逻辑信号电平测试器的设计

1、逻辑信号电平测试器的设计第一章绪论随着电子技术和其他高技术的飞速发展，致使工业、农业、科技国防等领域以及人们社会生活发生了令人瞩目的变革。电子元器件和集成电路的发展，使各种电器，电子仪表设备微型化，多功能化和更加灵活。随之而来的电路测试和检测问题也应运而生，电平测试器就是在检修数字集成电路时经常用到的工具，人们也时常用万用表和示波器对电平中的故障部位的高低电平进行测量，都不如专用的逻辑电平测试器使用起来方便，快捷，电平测试器可以做成电平测试笔，便于携带和使用，采用声音或光色对电平高低加以提示，使得人们不用盯着显示器读数，直接得到结果。1.1设计的主要目的1.1.1学习逻辑信号电平测试器的设计方

2、法；1.1.2掌握其各单元电路的设计与测试方法；1.1.3进一步熟悉电子线路系统的装调技术。1.2课题研究及其意义在平常的实验中，经常要遇到测试一些数字电路的电平信号；在测试这些数字电路或是检测其功能的时候要测试其是高电平还是低电平，以方便后续的维修和检验。一般来说检测信号的时候都是要利用万用表和示波器来进行检测和判断，但是这只是一个简单的判断，而其操作起来比较繁琐，一边要看设备的屏幕，另外还要注意设备的工作状况，稍有疏忽就会导致检测不准确，从而影响到器件的制作。所以想到了是否可以制作一个简单的电子电路用来方便判断数字电路的信号的输出状况，不仅可以准确的测试出高、低电平，而且也不用那么繁琐的操

3、作，再进过仔细的研究和反复的实验中，制作成了一个逻辑电平测试器，其目的就是一种可以简单判断是高电平还是低电平的逻辑电路。1.3电平测试仪器及测试技术的发展状况目前市场中所使用的电平测试仪的性能以向智能化、数字化、操作简单化方向发展。如GK5110数字电平综合测试仪(高频通道测试仪)是集振荡器、宽频电平表、选频电平表、杂音仪、阻抗表、载波通道自动测试仪、频率计等为一体的多功能仪表。仪表采用国际先进的双DDS技术、带flashROM的单片机、温补晶振TCXO，以及大规模集成的特殊电路开发成功的智能型、全数字化仪表。仪表测量精度高，电平稳定，具有自动量程、自动电平校正、自动快速搜索、近端单机和远端双

4、机同步自动测试，测量结果具有数字和模拟两种指示，数据可存储，并通过RS232接口上传PC机，打印输出。仪表频率范围200Hz1700kHz，分辨率1Hz，频率误差±3×10-6，适用于平衡和同轴电缆FDM系统以及无线链路和卫星系统的基带电平测量，可广泛用于电力、邮电、铁路、等通信部门。由于发信的高电平(+18dB)和收信的高电平(+50dB)输入测量，以及输出口的自动保护功能，使仪表特别适用于电力载波、保护设备以及电力线载波通道的测试。例如高压输电线路、变电站等场所的电力线载波通道进行电平、衰减、串杂音、阻抗等高频参数测试，以及电力通信结合设备高频阻波器、结合滤波器、高频电

5、缆的开通维护测试。性能及特点：全数字化，大屏幕高清晰LCD汉字图形显示，菜单式操作。发信电平-77.9dB+18dB，具有良好的频响和电平稳定度，输出纯度极高，是理想的高质量信号源。输出口设有自动保护电路，不会因强信号灌入而损坏输出电路，特别适用于继电保护高频收、发信机测试。收信电平测量范围+50dB-100dB，分辨率0.01dB，具有自动量程、自动校正，电平测量稳定，精确度高。测量结果有数字和模拟棒两种指示。备有各种输出、输入阻抗，适于与通信设备作终端或跨接测量。具有dB和dBm两种测量单位，可根据需要切换，直接显示而不用换算。具有25Hz和1.74kHz两种选频带宽，良好的选择性和极低的

6、固有失真，使电平表不仅作电平和串杂音测量，还可作波形分析。采用1.74kHz带宽可长期监测线路衡重杂音电平。"AFC"功能可全频段跟踪被测信号，自动搜索功能快速准确地搜寻测量未知信号的电平和频率。近端单机自动环测，远端双机自动同步对测，自动测量载波通道，高频保护通道的电平、衰减、幅频特性、衡重杂音、线路阻抗等高频参数。且具有RS232串行接口，数据可存储并上传PC机打印输出。下面介绍一种用频谱分析测量数字信号电平的技术。在数字电视、数字传输、数据通信中，其信号是采用多种调制方式的数字信号，这时的数字信号电平已不能用一般传统的方法来定度和测量，本文将引入每赫兹带宽功率(dBm

7、V/Hz)法解决数字电平测量。电压是电子学的基本参数，也称电平。电平和电压是同一个参数，一般来说，它们的区别在于单位不同。电压是以伏(V)作单位，如V、mV、V、kV等；电平是以dB作单位，如dBv、dBmV、dBV等。电信号的电平，一般都是用正弦波的有效值为基准，以热电偶测量功率来定度它的电压值(电平值)，我们也叫做电平(电压)的有效值。这就是说信号电平和功率之间是以热电偶所产生的热量来联系的。我们知道，电功率是与信号波形无关的，而对于电平来说，我们所定度的正弦波那一定是无失真正弦波，否则要引入误差。为了准确地测量信号的电平，一般正弦波信号不言而喻地用常规电平表示测量有效值，如果是脉冲信号则

