很高，而离散性极小，特别是它的工作机理决定了它的音色十分温柔，富有人情味，因而成为重要的音响电路形式。电子管电路的设计、安装、调试都比较简单，期缺点是输出变压器、电源变压器的绕制工艺稍麻烦，耗电大、体积大、有一定的使用
3、期限。因此在实际使用中有一定的局限性。现在大功率晶体管种类很多，优质功放电路也层出不穷，因此晶体管功率放大器是应用最广泛的形式。人们研制出许多优质新型电路使功放的谐波失真，很容易减少到0.05%以下。场效应管是一种很有潜力的功率放大器件，它具有噪声小、动态范围大、负温度特性等特点 ，音色和电子管相似，保护电路简单。场效应管生产技术还在不断发展，场效应管放大器将有更为强大的生命力。由于集成电路技术的迅速发展，集成电路功率放大器也大量涌现出来，其工艺和指标都达到了很高水平，它的突出特点是体积小、电路简单、性能优越、保护功能齐全等。由于在很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这
4、时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器以驱动负载，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。现今功率放大器不仅仅是消费产品(音响) 中不可缺少的设备,还广泛应用于控制系统和测量系统中。 然而低频功率放大器已经是一个技术相当成熟的领域,几十年来,人们为之付出了不懈的努力,无论从线路技术还是元器件方面,乃至思想认识上都取得了长足的进步。目前市场上的集成功放产品价格已经很低并且种类也很多,典型的有LM1875、TDA1521、TDA1514。这些优质功放模块体积小、性能优越、保护功能齐全、外围电路简单、易制作易调试。最近，一种应用
5、砷化钾MESFET制成的功率放大器MMIC，在移动电话和个人数据终端领域中应用越来越广泛，一片尺寸为2.53.48平方毫米的MMIC输出功率可达1.1W，工作频率达950MHZ。本文给出一种简单实用、制作成本低廉的实用低频功率放大器的设计方案,并给出实际测试结果。功率放大可由分立元件组成,也可由集成电路完成。由分立元件组成功率放大器，如果进行精心的设计，则在效率和失真方面更优于集成的，价格方面便宜一点，但如果电路选择和参数设置不恰当时,元件性能就不能很好的发挥出来,制作调试比较困难。但是，为了更好的了解功放的基本原理，本着实用和成本的考虑，本设计采用的是由分立元件设计的功率放大器。本实用低频功
6、率放大器设计最主要的两部分为前置放大级和功率放大级。前置放大级主要任务是完成小信号电压放大任务，同时要求低噪声、低温漂。功率放大级主要任务是在允许的失真限度内,尽可能高效率地向负载提供足够大的功率，要求是输出功率要大、效率要高。通过详尽的资料查询和严密的方案论证后，我们选择通过集成运放NE5532、LM339的配套使用来使本电路系统设计实用并且达到高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的指标。1.2 选题的意义及目的随着时代的发展，人们对扬声设备的要求越来越高，而扬声设备中的功率放大电路起着最关键的作用，如果没有功率放大器扬声器就不能扩声。一个完整的电路，必然在最后的输出部分涉及到驱动
7、各类负载的问题。作为电路的前级，基本上采用的是小信号处理电路，其电路由小功率器件或小功率的集成电路构成，工作电压比较低，属于弱点范围。而驱动各类负载往往是进行大信号的处理，要求器件的耗散功率比较大，供电电压也比较高，这就在使用的器件上、电路上的设计方法和设计要求等方面注意很多。功率放大器的作用是给负载RL提供足够的输出功率。当负载一定时，希望功率放大器的输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能高。功率放大器的常见电路形式有OTL电路和OCL电路。有集成运放和晶体管组成的功率放大器，也有专用集成电路功率放大器芯片。由于集成功率放大器具有性能稳定，工作可靠，安装与调试简单等优点，
