毕业设计（论文）-逻辑信号测试仪的设计--电路设计与原理图绘制.doc

北京电子科技职业学院电信工程学院毕业论文 毕业设计（论文）设计（论文）题目 逻辑信号测试仪的设计电路设计与原理图绘制学 院 电信工程学院 教 学 系 通信技术系 班 级 09通信技术2班 姓 名 指导教师 2012 年 3 月逻辑信号测试仪的设计-电路设计与原理图绘制摘要: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。本文介绍了一个逻辑信号电平测试仪，它可以方便快捷的测量某一点的电位的高低，通过二极管发光的颜色来判定被测电位的电平范围，从而能解决平常障对电路中某点的逻辑电平进行测试其高低电平时，采用很不方便的万用表或示波器等仪器仪表的麻烦。该测试仪采用运算放大器作电压比较器进行电平判断，根据电平高低的比较，使发光二级管有相应不同的颜色输出提示。从而达到了测试效果。关键词: 逻辑信号 电平测试 电压比较器 直流电源 目录绪论21、 课题意义及发展现状3 1.1、 设计的主要目的31.2、课题研究及其意义31.3、电平测试仪器及测试技术的发展状况32 、逻辑信号测试仪的设计简介62.1、技术指标和设计要求62.1.1、 技术指标62.1.2 、设计要求62.2、测试仪的原理框图63 、逻辑信号测试仪的电路设计73.1、 输入电路及逻辑判断电路设计73.1.1、 集成运算放大器电路设计介绍83.1.2 、输入和逻辑判断电路的电子器件值103.2、 发光电路设计113.3、 电源电路设计123.3.1、整流电路部分123.3.2、滤波电路部分123.3.3、稳压电路部分133.3.4、稳压电源总电路图133.4 、整体电路的设计图纸及PCB板134 、Protel99SE简介15结论16致谢17参考文献18 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，电平测试仪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仪使用起来方便，快捷，电平测试仪可以做成电平测试笔，便于携带和使用，采用光色或声音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。本次所做的课程设计就是数字逻辑信号测试仪，讲述了电路各部分的设计原理及所能实现的功能 ,直流稳压电源要求对变压器、整流器、滤波器、稳压器的熟悉掌握，并能加以运用，逻辑设计要求对芯片引脚连接关系熟悉，能判断逻辑关系。毕业设计的目的是培养学生综合运用所学的理论、知识和技能，提高学生分析和解决实际问题的能力。掌握科学研究基本方法，培养综合实践能力，创新发展能力，进一步巩固基本的专业知识，培养学生具有自学能力、团队合作精神和严谨的工作作风，为学生毕业后从事电子设备和信息系统的维护、调试、销售和管理等工作进一步打下基础。通过数字逻辑信号测试仪的设计与制作，培养学生综合运用所学知识的能力，使学生受到产品研制过程从资料收集、课题设计、产品制作、调试、撰写技术报告等方面一系列过程的基本训练。1 课题意义及发展现状1.1、 设计的主要目的 1 学习逻辑信号测试仪的设计方法；2掌握其各单元电路的设计与PCB板绘制软件的技巧；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仪，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。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(dBmV/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。2 、逻辑信号测试仪的设计简介2.1、技术指标和设计要求2.1.1、 技术指标（1）测量范围：低电平2.5V；（2）用绿色发光二极管亮 表示被测信号为高电平；（3）用红色发光二极管亮 表示被测信号为低电平；（4）输入电阻大于20K；（5）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、发光电路和电源分配电路；（2）选定元器件和参数，并绘制电路原理图；（3）撰写设计报告。2.2、测试仪的原理框图 图2-2由图2-2可知，电路由四部分组成：输入电路和逻辑状态判断电路、发光电路、电源电路。3、 逻辑信号测试仪的电路设计3.1 、输入电路及逻辑判断电路设计 右图为测试输入和逻辑判断电路原理图。电路如图所示，Vi为输入的电平信号，U1A、U 2A组成双相比较器对输入信号进行检测识别。U1A的同相输入端为高电平阀值电位参考端，其电压值由POT1变压获得，为2.5V。U2A的反向端为低电平阀指点为参考端，其值由POT2变压获得，为0.7V。