220V交流过压报警电路仿真设计.docx
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220V交流过压报警电路仿真设计
推南呼紅爭院
电子技术课程设计报告
题目：
20交流过压报警电路仿真设计
学生姓名：
学生学号:
年级:
专业:
班级:
指导教师:
机械与电气工程学院制
2016年9月
220V交流过压报警电路仿真设计
学生：
指导教师：
机械与电气工程学院自动化专业
1设计的任务与要求
1.1设计的任务
采用Multisium仿真技术对220V交流过压报警电路进行仿真设计。
1.2课程设计的要求
1.定电压范围在220V-240V范围内时，电路处于正常工作状态，发光二极管不亮，蜂鸣器不响，当原边电压高于此范围时，发光二极管亮，蜂鸣器响。
测试出各个模块的波形。
2.选定设计方案，画出系统框图，写出详细的设计过程。
画出电路图，说明工作原理，写出电路参数及必要地计算过程。
3.Multisim软件设计电路并仿真，画出一套完整的设计电路图。
2220V交流过压报警电路仿真设计思路
2.1设计的原理
变压器空载时，一次端，二次端电压与一次端，二次端绕组匝数成正比，即
U1/U2=N1/N2,220/12=N1/N2=18.33。
但初级与次级频率保持一致，从而实现电压的变化。
再经过桥式整流电路，将交流电压转化为稳定的直流电压。
在经过整流
和滤波之后输出稳定直流电压，之后便是电压比较器，在整流滤波后接了两个电阻用来分压，其中一个时滑动变阻器用来调节输入到电压比较器的电压大小。
电
压比较器当正极输入电压大于负极基准电压时，电压比较器输出高电平。
当正极
输入电压小于负极基准电压时，电压比较器输出低电平。
当反向输入端电位为固定值，正向输入端为比较端；正向输入端为固定值时，反向输入端就是比较端了。
比较器的输出电平，符合上述规律。
调节滑动变阻器控制输入电压，当正极输入电压大于电压比较器的基准电压时输出高电平，此时
LED亮且蜂鸣器发出声音。
当正极输入电压小于电压比较器的基准电压时输出低电平，此时LED以及蜂鸣器都不工作。
2.2设计的方案
220V,50HZ
交流电压
报警电路
图1电路整体框架
电压比较器
3220V交流过压报警电路仿真设计方案实施
3.1单元模块功能
1.变压器
当变压器一次侧施加交流电压Ui,流过一次绕组的电流为Ii,则该电流在铁芯中会产生交变磁通，使一次绕组和二次绕组发生电磁联系，根据电磁感应原理，交变磁通穿过这两个绕组就会感应出电动势，其大小与绕组匝数以及主磁通的最大值成正比，绕组匝数多的一侧电压高，绕组匝数少的一侧电压低，当变压器二次侧开路，即变压器空载时，一二次端电压与一二次绕组匝数成正比，即Ui/U2=Ni/N2,220/12=Ni/N2=18.33。
但初级与次级频率保持一致，从而实现电压的变化。
2.桥式整流电路
桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。
这种电路，只要增加两只二极管
口连接成"桥"式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。
桥式整流电路的工作原理如下：
E2为正半周时，对Di、D3和方向电
压，Di，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。
电路中构成E2、Di、Rfz、D3通电回路，在Rfz，上形成上正下负的半波整洗电压，E2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对Di、D3加反向电压，Di、D3截止。
电路中构成E2、D2、Rfz、D4通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。
图3桥式整流电路正半周工作原理
如此重复下去，便得到全波整流电压。
其波形图和全波整流波形图是一样的。
从图中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整洗电路小一半。
桥式整流电路工作原理：
当输入电压处于交流电压正半周时，二极管Di、负载电阻Rl、D3构成一个回路。
如图中虚线所示，输出电压Vo=V—VD1-VD3。
输入电压处于交流电压负半周时，二极D2、负载电阻Rl、D4构成一个回路，输出电压Vo=Vi-VD2-VD4。
图中滤波电容的工作状态。
图5桥式整流电路图及输出特性曲线
由上述分析可知，二极管桥式整流电路输出的也是一个方向不变的脉动电压，但脉动频率是半波整流的一倍。
与半波整流输出电压有效值计算相类似，可以得到桥式整流输出电压效值Vorsm=0.9Ursm。
通过上述分析，可以得到桥式整流电路的基本特点如下。
（1）桥式整输出的是一个直流脉动电压。
（2）桥式整
流电路的交流利用率为100%。
（3）电容输出桥式整流电路，二极管承担的最大反向电压为2倍的交流峰值电压（电容输出时电压叠加）。
（4）桥式整流电路二极管的负载电流仅为半波整流的一半。
（5）实际电路中，桥式整流电路中二极管和电容的选择必须满足负载对电流的要求。
3•电压比较器
当正极输入电压大于负极基准电压时，电压比较器输出高电平。
当正极输入
电压小于负极基准电压时，电压比较器输出低电平。
当反向输入端电位为固定值，正向输入端为比较端；正向输入端为固定值时，反向输入端就是比较端了。
比较器的输出电平，符合上述规律。
ab
图6变压器原理图
图a电路图图b传输特性
如图，当UiVUr时，运放输出高电平，稳压管Dz反向稳压工作。
输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压Uz，即卩Uo=Uz。
当Ui>Ur时，运放输出低电平，Dz正向导通，输出电压等于稳压管的正向
压降Ud，即Uo=—Ud。
因此，以Ur为界，当输入电压Ui变化时，输出端反映出两种状态，高电位和低电位。
|
比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。
由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。
由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压Va经分压器R2、R3分压后接在同相端，Vb通过输入电阻Ri接在反相端，Rf为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与Va、Vb及4个电阻的关系式为：
Vout=（1+RF/Ri）•R3/（R2+R3）Va-（Rf/Ri）Vb。
若Ri=R2，R3=Rf，则VoE=Rf/Ri（Va-Vb）,Rf/Ri为放大器的增益。
