水位指示器的设计与仿真.docx

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_ _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。进度计划第四周：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。主要参考文献1邹虹主编.数字电路逻辑设计第一版.人民邮电出版.2008.32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.19863陈大钦主编.模拟电子技术基础.机械工业.2006.14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。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MultisimABSTRACTWater 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。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。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。与,、及、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：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A1A4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。555高性能水位指示器电路中，、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分别向C6C9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B1B4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A1A4 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A1A4 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LED1LED4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A1A4 输出的信号按照"11110111001100010000" 这样的顺序排列并依次输入到CD4042B 的数据输入端D1D4 ，在由CP 端输入的时钟脉冲的控制下，它的输出端Q1Q4 依次输出低电平， LED1LED4 依次发光，指示水位的高低。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，一个基本RS触发器，一个放电晶体管、一个反相器和3个5K电阻组成的分压器构成。两个电压比较器的功能是如果“+”输入端大于“-”输入端电压，即时，则比较器输出端为高电平(=1)，反之输出为低电平（=0）。比较器参考电压，比较器的参考电压。如果的外接端接固定电压，则，。与非门和构成基本触发器。其中输入位置0端，低电平有效。比较器和比较器的输出、为触发信号。三极管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端的输入电压高于时，的输出为1；当2端的输入电压低于时，的输出为0，使基本RS触发器置1，即；。这时定时器输出。图 2.1.1 555定时器电路结构图2.1.2 555定时器引脚图3脚：为输出端,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约13V。4脚：为是复位端，端接低电平时，不论、TH处于何电平，基本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、的参考电压。工作中不使用CO端时，一般都通过一个0.01F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。当输入电压低于时，的输出为1；当输入电压高于时，的输出为0，使基本RS触发器置0，即、。这时定输时器出。7脚：D为放电端。当基本RS触发器的时，放电晶体管导通，外接电容元件通过放电。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，双极型时基电路的X围是4.516V，若为CMOS电路，时基电路的X围为318V;两个比较器、基准电压分别为，555时基电路的功能表如表2.1.1：2.1.1555定时器的功能表清零端高触发端TH（6）低触发端（2）Qn+1放电管功能00导通直接清零10导通置0 11截止置11Qn不变保持二、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，图中接高电平，连接电容，起滤波作用。将三极管输出端(7)通过电阻接到电源，就构成集电极开路门反相器的形式，其输出再通过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（即（6）和（2）为低电平，比较器输出为高电平，比较器的输出为低电平，与非门输出为低电平，电路输出为高电平。由于与非门输出为低电平，使三极管截止，通过电阻（）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，电位不断升高，当时，比较器输出为低电平，使与非门输出高电平，这使电路输出翻转为低电平，电路发生一次自动翻转。与此同时，由于与非门输出高电平，使三极管导通，电容C通过、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，使点位逐步下降。当下降至时，比较器输出为低电平，使得与非门输出低电平，这使电路输出翻转为高电平，电路又一次发生自动翻转。此后，由于与非门输出低电平，三极管截止，电源又通过（）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：在电容C放电时，暂稳态持续时间为：因此，电路输出矩形脉冲的周期为：输出矩形脉冲的占空比: 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：（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：图中接高电平，端作为输入触发端，的下跳沿触发。将三极管的集电极输出端通过电阻R接，构成反相器。反相器输出端接电容C到地。同时和端连接在一起，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，因此对比较器，,所以输出高电平。电源通过店主R对C充电，使电位上升。当充电至大于时，则对比较器就出现，所以比较起输出低电平，使与非门输出高电平，则输出为低电平。同时，与非门输出高电平使导通，电容C通过放电，当放电至小于时，比较器输出为高电平，最后电容C放电至0。这是稳定状态。当输入信号下降沿到达时，这样使得比较器出现，比较器输出低电平，与非门输出高电平，使与非门输出低电平，这样使输出为高电平。电路受触发发生一次翻转。与此同时，由于与非门输出低电平，使截止，则通过R对电容C充电，电路进入暂稳态。由于电容C的充电，使电位逐步上升。当时，比较器出现的输入情况，比较器输出为低电平，这样使与非门输出高电平，电路输出为低电平，又自动发生一次翻转，暂稳态结束。同时，由于与非门输出高电平使三极管导通，电容C很快通过放电至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为：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：(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端接0.01F电容，起滤波作用，以提高比较器参考电压的稳定性。清0端接高电平。将两比较器输入端和连在一起，作为施密特触发器的输入端。其工作波形如图所示。当时，对于比较器，由于，因此比较器输出为高电平；对于比较器，由于，因此，比较器输出为低电平。这样使基本触发器与非门输出为低电平，输出为高电平。当时，对于比较器和，都存在的关系，所以为高电平，输出为高电平，状态保持不变。当时，对于比较器，由于，所以输出为低电平；对于比较器，由于,所以输出为高电平。这样使输出，状态发生一次翻转。由最大值逐步下降，当下降至时，比较器输出为低电平，使输出，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：下限触发电平为：回差为：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与一个固定的参考电压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：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。对于图2.2.1(a)电路，。传输特性是比较器的输出电压与输入电压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(设为直流电压)，由于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。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”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。是某一固定电压，改变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、正向过程正向过程的阈值为形成电压传输特性的abcd段。、负向过程负向过程的阈值为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：两个阈值的差值称为回差.由上分析可知，改变值可改变回差大小，调整可改变和，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(2V, =2V)，可画出输出电压的波形，如图2.2.6(c)所示。从图(c)可见，在与之间变化，不会引起的跳变。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。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)已知波形；  (c)根据传输特性和波形画出的波形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，即单方向变化(正向过程或负向过程)时，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(例如从足够低单调升高到足够高)，可使输出电压跳变两次，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是否在某两个电平之间。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，=1，=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D0101图2.3.1 钟控D触发器电路图 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×锁存×锁存第四节水位指示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。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UhiboardPCB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；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