基于protel的函数发生计的设计 - 图文

武汉理工大学《protel课程设计》

目录

摘要 .................................................................................................................................................. 1 Abstrat ............................................................................................................................................... 2 1绪论 ............................................................................................................................................... 3 1.1Protel 99SE简介 ......................................................................................................................... 3 1.2Protel 99SE系统的组成 ............................................................................................................. 3 1.3Protel 99SE功能特性 ................................................................................................................. 4 2.函数发生器设计原理 .................................................................................................................... 5 2.1方波——三角波转换电路工作原理 ......................................................................................... 5 2.2三角波——正弦波转换电路工件原理 ..................................................................................... 8 2.3电路的参数选择及计算 ........................................................................................................... 10 3.Protel绘制原理图 ....................................................................................................................... 11 3.1.建立工程文件、原理图文件 ................................................................................................... 11 3.2. 添加元件库 ............................................................................................................................. 11 3.3.绘制原理电路图 ....................................................................................................................... 12 3.4.设计检查 ................................................................................................................................... 14 3.5.生成元件清单 ........................................................................................................................... 15 4.PCB板的制作 ............................................................................................................................. 16 4.1元件封装与网络表的生成 ....................................................................................................... 16 4.2创建PCB文件 ......................................................................................................................... 17 4.3导入元件到PCB ...................................................................................................................... 18 4.4PCB布局与布线 ....................................................................................................................... 20 4.5PCB覆铜 ................................................................................................................................... 21 5.Protel 电路的仿真 ...................................................................................................................... 24 5.1画仿真原理图 ........................................................................................................................... 24 5.2仿真参数的设置 ....................................................................................................................... 25 5.3运行电路仿真 ........................................................................................................................... 26 6.心得体会 ..................................................................................................................................... 28 附录 ................................................................................................................................................ 29 参考文献 ........................................................................................................................................ 30 致谢 ................................................................................................................................................ 31

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摘要

Protel设计系统是世界上第一套将EDA环境引入到Windows环境中的EDA开发工具，是具有强大功能的电子设计CDA软件，它具有原理图设计、印刷电路板（PCB）、报表制作、电路仿真以及逻辑器件设计等功能，是进行电子设计最有用的软件之一。

信号发生器又称为信号源或振荡器，各种波形曲线均可以用三角函数来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。它在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。

本次Protel课程设计实现函数信号发生器的原理图绘制，PCB板制作以及电路仿真。用运放构成的比较器和积分器实现方波和三角波的输出，再经差分放大产生正余弦波形。

关键词：Protel,函数发生器，仿真

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Abstrat

Protel design system is the world’s first set of EDA developing tools which introduces EDA environment to Windows environment.It is a electronic design CDA software with strong functions,it has a schematic design,printed circuit board(PCB),circuit emulation and logic device design and so on.It’s one of the most useful software in circuit design.

Signal generator is also called signal generator or oscillator.All kinds of wave form can be expressed in trigonometric function.The circuit which can generate some waves ,such as triangular wave, wawtooth wave,rectangle wave(including square wave),sine wave is called Function signal generator.It is used widely in circuit experiment and testing equipment.

This Protel curriculum design is wanted to draw the schematic diagram,make the PCB,and circuit simulating.It use the compataor and integrator to output the square wave and triangular wave,then generate sine wave. Key words: Protel,Function signal generator,simulate

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1绪论

1.1Protel 99SE简介

Protel 99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。今天的Protel最新产品已经不是单纯的PCB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，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以设计32个信号层，16个电源—地层和16个机加工层。Protel设计系统是一套建立在IBM兼容PC环境下的EDA电路集成设计系统，由于 其高度的集成性与扩展性，很快就成为世界PC平台上最流行的电子设计自动化软件，可以完成电路原理图的设计，印刷电路板的设计和可编程逻辑器件的设计等工件。

1.2Protel 99SE系统的组成

按照系统功能来划分，Protel 99SE主要包含以下两大部分和6个功能模块。 1.电路工程设计部分

(1)电路原理设计部分（Advanced Schematic 99）:电路原理图设计部分包括电路图编辑器（简称SCH编辑器）、电路图元件库编辑器（简称Schilib编辑器）和各种文本编辑器。本系统主要功能：绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图元件库；查看和编辑有关电路和元件库的各种报表。

