220V交流過壓報(bào)警電路仿真設(shè)計(jì)

推南呼紅爭(zhēng)院電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：20交流過壓報(bào)警電路仿真設(shè)計(jì)TOC\o"1-5"\h\z學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號(hào):年 級(jí):專 業(yè):班 級(jí):指導(dǎo)教師:機(jī)械與電氣工程學(xué)院制2016年9月V交流過壓報(bào)警電路仿真設(shè)計(jì)學(xué)生：指導(dǎo)教師：機(jī)械與電氣工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)1設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求1.1設(shè)計(jì)的任務(wù)采用Multisium仿真技術(shù)對(duì)220V交流過壓報(bào)警電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。1.2課程設(shè)計(jì)的要求定電壓范圍在220V-240V范圍內(nèi)時(shí)，電路處于正常工作狀態(tài)，發(fā)光二極管不亮，蜂鳴器不響，當(dāng)原邊電壓高于此范圍時(shí)，發(fā)光二極管亮，蜂鳴器響。測(cè)試出各個(gè)模塊的波形。選定設(shè)計(jì)方案，畫出系統(tǒng)框圖，寫出詳細(xì)的設(shè)計(jì)過程。畫出電路圖，說明工作原理，寫出電路參數(shù)及必要地計(jì)算過程。Multisim軟件設(shè)計(jì)電路并仿真，畫出一套完整的設(shè)計(jì)電路圖。2220V交流過壓報(bào)警電路仿真設(shè)計(jì)思路2.1設(shè)計(jì)的原理變壓器空載時(shí)，一次端，二次端電壓與一次端，二次端繞組匝數(shù)成正比，即U1/U2=N1/N2,220/12=N1/N2=18.33。但初級(jí)與次級(jí)頻率保持一致，從而實(shí)現(xiàn)電壓的變化。再經(jīng)過橋式整流電路，將交流電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電壓。 在經(jīng)過整流和濾波之后輸出穩(wěn)定直流電壓，之后便是電壓比較器，在整流濾波后接了兩個(gè)電阻用來分壓，其中一個(gè)時(shí)滑動(dòng)變阻器用來調(diào)節(jié)輸入到電壓比較器的電壓大小。 電壓比較器當(dāng)正極輸入電壓大于負(fù)極基準(zhǔn)電壓時(shí)， 電壓比較器輸出高電平。當(dāng)正極輸入電壓小于負(fù)極基準(zhǔn)電壓時(shí)，電壓比較器輸出低電平。當(dāng)反向輸入端電位為固定值，正向輸入端為比較端；正向輸入端為固定值時(shí)，反向輸入端就是比較端了。比較器的輸出電平，符合上述規(guī)律。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器控制輸入電壓，當(dāng)正極輸入電壓大于電壓比較器的基準(zhǔn)電壓時(shí)輸出高電平， 此時(shí)LED亮且蜂鳴器發(fā)出聲音。當(dāng)正極輸入電壓小于電壓比較器的基準(zhǔn)電壓時(shí)輸出低電平，此時(shí)LED以及蜂鳴器都不工作。變壓器變壓器2.2設(shè)計(jì)的方案220V,50HZ交流電壓報(bào)警電路圖1電路整體框架電壓比較器3220V交流過壓報(bào)警電路仿真設(shè)計(jì)方案實(shí)施3.1單元模塊功能1.變壓器當(dāng)變壓器一次側(cè)施加交流電壓Ui,流過一次繞組的電流為Ii,則該電流在鐵芯中會(huì)產(chǎn)生交變磁通，使一次繞組和二次繞組發(fā)生電磁聯(lián)系，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，交變磁通穿過這兩個(gè)繞組就會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，其大小與繞組匝數(shù)以及主磁通的最大值成正比，繞組匝數(shù)多的一側(cè)電壓高，繞組匝數(shù)少的一側(cè)電壓低，當(dāng)變壓器二次側(cè)開路，即變壓器空載時(shí)，一二次端電壓與一二次繞組匝數(shù)成正比，即Ui/U2=Ni/N2,220/12=Ni/N2=18.33。但初級(jí)與次級(jí)頻率保持一致，從而實(shí)現(xiàn)電壓的變化。圖2圖2變壓器原理圖橋式整流電路橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。 