水位指示器的設(shè)計與仿真

1、重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）編 號：_審定成績：_ 畢 業(yè) 設(shè) 計 （論 文）設(shè)計（論文）題目:_水位指示器的設(shè)計與仿真_ _單 位（系別）：_電子信息系_學(xué) 生 姓 名：_ 徐銘鴻_專 業(yè)：_電子信息工程_班 級：_ 01120802_學(xué) 號：_ 0112080217_指 導(dǎo) 教 師：_ 馮志宇_答辯組負責(zé)人：_填表時間： 20 年 月重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院教務(wù)處制42重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書設(shè)計(論文)題目 水位指示器的設(shè)計與仿真 學(xué)生姓名 徐銘鴻 系別電子信息系專業(yè) 電子信息工程 班級 01120802 指導(dǎo)教師 馮志宇 職稱 講師 聯(lián)系電話 1352740038

2、0 教師單位 重慶郵電大學(xué) 下任務(wù)日期_2012_年_3_月_18_日主要研究內(nèi)容 、 方 法 和 要 求研究內(nèi)容和要求：本文主要介紹基于Multisim的水位指示器的設(shè)計與仿真。了解并掌握555定時器，電壓比較器，CD4042鎖存器的功能和應(yīng)用。設(shè)計方案確定好以后，再通過Multisim軟件進行測試仿真。研究方法：理論分析，再用Multisim仿真軟件進行仿真。主要是通過參閱圖書館的相關(guān)書籍和網(wǎng)上相關(guān)信息，收集相關(guān)資料，同時在咨詢指導(dǎo)老師和自己仔細研究下進行設(shè)計、改良，以求做到最好。 進 度 計 劃第四周：到圖書館借閱相關(guān)書籍，在網(wǎng)上查閱資料；第五周：對所做畢業(yè)設(shè)計進行總體安排，完成開題報告

3、；第六周八周：對資料進行篩選，選出最佳設(shè)計方案，畫出電路圖，并對各個單元模塊進行設(shè)計與功能分析，選出所需元器件；第九第十一周：學(xué)習(xí)Multisim仿真軟件，在Multisim上連接好電路圖并調(diào)試仿真，確定達到預(yù)定效果；第十二周第十四周：整合之前的所有資料，完成畢業(yè)設(shè)計。 主 要 參 考 文 獻1鄒虹 主編.數(shù)字電路邏輯設(shè)計 第一版.人民郵電出版社出版.2008.32中國集成電路大全編委會. 編著.中國集成電路大全CMOS集成電路.北京國防工業(yè)出版社.19863陳大欽 主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).機械工業(yè)出版社.2006.14郝波 主編.數(shù)字電路.第一版 電子工業(yè)出版社.2003年8月指導(dǎo)教師簽字：

4、 年 月 日教研室主任簽字： 年 月 日備注：此任務(wù)書由指導(dǎo)教師填寫，并于畢業(yè)設(shè)計(論文)開始前下達給學(xué)生。摘 要水位指示器的主要任務(wù)是保證日常生活和工業(yè)生產(chǎn)用水的穩(wěn)定，經(jīng)濟的運行，減少對水資源的浪費，減輕工作人員的勞動強度。水位指示器的主要功能是使水箱，太陽能熱水器等各種蓄水設(shè)備中的水位保持在一定的范圍內(nèi)：當(dāng)水位達到某個規(guī)定的水位刻度時，指示燈即會亮起，提醒工作人員，保證水位在一個合理控制的范圍內(nèi)。從實用性和經(jīng)濟性出發(fā)，由555定時器、CD4042鎖存器和運算放大器構(gòu)成的水位指示器，可以用于家用太陽能熱水器的水位指示，也可用于各種儲水設(shè)備及水處理設(shè)備的水位指示。這種水位指示器采用脈沖的方式為

5、采樣電極供電，不僅能大大減少工作電源的消耗，而且可以采用普通金屬電極作為水位探測電極而不被很快腐蝕，因此具有很強的實用價值。本次設(shè)計使用的仿真軟件為Multisim, Multisim是一種專門用于電子電路仿真和設(shè)計的EDA工具軟件，屬于Electronics workbench（簡稱EWB）系列軟件的高版本。EWB仿真軟件是一款很強大的電路設(shè)計軟件，它為設(shè)計者提供各種元件及儀表。Multisim在保留了EWB原有的優(yōu)點的基礎(chǔ)上，大大的擴充了元件庫中電路元件的數(shù)目，增強了軟件仿真測試和分析功能，可實現(xiàn)模擬/數(shù)字電路的Spice仿真、VHDL/Verilog設(shè)計與仿真、RF電路仿真等。通過Mul

6、tisim對電路的仿真，可證明此設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)對水位的指示功能。關(guān)鍵詞 555 運算放大器 CD4042 水位指示 MultisimABSTRACT Water level indicator's main task is to ensure that the daily life and industrial production water stability, economical operation, reduce the waste of water resources, reduce the labor intensity of working personnel.Water

7、 level indicator is the main function of the water tank, solar water heaters and other equipment in water level is maintained in a certain range: when the water level reaches a prescribed level scale, indicating lamp will light up, to remind the staff, to ensure water level in a reasonable range.Fro

