【毕业设计】逻辑电平测试器的设计与分析.doc

武汉工程大学毕业设计 论文 I 摘摘 要要 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 武汉工程大学毕业设计 论文 II Abstract When repairing the equipments made up digital integrated circuits we often need to use a multimeter or oscilloscope to measure the logic level in order to analyze the reasons for failure The use of these instruments makes the measure more accurate It can be used to measure the level and the periods of the signal but on the one hand the user must be with their eyes looking at the screen of dial multimeter or oscilloscope on the other hand they must find the test points so it is very inconvenience With voice prompting logic level tester uses voice to express the logic of the signal the different tone of voice to express the high and low will not distract the attention of users to see the screen of the multimeter or oscilloscope The tester uses the amplifier as the voltage comparator to distinguish the logic level in accordance with high and low level the audio circuits produce different frequency square wave to drive speakers so the speakers have different output prompt tones By setting the reference voltage it can be commonly used to measure a lot of standard level such as TTL CMOS LVTTL LVCMOS Keywords Amplifier Logic level Test Voice prompt 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 目目 录录 摘要摘要 I ABSTRACT II 第一章第一章 绪论绪论 1 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 1 21 2 本文的主要工作本文的主要工作 3 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 4 2 12 1 常用电平介绍常用电平介绍 4 2 22 2 测试器的工作原理框图测试器的工作原理框图 5 2 32 3 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 6 2 42 4 音调产生电路原理音调产生电路原理 8 2 52 5 扬声器原理扬声器原理 10 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 11 3 13 1 集成运算放大器电路设计介绍集成运算放大器电路设计介绍 11 3 23 2 输入和逻辑判断电路的设计输入和逻辑判断电路的设计 16 3 33 3 音响产生电路的设计音响产生电路的设计 17 3 43 4 扬声器驱动电路的设计扬声器驱动电路的设计 18 3 53 5 整机电路的设计整机电路的设计 19 第四章第四章 PROTELPROTEL 软件设计电路原理图软件设计电路原理图 21 4 14 1 P PROTELROTEL DXPDXP 主要特点主要特点 21 4 24 2 PCBPCB 板设计的工作流程板设计的工作流程 21 4 34 3 P PROTELROTEL DXPDXP 设计管理设计管理 22 4 44 4 电路原理图设计电路原理图设计 25 4 54 5 绘制原理图绘制原理图 30 第五章第五章 设计总结设计总结 32 致谢致谢 33 参考文献参考文献 34 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 1 第一章第一章 绪论绪论 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 200Hz 1700kHz 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 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 2 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 2 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 dB V 等 3 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 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 3 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 分五个章节进行组织 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 第四章主要介绍 Protel 