張觀山，魯曉慶，尹義蕾，施國(guó)英，宋占華，張傳洋，宋月鵬

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安，271018；2.山東省泰安英雄山中學(xué)，山東泰安，271021；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京，100125）

隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA領(lǐng)域已成為電子技術(shù)發(fā)展的主體[1]。Multisim是具有豐富仿真分析能力的EDA工具[2]，配置有豐富的信號(hào)源、電子元件、儀器儀表，具有速度快、精度高、仿真準(zhǔn)確形象等優(yōu)點(diǎn)[3]。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)電力的需求和依賴越來(lái)越強(qiáng)，對(duì)電能質(zhì)量提出了更高的要求，而電壓質(zhì)量是反映電能質(zhì)量的重要指標(biāo)[4]。電網(wǎng)電壓不在正常的范圍內(nèi)將會(huì)影響設(shè)備壽命，甚至威脅人身安全，因此對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)電網(wǎng)電壓異常狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警，對(duì)保障電網(wǎng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和居民用電安全具有重要的意義[5]。

本文針對(duì)山東農(nóng)業(yè)大學(xué)《電子技術(shù)綜合訓(xùn)練》課程要求，提出了基于Multisim的電網(wǎng)電壓異常報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。學(xué)生基于Multisim軟件，利用《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》、《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》、《電力電子技術(shù)》等理論課程中學(xué)習(xí)的比較電路、穩(wěn)壓電路、整流電路等知識(shí)，完成該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及仿真。

1 系統(tǒng)概述

本文設(shè)置電網(wǎng)交流電壓正常工作范圍為190V至250V，該電壓指單相交流電壓有效值。如果電網(wǎng)電壓在190~250V范圍之內(nèi)，則不發(fā)出報(bào)警。如果不在該范圍內(nèi)，則發(fā)出報(bào)警，且電網(wǎng)電壓低于190V或高于250V，電路發(fā)出不同的報(bào)警聲音。工作人員根據(jù)報(bào)警聲音區(qū)分電網(wǎng)電壓高于250V或低于190V，以便及時(shí)采取正確的處理措施。在設(shè)計(jì)該電路時(shí)，僅允許使用交流電源供電，不得使用直流電源供電。為了檢驗(yàn)學(xué)生綜合應(yīng)用《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》、《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》、《電力電子技術(shù)》等基礎(chǔ)理論課程進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的能力，該項(xiàng)目要求不得使用具有編程功能的數(shù)字芯片（如單片機(jī)、DSP、FPGA等）進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

在應(yīng)用該項(xiàng)目開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程中，采用由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的思路逐步完成電網(wǎng)電壓異常報(bào)警電路的設(shè)計(jì)，具體按照以下思路完成該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)：

(1)講解電網(wǎng)電壓異常報(bào)警電路的總體設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)思路，明確每一個(gè)模塊之間的邏輯關(guān)系，并向?qū)W生演示該電路的仿真運(yùn)行結(jié)果。

(2)講解和回顧降壓電路的實(shí)現(xiàn)方法及工作原理，并要求學(xué)生使用Multisim軟件進(jìn)行降壓電路仿真，并檢查仿真結(jié)果。

(3)講解和回顧整流電路的工作原理和仿真注意事項(xiàng)，學(xué)生使用Multisim軟件對(duì)整流電路進(jìn)行仿真。將降壓電路的輸出作為整流電路的輸入，使用Multisim內(nèi)置的示波器觀察整流電路的輸入、輸出曲線，并分析仿真結(jié)果。

(4)講解和回顧穩(wěn)壓電路的工作原理，使用Multisim軟件進(jìn)行穩(wěn)壓電路的仿真，將整流電路輸出作為穩(wěn)壓電路的輸入，使用Multisim內(nèi)置的示波器觀察穩(wěn)壓電路的輸入、輸出曲線，分析仿真結(jié)果。

(5)對(duì)采樣電路進(jìn)行仿真，使用采樣電路獲取上限和下限電壓，并使用Multisim內(nèi)置的電壓表測(cè)量上限和下限電壓。

(6)講解和回歸比較電路的工作原理，使用Multisim對(duì)比較電路進(jìn)行仿真，將比較電路輸出連接LED燈，觀察比較電路工作運(yùn)行結(jié)果。

(7)講解和回歸報(bào)警電路的工作原理，使用Multisim仿真報(bào)警電路，并研究報(bào)警電路發(fā)出不同報(bào)警聲音的實(shí)現(xiàn)方法。

(8)完成整體電路設(shè)計(jì)，對(duì)電路進(jìn)行整體功能仿真測(cè)試，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 電路設(shè)計(jì)及仿真

