水位指示器的设计与仿真

编 号：____________

审定成绩：____________

毕业设计（论文）

设计（论文）题目:____水位指示器的设计与仿真___ ________

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单位（系别）：___电子信息系__________________ 学生XX：___徐铭鸿___________________ 专业：___电子信息工程______________ 班级：___ 01120802___________________ 学号：___ 0112080217___________________ 指导教师：__冯志宇____________________ 答辩组负责人：______________________

填表时间： 20 年月 XX邮电大学移通学院教务处制

XX邮电大学移通学院毕业设计(论文)任务书

设计(论文)题目水位指示器的设计与仿真

学生XX徐铭鸿系别电子信息系专业电子信息工程班级 01120802 指导教师冯志宇职称讲师联系 教师单位XX邮电大学下任务日期_2012__年__3__月__18_日

主要 研究 内容 、 方 法 和 要 求 进 度 计 划 主 要 参 考 文 献 研究内容和要求： 本文主要介绍基于Multisim的水位指示器的设计与仿真。 了解并掌握555定时器，电压比较器，CD4042锁存器的功能和应用。设计方案确定好以后，再通过Multisim软件进行测试仿真。 研究方法： 理论分析，再用Multisim仿真软件进行仿真。主要是通过参阅图书馆的相关书籍和网上相关信息，收集相关资料，同时在咨询指导老师和自己仔细研究下进行设计、改良，以求做到最好。 第四周：到图书馆借阅相关书籍，在网上查阅资料； 第五周：对所做毕业设计进行总体安排，完成开题报告； 第六周——八周：对资料进行筛选，选出最佳设计方案，画出电路图，并对各个单元模块进行设计与功能分析，选出所需元器件； 第九——第十一周：学习Multisim仿真软件，在Multisim上连接好电路图并调试仿真，确定达到预定效果； 第十二周——第十四周：整合之前的所有资料，完成毕业设计。 [1]邹虹主编.数字电路逻辑设计第一版.人民邮电出版.2008.3 [2]中国集成电路大全编委会. 编著.中国集成电路大全—CMOS集成电路.国防工业.1986 [3]陈大钦主编.模拟电子技术基础.机械工业.2006.1 [4]郝波主编.数字电路.第一版电子工业.2003年8月 指导教师签字：年月日 教研室主任签字：年月日 备注：此任务书由指导教师填写，并于毕业设计(论文)开始前下达给学生。

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摘要

水位指示器的主要任务是保证日常生活和工业生产用水的稳定，经济的运行，减少对水资源的浪费，减轻工作人员的劳动强度。水位指示器的主要功能是使水箱，太阳能热水器等各种蓄水设备中的水位保持在一定的X围内：当水位达到某个规定的水位刻度时，指示灯即会亮起，提醒工作人员，保证水位在一个合理控制的X围内。从实用性和经济性出发，由555定时器、CD4042锁存器和运算放大器构成的水位指示器，可以用于家用太阳能热水器的水位指示，也可用于各种储水设备及水处理设备的水位指示。这种水位指示器采用脉冲的方式为采样电极供电，不仅能大大减少工作电源的消耗，而且可以采用普通金属电极作为水位探测电极而不被很快腐蚀，因此具有很强的实用价值。

本次设计使用的仿真软件为Multisim,Multisim是一种专门用于电子电路仿真和设计的EDA工具软件，属于Electronics workbench（简称EWB）系列软件的高版本。EWB仿真软件是一款很强大的电路设计软件，它为设计者提供各种元件及仪表。Multisim在保留了EWB原有的优点的基础上，大大的扩充了元件库中电路元件的数目，增强了软件仿真测试和分析功能，可实现模拟/数字电路的Spice仿真、VHDL/Verilog设计与仿真、RF电路仿真等。通过Multisim对电路的仿真，可证明此设计能够实现对水位的指示功能。 关键词555 运算放大器 CD4042 水位指示Multisim

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ABSTRACT

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 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.From 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 level 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 simulation 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 ponents 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 Simulation of circuit simulation.Based on the Multisim circuit simulation, proved that the design can realize the water level indication function.

【Key words】555OperationalamplifierCD4042Water level indicator Multisim

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目录

前言1

第一章水位指示器的电路设计2 第一节水位指示器设计的目的与意义2 第二节水位指示器的电路设计2 一、水位指示器的设计思路2 二、电路设计及电路工作原理分析3 第二章主要元器件的介绍6

第一节 555定时器的简介与应用6 一、555定时器的基本介绍6 二、555定时器的典型应用8 第二节电压比较器的简介与应用13 一、电压比较器的基本介绍13 二、电压比较器的典型应用13 第三节 CD4042锁存器的基本介绍19 第四节水位指示LED的基本介绍21 第三章 Multisim仿真软件22 第一节 Multisim的基本简介22 一、Multisim的概述22 二、Multisim软件的特点22 三、Multisim的结构23 四、Multisim的基本界面24

第二节 Multisim仿真软件绘制电路图25 一、对元件的操作25 二、绘图的基本操作28 第四章电路仿真30

第一节电路模块的仿真验证30

一、555构成多谐振荡器的仿真验证30

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二、电压比较器的验证31 三、CD4042锁存器的验证33 第二节总电路的仿真34 结论36 致谢37 参考文献38 附录39

一、英文原文39 二、英文翻译41

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前言

随着计算机和现代通信技术的飞速发展，水位报警器已经从原来的普通型发展到现在的智能化，而水位报警器的功能也逐渐趋向于完美，而水位报警器的许多相关理论与技术仍在不断的发展。水位报警器在工业控制及民用家电等领域得到广发应用，如蓄水池水位控制系统、太阳能热水器系统等。

本次做的水位指示器装置，在现在这个节约能源，使用太阳能热水器的家庭里有非常好的用途。如今我国大部分住宅小区为了节约电源，都会在屋顶装上太阳能热水器来提供热水以满足对生活的供给，由于热水的需求量大，而太阳能热水器的容量不是很大，一般很快就会用完水，需要重新蓄水，以便能及时用上。但在一般情况下，蓄水会花一个小时或者更长的时间。在加水的过程中，还需要人们时刻检查水位情况，以防止水量超过最高水位。人们也不可能一直等到水满为止，而会去做其他的事情。为了解决这个问题，我们设计了555水位指示器，当水位达到某个规定刻度时，指示灯就会亮，提醒人们水位的高低，保证水位在人们预期的X围之类，避免造成不必要的浪费。

