毕业设计（论文）电压超限指示和报警器电路

1、 摘 要本次设计的电压超限指示和报警器电路由电源电路、控制电路和报警电路三部分组成。先用运算放大器比较电路判别不同的输入信号，再通过逻辑门控制电路传输相应的输出信号，再经过两片555定时器构成的多谐振荡器产生各种不同输出的信号。同时电路具有蜂鸣器报警功能，led灯显示功能，示波器也会对各输出信号显示相应的波形，从而达到声、光同时报警的目的。本次设计采用multisim2001软件进行电路的设计和仿真，multisim2001软件就像一个方便的实验室，设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，设计与实验能够同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；能够方便地对电路参数进行测试和分析。其仿真功能十分

2、强大，可近似100%地仿真出真实电路的结果。 关键词： 555定时器 多谐振荡器 multisim2001软件 仿真波形 目 录前 言3第一章软件multisim2001介绍41.1 multisim软件简介41.2 multisim的用户界面51.2.1菜单栏61.2.2 工具栏61.2.3 仪器库栏（虚拟仪器的简单介绍）71.2.4 multisim对元件的管理81.3 输入并编辑电路121.3.1 输入电路图的分析和设计121.3.2 虚拟仪器及其使用131.3.3 在multisim2001软件上创建电路图16第二章利用multisim实现电压超限指示和报警器电路的意义和思路182.1

3、 报警器简介182.2 课题意义182.3 设计思路20第三章电压超限指示和报警电路在multisim下的设计与仿真223.1电压超限指示和报警器电路原理223.2 设计器件及功能253.2.1 运算放大器比较电路253.2.2 555定时器构成的多谐振荡器263.2.3 直流稳压电路273.3仿真波形图29致 谢31参 考 文 献32前 言 随着电子技术的飞速发展和各种报警专用集成电路、语音/音效集成电路、传感器的不断推出，一些新颖实用的报警器、警示器电路已广泛应用于家庭生活、工农业生产、交通、机动车、通信和防盗、防灾等领域。 本次设计的电压超限指示和报警器电路，由电源电路、控制电路和报警电

4、路三部分组成。电源电路主要用于引入不同的电压，控制电路则是通过元件使不同的输入电压转变为不同的输出信号，报警器电路则是将前方送来的不同信号再次转换并送至蜂鸣器、led灯和示波器等这些元件，从而达到声、光双重报警的目的 电子技术的高速发展和计算机技术的普遍应用，使计算机辅助设计和电子虚拟仿真软件成为电路设计验证和辅助调试的有效工具和先进的电化教学方法。 multisim2001软件基于pc平台，采用图形操作界面虚拟仿真了一个与实际情况非常相似的电子电路实验工作台，它几乎可以完成在实验室进行的所有的电子电路实验，已被广泛地应用于电子电路分析、设计、仿真等工作中，是目前世界上最为流行的eda软件之一

5、。本设计主要介绍基于multisim2001下的电压超限指示和报警器电路的设计与仿真以及multisim软件的应用。第一章 软件multisim2001介绍1.1 multisim软件简介multisim软件前身是ewb软件，即“虚拟电子工作台”软件，是加拿大图像交互技术公司（interactive image technoligics简称iit公司)推出的以windows为基础的仿真工具，具有直观的仪器和多种分析方法可以进行模拟/数字混合仿真分析等。适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力，是一个32位的电路仿真软

6、件，工程师们可以使用multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。multisim提炼了spice仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的spice技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过multisim和虚拟仪器技术，pcb设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。这里主要介绍multisim2001的相关内容：multisim2001组成： 构建仿真电路 ；仿真电路环境 ； multisim单片机仿真； fpga、pld，cpld等仿真；通信系统分析与设计的模块 ；自动布线模

