《模拟电子技术》课程设计说明书逻辑信号电平测试器

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2018级《模拟电子技术》课程设计说明书

逻辑信号电平测试器

学院：__________电气与信息工程学院__________

学生姓名：________________

学号：指导教师：职称

专业：_____________

班级：_______________________

完成时间：

模拟电子技术课程设计逻辑信号电平测试器课题组信息及考核情况登记页

一、课题组人员分工及对项目贡献度情况（学生填写）

注：1、表中姓名顺序应与封面一致；2、每名学生可有多项内容分工，每项内容可由多名

学生完成：3、课题组据实在电子版表中按分工及对项目的贡献大小顺序号“1、2、3一一

或空”中选填；4、答辩验收时教师可用红笔对贡献度序号进行修正；5、如有不实填写，

整个课题组成绩均降低等级，严重者则可因诚信问题直接不及格；6、贡献度顺序号"1、2、

3、4、5”对应贡献度1.0-0.6：空则为0。

二、课题组答辩现场作品演示与脸收情况（满分60分，创新与特色加分10分，教师给分）

电源作品电源作品课题作品课题作品创新与特作品验收创新与特

指标达成制作工艺指标达成制作工艺色加分最总得分色说明

满分25分满分5分满分25分满分5分多加10分

作品分数

注：1、答辩时需提供电源作品和课题作品并在3413实验室演示验收；2、课题组成员按要

求进行现场操作与测试：3、答辩时课题组自备电脑与资料：4、课题组提供打印的设计说

明书一本。

三、课题组答辩与回答问题情况（满分10分，教师给分）

注：1、答辩时选代表进行项目整体情况介绍：2、每名同学回答老师给出上表项目中的1

-3个问题。

四、课题组设计说明书情况（满分30分，教师给分）

设计说明书分数：

五、课题组各成员最终成绩评定情况

注：1、课题组在答辩前将“成员对作品贡献度”及“成员对说明书贡献度”对应的“1.0-0.6”

填入。

《模拟电子技术》课程设计任务书

学院：电气与信息工程学院

适应专业：自动化、电气工程及其自动化、通信工程、电子信息工程

指导教师学生姓名

课题名称逻辑信号电平测试器

一、设计任务

采用集成运算放大瑞、晶体管等器件设计一个逻辑信号电平测试器。

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声调（频

率）的声音表示。电路设计方案自行确定。

内

容

二、设计内容

及

、电路设计方案比较；

任1

务2、电路参数分析计算和选择；

3、单元电路设计并进行分析；

4、实物制作；

5、系统调试（使用的仪器、测试数据表）；

6、撰写设计报告。

［1］刘铭，陈世利.电子线路综合设计与实践国］.北京：机械工业出版社，

2014.

主

要［2］许晓华,何春华.Multisim10计算机仿真及应用［M］.北京:北京交

参通大学出版社，

考

［3］胡宴如.模拟电子技术（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，

资

料2004.207^221

［4］于卫.模拟电子技术试验及综合实训教程［M］.武汉：华中科技大学出版

社，2008.60〜88

教

经审查，符合本专业人才培养方案及课程教学大纲要求，同意执行。

研

室

教研室主任：

意

见

2020年12月20日

《模拟电子技术》课程设计任务书

学院：电气与信息工程学院

适应专业：自动化、电气工程及其自动化、通信工程、电子信息工程

指导教师学生姓名

课题名称直流稳压电源

一、设计任务

设计一个直流稳压电源，当输入为有效值220V的交流电压时，能产

生±12V、±9V、±5V三组直流电压输出。

内

容

二、设计内容

及

1、电路设计方案比较；

任

、电路参数分析计算和选择；

务2

3、单元电路设计并进行分析；

4、实物制作；

5、系统调试（使用的仪器、测试数据表）；

6、撰写设计报告。

[1]熊幸明.电工电子实训教程M.北京：清华大学出版社，

主2007.266~281,312~323

要[2]曹才开.电路与电子技术试验[M].长沙：中南大学出版社，

参

2006.104〜108,128~131

考

资[3]谢自美.电子线路设计・实验•测试（第三扳）[M].武汉：华中科技

料2002.145~155

[4]康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：华中科技大学电

子技术课程组编，高等教育出版社，2006.413〜429

教经审查，符合本专业人才培养方案及课程教学大纲要求，同意执行。

研

室教研室主任：

意

见2020年12月20日

摘要

随着电子技术和其他高技术的匕速发展，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嘱目的变革。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。设

