逻辑信号电平测试器

1.概述

1.1 逻辑信号电平测试器的设计目的 1.2 课程设计的组成部分 2.逻辑信号电平测试器的设计内容 2.1 输入和逻辑判断电路设计 2.2 音响产生电路设计 2.3 扬声器驱动电路设计 2.4 元器件选择 2.5 总电路设计 3.总结

3.1 所遇到的问题及解决办法 3.2 收获及体会 3.3 参考文献及资料 4.教师评语 5.成绩

1. 概述

本文介绍一种用于数字电路逻辑信号电平测试的测试器电路设计。这种逻辑信号电平测试器用来对遥控系统中的数字信号电平的高低和脉冲信号的有无进行准确的检测。

在检修数字集成电路组成的设备时，经常需要用万用表和示波器对电路中的故障部位的高地电平进行测量，以便分析故障原因。使用这些仪器能较准确地测出被测点信号电平的高地和被测信号的周期，但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。

本次设计的仪器采用声音来表示被测信号的逻辑状态，高电平和低电平分别用不同声调的声音表示，使用者无须分神去看万用表的表盘或示波器的荧光屏。

1.1逻辑信号电平测试器的设计目的

（1）学习逻辑判断电路的设计方法 （2）研究逻辑判断电路的设计方案 （3）掌握逻辑判断电路的原理和使用方法

1.2课程设计的组成部分

1.2.1电路组成及工作原理

图1.2.1为测试器的原理框图。由图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。

图1.2.1 测试器原理框图

1.2.2各部分电路组成

（1）输入电路及逻辑判断电路

图1.2.2（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。 图1.2.2（1）输入和逻辑判断电路

当被测电压U1小于0.8V时，A1反相端电压大于同相端电压，

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。

1.2.2（2）音调产生电路

图1.2.2（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1.2.2（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1.2.2（3）所示。

uC1 4V t uC2 5V 4V t u0 t t1 t2 图1.2.2（3） UC1、UC2和UO的波形

由图1.2.2（3）可以看出A3的输出电压UO的周期 T=t1+t2 (1.2.2-1) 根据一阶电路的响应特点可知，在t1期间电容C1充电，UC1(t)=5(1-e)=3.5V，在t2期间电容C2放电，UC2(t)=5e根据UC1(t)和UC2(t)的表达式可以分别求出：

1t2=3.5V。

t1=-1ln0.3≈1.21 (1.2.2-2) t2=-1ln0.7≈0.362 (1.2.2-3)

这就是说只要改变时间常数1，2即可改变UO的周期。 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。

1.2.2（3）扬声器驱动电路原理

1.2.2（3）扬声器驱动电路

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。

2. 逻辑信号电平测试器的设计内容

2.1输入和逻辑判断电路设计

输入和逻辑判断电路如图2.1(1)所示，输入电路由R1和R2组成。电路的作用是保证测试器输入端悬空时，输入电压既不是高电平，也不是低电平。一般情况下，在输入端悬空时，输入电压

vI1.4V。根据技术指标要求输入电阻大于20KΩ，因此可得：

R2VCC1.4VR1R2R1R220KR1R2从而可确定R1和R2阻值。 可解得： R1=71kΩ R2=27.6kΩ 取联系值：

R1=75kΩ R2=30kΩ 图2.1(1)输入和逻辑判断单元电路

R3和R4的作用是给A1的反相输入端提供一个 3.5V的电压（高电平的基准）。因此只要保证

即可。

R3和R4取值过大时容易引入干扰，取值过小时 则会增大耗电量。工程上一般在几十千欧到几百千欧姆间选取。因此选取R3=68kΩ，

可得到：R430kΩ,取R4=30kΩ。

R5为二极管D1、D2的限流电阻。D1、D2的作用是提供低电平信号基准，按给定技术指标低电平0.8V，可取一只锗二极管和一只硅二极管，这样使A2同相端电压为0.8V。

可取：R5=4.7kΩ

R3R3R4VCC3.5V2. 2音响产生电路设计

图2.2（1）为音响产生电路单元电路图。

图2.2(1)音响产生电路单元电路图

图中R10和R11的作用与图中的R3和R4相同。

可参考R3和R4取值，取R10=68kΩ，R11=30kΩ。三个二极管可选用锗二极管如2AP9。

根据公式： Tt1t21.210.362 我们选取

20.5ms

因为

2R9C2

选取

C20.01F

从而可以确定R9阻值，有：

R9=

又因为：

20.5ms==50kΩ C20.01uFTt1t21.210.3621.210.18103

根据给定要求，

1R6C1（被测信号为高电平） 或

R7C1（被测信号为低电平） 1我们选取C10.1F，由于技术指标中给定被测信号为高电平时，音响频率为1KHZ，被测信号为低电平时，音响频率为800HZ。所以在被测信号为高电平时， 因为

1T 1msf所以

1.210.3621103

从而可以确定 1和R6 1.21+0.362=1*10 1.21+0.18*103=1*103

0.68*103得 1≈0.68ms R6==kΩ

C10.1*1061所以 R6=6.8kΩ

根据低电平时的音响频率值，则可确定R7的值为9.1kΩ。

2.3扬声器驱动电路设计

扬声器驱动电路如图2.3（1）所示。

由于驱动电路的工作电源电压比较低，因此对三极管的耐压要求不高。如可选取3DG12为驱动管。R为限流电阻，可选取阻值为10 K

Ω。 图2.3(1)扬声器驱动电路 在上一级的音频产生电路中，高电平会使其产生1kHz的方波，低电平会使其产生800Hz的方波，经过驱动管3DG12后驱动扬声器发声，使之发出不同音调的声音。 2.4元器件的选择

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=30K， R4=68K R5=68K， R6=13K R7=6.8K， R8=8.9K R9=9.1K， R10=5K C1=0.1uf ， C2=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

2.5总电路设计

2.5（1）声调提示的逻辑电平测试器的整机电路

图2.5（1）为声调提示的逻辑电平测试器的整机电路，整机电路由三部分组成：输入与逻辑判断电路、音响产生电路、扬声器驱动电路组成。

UI测试点的接入口，接入被测量，被测电压与图中U1、U2的基准电压比较，其中U1为高电平标准，U2为低电平标准。以上设计均为将U1设定为4V，U2设定为1,2V。此两点的电压采用的是分压发控制，可采用可变式电阻分压，即可控制不同标准电平。若以TTL (VCC：5V：VIH>=2V；VIL<=1.2V)电平为例，则设置U1=2V，U2=1.2V。通过控制此处即可控制该测试器的测量标准。

其中的音调产生电路主要产生对应高低电平的两种不同频率的方波，方波的频率与电平的高低无关，只于电路中充电、放电电路中的电阻、电容的大小有关，控制充放电电路中R、C的大小可以控制扬声器产生不同的音调。

该整机电路用到了四个LM324运算放大器，刚好一片LM324集成运放芯片。

总结

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。

体会到了自动化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。

致谢

感谢这次课程设计中给予我帮助的老师和同学，感谢自动化实验室的老师和同学对我的课程设计提出了宝贵的意见和建议，感谢电子技术（模拟部分）老师对我们课程设计提出的帮助和耐心的讲解。

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