7、块。仿真的内容：器件建模及仿真；电路的构建及仿真；系统的组成及仿真；仪表仪器原理及制造仿真。器件建模及仿真：可以建模及仿真的器件：模拟器件（二极管，三极管，功管等）；数字器件（74系列，coms系列，pld，cpld等）；fpga器件系统的组成及仿真：commsim 是一个理想的通信系统的教学软件。它很适用于如信号与系统、通信、网络等课程，难度适合从一般介绍到高级。使学生学的更快并且掌握的更多。commsim含有200多个通用通信和数学模块，包含工业中的大部分编码器，调制器，滤波器，信号源，信道等，commsim 中的模块和通常通信技术中的很一致，这可以确保你的学生学会当今所有最重要的通信技术

8、。要观察仿真的结果，你可以有多种选择：时域，频域，xy图，对数坐标，比特误码率，眼图和功率谱。仪表仪器的原理及制造仿真：可以任意制造出属于自己的虚拟仪器、仪表，并在计算机仿真环境和实际环境中进行使用。pcb的设计及制作：产品级版图的设计及制作。对multisim2001系统安装和运行有一定的要求，首先不同版本所需要的硬盘空间不同。其次要求运行在microsoft windows98以上的操作系统下。最后在程序运行时将建立一个大小为20m的临时文件。1.2 multisim的用户界面软件以图形界面为主，采用菜单、工具栏和热键相结合的方式，具有一般windows应用软件的界面风格，用户可以根据自己

9、的习惯和熟悉程度自如使用。启动multisim 2001后，将出现下图1.2.1所示的multisim的主窗口界面。图1.2.1 multisim 2001界面界面由多个区域构成：菜单栏，各种工具栏，电路输入窗口，状态条，列表框等。通过对各部分的操作可以实现电路图的输入、编辑，并根据需要对电路进行相应的观测和分析。用户可以通过菜单或工具栏改变主窗口的视图内容。1.2.1菜单栏multisim 2001菜单栏如图1.2.2所示。图1.2.2菜单栏 file:文件菜单 edit:编辑菜单 view:视图菜单 place:放置菜单 simulate:仿真菜单 transfer:导出菜单 tools:

10、设计工具菜单 options:选项菜单 window:窗口菜单 help:帮助菜单1.2.2 工具栏multisim2001共有5个工具栏，分别是system(系统工具栏)、designs(设计工具栏)、instrument(仪器工具栏)、zoom(缩放工具栏)和in use list(当前元件清单) ,他们提供了电路仿真中常用的操作按钮。执行菜单“view”“toolbars”可打开或关闭所选中的工具栏。系统工具栏如下图1.2.3所示：图1.2.3系统工具栏从左至右各按钮的名称依次为：新建、打开、存盘、剪切、复制、粘贴、打印、帮助、放大和缩小。其功能与windows基本相同，这里就不一一详细

11、介绍。设计工具栏：可以完成启动仿真、仿真分析、导出、仿真后处理、元件设计及工具栏设置等功能如下图1.2.4所示。各按钮的名称及功能如下表1.2.1所示。图1.2.4设计工具栏表1.2.1 按钮名称及功能图标功能图标功能图标功能元器件设置按钮，用于打开/关闭元器件工具条元器件设计按钮，用于打开元件编辑器，进行元件编辑仪器库设置按钮，用于打开/关闭仪器工具条模拟仿真按钮，用于开始/暂停/结束电路的模拟仿真分析按钮，用于选择电路的分析功能仿真结束后处理按钮，用于分析结果的再处理vhkl/verilog模型按钮用于打开设计界面vhkl/verilog统计报告按钮，用于统计电路元器件、仪器名单等导出按钮

12、，用于与其它电路文件之间的传输1.2.3 仪器库栏（虚拟仪器的简单介绍）multisim2001仪器库如下图1.2.5所示：图1.2.5仪器库栏各种仿真测试仪器名称和功能如下表1.2.2所示：表1.2.2仿真测试仪器名称和功能 图标及名称功能图标及名称功能数字万用表可以在电路两节点之间测交直流电压、交直流电流、电阻和分贝值，能自动调整量程函数信号发生器可以输出正弦波、三角波和方波，其输出波形的频率、辐度、直流偏置电压及占空比等参数均可以调节功率计用于测量电路中的平均功率和功率因数双踪示波器可以直观地观测信号的时域波形，可以观察瞬间变化的波形波特图示仪用来分析电路的频率响应，可以测试电路的幅频特

