冰箱保护电路的设计.doc

中北大学2005届本科毕业设计说明书1 引言电冰箱作为应用较为广泛的家用电器，由于其受多种不确定因素的影响，将会发生很多故障。电源电压过高或过低都会影响电冰箱的正常运行。电源电压过高时，电冰箱压缩机的运行电流增大，压缩机温升过高，会影响寿命，甚至烧毁电机；电源电压过低时，电机启动力矩减小，电机启动不起来，这时，电机通过持续的大电流而被烧毁。另外，目前使用的压缩机电动机普遍采用分相启动的单相异步交流电动机，这种电机的启动力矩小，若电冰箱在运行时，遇到瞬时断电，使压缩机停机后又立即送电，此时因电冰箱制冷循环系统的高、低压两侧的压力差很大，电机的负载力矩很大，电机不能启动，发生所谓的闷车现象而烧毁电机。一般电机在停运35分钟后，制冷循环系统的高低压两侧压力才平衡，这时就可以重新启动了。保护器就是针对上述情况而设计的，它主要是由集成电路为主要元件而构成的高可靠性保护器，它具有电源电压显示、过压保护、欠压保护、延时供电和漏电显示等功能，对那些居住在电网电压不稳、经常停电的区域的家庭使用的电冰箱，具有很好的保护作用。并且部分电路已用Multisim2001软件仿真，验证了电路的正确性。论文共分为五章，第一章即为前言部分，介绍了设计冰箱保护电路的目的和意义；第二章为论文的关键，主要介绍了电冰箱保护电路设计方案的选择。实现冰箱保护器的原理有很多，但要选择一个最佳方案来设计；第三章即为核心部分，主要介绍了电源电压显示电路、过压欠压保护电路、延时供电电路和漏电显示电路的设计原理和参数的确定；第四章为仿真部分，仿真了电源电压显示电路和过压欠压保护电路，电源电压显示电路中仿真了压控振荡电路、时基电路和计数电路，过压欠压保护电路中仿真了超压电路及欠压电路，通过仿真与实际相符，验证了电路的正确性；第五章为结论。2 电冰箱保护电路方案的选择经过查阅有关资料有以下几种实现冰箱保护器的方案：方案一：延时电路电源电路过压和欠压控制电路 电子开关显示电路图2.1 方案一原理框图该电路的工作原理是：220V交流电由电源变压器降压后，经整流二极管D1D4桥式整流和电容滤波及稳压后为整个电路提供12V直流电压，由电阻、电位器、与非们等组成过、欠压检测控制电路，延时保护电路由与非门元件组成。为便于观察电冰箱工作情况，应将变色发光二极管安装在机盒的面板上，以便调整，电位器选用无长旋柄式的，以免被碰触而产生移位，影响控制效果1。方案二：电源电路双限比较器（窗口比较器）过流检测电路状态显示电路电子开关的延时保护电路图2.2 方案二原理框图该电路工作原理是：由变压器、整流器、电容和三端集成稳压片（型号7812）组成。整流、滤波和稳压电路为整机提供电源；四个集成运放的集成片的型号是LM339，它与外电路构成三个电压比较器，用来检测电源的过压、欠压、产生过电流以及压缩机的开停。单时基集成片NE555 8-15 ，它与外围电路组成延时电子开关。另外，由发光二极管LED13点亮与熄灭的不同组合显示延时、正常、故障和停电等不同状态2。方案三：电源电路自动稳压控制过压保护电路延时保护电路图2.3 方案三原理框图该电路的工作原理是：电源变压器是有3个抽头的自耦变压器。稳压控制电路由晶体管组成两个基本类似的直接耦合式复合型级联放大器，这种结构能增强放大倍数提高动作灵敏度。延时电路是由芯片NE555、电阻和电容等元件组成单稳态时基电路来完成所需要的延时（5分钟8分钟）。过压保护电路是一个与稳压控制类似的复合级联电路。由于考虑到本电路低到145V时输出电压已达到190V，已能满足过压保护，不搞欠压保护3。方案四：电源电路比较器（施密特触发器）双重延时电路显示电路电压显示电路图2.4 方案四原理框图这种电路的工作原理是：采用多触点继电器。由运放和电阻组成了两个具有磁滞回线的史密特触发器（比较器），它们用来检测电源的过压欠压。整个保护器有两个延时，使电冰箱保护器具有瞬间断电保护、瞬间超压保护、瞬间欠压保护的能力。由电阻、二极管等组成了漏电显示电路4。方案五：电源电路过压、欠压和记忆延时电路控制电路图2.5 方案五原理框图该电冰箱保护器的功能是：当电网电压在过压或欠压情况下，使电冰箱供电系统停止供电，电网电压恢复正常后自动恢复供电；当电冰箱正在工作时，一旦电源断电而又立即在供电，要使电冰箱必须经35分钟才能恢复供电567。