這種電路，只要增加兩只二極管口連接成"橋"式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，而同時(shí)在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。橋式整流電路的工作原理如下： E2為正半周時(shí)，對(duì)Di、D3和方向電壓，Di，D3導(dǎo)通；對(duì)D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成E2、Di、Rfz、D3通電回路，在Rfz，上形成上正下負(fù)的半波整洗電壓，E2為負(fù)半周時(shí)，對(duì)D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對(duì)Di、D3加反向電壓，Di、D3截止。電路中構(gòu)成E2、D2、Rfz、D4通電回路，同樣在Rfz上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。圖3橋式整流電路正半周工作原理如此重復(fù)下去，便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級(jí)電壓的最大值，比全波整洗電路小一半。橋式整流電路工作原理：當(dāng)輸入電壓處于交流電壓正半周時(shí)，二極管Di、負(fù)載電阻Rl、D3構(gòu)成一個(gè)回路。如圖中虛線所示，輸出電壓Vo=V—VD1-VD3。輸入電壓處于交流電壓負(fù)半周時(shí)，二極D2、負(fù)載電阻Rl、D4構(gòu)成一個(gè)回路，輸出電壓Vo=Vi-VD2-VD4。圖中濾波電容的工作狀態(tài)。圖5橋式整流電路圖及輸出特性曲線由上述分析可知，二極管橋式整流電路輸出的也是一個(gè)方向不變的脈動(dòng)電壓，但脈動(dòng)頻率是半波整流的一倍。與半波整流輸出電壓有效值計(jì)算相類似，可以得到橋式整流輸出電壓效值Vorsm=0.9Ursm。通過上述分析，可以得到橋式整流電路的基本特點(diǎn)如下。（1）橋式整輸出的是一個(gè)直流脈動(dòng)電壓。 （2）橋式整流電路的交流利用率為100%。（3）電容輸出橋式整流電路，二極管承擔(dān)的最大反向電壓為2倍的交流峰值電壓（電容輸出時(shí)電壓疊加）。（4）橋式整流電路二極管的負(fù)載電流僅為半波整流的一半。（5）實(shí)際電路中，橋式整流電路中二極管和電容的選擇必須滿足負(fù)載對(duì)電流的要求。3?電壓比較器當(dāng)正極輸入電壓大于負(fù)極基準(zhǔn)電壓時(shí)， 電壓比較器輸出高電平。當(dāng)正極輸入電壓小于負(fù)極基準(zhǔn)電壓時(shí)，電壓比較器輸出低電平。當(dāng)反向輸入端電位為固定值，正向輸入端為比較端；正向輸入端為固定值時(shí)，反向輸入端就是比較端了。比較器的輸出電平，符合上述規(guī)律。a b圖6變壓器原理圖圖a電路圖 圖b傳輸特性如圖，當(dāng)UiVUr時(shí)，運(yùn)放輸出高電平，穩(wěn)壓管Dz反向穩(wěn)壓工作。輸出端電位被其箝位在穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓Uz，即卩Uo=Uz。當(dāng)Ui>Ur時(shí)，運(yùn)放輸出低電平，Dz正向?qū)ǎ敵鲭妷旱扔诜€(wěn)壓管的正向

壓降Ud，即Uo=—Ud。因此，以Ur為界，當(dāng)輸入電壓Ui變化時(shí)，輸出端反映出兩種狀態(tài)，高電位和低電位。|比較器是由運(yùn)算放大器發(fā)展而來的，比較器電路可以看作是運(yùn)算放大器的一種應(yīng)用電路。由于比較器電路應(yīng)用較為廣泛，所以開發(fā)出了專門的比較器集成電路。由運(yùn)算放大器組成的差分放大器電路，輸入電壓Va經(jīng)分壓器R2、R3分壓后接在同相端，Vb通過輸入電阻Ri接在反相端，Rf為反饋電阻，若不考慮輸入失調(diào)電壓，則其輸出電壓Vout與Va、Vb及4個(gè)電阻的關(guān)系式為：Vout=(1+RF/Ri)?R3/(R2+R3)Va-(Rf/Ri)Vb。若Ri=R2，R3=Rf，則VoE=Rf/Ri(Va-Vb),Rf/Ri為放大器的增益。當(dāng)Ri=R2=0(相當(dāng)于Ri、R2短路)，R3=Rf=x(相當(dāng)于R3、Rf開路)時(shí)，Vout=x。增益成為無窮大，其電路圖就形成圖6(b)的樣子，差分放大器處于開環(huán)狀態(tài)，它就是比較器電路。實(shí)際上，運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)時(shí)，其增益并非無窮大，而 Vout輸出是飽和電壓，它小于正負(fù)電源電壓，也不可能是無窮大。V+VoutV+V-圖7運(yùn)算放大器與比較器對(duì)比圖從圖中可以看出，比較器電路就是一個(gè)運(yùn)算放大器電路處于開環(huán)狀態(tài)的差分放大器電路。4.有源自激型蜂鳴器的工作發(fā)聲原理直流電源輸入經(jīng)過振蕩系統(tǒng)的放大取樣電路在諧振裝置作用下產(chǎn)生聲音信號(hào)，有源自激型蜂鳴器的工作發(fā)聲原理圖如下:圖8蜂鳴器原理圖