13、性和相频特性字信号发生器是一个最多能产生32位同步逻辑信号的仪器，可以用来对数字逻辑电路进行测试逻辑分析仪可以同时观察多路逻辑信号的波形，适用于对逻辑信号的高速采集和准确的时序分析，是分析大规模数字系统一的有力工具逻辑转换仪能完成逻辑表达式、真值表和逻辑电路三者之间的相互转换失真度分析仪测量电路总谐波失真与信噪比和仪器频谱分析仪用于测量电路中信号幅度与频率的关系，即进行时域分析网络分析仪1.2.4 multisim对元件的管理eda软件所能提供的元器件的多少以及元器件模型的准确性都直接决定了该eda软件的质量和易用性。multisim为用户提供了丰富的元器件，并以开放的形式管理元器件，使得用户

14、能够自己添加所需要的元器件。multisim以库的形式管理元器件，通过菜单tools/ database management打开database management（数据库管理）窗口（如下图1.2.6所示），对元器件库进行管理 图1.2.6数据库管理窗口在database management窗口中的daltabase列表中有两个数据库：multisim master和user。其中multisim master库中存放的是软件为用户提供的元器件，user是为用户自建元器件准备的数据库。用户对multisim master数据库中的元器件和表示方式没有编辑权。当选中multisim mas

15、ter时，窗口中对库的编辑按钮全部失效而变成灰色，如下图1.2.7所示。但用户可以通过这个对话窗口中的button in toolbar显示框，查找库中不同类别器件在工具栏中的表示方法。图1.2.7 对话窗口据此用户可以通过选择user数据库，进而对自建元器件进行编辑管理。在multisim master中有实际元器件和虚拟元器件，它们之间根本差别在于：一种是与实际元器件的型号、参数值以及封装都相对应的元器件，在设计中选用此类器件，不仅可以使设计仿真与实际情况有良好的对应性，还可以直接将设计导出到ultiboard中进行pcb的设计。另一种器件的参数值是该类器件的典型值，不与实际器件对应，用户

16、可以根据需要改变器件模型的参数值，只能用于仿真，这类器件称为虚拟器件。它们在工具栏和对话窗口中的表示方法也不同。在元器件工具栏中，虽然代表虚拟器件的按钮的图标与该类实际器件的图标形状相同，但虚拟器件的按钮有底色，而实际器件没有，如下图1.2.8所示。图1.2.8 multisim master界面从图中可以看到，相同类型的实际元器件和虚拟元器件的按钮并排排列，并非所有的是元器件都设有虚拟类的器件。在元器件类型列表中，虚拟元器件类的后缀标有virtual，如下图1.2.9所示：图1.2.9 虚拟元器件1.3 输入并编辑电路1.3.1 输入电路图的分析和设计输入电路图是分析和设计工作的第一步，用户

17、从元器件库中选择需要的元器件放置在电路图中并连接起来，为分析和仿真做准备。1设置multisim2001的通用环境变量为了适应不同的需求和用户习惯，用户可以用菜单option/preferences打开preferences对话窗口，如下图1.3.1所示。图1.3.1 preferences对话窗口通过该窗口的6个标签选项，用户可以就编辑界面颜色、电路尺寸、缩放比例、自动存储时间等内容作相应的设置。在这个对话窗口中有3个分项：(1)show：可以设置是否显示网格，页边界以及标题框。(2)sheet size：设置电路图页面大小。(3)zoom level：设置缩放比例。其余的标签选项在此不再详

18、述。2取用元器件(1)取用元器件的方法有两种：从工具栏取用或从菜单取用。从菜单取用：通过place/ place component命令打开component browser窗口。如图1.3.2所示：图1.3.2 component browser窗口(2)选中相应的元器件在component family name中选择74ls系列，在component name list中选择74ls00。单击ok按钮就可以选中74ls00，出现如下备选窗口。7400是四/二输入与非门，在窗口种的section a/b/c/d分别代表其中的一个与非门，用鼠标选中其中的一个放置在电路图编辑窗口中，如左图所示

