实验题目：谐振过电压检测报警电路的设计与实现

1. 课程简要信息

课程名称：电路开放实验
课程学时：8学时
项目学时：课内 2学时，课外6学时
适用专业：电气、自动化、计算机、微电子、电子等电类专业
学生年级：本科二年级第一学期

2. 实验内容与任务（限 500 字，可与“实验过程及要求”合并）

实验内容：

在完成“动态电路的暂态响应”电路基础实验后，设计一套谐振过电压检测报警电路。

基本任务：

1）了解电力系统过电压的类型；
2）学习串联谐振过电压的成因及预防办法；
3）选择元件参数，设计能产生串联谐振过电压的电路；
4）根据串联谐振特征设计一套简易的串联谐振过电压检测报警电路；
4）用仿真软件搭建电路，分析设计方案的可行性；
5）实际搭建电路，实现RLC串联电路谐振报警功能。

提高任务：

1）通过指示灯提示电路工作状态；
2）当电路出现谐振过电压时，显示电路过电压百分比。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

以小组为单位（两人一组），根据实验任务书的要求，完成本次实验任务，最终以答辩方式结题。

1）自主学习：

1）查阅资料，了解电力系统过电压的工程背景；
2）掌握RLC 串联电路发生谐振的条件及计算方法；
3）搭建用于后续测试的能产生串联谐振过电压的 RLC 串联电路；
4）学习电路发生谐振过电压的判断方法，根据判断结果设计报警电路；
5）学习Multisim仿真软件，对设计电路进行仿真；
6）实验室全程开放，根据本组进度自主选择时间完成实际电路搭建与测试；
7）学习单片机 IO口控制方法，用LED灯、蜂鸣器、数码管等提示电路状态（提高任务）。

2）交流讨论：

课上教师集中指导、学生小组讨论；课下通过线上提问答疑。

3）报告总结：

每周撰写实验小结报告；实验完成后撰写提交实验总结报告，集中演讲汇报实验完成情况。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

该实验以电力系统谐振过电压报警为工程背景，涉及相量法、正弦稳态电路、比较电路、整流电路、滤波电路等相关电路理论知识；采用数码管、蜂鸣器、LED 灯等实验元件；使用信号源、示波器、万用表等实验仪器；综合运用计算机仿真、数据采集与处理等实验方法；融合工程实际问题、电路设计技术、实践动手能力和学科专业知识。

5. 实验环境条件

1）信号发生器、示波器、直流稳压电源、数字万用表等测试测量仪器及焊接设备；

2）电阻、电容、电感、运算放大器、电压比较器、触发器、LED灯、蜂鸣器、数码管、显示屏、面包板、万能板、杜邦线等元器件；

3）单片机最小系统板及软件开发平台；

4）Multisim、TINA、Proteus 仿真软件。

6. 教学目标与目的（限 150 字）

1）知识技能方面：

了解电力系统谐振过电压的成因及预防办法；加强对 RLC 串联电路、比较电路等的理解；学会借助仿真软件自主设计电路、选择元器件；加强对实验仪器的使用技能。

2）能力素质方面：

建立工程思维与项目设计意识；激发学生的创新能力与学习兴趣；推动实践教学从实验验证走向实验设计，从实验设计走向创新竞赛。

3）思想政治方面：

引导学生关注国家大型工程建设，培养爱国主义情怀，不忘科学报国初心；培养学生知难而上、勇于探索的精神品质；培养学生团队分工协作的精神与能力。

7. 教学设计与实施进程

实验题目面向本科二年级学生，学生学习了高等数学、计算机编程等工科基础课程，但专业知识掌握较少，查阅文献、综合运用知识的能力比较欠缺，故在实验教学中，需密切关注每组学生的实验进程，通过不断引导和针对性指导，逐步提高学生独立思考、分析问题和勇于创新的能力。

实验指导过程分为以下三个环节，具体实施进程如表 1 所示。

1）实验前引导：

（1）通过超星学习通 APP 发布线上报名通知及实验题目，帮助独自报名学生完成组队；
（2）发布实验任务书，公布具体实验内容及要求，以任务需求引导学生学习理论值知识，将分散的知识点通过实验项目串联起来；
（3）简要介绍与实验相关的工程应用背景知识，帮助学生理解实验意义，把握实验方向；
（4）介绍文献的查找方法，引导学生广泛查阅资料，自行制定实验方案；

