数字逻辑信测试器的设计

1、2012 2013学年 第学期模拟电子技术基础课程设计报告题目:数字逻辑信号测试器的设计专业：电子信息工程班级：组成员：指导教师：电气工程学院2013年6月5日任务书课题名称数字逻辑信号测试器的设计指导教师（职称）倪琳执行时间2012 2013学年第二学期第15 周学生姓名学号承担任务音响信号产生电路音响信号产生电路音响信号产生电路输入信号识别电路输入信号识别电路输入信号识别电路及仿真音响驱动电路及仿真音响驱动电路及仿真音响驱动电路及仿真设计目的1、学习数字逻辑电平测试仪电路的设计方法；2、研究数字逻辑电平测试仪电路的设计方案。设计要求1、技术指标：测试高电平、低电平，发出不冋的声响。测量范围

2、：低电平v 0.8V,高电平3.5V，高低电平分别用 1KHZ和800HZ的声响表 示；被测信号在0.83.5v之间不发声；工作电源 为5V ,输入阻抗大于20KQ。2、设计基本要求(1) 设计 个数字逻辑电平测试仪电路；(2) 拟定设计步骤；(3) 根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；(4) 运用仿真软件绘制设计电路图；(5) 撰与设计报告。数字逻辑电平测试仪设计摘 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

3、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器，它可以方便快捷的测量某一点 的电位的高低，通过声音的有无和声音的频率来判定被测电位的电平范围，从而 能解决平常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。从而达到了测试效果。关键词 放大器；逻辑信号；电平测试；高电平；低电平目录一、设计框图及整机概述 1、原理框图2、对原理框图的描述：(1) 、方案

4、论证(2) 、步骤二、各单元电路的设计方案及原理说明 1、输入及逻辑信号识别电路 2、音响信号产生电路 3、音响驱动电路4、参数计算、元器件选择 (1) 参数计算(2) 元器件选择 5、整合电路图三、仿真调试过程及结果分析 四、设计、调试中的体会五、对本次课程设计的意见及建议 六、参考资料 七、附录1、附录12、元器件清单八、答辩记录及评分表 数字逻辑电平测试仪设计一、设计框图及整机概述为了方便进行对某点的电平测试，设计一个逻辑信号测试器。在数字电路测试、调试和检修时，经常要对电路中某点的逻辑电平进行测试，采用万用表或 示波器等仪器仪表很不方便，而采用逻辑信号电平测试器可以通过声音来表示被 测

5、信号的逻辑状态，使用简单方便。电路由输入电路、逻辑状态识别电路和音响 信号产生电路等组成。输入的逻辑信号电平大于或小于所设定的高低电平电位， 则音响发声，如若在高低电平之间，则音响不发声。利用这种方式设计电路，计 算元器件参数，选择成本合适的器件，确定电路形式并进行仿真实验验证。1、原理框图图1逻辑信号测试器的原理框图2、对原理框图的描述：（1）、方案论证如图1,逻辑信号测试器由三部分电路组成，分别是输入电路、逻辑信号识别电路和音响产生电路。输入一个逻辑信号，其电平值高于3.5V或低于0.8V音响发声,在0.8V和3.5V之间音响不发声，再观察输出 Vo是否符合标准。（2）、步骤1）输入电压V

6、cc=5V。通过电阻分压得到高低两电平。2）输入一个逻辑信号，比较两个运算放大器同相端与反相端电压的高低。若同相端电压高于反相端，则输出电压为5V；若反相端电压高于同相端，贝y输出电压为0V。3）两个输出电压再通过一个窗口比较器，若两个输出电压均为低电平，则输出Vo一直保持高电平，输出为一条直线；若一个高电平、一个低电平就会相应的在输 出端形成矩形脉冲信号。二、各单元电路的设计方案及原理说明1、输入及逻辑信号识别电路如图2所示，Vi是输入的被测逻辑电平信号，输入电路是由电阻R1和R2组成，其作用是保证输入端悬空时，Vi既不是高电平，也不是低电平。U1和U2组成的窗口比较器对输入信号进行检测识别

7、， U1 的反相端为高电平值电位参考端，其电压 值由电阻R3和R4分压后获得，记为 W 同理，U2的同相端为低电平值电位参考 端，其值由R5和R6分压决定，记为 V.0比较器的同相输入端高于反相输入端电压时，比较器输出为高电平（5V），反之，则比较器输出为低电平 （0V）。在保证VhVL的条件下，输入、输出状态有以下 关系： 见表 1表 1 输入、输出状态关系输入U1（ Va）U2（ Vb）WvVlvVh低高UWivVH低低ViVHVL高低通过分析比较器的输出状态，就能够判断输入逻辑信号电平的高低。被测逻辑电平信号高于高电位、低于低电位时音响发声；在高、低电位之间音响j 1 1 59聽XvVV

