简易逻辑测试仪课程设计.doc

目录摘要 3一 系统方案31.1设计要求31.2方案论证与比较4二 设计流程 52.1 流程图52.2 运算放大器 52.3 LM399常用方法 6三 详细方案及相关参数103.1 方案原理 113.2 适用范围 133.3 相关参数 133.4 PCB图14四 抗干扰与可靠性15五 测试方案与仿真155.1 通过Proteus软件仿真 155.2 测试结果 16六 结论与设计心得17附录 19摘要：数字电路的制作调试及检修离不开逻辑电平测试仪，本文设计的简易逻辑测试仪主体由LM339组成，可实现输入高电平LED发红光，输入低电平LED发绿光，输入时钟脉冲时红绿交替闪烁功能。该测试仪可用于对TTL门电路，COMS等数字电路的逻辑检测。此电路与各类传感器配合使用，稍加变通便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。关键词：高电平 低电平 LM339 运算放大电路一 系统方案：1.1设计要求：利用简单的基本元器件设计一个逻辑电平测试电路，要求实现以下要求：（1） 要求电路能够测试出数字端口的高低电平状态，用不同颜色的LED小灯对检测状态进行指示，高电平（红色），低电平（绿色）；（2） 电路中采用的具体元器件应有器件选型依据；（3） 电路的设计应当考虑可靠性和抗干扰设计内容；（4） 电路的基本工作原理应有一定说明；电路应当在相应的仿真软件上进行仿真以验证电路可行性（不限EDA软件类型）。（5） 画出系统电路硬件原理图和PCB电路板图（含PCB图效果图）（不限制EDA软件类型）；（6） 给出详细的元件选型表；（7） 电路工作的基本原理和实现方法；电路的可靠性设计和抗干扰性设计说明；1.2 方案论证与比较：方案一：如图1-1所示采用运算放大电路与三极管相结合的设计方法。图1-1 方案一原理图方案二：如图1-2巧妙运用运算放大器内部独立电压比较器组合形成简易逻辑测试仪图1-2 方案二原理图方案选择：出于经济和电路稳定性的考虑，避免过多三极管产生温漂和其他干扰，选择方案二。二 设计流程2.1流程图方案设计流程： 图2-1 方案设计流程图2.2电压比较器和运算放大器的基本知识 电压比较器和运算放大器已经广泛的应用在各种的控制电路和保护电路中；特别是在现代的液晶、等离子平板电视中，更是普遍应用。在平板电视中特别是故障率较高的开关电源、驱动电路、背光板电路中的保护电路比比皆是；对电路的安全、保护起到极大的作用，同样给我们的维修也带来一个提升，必须了解、掌握电压比较器的原理、工作方式才能顺利的、成功的完成故障的维修，下面简单的介绍一些电压比较器的必备知识。图2-2 LM339结构图电压比较器可以看做是放大倍数无穷大的运算放大器。电压比较器是对两个模拟电压比较其大小，并判断出其中哪一个电压高，哪一个电压低；并在输出端以高电平或低电平表示比较的结果来。既然是把两个电压进行比较；并且有一个比较结果的输出端，那么这个比较器就必须有3个端子（除了供电及接地）；两个进行比较模拟电压的输入端；一个显示比较结果的输出端，图2-2所示就是一个在电路图上常用的电压比较器的符号。 如图2-3所示，左边是两个输入端；其中一个有“+”号标志的称为同相输入端；有“”号标志的称为反相输入端；这两个端子输入需要进行比较的模拟电压。右边是一个输出端，输出比较的结果。两个输入端之间电位的高低和输出端电平的高低关系如下：当同相输入端电压高于反相输入端电压时，输出端为高电平。当同相输入端电压低于反相输入端电压时，输出端为低电平。图2-3 简单电压比较器一般常用的比较器的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体管，在使用时输出端到正电源一般需接一只上拉电阻（选 3-15K）。这种输出称为OC输出即集电极开路输出。在图中电压比较器的同相输入端被由R1、R2组成的分压电路设定为3V，电压比较器的反相输入端连接在一个电位器的动臂上，电位器的两端连接于6V电压上面，下端为0V上端为6V。此时把电位器的动臂置于电位器的最下端（图中电位器下端虚线箭头所指部位）；这时电压比较器的反相输入端电压即为0V。在这种状态下；电压比较器的同相输入端电压高于反向输入端电压；输出为高电平。这时逐步的向上移动电位器的动臂（图中箭头方向），此时：电压比较器反向输入端的电压逐步上升；当电位器的动臂移动到3V位置时；反向输入端的电压也上升到3V，此时；同相输入端的电压（3V）等于反相输入端的电压；此时；输出端的电压仍然维持原来的高电平不变；只有电位器的动臂继续上移；当反向输入端的电压超过同相输入端的电压；即大于3V时；输出端的高电平迅速跃变为低电平。电压比较器的灵敏度都非常的高；当在上述情况下；当电位器的动臂上升；反向输入端电压只要超过同相输入端电压0.005V（5mV）时；电压比较器的输出端电平就从高电平迅速转换为低电平；根据不同的电压比较器的型号这个反转的电压略有不同；但是都在2mV至10mV以内。