（5）提供仿真软件、实验仪器的使用说明文档和视频，锻炼学生的自学能力。

2）实验中指导：

（1）根据实验进度安排，在每一实验阶段开始时，强调该阶段的主要实验任务和要求，指出该阶段涉及的知识点，帮助学生进一步明确实验方向；

（2）根据每组学生的具体实践情况进行针对性指导，对于自学能力较弱的同学适当提供参考文献及解决方案，对于实践能力较强的同学适当提高实验要求，引导其优化实验方案；

（3）对于学生普遍存在的问题，通过提问和增加小任务的方式引导学生发现问题、分析问题并思考解决问题：

$\textcircled{1}$ 实验室的电阻、电容、电感有多种类型，各有什么特点？给出选择理由；$\textcircled{2}$ 测量信号幅值时选用示波器和万用表有什么区别？
$\textcircled{3}$ 随着频率的变化，信号源的输出电压是否保持不变？
$\textcircled{4}$ 电感元件两端电压是否等于理论值？分析其原因；
$\textcircled{5}$ 电感元件自身的电阻值如何测量？
$\textcircled{6}$ 运算放大器的输出电压、电流受到哪些限制？
$\textcircled{7}$ LED 灯、蜂鸣器的工作电压、电流有哪些要求？（4）开展小组间集中交流讨论，沟通在该实验中遇到的问题及解决方案；
（5）要求学生每周及时总结本周工作进展，提交工作小结报告汇报进度；
（6）课后通过 QQ 群和微信进行答疑，实现遇到问题随时随地讨论解决。

3）实验后总结：

（1）组织学生以项目答辩的形式汇报实验过程与结果，加强交流，拓宽思路；
（2）要求学生提交实验报告，录制使用说明视频，锻炼学生的总结归纳能力；
（3）设置思考题，供学生在完成实验后反思实验内容，加深对实验项目的理解：$\textcircled{1}$ 谐振电路与滤波电路有哪些异同？$\textcircled{2}$ 谐振电路的实际应用有哪些？$\textcircled{3}$ 何时需要利用谐振，何时需要规避谐振带来的影响？$\textcircled{4}$ 在生活中，有哪些可以类比谐振的现象，对你有哪些启发？

表1 教学实施进程

8. 实验原理及方案

1）RLC 串联谐振电路过电压产生原理

如图 1 所示，对于 $R L C$ 串联电路，电路的阻抗 $Z = R + j ( X _ { \mathrm { L } } - X _ { \mathrm { C } } ) = R + j ( \omega L - \frac { 1 } { \omega C } )$ ，其中$\omega$ 为电源的角频率。调节电源频率或电路参数，使 $X _ { \mathrm { L } } = X _ { \mathrm { C } }$ ，即 $\omega L { = } \frac { 1 } { \omega C }$ 时，电路电压与电流同相位，电路的这种状态称为谐振。

谐振角频率： 0 $\omega _ { 0 } { = } \frac { 1 } { \sqrt { L C } }$

谐振频率： $f _ { 0 } { = } \frac { 1 } { 2 \pi \sqrt { L C } }$

谐振频率只与电路参数 $L$ 和 $C$ 有关，而与 $R$ 和 $\omega$ 无关。要实现电路谐振，可分别调节电源角频率 $\omega$ 、电感 $L$ 、电容 $C$

图1RLC 串联电路原理

当RLC 串联电路发生谐振时，具有以下特点：

（1）电路阻抗最小， $Z = R$ ，电路呈现电阻性，电源电压与回路电流的相位差为零；

（2）当电源电压 $U _ { s }$ 一定时，电流最大 $I = I _ { 0 } = \frac { U _ { \mathrm { s } } } { R }$ $I _ { 0 }$ 为串联谐振电流；

（3）谐振时，由于 $X _ { \mathrm { L } } = X _ { \mathrm { C } }$ ，所以电路中 $U _ { \mathrm { { L } } } = U _ { \mathrm { { C } } }$ 大小相等，相位相反，相互抵消，电源电压$U _ { \mathrm { s } } = U _ { \mathrm { R } } \ ;$ ；

（4）若 $X _ { \mathrm { L } } = X _ { \mathrm { C } } \gg R$ ，则 $U _ { \mathrm { c } } = U _ { \mathrm { L } } \gg U _ { \mathrm { s } }$ ，此时发生串联谐振过电压。

