逻辑电平测试器的课程设计.doc

逻辑信号电平测试器的设计 一、 课程设计的任务于目的 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）测量范围：低电平3V； （2）用 1.5KHz 的音响表示被测信号为高电平； （3）用 500Hz 的音响表示被测信号为低电平； （4）当被测信号在 13V 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 （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.撰写内容要求： （1）设计说明书一份（不少于 10 页） ； （2）整机电路图一份； （3）元件明细表一份； （4）正文层次分明、客观真实、绘图规范、书写工整、语言流畅； （5）设计中引用的参考文献不少于 5 篇； 目目 录录 前言前言 . 第一章第一章 电平绪论电平绪论 . 1.11.1 电平测试仪器及测试技术的发展状况电平测试仪器及测试技术的发展状况. 1.21.2 本文的主要工作本文的主要工作. 第二章第二章 声调提示的逻辑电平测试器的原理介绍声调提示的逻辑电平测试器的原理介绍 . 2.2.1 1 逻辑电平介绍及逻辑电平介绍及测试器的工作原理框图测试器的工作原理框图. 2.2.2 2 输入电路及逻辑判断电路原理输入电路及逻辑判断电路原理. 2.2.3 3 音调产生电路原理音调产生电路原理. 2.2.4 4 扬声器原理扬声器原理. 第三章第三章 各单元电路和整机电路的设计各单元电路和整机电路的设计 . 3.3.1 1 输入和逻辑判断电路的设计输入和逻辑判断电路的设计. 3.3.2 2 音响产生电路的设计音响产生电路的设计. 3.3.3 3 扬声器驱动电路的设计扬声器驱动电路的设计. 3.3.4 4 整机电路的设计整机电路的设计. 设计总结设计总结及心得体会及心得体会 . 参考文献参考文献 . 前前 言言 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 第一章第一章 电平绪论电平绪论 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。 1.11.1 电平测试仪器及测试技术的发展状况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 。 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。 仪表频率范围 200Hz1700kHz，分辨率 1Hz，频率误差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。 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。 4 1.21.2 本文的主要工作本文的主要工作 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。本文按照不同的内容，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；第二章介绍了标准电平，分析了 所用电路的基本原理；第三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。 第二章第二章 声调提示的逻辑电平测试器的原理介绍声调提示的逻辑电平测试器的原理介绍 2.12.1 逻辑电平介绍及测试器的工作原理框图逻辑电平介绍及测试器的工作原理框图 下图 2-1 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 音响声调产 生电路 电源 逻辑状态 判断电路 图 2-1 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。 电平测试器技术指标 (1)测量范围： 低电平3V (2)用 1.5kHz 的音响表示被测信号为高电平 (3)用 500Hz 的音响表示被测信号为低电平 (4)当被测信号在 1V3V 之间时，不发出音响 (5)输入电阻大于 20k (6)工作电源 5V 2.22.2 输入电路及逻辑判断电路原理输入电路及逻辑判断电路原理 图 2-2 为测试输入和逻辑判断电路原理图。 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 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。 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。 R1 5V UI R2 2 3 1 411 A 1A 2 3 1 411 A 2A VCC R4 R3 VCC D1 D2 R5 5V A B UI 图 2-2 输入和逻辑判断电路 2.32.3 音调产生电路原理音调产生电路原理 图 2-3 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。 R6 R7 R9 D3 D4 2 3 1 411 A 3A 2 3 1 411 A 4A 5V VCC R8 UC1 C1 UC2 C2 D5 A B U0 3.5V 图 2-3 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将保持 0V 的电压不变，使 A3输 出为高电平。 7 (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+rO3)，其中 rO3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(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的波形如图 2-4 所示。 3.V t uC1 uC2 3V 5V t t2t1 u0 t 2.42.4 扬声器原理扬声器原理 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。 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。 第三章第三章 各单元电路和整机电路的设计各单元电路和整机电路的设计 3.13.1 输入和逻辑判断电路的设计输入和逻辑判断电路的设计 75K R1 5V UI 30K R2 2 3 1 411 A 1A 2 3 1 411 A 2A VCC 68K R4 30K R3 VCC D1 D2 4.7K R5 5V A B UI 图 3-9 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，UI=1.4V。根据技术指标要求输入电阻大于 20k，因此可 得： *VCC=1.4V (3-1) 21 2 RR R 20k (3-2) 21 21* RR RR 可求出 R1=71k R2=27.6k 联系列值 R1=75k R2=30k R3 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 *VCC3V 43 3 RR R (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 R4=68k，根据公式 *VCC3V 其中 VCC=5V (3-4) 43 3 RR R 可得到：R329k,取 R3=30k。 R5为二极管 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=4.7k。 3.23.2 音响产生电路的设计音响产生电路的设计 6.8K R6 8.9K R7 50K R9 D3 D4 2 3 1 411 A 3A 2 3 1 411 A 4A VCC VCC R8 UC1 C1 UC2 C2 D5 A B U0 30K R11 5V 68K R10 3.5V 图 3-10 为音响产生电路的电路图 图 3-10 中 R10和 R11的作用与图中的 R3和 R4的作用相同。取 R10=68k R11=30k。D3，D4和 D5均为锗二极管 2AP9. 我们选取 =0.5ms 2 因为 =R9*C2 2 选取 C2=0.01uF 所以 R9=50k 2 2 C 0.01uF 0.5ms 又因 T=t1+t2=1.2+0.36=1.2+0.18*10 1 2 1 3 根据给定要求 =R6*C1 (被测信号为高电平) 1 或 =R7*C1 (被测信号为低电平) 1 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 1.5kHz；被测信号为低电平时，音响频率为 500Hz。所以被测信号为 高电平时 因为 T=0.8ms f 1 所以 1.2+0.36=1*10 1 2 3 1.2+0.18*10 =1*10 1 33 0.68ms 1 R6=k 1 1 C 6 3 10*1 . 0 10*68 . 0 所以 R6=6.8k 当被测信号为低电平时，音响频率为 500Hz，此时 因为 T= ms=0.2ms f 1 5 1 所以 1.2+0.18*10 =1*10 1 33 0.89ms 1 R6=8.9k 1 1 C 6 3 10*1 . 0 10*89 . 0 3.33.3 扬声器驱动电路的设计扬声器驱动电路的设计 2 3 1 411 A 1A VCC R A B 3DG12 5V 图 3-11 驱动电路 驱动电路 3-11 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。 3.43.4 整机电路的设计整机电路的设计 2 3 1 411 A 1A 2 3 1 411 A 2A D1 D2 UI 5V R1 R5 R2 R4 R3 5V 5V VCC VCC R6 R7 D3 D4 2 3 1 411 A 3A 2 3 1 411 A 4A VCC VCC D5 R8 C1 R9 R10 C2 3DG12 5V 3-12 声调提示的逻辑电平测试器的整机电路 图 3-12 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 12 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 LM324 集成运放 芯片。 设计总结设计总结及心得体会及心得体会 经过一周努力逻辑电平测试器的设计得以完成，我们的设计主要采用了 逻辑电平标准，放大器，电路设计的方面的知识。在这个过程中我完成了对 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。 该设计的原理就是通过 LM324 进行电平(电压)比较及通过