软件设计电路原理图 第五章作了设 计结果总结 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 4 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 常用电平介绍常用电平介绍 现在常用的电平标准有 TTL CMOS LVTTL LVCMOS ECL PECL LVPECL RS232 RS485 等 还有一 些速度比较高的 LVDS GTL PGTL CML 等 现在下面将对常用的电平标准进行介 绍 5 1 TTL Transistor Transistor Logic 三极管结构 VCC 5V VOH 2 4V VOL 2V VIL 2 4V VOL 2V VIL 2 0V VOL 1 7V VIL 4 45V VOL 3 5V VIL 3 2V VOL 2 0V VIL 2V VOL 1 7V VIL 1 1V VOL 0 85V VIL 1 4V VOL 1 2V VIL 0 8V 9 RS232 和 RS485 RS232 采用 12 15V 供电 我们电脑后面的串口即为 RS232 标准 12V 表示 0 12V 表示 1 可以用 MAX3232 等专用芯片转换 也可以用两个三极管加一些外围电路进 行反相和电压匹配 RS485 是一种差分结构 相对 RS232 有更高的抗干扰能力 传输距离可以达到上千 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 6 米 2 22 2 测试器的工作原理框图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 现在以 3 5V 的电平为例作介绍 高电平为大于 3 5V 低电平为小于 0 8V 电平测试器技术指标 1 测量范围 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 8V 3 5V 之间时 不发出音响 5 输入电阻大于 20k 6 工作电源 5V 2 32 3 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 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 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 0 8V Uh 之间时 A1同相端电压小于 UH A2 同 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 7 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 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 8 2 42 4 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 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 1 2 则在 C1和 C2充电时 当 UC1达到 3 5V 时 UC2已接近 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 9 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 4 所示 8 3 5V t uC1 uC2 3 5V 5V t t2t1 u0 t 图 2 4 UC1 UC2和 UO的波形 由图 1 3 可以看出 A3的输出电压 UO的周期为 T t1 t2 2 1 根据一阶电路的响应特点可知 在 t1期间电容 C1充电 UC1 t 5 1 e 在 t2期间电 1 容 C2放电 UC2 t 5e 根据 UC1 t 和 UC2 t 的表达式可以分别求出 2 t t1 1 2 2 2 3 0ln 1 1 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 10 t2 0 36 2 3 7 0ln 1 2 这就是说只要改变时间常数 即可改变 UO的周期 1 2 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 使得 UO的周期会发生相应的 变化 2 52 5 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 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 11 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 集成运算放大器电路设计介绍集成运算放大器电路设计介绍 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 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同 LM324 的引脚排列见图 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 下面介绍其应用实例 1 反相交流放大器 电路见附图 3 3 此放大器可代替晶体管进行交流放大 可用于扩音机前置放大等 电路无需调试 放大器采用单电源供电 由 R1 R2 组成 1 2V 偏置 C1 是消振电容 图 3 1 放大器图 3 2 放大器引脚图 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 12 2 3 1 411 A LM324A 10K Ri 100K Rf 100K R1 100K R2 Ci Co C1 v Ui Uo VCC 图 3 3 反相交流放大器电路设计 放大器电压放大倍数 Av 仅由外接电阻 Ri Rf 决定 Av Rf Ri 负号表示输出信号 与输入信号相位相反 按图中所给数值 Av 10 此电路输入电阻为 Ri 一般情况下先 取 Ri 与信号源内阻相等 然后根据要求的放大倍数在选定 Rf Co 和 Ci 为耦合电容 2 同相交流放大器 见附图 3 