基于Multisim的电网电压异常报警电路设计与仿真

张观山，鲁晓庆，尹义蕾，施国英，宋占华，张传洋，宋月鹏

（1.山东农业大学机械与电子工程学院，山东泰安，271018；2.山东省泰安英雄山中学，山东泰安，271021；3.农业农村部规划设计研究院，北京，100125）

随着计算机和微电子技术的发展，电子设计自动化EDA领域已成为电子技术发展的主体[1]。Multisim是具有丰富仿真分析能力的EDA工具[2]，配置有丰富的信号源、电子元件、仪器仪表，具有速度快、精度高、仿真准确形象等优点[3]。

随着国民经济的快速发展，人们对电力的需求和依赖越来越强，对电能质量提出了更高的要求，而电压质量是反映电能质量的重要指标[4]。电网电压不在正常的范围内将会影响设备寿命，甚至威胁人身安全，因此对电网电压进行实时监测，并对电网电压异常状况进行监测和报警，对保障电网正常运转和居民用电安全具有重要的意义[5]。

本文针对山东农业大学《电子技术综合训练》课程要求，提出了基于Multisim的电网电压异常报警电路的设计与仿真实训项目。学生基于Multisim软件，利用《数字电子技术基础》、《模拟电子技术基础》、《电力电子技术》等理论课程中学习的比较电路、稳压电路、整流电路等知识，完成该项目的设计及仿真。

1 系统概述

本文设置电网交流电压正常工作范围为190V至250V，该电压指单相交流电压有效值。如果电网电压在190~250V范围之内，则不发出报警。如果不在该范围内，则发出报警，且电网电压低于190V或高于250V，电路发出不同的报警声音。工作人员根据报警声音区分电网电压高于250V或低于190V，以便及时采取正确的处理措施。在设计该电路时，仅允许使用交流电源供电，不得使用直流电源供电。为了检验学生综合应用《数字电子技术基础》、《模拟电子技术基础》、《电力电子技术》等基础理论课程进行电路设计的能力，该项目要求不得使用具有编程功能的数字芯片（如单片机、DSP、FPGA等）进行电路设计。

在应用该项目开展实验教学的过程中，采用由简单到复杂的思路逐步完成电网电压异常报警电路的设计，具体按照以下思路完成该项目的设计：

(1)讲解电网电压异常报警电路的总体设计方案和实现思路，明确每一个模块之间的逻辑关系，并向学生演示该电路的仿真运行结果。

(2)讲解和回顾降压电路的实现方法及工作原理，并要求学生使用Multisim软件进行降压电路仿真，并检查仿真结果。

(3)讲解和回顾整流电路的工作原理和仿真注意事项，学生使用Multisim软件对整流电路进行仿真。将降压电路的输出作为整流电路的输入，使用Multisim内置的示波器观察整流电路的输入、输出曲线，并分析仿真结果。

(4)讲解和回顾稳压电路的工作原理，使用Multisim软件进行稳压电路的仿真，将整流电路输出作为稳压电路的输入，使用Multisim内置的示波器观察稳压电路的输入、输出曲线，分析仿真结果。

(5)对采样电路进行仿真，使用采样电路获取上限和下限电压，并使用Multisim内置的电压表测量上限和下限电压。

(6)讲解和回归比较电路的工作原理，使用Multisim对比较电路进行仿真，将比较电路输出连接LED灯，观察比较电路工作运行结果。

(7)讲解和回归报警电路的工作原理，使用Multisim仿真报警电路，并研究报警电路发出不同报警声音的实现方法。

(8)完成整体电路设计，对电路进行整体功能仿真测试，并根据仿真结果对电路进行优化设计。

2 电路设计及仿真

本文根据以上设计要求，提出了电路总体设计方案，并分别从降压电路设计、整流电路设计、稳压电路设计、比较电路设计、报警电路设计等方面提出了电网电压异常报警电路的设计过程。

2.1 总体设计方案

电路整体设计方案如图1所示。该电路由降压电路、整流电路、稳压电路、采样电路、比较电路、报警电路等组成。本文采用降压电路对电网电压进行降压处理，将电网电压降低到整流电路能够处理的电压范围之内。随后，采用整流电路对降压后的交流电压信号进行整流处理，将交流电压整流为直流电压。采用稳压电路将经过整流之后的直流电压信号进行稳压处理，获取波动幅度更小的直流电压信号。通过分压电路对直流电压进行处理，得到上下限交流电压对应的直流电压。采用采样电路采集整流之后的电网电压信号。通过比较电路将采样电压信号与设定的交流电压上限、下限电压对应的直流电压比较，如果该采样电压高于上限电压或低于下限电压，则驱动报警电路发出不同的报警声音。工作人员根据不同的报警声音判断电网电压高于上限电压或低于下限电压，以便于及时采取处理措施。