8、m the practical and economic perspective, by the 555 timer, CD4042 latch and an operational amplifier water level indicator, can be used for domestic solar water heater water level indicator, also can be used for various water equipment and water treatment equipment water level indicator.The water l

9、evel indicator using pulse way for sampling electrode power supply, can not only reduce the power consumption, but also can be used as ordinary metal electrode water level detecting electrode without being very fast corrosion, therefore it has a strong practical value.This design using the simulatio

10、n software for Multisim, Multisim is a specialized for electronic circuit simulation and design EDA software tool, belonging to the Electronics workbench (EWB) series of software version.EWB simulation software is a very powerful circuit design software, it provides designers with various components

11、 and instrumentation.Multisim EWB retained in the original on the basis of merit, greatly expanded the library of circuit elements in the number, enhances the software simulation testing and analysis functions, can realize the analog / digital circuit simulation of Spice, VHDL/Verilog, RF design and

12、 Simulation of circuit simulation. Based on the Multisim circuit simulation, proved that the design can realize the water level indication function.【Key words】555 Operational amplifier CD4042 Water level indicator Multisim目 錄前 言1第一章 水位指示器的電路設(shè)計2第一節(jié) 水位指示器設(shè)計的目的與意義2第二節(jié) 水位指示器的電路設(shè)計2一、水位指示器的設(shè)計思路2二、電路設(shè)計及電路工

13、作原理分析3第二章 主要元器件的介紹6第一節(jié) 555定時器的簡介與應(yīng)用6一、555定時器的基本介紹6二、555定時器的典型應(yīng)用8第二節(jié) 電壓比較器的簡介與應(yīng)用13一、電壓比較器的基本介紹13二、電壓比較器的典型應(yīng)用13第三節(jié) CD4042鎖存器的基本介紹19第四節(jié) 水位指示LED的基本介紹21第三章 Multisim仿真軟件22第一節(jié) Multisim的基本簡介22一、Multisim的概述22二、Multisim軟件的特點22三、Multisim的結(jié)構(gòu)23四、Multisim的基本界面24第二節(jié) Multisim仿真軟件繪制電路圖25一、對元件的操作25二、繪圖的基本操作28第四章 電路仿真

14、30第一節(jié) 電路模塊的仿真驗證30一、555構(gòu)成多諧振蕩器的仿真驗證30二、電壓比較器的驗證31三、CD4042鎖存器的驗證33第二節(jié) 總電路的仿真34結(jié) 論36致 謝37參考文獻38附 錄39一、英文原文39二、英文翻譯41前 言隨著計算機和現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，水位報警器已經(jīng)從原來的普通型發(fā)展到現(xiàn)在的智能化，而水位報警器的功能也逐漸趨向于完美，而水位報警器的許多相關(guān)理論與技術(shù)仍在不斷的發(fā)展。水位報警器在工業(yè)控制及民用家電等領(lǐng)域得到廣發(fā)應(yīng)用，如蓄水池水位控制系統(tǒng)、太陽能熱水器系統(tǒng)等。本次做的水位指示器裝置，在現(xiàn)在這個節(jié)約能源，使用太陽能熱水器的家庭里有非常好的用途。如今我國大部分住宅小區(qū)為

15、了節(jié)約電源，都會在屋頂裝上太陽能熱水器來提供熱水以滿足對生活的供給，由于熱水的需求量大，而太陽能熱水器的容量不是很大，一般很快就會用完水，需要重新蓄水，以便能及時用上。但在一般情況下，蓄水會花一個小時或者更長的時間。在加水的過程中，還需要人們時刻檢查水位情況，以防止水量超過最高水位。人們也不可能一直等到水滿為止，而會去做其他的事情。為了解決這個問題，我們設(shè)計了555水位指示器，當(dāng)水位達到某個規(guī)定刻度時，指示燈就會亮，提醒人們水位的高低，保證水位在人們預(yù)期的范圍之類，避免造成不必要的浪費。與其他的水位報警裝置相比，這種水位指示器采用脈沖的方式為采樣電極供電，不僅能大大減少工作電源的消耗，對電源的

16、利用率很高，而且可以采用普通金屬電極作為水位探測電極而不被很快腐蝕，因此具有很強的實用價值。第一章 水位指示器的電路設(shè)計第一節(jié) 水位指示器設(shè)計的目的與意義 水是人類賴以生存的寶貴資源，節(jié)約用水已經(jīng)成為人類的共識。因此，對水位的控制及指示具有十分重要的意義。在人們的日常生活或者工業(yè)生產(chǎn)用水中，經(jīng)常會用到水箱里面的水，如果水箱之類的盛水容器能夠保持在一定的范圍內(nèi)，并能較為準確的顯示出當(dāng)前容器中的水位，對于我們的生活將會帶來很大的方便。目前，555定時器構(gòu)成的脈沖振蕩器在工業(yè)生產(chǎn)和日常日常生活中有著越來越廣泛的應(yīng)用，各種各樣的產(chǎn)品層出不窮，555高性能水位指示器作為555脈沖振蕩器理論的實際應(yīng)用的例

