数字逻辑信号测试器的设计

1、电子技术基础课程作业题目 数字逻辑电平信号测试器设计组 长 李毅然团队成员 高晨洋团队成员 白 京指导教师 夏昌浩完成日期 2017年 5 月 20 日2电气与新能源学院综合（课程）作业课题任务书 （2017年春季学期）学院名称：电气与新能源学院综合（课程）作业名称电子技术基础课课程作业课题名称数字逻辑电平信号测试器设计1学生姓名李毅然专业电气工程及其自动化学号20151094022学生姓名高晨洋专业电气工程及其自动化学号20151094063学生姓名白京专业电气工程及其自动化学号2015109414指导教师夏昌浩任务书下达时间2017年3月 20日1课题学生团队的整体工作任务及每名学生的分解

2、任务学生团队的整体工作任务为：利用电阻、电容、二极管、三极管和运算放大器构成一个集成运算放大器简易测试仪电路，对电路构建进行论证及参数进行计算。学生1的分解任务为：作业小组的总负责人，负责协调组织课程作业期间的工作任务；查找资料提出硬件电路方案，主持完成电路制作及调试。学生2的分解任务为：对所需要的每一个器件的参数进行计算，列出器件清单，并用EDA软件画出原理图并仿真论证；参与电路制作及调试。学生3的分解任务为：记录整个作业过程并记录制作及调试结果；整理出符合要求的课程作业报告。2. 课题学生团队的整体成果及每名学生的分解成果学生团队要求提交的整体成果：1、成果说明书（论文）（不少于5000字

3、）2、电路原理图及仿真结果，硬件电路及测试结果。3、课程作业说明书一份。每名学生要求提交的分解成果：学生1提交成果：硬件电路及测试结果。学生2提交成果：电路原理图及仿真结果。学生3提交成果：课程作业说明书一份。3.课题进展的督促与检查方法2017春季学期第5周，下达课程作业任务，第一阶段工作任务为查找资料，提出作业初步方案。2017春季学期第7周，由指导老师召集小组讨论课程作业方案，并明确下一阶段任务及分工；讨论时以学生为主导，每个学生需有自己的观点；指导老师只需把握原则及方向，并据学生在讨论中的表现给出成绩及评价。2017春季学期第9周，作业小组需向指导老师提供课程作业项目的理论论证计算及规

4、范化的设计电路图，讨论前期结果，总结任务完成情况，协调下阶段任务及分工。指导老师据学生表现给出成绩及评价。2017春季学期第11周，学生需提交仿真进展情况，并提交规范化元器件清单及元器件性能参数数据，做好硬件制作的准备及采购工作。指导老师据学生表现给出成绩及评价。2017春季学期12-13周，硬件制作调试，成果整理及提交，进行课程作业答辩和总体评价。指导教师负责人签章课程建设负责人签章数字逻辑信号测试器的设计摘要11设计框图及整体概述11.1原理框图1 1.2对原理框图的描述12各单元电路的设计方案及原理说明1 2.1输入及逻辑信号识别电路2 2.2音响信号产生电路22.3 音响驱动电路22.

5、4 参数计算、元器件选择42.5 整合电路图53 仿真调试过程及结果分析73.1 当输入的被测逻辑电平信号为9V时的波形73.2 当输入的被测逻辑电平信号为2.5V时的波形83.3 当输入的被测逻辑电平信号为0.3V时的波形94 硬件电路9 4.1 实物电路板94.2当输入的被测逻辑电平信号为9V时的波形104.3当输入的被测逻辑电平信号为2.5V时的波形114.4当输入的被测逻辑电平信号为0.3V时的波形12参考文献14附录15个人报告1个人报告2个人报告3数字逻辑信号测试器的设计学生：李毅然 高晨洋 白京指导老师：夏昌浩（三峡大学 电气与新能源学院）摘要：本课题采用电压比较器来对逻辑信号进

6、行识别与比较，随后将比较结果通过音响电路进行处理，最终通过蜂鸣器将电流信号转化为音频信号，使测试结果可以直观获取。关键词：逻辑电平、电压比较、音响电路1 设计框图及整体概述1.1原理框图逻辑信号识别比较电路音响产生电路音响信号放大电路Vi图1.逻辑信号测试器的原理框图1.2对原理框图的描述  1.2.1方案论证 如图1，逻辑信号测试器由三部分电路组成，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。 1.2.2实验步骤 

7、1）输入电压Vcc=5V。通过电阻分压得到高低两电平。 2）输入一个逻辑信号，比较两个运算放大器同相端与反相端电压的高低。若同相端电压高于反相端，则输出电压为5V；若反相端电压高于同相端，则输出电压为0V。3）两个输出电压再通过一个窗口比较器，若两个输出电压均为低电平，则输出Vo一直保持高电平，输出为一条直线；若一个高电平、一个低电平就会相应的在输出端形成矩形脉冲信号。2 各单元电路的设计方案及原理说明 2.1输入及逻辑信号识别电路 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R10和R11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

8、平。U3A和U4A组成的窗口比较器对输入信号进行检测识别，U3A的反相端为高电平值电位参考端，其电压值由电阻R6和R7分压后获得，记为VH。比较器的同相输入端高于反相输入端电压时，比较器输出为高电平（5V），反之，则比较器输出为低电平（0V）。在保证VH>VL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U3AU4AVi<VL<VH低高VL<Vi<VH低低Vi>VH>VL低低通过分析比较器的输出状态，就能够判断输入逻辑信号电平的高低。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、低电位之间音响不