当Ri=R2=0（相当于Ri、R2短路），R3=Rf=x（相当于R3、Rf开路）时，Vout=x。
增益成为无穷大，其电路图就形成图6（b）的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。
实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源
电压，也不可能是无穷大。
V+
Vout
V+
V-
图7运算放大器与比较器对比图
从图中可以看出，比较器电路就是一个运算放大器电路处于开环状态的差分放大器电路。
4.有源自激型蜂鸣器的工作发声原理
直流电源输入经过振荡系统的放大取样电路在谐振装置作用下产生声音信号，有源自激型蜂鸣器的工作发声原理图如下:
图8蜂鸣器原理图
3.2元器件清单
根据本次仿真设计的220v交流电压报警电路，仿真过程中所用到的元器件如下表所示。
表1兀器件列表
序号
名称
数量
1
220v,50hz交流电压源
1
2
470uf电容
1
3
1kQ,10kQ
2,1
4
电压比较器
1
OPAMP
5
二极管
4
1N4148
6
9v，200HZ蜂鸣器
1
BUZZER
7
万用表
1
8
示波器
1
XSC1
9
5v直流电压源
1
10
20kQ滑动变阻器
1
11
LED灯
1
12
导线
若干
4仿真结果（或者硬件制作与调试）
4.1Multisium介绍
NIMultisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。
作
为Windows下运行的个人桌面电子设计工具，NIMultisim是一个完整的集成化设计环境。
NIMultisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。
学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。
NIMultisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。
1.直观的图形界面
整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪
器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实
仪器上看到的。
2•强大的仿真能力
以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronicworkbench带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。
包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。
3.完备的分析手段Multisimt提供了许多分析功能，它们利用仿真产生的数
据执行分析，分析范围很广，从基本的到极端的到不常见的都有，并可以将一个
分析作为另一个分析的一部分的自动执行。
集成LabWEW和Signalexpress快速
进行原型开发和测试设计，具有符合行业标准的交互式测量和分析功能；
4.完善的后处理
对分析结果进行的数学运算操作类型包括算术运算、三角运算、指数运行、
对数运算、复合运算、向量运算和逻辑运算等；
5.
详细的报告
4.3仿真结果
1.将220v交流电压降为12v左右的交流电压
图11变压器仿真结果
在经变压器降压后，220v交流电压降为12v左右的交流电压。
U仁U2=N1：
N2，所以220/12=N〃N2=18.33。
与仿真设计前理论计算值基本相同。
所以变压器工作正常。
2.将12v左右的交流电压经过整流和滤波后得到稳定的直流电压及其输出波
D1
图12桥式整流电路仿真图
图13桥式整流电路仿真结果
在经过整容滤波后得到结果如上图所示，得到稳定的直流电压。
在仿真设计
10
前的理论与原理中，在经过桥式整流电路后，降压后的交流电压会输出为稳定的直流电压。
仿真后整流滤波后的电压在示波器上显示为稳定直流电压。
所以仿真
结果与理论结果基本相同，整流滤波电路工作正常。
3.经过电压比较器以及电压比较器输出波形
图14电压比较器仿真图
图15电压比较器仿真结果
在仿真设计前，理论上当正极输入电压大于负极基准电压时，电压比较器输
出高电平。
当正极输入电压小于负极基准电压时，电压比较器输出低电平。
因为
11
仿真时正极输入电压为（Ui/Ri+R4）Ri=12v大于负极基准电压2.5v,所以电压比较器输出高电平。
所以电压比较器工作正常。
4.报警电路及其输出波形
图16蜂鸣器仿真图
图17蜂鸣器仿真结果
在仿真前的理论与原理中，当输入电压为高电平时，蜂鸣器就会发出声音。
当输入电压为低电平时，蜂鸣器不工作且LED不亮。
仿真后结果经示波器显示
12后如图所示，输入电压为高电平，所以蜂鸣器正常工作且LED工作发光。
所以报警电路正常工作。
经过仿真后，对比仿真结果与理论结果可得，理论上220v交流电压在经过变压器降压，桥式整流电路整流，滤波后再经过电压比较器，与比较电压进行比较，这时可以计算出整个电路的电压工作范围为220v-240v，经过电压比较器后，若输出高电平则LED以及蜂鸣器工作，若输出低电平则LED及蜂鸣器不工作。
仿真后各个单元模块都正常工作，仿真结果与理论结果基本符合。
5总结及心得体会
本次课程设计可以主要分为三个部分：
降压，整流滤波以及电压比较。
对于降压我们都不陌生，从初中的时候大家就开始接触变压器，变压器的一二次端电压与一二次绕组匝数成正比，即U1/U2=N1/N2,本次仿真设计用到220/12=Ni/N2=18.33的乍数比。
但初级与次级频率保持一致，从而实现电压的变化。
变压器这一块较简单。
对于桥式整流电路，数模电以及电力电子中都有涉及到。
对于桥式整流电路，了解到桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整洗电路小一半！
在经过整流和滤波之后输出稳定直流电压，之后便是电压比较器，在整流滤波后接了两个电阻用来分压，其中一个时滑动变阻器用来调节输入到电压比较器的电压大小。
调节滑动变阻器控制输入电压，当正极输入电压大于电压比较器的基准电压时输出高电平，此时LED亮且蜂鸣器发出声音。
当正极输入电压小于电压比较器的基准电压时输出低电平，此时LED以及蜂鸣器都不工作6参考文献
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高等教育出版社，2013：
119-136.
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电子工业出版社，2012年：
117-125.
13
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