方案一设计出的电路是一种冰箱自动保护器，具有过压欠压及瞬时断电延时保护功能，它具有无机械触点、灵敏度高、功耗低、无噪声等优点。方案二设计出的电路的特点是使用元件少、电路简单；具有过压、欠压和过流保护、来电延时保护以及多种显示功能；工作可靠、稳定性高。方案三设计出的电路的特点是： （1）稳压范围：当输入电压变化160V250V时输出电压变化200V233V；（2）延时保护：当供电电源突然中断又突然恢复，其间断时间若260V时，能自动切断电源。方案四设计出的电路的特点是该电路具有过压、欠压保护、延时供电和漏电显示等功能，而且对那些居住在电网电压不稳定、经常停电的区域的家庭使用的电冰箱，具有很好的保护作用。方案五设计出的电路特点是只用一块NE555时基电路和少量分立元件，就能制作一个具有过压、欠压和断电延迟保护功能的全自动电冰箱保护器。 总之，上述五种方案设计的电路各有千秋，但为设计出性能良好、经久耐用、调式方便的家用电冰箱保护器，具有过压保护、久压保护、延时保护和漏电显示等功能。我选择了方案四的电路原理来设计冰箱保护电路。 3 电冰箱保护电路的设计3.1 电源电路的设计电源电路的作用有两个：（1）电网电压经整流滤波后变为直流电压作为比较器的基准电压，由比较器的不同结果来判断电网电压是否超压或欠压；（2）电网电压经整流滤波后再经过两个集成稳压片W7809和W7805输出直流电压9V和5V，为后面的电路提供电源。电源电路主要由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路等电路组成。电源电路框图如图3.1所示，各部分的作用是：图3.1 电源电路组成框图（1）电源变压器：将交流电源的电压变换为符合整流需要的数值。（2）整流电路：利用具有单向导电性能的整流元件（如晶体二极管，真空二极管），将正弦交流电压变为单向（直流）脉动电压。为非正弦周期电压，含有直流成分和各种频率的交流成分。（3）滤波电路：利用电容、电感等电路元件的频率特性，将直流脉动电压中的谐波成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。（4）稳压电路：当电网电压波动或负载变动时，经滤波后的直流电压大小还会变动。稳压电路的作用是使直流输出电压基本上不受上述因素的影响16。3.1.1 电源变压器的设计在此电路的设计中，要求输入220V的交流电压时，经过电源变压器后，输出交流电压为12V（变压器二次侧电压），所以变压器的匝数比为： N2/N1=12/220=3/55故当电网电压为187V时，变压器二次侧电压为：=1873/55=10.2V。当电网电压为242V时，变压器二次侧电压为：=2423/55=13.2V。为满足上述要求，选择了中心带抽头的变压器。3.1.2 整流电路的设计一、整流电路的技术指标1衡量整流电路工作性能的参数（1）输出电压的平均值 它反映整流电路将交流电压转换成为直流电压的能力。（2）脉动系数S 它说明整流电路输出电压中交流成分的大小，是用来衡量整流电路输出平滑程度的指标。2选择整流二极管所需要的参数（1） 流过管子的正向平均电流。（2） 管子所承受的最大反向电压。常见的整流电路有单相半波整流电路和单相桥式整流电路，下面分别介绍这两种电路的工作原理以及它们的优缺点。二、常见的整流电路1单相半波整流电路（1）工作原理单相半波整流电路的组成和输出电压电流波形如图3.2所示。图3.2 单相半波整流电路的电路组成a) 电路组成 b）电压电流波形T是电源变压器，将电网电压变换成满足整流电路输出要求的交流电压。表示整流电路的负载，它是消耗电能量的设备，一般具有纯电阻性质。两端的电压和流过的电流是整流电路的输出量。设整流变压器二次侧电压为=sint （式3.1）由于二极管的单向导电性，当交流正弦电压处于正半周期时，二极管VD承受正向偏压而导通，有电流=流过。若VD采用理想模型（加在电路两端的交流电压远大于二极管导通电压，而整流电流也远大于二极管反向饱和电流），此时的波形与的完全相同。当为负半周时，二极管承受反向偏压而截止，此时中的电流为零，电压也为零。和的波形如图3.2b所示。故在负载上得到了单方向（直流）脉动电压。因为上只有半个周期内有电流和电压，故叫“半波整流电路”。（2）单相半波整流电路的主要技术指标1）输出电压的平均值 它是输出电压在一个周期内的平均值，即的直流分量。