同样也可以把电位器的动臂置于电位器的最上端，这时电压比较器的反相输入端电压即为6V。在这种状态下；电压比较器的同相输入端电压低于反向输入端电压；输出为低电平。这时逐步的向下移动电位器的动臂，此时：电压比较器反向输入端的电压逐步下降；当电位器的动臂下降到3V位置时；反向输入端的电压也下降到3V，此时；同相输入端的电压（3V）等于反相输入端的电压；此时；输出端的电压仍然维持原来的低电平不变；只有电位器的动臂继续下降；当反向输入端的电压低于同相输入端的电压；即小于3V时；输出端的高电平迅速跃变上升为高电平。通过上面论证可知，电压比较器拥有制作简易逻辑测试仪的理论基础。2.3 LM399本次设计主要使用LM399内部四个电压比较器。LM339电压比较器芯片内部装有四个独立的电压比较器，是很常见LM339引脚图的集成电路。利用LM339可以方便的组成各种逻辑测试器和振荡器电路。图2-4 LM339集成电路图LM339的特点和一些参数1、电压失调小，一般是2mV；2、共模范围非常大，为0v到电源电压减1.5v；3、他对比较信号源的内阻限制很宽；4、LM339 vcc电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；5、输出端电位可灵活方便地选用。6、差动输入电压范围很大，甚至能等于vcc；LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：失调电压小，典型值为2mV；电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；对比较信号源的内阻限制较宽；共模范围很大，为0-（Ucc-1.5V）Vo；差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；输出端电位可灵活方便地选用。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。LM339可构成单限比较器、 迟滞比较器 、双限比较器（窗口比较器） 、振荡器等。LM339还可以组成高压数字逻辑门电路，并可直接与TTL、CMOS电路接口。LM339主要常用用途：1.单限比较器电路 如图2-5给出了一个基本单限比较器。输入信号Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压Ur。当输入电压UinUr时，输出为高电平UOH。图1b为其传输特性。 图2-5 单限比较器电路及信号它用单电源供电，1/4LM339的反相输入端加一个固定的参考电压，它的值取决于R1于R2。UR=R2/（R1+R2）*UCC。同相端的电压就等于热敏元件Rt的电压降。当机内温度为设定值以下时，“+”端电压大于“-”端电压，Uo为高电位。当温度上升为设定值以上时，“-”端电压大于“+”端，比较器反转，Uo输出为零电位，使保护电路动作，调节R1的值可以改变门限电压，既设定温度值的大小。 2、迟滞比较器 迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。前面介绍的单限比较器，如果输入信号Uin在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动。在电路中引入正反馈可以克服这一缺点。 图a给出了一个迟滞比较器，人们所熟悉的“史密特”电路即是有迟滞的比较器。图b为迟滞比较器的传输特性。 图2-6 迟滞比较器电路及信号当输出状态一旦转换后，只要在跳变电压值附近的干扰不超过U之值，输出电压的值就将是稳定的。但随之而来的是分辨率降低。因为对迟滞比较器来说，它不能分辨差别小于U的两个输入电压值。迟滞比较器加有正反馈可以加快比较器的响应速度，这是它的一个优点。除此之外，由于迟滞比较器加的正反馈很强，远比电路中的寄生耦合强得多，故迟滞比较器还可免除由于电路寄生耦合而产生的自激振荡。如果需要将一个跳变点固定在某一个参考电压值上，可在正反馈电路中接入一个非线性元件，如晶体二极管，利用二极管的单向导电性，便可实现上述要求。3、双限比较器（窗口比较器）图2-7电路由两个LM339组成一个窗口比较器。当被比较的信号电压Uin位于门限电压之间时（UR1UinUR2或UinUR1）输出为低电位（UO=UOL），窗口电压U=UR2-UR1。它可用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间。 图2-7 双限比较器电路及信号4、用LM339组成振荡器 图2-8为有1/4LM339组成的音频方波振荡器的电路。改变C1可改变输出方波的频率。本电路中，当C1=0.1uF时。f=53Hz；当C1=0.01uF时，f=530Hz；当C1=0.001uF时，f=5300Hz。 