当输入电压大于U1A比较器同相输入端电压时，U1A比较器输出电压为低电平，反之输出为高电平。当输入电压小于U2 A比较器反相输入端电压时，U2A比较器输出电压为低电平，反之输出为高电平。具体逻辑判断关系如下表所示。输入输出VA输出VBVi2.5V0V5V 图3-1 测试输入和逻辑判断电路原理图 在Vin2.5V时，U1A反向端大于同相端，U1A输出低电平，绿灯亮。当Vin0.7V时，U2A输出为高电压。在VinVB；在t1t2时，VBVA；在t2t3时，VAVB。在这种情况下，Volt的输出如图3-1-3 (c)所示：VAVB时，Volt输出高电平(饱和输出)；VBVA时，Volt输出低电平。根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。图3-1-3 电压比较器输入输出关系图由于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。附图3-1-4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Uri U1时，运放A1输出高电平；当Uri U2，则当输入电压Uri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。 图3-1-4 电压双限比较器电路图3.1.2、 计算输入和逻辑判断电路的电阻值.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仪输入端悬空时，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。 图3-4 输入和逻辑判断单元电路可解得： R1=71.428k R2=27.778k取联系值： R1=75k R2=30k R3和R4的作用是给A1的反相输入端提供一个2.5V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=25k，可得到：R320k,取R3=25k。 R5R6的作用是提供低电平信号基准(电流i=20ma)，可取：R6=150k；R5=900k3.2、 发光电路设计 图3-2-1发光电路3.2.1、发光二级管发光所需达到的几个基本要求（1）发光二极管完好未损坏。（2）正向工作电流。（3）达到二极管最低工作电压。（4）发光二极管工作电流稳定不被击穿。3.2.2、简单介绍发光二极管工作原理不同种类的发光二极管的最大正向电流是不一样的。我们常用的直径5mm的发光二极管的最大正向电流一般都是25mA，实际应用中常工作在20mA。为了保证发光二极管能够可靠稳定工作，很多场合都要求采用恒流技术来进行发光二极管的驱动。发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。3.3、 电源电路设计3.3.1、整流电路部分经过变压器变压后的仍然是交流电，需要转换为直流电才能提供给后级电路，这个转换电路就是整流电路。在直流稳压电源中利用二极管的单项导电特性，将方向变化的交流电整流为直流电。典型的如桥式整流电路。这种整流电路使用普通的变压器，但是比全波整流多用了两个整流二极管。由于四个整流二极管连接成电桥形式，所以称这种整流电路为桥式整流电路。如图图3-3-1 整流电路图3.3.2 、 滤波电路部分交流电经过整流后得到的是脉动直流，这样的直流电源由于所含交流纹波很大，不能直接用作电子电路的电源。滤波电路可以大大降低这种交流纹波成份，让整流后的电压波形变得比较平滑。之所以使用电容滤波电路是利用电容的充放电原理来达到滤波的作用。在脉动直流波形的上升段，电容C1充电，由于充电时间常数很小，所以充电速度很快；在脉动直流波形的下降段，电容C1放电，由于放电时间常数很大，所以放电速度很慢。在C1还没有完全放电时再次开始进行充电。这样通过电容的反复充放电实现了滤波作用。选取滤波电容C的大小与负载RL和脉动电压的频率有关。图3-3-2 滤波电路图3.3.3、稳压电路部分稳压电路：其作用是当交流电网电压波动或负载变化时，保证输出直流电压的稳定。简单的稳压电路可采用稳压管来实现，在稳压性能要求较高的场合，可采用串联反馈式稳压电路（包括基准电压、取样电路、放大电路和调整管部分）。目前市场上通用的集成稳压电路已非常普遍。集成稳压电路与分立元件组成的稳压电路相比，具有外接电路简单，使用方便、体积小、工作可靠等优点。常用的集成稳压器有三端固定集成稳压器和三端可调集成稳压器，它们都属于电压串联反馈型。3.3.4、稳压电源总电路图 图3-3-4 直流稳压电源电路原理图在图3-3-4中，LM317输出电流为1.5A，输出电压可在1.2537V之间连续调节，其输出电压由两只外接电阻R1、RP1决定，输出端和调整端之间的电压差为1.25V，这个电压将产生几毫安的电流，经R1、RP1到地，在RP1上分得的电压加到调整端，通过改变RP1就能改变输出电压。