与其他的水位报警装置相比，这种水位指示器采用脉冲的方式为采样电极供电，不仅能大大减少工作电源的消耗，对电源的利用率很高，而且可以采用普通金属电极作为水位探测电极而不被很快腐蚀，因此具有很强的实用价值。

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第一章水位指示器的电路设计

第一节水位指示器设计的目的与意义

水是人类赖以生存的宝贵资源，节约用水已经成为人类的共识。因此，对水位的控制及指示具有十分重要的意义。在人们的日常生活或者工业生产用水中，经常会用到水箱里面的水，如果水箱之类的盛水容器能够保持在一定的X围内，并能较为准确的显示出当前容器中的水位，对于我们的生活将会带来很大的方便。

目前，555定时器构成的脉冲振荡器在工业生产和日常日常生活中有着越来越广泛的应用，各种各样的产品层出不穷，555高性能水位指示器作为555脉冲振荡器理论的实际应用的例子，其设计具有一定的代表性。

为了加强对电子技术理论与系统、信号的学习与应用，掌握555定时器电路的应用，培养我们综合设计系统电路及设计电路模块的思想能力，加强我们的的实际动手能力，提高综合应用能力水平，本文有如下目的及意义：

1. 通过查阅相关资料可以了解当前水位指示器技术及产品发展状况。 2. 培养自身将所学知识与现实相结合的能力。

3. 水位指示器，它的作用是观测和控制容器内水的容量，使水量保持在人

们预期合理的X围内。

4. 对水位指示器的研究，有利于满足人们日益增长的物质需求，通过将科

学技术应用到水位控制上从而使得人们能够真正的体会到科技发展带给人们的方便和舒适。

第二节水位指示器的电路设计

一、水位指示器的设计思路

由555构成的水位指示器，可以用于家用太阳能热水器的水位指示，也可用于各种储水设备及水处理设备的水位指示。这种水位指示器采用脉冲的方式为采

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样电极供电，不仅能大大减少工作电源的消耗，而且可以采用普通金属电极作为水位探测电极而不被很快腐蚀，因此具有很强的实用价值。555高性能水位指示器具体设计思路如图1.1 所示。

图1.1 水位指示器设计图

二、电路设计及电路工作原理分析

根据电路设计的思路分析，可以用555构成的多谐振荡器，电压比较器，CD4042锁存器和发光二极管来构成水位指示器的电路。水位指示器的电路如图1.2所示。

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图1.2水位指示器电路

555高性能水位指示器电路由脉冲振荡器、电压比较器和水位指示电路组成。

IC1与R1,R2、C1及VD1、VD2组成一个窄脉冲振荡器。根据脉冲振荡器输出脉冲

周期的计算公式：

t1=0.693R1C1=0.6933.9103101060.6933.91020.027st20.693R2C10.693200103101060.69321.386sTt1t20.0271.3961.413s

它的脉冲占空比约等于0.027/1.386=1/51，可见采用这种脉冲供电方式，电源的利用率是很高的。

运算放大器A1~A4组成4级电压比较器，它的作用是通过检测水位电极与水位接触与否输出信号。将检测信号电压与基准设定电压进行比较，输出水位探测信号。

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555高性能水位指示器电路中，R9、R10将工作电源分压后，取得约1v的参考电压，加至4 个电压比较器的反相输入端，作为与水位探测信号电压的比较参考。4 个水位探测电极B1~ B4分别接到4个电压比较器的同相输人端。当探测电极未与水接触时，由脉冲电源提供的电压通过R5~R8分别向C6~C9充电，当充电电压升高到1v以上时，电压比较器输出高电平。当某一探测电极与水接触后，该电极的电压立即降低，当降到低于1v 时，该电压比较器输出低电平。

如果将水位探测电极B1~B4由低到高依次安装，并规定电压比较器输出高电平时称为\"1\" ，输出低电平时称为\"0\" ，则当无水时， 4 个电压比较器A1~A4 的输出组合为\"1 、1 、1 、1\" 。当向水箱注水时，首先由B1 与水接触， Al 输出低电平。这时电压比较器的输出组合变为\"0 、1 、1 、1\" ……当水满时， 4 个水位探测电极B1~ B4全部与水接触，电压比较器A1~A4 全部输出低电平，它们的输出组合为\"0 、0 、0 、0\"。

555高性能水位指示电路由CD4042与LED1~LED4组成。CD4042B 是一只4D锁存触发器，其内部封装有4 个D 触发器，每个触发器均能在时钟脉冲的作用下，将输入的数据进行锁定并传送到输出端。即当时钟脉冲的上升沿到来时，将数据锁存;当时钟脉冲的下降沿到来时，将数据输出。为了能够控制时钟脉冲的极性，CD4042B还设有一个极性控制端CP 。当CP 接低电平时，时钟脉冲的上升沿起锁存作用，下降沿起传输作用;当CP 接高电平时，作用正好相反。

由水位比较器A1~A4 输出的信号按照\"1111→0111→0011→0001→0000\" 这样的顺序排列并依次输入到CD4042B 的数据输入端D1~D4 ，在由CP 端输入的时钟脉冲的控制下，它的输出端Q1~Q4 依次输出低电平， LED1~LED4 依次发光，指示水位的高低。

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第二章主要元器件的介绍

第一节 555定时器的简介与应用

一、555定时器的基本介绍

555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555 定时器成本低，性能可靠，只需要添加有限的外围元件，就可以极其方便地构成许多实用的电子电路，如：多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等。由于555定时器使用灵活方便，加上性能优良，因而在波形的产生与变换、信号的测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛应用。

图2.1.1是555定时器内部组成框图。它主要由两个高精度电压比较器C1、C2，一个基本RS触发器，一个放电晶体管TD、一个反相器G3和3个5KΩ电阻组成的分压器构成。两个电压比较器的功能是如果“+”输入端v大于“-”输入端电压v，即vv时，则比较器输出端vc为高电平(vc=1)，反之输出vc为低电平（vc=0）。比较器C1参考电压v1(VREF1)23VCC，比较器C2的参考电压v2(VREF2)13VCC。如果v1(VREF1)的外接端vCO接固定电压Vco，则v1(VREF1)VCO，v2(VREF2)12VCO。与非门G1和G2构成基本触发器。其中输入R位置0端，低电平有效。比较器C1和比较器C2的输出vC1、vC2为触发信号。三极管TD是集电极开路输出三极管，为外接电容提供充、放电回路，称为泄放三极管。反相器G3为输出缓冲反相器，起整形和提高带负载能力的作用。