把图3.2b中的电压用傅立叶变换分解为 = (+sint-cost) （式3.2）其中的直流分量是。所以 =0.45 （式3.3）其中是变压器二次侧电压的有效值。由式(3.3)可知，单相半波整流电路输出电压的平均值（直流分量）只是变压器的二次测电压的有效值的45%。如果较小，考虑到变压器二次绕组和二极管上的电压降，还要更低。可见，半波整流电路的转换效率较低。2）输出电压的脉动系数S 它定义为整流后的输出电压的基波分量幅值与平均值之比。即 S= （式3.4）它表明了整流后电压脉动情况（平滑程度）。由（3.2）可得 = （式3.5）将式（3.3）和（3.5）代入（3.4），求出 S= 1.57 （式3.6）这个结果表明，半波整流电路输出电压的脉动很大，其基波峰值比平均值约大57%。3）整流二极管的平均电流 由图3.2a可知，通过整流二极管的电流与负载电流相同，所以 = = 0.45 （式3.7）4）整流二极管承受的最大反向电压 在单相半波整流电路中，当 处于负半周时，电路中和均为零。此时，二极管承受的反向电压就是，其最大值就是峰值，即 = （式3.8）由以上分析可知， 单相半波整流电路结构简单，所用二极管少，但是转换效率低，输出电压的平均值小，脉动大。2单相桥式整流电路（1）工作原理原理图如3.3所示。 图3.3 单相桥式整流电路图a) 电路组成 b）电压波形单相半波整流电路存在缺点的主要原因是：在交流正弦电压的一个周期中，负载电阻只获得半个周期的电压和电流。为了提高整流效率，需将另一半的电压也引到负载上，即正负半周都有电流按同一方向流过负载。这种方式叫“全波整流”。上述电路连接方式实现了在的一个周期内都有同一方向的电流流过，即达到了全波整流的目的。 在变压器二次电压为正半周（上正下负）时，二极管VD1、VD2导通，VD3、VD4截止。电流依次流过点a、VD1、点A、点B、VD2、点 b，负载电上得到一个半波电压，如图3.3b中从t=0段所示。在变压器二次电压为负半周（下正上负）时，二极管VD3、VD4导通，VD1、VD2截止。电流依次流过点b、VD3、点A、RL、点B、VD4、点a，负载电阻RL上又得到一个半波电压，如图3.3b中从t=2段所示。（2）单相桥式整流电路的主要技术指标 1）输出电压的平均值 将图3.3b中的输出电压用傅立叶级数分解为 =（- cos2t - cos4t） (式3.9)其中直流分量就是。故 = 0.9 (式3.10)与（3.3）式相比，可见桥式整流电路输出电压平均值是半波整流电路输出电压平均值的两倍。2）脉动系数S S= 0.67 (式3.11)与式（3.6）相比，可见的脉动系数情况大有改善。3）整流二极管承受的最大反向电压 二极管截止时，管子两端承受的最大反向电压可从图3.3（a）中得出，如在正半周时，VD1、VD2导通，VD3、VD4截止，此时VD3、VD4所承受的最大反向电压就是变压器二次侧电压的最大值，即 = (式3.12)同理，在的负半周，VD1和VD2也承受同样大小的反向电压。由上述分析可知，与半波整流电路相比，若相同，桥式整流电路输出电压平均值提高了一倍；若输出负载电流相同，则每个整流管流过的平均电流减少了一半；同时脉动系数也下降了许多。故在冰箱保护电路的设计中选用了单相桥式整流电路。三、整流电路的设计和参数的确定由上面的分析可得，在冰箱保护电路的设计中选用桥式整流电路作为整流电路，其主要技术指标有（1）输出电压的平均值 = 0.9 =0.91210.8（V） （式3.13）（2）脉动系数S S= 0.67 （式3.14）（3）整流二极管承受的最大反向电压URM =12（V） （式3.15）为满足上述指标的要求，选用桥式整流二极管的型号是B2B42。3.1.3 滤波电路的设计前面分析的整流电路虽然可以把交流电路转换为直流电，但所得到的电压中含有较大的脉动成分（主要是50Hz或100Hz）。在某些设备（如电镀、蓄电池充电设备）中，这种电压的脉动是允许的，但是当直流用作电子设备的电源时，会引起严重的谐波干扰。为此，整流电路中都要加滤波电路，以保留整流后输出电压的直流成分，滤掉脉动成分，使输出电压接近于理想的直流电压。常用的电容滤波电路简单、输出电压U0较高、脉动较小。故在此电路设计中选用电容滤波电路。一、电容滤波电路如图3.4a是电容滤波电路。