8、因此在音响设备中普遍采用集成功率放大器。现代社会电子科技的飞速发展，要求我们能把理论用于实际，所以此次该设计主要是用分立元件来设计的，以便更好的来理解功放的基本结构及工作原理。一个实用的低频功率放大器，通常由电压放大器、功率放大器及电源部分组成。本次电路设计，一方面巩固和加强了自己在电路方面的知识，了解一些常用电路的内部结构，从而为以后的学习和工作做好知识保障。另一方面，我们可以进一步加深对所学知识的理解，以及如何用所学知识来处理一些在实际操作过程中问题。这一实践与理论相结合的过程，将有益于我们学习其它理论知识和提高我们今后进一步利用理论知识解决实际问题的能力.在设计的过程中使得我们有必要对其
9、进行更深刻地认识与了解，从而在本质上掌握它的设计思路及实践方式，为以后能够更好的应用打下良好的理论基础。1.3 本课题主要研究内容本设计主要研究的是功率放大器的四个模块的基本结构的设计及其各部分的工作原理。用Protel 99se绘制好各部分电路后，用仿真软件对每个模块的电路进行单独调试以及对整机进行调试。在整个设计过称中，尤其是对前置放大电路和功率放大电路这两部分的设计进行了多个电路的论证。最后，选择了用NE5532双运放集成运算放大器构成的二级放大电路作为了前置放大级电路，而功率级放大级电路由一个差分放大器电路和一个输出端互补对称的OCL电路构成。一般而言，单级放大器电路有三种，分别为共射
10、级、共集电极、共基极。除此之外，还有这几种基本电路构成的多级放大电路。在此次设计中，前置放大电路用的是由运放构成的两级放大电路，功率放大级电路用到了差分放大器，而差分放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路，所以对差分放大电路的研究很要。在实用电路中，往往要求放大电路的末级输出一定的功率，以驱动负载，而向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路。对于功放电路而言，输出尽可能大的功率和提高转换效率始终是研究它的重要问题。低频功放有变压器耦合乙类推挽电路、OTL、OCL、BTL等电路，本文中的末级功放电路中用的是输出端为互补对称的OCL电路 。OCL电路的优点是省去了体积较大的的输出
11、电容，频率特性好，缺点是需要双电源供电，对电源的要求较高。因此，本设计中的电源设计也至关重要。2 功率放大电路的分析2.1 基本原理低频功率放大器是一种能够为功率负载，如音响设备的扬声器、电视机的扫描偏转线圈、电动机控制绕组等提供输出功率的装置。与电压放大器不同的是，功率放大器在负载上要求获得一定程度的不失真（或失真较小）输出功率，而电压放大器在负载上要求获得一定程度的不失真电压。一个实用的低频功率放大器，通常由电压放大器和功率放大器等电路组成，如一些集成功率放大器芯片，内部就集成有电压放大器和功率放大器等电路。2.1.1 基本组成原理图2.1.1所示的为一个使用的低频功率放大器的基本组成原理
12、框图。图2.1.1实用低频功率放大器的组成原理框图该功率放大器的功能是：将信号源提供的正弦波弱电压信号通过开关转换，一路先进行电压放大，再进行功率放大，为等效负载电阻提供一定的输出功率；另一路进行波形变换，使之变成脉冲波，再进行电压和功率放大，为等效负载提供一定的脉冲功率。2.1.2 主要技术指标l 额定输出功率POR：在输出信号失真度小于某一规定值时，额定负载电阻上获得的最大功率。l 带宽BW：功率放大器的工作频率范围。l 非线性失真系数：在额定输出功率POR下和一定的带宽BW内，输出信号的非线性失真程度。通常用%表示。l 噪声电压：在功率放大器大的输入为零时输出负载上的电压。l 效率：负载
13、上输出的额定功率POR与消耗的电源功率PC之比。2.2 设计任务及方案分析2.2.1 设计要求1. 基本要求 在放大通道的正弦信号输入电压幅度为5mV7mV，等效负载电阻为=8时，放大通道应满足： 额定输出功率10W； 带宽BW50Hz-10KHz； 在和BW内的非线性失真系数不大于3%； 在下的效率不小于55%； 在前置放大级输入端交流对地短路时，=8上的交流声功率不大于10mW； 根据整体电路的设计选择合适的稳压电源。2. 发挥部分 放大器的时间响应。由外供正弦信号源经变换电路产生正、负极性的对称方波；频率为1000Hz、上升和下降时间不超过1、峰-峰值电压为200mV。用上述方法激励放大