4 同相交流放大器的特点是输入阻抗高 其中的 R1 R2 组成 1 2V 分压 电路 通过 R3 对运放进行偏置 电路的电压放大倍数 Av 也仅由外接电阻决定 Av 1 Rf R4 电路输入电阻为 R3 R4 的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆 2 3 1 411 A LM324A R4 Rf 100K R1 100K R2 C1 Co C2 Uo R3 Ci Ui VCC V 图 3 4 同相交流放大器电路设计 3 交流信号三分配放大器 此电路可将输入交流信号分成三路输出 三路信号可分别用作指示 控制 分析等 用途 而对信号源的影响极小 因运放 Ai 输入电阻高 运放 A1 A4 均把输出端直接接 到负输入端 信号输入至正输入端 相当于同相放大状态时 Rf 0 的情况 故各放大器 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 13 电 压放大倍数均为 1 与分立元件组成的射极跟随器作用相同 2 3 1 411 A 1A 100K R1 100K R2 10uF C2 4 7uF C1 Ui V V 2 3 1 411 A 2A 2 3 1 411 A 3A 2 3 1 411 A 4A V 10uF C3 10uF C4 Uo1 Uo2 Uo3 图 3 5 交流信号三分配放大器电路设计 R1 R2 组成 1 2V 偏置 静态时 A1 输出端电压为 1 2V 故运放 A2 A4 输出端亦 为 1 2V 通过输入输出电容的隔直作用 取出交流信号 形有源带通滤波器许多音响装 置的频谱分析器均使用此电路作为带通滤波器 以选出各个不同频段的信号 在显示上 利用发光二极管点亮的多少来指示出信号幅度的 大小 这种有源带通滤波器的中心频率 在中心频率 fo 处的电压增益 Ao B3 2B1 品质因数 3dB 带宽 B 1 R3 C 也可根 据设计确定的 Q fo Ao 值 去求出带通滤波器的各元件参数值 R1 Q 2 foAoC R2 Q 2Q2 Ao 2 foC R3 2Q 2 foC 上式中 当 fo 1KHz 时 C 取 0 01Uf 此电 路亦可用于一般的选频放大 此电路亦可使用单电源 只需将放正输入端偏置在 1 2V 并将电阻 R2 下端接到运放正输入端既可 4 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 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 14 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 R1 R1 R2 R2 Ui 2 3 1 411 A 1A 2 3 1 411 A 2A V V V V V U1 U2 D1 D2 R3 BG1 9013 R4 LED 图 3 6 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 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 5 单稳态触发器 见附图 3 7 此电路可用在一些自动控制系统中 电阻 R1 R2 组成分压电路 为运 放 A1 负输入端提供偏置电压 U1 作为比较电压基准 静态时 电容 C1 充电 完毕 运 放 A1 正输入端电压 U2 等于电源电压 V 故 A1 输出高电平 当输入电压 Ui 变为低电 平时 二极管 D1 导通 电容 C1 通过 D1 迅速放电 使 U2 突 然降至地电平 此时因为 U1 U2 故运放 A1 输出低电平 当输入电压变高时 二极管 D1 截止 电源电压 R3 给 电容 C1 充电 当 C1 上充电电压大于 U1 时 既 U2 U1 A1 输出又变为高电平 从而 结束了一次单稳触发 显然 提高 U1 或增大 R2 C1 的数值 都会使单稳延时时间增长 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 15 反之则缩短 11 R1 R2 2 3 1 411 A 1A D1 R3 V V C1 Ui Uo U2 U1 图 3 7 单稳态触发器电路设计 如果将二极管 D1 去掉 则此电路具有加电延时功能 刚加电时 U1 U2 运放 A1 输出低电平 随着电容 C1 不断充电 U2 不断升高 当 U2 U1 时 A1 输出才变为高电平 参考图 3 8 U1 U2U2 Uo 图 3 8 电路输入输出波形 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 16 3 23 2 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 VCC3 5V 3 3 43 3 RR R 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 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 17 VCC3 5V 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 0 8V 取 D1为锗二极管 D2为硅二极管 这样可使 A2同相端电压为 0 8V 取 R5 4 7k 3 33 3 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 3 5 2 选取 C2 0 01uF 所以 R9 50k 3 6 2 2 C 0 01uF 0 5ms 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 18 又因 T t1 t2 1 2 0 36 1 2 0 18 10 3 7 1 2 1 3 根据给定要求 R6 C1 被测信号为高电平 3 8 1 或 R7 C1 被测信号为低电平 3 9 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 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 1ms f 1 所以 1 2 0 36 1 10 3 