逻辑电平测试器的课程设计报告书

1、逻辑信号电平测试器的设计一、 课程设计的任务与目的学生通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在模拟电子技术 中所学的理论知识和实验技能，掌握常用的模拟电路的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力，为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。二、 课程设计的基本要求1. 掌握电子电路分析和设计的基本方法。包括：根据设计任务和指标初选电路；调查研究和设计计算确定电路方案；选择元件、安装电路、调试改进；分析实验结果、写出设计总结报告。2. 培养一定的自学能力、独立分析问题的能力和解决问题的能力。包括：学会自己分析解决问题的方法；对设计中遇到的问题，能通过独立思考、查询工具书和

2、参考文献来寻找解决方案，掌握电路测试的一般规律；能通过观察、判断、实验、在判断的基本方法解决实验中出现的一般故障；能对实验结果独立的进行分析，进而做出恰当的评价。3. 掌握普通电子电路的生产流程及安装、布线、焊接等基本技能。4. 巩固常用电子仪器的正确使用方法，掌握常用电子器件的测试技能。.5. 通过严格的科学训练和设计实践，逐步树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风，并逐步建立正确的生产观、经济观和全局观。三、 课设计任务（一） 设计目的学习逻辑信号电平测试器的设计方法。（二）设计要求和技术指标在检修数字集成电路组成的设备时， 经常需要使用万用表对电路的故障部位的高低电平进行测量， 以便

3、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低和被测信号的周期，但使用者必须一面用眼睛看着万用表的表盘或者示波器的屏幕，一面寻找测试点， 因此使用起来很不方便。 本课题所设计的一起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来表示， 使用者无需分神去看万用表的表盘或示波器的荧光屏。1. 技术指标（ 1）测量围：低电平 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 0.8 3.5V 之间时，不发出音响；（ 5）输入电阻大于 20k；（ 6）工作电源为 5V；.2设计要求（

4、 1）进行方案论证及方案比较；（ 2）分析电路的组成及工作原理；（ 3）进行单元电路设计计算；（ 4）画出整机电路图；（ 5）写出元件明细表；（ 6）小结和讨论；（ 7）写出对本设计的心得体会；3. 撰写容要求：（ 1）设计说明书一份（不少于 10 页）；（ 2）整机电路图一份（ B5 纸）；（ 3）元件明细表一份；（ 4）正文层次分明、客观真实、绘图规、书写工整、语言流畅；（ 5）设计中引用的参考文献不少于 5 篇；.目录前言 . .1第一章 电平绪论 .21.1电平测试仪器及测试技术的发展状况 .21.2本文的主要工作 .4第二章 方案设计及比较 .52.1方案一 .52.2方案二 .62

5、.3方案三 .72.4方案比较 .9第三章 声调提示的逻辑电平测试器的原理介绍 .93.1逻辑电平介绍及测试器的工作原理框图 .93.2输入电路及逻辑判断电路原理 .103.3音调产生电路原理 .123.4扬声器原理 .14第四章 各单元电路和整机电路的设计 .154.1输入和逻辑判断电路的设计 .154.2音响产生电路的设计 .174.3扬声器驱动电路的设计 .194.4元器件的选择 .204.5整机电路的设计 .21设计总结及心得体会 .22参考文献 . .23.前言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高低电平进行测量，以便分析故障的原因。使用这

6、些仪器能较准确的测出被测点信号的电平的高低和被测电平的周期，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。声调提示的逻辑电平测试器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的声调的声音表示，使用者不需分神去看万用表的表盘或示波器的荧光屏。该测试器采用运算放大器作电压比较器进行电平判断， 根据电平高低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。 通过对基准电压的设定， 可以对常用的电平标准 TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS等进行测试判断。关键词：放大器；逻辑电平；测试 ；声调提示.第一

7、章电平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

8、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 1 。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。仪表频率围 200Hz 1700kHz，分辨率 1Hz，频

9、率误差 310-6 ，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

10、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。.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

11、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 (

12、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 4 。1.2本文的主要工作本文主要完成的是声调提示的逻辑电平测试器的原理、各单.元的电路的设计过程、 所用到的电子元器件的介绍。 本文按照不同的容，分三个章节进行组织。 第一章为绪论， 介绍了声调逻辑电平测试器的用途及产生背景， 同时给出了目前电平测试仪表的发展状况；第二章介绍了几种方案及其比较， 第三章介绍了标准电平，分析了所用电路的基本原理； 第四章详细介绍了各个单元和完整电路的设计过程，设计电路原理图；最后设计总结。第二章方案设计及比较2.1 方案一Vi输入电路逻辑信号识示波器显示别电路波形电路方案一设

13、计方框图电路如图所示，该电路的输入信号Vi 通过输入电路后，进入逻辑信号识别电路， 经过该电路的识别比较， 将信号分为高低电平两种信号， 在通过二极管的限流， 在示波器上将该波形显示出来。具体电路下图所示。.2.2 方案二方案二设计方框图如图所示：该电路由四部分组成， 即输入电路， 逻辑信号识别电路，音响信号产生电路和扬声器，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两个信号分别输入音响信号产生电路，在音响信号产生电路中， 通.过两个电容的充， 放电过程，产生不同频率的脉冲信号， 不同频率的脉冲信

