详解模拟电路数字电路设计与multisum仿真，交流电压超限报警系统设计及电路仿真详细说明

摘要

在日常生活中，我们所使用电器都有额定的功率和额定电压、电流，当电压电流超过额定值时，电路就有可能被烧坏。如果当电器的电压超过额定值时，电路能够发出报警，从而让我们及时的处理，那么就可以有效的保护电器，提高电器的使用寿命。
本设计就是要设计一个交流电压过限保护系统，当交流电压超过额定值时，有一个蜂鸣器发出报警声，蜂鸣器的频率为1Hz，并且上下限额定的电压可调。我们首先对交流电压进行降压，整流，滤波，然后将滤波后的电压与标准电压进行比较，当电压超限时，由蜂鸣器发出报警声，从而提示我们及时处理。

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文章目录

一、设计内容

1.1 设计要求

1、当交流电压超过额定值时，系统由蜂鸣器发出报警声；
2、上下限电压可以调节；
3、当蜂鸣器发出报警声时，声音间断发生，频率约为1Hz。

1.2 设计目的

1、提高动手能力，学会设计电子电路的方法和技巧；
2、利用所学的模拟电子技术的知识，设计一个简单的电子系统；
3、熟练使用电子EDA软件multisim，将设计的电路用multisim进行仿真。

1.3方案的选择与论证

1.3.1比例运算电路
【方案一】同相比例运算电路
选用同相比例运放，其输出电压Uo=（1+Rf/R）UI;其具有高输入电阻，低输出电阻的优点，但有较大的共模输入电压。
【方案二】 反向比例运算电路
反向比例运算，其输出电压Uo=-Rf/RUI;电路带负载后输出电压不变，输出电阻为零，但应该选择开环增益更大集成运放。
1.3.2 方波产生电路的选择
【方案一】集成运放电路组成
将一个集成运放组成滞回比较器电路在加一个RC积分电路，就组成了一个方波产生电路；电路可以选用不同的稳压管产生不同幅值的电压，电路简单，输出稳定。
【方案二】 用555定时器产生
555定时器有着广泛的应用，用555定时器外加一个RC积分电路就构成了一个矩形波产生电路；电路功耗小，输出波形稳定，易于调节。
1.3.3 电路选择
由于同相比例运算电路输出电压不能从零开始调节，且有共模输入，而反向比例运放输出电阻为零，所以比例运算电路选用方案二；为了突出模拟电路的特性，减小元器件的种类，所以方波电路选用方案一。

二、总体方案设计

2.1 总体方案图

2.2 总体方案介绍

1、先将获得的电压进行降压，使其电压变为幅值10V左右；从电源获得的电压通常为正玄波，在经过整流器将电压整流为电压单一方向的直流脉动电压；整流后的电压为了减小脉动，需要通过滤波器滤波，使输出电压平滑，幅值稳定。
2、通过一窗口比较器作为电压比较电路，窗口比较器的上下限电压作为系统的限制电压；系统要求上下限电压可调，则窗口比较器的上下限电压必须可调，用一个电阻可调的比例运算电路作为窗口比较器上下限电压的输入电压，通过调节比例运算电路的电阻值就可以调节上下限电压。
3、1Hz的信号不易直接产生，通过一个多谐振荡电路和一个分频电路产生一个频率为1Hz的方波，当电压超限时，窗口比较器输出高电压，振荡电路开始工作；系统要求产生的报警声音间断发生，则再用一个频率较高的多谐振荡电路和频率为1Hz的电路通过一个与门共同决定蜂鸣器是否发声，则可在电压超限时，产生频率为1Hz的间断报警声。
4、窗口比较器对振荡器的控制，通过一个用三极管组成的电子开关控制，当窗口比较器输出高电压时，通过一反相比例电路，使三极管基极电位为低电位，进而使振荡器工作；反之，振荡器则不工作。

三、单元电路设计

3.1 整流、滤波电路

1、通过变压器将大的交流电变为电压较小的交流电，变压器选用变压比为40：1，采用变压器的型号为DIPSW1。变压后，U1=1/40U。
2、通过整流电路将电压变为直流，整流电路采用单相桥式整流电路；单相桥式整流电路由四个二极管组成，其工作原理是保证在整个周期内负载上的电压和电流方向不变；桥式整流电路二极管应选择所能承受反向电压UMAX=1.4U1，所以其承受电压应大于14V。单相桥式整流电路原理图为：

3、滤波电路采用电容滤波电路，能够滤去交流成分，保留直流成分，电容滤波是通过电容的充放电来实现的；经过滤波后电容输出电压为：

电容输出电压UO(AV)=(UOmax+UOmin)/2,所以UO(AV)=U1(1-)，当负载开路时，UO(AV)=1.2U1。
4、整流桥选择的型号为1B4B42，滤波电路电容大小为1uF;经过变压、整流、滤波后，输出的电压与输入的交流电压有效值之间的关系为U2=1.2U1=0.03U。
5、变压、整流、滤波电路为：

