数字逻辑信号测试器地设计.doc

1、word 2012 2013 学年 第 二 学期 模拟电子技术根底 课 程 设 计 报 告题 目： 数字逻辑信号测试器的设计 专 业： 电子信息工程班 级： 组 成 员：指导教师： 电气工程学院 2013年6月5 日任务书课题名称数字逻辑信号测试器的设计指导教师职称倪琳 执行时间2012 2013 学年第二学期 第 15 周学生某某学号承当任务音响信号产生电路音响信号产生电路音响信号产生电路输入信号识别电路输入信号识别电路输入信号识别电路与仿真音响驱动电路与仿真音响驱动电路与仿真音响驱动电路与仿真设计目的1、学习数字逻辑电平测试仪电路的设计方法；2、研究数字逻辑电平测试仪电路的设计方案。设计要

2、求1、技术指标：测试高电平、低电平，发出不同的声响。测量X围： 低电平0.8V, 高电平3.5V ，上下电平分别用1KHZ和800HZ的声响表示；被测信号在0.83.5v之间不发声；工作电源为5V ,输入阻抗大于20K。2、设计根本要求1设计一个数字逻辑电平测试仪电路；2拟定设计步骤； 3根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件与参数；4运用仿真软件绘制设计电路图； 5撰写设计报告。数字逻辑电平测试仪设计摘 要在检修数字集成电路组成的设备时，经常需要使用万用表和示波器对电路中的故障部位的上下电平进展测量，以便分析故障的原因。使用这些仪器能较准确的测出被测点信号的电平的上下和被测电平的周期，但

3、是使用者必须一方面用眼睛看着万用表的表盘或示 波器的屏幕，另一方面还要寻找测试点，因此使用起来很不方便。本文介绍了一个逻辑信号电平测试器，它可以方便快捷的测量某一点的电位的上下，通过声音的有无和声音的频率来判定被测电位的电平X围，从而能解决平常对电路中某点的逻辑电平进展测试其上下电平时，采用很不方便的万用表或示波器等仪器仪表的麻烦。 该测试器采用运算放大器作电压比拟器进展电平判断，根据电平上下使音响电路产生不同频率方波驱动扬声器，使扬声器有相应不同的声调输出提示。从而达到了测试效果。 关键词 放大器；逻辑信号；电平测试；高电平；低电平目录一、设计框图与整机概述11、原理框图12、对原理框图的描

4、述：11、方案论证12、步骤1二、各单元电路的设计方案与原理说明21、输入与逻辑信号识别电路22、音响信号产生电路33、音响驱动电路54、参数计算、元器件选择51参数计算52元器件选择65、整合电路图7三、仿真调试过程与结果分析8四、设计、调试中的体会15五、对本次课程设计的意见与建议16六、参考资料17七、附录181、附录1182、元器件清单18八、辩论记录与评分表19数字逻辑电平测试仪设计一、设计框图与整机概述为了方便进展对某点的电平测试，设计一个逻辑信号测试器。在数字电路测试、调试和检修时，经常要对电路中某点的逻辑电平进展测试，采用万用表或示波器等仪器仪表很不方便，而采用逻辑信号电平测试

5、器可以通过声音来表示被测信号的逻辑状态，使用简单方便。电路由输入电路、逻辑状态识别电路和音响信号产生电路等组成。输入的逻辑信号电平大于或小于所设定的上下电平电位，如此音响发声，如假如在上下电平之间，如此音响不发声。利用这种方式设计电路，计算元器件参数，选择本钱适宜的器件，确定电路形式并进展仿真实验验证。1、原理框图图1 逻辑信号测试器的原理框图2、 对原理框图的描述：1、方案论证如图1，逻辑信号测试器由三局部电路组成，分别是输入电路、逻辑信号识别电路和音响产生电路。输入一个逻辑信号，其电平值高于3.5V或低于0.8V音响发声，在0.8V和3.5V之间音响不发声，再观察输出Vo是否符合标准。2、

6、步骤1输入电压Vcc=5V。通过电阻分压得到上下两电平。2输入一个逻辑信号，比拟两个运算放大器同相端与反相端电压的上下。假如同相端电压高于反相端，如此输出电压为5V；假如反相端电压高于同相端，如此输出电压为0V。3两个输出电压再通过一个窗口比拟器，假如两个输出电压均为低电平，如此输出Vo一直保持高电平，输出为一条直线；假如一个高电平、一个低电平就会相应的在输出端形成矩形脉冲信号。二、各单元电路的设计方案与原理说明1、输入与逻辑信号识别电路 如图2所示，Vi是输入的被测逻辑电平信号，输入电路是由电阻R1和R2组成，其作用是保证输入端悬空时，Vi既不是高电平，也不是低电平。U1和U2组成的窗口比拟