图2.1.2时器的引脚图，各引脚功能如下所述： 1脚：GND电源负端VSS或接地，一般情况下接地。 2脚：为

低电平触发端，也称为触发端输入端，由此输入触发脉冲。当2

端的输入电压高于13VCC时，C2的输出为1；当2端的输入电压低于13VCC时，

Q0。C2的输出为0，使基本RS触发器置1，即Q1；这时定时器输出uO1。

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图2.1.2 555定时器引脚图

3脚：为输出端uO,输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、扬声器、指示灯等。输出高电压低于电源电压VCC约1～3V。

4脚：为R是复位端，R端接低电平时，不论RS触发器直接置“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：为CO为控制电压端。若此端另接外接电压，则可改变内部两个比较器C1、C2的参考电压。工作中不使用CO端时，一般都通过一个0.01μF电容接地，以防旁电路高频干扰。

6脚：为TH高电平触发端，又叫做阈值输入端，由此输入触发脉冲。当输入电压低于23VCC时，C1的输出为1；当输入电压高于23VCC时，C1的输出为0，使基本RS触发器置0，即Q0、Q1。这时定输时器出uO0。

7脚：D为放电端。当基本RS触发器的Q1时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电。555定时器在使用中大多与电容器的充放电有关，为了使充放电能够反复进行，电路特别设计了一个放电端D。

8脚：为外接电源VCC，双极型时基电路VCC的X围是4.5～16V，若为CMOS电路，时基电路VDD的X围为3～18V;

两个比较器C1、C2基准电压分别为23VCC,13VCC，555时基电路的功能表如表2.1.1：

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图 2.1.1 555定时器电路结构

、TH处于何电平，基本

2.1.1555定时器的功能表 清零端RD 高触发端TH（6） 低触发端（2） Qn+1 放电管TD  功能 直接清零 置0 置1 保持 0 1 1 1  2VCC 32VCC 32VCC 30 0 1 Qn 导通 导通 截止 不变 1VCC 31VCC 31VCC 3二、555定时器的典型应用

1、构成多谐振荡器

多谐振荡器是一种自激振荡电路，也称为无稳态触发电路。它没有稳定状态，也不需要外加触发脉冲。当电路接好之后，只要接通电源，在其输出端便可获得矩形脉冲。由于矩形脉冲中除基波外还含有极丰富的高次谐波，故称之为多谐振荡器。

用555定时器构成多谐振荡器的电路如图2.1.3(a)所示，图中R(4)接高电平

VCC，CO(5)连接0.01F电容，起滤波作用。将三极管TD输出端(7)通过电阻R1接

到电源VCC，TD就构成集电极开路门反相器的形式，其输出再通过R2C积分电路反馈至输入，就构成了自激多谐振荡器。

（a）多谐振荡器电路（b）工作波形

图2.1.3 振荡器电路和工作波形

在电路接通电源时，由于电容C还未充电，所以vC（即v1（6）和v2（2））为低电平，比较器C1输出vC1为高电平，比较器C2的输出vC2为低电平，与非

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门G1输出为低电平，电路输出vO为高电平。由于与非门G1输出为低电平，使三极管TD截止，VCC通过电阻（R1R2）对电容C充电，电路进入暂稳态。在暂稳态期间，随着电容C的充电，vC电位不断升高，当vC23VCC时，比较器C1输出vC1为低电平，使与非门G1输出高电平，这使电路输出vO翻转为低电平，电路发生一次自动翻转。

与此同时，由于与非门G1输出高电平，使三极管TD导通，电容C通过R2、

TD放电，电路进入另一暂稳态。在这一暂稳态期间，随着电容C的放电，使vC点位逐步下降。当vC下降至vC≤13VCC时，比较器C2输出vC2为低电平，使得与非门G1输出低电平，这使电路输出vO翻转为高电平，电路又一次发生自动翻转。

此后，由于与非门G1输出低电平，三极管TD截止，电源VCC又通过（R1R2）对电容C充电，重复上述电容C的充电过程，如此反复，形成多谐振荡。其工作波形如图2.1.3（b）所示。

由上述分析，在电容充电时，暂稳态持续时间为：

tW10.7(R1R2)C

在电容C放电时，暂稳态持续时间为：

tW20.7R2C

因此，电路输出矩形脉冲的周期为：

TtW1tW20.7(R1R2)C

输出矩形脉冲的占空比:

qtW1RR2

1TR12R2

2、构成单稳态触发器

单稳态触发器在数字电路中一般用于定时（产生一定宽度的矩形波）、整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）以及延时（把输入信号延时一定时间后输出）等。

单稳态触发器具有三个特点：

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（1）电路有一个稳态和一个暂稳态；

（2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态；

（3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。

用555定时器构成的单稳态触发器如图2.1.4(a)所示：图中R接高

电平VCC，2(2)端作为输入触发端，的下跳沿触发。将TD三极管的集电极输

出端o'(7)通过电阻R接VCC，构成反相器。TD反相器输出端o'(7)接电容C到地。同时o'(7)和1(6)端连接在一起，这样就构成积分型单稳态触发器。其工作波形如图2.1.4(b)所示。

（a）单稳态触发电路（b）工作波形

图2.1.4 单稳触发电路和工作波形

刚开始时，输入信号vVCC，因此对比较器C2，vv,所以输出高电平。电源VCC通过店主R对C充电，使v1(6)电位上升。当v1(6)充电至大于23VCC时，则对比较器C1就出现，vv所以比较起C1输出低电平，使与非门G1输出高电平，则输出vO为低电平。同时，与非门G1输出高电平使TD导通，电容C通过TD放电，当放电至小于23VCC时，比较器C1输出为高电平，最后电容C放电至0。这是稳定状态。

当v输入信号下降沿到达时，v0，这样使得比较器C2出现vv，比

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较器C2输出低电平，与非门C2输出高电平，使与非门G1输出低电平，这样使输出vO为高电平。电路受触发发生一次翻转。

与此同时，由于与非门G1输出低电平，使TD截止，则VCC通过R对电容C充电，电路进入暂稳态。由于电容C的充电，使vC(v1)电位逐步上升。当

vC(v1)23VCC时，比较器C1出现vv的输入情况，比较器C1输出vC1为低电

平，这样使与非门G1输出高电平，电路输出vO为低电平，又自动发生一次翻转，暂稳态结束。同时，由于与非门G1输出高电平使三极管TD导通，电容C很快通过TD放电至0，电路恢复到稳定状态。

