交流电压超限报警系统设计

南昌航空大学模拟电路课程设计课程设计说明书课程设计名称 模拟电路课程设计课程设计题目 交流电压超限报警系统设计学 院 名 称 信息工程学院专业 电子信息工程 班级学号 姓名 评分 教师2011 年 3 月 6 日模拟电路 课程设计任务书南昌航空大学模拟电路课程设计2 20 11 － 20 12 学年 第 2 学期 第 1 周－ 7 周注 1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小结” 、 “学生成绩单”一并交院教务存档。摘要题目 交流电压超限报警系统设计内容及要求当检测电压超过设定上下限值时， 发出蜂鸣器报警声， 要求报警声嘀嘀间断发声，频率约 1HZ。进度安排1. 布置任务、查阅资料、选择方案，领仪器设备 第一周 2 天；2. 领元器件、焊接、制作第一周 3 天3．调试第二周 2 天4. 验收第二周 0.5 天5. 写报告本学期 3～ 7 周学生姓名指导时间 第 1～ 7 周 指导地点 E 楼 311 室任务下达 2012 年 2 月 13 日 任务完成 2012 年 2 月 22 日考核方式 1. 评阅 □ 2. 答辩 □ 3. 实际操作□ 4. 其它□指导教师 系（部）主任南昌航空大学模拟电路课程设计3 据调查， 一般电器的寿命也成为人们关注的热点， 越来越多的人们关注电器的使用寿命问题， 一般来说电器的使用寿命低于正常使用寿命， 经过实验证明这主要是因为电器工作是交流电压超限造成的。 若能及时的预警那就可以避免不必要的损耗从而保护电器。有一个报警系统对电器进行监控是非常有必要的。本次课程设计的目的 设计交流电压超限报警系统电路， 由一个蜂鸣器通过是否正常鸣叫告诉使用者电压是否超限， 电位器控制电压超限范围。 首先通过变压器对 220V 交流电压进行降压，其次通过桥式整流电路将交流转化为直流，再次运用电容滤波电路输出比较稳定的直流电压，接着设计一个频率为 1HZ 的方波发生器，最后通过 LM324 芯片放大器以及 74LS08 与门芯片控制电压的报警。当电压超过设定上下限值时产生报警功能。关键字电压超限 滤波 整流 报警目录南昌航空大学模拟电路课程设计4 第一章 绪论 . 1第二章 设计内容及要求 . 22.1 设计内容 . 22.2 设计要求 . 22.3 实验设计目的 . 2第三章 设计原理 . 33.1 单元电路设计 . 3第四章 电路组成及其工作原理 . 64.1 整体电路设计和工作原理 64.1.1 电压采样 . 64.1.2 整流 . 64.1.3 滤波 . 74.1.4 方波 . 84.1.5 报警控制 . 94.2 整体电路 10 第 五 章 实验调试测试 . 11第六章 实验小结与心得体会 . 12参考文献 . 13附录一 芯片介绍 . 14附录二 元件清单 . 15附录三 焊电路板技术 . 16南昌航空大学模拟电路课程设计1 绪论电压是日常生活，工业，医学，环境保护，化工，石油等领域最常用到的物理量。 而且随着现代工业的发展， 人们需要对工业生产中有关电压系统进行控制。 会导致人生安全， 所以需要用到电压报警控制器， 如在工厂生产工作时电压不应过高以及过低， 当电压超上下限值时， 需要对工作人员给予警示， 所以需要用到电压报警控制器。 而且很多领域的电压可能较高或较低， 有时人无法靠近或现场无， 然而需人力来监控会导致人生安全， 所以需要用到电压报警控制器。 所以，对电压超限报警控制的研究就要更加要精确。随着现代化，科技的腾飞，信息技术的高密度的集中，电压的控制也成为时代关注的一部分， 制作一个高技术的电压报警系也是尤为重要的。 交流电压超限报警器广泛运用， 不仅保护人生安全， 而且也更好的保护器件的使用， 使器件使用寿命更长。