17、子，其設(shè)計具有一定的代表性。為了加強對電子技術(shù)理論與系統(tǒng)、信號的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，掌握555定時器電路的應(yīng)用，培養(yǎng)我們綜合設(shè)計系統(tǒng)電路及設(shè)計電路模塊的思想能力，加強我們的的實際動手能力，提高綜合應(yīng)用能力水平，本文有如下目的及意義：1. 通過查閱相關(guān)資料可以了解當(dāng)前水位指示器技術(shù)及產(chǎn)品發(fā)展狀況。2. 培養(yǎng)自身將所學(xué)知識與現(xiàn)實相結(jié)合的能力。3. 水位指示器，它的作用是觀測和控制容器內(nèi)水的容量，使水量保持在人們預(yù)期合理的范圍內(nèi)。4. 對水位指示器的研究，有利于滿足人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)需求，通過將科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到水位控制上從而使得人們能夠真正的體會到科技發(fā)展帶給人們的方便和舒適。第二節(jié) 水位指示器的電路設(shè)計一、

18、水位指示器的設(shè)計思路由555構(gòu)成的水位指示器，可以用于家用太陽能熱水器的水位指示，也可用于各種儲水設(shè)備及水處理設(shè)備的水位指示。這種水位指示器采用脈沖的方式為采樣電極供電，不僅能大大減少工作電源的消耗，而且可以采用普通金屬電極作為水位探測電極而不被很快腐蝕，因此具有很強的實用價值。555高性能水位指示器具體設(shè)計思路如圖1.1 所示。圖 1.1 水位指示器設(shè)計圖二、電路設(shè)計及電路工作原理分析根據(jù)電路設(shè)計的思路分析，可以用555構(gòu)成的多諧振蕩器，電壓比較器，CD4042鎖存器和發(fā)光二極管來構(gòu)成水位指示器的電路。水位指示器的電路如圖1.2所示。圖1.2水位指示器電路555高性能水位指示器電路由脈沖振蕩

19、器、電壓比較器和水位指示電路組成。與 , 、及 、組成一個窄脈沖振蕩器。根據(jù)脈沖振蕩器輸出脈沖周期的計算公式：它的脈沖占空比約等于0.027/1.386=1/51，可見采用這種脈沖供電方式，電源的利用率是很高的。運算放大器A1A4 組成4 級電壓比較器，它的作用是通過檢測水位電極與水位接觸與否輸出信號。將檢測信號電壓與基準設(shè)定電壓進行比較，輸出水位探測信號。555高性能水位指示器電路中，、將工作電源分壓后，取得約1v 的參考電壓，加至4 個電壓比較器的反相輸入端，作為與水位探測信號電壓的比較參考。4 個水位探測電極B1 B4分別接到4個電壓比較器的同相輸人端。當(dāng)探測電極未與水接觸時，由脈沖電源

20、提供的電壓通過 分別向C6C9充電，當(dāng)充電電壓升高到1v以上時，電壓比較器輸出高電平。當(dāng)某一探測電極與水接觸后，該電極的電壓立即降低，當(dāng)降到低于1v 時，該電壓比較器輸出低電平。如果將水位探測電極B1B4由低到高依次安裝，并規(guī)定電壓比較器輸出高電平時稱為"1" ，輸出低電平時稱為"0" ，則當(dāng)無水時， 4 個電壓比較器A1A4 的輸出組合為"1 、1 、1 、1" 。當(dāng)向水箱注水時，首先由B1 與水接觸， Al 輸出低電平。這時電壓比較器的輸出組合變?yōu)?quot;0 、1 、1 、1" 當(dāng)水滿時， 4 個水位探測電極B1 B

21、4全部與水接觸，電壓比較器A1A4 全部輸出低電平，它們的輸出組合為"0 、0 、0 、0"。555高性能水位指示電路由CD4042 與LED1LED4 組成。CD4042B 是一只4D鎖存觸發(fā)器，其內(nèi)部封裝有4 個D 觸發(fā)器，每個觸發(fā)器均能在時鐘脈沖的作用下，將輸入的數(shù)據(jù)進行鎖定并傳送到輸出端。即當(dāng)時鐘脈沖的上升沿到來時，將數(shù)據(jù)鎖存;當(dāng)時鐘脈沖的下降沿到來時，將數(shù)據(jù)輸出。為了能夠控制時鐘脈沖的極性，CD4042B 還設(shè)有一個極性控制端CP 。當(dāng)CP 接低電平時，時鐘脈沖的上升沿起鎖存作用，下降沿起傳輸作用;當(dāng)CP 接高電平時，作用正好相反。由水位比較器A1A4 輸出的信號

22、按照"11110111001100010000" 這樣的順序排列并依次輸入到CD4042B 的數(shù)據(jù)輸入端D1D4 ，在由CP 端輸入的時鐘脈沖的控制下，它的輸出端Q1Q4 依次輸出低電平， LED1LED4 依次發(fā)光，指示水位的高低。第二章 主要元器件的介紹第一節(jié) 555定時器的簡介與應(yīng)用一、555定時器的基本介紹555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。555 定時器成本低，性能可靠，只需要添加有限的外圍元件，就可以極其方便地構(gòu)成許多實用的電子電路，如：多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等。由于555定時器使用靈活方便，加上性能優(yōu)良，因而在波形的產(chǎn)生與