14、通道时，在=8下，放大通道应满足：额定输出功率10W；在下输出波形上升和下降时间不超过12；在下输出波形顶部斜降不超过2%；在下输出波形过冲量不超过5%。 放大通道性能指标的提高和实用功能的扩展（例如，提高效率、减小非线性失真等）。2.2.2 主要技术指标分析 基本要求部分的技术指标分析 功率放大器的输入电压信号由信号源提供幅度为5mV700mV的正弦波，输出电压信号从8的等效负载电阻上获得。额定输出功率10W，这项指标说明在输入信号5mV700mV的范围内，均以10W的满功率不失真的输出，即小信号输入时，要求满功率不失真输出；大信号输入时，也要求满功率不失真输出，因此，要求放大器的增益是可以
15、调节的。 功率放大器的带宽BW50Hz10KH。这项指标指出了功率放大器的工作频率范围，通常用3dB带宽来表示，是指放大器的电压增益下降3dB时对应的频率，即最低频率50Hz，最高频率10KHz。 功率放大器在额定输出功率和BW内，非线性失真系数3%。这项指标指出经过功率放大器放大后的正弦波的非线性失真所容许的范围，只要信号是经过线性放大，一般都能够满足3%的要求。否则，要对信号的非线性失真进行改善。 在下的效率55%。这项指标说明功率放大器输出功率的转换效率，通常用输出功率与电源消耗的总功率之比值来表示，即=/ 。55%，说明功率放大器的功率输出级只能工作在甲乙类或者乙类，不能工作在甲类，因
16、为甲类功率放大的效率最高也不能超过50%。 当前置放大级的输入端交流短接到地时，=8上的交流声功率10mW。这项指标是指在没有信号输入端时，放大器输出的噪声功率，即要求前置放大级的输入端引入的噪声越小越好。 发挥部分的技术指标分析 设计制作满足本设计要求的稳压电源。这需要根据所设计的具体电路来决定稳压电源的输出电压和输出功率。 放大器的时间响应：因为方波的上升和下降时间可以反映放大器的时间响应，故要求方波产生电路能将正弦波变换成正、负极性对称的方波，且电压峰-峰值为200mV。这项指标说明方波产生电路的电源电压要正、负极性对称，且方波的输出端还要进行限幅，使其电压峰-峰值为200mV。2.3
17、功率放大器的性能指标无论AV放大器还是Hi-Fi功放，都对功率放大器要求十分严格，在输出功率、频率响应、失真度、信噪比、输出阻抗和阻尼系数等方面都有明确要求。 2.3.1 输出功率输出功率是指功放电路输送给负载的功率。目前人们对输出功率的测量方法和评价方法很不统一，使用时应注意。（1） 额定功率（RMS）：它指在一定的谐波范围内功放长期工作所能输出的最大功率（严格说是正弦波信号）。经常把谐波失真度为1%时的平均功率称为额定输出功率或最大有用功率、持续功率、不失真功率等。很显然规定的失真度前提不同时，额定功率数值将不相同。（2） 最大输出功率：当不考虑失真大小时，功放电路的输出功率可远高于额定功
18、率，还可输出更大数值的功率，它能输出的最大功率称为最大输出功率，前述额定功率与最大输出功率是两种不同前提条件的输出功率 （3） 音乐输出功率（MPO）：音乐输出功率MPO是英文Music Power Outpur的缩写，它是指功放电路工作于音乐信号时的输出功率，也就是输出失真度不超过规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。音乐输出功率可以用来评价功放的动态听音效果，例如在平稳的音乐过程后面突然出现了冲击性强的打击乐器声音，有的功放电路可在瞬间提供很大的输出功率给以力度感有使不完的劲；有的功放却显得力不从心底气不足。为了反映这瞬间突发性输出功率的能力可以用音乐输出功率来量度。 （4）