本文根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，提出了電路總體設(shè)計(jì)方案，并分別從降壓電路設(shè)計(jì)、整流電路設(shè)計(jì)、穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)、比較電路設(shè)計(jì)、報(bào)警電路設(shè)計(jì)等方面提出了電網(wǎng)電壓異常報(bào)警電路的設(shè)計(jì)過(guò)程。

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

電路整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。該電路由降壓電路、整流電路、穩(wěn)壓電路、采樣電路、比較電路、報(bào)警電路等組成。本文采用降壓電路對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行降壓處理，將電網(wǎng)電壓降低到整流電路能夠處理的電壓范圍之內(nèi)。隨后，采用整流電路對(duì)降壓后的交流電壓信號(hào)進(jìn)行整流處理，將交流電壓整流為直流電壓。采用穩(wěn)壓電路將經(jīng)過(guò)整流之后的直流電壓信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)壓處理，獲取波動(dòng)幅度更小的直流電壓信號(hào)。通過(guò)分壓電路對(duì)直流電壓進(jìn)行處理，得到上下限交流電壓對(duì)應(yīng)的直流電壓。采用采樣電路采集整流之后的電網(wǎng)電壓信號(hào)。通過(guò)比較電路將采樣電壓信號(hào)與設(shè)定的交流電壓上限、下限電壓對(duì)應(yīng)的直流電壓比較，如果該采樣電壓高于上限電壓或低于下限電壓，則驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出不同的報(bào)警聲音。工作人員根據(jù)不同的報(bào)警聲音判斷電網(wǎng)電壓高于上限電壓或低于下限電壓，以便于及時(shí)采取處理措施。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

2.2 降壓電路設(shè)計(jì)

降壓電路以變壓器為核心電路元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)交流電壓的降壓處理。本文所選擇的變壓器的匝數(shù)比為10:1，根據(jù)變壓器電壓比計(jì)算公式，通過(guò)該降壓電路可將電網(wǎng)電壓降低10倍。在使用Multisim對(duì)降壓電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)時(shí)，選擇使用電源模塊AC_POWER模擬電網(wǎng)電壓。在POWER_SOURCE選項(xiàng)中，選中AC_POWER電壓源，并設(shè)置AC_POWER電壓源的交流有效電壓，電壓頻率等參數(shù)，即完成該電源模塊的調(diào)用。圖2為降壓電路設(shè)計(jì)及電路輸入輸出電壓對(duì)比曲線，降壓電路輸入、輸出對(duì)比曲線由Multisim內(nèi)置的示波器測(cè)量獲取。由降壓電路輸入、輸出對(duì)比曲線得出，本文設(shè)計(jì)的降壓電路能夠有效的對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行降壓處理。

圖2 降壓電路及輸入輸出對(duì)比曲線

2.3 整流電路設(shè)計(jì)

整流電路為把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路[6]。本設(shè)計(jì)選用整流二極管組建整流橋構(gòu)建整流電路。整流二極管選用的型號(hào)為MDA990-3，整流電路及整流前后電壓信號(hào)對(duì)比曲線如圖3所示。圖3中，左圖為整流電路Multisim仿真圖，右圖為整流電路輸入、輸出對(duì)比曲線，右圖下半?yún)^(qū)域曲線為整流電路輸入曲線，上半?yún)^(qū)域?yàn)檎麟娐份敵銮€。由圖3得出，經(jīng)過(guò)降壓處理之后的電網(wǎng)電壓負(fù)半周曲線被整流到正半周，從而完成了電網(wǎng)電壓交流信號(hào)的整流處理。

圖3 整流電路及輸入輸出對(duì)比曲線

2.4 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

本文以LM317三端可調(diào)輸出正電壓穩(wěn)壓器為核心進(jìn)行穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)。LM317是可調(diào)節(jié)的三端正電壓穩(wěn)壓器，其輸出電壓通過(guò)公式(1)計(jì)算。

通過(guò)設(shè)置電阻R2和R3的阻值，設(shè)置穩(wěn)壓電路輸出5V的直流電壓。該直流電壓一方面為比較器等數(shù)字芯片提供供電電壓，另一方面，提供了與電網(wǎng)電壓上下限電壓對(duì)應(yīng)的直流基準(zhǔn)電壓。

圖4 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)圖

2.5 比較電路設(shè)計(jì)

比較電路的功能為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓與上限電壓和下限電壓的比較，如果電網(wǎng)電壓高于上限電壓或者低于下限電壓，則向報(bào)警電路發(fā)送不同的報(bào)警信號(hào)。本文采用LM393電壓比較器為核心進(jìn)行比較電路的設(shè)計(jì)，LM393在弱信號(hào)檢測(cè)方面具有較好的性能[7]。