计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。逻辑

电平的测试器的优势在于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。

设计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蜂吗器，使蜂鸣器有相应不同的声调输出提示的方法。设

计使用虚拟仿真软件进行仿真测试，测试成功后，使用AD软件进行电路板的设

计。最后制作出逻辑电平电路测试器，使用示波器进行试验的测试。在电路输入

电平在0.8v以下蜂鸣器发出800Hz的声音，0.8~3.5V时不发声，在3.5v以上

时发出IKHz的声音，基本实现了课题设计的要求。

关键词逻辑信号；电平测试；高电平；低电平；比较器

目录

1绪论..............................................................1

1.1课题研究及其意义............................................1

1.2设计要求和技术指标..........................................1

1.2.1技术指标.............................................1

1.2.2设计要求.............................................1

2逻辑电平测试器的设计.............................................2

2.1逻辑电平测试器的方案比较....................................2

2.1.1方案一..............................................2

2.1.2方案二..............................................2

2.1.3方案三..............................................3

2.2逻辑电平测试器的原理........................................3

2.3比较器...................................................3

2.4LM358集成运放...............................................4

2.5输入及逻辑判断电路..........................................5

2.6音调产生电路................................................6

2.7直流稳压源的设计............................................6

2.7.1变压器的选择.........................................6

2.7.2整流桥的选择.........................................7

2.7.3电容的选择......................................7

2.7.4电阻的选择...........................................7

2.7.5三端稳压器...........................................7

3逻辑电平测试器的仿真测试.........................................8

3.1逻辑电平测试器的仿真图......................................8

3.2调试及测定主要参数..........................................8

4电路的制作与测试.................................................11

4.1实际电路制作...............................................11

4.2直流电源的调试.............................................11

4.3逻辑信号电平测试器的调试................................11

结束语13

致谢.................................................................14

参考文献.............................................................15

附录.................................................................16

附录A电路原理图..................................................16

附录B电路PCB图..................................................17

附录C电路制作实物图...............................................18

附录D元件清单.....................................................19

in

1绪论

1.1课题研究及其意义

在检修数字集成电路组成的设备时，经常需要用万用表和示波器对电路中的

故障部位的高地电平进行测量，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地和被测信号的周期，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。

本文设计了一个逻辑信号电平测试器，它可以方便哄捷的测量某一点的电位

的高低。逻辑电平的测试器的优势在于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。

1.2设计要求和技术指标

1.2.1技术指标

（1）测量范围:低电平〈0.8V,高电平＞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0.8~3.5V之间时•，不发出音响；