负载电阻上并联了大容量的滤波电容C，电容器两端电压即为输出电压。 图3.4 电容滤波电路a) 电路图 b) 波形图电容C的滤波作用可以从两个方面来说明。（1）是电容器的容抗（XC=）与信号频率成反比。因此对输出电压中的直流分量，电容C相当于开路。对输出电压中的交流成分的基波及更高层次谐波，只要C的电容量选的足够大，其XC可以很小，相当于短路。这样负载电阻RL上保留了输出电压的直流成分，滤掉了交流成分。 （2）是电容的滤波作用是储能及放能作用。如果桥式整流电路中未接电容C，输出电压如图3.4b中虚线所示。当接入C 后，设电容两端初始电压为零，且在t=0时接入交流电源。当t0时，由0开始上升。二极管、导通，一方面给负载供电，同时对电容器C 充电。由于整流电路内阻很小，电容器充电电压随电压的上升而上升。在t1=时， 和同时达到最大值 ，当t1时，按正弦规律下降，先慢后快，而电容电压则按指数规律通过负载电阻放电，先快后慢。在t2以前，二极管、因受反向电压而截止。此时，流过的电流为电容C的放电电流，=按指数规律下降。而且，放电电路的时间常数 放=C越大，下降越慢。当达到负半周的时，二极管、导通，再次对C充电和对供电。到达t3时，C又充电到=。此后，又按正弦规律下降，且时，二极管截止，再次向放电。以后每半个周期如此循环下去，负载上的电压=的波形如图3.4b中实线所示。由于放电时间常数放=C通常远大于充电时间常数充（充取决于电容C、变压器电阻和二极管正向电阻r），所以=的脉动情况比不接电容C以前有明显的改善，且输出电压的直流分量也提高了。在整流电路内阻不大时，可按下式估算电容滤波全波整流电路的输出电压，即 =1.2 （式3.16）二、滤波电路设计在冰箱保护电路中的滤波电路图如图3.5所示。 图3.5 电容滤波电路为了达到更好的滤波效果，在冰箱保护电路的设计中要用到两个滤波电容、，图中的电位器、的作用是为两个比较器提供基准电压。考虑到比较器所要求的电压值以及更好的滤波，在这里取=2000F， =15k， =0.33F 即可满足要求。3.1.4 稳压电路的设计一、稳压电路的功能在前几节中，主要讨论了如何通过整流电路把交流电变成单方向的直流脉冲电压以及如何利用储能元件组成各种滤波电路以减少输出的脉动成分。但是当电网电压波动和负载变化时，整流滤波电路的输出电压会随之变化。电源电压的不稳定可以产生测量和计算误差，引起电子设备和控制装置工作的不稳定，甚至使之根本无法正常工作。为了能够提供更加稳定的直流电源，需要在整流滤波后面加入稳压电路，使直流电源的输出电压基本上不随交流电网电压波动和负载变化而变化。二 、常见的稳压电路常见的稳压电路主要有稳压管稳压电路、线性串联稳压电路、并联稳压电路、集成稳压电路。三、稳压电路的设计 为了提高精度及考虑电路的简易度，在冰箱保护电路的设计中使用三端集成稳压器。随着集成工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件。集成稳压电路按输出电压可分为“固定式”和“可调式”。最简单的集成稳压电路只有三个引线，即输入端、输出端、公共端。这样的稳压器叫“三端集成稳压器”。 三端集成稳压器的外型、型号及参数 固定式三端集成稳压器可分为W7800正稳压和W7900负稳压两个系列，输出电压有5、6、9、12、15、18和24V。目前常用的最大输出电流100mA的W78L（W79L）系列，500mA的W78L（W79L）系列, 1.5A的W78L（W79L）系列。型号中78表示输出为正电压，79表示为负电压，型号中最后两位数表示输出电压值。例如W7806表示输出电压为6V，W7912表示输出电压为12V。 在此电路中用到的是W7809和W7805。输出的9V 和5V电压的作用是为后面的电路提供电源。电路图形符号如下所示第 47 页 共 47 页图3.6 W7809和W7805的路图形符图 3.1.5 电源电路总体电路图图3.7 电源电路总体图其中的作用是适当的改变延时的长短。二极管的的作用有两个：一是为比较器提供参考电压；二是保护稳压器。的作用是减少稳压器输入与输出的电压脉动，并改善负载的瞬态响应。由于W7800系列集成稳压器的最大输出电流为1.5 A，考虑到输出电压的幅值，这里可选 =600，=0.1F，=15k。 3.2 过压、欠压保护电路的设计电压比较电路在测量、控制及波形发生等许多方面有着广泛的应用。