摘 ?要

在日常生活中，我們所使用電器都有額定的功率和額定電壓、電流，當電壓電流超過額定值時，電路就有可能被燒壞。如果當電器的電壓超過額定值時，電路能夠發(fā)出報警，從而讓我們及時的處理，那么就可以有效的保護電器，提高電器的使用壽命。

???本設(shè)計就是要設(shè)計一個交流電壓過限保護系統(tǒng)，當交流電壓超過額定值時，有一個蜂鳴器發(fā)出報警聲，蜂鳴器的頻率為1Hz，并且上下限額定的電壓可調(diào)。我們首先對交流電壓進行降壓，整流，濾波，然后將濾波后的電壓與標準電壓進行比較，當電壓超限時，由蜂鳴器發(fā)出報警聲，從而提示我們及時處理。

關(guān)鍵詞：過限、保護、整流、報警?

仿真原理圖源程序 聯(lián)系企鵝號?3270516346

一、設(shè)計內(nèi)容

1.1??設(shè)計要求

1、當交流電壓超過額定值時，系統(tǒng)由蜂鳴器發(fā)出報警聲；

2、上下限電壓可以調(diào)節(jié)；

3、當蜂鳴器發(fā)出報警聲時，聲音間斷發(fā)生，頻率約為1Hz。

1.2???設(shè)計目的

1、提高動手能力，學(xué)會設(shè)計電子電路的方法和技巧；

2、利用所學(xué)的模擬電子技術(shù)的知識，設(shè)計一個簡單的電子系統(tǒng)；

3、熟練使用電子EDA軟件multisim，將設(shè)計的電路用multisim進行仿真。

1.3方案的選擇與論證

1.3.1比例運算電路

【方案一】同相比例運算電路

????選用同相比例運放，其輸出電壓Uo=（1+Rf/R）UI;其具有高輸入電阻，低輸出電阻的優(yōu)點，但有較大的共模輸入電壓。

【方案二】 反向比例運算電路

???反向比例運算，其輸出電壓Uo=-Rf/RUI;電路帶負載后輸出電壓不變，輸出電阻為零，但應(yīng)該選擇開環(huán)增益更大集成運放。

1.3.2?方波產(chǎn)生電路的選擇

?【方案一】集成運放電路組成

????將一個集成運放組成滯回比較器電路在加一個RC積分電路，就組成了一個方波產(chǎn)生電路；電路可以選用不同的穩(wěn)壓管產(chǎn)生不同幅值的電壓，電路簡單，輸出穩(wěn)定。

【方案二】 用555定時器產(chǎn)生

??????555定時器有著廣泛的應(yīng)用，用555定時器外加一個RC積分電路就構(gòu)成了一個矩形波產(chǎn)生電路；電路功耗小，輸出波形穩(wěn)定，易于調(diào)節(jié)。

1.3.3?電路選擇

由于同相比例運算電路輸出電壓不能從零開始調(diào)節(jié)，且有共模輸入，而反向比例運放輸出電阻為零，所以比例運算電路選用方案二；為了突出模擬電路的特性，減小元器件的種類，所以方波電路選用方案一。

二、總體方案設(shè)計

2.1?總體方案圖

2.2?總體方案介紹

????1、先將獲得的電壓進行降壓，使其電壓變?yōu)榉?0V左右；從電源獲得的電壓通常為正玄波，在經(jīng)過整流器將電壓整流為電壓單一方向的直流脈動電壓；整流后的電壓為了減小脈動，需要通過濾波器濾波，使輸出電壓平滑，幅值穩(wěn)定。

2、通過一窗口比較器作為電壓比較電路，窗口比較器的上下限電壓作為系統(tǒng)的限制電壓；系統(tǒng)要求上下限電壓可調(diào)，則窗口比較器的上下限電壓必須可調(diào)，用一個電阻可調(diào)的比例運算電路作為窗口比較器上下限電壓的輸入電壓，通過調(diào)節(jié)比例運算電路的電阻值就可以調(diào)節(jié)上下限電壓。