(2)印刷电路板设计系统（Advanced PCB 99）:印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器（简称PCB编辑器）、零件封装编辑器（简称PCBLib编辑器）和电路板组件管理器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。

(3)自动布线系统（Advanced Route 99）：本系统包含一个基于形状的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线。 2.电路仿真与PLD部分

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(1)电路模拟仿真系统（Advanced SIM 99）:电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。

(2)可编程逻辑设计系统（Advanced PLD 99）：可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器。本系统的主要功能是：对逻辑电路进行分析、综合；观察信号波形。

(3)高级信号完整性分析系统（Advanced Integrity 99）:信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析PCB设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。

1.3Protel 99SE功能特性

1.开放式集成化的设计管理体系。 2.超强功能的设计与修改功能。 3.强大的设计自动化功能。

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2.函数发生器设计原理

本课题采用先产生方波——三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。

由比较器和积分器组成方波——三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。

2.1方波——三角波转换电路工作原理

S1C1SW SPSTS2C2C3VCCSW SPDT+120.1uf1uf0.01ufR1R210K10KA1A2R320kVEER510k-12R45.1KRP2100kRP150k

图2.1 方波——三角波转换电路原理图

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图2.2 比较器电压传输特性

图2.3 方波—三角波

工件原理如下：

若R2与运算放大器A2间的导线断开， 运算放大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。设Uo1=+Vcc,则 U??R3?RPR21 (?VCC)?Uia?0 （2-1）

R2?R3?RPR?R?RP1231将上式整理，得比较器翻转的下门限单压Uia-为 Uia???R2?R2(?VCC)?VCC （2-2）

R3?RPR3?RP11若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电压Uia+为 Uia??

?R2R2(?VEE)?VCC （2-3）

R3?RPR3?RP116

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比较器的门限宽度UH?Uia??Uia??2R2（2-4） ICC

R3?RP1由式（2-1）到（2-4）式可得比较器的电压传输特性，如图2.2所示。

当比较器的门限 电 压为 Via+ 时输出Vo1为高电平（+Vcc)。这时积分器开始反向积分，三角波Vo2 线性下降。

当Vo2下降到比较器的下门限 电 位 Via－ 时，比较器翻转，输出Vo1由高电平跳到低电平。这时积分器又开始正向积分，Vo2线性增加。

如此反复，就可自动产生方波-三角波。

导线8断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出 Uo2为UO2??1 UO1dt （2-5）

(R4?RP2)C2??(?VCC)?VCC t?t （2-6）

(R4?RP2)C2(R4?RP2)C2VCC?(?VEE) t?t （2-7）

(R4?RP2)C2(R4?RP2)C2 UO1??VCC时，UO2?UO1??VEE时，UO2?可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系图2.3所示。

a点闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角

波。三角波的幅度为 UO2m?方波-三角波的频率f为 f?R3?RP1 （2-9）

4R2(R4?RP2)C2R2 VCC （2-8）

R3?RP1由以上两式可以得到以下结论：

（1）电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。 （2）方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。

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2.2三角波——正弦波转换电路工件原理

可以通过低通滤波电路，或者带通滤波电路实现三角波和正弦波的转换。

VCCRc110KRc210KC70.1ufC6470ufC4C5T19013470uf470ufRb16.8KRP3Re2100Rb26.8KT2901350KRP4100T39013T49013R128KRe32KRe42KVEE

图2.4三角波—正弦波转换电路的工件原理图

工作原理如下：差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。分析表明，传输特性曲线的表达式为：

IC2?aIE2?aI0 Uid/UT （2-10）

1?e （2-11）

IC1?aIE1aI0?1?e?Uid/UT式中 a?IC/IE?1

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I0——差分放大器的恒定电流；

UT——温度的电压当量，当室温为25oc时，UT≈26mV。

如果Uid为三角波，设表达式为

?4Um?T??T?t?4????Uid??

??4Um?t?3T??T4??T??0?t???2?? （2-12） ??T???t?T????2?式中 Um——三角波的幅度； T——三角波的周期。

用计算机对式（2-12）进行计算，打印输出的ic1(t)或ic2(t)曲线近似于正弦波，则差分放大器的输出电压vc1(t)、vc2(t)亦近似于正弦波，波形变换过程如图2-5所示：

（1） 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；

（2） 三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

（3） 图2.4为实现三角波——正弦波变换的电路。其中Rp1调节三角波的幅度，

Rp2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C1,C2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

图2.5三角波-——正弦波变换原理

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2.3电路的参数选择及计算

1.方波-三角波中电容C1变化（关键性变化之一）

将C2从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。

2.三角波-正弦波部分

比较器A1与积分器A2的元件计算如下。

UO2m?R2 VCC （2-13）

R3?RP1即

UR241（2-14） ?O2m??