它的种类很多，如简单电压比较电路（包括过零比较电路），滞回比较电路和窗口比较电路等。在实际应用中，对这些比较电路的要求是：鉴别要准确、反应要灵敏、状态翻转快、抗干扰能力强，还应有一定的保护措施，以防过电压或过电流造成器件的损坏。3.2.1 常见电压比较器的比较常见的电压比较器有简单的电压比较器和滞回比较电路。简单的电压比较电路有两个缺点。如果输入变化非常缓慢，输出的摆动也可能相当缓慢。更坏的是，如果输入中带有噪声，当输入经过阈值时，输出可能发生多次跳变。这两个缺点都可以通过采用“正反馈”来弥补。用了正反馈，将使比较电路具有两个阈值，分别取决于输出所处的状态。另外，不管输入波形的速率如何，正反馈能保证输出的跳变很迅速。这种带正反馈的比较电路也叫施密特触发器（schmitt trigger）,它的输出既与当时的输入电压有关，又与输入的历史状态有关。这种效应也叫“迟滞”。故在超压欠压保护电路的设计中就应用施密特触发器。3.2.2 超压、欠压保护电路的具体设计本次电路设计的超压、欠压保护电路原理图如图3.9所示。图3.9 超压、欠压保护电路总体图在本次超压、欠压保护电路的设计中用到了两个具有磁滞回线的施密特触发器（比较器），它们用来检测电源的过压和欠压，原理图可简化为图3.9（a）、（b）所示，通过、和、引入了正反馈，其作用是加速输出电压的跳变过程，并使传输特性具有滞环。（a）超压保护电路原理（b）欠压保护电路原理图图3.10 超压欠压保护原理图其中比较器的型号为741，其同相输入端的电压为9V，反相输入电压为0V。为原理图中电位器的取样电压，为电位器的取样电压，由施密特触发器的原理可得：当时，9V ； 当 时，0V。（1）求阈值：比较电路的输出电压发生跳变的临界条件是 时，由图可得： 运用叠加原理，可得： （式3.17）式中，是输出电压的高低电平值，由上述分析，的高电平为9V，低电平为0V，将它们代入上式可得： = =4.544V （式3.18）1= =4.455V （式3.19）迟滞电压为：= 1=4.544V4,455V=0.089V （式3.20）它的传输特性图如下图3.11（a）、（b）所示：由上述原理可得，在此电网电压输入极限值187V和242V时的电压传输特性如图3.11（c），（d）所示。由对应关系可得：=187V=3.736V （式3.21）=242V=4.740V （式3.22）（a） 、与取样电压 (b) A 与取样电压之间的关系 、之间的关系(c) 与取样电压之间的关系(d) A 与取样电压之间的关系图 3.11电压传输关系由图可知，当电网电压超过242V或低于187V时，点或B点都将输出高电平。3.3 延时保护电路的设计在冰箱保护电路的设计中采用了双重延时保护电路，使电冰箱保护器具有瞬间断电保护、瞬间超压保护、瞬间欠压保护的能力。原理图如3.12所示。图 3.12 延时保护电路原理图整个保护有两处延时，一处是、组成的延时，另一处是、组成的延时。我们仅以瞬间断电保护的功能为例描述一下它们的工作原理。例如：电冰箱工作正常时，电容器、均充电至饱和，运放IC3的输出是高电平，继电器触点J1断开，J2、J3（与冰箱的插座相连）闭合，遇到突然停电，则触点J1闭合，J2、J3断开，、开始充电，其时间常数为100(t=R9C4)秒。如停电时间很短（小于1秒），则电容器C4很快又充电至饱和使运放IC4的输出为高电平，但是电容器的放电是缓慢的。大约经过几分钟后的端电压才能小于二极管的导通压降，使IC4的输出为低电平，所以几分钟后U2C 的输出端变为高电平，三极管BG导通，继电器线圈得电，使触点J1断开，J2、J3接通并且通过二极管、电阻R14 重新向电容器快速充电至饱和。电容器、端电压随时间的变化关系，如图3.13所示。图3.13 电容器、端电压在瞬间断电时的变化考虑到电容的充电时间不会太长，选择合适的电阻和电容值。在这里可取= =1M，=100F即可满足要求。图中的作用是阻止通过放电，如果没有，电容器将通过 、等很快放电，不能起到二次延时保护的作用。D5是继电器线圈的续流二极管。3.4 显示电路的设计显示主要有超压显示（LED1）、欠压显示（LED2）、延时显示（LED3）、工作显示（LED4）、；漏电显示（LED5）。