9、发声。图2 输入及逻辑信号识别2.2音响信号产生电路图3 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，主要由两个比较器U5A和U6A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C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，U5A输出Vo通过电阻R15按指数规律为电容C4充电，达到稳态时电容C4的电压为高电平，U6A的同相端（5V）高于反

10、相端（3.5V），虽然输出为高电平，但是由于D6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=5V，VB=0V时： 此时二极管D4导通，电容C4通过电阻R1充电，Vc1按指数规律逐渐升高，由于U5A同相输入端电压为3.5V，则在Vc1未达到3.5V之前，U5A输出端电压保持为高电平。在Vc1升高到3.5V后，U5A的反相端电压高于同相端电压，U5A输出电压由5V跳变为0V，使C4通过电阻R15和U6A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，U5A的输出电压跳变为0V，二极管D3导通，C4通过D6和U6A的

11、输出电阻放电。因为U5A输出电阻很小，所以Vc1将迅速降到0V左右，这导致U5A反相端电压小于同相端电压，U5A的输出电压又跳变到5V，C1再一次充电，如此周而复始，就会在U5A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时相同，唯一区别在于D5导通时，VB高电平通过R2向C3充电，所以C3的充电时间常数改变了，使得Vo的周期会发生相应的变化。2.3 音响驱动电路 如图4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，故选去9012作为驱动管，可完全满足电路要求。图4 音响驱动电路2.

12、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=1.4V（一般在V=3.5V和V=0.8V中间位置选取）。因此V=(RR+R)Vcc=1.4VR= RRR+R20K解得 R=71K，R=27.6K根据分压公式得V=(RR+R) Vcc=3.5VR= R RR+R20K解得 R=29K R=68K同理 V=(RR+R) Vcc=0.8V R= R RR+R20K解得 R=68K R=12.8K根据电容电压公式得Vc1（t）=5(1-e) (t期间C充电)Vc2（t）=5e （t期间C放电）其中 输出Vo的周期T= t+ t t=-ln0.3=1.2

13、 t=-ln0.7=0.36 取=RC=0.5ms则当C=0.01uf时，R=C=0.5ms0.01=50K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 =1f=1ms代入=0.5 ms，得，= RC=0.68ms所以 R= C=6.8K被测信号为低电平时，音响频率为800HZ同理，计算求得R=8.9K2）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=30KR3=30K， R4=68KR5=68K， R6=13KR7=6.8K， R8=8.9KR9=9.1K， R10=5K

14、R11=10KC=0.1uf C=0.01uf 运算放大器：LM324AJ二极管：1N4148三极管：90122.5 整合电路图图5 数字逻辑信号测试器的全图3 仿真调试过程及结果分析按照仿真电路图6进行仿真, 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，是因为比较电压过高，为此我们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，因此又把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 仿真电路图改变输入逻辑信号的大小：3.1 当输入的被测逻辑电平信号为9V时的波形图7 R9的波形图8

15、 C1与蜂鸣器的波形3.2 当输入的被测逻辑电平信号为2.5V时的波形图9 R9的波形图10 C1与蜂鸣器的波形3.3 当输入的被测逻辑电平信号为0.3V时的波形图11 R9的波形图12 C1与蜂鸣器的波形4 硬件电路4.1 实物电路板图13 数字逻辑电平测试器4.2输入电压为9V时图14 输出电压U0的波形图15 电容C1的充放电波形:4.3输入电压为2.5V时图16 输出电压U0的波形：图17 电容C1的充放电波形4.4输入电压为0.3V时图18 输出电压U0的波形图19 电容C1的充放电波形参 考 文 献1、Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky著。模拟

16、电子技术 M北京：电子工业出版社，2012年。第163-167页。2、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。3、毕满清编。电子技术实验与课程设计。M北京：机械工业出版社，2015年。第163-167页。4、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。附录：元器件清单序号编号名称型号数量1U1、U2、U3、U4运算放大器LM32442T三极管PN513913D1、D2、D3二极管1N414834R2电阻75K15R1电阻30 K16R3电阻68 K17R4电阻13 K18R9电阻7

17、K19R10电阻9 K110R11电阻5 K111R13电阻10 K112R12电阻50 K113R6、R7、R8电阻60 K314R5电阻17 K115C1电容0.1uF116C2电容0.01uF117U5蜂鸣器118Vcc电源+5V10个15电子技术基础课程作业个人报告1李毅然在本次课程作业中，我学到了很多知识，不仅只是专业知识，还有做事的态度以及团队协作精神。在本项目的进行过程中，前期准备阶段较为顺利，然而，在仿真阶段，由于我们经验不足，准备不充分以及仿真系统存在问题，以至于多次仿真失败。然而，我们并没有放弃，从头开始，认真分析了电路原理，向老师请教，改进完善了仿真电路，使用其他仿真软件

18、，最终，获得了理想的仿真结果。在实物制作阶段，我们更是团结一致，由于仿真电路与实际电路存在些许差异，而且我们也是初次接触电路焊接，初期出现了一些问题，最终，在大家的共同努力下，完成了实物制作。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。希望学院将来可以给予我们更多的独立思考、亲身实践的课程作业机会。本次课程作业的成功，离不开指导老师夏教授的大力支持与帮助以及团队的通力协作，在此，我向夏教授与团队成员致以真挚的感谢！电子技术基础课程作业个人报告2高晨洋这次的课程设计给了我很多深刻体会，首先，这是我们第一次做课程设计，以前我们做过很多的实验，但它和课程设计有很大的不同，我们做实验就是在课上，在很短的时间做一个东西或验证某个定理，可以说老师的指导大于我们自己的思考，但是这个课程设计，不光要老师知道我们，更重要的我们要自己熟悉熟悉这个课题的每一部分，有自己的想法，关键时刻还得学会