图1 系统整体设计方案

2.2 降压电路设计

降压电路以变压器为核心电路元件进行设计，实现对电网交流电压的降压处理。本文所选择的变压器的匝数比为10:1，根据变压器电压比计算公式，通过该降压电路可将电网电压降低10倍。在使用Multisim对降压电路进行仿真设计时，选择使用电源模块AC_POWER模拟电网电压。在POWER_SOURCE选项中，选中AC_POWER电压源，并设置AC_POWER电压源的交流有效电压，电压频率等参数，即完成该电源模块的调用。图2为降压电路设计及电路输入输出电压对比曲线，降压电路输入、输出对比曲线由Multisim内置的示波器测量获取。由降压电路输入、输出对比曲线得出，本文设计的降压电路能够有效的对电网电压进行降压处理。

图2 降压电路及输入输出对比曲线

2.3 整流电路设计

整流电路为把交流电能转换为直流电能的电路[6]。本设计选用整流二极管组建整流桥构建整流电路。整流二极管选用的型号为MDA990-3，整流电路及整流前后电压信号对比曲线如图3所示。图3中，左图为整流电路Multisim仿真图，右图为整流电路输入、输出对比曲线，右图下半区域曲线为整流电路输入曲线，上半区域为整流电路输出曲线。由图3得出，经过降压处理之后的电网电压负半周曲线被整流到正半周，从而完成了电网电压交流信号的整流处理。

图3 整流电路及输入输出对比曲线

2.4 稳压电路设计

本文以LM317三端可调输出正电压稳压器为核心进行稳压电路设计。LM317是可调节的三端正电压稳压器，其输出电压通过公式(1)计算。

通过设置电阻R2和R3的阻值，设置稳压电路输出5V的直流电压。该直流电压一方面为比较器等数字芯片提供供电电压，另一方面，提供了与电网电压上下限电压对应的直流基准电压。

图4 稳压电路设计图

2.5 比较电路设计

比较电路的功能为实现电网电压与上限电压和下限电压的比较，如果电网电压高于上限电压或者低于下限电压，则向报警电路发送不同的报警信号。本文采用LM393电压比较器为核心进行比较电路的设计，LM393在弱信号检测方面具有较好的性能[7]。

该项目的比较电路使用了两个LM393电压比较器，其中一个电压比较器的正向输入端接电网电压，反向输入端接电网上限电压。当电网电压高于上限电压（即正向输入端高于反向输入端），代表电网电压高于上限，LM393电压比较器输出高电平，并将该信号发送给报警电路，报警电路发出电网电压高于上限的警示音。当电网电压低于上限电压（即正向输入端低于反向输入端），代表电网电压低于上限电压，LM393电压比较器输出低电平，报警电路不工作。另外一个电压比较器的反向输入端接电网电压，正向输入端接电网电压下限电压，当电网电压低于下限电压（即正向输入端高于反向输入端），代表电网电压低于下限，LM393电压比较器输出高电平，报警电路发出电网电压低于下限的警示音。当电网电压高于下限电压（即反向输入端低于正向输入端），代表电网电压高于上限，LM393电压比较器输出低电平，报警器不工作。图5为使用Multisim对LM393电压比较器的典型工作电路进行仿真。

图5 LM393电压比较器仿真电路

2.6 报警电路设计

报警电路为以555定时器为核心设计的多谐振荡器。通过多谐振荡器产生方波驱动蜂鸣器发出报警声音，多谐振荡器产生的方波周期T通过以下公式计算。

本文使用两个由555定时器组成的多谐振荡器实现判断电网电压低于下限或者高于上限。通过设置两个多谐振荡器不同的电路参数，使其输出不同周期的方波，并通过输出的不同周期的方波驱动蜂鸣器产生不同的报警声音，进而实现根据声音判断电网电压是否异常，且能够根据报警声音的不同判断电网电压高于上限电压或者低于下限电压。图6为以由555定时器组成的多谐振荡器为核心设计的报警电路。

图6 报警电路设计

3 电路功能测试

本文使用Multisim软件对电网电压异常报警电路进行了功能仿真测试，将电网电压下限设置为190V，上限设置为250V。通过设置AC_POWER电压源不同的电压值检测电路的工作效果。首先将电网电压设置为150V，启动运行仿真电路，报警电路发出报警声音，该报警声音提示电网电压低于下限电压。随后，将电网电压设置为220V，启动运行仿真，报警电路未发出报警声音，说明电网电压在正常的工作范围之内。最后，将电网电压设置为300V，启动仿真运行，此时，报警电路发出报警声音，且该报警声音与电网电压设置为150V时发出的报警声音不同，说明此时的电网电压高于上限电压。

4 结束语

本文设计了电网异常电压报警电路，该电路能够实现对电网异常电压的监测。当电网电压高于上限或者低于下限，报警电路发出不同的报警声音，从而实现根据报警声音判断电网电压低于下限还是高于上限。仿真结果表明，本文设计的电网电压异常报警电路能够实现对电网电压异常状况的监测。将该项目应用于自动化、电气工程及自动化等专业的综合实践教学，对于培养和提高学生电路分析和设计能力具有重要的意义。