现在初步了解电压的相关性能，运用最简单的模拟电路对电压的控制，为以后对电压控制的深入研究打下了坚实的基础。南昌航空大学模拟电路课程设计2 第二章 设计内容及要求2.1 设计内容设计一个交流电压超限报警系统。2.2 设计要求1．可设定上限电压报警值。2．当检测电压超过设定上下限值时，发出蜂鸣器报警声，要求报警声嘀嘀间断发声，频率约 1HZ。2.3 实验设计目的1. 通过该实验提高自身的实验素养，实验操作、设计、分析能力，学会将理论运用到实践当中，学会实验调试过程的分析和处理。2. 设计并完成一个可以达到相应设计要求的交流电压超限报警器。3. 学会电压采样。4. 学会滤波，整流。5. 掌握 74LS08芯片的使用方法。6. 掌握通过一个放大器设计方波发生电路。7. 掌握反馈放大电路的计算与实际运用。8. 掌握与非门电路运用与设计。南昌航空大学模拟电路课程设计3 第三章 设计原理3.1 单元电路设计1. 电容滤波电路工作原理（ a）（ b）图 3-1 桥式整流电容滤波电路（ a）电路 （ b）波形在整流电路的输出端，即负载电阻 RL 两端并联滤波电容 C，就构成电容滤波电路。 图 3-1-1（ a） 所示为桥式整流电容滤波电路； 当电路已进入稳态工作时，输出电压近似波形如图（ b）中实线所示，虚线是未加滤波电路时输出电压的波形。南昌航空大学模拟电路课程设计4 由图（ a）可知，只有当电容上电压（即输出电压 uo）小于变压器副边电压时，才有一对二极管导通，给电容充电。若变压器副边电压 u2 在正半周， 且电容上的电压在 a 点， a 点对应的时间 t1，则当时间 tt1 时， D1和 D3 因加正向电压而导通， u2 一方面提供负载电流，另一方面对 C 充电；若变压器副边内阻、二极管导通电阻均可忽略不计，则 uo 将按u2 的变化规律充电至峰值电压，见图中 b 点。此后 u2 的下降使得 u2uc，所有二极管均截止， 滤波电容 C 向负载电阻 RL 放电， 时间常数 RLC。 在放电的 bc 段，uo 基本按 u2的变化规律线的 cd 段。电容 C 放电到图中的 d 点后，又重复前述a 点以后的过程，但在 u2 的负半周电容充电时是 D2、 D4 导通，如此周而复始，形成了滤波电容周期性的充、放电过程。从图（ b）所示波形图可以看出，电容滤波电路不但使输出电压的交流分量减小， 而且使得输出电压平均值增大。 从电容对交、 直流分量容抗的差别可以理解，正是由于滤波电容对交流分量的容抗很小，将其负载电阻上交流电流变小，输出电压脉动减小；正是由于滤波电容对直流分量的容抗无穷大及其储能作用，使得输出电压平均值增大。放电回路时间常数 RLC 越大，输出电压的脉动越小，平均值越大。2. 整流二极管的导通角在未加电容滤波时， 不管在哪种整流电路中， 整流二极管均在变压器副边电压的半周导通， 称为导通角 π 。 在采用电容滤波后， 整流二极管的导通角小于 π 。值得注意的是， RLC越大， 在一个周期内充电时间越短， 即二极管的导通角越小，由于电容上电压不能突变， 所以在二极管导通时， 会因整流电路内阻很小而流过很大的冲击电流，而且导通角越小，冲击电流越大，越影响二极管的寿命。因此在选择整流二极管时，最大整流平均电流 IF 要留有充分的余地，通常要大约无电容滤波时的 2～ 3 倍。当负载电阻很小，负载电流很大时，如 2A以上，整流二极管的选取就比较困难，因而应考虑采用电感滤波电路。综上所述，电容滤波电路适用于负载电流较小且变化范围不大的场合。3. 滤波电容的选择南昌航空大学模拟电路课程设计5 从理论上讲，滤波电容越大，放电过程越慢，输出电压越平滑，平均值也越高。但实际上，电容的容量越大，不但体积越大，而且会使整流二极管流过的冲击电流更大。因此，对于全波整流电路，通常滤波电容的容量满足R LC1.5 ～ 2.5T 式（ 1.1 ）式子中 T 为交流电压的周期。