LM339还可以组成高压数字逻辑门电路，并可直接与TTL、CMOS电路接口。 图2-8 1/4LM339振荡器电路以下是LM339主型号不同尾缀的相关信息、封装、温度范围。表2-1 LM339封装信息表说明/描述温度范围整体型号封装14引脚的陶瓷双列直插式封装（CERDIP）55 to +125CLM139F0581B14引脚塑料双列直插式封装（DIP）25C to +85CLM239ANSOT27-114引脚塑料双列直插式封装（DIP）25C to +85CLM239NSOT27-114引脚塑料小外形（SO）的封装25C to +85CLM239DSOT108-114引脚塑料双列直插式封装（DIP）40C to +125CLM2901NSOT27-114引脚塑料小外形（SO）的封装40C to +125CLM2901DSOT108-114引脚塑料双列直插式封装（DIP）0 to +70CLM339ANSOT27-114引脚塑料小外形（SO）的封装0 to +70CLM339DSOT108-114引脚塑料双列直插式封装（DIP）0 to +70CLM339NSOT27-1LM339集成块采用C-14型封装，外型及管脚排列如图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。考虑操作便捷性和环境影响，本次设计采用双列直插式封装 DIP14封装形式。三 详细方案及相关参数3.1 方案原理如图所示：该电路由输入电路，逻辑信号识别电路和LED组成。在该电路中，电路的输入信号Vi由输入电路输出后，经过逻辑信号识别电路，在该电路中，通过比较器的比较测试，将该信号区分为高电平和低电平，低电平绿色LED发光，高电平红色LED发光。电路原理图：图3-1 设计方案原理图电路如图所示，有一片四电压比较器LM339和红绿两色LED指示灯等组成。比较器A作低电平检测器，比较器B作高电平检测器，RP1,RP2为预制参考电压，即调整红（R)、绿（G）发光管的发光阀值电压。比较器C作控制器，比较器D和电容C1组成低频振荡器兼做LED发光通路电流。比较器C、D的设计和结合是本逻辑测试仪的核心部分。输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管。1、当Ui检测到低电平时，比较器A输出高电平，比较器B输出低电平，因此C-11脚电位高于10脚，13脚输出高电平，经二极管导通，D-9脚电平高于8脚D-14脚输出低电平，经A-1高电平驱动，绿色LED发光。2、当Ui为高电平，经A-1脚输出低电平，B-2脚输出高电平，经过R4、R5分压C10脚约为二分之一VCC，小于11脚电压，13脚仍输出高电平，经二极管导通使D-14输出低电平，驱动红色LED发光。3、当Ui为时钟脉冲时，相当于交替输入高低电平，红绿LED交替发光。3.2 适用范围TTL电源电压只能是5V，输出高电平电压2.7V，典型3.6V，输出低电平电压0.5V；输入高电平电压要求2V，输入低电平电压要求0.8V。CMOS电源电压适应性强，一般在12V，输出高电平电压=Vdd，输出低电平电压=0V。输入高电平电压要求0.7Vdd，输入低电平电压要求0.3Vdd。本电路适用于TTL电平逻辑检验。3.3 相关参数表3-1 元件规格封装表原件名称规格封装形式LM339LED DIODE R1R2 R3R4R5R6R7R8R9R10R11RP1RP2CAP10K50K25K25K 25K100 100100K 100K100K100K25K25K 10uFDIP140805DIODE0.4AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0.3RAD0.1经仿真实验，输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态。3.4 PCB图图3-2 PCB图PCB三维效果图图3-3 PCB三维效果图四 抗干扰与可靠性消除自激震荡的方法一般是在电路的共射中间级加上一个很小的补偿电容，目前在集成运放中，大多数电路内部已经用集成工艺加进了补偿电容，可保证在最坏的情况下运放都能稳定工作，这种运放叫做内部补偿或全补偿运放，使用这种器件可以不用考虑补偿，也不会出现自激。五 测试方案与仿真5.1 通过Proteus软件进行仿真由于Proteus里LM339是没有模型的元件无法被仿真，这时采用有仿真模型的TLC339进行替代。5.2 测试结果经过调试，两色LED亮暗可以反映输入信号Ui的高低电平，Ui为高电平时红色LED工作，Ui为低电平时绿色LED工作，电压跳变和预先设计存在一定误差，但在允许范围内，设计成功。步骤一图5-1 仿真步骤一步骤二图5-2 仿真步骤二五 结论与设计心得经过几天的设计和学习，我认识到设计就是一个不断发现自己的错误并改正错误的过程。 我认识到一定要