超压时LED1就会亮起来，欠压时LED2 就会亮起来，延时工作进行时LED3就会亮起来，冰箱保护器在正常工作时LED4就会亮起来，漏电显示的功能是当电冰箱带电时LED5就会亮起来，表示冰箱外壳带电禁止接触，以保护人身安全。有了这些显示电路很容易的知道电冰箱是否在正常工作。除此之外还有一个电源显示电路，这将在后面详细介绍。由、和二极管等组成了漏电显示电路，当电冰箱外壳带电时，泄漏电流经、通地，上的压降经整流和滤波后，使发光二极管LED5显示报警。在这里可取= 10k，= 1k，= 100F即可满足要求。超压欠压保护电路、延时保护电路和显示电路的总体图。图3.14 超压欠压保护电路、延时保护电路和显示电路的总体图在此图中可分析超压欠压保护电路的原理因为采用了施密特触发器，所以当电网电压在上限电压或下限电压附近波动时，点、B点的电平不至于频繁的在高、低电平间改变而引起电冰箱电源频繁的通断电。过压、欠压保护是这样的：当电网电压超过（或低于）电冰箱的正常工作范围时，点（或B点）为高电平，这样非门的输出为低电平，电容器通过电阻放电，当放电到一定程度时，运放IC3的输出端变为低电平，此时常闭触点J1是断开的，因此非门的输出为低电平，三极管BG截止而使继电器失电，断开电冰箱电源。在图中还用到了发光二极管LED1作为超压显示，LED2作为欠压显示器。由上述原理分析可知，当电源电压超过或低于电冰箱正常工作范围时，点（或B点）输出为高电平。由图可知，此时，发光二极管LED1（或LED2）都将导通，故可判断出超压和欠压。3.5 电源显示电路的设计17 3.5.1 工作原理及设计思路 电网电压经整流滤波后的电压通过压控振荡器后转换为频率，振荡周期为，加到与非门的一个输入端上。在与非门的第二个输入端上加闸门控制信号（由555振荡器输出，计数时间为），控制信号为低电平时，与非门关闭，无信号进入计数器；控制信号为高电平时，闸门开启，压控振荡器的输出脉冲进入计数器计数。在计数时间内通过与非门的脉冲个数N=。原理框图如3.15所示。被显示的电压值压控振荡器&时基电路计数器译码电路清 零图 3.15 电源电压显示电路的总体框图3.5.2 单元电路设计与参数计算一、压控振荡器 压控振荡器的作用是将电压变换为频率。它是由741组成的积分器电路及741组成的滞回比较器组成。如图，当=时，D7 截止，通过对 反相充电，有 -（-）= - 则 =2 （式3.23）由比较电路可知，同相输入端电压= + =0 （式3.24）所以 = （式3.25）故 = 2 （式3.26）当=时，D7导通，-通过及通过分别对充电, 若选的很小则充电时间t2t1，所以振荡器输出波形的周期。满足要求的值：=3100K ，=300K，= =10 K，=30 K，=2.2 K， =3300pF 图3.16 压控振荡器电路电路的仿真波形在第四章。二、 时基电路时基电路的作用是产生一个标准时间信号，可由定时器555构成的多谐振荡器产生。多谐振荡器是具有两个暂稳态的振荡电路，它不需要加触发信号（这是与施密特触发器和单稳态触发器最主要的区别）就能在两个暂稳态之间连续交替变换产生一定的脉宽和一定频率的矩形脉冲信号。由于在矩形波中含有许多谐波分量，所以也称多谐振荡器，构成多谐振荡器的方法很多，在此电路设计中用555集成定时器和门电路构成。555电路组成多谐振荡器是一种将模拟电路与数字电路的功能巧秒的结合在一起的多用途单片集成电路，如在其外部配接上少许阻容定时元件，便能构成多谐振荡器，稳态触发器和施密特触发器等多种应用电路，由于其性能优良、可靠性强，使用灵活方便，因而在波形发生的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具中都有得到了广泛的应用。1时基电路的设计（1） 原理图和参数的计算图3.17 555振荡器原理图由图可知，输出高电平（反相后为低电平）时间即充电时间=（+ ）Ln2，此时间为显示时间。输出低电平（反向后为高电平）时间即为放电时间= Ln2，此时间为计数时间。由第一章知道，电源电压为220V时，变压器的二次测电压值为12V，经整流滤波后输出电压为=1.2=10.3V，故由上面的计算式（3.26）可算出当10.3V电压输入压控振荡器后输出的周期为=9.4ms，故频率为105Hz。若输入电压为5.2V时，可计算出输出的频率为52.6Hz，由此可看到，输入电压与输出频率是成比例的对应关系。