23、變換、信號的測量與控制、家用電器和電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用。圖2.1.1是555定時器內(nèi)部組成框圖。它主要由兩個高精度電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電晶體管、一個反相器和3個5K電阻組成的分壓器構(gòu)成。兩個電壓比較器的功能是如果“+”輸入端大于“-”輸入端電壓，即時，則比較器輸出端為高電平(=1)，反之輸出為低電平（=0）。比較器參考電壓，比較器的參考電壓。如果的外接端接固定電壓，則，。與非門和構(gòu)成基本觸發(fā)器。其中輸入位置0端，低電平有效。比較器和比較器的輸出、為觸發(fā)信號。三極管是集電極開路輸出三極管，為外接電容提供充、放電回路，稱為泄放三極管。反相器為輸出緩沖反相器，起整形

24、和提高帶負載能力的作用。圖2.1.2時器的引腳圖，各引腳功能如下所述：1腳：GND電源負端或接地，一般情況下接地。2腳：為低電平觸發(fā)端，也稱為觸發(fā)端輸入端，由此輸入觸發(fā)脈沖。當(dāng)2端的輸入電壓高于時，的輸出為1；當(dāng)2端的輸入電壓低于時，的輸出為0，使基本RS觸發(fā)器置1，即；。這時定時器輸出。圖 2.1.1 555定時器電路結(jié)構(gòu) 圖2.1.2 555定時器引腳圖3腳：為輸出端,輸出電流可達200mA，因此可直接驅(qū)動繼電器、發(fā)光二極管、揚聲器、指示燈等。輸出高電壓低于電源電壓約13V。4腳：為是復(fù)位端，端接低電平時，不論、TH處于何電平，基本RS觸發(fā)器直接置“0”，該端不用時應(yīng)接高電平。5腳：為CO

25、為控制電壓端。若此端另接外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器、的參考電壓。工作中不使用CO端時，一般都通過一個0.01F電容接地，以防旁電路高頻干擾。6腳：為TH高電平觸發(fā)端，又叫做閾值輸入端，由此輸入觸發(fā)脈沖。當(dāng)輸入電壓低于時，的輸出為1；當(dāng)輸入電壓高于時，的輸出為0，使基本RS觸發(fā)器置0，即、。這時定輸時器出。7腳：D為放電端。當(dāng)基本RS觸發(fā)器的時，放電晶體管導(dǎo)通，外接電容元件通過放電。555定時器在使用中大多與電容器的充放電有關(guān)，為了使充放電能夠反復(fù)進行，電路特別設(shè)計了一個放電端D。8腳：為外接電源，雙極型時基電路的范圍是4.516V，若為CMOS電路，時基電路的范圍為318V;兩個比較器、

26、基準電壓分別為，555時基電路的功能表如表2.1.1： 2.1.1 555定時器的功能表清零端高觸發(fā)端TH（6）低觸發(fā)端（2）Qn+1放電管功能00導(dǎo)通直接清零10導(dǎo)通置0 11截止置11Qn不變保持二、555定時器的典型應(yīng)用1、構(gòu)成多諧振蕩器多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，也稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，也不需要外加觸發(fā)脈沖。當(dāng)電路接好之后，只要接通電源，在其輸出端便可獲得矩形脈沖。由于矩形脈沖中除基波外還含有極豐富的高次諧波，故稱之為多諧振蕩器。 用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器的電路如圖2.1.3(a)所示，圖中接高電平，連接電容，起濾波作用。將三極管輸出端(7)通過電阻接到電源，就構(gòu)成

27、集電極開路門反相器的形式，其輸出再通過積分電路反饋至輸入，就構(gòu)成了自激多諧振蕩器。（a）多諧振蕩器電路 （b）工作波形圖2.1.3 振蕩器電路和工作波形在電路接通電源時，由于電容C還未充電，所以（即（6）和（2）為低電平，比較器輸出為高電平，比較器的輸出為低電平，與非門輸出為低電平，電路輸出為高電平。由于與非門輸出為低電平，使三極管截止，通過電阻（）對電容C充電，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)期間，隨著電容C的充電，電位不斷升高，當(dāng)時，比較器輸出為低電平，使與非門輸出高電平，這使電路輸出翻轉(zhuǎn)為低電平，電路發(fā)生一次自動翻轉(zhuǎn)。與此同時，由于與非門輸出高電平，使三極管導(dǎo)通，電容C通過、放電，電路進入另一暫

28、穩(wěn)態(tài)。在這一暫穩(wěn)態(tài)期間，隨著電容C的放電，使點位逐步下降。當(dāng)下降至?xí)r，比較器輸出為低電平，使得與非門輸出低電平，這使電路輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，電路又一次發(fā)生自動翻轉(zhuǎn)。此后，由于與非門輸出低電平，三極管截止，電源又通過（）對電容C充電，重復(fù)上述電容C的充電過程，如此反復(fù)，形成多諧振蕩。其工作波形如圖2.1.3（b）所示。由上述分析，在電容充電時，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間為： 在電容C放電時，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間為： 因此，電路輸出矩形脈沖的周期為：輸出矩形脈沖的占空比: 2、構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在數(shù)字電路中一般用于定時（產(chǎn)生一定寬度的矩形波）、整形（把不規(guī)則的波形轉(zhuǎn)換成寬度、幅度都相等的波形）以及延時（把輸

