逻辑电平信号测试器

电子技术课程设计

——逻辑信号电平测试器

2014年6月24日

逻辑信号电平测试器

一、设计任务

1.设计目的：

（1）学习逻辑信号电平测试器的设计方法；

（2）掌握其各单元电路的设计与测试方法；

（3）进一步熟悉电子线路系统的装调技术.

2.技术指标：

（1）测量范围：低电平<0.8V，高电平>3.5V；

（2）用1KHZ的音响表示被测信号为高电平；

（3）用800HZ的音响表示被测信号为低电平；

（4）当被测信号在0.8~3.5V之间时，不发出音响；

（5）输入电阻大于20KΩ；

（6）工作电源为5V

二、设计方案论证

1.方案一

图2.1测试器的原理框图

图2.2 方案一的总设计图

其中555定时器构成多谐振荡器，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，由逻辑信号识别电路输出得到。当入为高电平时，多谐振荡器工作；反之，电路停振。

2.方案二

图2.3测试器的原理框图

图2.4 测试器的原理框图

3.方案的比较

方案一运用到了“555定时器”，相对于方案二简单，在通过频率计算相对应的电阻值上简单方便，但是考虑到其成本高于LM324芯片，最终决定采取方案二作为实现方案。

三、电路结构及其工作原理

1.电路的结构框图：

图3.1逻辑信号测试器原理框图

2.电路的原理图：

图2声调提示的逻辑电平测试器的整机电路

3.电路工作原理：

由图1可以看出电路由五部分组成：输入电路、逻辑状态判断电路、音响电路、发音电路和电源。

（1）输入电路及逻辑判断电路

图3.1为测试器的输入和逻辑判断电路原理图。

以A1和A2的输出电压均为低电平。当U1大于UH时，A1输出端UA为高电平，A2输出端UB为低电平。通过改变R3和R4的比例图2-2中U1是被测信号。A1和A2为两个运算放大器。可以看出A1和A2分别与它们外围电路组成两个电压比较器。A2的同相端电压为0.8V左右(D1和D2分别为硅和锗二极管)，A1的反相端电压UH由R3和R4的分压决定。

当被测电压U1小于0.8V时，A1反相端电压大于同相端 图3.1 输入和逻辑判断电路

电压，使A1输出端UA为低电平(0V)。A2反相端电压小于同相端电压，使它输出端UB为高电平(5V)。当U1在0.8V-UH之间时，A1同相端电压小于UH，A2同相端电压也小于反相端电压，所可以控制高电平的范围，而通过改变运算放大器A2同相端电压，可以控制低电平。图中的二极管可以是分压电阻，所以经过分压电阻的调整，该逻辑电平测试器可以测量不同的标准电平。

（2）音调产生电路

图3.2为音调产生电路原理图。电路主要由两个运算放大器A3和A4组成。

图3.2 音调产生电路单元电路

下面分三种情况说明电路的工作原理:

（1）当UA=UB=0V(低电平)时。

此时由于A和B两点全为低电平，所以二极管D3和D4截止。因A4的反相输入端电压为3.5V，同相端输入电压为电容C2两端的电压UC2，由于时一个随时间按指数规律变化的电压，所以A4输出电压不确定，但这个电压肯定的是大于或等于0V，因此二极管D5也是截止的。由于D3，D4和D5均处于截止状态，电容C1没有充电回路，UC1将保持0V的电压不变，使A3输出为高电平。

(2）当UA=5V，UB=0V时

此时二极管D3导通，电容C1通过R6充电，UC1按指数规律逐渐升高，由于A3同相输入端电压为3.5V，所以在UC1达到3.5V之前，A3输出端电压为5V，C2通过R9充电。从图2-3可以看出C1的充电时间常数ι1=C1*R6，C2的充电时间常数ι2=C2(R9+rO3)，其中rO3为A3的输出电阻。假设ι1>ι2，则在C1和C2充电时，当UC1达到3.5V时，UC2已接近稳态时5V。因此在UC1升高到3.5V后，A3同相端电压小于反相端电压，A3输出电压由5V跳变为0V,使C2通过R9和rO3放电，UC2由5V逐渐降低。当UC2降到小于A4反相端电压(3.5V)时，A4输出端电压跳变为0V，二极管D5导通，C1通过D5和A4的输出电阻放电。因为A4输出电阻很小，所以UC1将迅速降到0V左右，这导致A3反相端电压小于同相端电压，A3的输出电压又跳变为5V，C1再一次充电，如此周而复始，就会在A3输出端形成矩形脉冲信号。UC1、UC2和UO的波形如图3.3所示。