3、1Hz的信號不易直接產(chǎn)生，通過一個多諧振蕩電路和一個分頻電路產(chǎn)生一個頻率為1Hz的方波，當電壓超限時，窗口比較器輸出高電壓，振蕩電路開始工作；系統(tǒng)要求產(chǎn)生的報警聲音間斷發(fā)生，則再用一個頻率較高的多諧振蕩電路和頻率為1Hz的電路通過一個與門共同決定蜂鳴器是否發(fā)聲，則可在電壓超限時，產(chǎn)生頻率為1Hz的間斷報警聲。

4、窗口比較器對振蕩器的控制，通過一個用三極管組成的電子開關(guān)控制，當窗口比較器輸出高電壓時，通過一反相比例電路，使三極管基極電位為低電位，進而使振蕩器工作；反之，振蕩器則不工作。

三、單元電路設(shè)計

3.1?整流、濾波電路

1、通過變壓器將大的交流電變?yōu)殡妷狠^小的交流電，變壓器選用變壓比為40：1，采用變壓器的型號為DIPSW1。變壓后，U1=1/40U。

2、通過整流電路將電壓變?yōu)橹绷?，整流電路采用單相橋式整流電路；單相橋式整流電路由四個二極管組成，其工作原理是保證在整個周期內(nèi)負載上的電壓和電流方向不變；橋式整流電路二極管應(yīng)選擇所能承受反向電壓UMAX=1.4U1，所以其承受電壓應(yīng)大于14V。單相橋式整流電路原理圖為：

3、濾波電路采用電容濾波電路，能夠濾去交流成分，保留直流成分，電容濾波是通過電容的充放電來實現(xiàn)的；經(jīng)過濾波后電容輸出電壓為：

電容輸出電壓UO(AV)=(UOmax+UOmin)/2,所以UO(AV)=U1(1-)，當負載開路時，UO(AV)=1.2U1。

4、整流橋選擇的型號為1B4B42，濾波電路電容大小為1uF;經(jīng)過變壓、整流、濾波后，輸出的電壓與輸入的交流電壓有效值之間的關(guān)系為U2=1.2U1=0.03U。

5、變壓、整流、濾波電路為：

3.2?比例運算電路的設(shè)計

??3.2.1??電路原理

??1、比例運算電路是窗口比較器提供上下限電壓，比例運算電路采用反相比例運算電路，其輸出為Uo=-Rf/R*UI；其原理圖為：

?2、為使電路在輸入電壓不變的情況下，輸出電壓可以調(diào)節(jié)，電路中的反饋電阻用滑動變阻器代替，當滑動變阻器為不同的值時，輸出就為不同的值。

???3、為使電路輸出電壓為正值，則輸入電壓就應(yīng)該為負值；系統(tǒng)采用正負15V的電壓供電，所以可以在用一個反向比例運算電路，其輸入電壓為15V，輸出電壓就為負值。

?3.2.2?數(shù)值計算與電路圖

?1、經(jīng)過濾波后，窗口比較器輸入的電壓為U2=1.2U1=0.03U，U一般為100到300伏之間，則U2為3V到9V之間；我們?nèi)”壤\算電路中R=1K，輸入電壓為-0.5V，Rf滑動變阻器取值最大為30K，則窗口比較器上下限電壓范圍為0到15V。

2、為獲得-0.5V的輸入電壓，在通過比例運放將15V的電壓變?yōu)?0.5V，反向比例運算電路中R=30K，Rf=1K，則輸出U0=-1/30*15=-0.5V。

3、集成運放選擇的型號為LM324，集成運放采用正負15V的電壓供電，運放同相端接一個阻值為1K的電阻使電路對稱，比例運算電路設(shè)計為：

3.3?窗口比較器設(shè)計

3.3.1?設(shè)計原理??

