五 电压超限指示和报警电路的设计
一、目的
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。
二、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4.5V＜uI＜5.5V时，为正常范围。否则
uI＞5.5V或uI＜4.5V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。
三、设计方案提示
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＞uI＞UL时，输出为低电平，而当
uI＞UH或
uI＜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。
图5-1 窗口比较器的传输特性 图5-2 电压超限指示和报警电路框图
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5-2为这种电路的框图。图5-3是一个电压超限指示和报警电路的参考电路。
四、参考电路简要说明
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＜uI＜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。
（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uI＜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响。
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：
f1?10.7(R1?2R2)C1
若第一片振荡器的振荡频率f1=6Hz，取C1=10μf，R1=1KΩ，则由上式计算出R2≈11.4 KΩ，取R2=10 KΩ。
第一片555的输出电压uo1加到第二片555的异步置零端（4脚），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uo2，产生断续报警信号，其波形如图5-4所示。
图5-4 断续声音报警波形图
第二片555振荡器的C2′=0.2μf，R1′′=0.5KΩ，R2′=8KΩ， 根据式
f1?10.7(R1?2R2)C1，可计算出其振荡频率f2为：
f2?10.7(R1?2R2)C2???0.433KHz
实验中，集成运算放大器使用±12V电源，所有的门电路和定时器（555或556）都使用CMOS器件。若使用TTL器件（Vcc=+5V）要进行电平转换和匹配，或集成运算放大器的输出加稳压管限幅电路。
电压超限指示和报警电路