此时，可认为输出电压平均UO（ AV） 1.2U2 式（ 1.2 ）一般选择几十至几千微法的电解电容。 考虑到电网电压的波动范围为 10， 其耐压值应大于 1.55U2，且应按电容的正、负极性将其接入电路。南昌航空大学模拟电路课程设计6 第四章 整体电路组成及其工作原理4.1 整体电路设计和工作原理4.1.1 电压采样首先通过变压器把 220v 的交流电压变成 12v 的小电压如 4-1 图所示4-1 图 降压电路4.1.2 整流然后们运用整流桥堆进行整流， 使得交流变成直流。 桥式整流是由 4 个整流二极管组成的电路。这样就在负载 RL上得到一个与全波整流相同的电压波形，其电流的计算与全波整流相同，即UL 0.9U 2 式（ 1.3 ）I L 0.9U 2／ RL 式（ 1.4 ）流过每个二极管的平均电流为南昌航空大学模拟电路课程设计7 I D I L／ 2 0.45 U 2／ RL每个二极管所承受的最高反向电压为U22Urm 为全波整流的一半 式（ 1.5 ）桥式整流电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管承受反压大的缺点， 但多用了两只二极管。 在半导体器件发展快， 成本较低的今天，此缺点并不突出，因而桥式整流电路在实际中应用较为广泛。如图 4-2 所示4-2 图 桥式整流电路4.1.3 滤波设计一个电路进行滤波 达到稳定作用，该为电容电容滤波电路。该电路为在整流电路的输出端，即负载电阻 R两端并联滤波电容 C，就容滤波电路。通常滤波电容的容量满足 RC3--5T/2 输出电压平均值为 1.2U。如下图 4-3 所示南昌航空大学模拟电路课程设计8 图 4-3 电容滤波电路4.1.4 方波通过矩形波振荡电路 又称多谐振荡器 由反相输入的滞回比较器和 RC 电路组成。滞回比较器起开关作用， RC 电路的作用是产生暂态过程。 RC 回路既是延迟环节，亦是反馈网络，通过 RC 充、放电过程实现输出状态的自动转换。在运放的输出端引入限流电阻和两个背靠背的稳压管就组成了如图 4-4 所示的双向限幅矩形波发生器。南昌航空大学模拟电路课程设计9 图 4-4 方波电路4.1.5 报警控制通过放大器可以设置电压上下限， 然后通过 窗口比较器 放大器产生的信号输入与门电路 74LS08芯片中，在芯片的输出端呈现不同的反应。如果两端输入端都是高电平， 则输出的也是高电平， 使的蜂鸣器发出声音， 如果两端输入端至少有一端是低电平，则输出的还是低电平，蜂鸣器不会发出声音。4.2 整体电路通过交流电压采样，整流，滤波，方波，报警控制的设计 ， 完成了整个交流电压报警控制系统的电路设计，如图 4-5 所示。南昌航空大学模拟电路课程设计10 图 4-5 交流电压报警控制电路南昌航空大学模拟电路课程设计11 第五章 实验调试测试在设计中，根据仿真电路以及用示波器检测器波形，可以得到标准的方波信号。由图 5-2 可知得出了 1HZ的方波，得到了实验结果。在实验中，通过调试，当电压超过上下限时，会发出 1HZ的蜂鸣报警声，实验成功。图 5-1 方波南昌航空大学模拟电路课程设计12 第六章 实验小结与心得体会本次电路设计是比较好的锻炼了我们电路设计、资料的查找、方案确定，分析问题、 解决问题、 焊接技术等各方面的能力。 通过本次实验我们提高了自身的实验素养，方案确定，设计，错误分析能力，学会将理论运用到实践当中，学会实验调试过程的分析和处理。 我们可以自己动手完成一个简单的可以达到相应设计要求的交流电压超限报警器。 掌握了电桥设计的方案以及反馈放大电路的计算与实际运用，掌握了与非门电路的运用与设计。在用 Multiuse 软件进行了仿真过程中，有许多地方都和理论计算存在不同程度的出入，但最终的结果还是符合要求的。