14、号使得扬声器发出不同的响声，通过响声的不同来区分高低电平的不同。具体电路下图所示。2.3方案三.方案三设计方框图原理图如方案二，输入电路域逻辑判断电路域方案二相同，不同的地方在于音响产生电路。具体电路如下图所示。其中 555 定时器构成多谐振荡器，震荡频率为其输出信号经三极管推动扬声器。 PR 为控制信号，由逻辑信号识别电路输出得到。当输入为高电平时，多谢振荡器工作；反之，电路停振。.2.4 方案比较方案三用到了 555 定时器，相对于方案一和方案二简单， 在通过频率相对应的阻值上简单， 但考虑到了其成本较高， 所以采用方案一和方案二。但由于方案一只是简单的对于高低电平的判断，并且在读取实验数

15、据的过程中，一边要看设备的屏幕， 另外还要注意，设备的工作情况，使用起来十分的不方便，并且，方案一的成本也很高。故本次课程设计中选取方案二作为本次课程设计的主要方案。第三章声调提示的逻辑电平测试器的原理介绍3.1 逻辑电平介绍及测试器的工作原理框图下图 3-1 为测试器的工作原理框图。 本测试器采用运算放大器做电压比较， 对电平进行测量。 由下图可以看出电路由五部分组成。即：输入电路、逻辑状态判断电路、音响电路、发音电路和电源。.输入电路逻辑状态音响声调产判断电路生电路电源图 3-1 测试器的工作原理框图以上工作原理框图可使用与不同标准的电平的测试，高电平为大于 3V，低电平为小于1V。电平测

16、试器技术指标(1) 测量围：低电平 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 0.8V3.5V 之间时，不发出音响(5) 输入电阻大于 20k(6) 工作电源 5V3.2输入电路及逻辑判断电路原理图 3-2 为测试输入和逻辑判断电路原理图。图 3-2 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 1V 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。

17、当被测电压 U1 小于 1V 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1V-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的比例可以控制高电平的围，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。图 3

18、-2 输入和逻辑判断电路.3.3音调产生电路原理图 3-3 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 3-3 音调产生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

19、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 3V，所以在 UC1 达到 3V 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+r O3) ，其中 r O3为 A3 的输出电阻。 假设 12，则在 C1 和 C2 充电时，当 UC1 达到 3V 时， UC2 已接近稳态时 5V。因此在 UC1 升高到 3V 后， A3 同相端电压小于反

20、相端电压， A3 输出电压由 5V 跳变为 0V,使 C2 通过 R9 和 r O3放电，UC2 由 5V 逐渐降低。当 UC2 降到小于 A4 反相端电压 (3V) 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 的波形如下图所示。uC13.VtuC25V3Vt.u0tt1t23.4扬声器原理扬声器主要有永

21、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9。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 10 。不同规格、口径的扬声器能够发出不同的音调，( 不同频率围的 ) ，不可能全频段都

22、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。第四章各单元电路和整机电路的设计4.1输入和逻辑判断电路的设计图 4-1 输入和逻辑判断电路输入和逻辑判断电路如图所示。输入电路由R1 和 R2 组成。电路作用时保证测示器输入端悬空时，U1 即不是高电平， 也不是.低电平。一般情况下，在输入端悬空时，IU

23、=1.4V。根据技术指标要求输入电阻大于 20k，因此可得：R2*VCC=1.4VR1R2(3-1)R1* R220kR1R2(3-2)可求出R=71k R =27.6k 12联系列值R=75k R =30k12R3 和 R4 的作用是给A1 的反相端提供一个3.5V 的电压 ( 高电平的基准 ) 。因此只要保证R3CC3.5VR3*VR4(3-3)即可R3，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数百千欧间选取。因此选取R3=68k，根据公式R3*VCC3.5V其中 VCC=5V(3-4)R3R4可得到： R329k, 取 R4=30k。R5 为二极管

24、D1，D2 的限流电阻。 D1 和 D2 的作用是提供低电平.信号基准，按给定技术指标低电平为1V，取 D1 为锗二极管， D2为硅二极管，这样可使A2 同相端电压为1V。取 R5=4.7 k。4.2音响产生电路的设计图 4-2 为音响产生电路的电路图图 4-2 中 R10 和 R11 的作用与图中的 R3 和 R4 的作用相同。取R10=68k R 11=30k。 D3，D4 和 D5 均为锗二极管 2AP9.我们选取2 =0.6ms因为29*C2=R选取 C 2=0.01uF所以R9=2 = 0.5ms =60kC2 0.01uF又因T=t1+t 2=1.21 +0.36 2 =1.2 1

25、 +0.216*10 3.根据给定要求1=R*C( 被测信号为高电平 )61或17*C1( 被测信号为低电平 )=R我们选取 C1=0.1uF，由于技术指标中给定当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。所以被测信号为高电平时因为T=1 =1msf所以1.21+0.362 =1*10 31.21+0.18*103 =1*10 31 0.6 5msR6= 1 = 0.65* 1063kC10.1* 10所以R6=6.5 k当被测信号为低电平时，音响频率为800Hz，此时因为T=1 = 1 ms=1.25msf 800所以1.21 +0.216*10 3

26、=1.25*10 31 0.8 6ms= 0.86* 103R7= 16=8.6 kC10.1* 10.4.3扬声器驱动电路的设计图 4-1 驱动电路驱动电路 4-1 如图所示。由于驱动电路的工作电源电压比较低，因为对三级管的耐压要求不高。选取3DG12为驱动管， R为限流电阻，本电路选取R=10k.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500Hz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。.4.4 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=30KR3=30K ，R4=68KR

27、5=4.5K，R6=6.5KR7=8.6K，R8=8.9KR9=60K ，R10=68KR11=30K ,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.4.5 整机电路的设计4-5 声调提示的逻辑电平测试器的整机电路图 4-5 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 3V，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=1V) 电平为例，则设置 U1=2V，U2=1V。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 LM32