29、入信號延時一定時間后輸出）等。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有三個特點：（1）電路有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)；（2）在外來觸發(fā)脈沖作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)；（3）暫穩(wěn)態(tài)是一個不能長久保持的狀態(tài)，經(jīng)過一段時間后，電路會自動返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間與觸發(fā)脈沖無關(guān)，僅決定于電路本身的參數(shù)。用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖2.1.4(a)所示：圖中接高電平，端作為輸入觸發(fā)端，的下跳沿觸發(fā)。將三極管的集電極輸出端通過電阻R接，構(gòu)成反相器。反相器輸出端接電容C到地。同時和端連接在一起，這樣就構(gòu)成積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。其工作波形如圖2.1.4(b)所示。（a）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路 （b）工作波形圖2.1.4 單穩(wěn)觸發(fā)電路

30、和工作波形剛開始時，輸入信號，因此對比較器，,所以輸出高電平。電源通過店主R對C充電，使電位上升。當(dāng)充電至大于時，則對比較器就出現(xiàn)，所以比較起輸出低電平，使與非門輸出高電平，則輸出為低電平。同時，與非門輸出高電平使導(dǎo)通，電容C通過放電，當(dāng)放電至小于時，比較器輸出為高電平，最后電容C放電至0。這是穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)輸入信號下降沿到達時，這樣使得比較器出現(xiàn)，比較器輸出低電平，與非門輸出高電平，使與非門輸出低電平，這樣使輸出為高電平。電路受觸發(fā)發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)。與此同時，由于與非門輸出低電平，使截止，則通過R對電容C充電，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。由于電容C的充電，使電位逐步上升。當(dāng)時，比較器出現(xiàn)的輸入情況，比較器輸出

31、為低電平，這樣使與非門輸出高電平，電路輸出為低電平，又自動發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。同時，由于與非門輸出高電平使三極管導(dǎo)通，電容C很快通過放電至0，電路恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。由上述分析可見，暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間主要取決于外接電阻R和電容C，不難求出輸出脈沖的寬度為： 通常電阻R取值在幾百歐至幾兆歐范圍內(nèi)，電容取值在幾百皮法至幾百微法，所以對應(yīng)范圍可以在幾微秒到幾分鐘。3、構(gòu)成施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器有一個最重要的特點，就是能夠把變化非常緩慢的輸入脈沖波行整形成為適合數(shù)字電路需要的矩形脈沖，而且由于具有滯回特性，所以抗干擾能力也很強。施密特觸發(fā)器在脈沖的產(chǎn)生和整形電路中應(yīng)用很廣。用555定時器構(gòu)成施密特觸

32、發(fā)器電路和電路工作波形如圖2.1.5所示： (a)施密特觸發(fā)電路 （b）電路工作波形圖2.1.5 施密特觸發(fā)電路和工作波形圖中端接0.01F電容，起濾波作用，以提高比較器參考電壓的穩(wěn)定性。清0端接高電平。將兩比較器輸入端和連在一起，作為施密特觸發(fā)器的輸入端。其工作波形如圖所示。當(dāng)時，對于比較器，由于，因此比較器輸出為高電平；對于比較器，由于，因此，比較器輸出為低電平。這樣使基本觸發(fā)器與非門輸出為低電平，輸出為高電平。當(dāng)時，對于比較器和，都存在的關(guān)系，所以為高電平，輸出為高電平，狀態(tài)保持不變。當(dāng)時，對于比較器，由于，所以輸出為低電平；對于比較器，由于,所以輸出為高電平。這樣使輸出，狀態(tài)發(fā)生一次翻

33、轉(zhuǎn)。由最大值逐步下降，當(dāng)下降至?xí)r，比較器輸出為低電平，使輸出，狀態(tài)又發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)。由圖可見，該電路可以完成波形變換等功能，其上限觸發(fā)電平為： 下限觸發(fā)電平為： 回差為： 本次設(shè)計的水位指示器主要應(yīng)用的是555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器。第二節(jié) 電壓比較器的簡介與應(yīng)用一、 電壓比較器的基本介紹電壓比較器簡稱比較器，是一種常用的集成電路，其基本功能是對兩個輸入電壓進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出低電平或者高電平電壓，由此來判斷輸入信號的大小和極性。電壓比較器可用于報警器電路、自動控制電路、測量技術(shù)，也可用于V/F變換電路、A/D變換電路、高速采樣電路、電源電壓監(jiān)測電路、振蕩器及壓控振蕩器電路、過零檢測電路

34、等諸多場合。電壓比較器通常由集成運放構(gòu)成，與普通運放電路不同的是，比較器中的集成運放大多處于開環(huán)或正反饋的狀態(tài)。只要在兩個輸入端加上一個很小的信號，運放就會進入非線性區(qū)，屬于集成運放的非線性應(yīng)用范圍。在分析電壓比較器時，虛斷路原則仍成立，虛短及虛地等概念僅在判斷臨界情況的時候才適應(yīng)。 二、電壓比較器的典型應(yīng)用 1、零電平比較器(過零比較器)電壓比較器是將一個模擬輸入信號與一個固定的參考電壓進行比較和鑒別的電路。 參考電壓為零的比較器稱為零電平比較器。按輸入方式的不同可分為反相輸入和同相輸入兩種零電位比較器，如圖2.2.1(a)、(b)所示：圖2.2.1 過零比較器  