19、峰值音乐输出功率（PMPO）：它是最大音乐输出功率，是功放电路的另一个动态指标，若不考虑失真度功放电路可输出的最大音乐功率就是峰值音乐输出功率。 通常峰值音乐输出功率大于音乐输出功率，音乐输出功率大于最大输出功率，最大输出功率大于额定输出功率，经实践统计，峰值音乐输出功率是额定输出功率的58倍。 2.3.2 频率响应频率响应反映功率放大器对音频信号各频率分量的放大能力，功率放大器的频响范围应不低于人耳的听觉频率范围，因而在理想情况下，主声道音频功率放大器的工作频率范围为20Hz20kHz。国际规定一般音频功放的频率范围是416kHz1.5dB。 2.3.3 失真通过功率放大器放大，输出信号应该
20、同输入信号内容完全相同，只是幅度（电压）不同而已。也就是说，功率放大器推动扬声器发出的声音应同讲话人的声音完全一样，只是音量大小不同而已。事实上，通过扬声器放出的声音同讲话人的声音多少会有一些区别。质量低劣的功率放大器发出的声音甚至同讲话人的声音相差很远，有时还产生闷塞、沙哑的声音。我们把功率放大器输出信号同输入信号不同，产生畸变的这种现象叫做失真。失真是重放音频信号的波形发生变化的现象。波形失真的原因和种类有很多，主要有谐波失真、互调失真、瞬态失真等。为了定量的表示失真的大小，我们把输出信号各次谐波电压有效值的总和同基次波电压有效值的比，用百分数表示，叫做功率放大器的谐波失真，或失真度。它可
21、以通过失真度测量仪直接测量出来，一般功率放大器的失真度在7%以下，高传真功率放大器的失真度在1%以下。10%以上的失真,人耳可以分辨出来。 2.3.4 动态范围放大器不失真的放大最小信号与最大信号电平的比值就是放大器的动态范围。实际运用时，该比值使用dB来表示两信号的电平差，高保真放大器的动态范围应大于90 dB。自然界的各种噪声形成周围的背景噪声，而周围的背景噪声和演奏出现的声音强度相差很大，在通常情况下，将这个强度差称为动态范围，优良音响系统在输入强信号时不应产生过载失真，而在输入弱信号时，有不应被自身产生的噪声所淹没，为此好的音响系统应当具有较大的动态范围，噪声只能尽量减少，但不可能不产
22、生噪声。 2.3.5 信噪比信噪比是指声音信号大小与噪声信号大小的比例关系，将攻放电路输出声音信号电平与输出的各种噪声电平之比的分贝数称为信噪比的大小。功率放大器接通电源，不输入信号，距离功率放大器较近的时候，可以听到轻微的噪声。功率放大器的噪声有两类，一类是有规律的低频哼哼声，这是交流电源引起的交流声；还有一种沙沙声，这是晶体管本身的噪声引起的。当有输出信号的时候，噪声就被信号掩盖了。大功率功率放大器输出功率大，收听者一般距扬声器远一些，所以噪声大一些也影响不大。小功率功率放大器输出功率小，收听者距扬声器较近，所以要求噪声小。用信号噪声比（简称信噪比或信杂比）来衡量功率放大器噪声的实际效果是
23、很有效的。 2.3.6 输出阻抗和阻尼系数（1） 输出阻抗：功放输出端与负载（扬声器）所表现出的等效内阻抗称为功放的输出阻抗。（2） 阻尼系数：阻尼系数是指功放电路给负载进行电阻尼的能力。3 EDA软件（Protel99se、Multism10）介绍3.3.1 EDA技术概述1 EDA技术（Electronic Design Automatic的简称，电子设计自动化）是在电子CAD（计算机辅助设计，Computer Aided Design）技术基础上发展起来的计算机设计软件系统。它是计算机技术、信息技术和CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）等技术发展的产物。电子产品从系统设计、
24、电路设计到芯片设计、PCB设计都可以用EDA工具完成，其中仿真分析、规则检查、自动布局和自动布线是计算机取代人工的最有效部分。利用EDA工具，可以大大缩短设计周期，提高设计效率，减小设计风险。2 EDA技术分为三个阶段。七十年代为CAD阶段，建立了国际通用的Spice标准模型，并逐步开始用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布线，取代了手工操作，产生了计算机辅助设计的概念。八十年代为CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）阶段，新增了电路功能设计和结构设计，并且通过网络表将两者结合在一起，实现了工程设计，CAE的主要功能是：原理图输入、逻辑仿真、电路分析
