逻辑电平测试器

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1、逻辑信号电平测试器的设计1. 技术指标设计、组装、调试逻辑信号电平测试器。测试器测量范围：低电平小于0.8V，高电平 大于3.5V ;用lKHz的音响表示被测信号是高电平，用800Hz的音响表示被测信号是低电平， 当被测信号在0.83.5V之间时，不发出音响；工作电源为5V。2. 设计方案及其比较2.1 逻辑信号电平测试器的基本原理电路由输入电路、逻辑判断电路、音响信号产生电路和音响驱动电路，由四部分子电 路组成。电路的输入信号 Vi 由输入电路输出后，经过逻辑判断电路，在该电路中，通过比较 器的比较测试，将该信号区分为高电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

2、过两个电容的充，放电过程，产生不同频率的脉冲信号，在音响 驱动电路中，不同频率的脉冲信号使得扬声器发出不同音调的响声，通过音调的不同来区 分高低电平的不同。2.2 方案一图1 为方案一的电路原理图。电路由输入电路、逻辑判断电路、音响信号产生电路和 音响驱动电路，由四部分子电路组成。图1方案一的原理图221输入电路由R和R组成，电路的作用是保证测试器输入端悬空时，输入电压既不是高电平，也1 2不是低电平。一般情况下，在输入端悬空时，输入电压取Vi=1.4V。根据技术指标要求输入电阻大于20KQ由此可得：1.4V=R2/(R1+R2)5V, Rl/R2=20KQ理论值计算得：R1=71.4KQ R

3、2=27.8KQ2.2.2逻辑判断电路R3和R4的作用是给U1的反相输入端提供一个3.5V的电压(高电平的基准平的基准)； R5为二极管DI、D2的限流电阻。DI、D2的作用是提供低电平信号基准具体逻辑判断情况 是：当输入是高电平时，Vul=5V，Vu2=0；当输入是低电平时，Vul=OV，Vu2=5V;当输入 在 0.83.5V 之间，则 Vu1=Vu2=0.由此可得：R4/ (R4+R3) 5V=3.5V。所以理论上，R3： R4=3:7。2.2.3音响信号产生电路主要由两个比较器U3和U4组成，根据前面对逻辑判断电路输出的研究，分三种情况 讨论。(1) 当输入在 0.83.5V 之间，则

4、 Vul二Vu2=0：由于稳态时，电容C1两端电压为零，并且此时Vul和Vu2两输入端均为低电平，二 极管D3和D4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，输出为高电平即5V。输出通过电阻R9按指数规律为电容C2 充电，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，但是由于二极管D5的存在，电路的稳定状态不受影响。故电路输出一直保 持高电平。(2) 当输入是高电平时，即Vul=5V, Vu2=0：此时二极管D3导通，电容C1通过电阻R6充电，按指数规律逐渐升高，由于U3同相 输入端电

5、压为3.5V，则在Vcl未达到3.5V之前，U3输出端电压保持为高电平。在Vc 1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R9和U3的输出电阻放电，Vc2由5V逐渐下降，当Vc2下降到小于U4反相端电压 (3.5V)时，A4的输出电压跳变为0V,二极管D5导通，Cl通过D5和U4的输出电阻放电。 因为A4输出电阻很小，所以Vcl将迅速降到0V左右，这导致U3反相端电压小于同相端 电压，A3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A3输出端形成 矩形脉冲信号。(3) 当输入是低电平时，Vu1=0V，Vu2=5V：此时电

6、路的工作过程与VA=5V, VB = OV时相同，惟一区别在于D2导通时，Vu2高电 平通过R7向C1充电，所以Cl的充电时间常数改变了，使得这个电路的输出的周期会发 生相应的变化。电路参数的计算：根据一阶电路响应的特点可知，tl表示电容C1充电过程，t2表示 电容C2放电过程。t代表时间常数。由此可得：Vcl (t) =5 (1-e-t/Ti), t 1=R6C1和t 1 =R7 C1。Vc2 (t) =5e-2, t 2=R9 C2。又 T=1/f，所以有：高电平时，1.2R6 C1 +0.36R9 C2=1ms； 低电平时，1.2R7 C1 +0.36R9 C2=1.25ms。所以只要取

7、定 C1 和 C2 的值即可得R6、R7、R8的值。2.2.4 音响驱动电路R10为限流电阻。由于音响负载工作电压较低且功率小，因此对驱动三极管的耐压等 条件要求不高，选取C9014作为驱动管，可完全满足本电路要求。2.3 方案二图2是方案二的电路原理示意图。电路由输入电路、逻辑判断电路、音响信号产生电路和音响驱动电路，由四部分子电路组成。rio rZ口口 kt图2方案二的原理图2.3.1输入电路同方案一，由R和R组成，电路的作用是保证测试器输入端悬空时，输入电压既不是1 2高电平，也不是低电平。一般情况下，在输入端悬空时，输入电压取Vi=1.4V。根据技术 指标要求输入电阻大于20KQ由此可