10 1 2 3 1 2 0 18 10 1 10 1 3 3 0 68ms 1 R6 k 3 11 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 800Hz 此时 因为 T ms 1 25ms f 1 8 1 所以 1 2 0 18 10 1 10 3 12 1 3 3 0 89ms 1 R6 8 9k 3 13 1 1 C 6 3 10 1 0 10 89 0 3 43 4 扬声器驱动电路的设计扬声器驱动电路的设计 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 19 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 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 53 5 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 U2 U1 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 20 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 5V U2 设定为 12 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 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 21 第四章第四章 ProtelProtel 软件设计电路原理图软件设计电路原理图 随着计算机辅助设计的发展 电路设计也由原来的手工操作逐步转变为应用计算机 软件来实现的自动化设计 设计的规模也由单机设计逐步转变为网络化设计 13 Protel 系列电路设计软件就为电路设计者提供了这样一个功能强大的设计平台 近年 来 Protel 公司不断对其进行扩充和完善 在新推出的 Protel 中 Protel 引入了设计数据 库的新思想并结合网络化设计思想建立了全新的文件管理方式和网络设计机制 为了提 高电路设计的效率和质量 Protel 完善了电路仿真和信号完整性分析功能 并且提供了大 规模逻辑器件设计功能 使电路设计变得更轻松 更方便 Protel 是 Protel 公司 2000 年推出的基 Windows 平台的第六代产品 集强大的设计能 力 复杂工艺的可生产性和设计过程管理 PDM 于一体 可完整实现电子产品从电学概念 设计到生成物理生产数据的全过程 以及中间的所有分析 仿真和验证 Protel 集成了信号完整性分析工具 精确的模型和板极分析 帮助用户在产品设计过 程中利用信号完整性分析消除盲目性并获得一次性成功 从而缩短设计周期 降低设计 成本 用计算机仿真技术解决高速电路设计和 EMC EMI 电磁兼容性 电磁抗干扰 等问题 4 14 1 ProtelProtel DXPDXP 主要特点主要特点 1 通过设计档包的方式 将原理图编辑 电路仿真 PCB 设计及打印这些功能有机 地结合在一起 提供了一个集成开发环境 2 提供了混合电路仿真功能 为设计实验原理图电路中某些功能模块的正确与否提 供了方便 3 提供了丰富的原理图组件库 PCB 封装库 并且为设计新的器件提供了封装向导程 序 简化了封装设计过程 4 提供了层次原理图设计方法 支持 自上向下 的设计思想 使大型电路设计的工 作组开发方式成为可能 5 提供了强大的查错功能 原理图中的 ERC 电气法则检查 工具和 PCB 的 DRC 设 计规则检查 工具能帮助设计者更快地查出和改正错误 6 全面兼容 Protel 系列以前版本的设计文件 并提供了 OrCAD 格式文件的转换功 能 7 提供了全新的 FPGA 设计的功能 这好似以前的版本所没有提供的功能 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 22 4 24 2 PCBPCB 板设计的工作流程板设计的工作流程 1 方案分析 决定电路原理图如何设计 同时也影响到 PCB 板如何规划 根据设计要求进行方 案比较 选择 元器件的选择等 开发项目中最重要的环节 2 电路仿真 在设计电路原理图之前 有时候会对某一部分电路设计并不十分确定 因此需要通 过电路仿真来验证 还可以用于确定电路中某些重要器件参数 3 设计原理图组件 Protel DXP 提供了丰富的原理图组件库 但不可能包括所有组件 必要时需动手设 计原理图组件 建立自己的组件库 4 绘制原理图 找到所有需要的原理组件后 开始原理图绘制 根据电路复杂程度决定是否需要使 用层次原理图 完成原理图后 用 ERC 电气法则检查 工具查错 找到出错原因并修改 原理图电路 重新查错到没有原则性错误为止 5 设计组件封装 和原理图组件库一样 Protel DXP 也不可能提供所有组件的封装 需要时自行设计 并建立新的组件封装库 6 设计 PCB 板 确认原理图没有错误之后 开始 PCB 板的绘制 首先绘出 PCB 板的轮廓 确定工艺 要求 使用几层板等 然后将原理图传输到 PCB 板中来 在网络表 简单介绍来历功能 设计规则和原理图的引导下布局和布线 设计规则检查 工具查错 电路设计时另一个关 键环节 它将决定该产品的实用性能 需要考虑的因素很多 不同的电路有不同要求 7 文檔整理 对原理图 PCB 图及器件清单等文件予以保存 以便以后维护 修改 4 4 3 3 ProtelProtel DXPDXP 设计管理设计管理 1 目的建立 在图 4 1 示的设计管理器主工作面板中将鼠标移动到 Create a new Board Level Design Pro0ject 选项 使鼠标变成为手形状后 单击该选项将弹出如图 4 1 的 Projects 文件工 作面板 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 23 新建的设计项目默认为处于 ProjectGroup1 PrjGrp 工作组下 默认的项目文件名为 PCB Project 1 PrjPCB 注意 Protel DXP 中 默认的工作组的文件名后缀为 PrjGrp 默认的项目文件名 后缀为 PrjPCB 如果新建的是 FPGA 设计项目 建立的项目档称后缀为 