25、、自动布局布线、PCB后分析等。九十年代以后为EDA阶段，人们开始追求贯彻整个设计过程的自动化，这就产生了EDA技术。3 EDA技术的范畴 系统级设计：设计人员针对设计目标进行功能描述。 电路级设计：设计师确定设计方案，选择能实现该方案的合适元器件，进行仿真分析。物理级设计：物理级设计主要指ASIC、PLD器件设计、PCB板加工等，一般由半导体器件和PCB制造厂家完成。3.2 PROTEL概述3.2.1 Protel的发展历史Protel99 SE 是澳大利亚Protel Technology公司推出的一个全32位的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，使用该软件的设计者可以
26、容易地设计出电路原理图和画出元件设计电路板图。而且由于其高度的集成性与扩展性，一经推出，立即为广大用户所接受，很快就成为世界PC平台上最流行的电子设计自动化软件，并成为新一代电气原理图工业标准。到目前为止，该软件已发展为一完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图标生成、电子表格生成。1985年Protel公司在澳大利亚的悉尼成立，并推出了基于DOS平台的PCB设计软件Smart Work。1988年在硅谷设立研发中心同时推出了第一个应用于电子线路设计软件包TANGO。这就是Prot
27、el软件的原型。随着Windows操作系统的日益流行，1991年Protel公司发布了Protel For Windows1.0，同时终止了DOS版本的升级。使得它在提供桌面EDA解决方案领域确立了领先地位。在随后的发展历程中，Protel公司在EDA领域逐渐发展壮大。Protel99se是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从最初的电学原理设计到最终生成线路板加工生成过程中所需要的原始数据，以及这一过程中电路的原理仿真分析、PCB信号完整性验证和生成数据的数据库管理。可以认为今天的Protel已不再是单纯的PCB设计软件，而是一个系统工具，它涵盖了以PCB
28、为核心的整个物理电路设计过程。3.2.2 Protel99SE系统组成及特点Protel99SE模块组成Protel99 SE主要有两大部分组成，每一部分个有几个模块，第一部分是电路设计部分，主要有：原理设计系统，包括用于设计原理图的原理图编辑器Sch,用于修改和生成原理图元件的原件编辑器，以及各种报表的生成器Schlib。印刷电路板设计系统，包括用于设计电路板的电路板编辑器PCB以及用于修改，生成元件封装的元件封装编辑器PCBLib。第二部分是电路仿真与可编程逻辑器件设计。 Protel99 SE由五大系统构成，如下：（1） 原理图设计系统-原理图设计系统是用于原理图设计的Advanced
29、Schematic系统。这部分包括用于设计原理图的原理图编辑器Sch以及用于修改、生成零件的零件库编辑器SCHLib。（2） 印刷电路板设计系统-印刷电路板设计系统是用于电路板设计的 Advanced PCB。这部分包括用于设计电路板的电路板编辑器PCB以及用于修改、生成零件封装的零件封装编辑器PCBLib。（3） 信号模拟仿真系统-信号模拟仿真系统是用于原理图上进行信号模拟仿真的SPICE 3f5系统。（4） 可编程逻辑设计系统-可编程逻辑设计系统是基于CUPL的集成于原理图设计系统的PLD设计系统。（5） Protel99 SE内置编辑器-这部分包括用于显示、编辑文本的文本编辑器Text和
30、用于显示、编辑电子表格的电子表格编辑器Spread。Protel99SE主要特色Protel99SE是基于Windows环境下的电路设计制版系统。为设计人员提供了一个完整的集成设计环境。包括在电路设计过程中所需要的原理图和PCB的设计，以及相应的设计文档管理。主要特性如下：（1） Protel99 SE系统针对Windows NT4/9X作了纯32位代码优化，使得Protel99 SE设计系统运行稳定而且高效。（2） SmartTool（智能工具）技术将所有的设计工具集成在单一的设计环SmartDoc（智能文档）技术将所有的设计数据文件储存在单一的设计数据库中，用设计管理器来统一管理；Smar