7、器对输入信号进展检测识别，U1的反相端为高电平值电位参考端，其电压值由电阻R3和R4分压后获得，记为VH。同理，U2的同相端为低电平值电位参考端，其值由R5和R6分压决定，记为VL。 比拟器的同相输入端高于反相输入端电压时，比拟器输出为高电平5V，反之，如此比拟器输出为低电平0V。在保证VHVL的条件下，输入、输出状态有以下关系：见表1 表1 输入、输出状态关系 输入U1VAU2VBViVLVH低高VLViVHVL高低通过分析比拟器的输出状态，就能够判断输入逻辑信号电平的上下。被测逻辑电平信号高于高电位、低于低电位时音响发声；在高、低电位之间音响图2 输入与逻辑信号识别2、音响信号产生电路图3

8、 音响信号产生电路如图3所示为音响信号产生电路原理图，主要由两个比拟器U3和U4组成，根据前面对逻辑判断电路输出的研究，分3种情况介绍本电路的工作原理。1当VA=VB=0V均为低电平时：由于稳态时，电容C1两端电压为0，并且此时VA和VB两输入端均为低电平，二极管D1和D2截止，电容C1没有充电回路，而U3的同相输入端为基准电压3.5V，使得U3的同相端电位高于反相端电位，U3输出Vo通过电阻R3按指数规律为电容C2充电，达到稳态时电容C2的电压为高电平，U4的同相端5V高于反相端3.5V，虽然输出为高电平，但是由于D3的存在，电路的稳定状态不受影响。故电路输出Vo一直保持高电平。2当VA=5

9、V，VB=0V时：此时二极管D1导通，电容C1通过电阻R1充电，Vc1按指数规律逐渐升高，由于U3同相输入端电压为3.5V，如此在Vc1未达到3.5V之前，U3输出端电压保持为高电平。在Vc1升高到3.5V后，U3的反相端电压高于同相端电压，U3输出电压由5V跳变为0V，使C2通过电阻R3和U3的输出电阻Ro3放电，Vc2由5V逐渐下降，当Vc2下降到小于U4反相端电压3.5V时，U4的输出电压跳变为0V，二极管D3导通，C1通过D3和U4的输出电阻放电。因为U4输出电阻很小，所以Vc1将迅速降到0V左右，这导致U3反相端电压小于同相端电压，U3的输出电压又跳变到5V，C1再一次充电，如此周而

10、复始，就会在U3输出端形成矩形脉冲信号。3当VA=0V，VB=5V时：此时电路的工作过程与VA=5V，VB=0V时一样，唯一区别在于D2导通时，VB高电平通过R2向C1充电，所以C1的充电时间常数改变了，使得Vo的周期会发生相应的变化。3、音响驱动电路如图3所示，由于音响负载工作电压较低而且功率较小，因此对驱动三极管的耐压等条件要求不高，应当选去9012作为驱动管，可完全满足电路要求。图4 音响驱动电路4、参数计算、元器件选择1参数计算根据技术指标要求，输入电阻大于20 K，并且输入悬空时，V=1.6V一般在V=0.8V中间位置选取。因此V=(R/(R+RR= RR/(R+R)20K解得 R=

11、70K R=35K根据分压公式得V=(R/(R+RR= R R/(R+R)20K解得 R=150K R=350K同理 V=(R/(R+R R= R R/(R+R)20K解得 R=210K R=40K根据电容电压公式得Vc1t=5(1-e) (t期间C充电)Vc2t=5e t期间C放电其中 输出Vo的周期T= t+ t t=- t=- 取=RC如此当C=0.01uf时，R=/C同时选取C=0.1uf，由于技术指标要求，被测信号为高电平时，音响频率为1KHZ。即T=t + t =1.2 +0.36 =1/f=1ms代入=0.5 ms，得，= RC所以 R=/C被测信号为低电平时，音响频率为800H

12、Z同理，计算求得R2元器件选择选取标称值，即元件库里所有的实际元件，按最接近的值选取。即： R1=75K， R2=30K R3=150K， R4=350K R5=210K， R6=40K R9=50K， R10=5K R11=1K C=0.1uf C=0.01uf 运算放大器：LM324 三极管：90125、整合电路图经过前面的分析，有各个模块框图可以画出整体的电路图，整合电路图如如下图：图5 数字逻辑信号测试器的全图三、仿真调试过程与结果分析按照电路图连接仿真电路，如图6所示,由于在仿真过程中，观察到电容C1之充电不能放电，是因为比拟电压过高，为此我在比拟电压器加上了一个分压电路，可以保证C

13、1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。图6 逻辑信号测试器的仿真电路图改变输入逻辑信号的大小：1、当输入的被测逻辑电平信号为10V时的波形：1输出信号U0的波形如图7所示。图7 U0 输出信号的波形2音响电路的信号波形如图8所示，其信号周期是1.0185ms，其频率为1Khz，符合设计要求。图8 音响电路信号波形图3C1的充放电波形图如图9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，所波形为图9所示。图 9 C的充放电波形图2、 输入的被测逻辑电平信号为2V时的波形：1输