R3?RPV1231CC取 R2?10K?，则R3?RP1?30K?，取R3?20K? ，RP1为47KΩ的点位器。区平衡电阻R1?R2//(R3?RP1)?10K?

f?R3?RP1 （2-15）

4R2(R4?RP2)C2即R4?RP1?R3?RP1 (2-16)

4R2?C2当1HZ?f?10??时，取C2?10?F，则R4?RP2?(75~7.5)k?，取

R4?5.k1?，为100KΩ电位器。当10HZ?f?100??时 ，取C2?1?F以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻R5?10k?。

三角波—>正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取C3?C4?C5?470?F，滤波电容C6视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，C6可取得较小，C6一般为几十皮法至0.1微法。RE2=100欧与RP4=100欧相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R*确定。

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3.Protel绘制原理图

3.1.建立工程文件、原理图文件

建立工程文件及原理图文件。选择菜单【File】/【New】,建立名为“函数发生器.ddb”的工程文件，然后再选择菜单【File】/【New】，弹出如图3-1所示的对话框。选择“Schematic Document”,点击OK建立名为“函数发生器电路.sch”的原理图文件。

图3-1 New Document 对话框

3.2. 添加元件库

为了电路仿真方便一般在绘制电路图是选用仿真库里的元件，因此添加元件库时添加名为sim.ddb的库文件。选中后单击Add—OK添加库文件，如图3-2.

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图3-2添加元件库

3.3.绘制原理电路图

在元件库中找到绘制电路所需的元件将它们合理的摆放到Protel的工作界面上，摆放元件是的基本快捷方式为：

移动元件：用鼠标左键点中元件，并按住不放，然后移动元件。

元件的旋转：就是改变元件的放置方向。用鼠标左键点中元件后，按住不放，此时可以使用功能键，就可以实现元件的旋转。 SPACE键：让元件旋转90°。

Ctril+X键：使元件左右对掉，即是自光标为轴作水平对调。 Ctril+Y键：使元件上下对掉，即是自光标为轴作垂直对调。 待元件摆放完毕后，点击

图标给元件连线。

经过上述操作后得到电路图如图3-3.

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21KR82Kfb8u.R06674fC4eKuR271.C03143T120T0992Kc0R31130T900031e0KR12CC24ePVRR1Kc0R113T101K9b8.R6fu057C43PK0R5fu047C4fuf1u01f..u001123CCC2A2211TT-SP2D+PSSS WWkSS50R1k0012PRK1.54R1ACECEVVk1k30P0R2R5KK001112RR图3-3三角波—方波—正弦波函数发生器实验电路

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EEV

S1

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3.4.设计检查

原理图绘制完成之后，还需要对原理图进行编译并对其连接进行检查，检查无误后才能进入PCB班的设计阶段，系统会按照用户的设置及问题的严重性，分别以“Error”（错误）或“Warning”（警告）等信息来提醒用户。

ERC检查方法：点击菜单栏的【Tools】，在下拉菜单中选择ERC，会弹出一个对话框如图3-4。点击OK，就会对电路进行电气检查。电气检查完之后，就会弹出图3-5所示对话框，如果有错误，就要根据ERC检查的提示自己检查电路的连接，查看错误的连接处，改正错误的连接，然后再检查，直到ERC检查无误，再进入下一步。

图3-4ERC检查

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图3-5ERC检查无误

3.5.生成元件清单

执行菜单命令Reports/【BILL OF MATERIAL】出现新的对话框选择[sheet]点击下一步，其他默认直到倒数第二步将Protel Format、CSV Format、Client Spreadsheet全部选中点击下一步和Finish就生成了材料清单，材料清单见附录。

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4.PCB板的制作

4.1元件封装与网络表的生成

在制作PCB前一个重要步骤是元件的封装，只有元件的封装号与PCB封装库里的一一对应，导入网格表才能顺利成功。封装时双击所要封装的元件就会弹出图4-1所示对话框。在Footprint后面的框中修改封装号。修改完后点击OK，就这样对每一个元件进行封装。