8、-Rt -MMI tJQ* s B d:R2 ： I2殳 kc isi iaiiFiai;R5; f JlbkG 图2输入及逻辑信号识别2、音响信号产生电路图 3 音响信号产生电路如图3所示为音响信号产生电路原理图，主要由两个比较器U3和U4组成，根据前面对逻辑判断电路输出的研究，分 3种情况介绍本电路的工作原理。（1）当 V=V=OV （均为低电平）时：由于稳态时，电容 C1两端电压为0,并且此时Va和Vb两输入端均为低电平， 二极管D1和D2截止，电容C1没有充电回路，而U3的同相输入端为基准电压 3.5V，使得U3的同相端电位高于反相端电位，U3输出Vo通过电阻R3按指数规律为电容C2充

9、电，达到稳态时电容 C2的电压为高电平，U4的同相端（5V） 高于反相端（3.5V），虽然输出为高电平，但是由于D3的存在，电路的稳定状态不受影响。故电路输出 Vo 直保持高电平。（2）当 V=5V, Vb=0V 时：此时二极管D1导通，电容C1通过电阻R1充电，Vc1按指数规律逐渐升高，由 于U3同相输入端电压为3.5V，则在Vc1未达到3.5V之前，U3输出端电压保 持为高电平。在 Vc1升高到3.5V后，U3的反相端电压高于同相端电压，U3输出电压由5V跳变为0V,使C2通过电阻R3和U3的输出电阻Ro3放电，Vc2由 5V逐渐下降，当Vc2下降到小于U4反相端电压（3.5V）时，U4的

10、输出电压跳 变为0V，二极管D3导通，C1通过D3和U4的输出电阻放电。因为 U4输出电阻很小，所以Vc1将迅速降到0V左右，这导致U3反相端电压小于同相端电压，U3的输出电压又跳变到5V, C1再一次充电，如此周而复始，就会在 U3输出端形成矩形脉冲信号。(3) 当 V=OV, Vb=5V 时：此时电路的工作过程与 V=5V, Vb=OV时相同，唯一区别在于 D2导通时，Vb高 电平通过R2向C1充电，所以C1的充电时间常数改变了，使得 Vo的周期会发 生相应的变化。3、音响驱动电路如图 3 所示，由于音响负载工作电压较低而且功率较小，因此对驱动三极管的 耐压等条件要求不高，故选去 9012

11、作为驱动管，可完全满足电路要求。图 4 音响驱动电路4、参数计算、元器件选择( 1 )参数计算根据技术指标要求，输入电阻大于 20 K ，并且输入悬空时，y=1.6V (般 在 VH=3.5V 和 VL=0.8V 中间位置选取)。因此Vi=(R2/(R 1+R2)Vcc=1.6VR 二 R, R2 /(R ,+R2)仝 20K解得 R 1=70KR 2 =35K根据分压公式得VH =(R4/(R 3+R4) Vcc=3.5VR= R3 R4 /(R 3+R)岸 20K解得 R 3=150KR 4=350K同理 V l=(R6/(R 5+R6) Vcc=0.8VR i = R5 Re/(R 5+

12、Rs) m20K解得 R 5=210K R 6=40K根据电容电压公式得Vc1 (t) =5(1-e 七 J (t!期间 G 充电)t 2Vc2 (t) =5e(t2期间 C2 放电)其中输出Vo的周期T= t !+ t 2t 1=-1 In 0.3=1.2t 2 =-2 In0.7=0.36取 2=&。2=0.5口$则当 C2=0.01uf 时，R9 =2/C 2=0.5ms/0.01=50K同时选取 C1 =0.1uf ，由于技术指标要求，被测信号为高电平时，音响频率为1KHZ 即 T=t, + t 2 =1.2, +0.362=l/f=lms代入 2=0.5 ms，得，1 = R7C1

13、=0.68ms所以 R 7 =1 /C 1 =6.8K被测信号为低电平时，音响频率为 800HZ同理，计算求得 R8=8.9K（2）元器件选择选取标称值，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=150K，R4=350KR5=210K，R6=40KR7=6.8K，R8=8.9KR9=50K ，R10=5KR11=1KC 1 =0.1uf C 2=0.01uf运算放大器： LM324 三极管： 90125、整合电路图经过前面的分析，有各个模块框图可以画出整体的电路图，整合电路图如下图：图 5 数字逻辑信号测试器的全图三、仿真调试过程及结果分析按照电路图连接

