大连理工大学电子仿真实验报告

大连理工大学

本科实验报告

课程名称：电子系统仿真实验

学院（系）：电子信息与电气工程学部专业：集成电路设计与集成系统班级：

学号：

学生姓名：

2016年11月28日

温度控制报警电路仿真设计

一、实验目的和要求

1、10KΩ的可调电阻来代替具有正温度系数特性的热敏电阻；

2、当温度正常时，数码管按“0-1-2-3-4-5”的顺序循环显示；

3、当温度超过设定值时，即可调电阻比例超过50%，数码管按

“0-1-2-3-4-5-6-7”的顺序循环显示，同时红色发光二极管点亮；

4、由555振荡电路向计数电路提供计数时钟脉冲信号，555定时器和RC组

成的多谐振荡器产生频率f约为1HZ的脉冲信号。

5、由运算放大器LM741设计成单门限电压比较器，运放采用双电源供电，

电源电压为±12V，门限电压为6V。

二、实验原理和内容

1、本实验由555振荡器、计数电路、译码显示电路和温度控制电路组成的温度控制数显报警电路的原理框图，如图1所示。其中，温度控制电路是本电路的核心。图中，555振荡器电路用以向计数电路提供计数时钟脉冲信号；温度控制电路用以向计数电路提供计数控制信号；当温度正常时，计数电路按设定的要求计数，并通过译码显示电路在数码管上显示；当温度超过设定值时，温度控制电路给出的控制信号，使计数电路按设计要求进行报警状态下的计数，并点亮红色发光二极管进行报警。由此可见，整个计数、译码显示电路的主要控制信号均来自温度控制电路。温度的改变使温度控制电路提供两个不同的控制信号，并使计数、译码显示电路显示相应的数码。

图1 温度控制数显报警电路的原理框图

2、单元电路设计

1）555振荡电路

555振荡电路由555定时器和RC组成的多谐振荡器其构成，产生频率f约为1HZ的脉冲信号。连接图如图2所示。

图2 555定时器和RC组成的多谐振荡器连接图

555第3脚输出的方波的周期 T=0.7*（R1+2R2）C；

方波频率 F=1/T；

占空比q=(R1+R2)/(R1+2R2)。

根据设计要求，T≈1s、f≈1Hz。

根据式子T=0.7*（R1+2R2）*C1、F=1/T

取C1=47uf，取R1=10KΩ，则有R2=10KΩ。

2）计数、译码显示电路

译码显示电路采用CD4511通过限流电阻连接数码管构成。CD4511必须工作在计数和消隐两种状态下。CD4511的BI端接低电平时消隐，接高电平时正常；LT端接低电平时输出显示“8”，接高电平时计数；EL端接高电平时锁存信号，接低电平时计数。

由于数码管是按加1计数的顺序进行显示，因此在译码显示电路前应有计数电路控制。本实验采用由双BCD加法计数器CD4518组成计数电路。CD4518计数器的功能见表1。CD4518工作在加计数状态时，CP端接时钟脉冲，EN端应接高电平，CR端应接低电平。CD4518可以通过输出的反馈置高电平给CR端实现清零。

表1 CD4518计数器功能表

3）温度控制电路

温度控制电路的主要功能是用温度的变化来控制电路的输出变化，给计数、译码电路提供状态变化的控制信号。本实验采用10KΩ的可调电阻来代替具有正温度系数特性的热敏电阻，温度升高，电阻阻值增大。随着温度的变化，温度控制报警电路工作在两种状态下，要实现两种状态在无触点环境下的切换，最理想的元件是继电器。此电路采用直流型的继电器，通过晶体管的开关作用在其输入端加上一定的控制信号，控制输出端的“通”与“断”，同时需注意“常开”和“常闭”两种继电器的使用。通过调节可调电阻来代替温度的改变，必会有一个电压量的输出，将此电压量与设定电压值经电压比较器比较可以输出电平，以驱动晶体管的导通与截止，从而控制继电器的通断，完成整个电路的状态的转换。

假定电压的设定值为6V，采用12V的电源，因此电源经过两个电阻分压，给单门限电压电压比较器的反相输入端加上6V的电压，经计算得6V的电压需要的电阻为5KΩ和5 KΩ。可调电阻的分压端接在电压比较器的同相输入端。电压比较器的输出端接晶体管的基极，以驱动晶体管的导通和截止。晶体管的集电极接在继电器的输入端，晶体管的导通和截止直接控制继电器输出端的通与断。继电器的输出端接向计数、译码显示电路的控制信号端，以最终实现不同状态的

