试验题 目：电压超限指示和报警电路的预设计设计内容，要求31内容32.要求3设计思路31系统结构3设计的电路51. 采用TI公司生产的一款MPS430F149型单片机完成设计 52. 图2采用555定时器和窗口比较器构成的电路 6电路分析61运算放大器比较电路 62.555定时器构成的多谐振荡器 8功能分析101. 窗口比较器102. 555定时器构成的多谐振荡器的设计 12选择电路13实验材料14.设计内容，要求1. 内容通过电压超限指示和报警电路的设计与实验，熟悉窗口比较器和555电路的应用。2. 要求设计一个电压过限指示和报警电路。1. 电压上限为 Uh=5.5V，下限为 Ul=4.5V，当 4.5Vv uiv5.5V 时， 为正常范围。否则ui5.5V或uiv4.5V都为不正常，此时发出报警 信号。2. 电压ui在正常范围内。绿灯亮，不发出报警声响。3. 电压ui低于下限时，黄灯亮，同时连续发出报警声响。4. 电压ui高于上限时，红灯闪烁，同时发出断续的报警声响。设计思路1. 系统结构根据题目要求，若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 5-1所示。当 Uh u Ul时，输出为低电平，而当ui Uh或uiV Ul时输出为高电平， 利用这一特性，就可以鉴别电压是否处于正常范围。 如果是其他物理量（如温度）也可以通过传感器将其转换为电压量来实现报警。声音 报警可利用555定时器构成的多谐振荡器来实现，断续声音可以由一 个频率较低的振荡器去控制一个频率较高的振荡器来实现。图1为系 统设计的整体框图UHUI窗口比较器UL图1系统的整体结构框图设计的电路1.采用TI公司生产的一款MPS430F149型单片机完成设计采用TI公司生产的一款MPS430F14型单片机，该款单片机内部 带有A/D转换。首先设计一个 AD采样保持电路将输入电压控制在一 定范围之内。然后进行 AD转换，利用一定的算法，实现电压超限指 示和报警。方案系统结构图如图11.输入电压UI电压采样电路MP指示灯器鸣蜂一S430F149图ii.系统的整体结构框图2. 图2采用555定时器和窗口比较器构成的电路VCC12VALED2LED312VR3470 QJssc.R4470 QR5470 QVCC 12VU2BD171N41491LM324PR11.0k QV25.511 LM324P9D21N414V18 V_V3 4.5 V1U1AU5AR7：1k Q入U3C(7402N740847658 U6R9510Q8 U8U9C7486N10kVCCRSTDISOUTTHRTRICONGND31VCCRSTOUTDISTHRTRICONGND437625LS1BUZZER1kHzLM5LM555CM? C1?0.01C2-r0.2U4A740 MR88.2k QC4d 0.01 (1F0.2R2VGNDj伽-1.0k Q图2.电路分析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+VU时，比较器输出低电 平。LM324的引脚排列见下图3.14 13 12 11 109 6图3.LM324的引脚排列由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电 源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。LM324应用 作比较器 如下图4.所示，窗口比较器有两个运算放大器、两个二极 管和电阻组成，LM324内包含4个集成运算放大器，用其中两个运放 组成窗口比较器。UHUIULLM324D1D2LM324UO图4丄M324构成的窗口比较器图5.窗口比较器的电压传输特性2.555定时器构成的多谐振荡器555时基电路时一种应用十分广泛的的模拟-数字混合式集成电路，这个电路最初是为集成电路取代延迟继电器等机械延迟器而研制的。它具有定时精度高、温度漂移小、速度快、可直接与数字电路相连、结构简单、功能多、驱动电流较大、有一定的负载能力等优点 555定时器时目前在工业自动控制、仿声、电子乐器、防盗报警等方面获得了广泛应用的一种时基电路，用它可以构成多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器等脉冲产生和波形变换电路。