35、60;   (a)反相輸入；(b)同相輸入通常用閾值電壓和傳輸特性來描述比較器的工作特性。 閾值電壓(又稱門檻電平)是使比較器輸出電壓發(fā)生跳變時的輸入電壓值，簡稱為閾值，用符號表示。 估算閾值主要應(yīng)抓住輸入信號使輸出電壓發(fā)生跳變時的臨界條件。這個臨界條件是集成運放兩個輸入端的電位相等(兩個輸入端的電流也視為零)，即。對于圖2.2.1(a)電路，。傳輸特性是比較器的輸出電壓與輸入電壓在平面直角坐標上的關(guān)系。畫傳輸特性的一般步驟是：先求閾值，再根據(jù)電壓比較器的具體電路，分析在輸入電壓由最低變到最高(正向過程)和輸入電壓由最高到最低(負向過程)兩種情況下，輸出電壓的 變

36、化規(guī)律，然后畫出傳輸特性。 2、任意電平比較器(俘零比較器)將零電平比較器中的接地端改接為一個參考電壓(設(shè)為直流電壓)，由于的大小和極性均可調(diào)整，電路成為任意電平比較器或稱俘零比較器。圖2.2.2 任意電平比較器及傳輸特性(a) 任意電平比較器；(b)傳輸特性電平電壓比較器結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，但它的抗干擾能力差。也就是說，如果輸入信號因干擾在閾值附近 變化時，輸出電壓將在高、低兩個電平之間反復(fù)地跳變，可能使輸出狀態(tài)產(chǎn)生誤動作。為了提高電壓比較器的抗干擾能力，下面介紹有兩個不同閾值的滯回電壓比較器。 圖2.2.3 電平檢測比較器信傳輸特性  (a)電平檢測比較器；(b)傳輸特性3、滯回

37、電壓比較器 滯回比較器又稱施密特觸發(fā)器,遲滯比較器。這種比較器的特點是當(dāng)輸入信號逐漸增大或逐漸減小時，它有兩個閾值，且不相等，其傳輸特性具有“滯回”曲線的形狀。滯回比較器也有反相輸入和同相輸入兩種方式。是某一固定電壓，改變的值能改變閾值及回差大小。38電子 以圖2.2.4(a)所示的反相滯回比較器為例，計算閾值并畫出傳輸特性。 圖2.2.4 滯回比較器及其傳輸特性(a) 反相輸入；(b)同相輸入、正向過程正向過程的閾值為 形成電壓傳輸特性的abcd段。、負向過程負向過程的閾值為形成電壓傳輸特性的defa段。由于它與磁滯回線形狀相似，故稱之為滯回電壓比較器。利用求閾值的臨界條件和疊加原理方法，不

38、難計算出圖2.24(b)所示的同相滯回比較器的兩個閾值： 兩個閾值的差值稱為回差.由上分析可知，改變值可改變回差大小，調(diào)整可改變和，但不影響回差大小。即滯回比較器的傳輸特性將平行右移或左移，滯回曲線寬度不變。 圖2.2.5 比較器的波形變換  (a)輸入波形；(b)輸出波形例如，滯回比較器的傳輸特性和輸入電壓的波形如圖2.2.6(a)、(b)所示。根據(jù)傳輸特性和兩個閾值(2V, =2V)，可畫出輸出電壓的波形，如圖2.2.6(c)所示。從圖(c)可見，在與之間變化，不會引起的跳變。但回差也導(dǎo)致了輸出電壓的滯后現(xiàn)象，使電平鑒別產(chǎn)生誤差。圖2.2.6 說明滯回比較器抗干擾能力強的圖 &#

39、160;  (a)已知傳輸特性；(b)已知波形；   (c)根據(jù)傳輸特性和波形畫出的波形4、窗口電壓比較器電平比較器和滯回比較器有一個共同特點，即單方向變化(正向過程或負向過程)時，只跳變一次。只能檢測一個輸入信號的電平，這種比較器稱為單限比較器。 雙限比較器又稱窗口比較器，它的特點是輸入信號單方向變化(例如從足夠低單調(diào)升高到足夠高)，可使輸出電壓跳變兩次，其傳輸特性如圖2.2.7(b)所示，它形似窗口，稱為窗口比較器。窗口比較器提供了兩個閾值和兩種輸出穩(wěn)定狀態(tài)可用來判斷是否在某兩個電平之間。圖2.2.7 窗口比較器電路及傳輸特性   (a)窗口比較器；

40、(b)傳輸特性第三節(jié) CD4042鎖存器的基本介紹鎖存器是一種在單片微型計算機系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛的邏輯電路元件。它的作用是鎖存數(shù)據(jù)，即當(dāng)鎖存信號起鎖存作用時，數(shù)據(jù)就被鎖住，此后的待輸入數(shù)據(jù)將無法輸入；當(dāng)鎖存信號不起作用時，它相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)緩沖，此時輸出數(shù)據(jù)將隨著輸入數(shù)據(jù)的變化而變化。CD4042B 是一只4D鎖存觸發(fā)器，其內(nèi)部封裝有4個D 觸發(fā)器，每個觸發(fā)器均能在時鐘脈沖的作用下，將輸入的數(shù)據(jù)進行鎖定并傳送到輸出端。即當(dāng)時鐘脈沖的上升沿到來時，將數(shù)據(jù)鎖存;當(dāng)時鐘脈沖的下降沿到來時，將數(shù)據(jù)輸出。為了能夠控制時鐘脈沖的極性，CD4042B 還設(shè)有一個極性控制端CP 。當(dāng)CP 接低電平時，時鐘脈沖的