图4-1修改封装号

另一个重要步骤是生成网络表，点击菜单栏中的【Design】在下拉菜单中选择Create Netlist就会弹出图4-2所示的对话框。这样，网络表生成完毕。

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图4-2网络表

4.2创建PCB文件

1. 使用菜单File/New，将会弹出如图4-3所示的对话框，选择PCB Document, 在工具栏中可对其save as 并且命名为PCB1.PCBdoc。

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图4-3

2.出现PCB界面后要画出版图，注意此时要点到出现PCB界面后要画出版图，注意此时要点到Keep-OutLayer再开始画线，画出为粉色。然后画Top Layer，稍微比布局层大一点，画出为红色，如图所示。

图4-4

4.3导入元件到PCB

1.点击Design/Update PCB,会弹出如图4-5所示的对话框。

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2.点击Review Change按钮，会出现如图4-6所示的对话框，在这个对话框中会显示装入的元件是否有错误，如果没错误，确定所有元件封装和网络都正确以后，单击execute按钮，这时网络表和元件已经装载到PCB文件中了，如图4-7. 3.如果有错误修改后可使用Design/Update PCB更新，直到没有错误为止。

图4-5加载网络表

图4-6检查网络表

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图4-7

4.4PCB布局与布线

PCB的布局分为自动布局和手动布局，自动布局如图4-8所示，执行Auto Route/All后开始自动布线。

图4-8自动布局图

由上图中可以看出自动布局的效果并不好，比较浪费空间，经过手动调整元件后自动布线效果如图4-9所示。

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图4-9手动布局图

4.5PCB覆铜

作为PCB制作的最后一步，PCB的敷铜一般都是连在地线上，增大地线面积，有利于地线阻抗降低，使电源和信号传输稳定，在高频的信号线附近敷铜，可大大减少电磁辐射干扰。总的来说增强了PCB的电磁兼容性。提高板子的抗干扰能力。

PCB的覆铜点击工具栏

图标，将弹出的对话框设置如图4-10，点击OK，

然后在PCB上画一个框将PCB电路图前不包含在内，完成之后电路覆铜完成。电路板覆铜如图4-11，4-12。

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图4-10覆铜对话框

图4-11 TopLayer的覆铜图

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图4-12 BottomLayer覆铜图

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5.Protel 电路的仿真

5.1画仿真原理图

（1）放置电源及信号源

由于制板原理图与仿真原理图有差别，所以须在以上做好的原理图中进行修改达到仿真，例如添加仿真源等。

一般的电源信号源可以从工具条里进行选择，若找不到，可以通过View/Toolbars/Simulation Sources使之显现,如图4.1。本次仿真选+12V和-12V的电源信号源。

图5-1

（2）放置网络标号

利用Place/NetLabel，放在需要指明节点的附近，指示信号的测试点或信号输入输出点。

S1VCCVEESW SPSTV?+12VV?-12VS2C2C3VCCSW SPDTVCC0.1uf1ufNetLabel2Rc110KRc210KC10.01ufVCCC70.1ufC6NetLabel3R1R210K10KA1NetLabel1R45.1KRP2100kA2C4C5T19013470uf470ufRb16.8KRP3T29013470ufR320kVEER510kRb26.8KRe210050KVEERP4RP150k100T39013T49013R128KRe32KRe42KVEE

图5-2仿真原理图

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5.2仿真参数的设置

电路连接完成和ERC之后，就要对电路进行仿真，电路仿真的一个关键步骤是对仿真参数的设置。只有在正确设置仿真参数的前提下，仿真才能正确运行。下面我们进行仿真参数的设置。

执行菜单命令Simulate/Setup弹出如图5.3所示的对话框。选中工作点分析（Operation Point Analysis）和暂态分析（Transient Anlysis）。选择要观察的Net，以及时间进行设置。

图5-3参数设置

然后在【General】标签中的【Select Analyses to Run】栏下，选择仿真分析的方法。这里选择【Operating Point Analysis】（直流工作点分析）和【Transient/Fourier Analysis】（瞬态分析/傅里叶分析）。在对话框中的【Collect Data For】下拉表中，有5个不同的数据存储类型。这里选择“Node Voltages ,Supply Currents ,Device Currents and Powers”(存储每个节点的电压、每个供电电源的电流以及每个元件上的电流和功耗)。接着指定所要显示数据的节点，直接双击【Available Signals】列表总需要的节点，就会在【Active Signals】列表栏中列出。 工作点分析中选中要观察的三个波形的输出点Netlabel1、Netlabel2、Netlabel3.