?1、窗口比較器有兩個閾值電壓，輸入電壓從小變大或從大變小過程中使輸出電壓產(chǎn)生兩次越變；輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系為：

所以當電壓小于URL或大于URH時，輸出電壓就變?yōu)楦唠娖?，即輸入電壓超限時，使電路發(fā)出警報。

???2、窗口比較器電路圖為：

其輸出低電壓為0，高電壓為UDZ。

3.3.2?元件參數(shù)計算與選擇

???1、集成運放選擇的型號為LM324，二極管型號為1N4007，穩(wěn)壓管型號為1N4735，穩(wěn)壓管穩(wěn)定時電壓為5V；R1和R2的阻值都設(shè)定為1K，其作用為分壓，保護穩(wěn)壓管。

???2、窗口比較器電路為：

3.4?多諧振蕩器

3.4.1?多諧振蕩器原理

1、多諧振蕩器由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成，RC回路作為延遲環(huán)節(jié)，C上電壓作為滯回比較器的輸入，通過RC充放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。

2、多諧振蕩器電路為：

振蕩周期為T=2R3C?ln(1+)。

3.4.2?蜂鳴器間斷控制電路

1、為使蜂鳴器間斷發(fā)聲間斷，用一個頻率較高的矩形波來控制其發(fā)聲；設(shè)矩形波頻率為100Hz，周期為0.01S。我們?nèi)1=R2=1K，則R3C=0.00227，取電容C=1uF，則R3=2.3K。

2、振蕩電路集成運放選擇的型號為LM324，穩(wěn)壓管的型號為1N4735；電路圖為：

其輸出電壓的波形為：

3.5??1Hz信號產(chǎn)生電路

??3.5.1?電路原理

1、產(chǎn)生一個頻率為1Hz，周期為1S的信號，如果用多諧振蕩器直接產(chǎn)生，則振蕩器在產(chǎn)生矩形波信號前RC積分時間過長，需要經(jīng)過很長時間才能產(chǎn)生矩形波。

2、所以先用多諧振蕩器產(chǎn)生一個高頻信號，然后通過分頻來獲得頻率為1Hz的信號。

3、用多諧振蕩器產(chǎn)生一個周期為0.05S的信號，然后進行十分頻，分頻后周期為0.5S，將分頻后的輸出在接一個T觸發(fā)器，即產(chǎn)生一個周期為1S，占空比為50%的方波。

???3.5.2?多諧振蕩電路計算

???產(chǎn)生一個周期為0.05S的信號，T=2R3C?ln(1+)，取R1=R2=1K，則R3?C=0.022，取R3=10K，電容C=2.2uF。

???3.5.3?分頻電路

??1、分頻電路采用74LS160芯片，該芯片為十進制計數(shù)器，芯片的功能表為：

2、將振蕩器產(chǎn)生的信號作為芯片脈沖輸入CLK，則進位輸出的則為十分頻后的信號，周期為0.5S。

??3.5.4?T觸發(fā)器

????1、選用芯片74LS74，該芯片為D觸發(fā)器，將其反相輸出端反接到輸入端，則構(gòu)成一個T觸發(fā)器。

???2、該T觸發(fā)器每0.5S輸出翻轉(zhuǎn)一次，則周期為1S；T觸發(fā)器電路圖為：

?3.5.5?1Hz信號產(chǎn)生電路圖為

四、系統(tǒng)功能調(diào)試

4.1?整流、濾波電路測試?

1、經(jīng)過整流、濾波后的電流后的電流為一個穩(wěn)定的直流。

2、濾波后輸出電壓U2=0.03U，當輸入交流電的電壓為220V時，輸出為6.6V；輸出電壓的波形為：

4.2??窗口比較器調(diào)試

1、當輸入交流電為220Vrms,輸出電壓為6.6V，當設(shè)置上下限電壓分別為1V、8V時，窗口比較器輸出電壓為：

輸出為低電壓，不會使蜂鳴器發(fā)聲。

2、當設(shè)置上限電壓為5V時，輸出電壓波形與振蕩器產(chǎn)生的電壓為：

可見，振蕩器工作，蜂鳴器產(chǎn)生報警。

4.3?1Hz信號產(chǎn)生電路測試

使系統(tǒng)產(chǎn)生報警，用頻率測試儀測試其輸出頻率，一段時間后，頻率測試儀測得的頻率1.025Hz為，如圖：

4.4??系統(tǒng)總體功能測試

使輸入信號電壓為220Vrms，則輸出電壓為6.6V，設(shè)置上下限電壓為5V、1V，則蜂鳴器接收的電壓為：

可見，蜂鳴器接收了頻率為1Hz，占空比為50%的電壓。

五、所用元器件與電路圖

5.1?元器件清單

5.2?總體電路圖