41、上升沿起鎖存作用，下降沿起傳輸作用;當(dāng)CP 接高電平時，作用正好相反。圖2.3.1為鐘控D觸發(fā)器電路圖。當(dāng)CP=0時，=1，=1,由基本觸發(fā)器的功能可知，觸發(fā)器的狀態(tài)Q維持不變。當(dāng)CP=1時，D觸發(fā)器的下一狀態(tài)始終和D輸入一致，起鎖存功能。 表2.3.1 D觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表D0101圖2.3.1 鐘控D觸發(fā)器電路圖 本次設(shè)計采用的是四D鎖存器CD4042，它是由芯片內(nèi)部的4個D觸發(fā)器構(gòu)成的元件。CD4042的引腳如圖2.3.2所示。圖2.3.2 CD4042的引腳圖表2.3.2 四D鎖存器CD4042的功能表輸 入輸 出 ×鎖存 ×鎖存第四節(jié) 水位指示LED的基本介紹發(fā)

42、光二極管簡稱為LED。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。 發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為PN結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從

43、而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關(guān)。 發(fā)光二極管的兩根引線中較長的一根為正極，應(yīng)接電源正極。有的發(fā)光二極管的兩根引線一樣長，但管殼上有一凸起的小舌，靠近小舌的引線是正極。 與小白熾燈泡和氖燈相比，發(fā)光二極管的特點是：工作電壓很低；工作電流很?。豢箾_擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長；通過調(diào)制通過的電流強弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強弱。由于有這些特點，發(fā)光二極管在一些

44、光電控制設(shè)備中用作光源，在許多電子設(shè)備中用作信號顯示器。 發(fā)光二極管有共陰極和共陽極兩種接法。對于共陰極的顯示器，某一段接高電平時發(fā)光；對于共陽極的顯示器，某一段接低電平時發(fā)光。本次水位指示采用的是共陽極接法。第三章 Multisim仿真軟件第一節(jié) Multisim的基本簡介一、Multisim的概述Multisim是一種專門用于電子電路仿真和設(shè)計的EDA工具系統(tǒng)，屬于Electronics workbench系列軟件的高版本。Electronics workbench（簡稱EWB）由加拿大Interactive Image Technologies公司（簡稱IIT公司）于1988年推出。II

45、T公司從EWB6.0版本開始，將電路圖輸入仿真與設(shè)計的模塊更名為Multisim。Multisim2001是加拿大Interactive Image Technologies公司于2001年推出的最新版Electronic Work benchf（縮寫EWB)最具有特色的電路輸入/仿真模塊(另一模塊是UhiboardPCB設(shè)計模塊、)；Multisim2001具有很好的用戶界面，虛擬儀器齊全，包括示波器、萬用表、功率計、函數(shù)發(fā)生器、掃頻儀、失真度分析儀、頻譜分析儀、邏輯分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等等；能進行多種仿真分析：DC分析、AC分析、瞬分析、傅立葉分析、噪聲分析、失真度分析、靈敏度分析、參數(shù)掃描

46、分析、最壞發(fā)問分析、Monte Carlo分析、溫度掃描分析、零極點分析、轉(zhuǎn)換參數(shù)分析等l6種非常適宜模擬電子技術(shù)教學(xué)中的演示教學(xué)。和舊版EWB4.0和EWB5.0相比較，Mulitism2001有很大改進。為用戶提供元器件模型的擴充和技術(shù)支持。二、Multisim軟件的特點EWB提供交互式的SPICE電路模擬，這種方式既可增強SPICE的功能，也可發(fā)揮方便實用的人機形界面；EWB具有完整的混合模擬與數(shù)字信號模擬的功能，可任意地在系統(tǒng)中集成數(shù)字及模擬元件。EWB會自動地進行信號轉(zhuǎn)換。在輸出信號的觀察上，EWB具備即時波形顯示功能；EWB具有下拉式電路編輯功能表，可使電路元件的輸入更為簡易快速；

47、EWB具有虛擬的儀表設(shè)備，包括波形函數(shù)產(chǎn)生器、萬用表、示波器及邏輯分析儀等，可更具體的模擬實際的情況；EWB主要用于電路的設(shè)計與仿真，在數(shù)字電路課程、物理實驗、放大電路、電路分析、模擬電路、數(shù)字邏輯電路教學(xué)、電子技術(shù)及電路設(shè)計過程等中也得到廣泛運用。Multisim在保留了EWB原有優(yōu)點的基礎(chǔ)上，大大擴充了元件庫中電路元件的數(shù)目，增強了軟件的仿真測試和分析功能，可實現(xiàn)模擬/數(shù)字電路的Spice仿真、VHDL/Verilog設(shè)計與仿真、RF電路仿真等。Multisim軟件具有以下一些特點：（1）最突出的是軟件中提供各種虛擬儀器。其控制面板外形和操作方式都與實物相似，可實現(xiàn)虛擬實驗；（2）軟件帶有