19、。器件在电路图中显示的图形符号，用户可以在上面的component browser中的symbol选项框中预览到。当器件放置到电路编辑窗口中后，用户就可以进行移动、复制、粘贴等编辑工作了，在此不再详述。3将元器件连接成电路在将电路需要的元器件放置在电路编辑窗口后，用鼠标就可以方便地将器件连接起来。方法是：用鼠标单击连线的起点并拖动鼠标至连线的终点。在multisim2001中连线的起点和终点不能悬空。1.3.2 虚拟仪器及其使用对电路进行仿真运行，通过对运行结果的分析，判断设计是否正确合理，是eda软件的一项主要功能。为此，multisim为用户提供了类型丰富的虚拟仪器，可以从design工具

20、栏instruments工具栏，或用菜单命令（simulation/ instrument）选用这11种仪表，如下图1.3.3所示。在选用后，各种虚拟仪表都以面板的方式显示在电路中。图1.3.3 instruments工具栏下面将11种虚拟仪器的名称及表示方法总结如下表1.3.1所示：表1.3.1虚拟仪器的名称及表示方法菜单上的表示方法对应按钮仪器名称电路中的仪器符号multimeter万用表function generator波形发生器wattermeter瓦特表oscilloscape示波器bode plotter波特图图示仪logic analyzer逻辑分析仪菜单上的表示方法对应按钮仪

21、器名称电路中的仪器符号logic converter逻辑转换仪distortion analyzer失真度分析仪spectrum analyzer频谱仪network analyzer网络分析仪注1：该软件中用 代替 表示反变量，例如。注2：该软件没有异或符号，处理方式是将异或运算写成。在电路中选用了相应的虚拟仪器后，将需要观测的电路点与虚拟仪器面板上的观测口相连（如下图1.3.4所示），可以用虚拟示波器同时观测电路中两点的波形。图1.3.4 连线图双击虚拟仪器就会出现仪器面板，面板为用户提供观测窗口和参数设定按钮。以上图为例，双击图中的示波器，就会出现示波器的面板。通过simulation工

22、具栏启动电路仿真，示波器面板的窗口中就会出现被观测点的波形，如下图1.3.5所示。图1.3.5波形图1.3.3 在multisim2001软件上创建电路图1启动multisim2001软件单击windows”开始”菜单下的”程序”中的multisim2001，就会打开用户界面，并在电路窗口中自动建立一个文件名为”circuit1”的电路文件。2放置元件multisim2001将若干元件模型分门别类地存放在元件工具栏中，元件模型是电路仿真的基础。所需要的元件可以从元件工具栏(component toolbar)或虚拟元件工具栏(virtual toobar)中提取。两者不同的是从元件工具栏中提取

23、的元件都与具体元件型号相对应。在”元件属性”对话框中不能更改元件的参数(制造元件的性能参数，如电阻，电容，电感的大小，三极管的is，nf，bf，vaf，ise等参数)，只能用另一种型号的元件来代替。从虚拟元件工具栏中提取的元件的大多数参数都是该种/类元件的典型值，部分参数可以由用户根据需要自行设定，且虚拟元件没有元件封装，故虚拟元件将不会出现pcb文件中。在元器件栏中单击要选择的元器件库图标，打开该元器件库。在屏幕出现的元器件库对话框中选择所需要的元器件，单击ok按钮，选中的元器件跟随鼠标移动，可以将该元器件放到电路工作区合适的位置。 进行电路连接时，经常需要对元器件进行各种操作，如：移动，删

24、除，旋转等。在对所有的元器件操作之前，首先要选中元器件。 用鼠标单击要选中的元器件，元器件被选中后，在其四周出现四个黑色小方框，以表示该元器件被选中，选中后可以对其进行移动，删除，旋转等操作，操作结束后，单击电路工作区的空白处，即可取消对该元器件的选择。 若要同时选中多个元器件，可以用鼠标左键画出一个矩形区，将所要选中的元器件包含在矩形内，这时可以选中多个元器件进行操作。元器件被选中后，双击该元器件或者选择菜单edit下的properties命令，在弹出的元器件特性对话框中，可以设置或编辑元器件的各种特性参数。第二章利用multisim实现电压超限指示和报警器电路的意义和思路2.1 报警器简介