故在设计时基电路时，需要输出周期至少为2.3s 的波形。一般的时基电路输出的计数时间范围：5ms50ms，故可选择=25ms为振荡器输出的计数时间，再经过两片CT74160计数器组成的100进制的分频器进行分频即可得到=2.5s的计数时间。选=190 K,=110 K，=0.33uF 即可满足要求。 （2）计数器CT74160的管脚图和功能：图3.18 计数器CT74160的管脚图功能：1） 异步清零：只要清零端为低电平，不需与时钟脉冲CP同步，即可清零。2） 同步预置：置数端为低电平而为高电平时，在置数输入端A 、B、C、D预置某个外加的数据，借助时钟脉冲CP上升沿的作用，数据就被同步预置到计数的输出QAQD。3） 计数：当CTP=CPT均为高电平时，在CP脉冲上升沿的作用下就完成计数功能。4） 保持：和均为高电平时，只要计数控制端CTP和CTT中有一个为低电平，计数器就处于保持状态。2时基电路的原理图图3.19 时基电路原理图如图，两个CT74160计数器构成100进制计数器。工作原理是：个位数片I的CTT和CTP接1，因此每来一个计数脉冲均实现加1计数；十为数片II的CTT和CTP接片I的CO1，只有当片I计到1001时，CO1才为1，在下一个计数脉冲的上升沿到来时片II实现加1计数。计数顺序为099，M=100。通过仿真上图正确可行。仿真图在第四章。三、计数电路根据题意电压值由3位数字显示，则计数器相应地应该是1000进制。1000进制计数器可由三片74LS90构成，即每一片连成10进制，则三片级联构成1000进制。在计数时间内，与非门打开，压控振荡器输出脉冲（周期为）加到计数器的CP端，计数器开始计数并经译码后进行显示，在计数内通过与非门的脉冲个数N=/，把上述各种关系代入后，有N=Ln2/（） / ，当N= UX时，数码管显示的数字即为值。在显示时间内，与非门关闭，计数器停止计数，数码管显示在计数时间内所计输入脉冲的个数N。1计数器74LS90的管脚图和功能：图3.20 计数器74LS90的管脚图2功能：1） 清零：当 、全为高电平, 、中至少有一个为低电平时，不需CP脉冲配合，即可使所有触发器清零。2） 计数：当 、 及、中分别有一个为低电平时，在CP的下降沿的作用下，电路为计数状态。四、清零电路在计数时间到来时，经RC延迟及反相器对计数器进行清零，然后开始计数。五、译码显示电路译码显示电路可由8段发光数码显示器和输出高电平有效的译码器74LS48组成。74LS48的内部有升压电阻，因此可以直接与显示器相连接。1译码器74LS48的管脚图和功能是：图3. 21 译码器74LS48的管脚图2功能：1）灯测试输入：此端的功能是检查数码管的各段是否正常发光，低电平有效。只要=0，无论输入端出于什么状态，输出均为高电平（即显示器显示数字8），使其被驱动数码管的七段都同时点亮，达到了检查数码管的各段能否发光的目的。消隐输入：当=0时，输出都为低电平，使其被驱动数码管的各段都同时熄灭。2）脉冲消隐输入：使整数前0和小数后的0不显示，低电平有效。3）脉冲消隐输出：当输入全为低电平，如=0，=1，则输出为低电平，表示已将本应显示的0熄灭了。在本电路设计时、都为高电平。为了使整数数值最前面的零不显示，将数码显示器最高位的脉冲消隐输入接地，并将高位的脉冲消隐输出与低位的脉冲消隐输入相连。总体图如3.22所示。图3.22 计数、清零、译码显示电路六、电源电压显示电路的总体电路图如3.23所示。图3.23 电源电压显示电路的总体电路图4 电路仿真 EDA电子设计自动化，即用计算机帮助设计人员完成电子线路的原理性设计和仿真，从而提高设计效率、缩短开发周期。EDA 仿真已成为当前电路设计必备之过程，掌握 EDA 仿真不仅可以全面了解整个电路的性能，提高设计能力，而且可以为产品工艺设计提供必要的参考。冰箱保护电路设计中用到的是Multisim2001仿真软件。Multisim2001仿真软件为用户提供了丰富的元件库和功能齐全的各类虚拟仪器，进入仿真环境，就如同置身于现代化电子实验室之中，足不出户户可以完成各种各样的电路设计、分析、测试。熟练掌握这种测试平台的应用，既可以节约时间又可以大幅度节约成本。 典型的分析方法有直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析、噪声分析、失真分析、直流扫描分析、灵敏度分析、参数分析、参数扫描分析和温度扫描分析等。