由上述分析可见，暂稳态的持续时间主要取决于外接电阻R和电容C，不难求出输出脉冲的宽度tW为：

VCCtWRClnV2VCCCC31.1RC

通常电阻R取值在几百欧至几兆欧X围内，电容取值在几百皮法至几百微法，所以tW对应X围可以在几微秒到几分钟。

3、构成施密特触发器

施密特触发器有一个最重要的特点，就是能够把变化非常缓慢的输入脉冲波行整形成为适合数字电路需要的矩形脉冲，而且由于具有滞回特性，所以抗干扰能力也很强。施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广。

用555定时器构成施密特触发器电路和电路工作波形如图2.1.5所示：

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(a)施密特触发电路（b）电路工作波形

图2.1.5 施密特触发电路和工作波形

图中vCO(5)端接0.01μF电容，起滤波作用，以提高比较器参考电压的稳定性。清0端R(4)接高电平VCC。将两比较器输入端v1(6)和v2(2)连在一起，作为施密特触发器的输入端。其工作波形如图所示。

当v13VCC时，对于比较器C1，由于v1(VREF1)v1(v1)，因此比较器输出

vC1为高电平；对于比较器C2，由于v2(v2)v2(VREF2)，因此，比较器输出vC2

为低电平。这样使基本触发器与非门G1输出为低电平，输出vO为高电平。

当13VCC23VCC时，对于比较器C1和C2，都存在vv的关系，所以vC1为高电平，vC2输出为高电平，状态保持不变。

当v23VCC时，对于比较器C1，由于v1(VREF1)v1(v1)，所以输出vC1为低电平；对于比较器C2，由于v2(v2)v2(VREF2),所以输出vC2为高电平。这样使输出vOVOL，状态发生一次翻转。

v由最大值逐步下降，当v下降至v13VCC时，比较器C2输出vC2为低电平，使输出vOVOH，状态又发生一次翻转。

由图可见，该电路可以完成波形变换等功能，其上限触发电平为：

2VTVCC3

下限触发电平为：

1VTVCC3

回差为：

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1VVCC3

本次设计的水位指示器主要应用的是555定时器构成的多谐振荡器。

第二节电压比较器的简介与应用

一、 电压比较器的基本介绍

电压比较器简称比较器，是一种常用的集成电路，其基本功能是对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出低电平或者高电平电压，由此来判断输入信号的大小和极性。电压比较器可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等诸多场合。

电压比较器通常由集成运放构成，与普通运放电路不同的是，比较器中的集成运放大多处于开环或正反馈的状态。只要在两个输入端加上一个很小的信号，运放就会进入非线性区，属于集成运放的非线性应用X围。在分析电压比较器时，虚断路原则仍成立，虚短及虚地等概念仅在判断临界情况的时候才适应。

二、电压比较器的典型应用

1、零电平比较器(过零比较器)

电压比较器是将一个模拟输入信号ui与一个固定的参考电压uR进行比较和鉴别的电路。参考电压为零的比较器称为零电平比较器。按输入方式的不同可分为反相输入和同相输入两种零电位比较器，如图2.2.1(a)、(b)所示：

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图2.2.1 过零比较器 (a)反相输入；(b)同相输入

通常用阈值电压和传输特性来描述比较器的工作特性。

阈值电压(又称门槛电平)是使比较器输出电压发生跳变时的输入电压值，简称为阈值，用符号UTH表示。估算阈值主要应抓住输入信号使输出电压发生跳变时的临界条件。这个临界条件是集成运放两个输入端的电位相等(两个输入端的电流也视为零)，即UU。对于图2.2.1(a)电路，UUi,U0,UTH0。

传输特性是比较器的输出电压uo与输入电压ui在平面直角坐标上的关系。 画传输特性的一般步骤是：先求阈值，再根据电压比较器的具体电路，分析在输入电压由最低变到最高(正向过程)和输入电压由最高到最低(负向过程)两种情况下，输出电压的变化规律，然后画出传输特性。

2、任意电平比较器(俘零比较器)

将零电平比较器中的接地端改接为一个参考电压UR(设为直流电压)，由于

UR的大小和极性均可调整，电路成为任意电平比较器或称俘零比较器。

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图2.2.2 任意电平比较器及传输特性 (a) 任意电平比较器；(b)传输特性

电平电压比较器结构简单，灵敏度高，但它的抗干扰能力差。也就是说，如果输入信号因干扰在阈值附近变化时，输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变，可能使输出状态产生误动作。为了提高电压比较器的抗干扰能力，下面介绍有两个不同阈值的滞回电压比较器。

图2.2.3 电平检测比较器信传输特性

(a)电平检测比较器；(b)传输特性

3、滞回电压比较器

滞回比较器又称施密特触发器,迟滞比较器。这种比较器的特点是当输入信号ui逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回”

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曲线的形状。滞回比较器也有反相输入和同相输入两种方式。UR是某一固定电压，改变UR的值能改变阈值及回差大小。以图2.2.4(a)所示的反相滞回比较器为例，计算阈值并画出传输特性。

图2.2.4滞回比较器及其传输特性

(a) 反相输入；(b)同相输入

①、正向过程

正向过程的阈值为

形成电压传输特性的abcd段。

②、负向过程

负向过程的阈值为

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形成电压传输特性的defa段。由于它与磁滞回线形状相似，故称之为滞回电压比较器。利用求阈值的临界条件和叠加原理方法，不难计算出图2.24(b)所示的同相滞回比较器的两个阈值：

两个阈值的差值ΔUTHUTH1UTH2称为回差.

由上分析可知，改变R2值可改变回差大小，调整UR可改变UTH1和UTH2，但不影响回差大小。即滞回比较器的传输特性将平行右移或左移，滞回曲线宽度不变。

图2.2.5 比较器的波形变换

(a)输入波形；(b)输出波形

例如，滞回比较器的传输特性和输入电压的波形如图2.2.6(a)、(b)所示。根据传输特性和两个阈值(UTH1＝2V, UTH2=–2V)，可画出输出电压uo的波形，如图2.2.6(c)所示。从图(c)可见，ui在UTH1与UTH2之间变化，不会引起uo的跳变。但回差也导致了输出电压的滞后现象，使电平鉴别产生误差。

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图2.2.6 说明滞回比较器抗干扰能力强的图

(a)已知传输特性；(b)已知ui波形； (c)根据传输特性和ui波形画出的uo波形

4、窗口电压比较器

电平比较器和滞回比较器有一个共同特点，即ui单方向变化(正向过程或负向过程)时，uo只跳变一次。只能检测一个输入信号的电平，这种比较器称为单限比较器。双限比较器又称窗口比较器，它的特点是输入信号单方向变化(例如ui从足够低单调升高到足够高)，可使输出电压uo跳变两次，其传输特性如图2.2.7(b)所示，它形似窗口，称为窗口比较器。窗口比较器提供了两个阈值和两种输出稳定状态可用来判断ui是否在某两个电平之间。