多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要电源后,不需要外加触发信号（即没有输入信号）。便能自动产生矩形脉冲, 由于矩形脉冲中含有丰富的高次谐波分量， 所以称为多谐振荡器。如 下图6.所示L cc184555O+O1|1F图6. 555定时器组成的多谐振荡器功能分析1.窗口比较器在参考电路中窗口比较器由两个运算放大器、 两个二极管和电阻 组成，LM324内包含四个运算放大器，使用其中的两个运算放大器 组成窗口比较器。(1) 当Ul V Ui V Uh时，处于正常状态，A、B两点均为低电平， 二极管不导通，再经或非门输出，绿色指示灯亮。此时异或门输出端 C点为低电平，此电压送到第一片 555定时器的异步置零端RD (4 脚)，555振荡器停振，不发出报警信号。Is0U善.戶U 肖00is(2) 当ui Uh时，图中A点为高电平，B点为低电平，所以或 非门输出为低电平，绿灯灭。而异或门的输出端C点为高电平，故第一个振荡器产生频率较低的方波信号。此信号送至第二片555的RD(4脚)，从而发出断续的报警声音信号。同时， c点信号与第 一片555的输出信号相与，使得红灯闪烁，其闪烁频率同第一片555的振荡频率相同，达到了声、光同时报警的目的。(3) 当uiv Ul时，A点为低电平，B点为高电平，黄灯亮。而异或门的输出C点为高电平，第一片555振荡器起振，其输出与 B点信号相或，输出始终为高电平，使第二片振荡器发出连续的报警声2. 555定时器构成的多谐振荡器的设计在参考电路图中，当第一片555振荡器的4脚为高电平振荡器起 振，其振荡频率为：fi-10.7(R1 2R2)C1若第一片振荡器的振荡频率fi=6Hz,取Ci=10a f, Ri = 1K Q ,则 由上式计算出R211.4 KQ,取R2=10 K Q。第一片555的输出电压uoi加到第二片555的异步置零端(4) 当该信号为低电平时，第二片555振荡器停振；而此信号为高电平时， 第二片555振荡器起振，输出电压为U02，产生断续报警信号。其波 形如图5-4所示。%】I一ILj iiiiiiiiii iiiiiiiiii图5-4断续声音报警波形图第二片 555 振荡器的 C2=0.2 叮,Ri=0.5K Q , R? =8K Q ,根据 式fi1，可计算出其振荡频率f2为：0.7(Ri +2R2)Cif2i0.433KHZ0.7(Ri 2R2 )C2实验中，集成运算放大器使用士I2V电源，所有的门电路和定时器（555或556）都使用CMOS器件选择电路经过分析与比较，发现，LM324和555定时器所构成的电路材料 易得，且价格便宜，所以最终选择了用 LM324设计成的窗口比较器, 和用555定时器构成的多谐振荡器来完成电路的设计。VCC12V.ALED2LED3R11.0k QU2BD11N4149U1ALM324PD21N4149V1 二 8 V. V25.5 V1LM324PU3C7402NLED1R4470 QR5470 QU5A7408NR71kQU9C57486NC10.01F10kC20.2 iVCC12VU6VCC12VV34.5 VR2-AMr-1.0k QVCCRSTOUTDISTHRTRICONGND843761LM555fiFU4A-7432N右GNDR9510QVCCRST OUTDISTHRTRICONGNDU8LS1BUZZER1kHzLM555CMMC3R88.2k0.2fiF；4.01 iF图7.总体电路图用multisim 仿真，当输入电压变化时，用示波器观察3引脚OUT输出的方波波形都满足设计要出相应频率方波的要求，且仿真都能实现设计的整体要求。故就用上图实验材料芯片：LM324 1片555定时器2片4001 （CMO）1片（或非门）4081 （CMO）1 片（与门）4071 （CMO）1 片（或门）4030 （CMO）1片（异或门）电阻：470欧3510 欧 11 K欧18.2 K 欧 110K 欧 1二极管：2电容：0.22UF 10.01UF 210UF 1发光二极管：3 （红、黄、绿各一个）蜂鸣器：1