PrjFpg 2 计文档的建立和保存 在图 4 单击 New 子菜单 将弹出如图 4 2 所示的下一级菜单 图 4 1 新建 FPGA 项目设计档工作 图 4 2New 菜单的子菜单 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 24 图 4 3 Group 菜单 其中可以新建 SCH 电路原理图 VHDL 设计文档 PCB 文文件 SCH 原理图库 PCB 库 PCB 专案等 3 设计项目的打开和保存 选中图 4 3 所示文件工作面板中的 PCB Projectl PrjPCB 选项 单击右键 在弹出的 快捷菜单中选择 Close Project 选项 将弹出询问是否保存当前项文件的对话框 单击 Yes 按钮 将弹出如图 4 4 所示的保存项目文件对话框 图 4 4 保存若干文件对话框 在保存项目文件对话框中 用户可以更改设计项目的名称 所保存的文件路径等 文件默认类型为 PCB Projects 后缀名为 PrjPCB 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 25 4 44 4 电路原理图设计电路原理图设计 原理图设计是电路设计的基础 只有在设计好原理图的基础上才可以进行印刷电路 板的设计和电路仿真等 本章详细介绍了如何设计电路原理图 编辑修改原理图 通过 本章的学习 掌握原理图设计的过程和技巧 14 图 4 5 原理图设计流程 原理图的设计流程如图 4 5 所示 原理图具体设计步骤 1 新建原理图文件 在进人 SCH 设计系统之前 首先要构思好原理图 即必须知 道所设计的项目需要哪些电路来完成 然后用 Protel DXP 来画出电路原理图 2 设置工作环境 根据实际电路的复杂程度来设置图纸的大小 在电路设计的整个 过程中 图纸的大小都可以不断地调整 设置合适的图纸大小是完成原理图设计的第一 步 3 放置组件 从组件库中选取组件 布置到图纸的合适位置 并对组件的名称 封 装进行定义和设定 根据组件之间的走线等联系对组件在工作平面上的位置进行调整和 修改使得原理图美观而且易懂 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 26 4 原理图的布线 根据实际电路的需要 利用 SCH 提供的各种工具 指令进行布 线 将工作平面上的器件用具有电气意义的导线 符号连接起来 构成一幅完整的电路 原理图 5 建立网络表 完成上面的步骤以后 可以看到一张完整的电路原理图了 但是要 完成电路板的设计 就需要生成一个网络表文件 网络表是电路板和电路原理图之间的 重要纽带 6 原理图的电气检查 当完成原理图布线后 需要设置项目选项来编译当前项目 利用 Protel DXP 提供的错误检查报告修改原理图 7 编译和调整 如果原理图已通过电气检查 那么原理图的设计就完成了 这是对 于一般电路设计而言 尤其是较大的项目 通常需要对电路的多次修改才能够通过电气 检查 8 存盘和报表输出 Protel DXP 提供了利用各种报表工具生成的报表 如网络表 组 件清单等 同时可以对设计好的原理图和各种报表进行存盘和输出打印 为印刷板电路 的设计做好准备 为了更直观地说明电路原理图的设计方法和步骤 下面就以图 4 6 所示的整机电路 图为例 介绍电路原理图的设计方法和步骤 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 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 27 图 4 6 声调提示的逻辑电平测试器整机电路原理图 电路设计主要包括原理图设计和 PCB 设计 首先创建一个新项目 然后在项目中添 加原理图文件和 PCB 文件 创建一个新项目方法 15 单击设计管理窗口底部的 File 按钮 弹出如图 4 7 所示面板 New 子面板中单击 Blank Proect PCB 选项 将弹出 Projects 工作面板 图 4 7 新建文件 建立了一个新的项目后 执行菜单命令 File Save Project As 将新项目重命名为 myProject1 PriPCB 保存该项目到合适位置 如图 4 7 图 4 6Files 面板 图 4 7 保存项目对话框 执行菜单命令 New Schematic 创建一张新的原理图文件 可以看到 Sheetl SchDoc 的原理图文件 同时原理图文件夹自动添加到项目中 执 行菜单命令 File Save As 将新原理图文件保存在用户指定的位置 同时可以改变原理 图文件名为 zhengji SchDoc 此时看到一张空白电路图纸 打开原理图图纸设置对话框 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 28 图 4 8 元件查找 才对于本例而言 没有特殊要求 只需要设置成 A4 图纸就可以了 单击原理图设 置对话框的 OK 按钮页面设置完成 原理图工作环境采用默认设置即可 查找组件 Protel DXP 库提供了大量组件的原理图符号 在绘制一副原理图之前 必须知道每 个组件对应的库 对于整机电路原理图的每个组件应该在哪个库呢 可以采用什么办法 找到组件的原理图符号呢 利用 Protel DXP 提供的搜索功能来完成查找组件 操作步骤如下 1 SCH 设计接口的下方有一排按钮 单击 Libraries 库 按钮 弹出如图 4 8 所示的 库对话框 2 单击图 4 9 对话框中的 Search 按钮 弹出如图 4 10 所示的库搜索对话框 利 用此对话框可以找到各个组件在哪个库中 3 在 Scope 选项区域中确认设置为 Libraries on Path 单击 Path 右边的打开图标 按钮 找到安装的 Protel DXP 库的文件夹路径 如 C Program Files Altium Library 同时确认 Include subdirectories 复选项被选定 4 例如要搜索和电路组件相关的可以在 Name 文本框中键入如 LM324 武汉工程大学毕业设计 论文 说明书 29 图 4 9 库搜索对话框 5 单击 Search 按钮开始搜索 查找结果会显示在结果对话框中 如图 4 10 所示 图 4 10 搜索结果对话框 可以看到很多匹配搜索标准的芯片型号 选择一款适合的组件原理图符号和封装 这