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然后再点击Transient/Fourier对话框会变成如图5-4所示。对参数进行设置选中Use Initial Cond，取消

Time改成2.000m，这样可以观察到更多的波形。

的选中，将Stop

图5-4时间设置

5.3运行电路仿真

仿真器在仿真时需要用到SPICE网络表。执行菜单命令【Simulate】/【Create SPICE Netlist】生成SPICE网络表文件*.nsx。参数设置完毕之后，就开始对电路进行仿真。点击菜单栏中的【Simulated】在下拉栏中选择【Run】，则开始对电路进行仿真，仿真结果如图5-5所示。

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图5.5 仿真波形

如上图所示，从上到下依次是方波，三角波，正弦波的仿真波形。

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6.心得体会

此次通过使用protel对函数信号发生器的设计与仿真，我深刻认识到了实践的重要性。许多东西在书上看起来很简单，但在实际操作时不那么容易，比如对工具软件的使用。通过本次课设对protel有了系统的认识，并且掌握了基本的操作，能够完成原理图的绘制，PCB的制作及仿真等。

最重要的是锻炼了实际动手操作能力，掌握了新的技能，巩固了在课本上所学的理论知识，在整个电路绘制到PCB制作再到仿真，我个人感觉仿真部分是最难的，本次软件使用中，前四五次的仿真都无法出现。后来通过使用一个电容产生自激后才有波形的显现，可能这个软件的仿真是十分理想的的电路状况。当出现问题并想方设法去解决的时候才是真正考验人的时候，需要你去查找去找新的知识，在这个过程中无疑又增进了自己对软件的认识与知识的掌握。

通过这次课程设计，我比较独立的完成了对一个工具软件的从学习到使用的整个过程，可以想象在实际电路的设计时会是怎样的情形。对于protel这个软件的强大功能有了深刻的了解。当一次次的布局与一次次的仿真失败到最终看到仿真波形的时候，心里感到非常的兴奋，虽然几经周折，但最后还是成功了，实现了应有的功能，感觉有很大的收获。

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附录 元器件清单

Part Type Designator Footprint +12V V

0.1uf C2 RAD0.2 0.01uf C1 RAD0.2 0.1uf C7 RAD0.4 1uf C3 RAD0.2 2K Re3 AXIAL0.3 2K Re4 5.1K R4 6.8K Rb1 6.8K Rb2 AXIAL0.3 8K 10K 10K Rc1 AXIAL0.3 10K Rc2 10K R2 10k R5 20k R3 50K 50k RP1 100 100 RP4 100k RP2 470uf C4 RAD0.2 470uf C5 RAD0.2 470uf C6 RAD0.4 9013 T1 9013 T4 TO-92A 9013 T2 TO-92A 9013 T3 TO-92A SW SPDT S2 SW SPST S1

R12 AXIAL0.3 R1 RP3 Re2 AXIAL0.3 VR2 TO-92A 29

AXIAL0.3 AXIAL0.3 AXIAL0.3 AXIAL0.3 AXIAL0.3 AXIAL0.3 AXIAL0.3 VR2 VR2 AXIAL0.3 VR2 SIP3 SIP2

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参考文献

【1】赵品编著 《Protel99 入门与提高》人民邮电出版社.2000.11 【2】赵品编著《Protel99 高级应用》人民邮电出版社.2000.11

【3】袁鹏平 何志刚 罗开玉主编《Altium Designer6电路图和PCB设计》 化学工业出版社

【4】刘小伟 刘宇 温培和编著 《Altium Designer6电路设计实用教程》 电子工业出版社

【5】伍时和主编 《数字电子技术基础》 清华大学出版社 【6】彭介华主编 《电子技术课程设计指导》 高等教育出版社 【7】谢自美 《电子线路设计 实验 测试（第三版）》 华中科技大学出版社

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致谢

虽然这次课设是独立完成，但与很多人的努力是分不开的。首先，要感谢我们班的学习委员，感谢她积极地将我们的想法与老师沟通，来解决我们在课设过程中遇到的一些问题；然后要感谢我班的各位同学，在大家遇到难题时可以一起交流讨论，提出自己的看法；最后，当然要感谢我们的答辩老师在整个课设过程中对我们的督促和严格要求。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/up3p.html