3.2元器件清單根據(jù)本次仿真設(shè)計(jì)的220v交流電壓報(bào)警電路，仿真過程中所用到的元器件如下表所示。表1兀器件列表序號(hào)名稱數(shù)量1220v,50hz交流電壓源12470uf電容131kQ,10kQ2,14電壓比較器1OPAMP5二極管41N414869v，200HZ蜂鳴器1BUZZER7萬用表18示波器1XSC195v直流電壓源11020kQ滑動(dòng)變阻器111LED燈112導(dǎo)線若干4仿真結(jié)果（或者硬件制作與調(diào)試）4.1Multisium介紹NIMultisim軟件是一個(gè)專門用于電子電路仿真與設(shè)計(jì)的 EDA工具軟件。作為Windows下運(yùn)行的個(gè)人桌面電子設(shè)計(jì)工具，NIMultisim是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。NIMultisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的這一問題。學(xué)員可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識(shí)用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。NIMultisim軟件絕對(duì)是電子學(xué)教學(xué)的首選軟件工具。1.直觀的圖形界面整個(gè)操作界面就像一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測(cè)試儀器均可直接拖放到屏幕上， 輕點(diǎn)鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來， 軟件儀

器的控制面板和操作方式都與實(shí)物相似， 測(cè)量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實(shí)儀器上看到的。2?強(qiáng)大的仿真能力以SPICE3F5和Xspice的內(nèi)核作為仿真的引擎，通過Electronicworkbench帶有的增強(qiáng)設(shè)計(jì)功能將數(shù)字和混合模式的仿真性能進(jìn)行優(yōu)化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、電路向?qū)У裙δ?。完備的分析手段Multisimt提供了許多分析功能，它們利用仿真產(chǎn)生的數(shù)據(jù)執(zhí)行分析，分析范圍很廣，從基本的到極端的到不常見的都有， 并可以將一個(gè)分析作為另一個(gè)分析的一部分的自動(dòng)執(zhí)行。集成 LabWEW和Signalexpress快速進(jìn)行原型開發(fā)和測(cè)試設(shè)計(jì)，具有符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的交互式測(cè)量和分析功能；完善的后處理對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行的數(shù)學(xué)運(yùn)算操作類型包括算術(shù)運(yùn)算、三角運(yùn)算、指數(shù)運(yùn)行、對(duì)數(shù)運(yùn)算、復(fù)合運(yùn)算、向量運(yùn)算和邏輯運(yùn)算等；詳細(xì)的報(bào)告能夠呈現(xiàn)材料清單、元件詳細(xì)報(bào)告、網(wǎng)絡(luò)報(bào)表、原理圖統(tǒng)計(jì)報(bào)告、多余門電路報(bào)告、模型數(shù)據(jù)報(bào)告、交叉報(bào)表 能夠呈現(xiàn)材料清單、元件詳細(xì)報(bào)告、網(wǎng)絡(luò)報(bào)表、原理圖統(tǒng)計(jì)報(bào)告、多余門電路報(bào)告、模型數(shù)據(jù)報(bào)告、交叉報(bào)表 7種報(bào)告;4.2電路仿真圖4.3仿真結(jié)果1.將220v交流電壓降為12v左右的交流電壓220Vrms50Hz圖10變壓器仿真圖ErtTrim-覽二萬帀表XMM2尺41OkQ-圖11變壓器仿真結(jié)果R1:220Vrms50Hz圖10變壓器仿真圖ErtTrim-覽二萬帀表XMM2尺41OkQ-圖11變壓器仿真結(jié)果R1:在經(jīng)變壓器降壓后，220v交流電壓降為12v左右的交流電壓。