14、仿真电路，如图 6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 6 逻辑信号测试器的仿真电路图改变输入逻辑信号的大小：1、当输入的被测逻辑电平信号为 10V时的波形：（1）输出信号U0的波形如图7所示。图 7 U0 输出信号的波形（2） 音响电路的信号波形如图 8所示，其信号周期是1.0185ms，其频率为1Khz，符合设计要求图 8 音响电路信号波形图（3）C1的充放电波形图如图

15、9所示。符合设计要求，其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，所波形为图 9所示。图 9 C 的充放电波形图2、输入的被测逻辑电平信号为 2V时的波形：（1）输出信号U0的波形如图10所示。是没有波动的信号。图10输出信号U0的波形（2）音响电路的信号波形和 C1充电放电波形如图11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11音响电路的信号波形和 C1充电放电波形3、当输入的被测逻辑电平信号为 0.5V 时的波形：（1）输出信号U0的波形如图12所示，是有波动的信号。图12输出信号U0的波形(2)音响电路的信号波形和 C1充电放电波形如图13所示，

16、所以符合设计要求其周期为1.21ms,说以频率在800HZ左右符合设计要求图13 音响电路的信号波形和 C1充电放电波形四、设计、调试中的体会通过本次设计，我对模电有了更进一步的了解，并对数电有了初步认识。虽然 在本次设计师眼中，我们组遇到了很多困难和问题，特别是在设计原理图的时候 由于对逻辑信号测试器还不是很了解，网上也没有具体实例，更加不知从何下 手。但后面通过查阅质料，对逻辑信号测试器的功能和工作原理有了比较深刻的 认识和理解。结合自己所学的摸电知识，设计出来了原理图，然后就是参数的设 置，这应该是一个不断尝试的过程，在保证电压值符合要求的前提下，要对器件 的参数进行设置，然后就是元器件

17、进行封装，封装之后就可以仿真了，这个过程 是最困难的，中间会有各种各样的问题导致会出现各种种各样的问题或者是仿真 效果不明显。在一开始的时候我们按照我们原理图上的参数进行封装之后，发现 有多处错误，经过改正，错误大部分都改过了，剩下的自己改不到的地方，经过 老师的指点，我们也顺利改过来了，最后防真出来正确的波形图。在这个过程中 最大的体会就是要考虑问题要全面，还有就是要有团队协作精神，还有就是要有 牢固的知识，对于这个设计，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。通过这次实验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，并阅读了很多课外书籍，丰富

18、了自己的知识， 受益很深。更加了解了矩形脉冲信号。五、对本次课程设计的意见及建议通过这个设计实验可以学到很多东西，但是觉得时间太短了，只有一周，在这 一周的时间内想设计出来原理图，然后又仿真出来波形对于一个人独立完成确实 有点困难，所以希望以后有更多的时间让我们可以独立完成这些设计，还有就是 希望以后可以给我们安排更多的做课程设计的机会。六、参考资料1 魏国英. 电工学电子工业出版社；2谢自美电子线路设计实验测试华中科技大学出版社3 童诗白 华成英 . 模拟电子技术基础 高等教育出版社4毕满清.电子技术实验与课程设计机械工业出版社七、附录1附录1附录1整机逻辑电路图2、元器件清单序号编号名称型

19、号数量1U1、U2、U3、运算放大器4U42T三极管13D1、D2、D3二极管34R1电阻75K15R2、R3电阻30 K26R4、R5电阻210 K27R6电阻40 K18R7电阻6.8 K19R8电阻8.9 K110R9电阻50 K111R10电阻5 K112R11电阻1 K15C1电容0.1uf16C2电容0.01uf16U5蜂鸣器17Vcc电源5V1八、答辩记录及评分表课题名称数字逻辑电平测试仪设计答辩教师（职称）答辩时间20122013学年 第 二 学期 第15周答亠、亠辩记录输入阻抗大于20KQ，应如何选取电阻的阻值？答：电阻阻值过大易引起干扰，过小则会增大耗电量。所以在满足输入阻抗大于 20 KQ情况下，选取阻值 在几十至几百千欧。:如何实现输入电压的识别？答：用窗口比较器来实现，将外加参考电压分别设为0.8V和3.5V,即可实现。:如何避免测试仪不工作时，仪器发声？