注意，为了得到稳定的输出电压，流经R1的电流小于3.5mA，一般R1应小于240欧姆。LM317在不加散热器时最大功耗为2W，加上2002004mm3散热板时其最大功耗可达15W。VD1为保护二极管，防止稳压器输出端短路而损坏IC，VD2用于防止输入短路而损坏集成电路为保证稳压器的输出性能。在图3-3-5中，R1两端的1.25V恒定电压产生的恒定电流流过R1和R2，在R2上产生的电压加到ADJ端。此时，输出电压Vo取决于R1和R2的比值，当R2阻值增大时，输出电压升高，即：Uo=1.25(R1+R2)/R2 图3-3-5 LM317工作原理图3.4 、整体电路的设计图纸及PCB板图3-4-1 直流稳压电源原理图图3-4-2 测试仪电路原理图 图3-4-3 直流电源PCB板图图3-4-4 测试仪电路PCB板图4 、Protel99SE简介Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。 最新版本的Protel软件可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel(PCAD)等知名EDA公司设计文件，以便用户顺利过渡到新的EDA平台。Protel99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层,是个完整的板级全方位电子设计系统，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100布通率。Protel99SE在仿真方面的特点： Protel99SE软件中提供了SIM99se数模混合仿真器集成软件可以对许多电子线路进行模拟设计，模拟运行，反复修改。提供了接近6000各仿真元件和大量的数学模型期间，可以对电工电路，低频电子线路、高频电子线路和脉冲数字电路在一定范围内进行仿真分析。 仿真结果以多种图形方式输出，直观明了，可以单图精细分析，也可以多图综合比较分析、并可通过不同的角度进行分析，以获得对电路设计的准确判断。Protel99se仿真方面其具有的特点有：l 强大的分析功能用户可以根据Protel99SE电路仿真器所提供的功能，分析设计电路的各方面性能，如电路的交直流特性、温度漂移、噪声、失真、容差、最坏情况等特性。l 丰富的信号源 其中包括基本信号源：直流源、正弦源、脉冲源、指数源、单频调频源、分段线性源，同时还提供了齐全的线性和非线性受控源。l 充分的仿真模型库Protel99SE提供了20多个模拟和数字仿真元件库，共包含6000多个常用元器件。这些组件库包括了常用二极管、三极管、单结晶体管、变压器，晶闸管、双向晶闸管等分立组件，还有大量的数字器件和其它集成电路器件。同时Protel99SE提供了一个开放的库维护环境，允许设计者改变原有器件模型，也可创建新器件模型。l 友好的操作界面1. 无需手工编写电路网表文件。系统将根据所画电路原理图自动生成网表文件并进行仿真。2. 通过对话框完成电路分析各参数设置。3. 方便地观察波形信号。可同时显示多个波形，也可单独显示某个波形；可对波形进行多次局部放大，也可将两个波形放置于同一单元格内进行显示并分析比较两者的差别。4. 强大的波形信号后处理，可利用各种数学函数对波形进行各种分析运算并创建一个新的波形。5. 方便地测量输出波形。Protel99SE提供了两个测量光标，打开它们可测量波形数据。结论完成了此次毕业论文设计，我设计了简易的测试电路及原理图绘制。通过和小组队员一连串的设计、模拟、修改，最终完成了数字逻辑信号测试仪的设计与原理图绘制。并且能够熟练用protel99SE 画出的PCB版图。这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，尤其是使用新的protel99SE绘图软件，是真正自己学习和研究的过程，先是软件的安装汉化，然后是熟悉各种元器件的封装，没有自己的研究，就不会有所突破，那也写不出好的论文了。希望这次经历能让我在以后的学习中激励我继续进步，做事踏实认真，仔细斟酌，力求完美。不积跬步何以至千里。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分工，有问题大家一起讨论。当然牢固的知识是最重要，这次设计需要我们对知识有较全面的认识，这样才可能设计出来符合要求的原理图。这次实验使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，看着一个个的元器件在自己的努力下变成一个具有特定功能的仪器时，有很大的成就感，以后还会继续努力！经过此次毕业论文设计，我受益匪浅。使我极大的巩固了这3年来所学的知识，使我能够更加熟练的使用Protel制图软件，并且能够在设计的过程中积极思考，深入研究，锻炼了自己