8、一般测量它的峰值。在电视信号测试中，因为视频信号相当复杂，其信号大小是以行同步脉冲的峰值来定度，因此测定行同步脉冲峰值。随着数字技术的发展，数字通信、计算机网路，数字电视的发展，各种调制的数字信号出现，它们怎样测量，这是一个非常重要的问题。目前常见的数字信号有FSK、PSK、ASK、CDMA、TDMA、FDMA、QPSK、QAM等。从测量的角度来看，无论那种调制数字信号，都可以把它当作在一定带宽内的噪声来对待。因此，我们用每赫兹功率电平(dBmV/Hz)的概念，将一定带宽的功率来表征信道的功率(dBmV)，笔者称为平均功率电平。像频谱仪通常是测量正弦波的电平有效值，来表征电平。第二章逻辑电平测

9、试器的简单介绍2.1大概要求和技术指标2.1.1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0.83.5V之间时，不发出音响；(5)输入电阻大于20K；(6)工作电源为5V。2.1.2设计要求：(1)设计输入与逻辑判断电路、音响产生电路和扬声器驱动电路；(2)选定元器件和参数，并绘制电路原理图；(3)在万能板或面包板或PCB板上进行电路安装调试；(4)拟定测试方案并进行测试；(5)撰写设计报告。2.2测试器的原理框图由图可知，电路由五部分组成：输入电路、逻辑状态判断电路、音

10、响电路、发音电路和电源。2.3输入电路及逻辑判断电路原理图2-1为测试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电压，使A1输出端UA为低电平(0V)。图2-1输入和逻辑判断电路A2反相端电压小于同相端电压，使它输出端U

11、B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。2.4音调产生电路原理图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成。图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。2.4.1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，

12、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。2.4.2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1=C1*R6，C2的充电时间常数2=C2(R9+rO3)，其中rO3为A3的输出电阻。假设12，则在C1和C2充电时，当UC1

13、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2-3所示。由图1-3可以看出A3的输出电压UO的周期T=t1+t2(2-1)根据一阶电

14、路的响应特点可知，在t1期间电容C1充电，UC1(t)=5(1-e)，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：t1=-1.2(2-2)t2=-0.36(2-3)这就是说只要改变时间常数，即可改变UO的周期。2.4.3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。2.5扬声驱动电路原理图2.4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

15、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

16、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。第三章逻辑电平测试器的设计思路3.1集成运算放大器电路设计介绍3.1.1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，

17、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

18、同，如图3-1，LM324的引脚排列见图3-2。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。3.1.2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，运放输出低电平。图3-3比较器电路设计附图中使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R1组成分压电路，为运放A1设定比较

19、电平U1；电阻R2、R2组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2。输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当Ui U1时，运放A1输出高电平；当Ui U2时，运放A2输出高电平。运放A1、A2只要有一个输出高电平，晶体管BG1就会导通，发光二极管LED就会点亮。若选择U1 U2，则当输入电压Ui越出U2，U1区间范围时，LED点亮，这便是一个电压双限指示器。若选择U2 U1，则当输入电压在U2，U1区间范围时，LED点亮，这是一个"窗口"电压指示器。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。3.2输入和逻辑判断电路

20、的设计输入和逻辑判断电路如图3-4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。根据技术指标要求输入电阻大于20K，因此可得：从而可确定R1和R2阻值。可解得：R1=71kR2=27.6k取联系值：R1=75kR=30k图3-4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R4=68k，可得到：R329k,取R3=30k。R

21、5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，按给定技术指标可取一只锗二极管和一只硅二极管。可取：R5=10k3.3音响产生电路的设计图3-5为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。三个二极管可选用锗二极管如2AP9。根据公式：我们选取因为选取从而可以确定R9阻值，有：R9=50k又因为：图3-5音响产生电路单元电路图根据给定要求，(被测信号为高电平)或(被测信号为低电平)我们选取，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，因为所以

22、从而可以确定1.2+0.36=1*10 1.2+0.18*10=1*10得0.68ms R6=k图3-6扬声器驱动电路所以R6=6.8k根据低电平时的音响频率值，则可确定R7的值勤为9.1k。3.4扬声器驱动电路的设计扬声器驱动电路如图3-6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。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。3.5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

23、。即：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3.6整体电路的设计3-7声调提示的逻辑电平测试器的整机电路图3-7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3

24、.5V，U2设定为0.8V。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=0.8V)电平为例，则设置U1=2V，U2=0.8V。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。第四章对逻辑电平测试器的检测和调试4.1检验电路各部分是否导通按照电路图连接仿真电路

25、，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图4-1 4.2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3.5V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1Khz，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

26、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0.8V小于当3.5V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0.8V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

27、计要求。其周期为1.23ms,说以频率在800H左右符合设计要求。图4-8 4.3记录参数并总结分析由测试结果可知：(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0.8V小于当3.5V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0.8V时的波形时：

28、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800HZ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、输出状态关系输入U1(VA)U2(VB)Vi VL VH低高VL Vi VH低低Vi VH VL高低第五章设计总结这学期刚接触模拟电子技术这本书，也是在这学期的试验中对Protel这个仿真软件有了初步的了解。因为都是刚学，没有任何的基础可言，也没有什么捷径能走，所以对这门课程和这个实用的软件还存在很多的不理解的地方。恰好，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

29、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，成功进行了仿真。在这次的设计过程中最大的体会就是要考虑问题要全面，因为一个小小的差错都会导致测试的失败，不能得出正确的电路。还有就是要有团队协作精神，三个人要进行合理的