2） 实验总体思路

根据RLC串联电路发生谐振时的特点，设计实验总体思路如图 2 所示，可分别通过检测电路中的电压量、相位量，判断电路是否发生谐振过电压。

图 2 实验总体思路

3）思路一：通过电压判断

通过电压判断电路是否产生谐振过电压的思路如图 3 所示。将电压信号进行整流，将交流信号变成变化的直流信号，用滤波电路将变化的直流信号变成稳定的直流信号，通过电压比较器比较两路电压的大小，以判断电路是否发生谐振过电压。

图 3 实验思路

$\bullet$ 整流电路

整流电路的作用是将交流电转换成单向脉动性直流电，主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压。

整流电路分为四种：半波整流、全波整流、全波桥式整流、倍压整流。其中全波桥式整流原理图如图 4 所示。

图4 全波桥式整流电路

全波桥式整流电路的工作原理如下： $u _ { \mathrm { s } }$ 为正半周时，对 $D _ { 1 }$ $D _ { 3 }$ 加正向电压， $D _ { 1 }$ $D _ { 3 }$ 导通；对 $D _ { 2 }$ $D _ { 4 }$ 加反向电压， $D _ { 2 }$ $D _ { 4 }$ 截止，电路中构成 $u _ { \mathrm { s } }$ $D _ { 1 }$ $R$ $D _ { 3 }$ 通电回路，在 $R$ 上形成上正下负的半波整流电压，如图 5（A）所示。 $u _ { \mathrm { s } }$ 为负半周时，对 $D _ { 2 }$ $D _ { 4 }$ 加正向电压， $D _ { 2 }$ $D _ { 4 }$ 导通；对 $D _ { 1 }$ $D _ { 3 }$ 加反向电压， $D _ { 1 }$ $D _ { 3 }$ 截止。电路中构成 $u _ { \mathrm { s } }$ $D _ { 2 }$ $R$ $D _ { 4 }$ 通电回路，同样在 $R$ 上形成上正下负的另外半波整流电压，如图 5（B）所示。

图5桥式整流电路

如此重复下去，最终在 $R$ 上便得到全波整流电压，其波形图如图 6 所示。

图 6 波形图

滤波电路

交流电经过整流后得到的电压信号含有较大交流纹波，滤波电路可以大大降低这种交流文波成分，让整流后的电压波形变得比较平滑。

滤波电路分为有源滤波和无源滤波，其中无源滤波电路包括电容滤波电路、电感滤波电路、滤波电路、 $L C$ 滤波电路等。使用两个电容和一个电阻组成的 $R C$ 滤波电路，又称 $\pi$ 型 $R C$ 滤波电路，如图 7 所示。这种滤波电路的交流纹波都分担在 $R _ { 1 }$ 上， $R _ { 1 }$ 和 $C _ { 2 }$ 越大滤波效果越好，但 $R _ { 1 }$ 过大又会造成压降过大，因此一般 $R _ { 1 }$ 应远小于 $R _ { 2 }$

图 7 $\pi$ 型 $R C$ 滤波电路

$\bullet$ 电压比较电路

电压比较电路是对输入信号进行鉴别与比较的电路。电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。

当同相输入端的电压高于反相输入端的电压时，电压比较器输出为高电平；当同相输入端的电压低于反相输入端的电压时，电压比较器输出为低电平，如图8 所示。

图8 比较器原理

5）思路二：通过相位判断

实验思路如图 9 所示，当频率接近谐振频率时，电源电压与电阻电压的相位差很小，由此可通过判断相位差来判断电路是否发生谐振。但此方法仅用于判断谐振，无法判断是否产生过电压。

图 9 实验思路

各节点电压关系示意图如图 10 所示，其中 $U _ { 1 }$ $U _ { 2 }$ 为电源电压、电阻电压信号， $U _ { 3 }$ $U _ { 4 }$ 为比

较器输出的方波信号， $Q$ 为触发器输出信号。

图 10 电压关系

6）部分元件模块介绍

$\bullet$ LM339元件功能及内部结构

LM339 芯片内部装有四个独立的电压比较器，是一种常见的集成电路。利用 LM339 可以方便的组成各种电压比较器电路。其引脚及内部结构如图 11所示。

它的特点参数：电压失调小，一般是 $2 \mathrm { m V }$ ；共模范围非常大；对比较信号源的内阻限制很宽;供电电压范围宽，单电源为 $2 \mathord { \sim } 3 6 \mathrm { V }$ ，双电源电压为 $\pm 1 \mathrm { V } \mathrm { \sim } \pm 1 8 \mathrm { V }$ ；输出端电位可灵活方便地选用。