該項(xiàng)目的比較電路使用了兩個(gè)LM393電壓比較器，其中一個(gè)電壓比較器的正向輸入端接電網(wǎng)電壓，反向輸入端接電網(wǎng)上限電壓。當(dāng)電網(wǎng)電壓高于上限電壓（即正向輸入端高于反向輸入端），代表電網(wǎng)電壓高于上限，LM393電壓比較器輸出高電平，并將該信號(hào)發(fā)送給報(bào)警電路，報(bào)警電路發(fā)出電網(wǎng)電壓高于上限的警示音。當(dāng)電網(wǎng)電壓低于上限電壓（即正向輸入端低于反向輸入端），代表電網(wǎng)電壓低于上限電壓，LM393電壓比較器輸出低電平，報(bào)警電路不工作。另外一個(gè)電壓比較器的反向輸入端接電網(wǎng)電壓，正向輸入端接電網(wǎng)電壓下限電壓，當(dāng)電網(wǎng)電壓低于下限電壓（即正向輸入端高于反向輸入端），代表電網(wǎng)電壓低于下限，LM393電壓比較器輸出高電平，報(bào)警電路發(fā)出電網(wǎng)電壓低于下限的警示音。當(dāng)電網(wǎng)電壓高于下限電壓（即反向輸入端低于正向輸入端），代表電網(wǎng)電壓高于上限，LM393電壓比較器輸出低電平，報(bào)警器不工作。圖5為使用Multisim對(duì)LM393電壓比較器的典型工作電路進(jìn)行仿真。

圖5 LM393電壓比較器仿真電路

2.6 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警電路為以555定時(shí)器為核心設(shè)計(jì)的多諧振蕩器。通過(guò)多諧振蕩器產(chǎn)生方波驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音，多諧振蕩器產(chǎn)生的方波周期T通過(guò)以下公式計(jì)算。

本文使用兩個(gè)由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器實(shí)現(xiàn)判斷電網(wǎng)電壓低于下限或者高于上限。通過(guò)設(shè)置兩個(gè)多諧振蕩器不同的電路參數(shù)，使其輸出不同周期的方波，并通過(guò)輸出的不同周期的方波驅(qū)動(dòng)蜂鳴器產(chǎn)生不同的報(bào)警聲音，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)根據(jù)聲音判斷電網(wǎng)電壓是否異常，且能夠根據(jù)報(bào)警聲音的不同判斷電網(wǎng)電壓高于上限電壓或者低于下限電壓。圖6為以由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器為核心設(shè)計(jì)的報(bào)警電路。

圖6 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

3 電路功能測(cè)試

本文使用Multisim軟件對(duì)電網(wǎng)電壓異常報(bào)警電路進(jìn)行了功能仿真測(cè)試，將電網(wǎng)電壓下限設(shè)置為190V，上限設(shè)置為250V。通過(guò)設(shè)置AC_POWER電壓源不同的電壓值檢測(cè)電路的工作效果。首先將電網(wǎng)電壓設(shè)置為150V，啟動(dòng)運(yùn)行仿真電路，報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音，該報(bào)警聲音提示電網(wǎng)電壓低于下限電壓。隨后，將電網(wǎng)電壓設(shè)置為220V，啟動(dòng)運(yùn)行仿真，報(bào)警電路未發(fā)出報(bào)警聲音，說(shuō)明電網(wǎng)電壓在正常的工作范圍之內(nèi)。最后，將電網(wǎng)電壓設(shè)置為300V，啟動(dòng)仿真運(yùn)行，此時(shí)，報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音，且該報(bào)警聲音與電網(wǎng)電壓設(shè)置為150V時(shí)發(fā)出的報(bào)警聲音不同，說(shuō)明此時(shí)的電網(wǎng)電壓高于上限電壓。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了電網(wǎng)異常電壓報(bào)警電路，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電網(wǎng)異常電壓的監(jiān)測(cè)。當(dāng)電網(wǎng)電壓高于上限或者低于下限，報(bào)警電路發(fā)出不同的報(bào)警聲音，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)報(bào)警聲音判斷電網(wǎng)電壓低于下限還是高于上限。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的電網(wǎng)電壓異常報(bào)警電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓異常狀況的監(jiān)測(cè)。將該項(xiàng)目應(yīng)用于自動(dòng)化、電氣工程及自動(dòng)化等專業(yè)的綜合實(shí)踐教學(xué)，對(duì)于培養(yǎng)和提高學(xué)生電路分析和設(shè)計(jì)能力具有重要的意義。