3.2 比例运算电路的设计

3.2.1 电路原理
1、比例运算电路是窗口比较器提供上下限电压，比例运算电路采用反相比例运算电路，其输出为Uo=-Rf/R*UI；其原理图为：

2、为使电路在输入电压不变的情况下，输出电压可以调节，电路中的反馈电阻用滑动变阻器代替，当滑动变阻器为不同的值时，输出就为不同的值。
3、为使电路输出电压为正值，则输入电压就应该为负值；系统采用正负15V的电压供电，所以可以在用一个反向比例运算电路，其输入电压为15V，输出电压就为负值。
3.2.1 数值计算与电路图
1、经过滤波后，窗口比较器输入的电压为U2=1.2U1=0.03U，U一般为100到300伏之间，则U2为3V到9V之间；我们取比例运算电路中R=1K，输入电压为-0.5V，Rf滑动变阻器取值最大为30K，则窗口比较器上下限电压范围为0到15V。
2、为获得-0.5V的输入电压，在通过比例运放将15V的电压变为-0.5V，反向比例运算电路中R=30K，Rf=1K，则输出U0=-1/30*15=-0.5V。
3、集成运放选择的型号为LM324，集成运放采用正负15V的电压供电，运放同相端接一个阻值为1K的电阻使电路对称，比例运算电路设计为：

3.3 窗口比较器设计

3.3.1 设计原理
1、窗口比较器有两个阈值电压，输入电压从小变大或从大变小过程中使输出电压产生两次越变；输入电压与输出电压的关系为：

所以当电压小于URL或大于URH时，输出电压就变为高电平，即输入电压超限时，使电路发出警报。
2、窗口比较器电路图为：

其输出低电压为0，高电压为UDZ。
3.3.2 元件参数计算与选择
1、集成运放选择的型号为LM324，二极管型号为1N4007，稳压管型号为1N4735，稳压管稳定时电压为5V；R1和R2的阻值都设定为1K，其作用为分压，保护稳压管。
2、窗口比较器电路为：

3.4 多谐振荡器

3.4.1 多谐振荡器原理
1、多谐振荡器由反相输入的滞回比较器和RC电路组成，RC回路作为延迟环节，C上电压作为滞回比较器的输入，通过RC充放电实现输出状态的自动转换。
2、多谐振荡器电路为：

振荡周期为T=2R3C ln(1+)。
3.4.2 蜂鸣器间断控制电路
1、为使蜂鸣器间断发声间断，用一个频率较高的矩形波来控制其发声；设矩形波频率为100Hz，周期为0.01S。我们取R1=R2=1K，则R3C=0.00227，取电容C=1uF，则R3=2.3K。
2、振荡电路集成运放选择的型号为LM324，稳压管的型号为1N4735；电路图为：

其输出电压的波形为：

3.5 1Hz信号产生电路

3.5.1 电路原理
1、产生一个频率为1Hz，周期为1S的信号，如果用多谐振荡器直接产生，则振荡器在产生矩形波信号前RC积分时间过长，需要经过很长时间才能产生矩形波。
2、所以先用多谐振荡器产生一个高频信号，然后通过分频来获得频率为1Hz的信号。
3、用多谐振荡器产生一个周期为0.05S的信号，然后进行十分频，分频后周期为0.5S，将分频后的输出在接一个T触发器，即产生一个周期为1S，占空比为50%的方波。
3.5.2 多谐振荡电路计算
产生一个周期为0.05S的信号，T=2R3C ln(1+)，取R1=R2=1K，则R3 C=0.022，取R3=10K，电容C=2.2uF。
3.5.3 分频电路
1、分频电路采用74LS160芯片，该芯片为十进制计数器，芯片的功能表为：

2、将振荡器产生的信号作为芯片脉冲输入CLK，则进位输出的则为十分频后的信号，周期为0.5S。
3.5.4 T触发器
1、选用芯片74LS74，该芯片为D触发器，将其反相输出端反接到输入端，则构成一个T触发器。
2、该T触发器每0.5S输出翻转一次，则周期为1S；T触发器电路图为：

3.5.5 1Hz信号产生电路图为

四、系统功能调试

4.1 整流、滤波电路测试

1、经过整流、滤波后的电流后的电流为一个稳定的直流。
2、滤波后输出电压U2=0.03U，当输入交流电的电压为220V时，输出为6.6V；输出电压的波形为：

4.2 窗口比较器调试

1、当输入交流电为220Vrms,输出电压为6.6V，当设置上下限电压分别为1V、8V时，窗口比较器输出电压为：

输出为低电压，不会使蜂鸣器发声。
2、当设置上限电压为5V时，输出电压波形与振荡器产生的电压为：

可见，振荡器工作，蜂鸣器产生报警。

4.3 1Hz信号产生电路测试

使系统产生报警，用频率测试仪测试其输出频率，一段时间后，频率测试仪测得的频率1.025Hz为，如图：

4.4 系统总体功能测试

使输入信号电压为220Vrms，则输出电压为6.6V，设置上下限电压为5V、1V，则蜂鸣器接收的电压为：

可见，蜂鸣器接收了频率为1Hz，占空比为50%的电压。

五、所用元器件与电路图

5.1 元器件清单

     序号	|名称	| 型号	| 数量
1	电阻	R	24
2	滑动变阻器	最大阻值30K	2
3	电容	C	3
4	集成运放	LM324	9
5	晶体管	BJT_NPN	1
6	与门	74LS08	1
7	稳压管	1N４７３５	５
8	二极管	１N4007	2
9	十进制计数器	74LS160	1
10	D触发器	74LS74	1
11	蜂鸣器	1KHz,LS1	1

5.2 总体电路图