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图2.2.7 窗口比较器电路及传输特性 (a)窗口比较器；(b)传输特性

第三节 CD4042锁存器的基本介绍

锁存器是一种在单片微型计算机系统中应用非常广泛的逻辑电路元件。它的作用是锁存数据，即当锁存信号起锁存作用时，数据就被锁住，此后的待输入数据将无法输入；当锁存信号不起作用时，它相当于一个数据缓冲，此时输出数据将随着输入数据的变化而变化。

CD4042B 是一只4D锁存触发器，其内部封装有4个D 触发器，每个触发器均能在时钟脉冲的作用下，将输入的数据进行锁定并传送到输出端。即当时钟脉冲的上升沿到来时，将数据锁存;当时钟脉冲的下降沿到来时，将数据输出。为了能够控制时钟脉冲的极性，CD4042B 还设有一个极性控制端CP 。当CP 接低电平时，时钟脉冲的上升沿起锁存作用，下降沿起传输作用;当CP 接高电平

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时，作用正好相反。

图2.3.1为钟控D触发器电路图。当CP=0时，SD=1，RD=1,由基本触发器的功能可知，触发器的状态Q维持不变。当CP=1时，D触发器的下一状态始终和D输入一致，起锁存功能。

表2.3.1D触发器状态转移真值表

图2.3.1 钟控D触发器电路图

D 0 1 Qn1 0 1 本次设计采用的是四D锁存器CD4042，它是由芯片内部的4个D触发器构成的元件。CD4042的引脚如图2.3.2所示。

图2.3.2CD4042的引脚图

表2.3.2 四D锁存器CD4042的功能表 输入 输出 CP L ↑ M D Q Q L L H d × d 锁存 d H ↓ d × d 锁存 d H

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第四节水位指示LED的基本介绍

发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。 发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。

与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低；工作电流很小；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。

发光二极管有共阴极和共阳极两种接法。对于共阴极的显示器，某一段接高电平时发光；对于共阳极的显示器，某一段接低电平时发光。本次水位指示采用的是共阳极接法。

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第三章Multisim仿真软件

第一节Multisim的基本简介

一、Multisim的概述

Multisim是一种专门用于电子电路仿真和设计的EDA工具系统，属于Electronics workbench系列软件的高版本。Electronics workbench（简称EWB）由加拿大Interactive Image Technologies公司（简称IIT公司）于1988年推出。IIT公司从EWB6.0版本开始，将电路图输入仿真与设计的模块更名为Multisim。

Multisim2001是加拿大Interactive Image Technologies公司于2001年推出的最新版Electronic Work benchf（缩写EWB)最具有特色的电路输入/仿真模块(另一模块是Uhiboard／PCB设计模块、)；Multisim2001具有很好的用户界面，虚拟仪器齐全，包括示波器、万用表、功率计、函数发生器、扫频仪、失真度分析仪、频谱分析仪、逻辑分析仪和网络分析仪等等；能进行多种仿真分析：DC分析、AC分析、瞬分析、傅立叶分析、噪声分析、失真度分析、灵敏度分析、参数扫描分析、最坏发问分析、Monte Carlo分析、温度扫描分析、零极点分析、转换参数分析等l6种非常适宜模拟电子技术教学中的演示教学。和旧版EWB4.0和EWB5.0相比较，Mulitism2001有很大改进。为用户提供元器件模型的扩充和技术支持。

二、Multisim软件的特点

EWB提供交互式的SPICE电路模拟，这种方式既可增强SPICE的功能，也可发挥方便实用的人机形界面；EWB具有完整的混合模拟与数字信号模拟的功能，可任意地在系统中集成数字及模拟元件。EWB会自动地进行信号转换。在输出信号的观察上，EWB具备即时波形显示功能；EWB具有下拉式电路编辑功能表，可使电路元件的输入更为简易快速；EWB具有虚拟的仪表设备，包括波形函数产生器、万用表、示波器及逻辑分析仪等，可更具体的模拟实际的情况；

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EWB主要用于电路的设计与仿真，在数字电路课程、物理实验、放大电路、电路分析、模拟电路、数字逻辑电路教学、电子技术及电路设计过程等中也得到广泛运用。

Multisim在保留了EWB原有优点的基础上，大大扩充了元件库中电路元件的数目，增强了软件的仿真测试和分析功能，可实现模拟/数字电路的Spice仿真、VHDL/Verilog设计与仿真、RF电路仿真等。

Multisim软件具有以下一些特点：

（1）最突出的是软件中提供各种虚拟仪器。其控制面板外形和操作方式都与实物相似，可实现虚拟实验；

（2）软件带有丰富的电路元件库，并提供多种电路分析方法；

（3）可采用直观的电路图输入方式。绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从运行的窗口上选取；

（4）操作方便、易学易用，很适合电子类课程的教学和实验。

三、Multisim的结构

Multisim2001由五部分组成：输入模块、器件模块处理模块、分析模块、虚拟仪器模块、后续处理模块。

各模块的功能如下：

输入模块：用户以图形方式输入电路图。

器件模块处理模块：Multisim2001提供了丰富的元件，并可对元件属性进行编辑，还可以创造新元件。

分析模块：Multisim2001的分析方法比较丰富，共有18种分析方法。除具有Spice基本分析方法外，还有些独有的功能，例如零极点分析。

虚拟仪器模块：是Multisim2001最有特色的部分。与EWB相比，它种类更多，使用操作更方便。

后续处理模块：可进行电路分析结果的后续处理，包括与多种软件的转换。 其中分析模块与虚拟仪器模块构成了强大的分析与仿真功能。

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四、Multisim的基本界面

Multisim的基本界面如图3.1.1所示，主要由菜单栏、标准工具栏、仿真开关、图形注释工具栏、元件工具栏、虚拟工具栏、一起工具栏和电路窗口等组成。

图3.1.1Multisim的基本界面

1、 菜单栏

与所有的Windows应用软件类型，菜单栏提供了Multisim的几乎所有的操作功能命令。Multisim菜单栏包含了11个主菜单，如图3.1.2所示，在每个主菜单下都有一个下拉菜单，可以从中找到各项操作功能的命令。

图3.1.2菜单栏

2、标准工具栏

标准工具栏如图3.1.3所示，包括常用的系统工具栏和设计工具栏。常用的系统工具栏如图3.1.4所示，从左到右依次为文件的新建、打开、保存、剪切、复制、粘贴、打印、放大、缩小、100%放大和全屏显示。