图 11 LM339 引脚

74LS74 元件功能及内部结构

74LS74 是双 $D$ 触发器，可用作寄存器，移位寄存器，振荡器，单稳态，分频计数器等功能。其引脚图如图12所示、其真值表如表 13所示。

其中 为数据输入端（ $D$ ），Q1、 $\bar { \bf Q } 1$ 、Q2、 $\bar { \mathsf { Q } } 2$ 为数据输出端（ $Q$ $\bar { Q }$ ），为时钟输入（ $C P$ ）， 为置位输入（ $\overline { { S } } _ { \mathrm { D } }$ ）， 为复位输入（ $\overline { { R } } _ { \mathrm { D } }$ ）。 $\overline { { S } } _ { \mathrm { D } }$ $\overline { { R } } _ { \mathrm { D } }$ 的低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。当 $\overline { { S } } _ { \mathrm { D } }$ $\overline { { R } } _ { \mathrm { D } }$ 均无效（高电平式）时，符合建立时间要求的 $D$ 数据在 $C P$ 上升沿作用下传送到输出端。

表 1 74LS74 真值表

9. 实验报告要求

实验报告分为每周工作小结报告与最终实验报告。

每周工作小结报告需参照最终实验报告要求，根据本周工作内容，如实、详细地记录实验过程、小组讨论内容、遇到的问题及拟解决的方案等。

最终实验报告要求使用最终实验报告模板，字体、图、表、参考文献等写作规范应参照本校本科生论文写作规范提交，包含以下要求：

1）实验背景及意义

查找、阅读相关文献，总结阐述实验的工程背景及实验设计的意义；

2）实验任务

根据实验任务书，归纳阐述具体实验任务；

3）实验思路

经过充分的前期调研，确定实验设计的思路，给出实验思路框图，并对实验进度、小组分工做出安排；

4）实验内容及步骤

根据实验任务及实验思路，逐步完成实验内容，并记录实验步骤、实验过程、分步结果，给出电路原理图、仿真原理图、程序设计流程图、实物图等；

5）实验结果分析

总结实验结果，分析电路功能能否实现，针对不完全符合预期的实验结果，给出原因分析论述及优化方案；

6）实验总结

总结记录实验中遇到的问题及解决方案；记录实验中获得的实践经验；

7）参考文献
8）附件
完整的程序代码、使用方法等内容，以供读者参考学习及应用。

10.考核要求与方法（限 300 字）

该实验项目采用过程考核的考核方式，考核时间、验收内容及评分标准如表2 所示。（实验从第9周开始）

表 2 考核时间、验收内容及评分标准表

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

1）基础性：夯实基础理论，培养专业素质，加深对设备元件和理论知识的理解。

2）工程性：从电力系统谐振过电压报警的工程需求背景出发，构建等效电路模型，培养发现并合作解决工程问题的能力。

3）综合性：用理论设计和仿真计算指导完成工程实践，用思政教育引导专业学习，培养严精细实的学习态度，弘扬爱国主义精神。

4）开放性：采用互动式教学，引导自主设计实验方案；任务难度梯级化，激发学习兴趣与探索精神。

5）全面性：专业覆盖性强，学生受益面广；软件硬件兼施，培养科研能力。

12. 附件

a) 教学安排

b) 报名通知

电路实验课程门户

c) 实验现场

d) 实验实物

e) 答辩现场

f) 实验报告

一、实验背景及意义

1.1、实验背景

2021年本科二年级开放实验项目实验报告

实验题目：谐振过电压检测报警电路的实现

专业班级： 电气001智电钱001
姓名学号： 王楠钰2203623022

谢涵逍2204411641

联系电话： 15338860535（谢涵逍）19970569772（王楠钰）

电子邮箱： xiehanxiaoSZsYe163.com时

电工电子教学实验中心

图：内电压的分）

二、实验任务

提高任务：

三、实验思路

四、实验内容及步骤

4.2、仿真电路

4.2.1、整体电路

g) 学生展示

电气08王明4

早十到晚十！！！爱了爱了