逻辑电平信号测试器

1、湖南文理学院芙蓉学院电子技术综合课程设计 专业班级：电子信息科学与技术 学生姓名： XXXX 学生学号： XX 指导教师： XXXX 设计时间：2012.6.4-2012.6.15 一、设计任务与要求1）设计题目：数字逻辑电平信号测试器设计 2）基本要求：（1）、测量范围：低电平<0.8V，高电平>3.5V （2）、高低电平分别用1KHZ和500HZ的音响表示，被测信号在0.83.5V之间不发出声响。高电平使红色二极管亮，低电平使绿色二极管亮，在0.83.5V之间使黄色二极管亮。 （3）、工作电源为5V，输入电阻大于20K欧姆。元器件：555定时器，扬声器，晶体三极管，运放器，电阻

2、电容若干二、方案设计与论证 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。电路由输入电路、逻辑状态识别电路、二极管点亮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，则音响发声且点亮红/绿二极管，如若在高低电平之间，则音响不发声且点亮黄色二极管。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 输入信号电路逻辑信号识别电路二极管点亮电路音响信号产生电路 图一、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，逻辑信号测试器由四部分电路组成，分别是输入信号电路、逻辑信号识别电路、

3、二极管点亮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音响二极管红、绿灯分别点亮和发声，在0.8V和3.5V之间音响不发声、二极管黄灯亮，再观察输出Vo是否符合标准。2）、步骤：（1）输入电压Vcc=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，则输出电压为0V。（3）输出是由两个555定时器分别够成多谢振荡器产生1000HZ/500HZ的频率，在经由三极管的来驱动蜂鸣器产生音响。三、单元电路设计与参数计算1、输入及逻辑信号识别电路 如图2所示，

4、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组成的双限比较器对输入信号进行检测识别，U1的反相端为高电平值电位参考端，其电压值由电阻R1和R2分压后获得，记为VH。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VL。 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VH>VL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）Vi<VL<VH低高VL<V

5、i<VH低低Vi>VH>VL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、低电位之间音响不发声。图2 输入及逻辑信号识别2、二极管点亮电路 如图3，经由电压比较器的输出从而使二极管点亮。图中所示，当测试电压为高于3.5V时，上面的电压比较器导通，使得红色二极管被点亮。当测试电压低于0.8V时。下面的电压比较器导通，使得绿色二极管被点亮。当测试电压在0.83.5V之间，两个电压比较器同时输出低电平，分别通过非门和一个与门使得黄色的二极管被点亮。此过程中没有重叠地方，电压比较器只能是一个导通一个截止或者两个

6、一起截止。图3二极管点亮电路3、音响产生和驱动电路如图4所示，由555定时器构成多谐振荡器产生1000HZ/500HZ的频率。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9013作为驱动管，可完全满足电路要求。多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。图5音响产生和驱动电路4、多谐振荡器555集成定时器是模拟功能和数字逻辑功能相结合的一种双极型中规模集成器件。555 定时器成本低，性能可靠，只需要

7、外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。图4 555时基电路的原理图及引脚图5、集成运算放大器LM324 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。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

8、，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，如图3-1，LM324的引脚排列见图3-2。 图5放大器图6放大器引脚图由于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。6、扬声驱动电路原理图 图2.4 扬声器驱动电路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

9、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。 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。 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

10、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。 7、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，因此V1=(R2R1+R2)Vcc=3.5VR= R1R2R1+R220K解得 R=68K R=30K根据分压公式得V2=(R6R5+R6) Vcc=0.8VR= R5R6R5+R620K解得 R6=13K R5=68K同时选取限流电阻R3=R4 =1K ；R9=R12=680。同时选取C2=C4=0.01

11、uf，由于技术指标要求，被测信号为高电平时，音响率f=1KHZ时，计算得C1=20uf,被测信号为低电平时，音响频率f=500HZ,计算得C3=10uf.被测信号为高电平时，音响频率为1000HZ计算求得R8=30K，R7=10K。（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=68K， R2=30K R3=1K， R4=1K R5=68K， R6=13K R7=10K， R8=30K R9=680， R10=40K R11=10K, R12=680 C1=20uf C4=C20.01uf C3=10uf 运算放大器：LM324AJ二极管：1N4148三极管

12、：9013四、仿真过程与仿真结果按照电路图连接仿真电路，如图6所示,由于在仿真过程中，没有出错。但是效果不是很好，修改了很多次效果还是差不多，可能是由于有运放的关系。用555定时器构成的多谐经计算满足了频率在高电平是为1KHz，在低电平是为500Hz。后由三极管来驱动蜂鸣器产生音响。五、电路原理图及元器件清单电路原理图：图6数字逻辑电平信号测试器的全图元器件清单：序号编号名称型号数量1U1、U2运算放大器LM32422T三极管901223D1、D2、D3二极管1N414834R1、R5电阻68K25R2、R8电阻30 K26R3、R4电阻1K27R6电阻13 K18R7、R11电阻10K29R

13、9、R12电阻680110R10电阻40K111555芯片212C1电容20uf15C2、C4电容0.01uf26C3电容10uf16U5蜂鸣器17Vcc电源5V1六安装与调试焊接调试：(1)焊前准备 准备好电烙铁以及镊子、剪刀、斜口钳、尖嘴钳、焊料、焊剂等工具，将电烙铁及焊件搪锡，左手握焊料，右手握电烙铁，保持随时可焊状态。 (2)用烙铁加热备焊件。 (3)送入焊料，熔化适量焊料。 (4)移开焊料。 (5)当焊料流动覆盖焊接点，迅速移开电烙铁。(6)元件焊接好以后，接通+5直流电源。实验效果：（1）、当输入的被测逻辑电平信号为5 V，大于3.5V时的波形时： 输出信号U0的波形是有波动的信号

14、。音响电路信号波形的周期是1.025ms，其频率为1Khz，红色的二极管被点亮。（2）、当输入的被测逻辑电平信号为2.3V，大于0.8V小于当3.5V时的波形时： 输出信号U0的波形是没有波动的信号。符合设计要求。（3）、当输入的被测逻辑电平信号为0.3V小于0.8V时的波形时： 输出信号U0的波形是有波动的信号。音响电路的信号波形的周期为2ms,其频率为500HZ左右。符合设计要求。七、心得与体会： 在为期两周的课程设计期间，我们小组互相讨论，共同研究，和各方面的努力，最终使得设计能顺利完成。在课程报告即将完成之际，让我深深体会到支持的力量，我很感谢我周围的同学、朋友和老师给我帮助，正是他们的支持，深深地感染和鼓励着我们，为我们提供了条件，为我们的设计的顺利完成提供了保证。再者，我认为在做设计之前我们需要查阅大量的资料弄我们该做什么，该怎样去做，怎样做才能使它更好。当然在设计时，你可能也会遇到很多问题，但是不要着急，慢慢来，不懂的就去找资料，看视频。我通过这次课程设计我学会了独立自主的思考和处理问题并解决它。虽然仿真和测试不是很顺利，但在困难面前我们能即时地相互探讨找出事故原因并解决这充分体现了我们的团队精神，所以我也很感谢我的队友。在以后的人生中，我们仍将不断学习，相信这次设计是我们人生中一笔宝贵的财富，我们将更有信心向未来迈进！ 八、参考文献