图3.3 UC1、UC2和UO的波形

（3）当UA=0、UB=5V时

此时电路的工作过程与UA=5V，UB=0V时相同，唯一的区别是由于D4导通D3截止，UB高电平通过R7,D4向C1，所以C1充电时间常数改变了，使UO的周期会发生相应的变化。

（3）扬声器驱动电路原理

扬声器主要有永久磁铁、线圈、和锥形纸盆组成。强弱按声音变化的电流，使扬声器内电磁铁的磁性忽强忽弱，线圈就向里或外运动，带动纸盆发生震动发出声音。将电能转化为声能，并将它辐射到空气中的一种电声换能器件。电影、电视、广播以及各种需要扬声的场合都需要使用扬声器。扬声器的主要性能指标有：灵敏度、频率响应、额定功率、额定阻抗、指向性以及失真等。

扬声器频率响应，在恒定电压作用下，在参考轴上距参考点一定距离 处，扬声器所辐射的声压级随频率变化的特性。频率响应一般是记录 3.4扬声器驱动电路在以对数频率刻度为横坐标的图上，即频率响应曲线。

不同规格、口径的扬声器能够发出不同的音调，(不同频率范围的)，不可能全频段都兼顾，所以有高、中、低、音之分。

声音的三要素 ——响度、音调、音品(音色)

响度:声音大小声,与发音体产生的声波振幅有关

音调:声音的高低,与发音体产生的振动频率有关

音品:声音的独特性，与发音体产生的波形有关

本设计就利用了音调的高低与发音体的震动频率有关的原理，根据音响电路中产生的不同频率的方波驱动扬声器发出不同音调声音。

四、电路主要元件简介

1.集成运算放大器LM324

这里主要介绍电路中所用到的集成运算放大器LM324。LM324系列器件为

价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

LM324四运放是集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输 出端。两个信号输入端中，Vi-(-)为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+(+)为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号 与该输入端的相位相同，如图3.1，LM324的引脚排列见图3.1.

图3.1放大器引脚图

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。

2.比较器

当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如LM324运放开环放大 倍数为100dB，既10万倍)。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平(V+)，就是低电平(V-或接地)。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电压。

5、电路仿真过程及结果

1.仿真条件：在proteus环境下

2.仿真参数：

R1=75K， R2=30K

R3=30K， R4=68K

R5=68K， R6=13K

R7=6.8K， R8=8.9K

R9=9.1K， R10=5K

C=0.1uf ， C=0.01uf

运算放大器：LM324 二极管：2AP9

普通锗、硅二极管各一个

三极管：8050

万能板一块、导线若干

3.仿真结果：

（1）当输入的被测逻辑电平信号为5V，大于3.5V时的波形时：

输出信号U0的波形是有波动的信号。音响电路信号波形的周期是1.025ms，其频率为1Khz。此时C1的充电按时间常数充电，放电由于放电电路电阻很小瞬间放电，符合设计要求。

（2）当输入的被测逻辑电平信号为2.3V，大于1.2V小于当4V时的波形时：

输出信号U0的波形是没有波动的信号。此时音响电路的信号波形和C1充电放电波形都没有波动，符合设计要求。

（3）当输入的被测逻辑电平信号为0.3V小于1.2V时的波形时：

输出信号U0的波形是有波动的信号。音响电路的信号波形的周期为1.23ms,其频率为1200HZ左右。此时C1有充放电，符合设计要求满足下面的输入输出关系，所以设计是成功的。

输入输出关系

6、电路安装与调试

1.检验电路各部分是否导通

按照电路图连接仿真电路，如图4-1所示,由于在仿真过程中，观察到电容C1之充电不能放电，是因为比较电压过高，为此我在比较电压器加上了一个分压电路，可以保证C1能放电，同时有发现输出频率不满足要求，所以又把R7和R8的电阻值减小，就满足了频率在高电平是为1KHz，在低电平是为800Hz设计体会：