其中，直流工作点分析是在电路电感短路、电容开路的情况下，计算电路的静态工作点；交流分析研究电路的小信号频率响应；瞬态分析是一种非线性时域分析，可以在激励信号（或没有任何激励信号）的情况下计算电路的时域响应；傅立叶分析是分析周期性正弦波最好的一种数学方法；噪声分析是分析计算电路中某一点的直流工作点随电路中一个或两个直流电源的数值变化的情况；灵敏度分析是计算电路的输出变量对电路中元器件参数的敏感程度；参数扫描分析是通过对电路中某些元件的参数在一定取值范围内变化时对电路直流工作点、瞬态特性及交流频率特性的影响进行分析，以便对电路的某些性能指标进行优化。这些分析有助于分析和设计电路，从而最终优化电路。冰箱保护电路的部分电路仿真结果如下。4.1 超压、欠压保护电路的仿真仿真的原理图如图4.1所示。图4.1 超压欠压仿真原理图1 阈值电压显示：当电源电压为220V时，阈值电压、 (U+=U-时的电压)可由式（3.18）和式（3.19）可知= 4.544 V ，=4.455V（1）V1 电压值波形图4.2 阈值电压的仿真波形（2）电压值的波形图4.3 阈值电压的仿真波形由图中的数值可看出计算是正确的。由于存在误差，所以理论值与实际值有一定的差距。2 电压正常时，比较器IC1的输出（A点、点）和比较器IC2的输出（B点）的电压波形（1）A点电压波形图4.4 A点电压波形（2）点电压波形图4.5 点的电压波形（3）B点电压波形图4.6 B点电压波形3当电源电压为330V时即超压时比较器u1的输出电压波形（A 点和点电压波形）（1）A点电压波形图4.7 超压时A 点电压波形（2）点电压波形图4.8 超压点电压波形有上述的仿真图形可知，超压时点的电压为高电平，与实际相符，故验证了电路的正确性。4当电源电压为55V时即欠压时比较器IC2输出电压波形（B点的电压波形） B点电压波形图4.9 欠压时B点电压波形由超压欠压的原理知道欠压时B点为高电平，通过上面的波形验证了电路的正确性。4.2 压控振荡器的仿真1压控振荡器仿真原理图图4.10 压控振荡器仿真原理图2压控振荡器的输出波形（1）由式（3.26）计算结果可知，电源电压经整流滤波后输出电压为10.3V ，通过压控振荡器后输出的波形周期为t1=9.4ms。仿真波形如图4.11所示。图4.11 压控振荡器的输出波形由图中的数字显示，实际与理论基本相符，验证了电路的正确性。（2）为验证压控振荡器输入电压与输出频率的关系，假设输入电压为5.2V时，通过压控振荡器输出的频率波形如图4.12所示。图4.12 压控振荡器的输出波形由上述电路输出波形可知输入电压为10.3V时，输出的频率为106Hz当输入电压为5.2V时，输出的频率为48Hz。由此可看出电压与频率是成比例的关系。4.3 555振荡器的仿真1555振荡器仿真原理图如图4.13所示。图4.13 555振荡器仿真原理图2仿真图：在上一章设定555振荡器输出的计数时间为=25ms，仿真结果如图4.14所示。图4.14 555振荡器输出的振荡波形由图可知555振荡器输出波形的计数时间与设定的基本相符，验证了电路的正确性。4.4 计数器74LS90的仿真1仿真原理图如图4.15所示。图4.15 计数器74LS90的仿真原理图计数器74LS90输入脉冲为压控振荡器的输出脉冲。为了验证电路的正确性，仿真了计数器74LS90的每个输出端的波形，输出波形如下所示。设每个输出端的高电平持续时间（等于低电平持续时间）分别为、。（1） ：由原理可知输入一个脉冲时的高低电平就会翻转一次。即=。输出波形如图4.16所示。图4.16 计数器端QA输出波形由图知=9.3ms，故电路是正确的。（2）：同理计数器74LS90输入两个脉冲高低电平才翻转一次。即=2。输出波形如图4.17所示。图4.17 计数器端输出波形由图知=19.7ms2，所以输出是正确的。 （3） ：计数器74LS90输入四个脉冲时高低电平才翻转一次。即=4。输出波形如图4.18所示。图4.18 计数器端输出波形由图可知=39.7ms4。故验证电路是正确的。（4）：计数器74LS9输入八个脉冲才由高低电平才翻转一次。即=8。输出波形如图4.19所示。图4.19 计数器端输出波形由图知=91.4ms8，故