这次课程设计虽然结束了，但是却留下许多不尽人意的地方，比如说，调试的出现了波形调不出来， 或者调出的好像是正弦波等问题， 在滤波效果上并不是十分的理想， 未能达到理想的滤波效果。 还有电路的焊接技术也有待进一步提高。 同时在本次的课程设计过程中也收获了许多， 它不仅培养了独立思考、 动手操作的能力， 团队协作能力； 更重要的是我们学会了如何去发现问题、 分析问题、解决问题， 将理论付诸于实践。 在今后的学习中我们会更加注意将理论与实践相结合， 因为再好的理论， 都必须由实践去证明， 理论才是实践检验真理的唯一标准。南昌航空大学模拟电路课程设计13 参考文献1. 华成英 . 模拟电子技术基础（第五版） [M]. 北京 上清华大学出版社 .2006 2. 谢自美 . 电子线路综合设计 第一版 [M]. 武汉 华中科技大学出版社 .2006 3. 沈小丰 . 余琼蓉 . 电子线路实验模拟电路基础 [M]. 北京 上清华大学出版社 .2006 南昌航空大学模拟电路课程设计14 附录一 芯片介绍74LS08 芯片的介绍74LS08 是 2 输入四与门集成电路芯片 ,常用在各种功能的字电路系统中。 74LS08工作环境为74LS08 最大电源电压 7V；工作电压 4.5V 到 5.5V；74LS08 引脚功能如附录一 1 图所示附录一 1 图74LS08 芯片的真值表如附录一 2 图附录一 2 图南昌航空大学模拟电路课程设计15 附录二 元件清单元件清单序号 类型 型号 数量1 芯片LM324 1 74LS08 1 2 电阻1kΩ 5 20kΩ 1 50kΩ 1 3 电位器 1 k Ω 1 4 电桥 1 5 变压器 1 6 蜂鸣器 1 7 二极管IN4007 2 IN4735 3 8 电容22μ F 1 220uf 1 南昌航空大学模拟电路课程设计16 附录三 焊电路板技术焊接是电子产品组装过程中的重要环节之一。 如果没有相应的焊接工艺质量保证， 则任何一个设计精良的电子装置都难以达到设计指标， 众为兴公司通过多年对焊接行业了解，总结出一套完美的焊接过程。因此，在焊接时，必须做到以下几点1．焊接表面必须保持清洁即使是可焊性好的焊件， 由于长期存储和污染等原因， 焊件的表面可能产生有害的氧化膜、 油污等。 所以， 在实施焊接前必须清洁表面， 否则难以保证质量。2．焊接时温度、时间要适当，加热均匀焊接时， 将焊料和被焊金属加热到焊接温度， 使熔化的焊料在被焊金属表面浸湿扩散并形成金属化合物。 因此， 要保证焊点牢固， 一定要有适当的焊接温度。在足够高的温度下， 焊料才能充分浸湿， 并充分扩散形成合金层。 过高的温度是不利于焊接的。 焊接时间对焊锡、 焊接元件的浸湿性、 结合层形成都有很大的影响。准确掌握焊接时间是优质焊接的关键。3．焊点要有足够的机械强度为了保证被焊件在受到振动或冲击时不至于脱落、 松动， 因此， 要求焊点要有足够的机械强度。 为使焊点有足够的机械强度， 一般可采用把被焊元器件的引线端子打弯后再焊接的方法， 但不能用过多的焊料堆积， 这样容易造成虚焊和焊点与焊点之间的短路。4．焊接必须可靠，保证导电性能为使焊点有良好的导电性能， 必须防止虚焊。 虚焊是指焊料与被焊物表面没有形成合金结构， 只是简单地依附在被焊金属的表面。 在焊接时， 如果只有一部分形成合金， 而其余部分没有形成合金， 则这种焊点在短期内也能通过电流， 用仪表测量也很难发现问题。 但随着时间的推移， 没有形成合金的表面就要被氧化，此时便会出现时通时断的现象，这势必造成产品的质量问题。总之，质量好的焊点应该是焊点光亮、平滑；焊料层均匀薄润，且与焊盘大小南昌航空大学模拟电路课程设计17 比例合适，结合处的轮廓隐约可见；焊料充足，成裙形散开；无裂纹、针孔、无焊剂残留物。焊接五步法如附录三 1 图附录三 1 图焊接工具如附录三 2 图附录三 2 图