图3.1.3 标准工具栏

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图3.1.4 系统工具栏

设计工具栏是Multisim的重要部分，用于进行电路的建立、仿真、分析并最终输出设计数据。虽然菜单栏也可以执行这些设计功能，但使用设计工具栏更加的方便、快捷。图3.1.5为设计工具栏。

图3.1.5设计工具栏

设计工具栏中从左到右各按钮的功能分别为： 项目栏按钮：显示工程文件管理窗口。

电路原件属性窗口按钮：显示当前电路窗口中所有元件属性的统计窗口，可通过该窗口改变部分或全部元件的某一属性。 元件库管理按钮：显示元件数据库管理窗口。 仿真按钮：启动、停止或暂停电路仿真。 分析图表按钮：显示分析后的图表结果。 分析按钮：选择要进行的仿真分析方法。

后处理器按钮：显示后处理窗口，对仿真结果进一步操作。

使用的元件列表：通过下拉菜单显示当前电路窗口所使用的元件，可以选中某一元件重复调用该元件到当前电路文件。

此外，Multisim界面中还包括了虚拟元器件和虚拟仪器表等工具栏。

第二节Multisim仿真软件绘制电路图

一、对元件的操作

1、创建元件

对于元件库中没有的元件，可以根据已知的模型参数进行创建。创建后的元件只能存在User数据库中。创建元件，选择Tools/Create ponent…命令，程序会自动引导创建元件，即出现Create ponent Wizard对话框。下面以晶体管9013为

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例说明创建过程。

（1）输入元件的基本属性，如图3.2.1所示。其中在ponent Name文本框键入元件名；在ponent Type下拉列表框选择元件类型。 （2）在如图3.2.2对话框中设置元件的封装参数。

图3.2.1 图3.2.2

（3）在如图3.2.3所示的对话框中编辑元件的符号。

（4）在如图3.2.4所示的对话框中编辑元件封装形式中引脚名称与编号的对应

关系。

图3.2.3 图3.2.4

（5）编辑元件的模型参数。

（6）编辑仿真模型中引脚名称与编号的对应关系。

六步完成之后，单击Finish按钮，此元件就添加到元件库中了。

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2、对元件赋值

如需要对器件赋值，则用鼠标双击器件（例如电容），出现一个赋值对话框，如图3.2.5所示。然后点击Edit按钮，在如图3.2.6所示对话框中对电容进行赋值即可。

图3.2.5 图3.2.6

3、旋转元件

要旋转一个在电路窗口中的元件，即右击元件，弹出如图3.2.7所示的快捷菜单，进行相应操作。

Flip Horizontal（水平翻转）、Flip Vertical（垂直翻转）、90 Clockwise（顺时针转90°）、90 ClockwiseCW（逆时针转90°）。当然也可在选中元件后，选择Edit菜单栏中相应的命令进行操作。

4、替换原件

若替换一个在电路中的元件，首先双击元件，也可选中元件后选择Place｜Replace ponent命令，出现所选元件的对话框，如图3.2.8所示。然后单击Replace按钮，则出现ponent Browser浏览器，选择合适的元件，单击OK即可。

5、移动元件

若移动一个在电路窗口中的元件，首先单击此元件，将元件选中，按住鼠标将元件拖动至合适位置，再释放鼠标，元件就被放置在电路窗口中了。

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图3.2.7 图3.2.8

二、绘图的基本操作

1、 连线

在电路图窗口中，通过连线（Wire）将元件与元件或元件与仪器连接起来。Multisim中没有专门的连线命令，是自动的连线功能。其过程为：将鼠标置于元件的端点处，光标变成一个黑色的点，说明可以连线了。然后拖动鼠标，出现虚线。到达另一端点处单击，则连线完成，松开鼠标即可。

2、改变连线颜色

改变连线颜色，只需将光标移到连线上，右击即弹出快捷菜单，如图3.2.9所示。然后选择Color命令，出现Color设置对话框就可以设置新的颜色了。

图3.2.9 图3.2.10

3、删除、移动连线

首先选中连线，方法是单击连线，处于选中状态的连线如图3.2.10所示。删除连线只需单击Delete键即可。

移动连线则按住鼠标左键，拖动连线至合适位置即可。

4、放置连接点

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在Multisim中，若连线成T型交叉时，会自动出现连接点（Junction）。手动放置连接点，需选择Edit｜Place Junction命令，光标上就出现一个连接点，然后拖动连接点至合适位置，再单击就行了。

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第四章电路仿真

第一节电路模块的仿真验证

一、555构成多谐振荡器的仿真验证

此电路用于产生一个周期性的时钟脉冲。从前面章节1-2-2中我们可以知道，IC与R1,R2、C1及VD1、VD2组成一个窄脉冲振荡器。根据脉冲振荡器输出脉冲周期的计算公式可知，它的脉冲占空比约等于0.027/1.386=1/51。为了能够短时间内看见波形，将C1=10u改成C1500pf。

在Multisim仿真软件中连接好电路图，将时钟脉冲发生电路的输出端接到示波器的A通道端口，如图4.1.1所示。运行电路，然后双击示波器，则出现的波形图如图4.1.2所示。由此555构成的脉冲振荡器功能得到了验证。

图4.1.1555多谐振荡器功能验证图

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图4.1.2555多谐振荡器波形图

二、电压比较器的验证

运算放大器A1~A4 组成4 级电压比较器，它的作用是通过检测水位电极与水位接触与否输出信号。将检测信号电压与基准设定电压进行比较，输出水位探测信号。

在Multisim仿真软件中连接好电路图，将电压比较器的的输出端接到电压表正极端口，将电压表的负极端口接地，如图4.1.3所示。运行电路，将开关A打开的时候，电压比较器的同相端输入高于反相端输入，此时，电压比较器输出高电平，如图4.1.4所示。将开关A闭合时，电压比较器的同相端输入低于反相端输入，此时，电压比较器输出低电平，如图4.1.5所示。

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图4.1.3 电压比较器功能验证

图4.1.4 电压比较器输出高电平

图4.1.5电压比较器输出低电平

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三、CD4042锁存器的验证

在Multisim仿真软件中连接好电路图，当开关B接低电平时，数据不进行锁存，即当开关A接高电平时，X1发光；当开关A接低电平时，X1不发光，如图4.1.6所示。当开关B接高电平时，数据进行锁存，即此时无论开关A接高电平或者低电平，X1的状态都是不变的，如图4.1.7所示。由此证明CD4042锁存器的功能正常。