转换。

三、主要仪器设备

表2 主要仪器设备

四、实验步骤及操作方法

1、绘制好的电路图

实验电路图如图3所示。

图3 温度控制报警电路图

2、元器件表

元器件表如表3所示

表3 元器件表

五、实验数据记录与操作方法

1、检测时钟信号（555多谐振荡器）

根据设计要求，T≈1s、f≈1Hz。

取C1=47uf，取R1=10KΩ，则有R2=10KΩ。

运行仿真，观测如图4所示仿真检测波形及数据，可知多谐振荡器出的矩形波的周期T=1.009s，设计电路基本符合设计要求。另外由式子

q=(R1+R2)/(R1+2R2)

可以知道实验电路输出矩形脉冲的脉冲比q约为1/3。

图4仿真检测输出信号波形和数据

2、计数译码显示电路进行仿真

⑴温度控制电路在三种不同温度范围内，向计数译码显示电路提供三个不同的信号，分别仿真三种情况下CD4518的计数逻辑功能是否正常。

当温度在规定范围内，观测如图5所示仿真检测波形及数据，可以看到在一个计数周期中，CD4518输出的数码从0000开始，最后一个循环状态所对应的数码是：0101，符合当温度正常时，数码管按“0-1-2-3-4-5”的顺序循环显示的设计要求。

图5 温度在规定范围内CD4518计数模式仿真波形

当温度超过设定值时，即可调电阻比例超过50%，观测如图6示仿真检测波形及数据，可以看到在一个计数周期中，CD4518输出的数码从0000开始，最后一个循环状态所对应的数码是：0111，所以从仿真波形可以看到符合当温度继续

上升到一定值时，即可调电阻比例超过50%，数码管按“0-1-2-3-4-5-6-7的顺序循环显示的设计要求。

图6 温度在超过规定范围内CD4518计数模式仿真波形

(2)七段数码译码显示驱动器4511逻辑功能仿真测试

数字信号发生器面板参数设置如图7所示，逻辑分析仪面板及仿真测试波形如图8所示。

图7信号发生器面板相关参数设置

图8 CD4511逻辑分析仪面板及仿真测试波形由输出的波形可以看出，当输入CD4511的信号为0-9的BCD码时，输出的波形与七段数码管显示0-9所对应的输入信号一致，CD4511芯片满足该实验设计的使用。

3、温度控制电路仿真

(1)对单门限电压比较器特性进行仿真

调节信号源，使输出频率为100hz，振幅为12V的正弦波信号，并输入至电压比较器的同相端，用示波器观察比较器的输入与输出波形如图9所示。

图9 比较器的输入与输出波形

通过改变发生器的输出电压的幅值，通过示波器的变化可以知道电压传输曲线如图10所示。

图10 电压比较器电压传输曲线

当输入电压大于6V时，由于集成运放的输出电压为+Uom，使稳压管D2工作在稳压状态（两只稳压管的稳定电压均小于集成运放的最大输出电压Uom），所以输出电压Uo=Uz；当输入电压小于6V时，由于集成运放的输出电压Uo=-Uom，使稳压管D1工作在稳压状态，锁死输出电压Uo=-Uz。

（2）继电器控制信号转换调试仿真

①当温度在规定范围内，相当于可调电阻比例小时，U2同相端电压较低，使V+

图11 温度在规定范围内温度控制电路仿真现象

②当温度超过标定值时，即电位器比例超过50％，此时U2的电压V+>V-=6V （同相端电压高于反相端），比较器翻转，输出高电平，晶体管Q1有基极电流，集体管饱和导通，“常闭”继电器K1有电流通过，常闭点断开，而“常开”继电器K2有电流通过时常开点吸合。K2将计数电路最高位的信号经继电器K2接计数器的复位端，实现按“0-1-2-3-4-5-6-7”的顺序循环显示，同时接在Q1基极与地之间的红色发光二极管点亮。温度控制电路仿真效果如图12所示。

图12 温度超过标定值时温度控制电路仿真现象

六、实验结果与分析

根据仿真结果以及杀伤分析，当系统运行时，温度正常时，数码管按“0-1-2-3-4-5”的顺序循环显示，当温度超过设定值时，即可调电阻比例超过50%，数码管按“0-1-2-3-4-5-6-7”的顺序循环显示，同时红色发光二极管点亮。系统仿真现象与设计要求相符，并且555振荡电路经示波器调试产生0.991Hz 的脉冲信号，在误差允许的范围内相符。单限比较器的门限电压为6V，满足设计要求。

所以，仿真结果符合设计要求。