25、报警系统通常由探测器（又称报警器）、传输通道和报警控制器三部分构成。报警探测器是由传感器和信号处理组成的，由电子和机械部件组成的装置，是报警系统的关键，而传感器又是报警探测器的核心元件。报警探测器按工作原理主要可分为电压报警探测器，红外报警探测器，振动报警探测器，激光报警探测器等许多种类。报警探测器按工作方式可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器。报警探测器按探测范围的不同又可分为点控告警探测器、线控报警探测器、面控报警探测器和空间防范报警探测器。2.2 课题意义电路仿真软件multisim具有强大的分析、仿真功能，该软件引入电路实验教学中，能够开发出满足不同层次的教学实验以及设计型和综合型

26、实验，它不仅弥补了传统实验教学的不足，一改传统教学模式，在实验应用中我们可以通过鼠标和键盘调用元件和仪器搭接电路，并进行在线测试，即可得出电路测试结果。我们还可以对电路的各种参数进行调整，进一步对电路各种情况分析，整个教学过程在虚拟实验室进行。具有直观性、形象性、交互性和易操作性的特点，大大激发了学生的学习兴趣，有助于培养具基础扎实、知识面广、实操能力强，能跟上时代发展、富有创新意识的人才。multisim是一种专门用于电路仿真和设计的eda系统工具的典型软件之一。它是加拿大interactiveimagtechnologies公司开发的基于windows平台的电子线路设计及仿真软件，是介于电

27、子线路理论设计及实际运作之间的有效的虚拟工作平台，它不但具备电路设计的功能，还能对整个电路信号及系统进行仿真分析。由它设计的电路原理图还可直接输出给目前流行的电路辅助设计软件诸如protel，orcad等用来设计印刷电路板。可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。它有丰富的元件库，虚拟测试仪器仪表，操作方法与实际仪器十分相似，具有较为详细的电路分析功能，该软件用于实验教学，不仅可以弥补实验仪器和元器件的不足，并且排除了原材料消

28、耗和仪器损坏等因素，有助于学生关于电路知识的学习和理解。在实际操作方面，学生通过电路仿真，可以熟悉常用电子仪器的测量方法，培养学生综合分析力，排除故障能力和开发创新能力。能弥补设备种类和数量不足，充分扩展学生的思维空间，给他们更大的自由发挥的天地。使学生可以根据不同需要无限制地进行各种电路分析实验，验证实验，常规实验，设计实验。充分调动学生学习的主观能动性，培养创新能力。可以大大节省人力、物力、时间，提高实验效率。以数字钟实验为例。在传统实验中，如果要把数字钟电路全部接，要用到集成电路24块，电阻、电容、三极管等近20个元件，在数字实验箱的面包板上插接几百根导线，耗时一天有余，如果出现插孔松动

29、，接触不良等毛病，效果还不大理想。而用multisim进行仿真，只要有台计算机就等于有了取之不尽，用之不竭的元器件，而且无须担心仪器与元器件的损坏。同样的实验几十分钟就可以完成。 用multisim进行仿真模拟实验，实验过程非常接近实际操作的效果，实验的真实感强。系统提供了近似真实的子元器件、工作环境和仿真仪器，使学生感到仿佛在真实的环境下做各种实验；各元器件选择范围广，参数修改方便，不像实际操作那样多次地把元件焊下而损坏器件和印刷电路板。使电路调试变得快捷方便。对模拟电子技术以及数字电子技术课程中的绝大部分电路都能应用，不仅能用于对单个电路特性和原理进行验证，也能就用于多级的组合电路。 mu