图4.1.6CD042锁存器功能验证

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图4.1.7CD4042锁存器功能验证

第二节总电路的仿真

总电路的仿真如图4.2.1所示。用开关A和B代表水位的位置，当水位到达A和B所代表的位置时，开关A、B闭合，LED1和LED2都发光，如图4.2.2。

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图4.2.1 总电路仿真

图4.2.2 总电路仿真

由以上验证及仿真可证明，本电路可以实现水位指示的功能。

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结论

本次毕业设计我的题目是水位指示器的设计与仿真，设计的过程还比较顺利。一拿到题目，便对其进行仔细分析研究，并且在老师的指点下，确定了要实现水位指示的主要模块，即脉冲振荡器，电压比较器，以及水位指示电路。之后便是对这几个部分中所用到的芯片的功能进行的具体分析和研究，终于设计出了水位指示器，再对三个部分进行合理配置，以达到题目的要求，连接好电路对每个部分的元器件进行仿真，都能正常工作。这个电路的原理其实也不是很复杂，所以经过仔细的连接调试，整个电路很快的就实现了题目所要求的功能。本次毕业设计的脉冲振荡器用的是555定时器构成的多谐振荡器，555定时器使用方便、灵活，因而被广泛应用。

完成了电路的设计，再对电路图的连接和仿真过程中，我充分的了解了仿真软件Multisim软件。Multisim是一款强大的设计软件，它是EWB仿真软件的最高版本，Multisim在保留了EWB原有优点的基础上，Multisim仿真软件在保留了EWB原有优点的基础上，大大扩充了元件库中电路元件的数目，增强了软件的仿真测试和分析功能，可实现模拟/数字电路的Spice仿真、VHDL/Verilog设计与仿真、RF电路仿真等多种仿真功能。最突出的是软件中提供各种虚拟仪器。其控制面板外形和操作方式都与实物相似，可实现虚拟实验。软件带有丰富的电路元件库，并提供多种电路分析方法。可采用直观的电路图输入方式。绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从运行的窗口上选取。Multisim仿真软件操作起来也方便、易学易用，很适合电子类课程的教学和实验。

在仿真的过程中我也遇到了很多问题，例如在验证555的时候，发现等了很长时间都观察不到波形，经过试验，才发现是电容值过大的原因等等。在解决完这些问题后终于验证出了电路的正确性。

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致谢

利用大四下学期最后这三个月，我顺利的完成了我的毕业设计，在这个过程中我学到了很多东西。首先我要感谢我的导师冯志宇老师，他在我完成论文的过程中，给予了我很大的帮助。在论文开始的初期，我对于论文的结构以及文献选取等方面都有很多问题，而且对于这个课题了解也不是很深入，对于系统的设计我处于茫然之中，而冯老师虽然工作繁忙，却仍然耐心细致的指导我，正是在冯老师的逐步引导启发下，我才一步步顺利完成这个设计项目。设计期间由于自己的理论知识不够牢固，经常出现些问题，也是在冯老师的帮助下，才一一得到解决。

通过这次设计，我加深了对以前所学理论知识的理解，并了解了很多具体的电子电路设计的原理、流程等，初步掌握了如何设计一个数字电路模块。另外通过这次设计，我对Multisim仿真软件有了更加深入的了解，对该软件的设计功能以及分析功能都能熟练运用。

在设计过程中，我不仅更加深刻的了解了专业知识，还在很多程度上锻炼了自己的耐心、细心，因为在用Multisim仿真软件设计、组建、连接、修改电路时，都比较烦琐，很容易出错，一定要足够的细心和耐心才能很好的完成。本次设计还培养了自己的动手能力，我想这种能力是我本次设计的最大收获，不管什么时候，我相信本次设计过程中，我所学到的、所经历的、所感受的都会成为自己将来成功的一个因素，无论是对我未来的生活还是工作，都有极大的帮助，也让我懂得了无论做人还是做事都必须认认真真，决不能马虎。

总的来说，这次设计是比较成功的。虽然其中也出现过很多的问题，很多时候都要花费自己很长的时间和很多的精力才能解决，这其中离不开老师和我同学的帮助和支持，这个过程才是我最难忘的。因此，我要再次衷心地感谢冯老师以及其他帮助我的老师和同学，祝大家工作顺利。

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参考文献

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[9]毛期俭.数字集成电路实验及应用.通信与信息工程学院电路实验中心 [10]康华光.电子技术基础.数字部分（第四版）.高等教育. 2003.3 [11]李亚伯.数字电路与系统..电子工业.1998.6

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Bridge；Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on Volume 33, Issue 4, Dec. 1984 Page(s):247 - 251Digital Object Identifier 10.1109/TIM.1984.4315218

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附录

一、 英文原文

Energy or Solar Enegry

Energy means the power which does work and drives machines. All living things (including humans) rely on the sun as a source of energy. Coal, petroleum, and natural gas are energy sources available today because organisms in the past captured unlight energy and stored it in the plex organic molecules that made up their bodies, which were then pressed and concentrated. With the development of society, alarge of energy sources have been used,such as coal, petroleum, natural gas,geothermal energy, nuclear fission power, nuclear fusion power, solar energy, and Hydrogen gas. however, under the circumstances, the quantity of energy source is limited. unlimited usage of energy source results in energy crisis.

At present, most of the energy consumed by humans is produced from fossi fuels. The greatest recoverable fossil is in the form of coal and lignite. Although world coal resources are enomous and potentially can fill energy needs for a century or two, their utilization is limited by environmental disruption from mining and emissions of carbon dioxide and sulfur dioxide. These would bee intolerable long before coal resources were exhausted. Only a small percentage of coal and lignite has been utilized to date, whereas much of the recoverable petroleum and natural gas has already been consumed. Petroleum has several characteristics that make it superior to coal as a source of energy. Its extraction causes less environmental damage than does coal mining. It is a more concentrated source of energy than coal, and it burns with less pollution, and it can be moved easily through pipes. These characteristics make it an ideal fuel for automobiles.

Since first mercial oil well in 1859, somewhat more than 100 million barrels of oil have been produced in the United States, most of it in recent years. In 1990 world petroleum consumption was at a rate of about 65 million barrels per day. Projected use of petroleum and natural gas indicates rapid depletion. Alaskan oil can help the petroleum supply only temporarily. Peak world petroleum resources production will be reached within a few years.

Since the first \"energy crisis\" of 1973-1974, some concrete actions have even taken place. However, the several-fold increase in crude oil prices since 1973 has extacted a toll. In the U.S. and other industrialized nations, the economy has been plagued by inflation, recession, unemployment, and obsolescence

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of industrial equipment. The economies of some petroleum-deficient developing countries have been devastated by energy prices.