31、tTeam（智能工作组）技术能让多个设计者通过网络安全地对同一设计进行单独设计，再通过工作组管理功能将各个部分集成到设计管理器中。 （3） 对印刷电路板设计时的自动布局采用两种不同的布局方式，即组群式和基于统计方式；新增加了自动布局规则设计功能；增强的交互式布局和布线模式。（4） 电路板信号完整性规则设计和检查功能可以检测出潜在的阻抗匹配、信号传播延时和信号过载等问题； 广泛的集成向导功能引导设计人员完成复杂的工作。（5） 原理图到印刷电路板的更新功能加强了Sch和PCB之间的联系； 可以用标准或者用户自定义模板来生成新的原理图文件；集成的原理图设计系统收集了超过60000个元器件。（6） 通
32、过完整的SPICE 3f5仿真系统可以在原理图中直接进行信号仿真；可以选择超过60种工业标准计算机电路板布线模板或者用户可以自己生成一个电路板模板。（7） 3D显示可以使你在设计过程中直观的了解PCB的布局效果。（8） 独特的反向注释（由PCB到原理图），方便对PCB上电路进行分析。（9） 强大的后期数据处理功能可使轻松获得生产过程文件：材料清单、测试点报告，以及加工过程文件：光绘文件、钻孔文件、贴片文件等。3.2.3 Protel电路原理图设计原理图设计最基本的要求是正确性，其次是布局合理，最后是在正确性和布局合理的前提下力求完美。1 启动原理图设计服务器。进入Protel99 SE,创建一
33、个数据库，执行菜单File/New命令，从框中选择原理图服务器（Schematic Document）图标，双击该图标，建立原理设计文档。双击文档图标，进入原理设计服务器界面。2 设置原理图设计环境执行菜单Design/Option和Tool/Preferences，设置图纸大小，捕捉栅格，电器栅格等。3 创建自己的元件库先进入Protel 99 SE的原理图编辑器，新建一个元件，绘制SCH元件以及放入元件的管脚，给新建的元件改名，绘制制元件的外形以及放入说明文字并保存好，画原理图的时候,就可以调用这些元件了。4 装入所需的元件库在设计管理器中选择Browse区域中的下拉框中选择Library
34、,然后单击ADD/Remove按钮，在弹出的窗口中寻找Protel99 SE子目录，在该目录中选择LibrarySCH路径，在元件库列表中选择所需的元件库，单击ADD按钮，即可把元件库增加到元件库管理器中。5 放置元件根据实际电路的需要，到元件库中找出所需的元件，然后用元件管理器的Place按钮将原件放置在工作平面上，再根据与按键之间的走线把元件调整好。6 原理图布线利用Protel99 SE所提供的各种工具，指令进行布线，将工作平面上的器件用具有点其意义的导线，符号连接起来，构成一个完整的电路原理图。7 编辑和调整利用Protel99 SE所提供的各种强大的功能对原理图进一步调整和修改，以保
35、证原理图的美观和正确。同时对元件的编号，封装进行定义和设定等。8 检查原理图使用Protel99 SE的电器规则，及执行菜单命令Tool/ERC对画好的电路原理图进行电气规则检查，若有错误，根据错误情况进行改正。9 生成网络表网络表是电路原理图设计和印刷电路板设计之间的桥梁，执行菜单命令Design/Create Netlist 可以生成具有元件名，元件封装，参数及元件之间连接关系的网络表。经过以上的步骤，完成了最小系统原理图的设计。3.2.4 PCB印制电路板的设计1 印制电路板功能印制电路板的主要共能是提供元器件的固定及元器件相互之间管脚的物理连接。在制作过程中，厂家依据设计人提供的PCB