图6.1 改装后的图

2.调试及测定主要参数

改变输入逻辑信号的大小：

4.2.1当输入的被测逻辑电平信号为12，大于4V时的波形：

（1）输出信号U0的波形如图4.2所示。

图4.2

（2）音响电路的信号波形如图4.3所示，其信号周期是1.025ms，其频率为2Khz，符合设计要求。

图4.3

（3）C1的充放电波形图如图4.4所示。符合设计要求，其充电按时间常数充电，放电由于放电电路电阻很小瞬间放电，所得波形为图4.4所示

图4.4

4.2.2输入的被测逻辑电平信号为2,3V，大于1.2V小于当4V时的波形：

（1）输出信号U0的波形如图4.5所示。是没有波动的信号。

图4.5

（2）音响电路的信号波形和C1充电放电波形如图4.6所示，C1没有没有充放电，音响信号也是没有波动，所以符合设计要求。，

图4.6

4.2.3当输入的被测逻辑电平信号为0.3V，小于1.2V时的波形：

（1） 输出信号U0的波形如图4.7所示，是有波动的信号。

图4.7

（2）音响电路的信号波形和C1充电放电波形如图4.8所示，C1没有没有充放电，音响信号也是没有波动，所以符合设计要求。其周期为1.23ms,说以频率在1200H左右符合设计要求。

图4.8

七、课程设计体会：

在这学期开 始刚接触电子技术基础（模拟部分）这本书，很多东西都是陌生的，不知道什么是二极管、三极管，不知道什么是运算放大器，更不知道这些电子元器件组合起来会有什么用处。

但是通过一个学期的学期，对模电这部分知识有了初步的认知。尤其在这次课程设计的过程中，感觉自己学到了不少东西。

这次的课程设计给了我们一次实践的机会。通过这次的课程设计让我们对课本的理论知识有了更深一步的了解和理解，同时也提高了我们的自主创新和自我设计能力。

音调的产生是通过产生的方波和扬声器产生振动，才发出声音，这是我上网查过才知道的。同时，在不断的查资料书籍中，我们知道了逻辑测试器的工作原理、输入电路及判断电路和原理、单调产生电路原理和扬声器的原理，再结合所学的模电知识，画出了电路原理图。在这次的设计过程中我完成了对声调提示的逻辑电平测试器的原理的熟悉，对各单元及整机电路的设计，以及电路中使用的元器的选型，同时在图书管和电子数据库中收集到大量的资料，给电路设计，元器件选型，以及后面写论文提供足够的参考材料。最后通过不断的尝试、计算和调试测出了电路中和各参数。

这次课程设计的过程中遇到了不少麻烦，大多数都是因为自己平时的学习不够认真，很多问题考虑的不够全面，计算不够仔细。

麻烦多收获也就越多，在这次课程设计过程中，学会了怎样计算，怎样分析电路。也对原来学习的知识查缺补漏。

体会到了物联网专业人员需要的耐心和毅力还有过人的专业基础知识是多么重要，而自己又有不少欠缺。所以通过这次课程设计督促自己以后一定要一丝不苟的学习。

参考文献

[1]赵淑范，王宪伟编。电子技术实验与课程设计。[M]北京：清华大学出版社，2006年。第163--167页。

[2]黄永定编。电子实验综合实训教程。[M]北京：机械工业出版社，2004年。第146--151页。

[3]姚福安．电子电路设计与实践．山东: 山东科学技术出版社,2002．133-145

[4]罗会昌．电工电子技术实验与课程设计．北京：中国科学科技大学出版社,2005．

[5]高吉祥主编。电子技术基础实验与课程设计。[M]北京：电子工业出版社，2005年。第89--94页。

[6]毕满清主编，电子技术实验与课程设计。[M]北京：机械工业出版社，2005年7月。第174--180页

[7]杨志亮．Protel DXP电路原理图设计技术．陕西：西北工业大学出版社，2002．65-96

[8]柯南．电路设计Protel 之Schematic．北京：中国铁道出版社，2000．123-126

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/bc4f0ff4866fb84ae55c8d1b.html