Energy crisis was acpanied by worldwide shortages of some foods and minerals, followed in some cases by surpluses, such as the surplus wheat resulting from increased planting and a copper surplus resulting from the efforts of copper-producing nations to acpuire foreign currency by copper export.

As known to all,the availability and cost of energy has bee dominant factors in society today. Obviously, solving the \"energy crisis\" makes good sense. Many schemes has been proposed for conserving present energy resources and for developing new ones. It is always possible to use less energy in any process. Therefore, energy engineer is created and developed. The first goal of energy engineer is to determine the methods by which energy utilization is reduced but the output remains the same, or even increases.The second goal is to determine which methods of using less energy are cost effective.

Conventional engineering techniques are used to evaluated the mechanisms of energy use. Economic considerations are of equal importance and life cycle cost and saving techniques are used to determine cost-effective measures. The evaluation focuses on those uses which are significant in the overall picture and attempts to determine those technical measures that can reduce usage and save money.

Meanwhile, looking for ideal energy sources is also very important to solve energy crisis. The recipe for an ideal energy source calls for one that is unlimited in supply, widely available, and inexpensive; it should not add to the earth's total heat burden or produce chemical air and water pollutants. Solar energy fulfills all of these criteria. Solar energy does not add excess heat to that which must be radiated from the earth. On a global basis, utilization of only a small fraction of solar energy reaching the earth could provide for all energy needs.

Solar energy is unlimited in supply, but its exploitation and utilization are limited owing to the limitation of technology and conditions. Solar energy utilization needs an enormous amount of land, and there are economic and environmental problems related to the use of even a fraction of this amount of land for solar energy collection. Certainly, many residents of Arizona would not be pleased at having so much of the state devoted to solar collectors, and some environmental groups would protest the resultant shading of rattlesnake habitat. Solar power cells for the direct conversion of sunlight to electricity have been developed and are widely used for energy in space vehicles. With present technology, however, they remain too expensive for large-scale generation of electricity. Therefore, most schemes for the utilization of solar power depend upon the collection of thermal energy, followed by conversion to electrical energy. The simplest such approach involves focusing sunlight on a steam-generating bioler. Parabolic refkectors can be used to focus sunlight on pipes containing heat-transporting fluids. Selective coatings on these pipes can be used so that only a small percentage of incident energy is reradiated from the pipes.

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二、 英文翻译

能源与太阳能

能源就是能够用于工作和驱动机器的能量。所有的生物（包括人类）都是依靠阳光作为能量的来源。煤、石油和天然气都是可以利用的能源，这些能源都是过去的生物体在太阳光能源的作用下生成复杂的存储这些能源有机分子结构经过长时间的压缩集中后生成的。大量的能源已经被使用，如煤炭、石油、天然气、地热资源、核聚变能源、核裂变能源、太阳能和氢气等。然而，在这种情况下，由于许多能够产生能量的资源是不可再生的，大量的使用这些能源可能会引起能源危机。

目前，人类的能源消耗主要体现在燃料资源的消耗上。现在的固体状能源主要是煤炭，目前已知的加上潜藏的煤炭储量最多可使用一到两个世纪，而且煤炭的开采和使用会破坏环境并且产生大量的二氧化碳与二氧化硫。当煤炭资源用尽前这些影响将会越来越恶劣。煤炭在能源的利用方面的比例已经越来越低，而石油和天然气正在被大量的使用着。作为能源，石油比煤炭有更大的优势。其开采地比煤炭更为集中因此对环境的破坏要少，其燃烧产生的污染物要比煤炭少，而且石油可以很容易的通过管道进行运输。同时这些优势使石油成为理想的汽车燃料。

自从1859年第一个商业油田的建成以来，美国已经生产了超过100万桶石油，其中大部分是在最近几年生产的。1990年全世界约消耗了65万桶石油。石油与天然气资源在迅速的消耗着，阿拉斯加出产的石油只能暂时缓解石油的供应危机。世界石油的生产将在几年之内达到最高值。

自从1973～1974年的第一次“能源危机”以来，已经出现了一些具体的措施。然而，自1973年以来，原油的价格已经提高了若干倍。美国和其他工业化国家一直受到通货膨胀、经济衰退、大批的失业和工业设备的过时的困扰。一些石油不足的发展中国家由于能源价格的关系其经济已经遭到破坏。

在能源危机的同时，世界X围内还有一些食品和矿产资源的短缺，其次一些

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物品的生产则出现过剩，如小麦和铜的生产过剩，一些铜生产国将铜以铜币的形式出口。

众所周知，能源的供应和成本已经成为当今社会的一个主要的话题。很显然，解决“能源危机”是非常有意义的。目前已经有许多节约能源和发展新能源的计划被提出来。在任何领域节约能源都是可行的。因而，能源工程师这个职业产生并迅速发展起来。能源工程师的第一个提议是想办法减少能源的消耗同时保证产量不变甚至有所提高，第二个提议是寻找降低能源成本的方法。

传统的工程技术被用来评估能源利用的技术。周期成本与用于节省资金的方法与经济利益同等重要。评价的重点是整个大局中的重要性和减少浪费和使用的资金的方法。

同时，寻找更为理想的能源是非常重要的。解决能源危机的一种理想的能源的要求应该是无限的供应、能够被广泛的使用、价格低廉、而且其使用后不会添加地球的总热量的负担或者不会产生化学空气和水污染物的排放。太阳能满足这些标准，其产生的多余的热量会从地球辐射出去。而且利用照射到地球的一小部分太阳能就能够提供地球所需的能源。

太阳能的供应是无限的，但是由于技术和条件的，其开发和利用是有限的。太阳能的利用需要大量的土地，还有经济和环境方面的要求，而且这一部分土地上太阳能的收集也只能达到一小部分。当然，亚利桑那州的许多居民渴不喜欢国家大力发展太阳能的收集，而且一些环保组织也因为太阳能的收集对响尾蛇的生活习性等产生的影响而太阳能收集装置的实行。

太阳能电池能够将太阳能直接转化为电能，而且已经广泛应用于空间飞行器能源的提供。然而，以目前的技术水平如果应用于大规模发电其代价于昂贵。因此，目前大多数太阳能发电方式仍旧是首先将太阳能转化为热能，然后再将热能转化为电能。这种方式目前最简单的设计是蒸汽发电装置，收集到的太阳能通过管道中的载热气体进行输送。这种管道使用涂层能够使运输过程中的入射能量只有很少部分的流失。

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