30、ltisim为我们提供了一个很好的多媒体操作平台，使我们能够在教学过程中随时提供实验、演示和电路分析。直观的形象显示有助于培养学生的观察能力和分析问题的能力，有助于教学重和难点的讲解，可激发学生的学习兴趣。教师可以在多媒体教室中深入浅出地分析各种电路的特性，讲解各种参数改变对路的影响。学生可以结合学习内容，进行接近于实际电路的调试分析，有利于对加深对书本理论的理解，不失为一种理论系实际的好方法。采用multisim软件开发电路实验，可以启发和拓宽学生的思路，从验证性实验的传统思维过渡到对电路的分析、故障的排除和电路的设计；降低了实验成本，弥补了硬件环境下实验教学的不足，对更新实验教学方法，提高

31、实验教学质量，改善实验教学效果有着非常重要的作用。2.3 设计思路基于multisim电压超限指示和报警器电路设计框图如下图2.3.1 图2.3.1 电压超限指示和报警电路框图根据题目要求需要鉴别一个电压是否属于正常或不正常范围，可以利用窗口比较器。窗口比较器的传输特性如图所示。当uhui ul时输出为低电平，而当uiuh或uiui ul处于正常状态时a点、b点均为低电平，二极管不导通，经或非门输出，绿色指示灯亮。此时异或门输出c点为低，此电压送到第一片555定时器的4脚（异步置零端rd）,555振荡器停振，不发出报警声音。(2)uiuh时，a点为高，b点为低，经或非门输出为低，绿灯灭。而经异

32、或门输出c点为高,因此第一片振荡器产生频率较低的方波。该信号送到第二片的4脚,从而发出断续报警声。a点输出信号至异或门u8a 1脚与第一片555输出至异或门u8a 2脚相遇,使得红灯闪烁。其闪烁频率同第一片555的振荡频率,从而达到声、光两重报警的目的。(3)当ui脚-端电压）。脚输出一个高电平。而比较器u4a脚电位低于脚电位，所以脚的电压为低电位，黄灯不亮。由比较器u10a输出的高电位分两路。一路到异或门u8a的脚，另一路送到异或门电路u6a的脚，异或门u6a的脚是低电位。所以异或门u6a的脚输出高电位。送到第一片lm555振荡电路。由第一片lm555的脚输出一路低频的振荡信号，分两路一路送

33、到异或门电路u8a。因异或门u8a脚为高电位, 而脚的高电位信号与第一片lm555的输出信号相遇,使得红灯闪烁。而另一路信号经过或门u9a送到第二片lm555的4脚,从而发出断续报警声。其闪烁频率同第一片555的振荡频率,从而达到声、光两重报警的目的。当输入电压低于4.5v时，比较器u10a的脚电位低于脚的电位，所以比较器u10a的脚为低电平，比较器u4a的脚电位高于脚的电位，所以脚为高电平。由比较器u4a脚输出高电位分两路一路控制黄灯，使黄灯亮起，而另一路又送到异或门u6a，异或门u6a的脚输出高电位。送到第一片lm555振荡电路。由第一片lm555的脚输出一路低频的振荡信号又经过或门u9a

34、送到第二片lm555的4脚,从而发出连续报警声。 图3.1.2 光报警电路图3.1.3 声报警电路表3.1.1 真值表或非门真值表 异或门真值表 3.2 设计器件及功能3.2.1 运算放大器比较电路lm324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器, 除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图3.1.4所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“v+”、“v-”为正、负电源端,“vo”为输出端。两个信号输入端中,vi-（-）为反相输入端,表示运放输出端vo的信号与该输入端的位相反;vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端vo的信号与该输入端的相位相同。当u+u-时，比较器输出高电平；当u+5.5v时输出波形如下图3.2.5所示：图3.2.5 uiuh时示波器波形当uiuh时，a点为高，b点为低，经或非门输出为低，绿灯灭。而经异或门输出c点为高,因此第一片振荡器产生频率较低的方波。该信号送到第二片的4脚,从而发出断续报警声。而a点信号与第一片555的输出信号相遇于异或门,使得红灯闪烁。其闪烁频率同第一片555的振荡频率,从而达到声、光两重报警的目的。2当4.5uiuiul时示波器波形当uhui ul处于正常状态时a点、b点均为低电平，二极管不