（5）输入电阻大于20KQ；

（6）工作电源为5V。

1.2.2设计要求

（1）设计输入与逻辑判断电路、音响产生电路和扬声器驱动电路；

（2）选定元器件和参数，并绘制电路原理图；

（3）在万能板或面包板或PCB板上进行电路安装调试；

（4）拟定测试方案并进行测试；

（5）撰写设计报告。

1

2逻辑电平测试器的设计

2.1逻辑电平测试计的方案比较

2.1.1方案一

VI

蛹入电路----------►逻辑信号识别电路-----------►示波器也示波形电路

图1电路设计原理图（方案一）

电路如图所示，该电路的输入信号Vi通过输入电路后，进入逻辑信号识别

电路，经过改电路的识别比较，将信号分为高低电平两种信号，在通过二极管的

限流，在示波器上将该波形显示出来。

2.1.2方案二

U1

------►推入电路

图2电路设计原理图（方案二）

如图所示：该电路由四部分组成，即输入电路，逻辑信号识别电路，音响信

号产生电路和扬声器，在该电路中，电路的输入信号Vi由输入电路输出后，经

过逻辑信号识别电路，在该电路中，通过比较器的比较测试，将该信号区分为高

点平和低电平两个信号分别输入音响信号产生电路，在音响信号产生电路中，通

过两个电容的充、放电过程，产生不同的频率脉冲信号，不同的脉冲信号使得扬

声器发出不同的响声，通过不同的响声来区分不同高低电平的不同。

2

2.1.3方案三

0

图3电路设计原理图（方案三）

原理如方案二，输入电路逻辑判断电路域方案二相同，不同的地方在于音响

产生电路，由555定时去构成多谐振荡器。

综上所述，方案三用到了555定时器，相对于方案一和方案二简单，在通过

频率相对应的阻值上简单，而且在数电课程上有过相关介绍，还算了解。故本次

课程设计选取方案三作为本次课程设计的主要方案

2.2逻辑电平测试器的原理

图4电路设计原理根图

由图1可知，逻辑信号电平测试器电路由五部分组成：输入电路、逻辑状态

判断电路、音响电路、发音电路和电源。

2.3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LM358运放开环放

大倍数为lOOdB,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-或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压时，

运放输出高电平。

由两个运放组成一个电压上下限比较器电路如图2所示，电阻凡、&组成

分压电路，为运放U/设定比较电平以；电阻尺、&组成分压电路，为运放U4A

3

设定比较电平U2。输入电压q同时加到02A的正输入端和U,A的负输入端之

间，当时，运放-A输出高电平；当时，运放输出高电平。

图5比较器电路

2.4LM358集成运放

LM358两运放是集成电路，它采用8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3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-(一)为反相输入端，表示运放输出端V。的信号与该输入

端的相位相反；Vi+(+)为同相输入端，表示运放输出端V。的信号与该输入端的

相位相同，运算放大器符号如图3所示，LM358的引脚排列如图4所示。

D.DP.endNPackages

OUTPUTAV*

INVERTINGINPUTAOUTPUTS

INVERTINGINPUTAINVERTINGINPUTB

V-NONINVERTWGINPUTB

图6放大器电路

图7放大器引脚图

由于LM358两运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使

4

用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。

2.5输入及逻辑判断电路

图5为测试输入和逻辑判断电路原理图。以U2A反相端电压为高电平参考

电压UH,U4A同相端电压为低电平参考电压Uh,U1是被测信号，U2A和U4A为

两个运算放大器。可以看出U2A和U4A分别与周围的电阻组成两个电压比较器。

当11大于UH时,U2A反相端电压小于同相端电压,使它输出端UA为高电平(5V)。

U4A反相端电压大于同相端电压，使它输出端UB为低电平。当被测电压U1小于

Uh时，U2A反相端电压大于同相端电压，使U2A输出端UA为低电平。U4A反相

端电压小于同相端电压，使它输出端UB为高电平(5V)c当UI在I'hYH之间时，

U2A同相端电压小于反向端电压，U4A同相端电压也小于反相端电压，输出均为

低电平。而通过改变运算放大器U4A同相端电压，可以控制低电平，该逻辑电平

测试器可以测量不同的标准也平。

图8输入与逻辑判断电路

R1和R2的作用是给U2A的反相输入端提供一个3.5V的电压。

R

-----2=-V<35V

:c-

因此只要保证R,+R2即可。RI和R2取道过大时容易引入干扰,

取值过小时则会增大耗电量。因此选取Rl=3kC,可得到:R2=6.8kQo

5

2.6音调产生电路

图6为音调产生电路原理图。电路主要由•个555组成的多谐振荡器产生较

高精度的震荡频率。

图9音调产生电路单元电路

输出信号的时间参数为.