14、出信号U0的波形如图10所示。是没有波动的信号。图10 输出信号U0的波形 2音响电路的信号波形和C1充电放电波形如图11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11 音响电路的信号波形和C1充电放电波形3、 当输入的被测逻辑电平信号为0.5V时的波形：（1） 输出信号U0的波形如图12所示，是有波动的信号。图12 输出信号U0的波形2音响电路的信号波形和C1充电放电波形如图13所示，所以符合设计要求其周期为1.21ms,说以频率在800HZ左右符合设计要求。图 13 音响电路的信号波形和C1充电放电波形四、设计、调试中的体会通过本次设计，我对模电有了更进一步的了解

15、并对数电有了初步认识。虽然在本次设计师眼中，我们组遇到了很多困难和问题，特别是在设计原理图的时候由于对逻辑信号测试器还不是很了解，网上也没有具体实例，更加不知从何下手。但后面通过查阅质料，对逻辑信号测试器的功能和工作原理有了比拟深刻的认识和理解。结合自己所学的摸电知识，设计出来了原理图，然后就是参数的设置，这应该是一个不断尝试的过程，在保证电压值符合要求的前提下，要对器件的参数进展设置，然后就是元器件进展封装，封装之后就可以仿真了，这个过程是最困难的，中间会有各种各样的问题导致会出现各种种各样的问题或者是仿真效果不明显。在一开始的时候我们按照我们原理图上的参数进展封装之后，发现有多处错误，经

16、过改正，错误大局部都改正了，剩下的自己改不到的地方，经过教师的指点，我们也顺利改正来了，最后防真出来正确的波形图。在这个过程中最大的体会就是要考虑问题要全面，还有就是要有团队协作精神，还有就是要有结实的知识，对于这个设计，需要我们对知识有较全面的认识，这样才可能设计出来符合要求的原理图。通过这次实验我对信号和模拟电路有了更进一步的了解，对模拟电路有了更深的兴趣，并阅读了很多课外书籍，丰富了自己的知识，受益很深。更加了解了矩形脉冲信号。五、对本次课程设计的意见与建议通过这个设计实验可以学到很多东西，但是觉得时间太短了，只有一周，在这一周的时间内想设计出来原理图，然后又仿真出来波形对于一个人独立完

17、成确实有点困难，所以希望以后有更多的时间让我们可以独立完成这些设计，还有就是希望以后可以给我们安排更多的做课程设计的机会。六、参考资料1魏国英.电工学电子工业； 2谢自美.电子线路设计实验测试华中科技大学 3童诗白 华成英. 模拟电子技术根底 高等教育4毕满清.电子技术实验与课程设计 机械工业七、附录1、附录1附录1 整机逻辑电路图2、元器件清单序号编号名称型号数量1U1、U2、U3、U4运算放大器42T三极管13D1、D2、D3二极管34R1电阻75K15R2、R3电阻30 K26R4、R5电阻210 K27R6电阻40 K18R7电阻6.8 K19R8电阻8.9 K110R9电阻50 K1

18、11R10电阻5 K112R11电阻1 K15C1电容16C2电容16U5蜂鸣器17Vcc电源5V1八、辩论记录与评分表课题名称数字逻辑电平测试仪设计辩论教师职称辩论时间20122013 学年第二学期第 15 周答辩记录输入阻抗大于20K，应如何选取电阻的阻值？答：电阻阻值过大易引起干扰，过小如此会增大耗电量。所以在满足输入阻抗大于20 K情况下，选取阻值在几十至几百千欧。：如何实现输入电压的识别？答：用窗口比拟器来实现，将外加参考电压分别设为0.8V和3.5V,即可实现。：如何防止测试仪不工作时，仪器发声？答：从电源连入两个串联的电阻至地，使接地端电阻分到电压在0.8-3.5V之间，当仪器不

19、工作时，将输入端接在两个电阻间即可。输入电压识别电路中，集成运放输出端二极管的作用是什么？答：当输出为负时，反向截止，起断开电路的作用。为什么音响信号的周期为C1充电至3.5V时间加C2从的放电至3.5V的时间？答：因为C1充满3.5V时，C2就开始放电，C2放至3.5V时，C1开始放电，这两个阶段时间加起来即为整个周期。音响信号产生电路怎么产生信号？答：通过电容的充电和放电来实现，电容C2充电电压超过3.5V时U4输出端变为正，二极管截止，C1开始充电，C1充电电压超过3.5V时U3输出端变为负，C2开始放电，当小于3.5V时，U4输出端为负，二极管导通，C1放电，当小于3.5V时U3为正，C2开始充电，即形成循环，从而产生信号。怎么使高电平时信号频率为1KHZ,低电平为800HZ?答：在窗口比拟器的两个集成运放输出端接不同阻值的电阻，高电平时U1输出端为正U2为负，因为有二极管的存在，U2端相当于断路，此时C1充电的电阻即为U1输出端的电阻，低电平时类似，即给C1充电的电阻阻值不同，从而改变周期。三极管的作用是什么？答：来自音响信号的输出信号接在三极管的基极，从而控制三极管的截止与导通，频率与控制的信号一样。从而带动蜂鸣器发出该频率的声音。为什么不将蜂鸣器直接接在音响信号的输出端？答：直接接在输出端可能因为电压过大而影响蜂鸣器评分表学生某某学号评分