48、豐富的電路元件庫，并提供多種電路分析方法；（3）可采用直觀的電路圖輸入方式。繪制電路圖需要的元器件、電路仿真需要的測試儀器均可直接從運行的窗口上選??；（4）操作方便、易學(xué)易用，很適合電子類課程的教學(xué)和實驗。三、Multisim的結(jié)構(gòu)Multisim2001由五部分組成：輸入模塊、器件模塊處理模塊、分析模塊、虛擬儀器模塊、后續(xù)處理模塊。各模塊的功能如下：輸入模塊：用戶以圖形方式輸入電路圖。器件模塊處理模塊：Multisim2001提供了豐富的元件，并可對元件屬性進行編輯，還可以創(chuàng)造新元件。分析模塊：Multisim2001的分析方法比較豐富，共有18種分析方法。除具有Spice基本分析方法外，還

49、有些獨有的功能，例如零極點分析。虛擬儀器模塊：是Multisim2001最有特色的部分。與EWB相比，它種類更多，使用操作更方便。后續(xù)處理模塊：可進行電路分析結(jié)果的后續(xù)處理，包括與多種軟件的轉(zhuǎn)換。其中分析模塊與虛擬儀器模塊構(gòu)成了強大的分析與仿真功能。四、Multisim的基本界面Multisim的基本界面如圖3.1.1所示，主要由菜單欄、標準工具欄、仿真開關(guān)、圖形注釋工具欄、元件工具欄、虛擬工具欄、一起工具欄和電路窗口等組成。圖 3.1.1 Multisim的基本界面1、 菜單欄與所有的Windows應(yīng)用軟件類型，菜單欄提供了Multisim的幾乎所有的操作功能命令。Multisim菜單欄包含

50、了11個主菜單，如圖3.1.2所示，在每個主菜單下都有一個下拉菜單，可以從中找到各項操作功能的命令。圖3.1.2 菜單欄2、標準工具欄標準工具欄如圖3.1.3所示，包括常用的系統(tǒng)工具欄和設(shè)計工具欄。常用的系統(tǒng)工具欄如圖3.1.4所示，從左到右依次為文件的新建、打開、保存、剪切、復(fù)制、粘貼、打印、放大、縮小、100%放大和全屏顯示。圖3.1.3 標準工具欄圖3.1.4 系統(tǒng)工具欄設(shè)計工具欄是Multisim的重要部分，用于進行電路的建立、仿真、分析并最終輸出設(shè)計數(shù)據(jù)。雖然菜單欄也可以執(zhí)行這些設(shè)計功能，但使用設(shè)計工具欄更加的方便、快捷。圖3.1.5為設(shè)計工具欄。圖3.1.5 設(shè)計工具欄設(shè)計工具欄中

51、從左到右各按鈕的功能分別為： 項目欄按鈕：顯示工程文件管理窗口。 電路原件屬性窗口按鈕：顯示當(dāng)前電路窗口中所有元件屬性的統(tǒng)計窗口，可通過該窗口改變部分或全部元件的某一屬性。 元件庫管理按鈕：顯示元件數(shù)據(jù)庫管理窗口。 仿真按鈕：啟動、停止或暫停電路仿真。 分析圖表按鈕：顯示分析后的圖表結(jié)果。 分析按鈕：選擇要進行的仿真分析方法。 后處理器按鈕：顯示后處理窗口，對仿真結(jié)果進一步操作。 使用的元件列表：通過下拉菜單顯示當(dāng)前電路窗口所使用的元件，可以選中某一元件重復(fù)調(diào)用該元件到當(dāng)前電路文件。 此外，Multisim界面中還包括了虛擬元器件和虛擬儀器表等工具欄。第二節(jié) Multisim仿真軟件繪制電路圖

52、一、對元件的操作1、創(chuàng)建元件對于元件庫中沒有的元件，可以根據(jù)已知的模型參數(shù)進行創(chuàng)建。創(chuàng)建后的元件只能存在User數(shù)據(jù)庫中。創(chuàng)建元件，選擇Tools/Create Component命令，程序會自動引導(dǎo)創(chuàng)建元件，即出現(xiàn)Create Component Wizard對話框。下面以晶體管9013為例說明創(chuàng)建過程。（1）輸入元件的基本屬性，如圖3.2.1所示。其中在Component Name文本框鍵入元件名；在Component Type下拉列表框選擇元件類型。（2）在如圖3.2.2對話框中設(shè)置元件的封裝參數(shù)。 圖3.2.1 圖3.2.2（3）在如圖3.2.3所示的對話框中編輯元件的符號。（4）在如圖3.2.4所示的對話框中編輯元件封裝形式中引腳名稱與編號的對應(yīng)關(guān)系。 圖3.2.3 圖3.2.4（5）編輯元件的模型參數(shù)。（6）編輯仿真模型中引腳名稱與編號的對應(yīng)關(guān)系。六步完成之后，單擊Finish按鈕，此元件就添加到元件庫中了。2、對元件賦值如需要對器件賦值，則用鼠標雙擊器件（例如電容），出現(xiàn)一個賦值對話框，如圖3.2.5所示。然后點擊Edit按鈕，在如圖3.2.6所示對話框中對電容進行賦值即可。 圖3.2.5 圖3.2.63、旋轉(zhuǎn)元件要