U仁U2=N1：N2，所以220/12=N〃N2=18.33。與仿真設(shè)計(jì)前理論計(jì)算值基本相同。所以變壓器工作正常。2.將12v左右的交流電壓經(jīng)過整流和濾波后得到穩(wěn)定的直流電壓及其輸出波D1圖12橋式整流電路仿真圖圖13橋式整流電路仿真結(jié)果在經(jīng)過整容濾波后得到結(jié)果如上圖所示，得到穩(wěn)定的直流電壓。在仿真設(shè)計(jì)前的理論與原理中，在經(jīng)過橋式整流電路后，降壓后的交流電壓會(huì)輸出為穩(wěn)定的直流電壓。仿真后整流濾波后的電壓在示波器上顯示為穩(wěn)定直流電壓。 所以仿真結(jié)果與理論結(jié)果基本相同，整流濾波電路工作正常。3.經(jīng)過電壓比較器以及電壓比較器輸出波形圖14電壓比較器仿真圖圖15電壓比較器仿真結(jié)果在仿真設(shè)計(jì)前，理論上當(dāng)正極輸入電壓大于負(fù)極基準(zhǔn)電壓時(shí)， 電壓比較器輸出高電平。當(dāng)正極輸入電壓小于負(fù)極基準(zhǔn)電壓時(shí)，電壓比較器輸出低電平。因?yàn)?/p>

仿真時(shí)正極輸入電壓為（Ui/Ri+R4）Ri=12v大于負(fù)極基準(zhǔn)電壓2.5v,所以電壓比較器輸出高電平。所以電壓比較器工作正常。4.報(bào)警電路及其輸出波形圖16蜂鳴器仿真圖圖17蜂鳴器仿真結(jié)果在仿真前的理論與原理中，當(dāng)輸入電壓為高電平時(shí)，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出聲音。當(dāng)輸入電壓為低電平時(shí)，蜂鳴器不工作且LED不亮。仿真后結(jié)果經(jīng)示波器顯示后如圖所示，輸入電壓為高電平，所以蜂鳴器正常工作且LED工作發(fā)光。所以報(bào)警電路正常工作。經(jīng)過仿真后，對(duì)比仿真結(jié)果與理論結(jié)果可得，理論上220v交流電壓在經(jīng)過變壓器降壓，橋式整流電路整流，濾波后再經(jīng)過電壓比較器，與比較電壓進(jìn)行比較，這時(shí)可以計(jì)算出整個(gè)電路的電壓工作范圍為220v-240v，經(jīng)過電壓比較器后，若輸出高電平則LED以及蜂鳴器工作，若輸出低電平則LED及蜂鳴器不工作。仿真后各個(gè)單元模塊都正常工作，仿真結(jié)果與理論結(jié)果基本符合。5總結(jié)及心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)可以主要分為三個(gè)部分：降壓，整流濾波以及電壓比較。對(duì)于降壓我們都不陌生，從初中的時(shí)候大家就開始接觸變壓器，變壓器的一二次端電壓與一二次繞組匝數(shù)成正比，即U1/U2=N1/N2,本次仿真設(shè)計(jì)用到220/12=Ni/N2=18.33的乍數(shù)比。但初級(jí)與次級(jí)頻率保持一致，從而實(shí)現(xiàn)電壓的變化。變壓器這一塊較簡(jiǎn)單。對(duì)于橋式整流電路，數(shù)模電以及電力電子中都有涉及到。對(duì)于橋式整流電路，了解到橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級(jí)電壓的最大值，比全波整洗電路小一半！在經(jīng)過整流和濾波之后輸出穩(wěn)定直流電壓，之后便是電壓比較器，在整流濾波后接了兩個(gè)電阻用來分壓，其中一個(gè)時(shí)滑動(dòng)變阻器用來調(diào)節(jié)輸入到電壓比較器的電壓大小。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器控制輸入電壓，當(dāng)正極輸入電壓大于電壓比較器的基準(zhǔn)電壓時(shí)輸出高電平，此時(shí)LED亮且蜂鳴器發(fā)出聲音。當(dāng)正極輸入電壓小于電壓比較器的基準(zhǔn)電壓時(shí)輸出低電平，此時(shí)LED以及蜂鳴器都不工作6參考文獻(xiàn)康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].北京：高等教育出版社，2013：119-136.王霞.電子技術(shù)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2015年：85-92.郭維芹.模擬電子線路實(shí)驗(yàn)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1985年：88-94.王淑娟.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2009年：56-78.廉玉欣.電子技術(shù)最基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010年:156-161.李海燕