36、设计文件，将印制电路板上铜箔不需要的部分腐蚀掉，使基板上只留下来细小导线，用来提供PCB上元器件管脚之间的物理连接。为了能将元器件固定在PCB上面，还需要在印制电路板上打孔，用以焊接元器件的管脚来固定元器件。为满足上述要求，在设计线路板过程中存在两个基本内容：描述连接导线走向和宽度，描述钻孔（焊盘和过孔）位置和形状。利用Protel提供的功能在设计文件中来实现这一过程，称之为PCB印制电路板设计。2 PCB设计过程电路设计的最终目的是为了设计出电子产品，而电子产品的物理结构是通过印刷电路板来实现的。Protel99 SE位设计者提供了一个完整电路板设计环境，是电路设计更加方便有效。应用Prot
37、el99 SE设计印刷电路板过程如下：（1） 启动印刷电路板设计服务器执行菜单File/New命令，从框中选择PCB设计服务器（PCB Document）图标，双击该图标，建立PCB设计文档。双击文档图标，进入设计服务器界面。（2） 规划电路板根据要设计的电路确定电路板的尺寸。选取Keep Out Layer复选框，执行菜单命令Place/Track,绘制电路板的边框。执行菜单Design/Options，在“ Signal Lager”中选择Bottom Lager,把电路板定义为单面板。（3） 设置参数参数设置是电路板设计的非常重要的步骤，执行菜单命令Design/Rules,左键单击Ro
38、uting按钮，根据设计要求，在规则类(Rules Classes)中设置参数。选择Routing Layer,对布线工作层进行设置：左键单击Properties,在“布线工作层面设置”对话框的“Pule Attributes”选项中设置Tod Layer为“Not Used”，设置Bottom Layer为“Any”。（4） 装入元件封装库执行菜单命令Design/Add/Remove Library,在“添加、删除元件库“对话框中所选取所有元件所对应的元件封装库。（5） 装入网络表执行菜单Design/Load Nets命令，然后在弹出的窗口中单击Browse按钮，再在弹出的窗口中选择地电
39、路原理图生成的网络表文件（扩展名为Net），如果没有错误，单击Execute。若出现错误提示，必须更改错误。（6） Protel99 SE既可以进行自动布局也可以进行手工布局，执行菜单命令Tools/Auto Placement/Auto Placer可以自动布局。布局是布线关键性的一步，为了式布局更加合理，最好采用手工布局的方式。（7） 自动布线Protel99 SE采用世界最先静的无网络，基于形式的对角线自动布线技术。执行菜单命令Auto Routing/All，并在弹出的窗口中单击Route all按钮，程序即对印刷电路板进行自动布线。只要设置有关参数，元件布局合理，自动布线的成功率几乎
40、为100%。（8） 手工调整自动布线结束后，可能存在一些令人不满意的地方，手工调整，把电路板设计得尽善尽美。3.3 仿真软件Multism10及其应用3.3.1 Multism简介Multisim前身是EWB(Electronic WorkBench)，目前被NI公司收购。作为一款电路仿真软件，Multisim具有丰富的虚拟仪表，如万用表，示波器，网络分析仪，逻辑分析仪，频谱仪等；同时更重要的是Multisim支持仿现实的器件，例如电阻会有误差，电容效应等等，而Multisim中的集成虚拟器件相当丰富，包括很多公司生产器件，如ADI,Linear,Farechild,Motorola等等大公司
41、。Multisim界面友好，操作起来简单，只需简单的鼠标操作就可以搭建自己设计的电路，对于电路仿真来说十分方便，对于初学者(尤其是没钱购买开发工具的学生)来说是不可多得的实践机会。与EWB相比，除了继承了EWB的传统优点外，还在以下方面进行了较大的改进：1 扩充了数据库，特别是大量新增的与现实元件相对应的元件模型，增强了仿真电路的实用性。2 增加了射频电路分析等仿真功能。3 增加了许多新的测试仪表，允许多台测试仪表同时使用，扩充了电路的测试功能。4 专业版支持VHDL和Verilog语言的电路设计与仿真。5 实现了从原理图到PCB布线工具包（如Electronics Workbench的Ult