T=t+t

wiw2»twl=O.7(/?,+/?2)C,tw2=().77?2c

要产生800HZ和1KHZ的矩形波，电阻取固定的10K,高电平电阻取2千欧

姆，低电平电阻取4千欧姆，电容选择0.1所。

2.7直流稳压源的设计

直流稳压源是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成。其直流稳

压电源结构图和稳压过程如图8所示。

图10直流稳压电源结构图和稳压过程图

设计一个直流稳压电源，当输入为有效值220V的交流电压时，能产生±12V、

±9V、±5V三组直流电E输出，最大输出电流为lOmax=500mA。

2.7.1变压器的选择

由三端固定式集成稳压器的特点，如果要求最小的输入电压、输出电压为

2V~3V,则可取的输出电压为12V的变压器，故选择输入：220V50Hz/输出：

6

双12V电源变压器。

2.7.2整流桥的选择

设计要求最大输出电流为I0max=500mA,整流桥应满足最大整流电流1>

0.75A,最大反向电压应大于变压器副边输出电压&2,故选择2W10C2A,1000V)

整流桥。

2.7.3电容的选择

(1)滤波电容

史空(9)

2

5T

C=—(10)

2R

式中R.为C右边的等效电阻，应取最小值，T为电流电源的周期。R最小值

可由公式(11)算出。

R一包2

=

KLmin-----(11)

/Omax

将T=20ms,Imax=500mA代入公式,可得&min=33co将Ri.min=33c,T=20ms

再代入(10)式，得出C=1515uF。因为C容量较大，应选电解电容，实际容量

选470UF,其耐压值为35V。

消振电容：消振电容靠近滤波器，起消振作用，一股选择消振电容电容值为

0.01uFo

旁路电容，当输出电压升高时，可进一步抑制纹波，防止纹波的放大，一般

选择旁路电容电容值为220nFo

2.7.4电阻的选择

输出的电压分别+12V、T2V、+5V、-5V,发光二极管两端的电压在2V左右，

所以串联的电阻分别选择使用10°g,IO。-，68(X1,68(X1,47(X1,47g的

电阻。

2.7.5三端稳压器

设计一个直流稳压电源，当输入为有效值220V的交流电压时，能产生±12V、

±9V、±5V三组直流电E输出。

故选固定三端稳压器LM7812、7912、7809、7909、7805、7905。

7

3逻辑电平测试器的仿真测试

3.1逻辑电平测试器的仿真图

按照电路图连接仿真电路，如图9所示，由于在仿真过程中，观察到电容C1

只充电不能放电，是因为比较电压过高，为此在比较电压器加上了一个分压电路,

可以保证C1能放电，同时测数值时发现频率不能达到要求，所以又把R7和R13

的电阻值减小，就满足了频率在高电平是为IKHz,在低电平是为800Hz。

图11逻辑电平测试器的仿真电路图

3.2调试及测定主要参数

1、当输入的被测逻辑电平信号为5V（大于3.5V）的波形：

蜂鸣器A1电路的信号波形如图10所示，其信号周期是994.318us,其频率

为IKHz,符合设计要求。

8

。，…一曲叱一

示波8rxsc1X

时间）Sii_Aifiai.B

T】♦♦

42.315ms0.000V5.000V反向

T2♦♦43.310ms0.000V5.000V

T2-T19X.318us0.000V0.000V保存外触发

通道A通道8依发

标贽12MDe刻度：7M刻度：叵而边沿：国IR

X轴位移（格）：JY轴位称（格）：0丫¥后位移（格）：[0水平：[o[v-

[yr~1海mB/AA/B交法0卫画交渣0匣|-里次正常自动国

图12蜂鸣器A1波形

2、输入的被测逻辑电平信号为2.0V（大于0.8V小于3.5V）的波形:

3、当输入的被测逻辑电平信号为0V（小于0.8V）时的波形：

蜂鸣器A2的信号波形如图12所示，其周期为1.250ms,说以频率在800Hz

左右符合设计要求。

9

10

4电路的制作与测试

4.1实际电路制作

使用AD软件画出原理图并制成PCB图，PCB图要合理的进行线路的设计。

制作好PCB图后使用PCB图进行打印，打印之后使用腐蚀剂进行腐蚀作业初

步完成电路板的制作。之后使用小型台钻按照PCB图上所给焊点进行打孔作业。

最后制作进行焊接，并检查电路是否有错误和打印是否有问题。

4.2直流电源的调试

使用万用表直流电压20V档位测量直流电源的各个端口，经测量其各个端口

的电压为11.83V、-11.83W9.01V、-9.01V\4.93V、-4.93V。基本符合设计

的要求。

4.3逻辑信号电平测试器的调试

（1）当输入的被测逻辑电平信号为5V,大丁3.5V时的波形时:

蜂鸣器A1发声。

jji5sti鼻而诲一~ffK

2.O1.399MAKI

MIX

SHOTONNlMIM2

图15输入电压为5V时的IL的波形图

（2）当输入的被测逻辑电平信号为2.5V,大于0.8V小于当3.5V时的波形时:

不发声。

1I

图16输入电压为2.5V时的Uc-波形图

（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:

蜂鸣器A2发声。

图17输入电压为0.3V时Ua的波形图

12

结束语

通过此次课程设计，使我们三名组员更加扎实的掌握了有关模拟电子技术方

面的知识.了解了LM358和NE555的原理，通过使用双运算放大器和555这一个

用途很广且相当普遍的计时IC实现了设计的功能。

在设计过程中遇到了许多问题。刚焊接完直流稳压电源时，有三个二极管无

法发亮，经过检测发现是芯片问题。第一次调试时功能都木完全实现，最后加上

基座和数枚排针后才得以实现。这暴露出了我们在这方面的知识欠缺和经验不

足。实践出真知，通过亲自动手操作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。

课程设计诚然是一门专业课，给我们很多专业知识以及专业技能上的提升，

同时，设计让我们感触很深。使我们对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课

程设计，掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用仪器、仪表；了解了电路的

连线方法：以及如何提高电路的性能等等。

在这次课程设计中，我们真正感受到了学习电气工程及其自动化这个专业的

乐趣，一块小小的电路板通过焊上各种元器件就可以实现很多功能，使枯燥的制

作变得有趣了起来。课程设计不仅培养了我们独立思考、动手操作的能力，在各

种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的

方法。而这是口后最实用的，真的是受益匪浅。这对于我们的将来也有很大的帮

助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍

贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加

成熟，会面对需要面对的事情。

回顾起此课程设计，我们体会最深的就足变理论为实践，通过对理论知识的

理解，结合动手操作能力，实现作品的设计。这给了我们对未来的工作和生活很

大的启发。光有理论知识是不够的，光在课堂上学习知识也是不够的。要想成为

一名电气工程方面的人才，一定要有理论结合实践的能力，拓展自己的知识面，

不断学习，不断进步。

13

致谢

在为期20天的课程设计期间，本组三名组员互相讨论，分工合作，最终使

得设计及课程设计说明书能顺利完成。我们每名组员各尽所长，互相学习互相包

容。雷老师上课讲的知识给了我们这次课程设计极大的帮助，也我意识到只学习

课本上的理论知识是远远不够的，同时我们每个人也意设到了自己还有许多需要

不足和需要改进的地方。再次感谢同学和老师给予的支持和帮助。感谢校方给予

我们这样一次机会，能够独立地完成一个课程设计，并在这个过程当中，给予我

们各种方便,使我们在这学期快要结束的时候，能够将学到的知识应用到实践中，

增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。

14

参考文献

[1]康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社,

2006.413~423

[2]许晓华，何春华.Multisim10计算机仿真及应用[M].北京:北京交通大

学出版社，2011.34-44

[3]胡宴如.模拟电子技术（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2004.207^221

[4]于卫.模拟电子技术试验及综合实训教程LM」.武汉：华中科技大学出版社，

2008.60〜88

15

附录

附录A电路原理图

16

附录B电路PCB图

逻辑信号电平测试计

陈子鸣汤鑫磊廖晨阳

C1

附录C电路制作实物图

直流稳压电源实物图

逻辑信号电平测试器实物图

附录D元件清单

逻辑电平测试器元件清单

元件型号数量（个）

电阻3kC0.25W1

电阻6.8kC0.25W2

电阻lkQ0.25W1

电阻10kC0.25W2

电位器lOOkQ1

电阻