42、iboard2001）的无缝隙数据传输。Multisim10提供了全部先进的设计功能，满足用户从参数到产品的设计要求。程序将原理图输入、仿真、和可编程逻辑功能紧密地集成在一起。进入Multism10，其界面如图3.3.1所示。使用Multism10软件系统，如同拥有一个虚拟电子实验室。我们知道，实际的实验室主要有实验工作台和放置元器件、仪器仪表的仪器架组成。在实验过程中，实验人员将仪器设备和元器件从仪器架中移动到工作台面上来，搭接成各种电子线路，然后接通电源，即可以进行电路的调试实验。Multism10正是按照这种实际实验室的工作过程来设计软件的工作界面和操作流程的。元器件栏、虚拟仪器栏相当于
43、实验室仪器架，电路设计窗口相当于实验室工作台。在元器件栏存放了各种元器件，在虚拟仪器栏存放了各种测试仪器。元器件栏中的各种元件按类别存放在不同的库中，如二极管库、晶体管库、模拟集成电路库、数字集成电路库等。应用鼠标即可打开元器件库，选择所需器件到电路工作区，经编辑、设定参数值即准备好电路元件，再应用鼠标进行连线操作就可得到一个仿真电路。图3.3.1 Multism10基本界面3.3.2 菜单栏主要菜单栏由11个菜单项，分别是File（文件）、Edit（编辑）、View（窗口显示）、Place（放置）、Simulate（仿真）、Transfer（文件传输）、Tools（工具）、Reports（报
44、告）、Options（选项）、Window（窗口）和Help（帮助），每个菜单项的下拉菜单中都包含若干条命令。1 File（文件）菜单如图3.3.2所示。2 Edit（编辑）菜单如图3.3.3所示。3 View（窗口显示）菜单如图3.3.4所示。4 Place（放置）菜单如图3.3.5所示。5 Simulate（仿真）菜单如图3.3.6所示。6 Transfer（文件传输）菜单如图3.3.7所示。7 Tools（工具）菜单如图3.3.8所示。8 Reports（报告）菜单如图3.3.9所示。9 Options（选项）菜单如图3.3.10所示。10 Window（窗口）菜单如图3.3.11所示。
45、11 Help（帮助）菜单如图3.3.12所示。图3.3.3 Edit菜单图3.3.2 File菜单图3.3.4 View菜单图3.3.5 Place菜单图3.3.6 Simulate菜单图3.3.7 Transfer菜单图3.3.8 Tools菜单图3.3.9 Reports菜单图3.3.10 Options菜单图3.3.11 Windows菜单图3.3.12 Help菜单3.3.3 Multism10元器件栏1 元器件栏简介Multisim 10提供了13个元器件库，用鼠标左健单击元器件库栏目下的图标即可打开该元器件库，元器件栏如图3.3.13所示，各图标名称及其功能如图3.3.14所示。
46、图3.3.14 图标名称及功能图3.3.13 Multism10元器件栏2 元器件基本操作常用的元器件编辑功能有：90 Clockwise-顺时针旋转90、90 CounterCW-逆时针旋转90、Flip Horizontal-水平翻转、Flip Vertical-垂直翻转、Component Properties-元件属性等。这些操作可以在菜单栏Edit子菜单下选择命令，也可以应用快捷键进行快捷操作。3.3.4 Multism10仪器仪表Multisim 在仪器仪表栏下提供了21个常用仪器仪表，如图3.3.15,依次为数字万用表、函数发生器、瓦特表、双通道示波器、四通道示波器、波特图仪、频率计、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、IV分析仪、失真度仪、频谱分析仪、网络分析仪、Agilent信号发生器、Agilent万用表、Agilent示波器，tektronix示波器，电流检测器，LABVIEW仪器，动态测量器。图3.3.15 仪器表栏1 数字万用表（Multimeter）：Multisim 提供的万用表外观和操作与实际的万用表相似，可以测电流A、电压V、电阻和分贝值db，测直流或交流信号。万用表有正极和负极两个引线端。2 函数发生器（Function Generator):Multisim 提供的函数发生器可以产生正弦波、三角波和矩形波，信号频率可在1Hz到999