8、得：1.4V=R2/(R1+R2)5V, Rl/R2=20KQ理论值计算 得：R1=71.4KQ R2=27.8KQ2.3.2逻辑判断电路R3和R4的作用是给U1的反相输入端提供一个3.5V的电压(高电平的基准平的基准);R5和R6的作用是给U2的同相输入端提供一个0.8V的电压(低电平的基准平的基准)。由 此可得：R4/ (R4+R3) 5V=3.5V； R6 (R6+R5) 5V=0.8V。所以理论上，R3： R4=3:7, R5： R6=21:4。2.3.3音响信号产生电路主要由两个比较器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 讨论。原理类似方案一，但是，在方案二中

9、，R9与C2是并联关系，而不是如方案一的串 联关系。2.3.4 音响驱动电路R10为限流电阻。由于音响负载工作电压较低且功率小，因此对驱动三极管的耐压等 条件要求不高，选取90 14作为驱动管，可完全满足本电路要求。同方案一。2.4 方案比较第一个不同之处在于：在逻辑判断电路中，设置高低电平的电压基准，方案一采用分 压和二极管，而方案二均采用分压。方案一的二极管比较好，因为比较稳定并且实际找电 阻的话未必恰好使基准电压是0.8V，还需要再调整，这样的话比较麻烦。所以选择用二极 管。第二个不同之处在于：在音响信号发生电路中，C2与R9的串并联关系不同，方案一 采用串联，方案二采用并联。3. 实现

10、方案3.1 调整方案在实际操作中，我们发现有些电阻并不理想，所以应该对阻值进行了近似调整。由前面的理论计算：理想情况下，各个参数关系应该是：R1=71.4KQ R2=27. 8KQ, R4/ (R4+R3) 5V=3.5V。即 R3： R4=3:7，1.2R6 C1+O.36R9 C2=lms，1.2R7 C1+0.36R9 C2=1.25ms。实际上取瓷介电容 103 和 104，那么，Cl=0.1uF, C2=0.01uF。由 此可得，如下图所示，则R7-R6=2.0KQ R6 +0.03R9=8.3KQ 考虑到实验室的器材限制， 最后确定的具体器材是：R1=70KQ R2=30KQ R3

11、=30KQ R4=68KQ R6=7.5KQ R7=9.1 KQ R9=56KQ R10=10KQ C1=0.1uF, C2=0.01uF，四个电压比较器采用集成块 LM324, 三 极管采用C9014 ,另外有一个扬声器，一块面包板，示波器，导线等。3.2 实际调整实际测量U1和U2的高电平输出，发现不是理想情况下的5V,而是3.68V。但是U3 和U4的基准电压只有3.5V，这样就无法实现设计原理，也就是说，在音响信号发生电路 产生了问题，当输入是高电平或低电平时，根本就不会发生电容充放电，也就不会有不同 音调的响声，所以测试的波形也只是一条直线，跟输入悬空或在0.8-3.5V之间是无异的

12、。所以对U3和U4的基准电压做了调整：设置为2.5v,这样与3.68V有一定的差距比较合理。具体实现方法是，用两个相同适当的阻值分压实现，考虑现有器材，我们采用两个9.1k图3实现方案的原理图3.3在仿真设计中再次验证用示波器测量Vcl、Vc2和Vo的波形。测量的图示如下图图4所示。以15V作为输 入，验证方案可行性。测量的波形图如下图图5所示。从波形图可清楚看到，C1的充电过 程、C2的放电过程，以及输出的矩形波。说明调整后的方案是可行的。所以肯定了实现方 案，但是具体的数据测量应该以实物操作为主。-j-BAll!PI1牡图4 实现方案的测量原理图Digits Osdbsrope二Chann

13、el B hanikpl D图5以15V为输入的测试的波形图*注：由上至下依次是Vc1、Vc2、Vo的波形。4. 调试过程及结论4.1明确调试目的验证高电平与低电平时发出不同音调的响声，具体测量本设计的高低电平分别为多 少，记录相应的波形，分析结果，与技术指标比较，评估设计。4.2布线布线结果如图6所示。为了测试方便，在输入端采用5V输入，用一个电位器进行调 节，可以得到05V的输入。图6 布线图4.3具体调试431发现的问题实际测量U1和U2的高电平输出，发现不是理想情况下的5V,而是3.68V。但是U3 和U4的基准电压只有3.5V，这样就无法实现设计原理，也就是说，在音响信号发生电路 产

14、生了问题，当输入是高电平或低电平时，根本就不会发生电容充放电，也就不会有不同 音调的响声，所以测试的波形也只是一条直线，跟输入悬空或在0.8-3.5V之间是无异的。 所以对U3和U4的基准电压做了调整：设置为2.5V，这样与3.68V有一定的差距比较合理。 具体实现方法是，用两个相同适当的阻值分压实现，考虑现有器材，我们采用两个9.1k 的电阻分压。4.3.2具体测量先采用悬空输入，验证U1和U2的基准电压是否分别是3.5V和0.8V。测量结果是0.78V 和3.5V，较为合理，但是不能作为设计的高低电平，应进一步测量。此时的输出波形是一 条直线，符合设计要求。接着将输入从开始慢慢向上调，刚开

15、始一直有响声和波形，当调 整到0.82V时恰好响声消失，矩形波消失。说明低电平时是0.82V,低电平波形如下图图 7所示，读取并记录相关的数据。图7低电平的输出波形图继续将输入慢慢往上调整，发现恰好在输入为3.5V时再次出现波形和响声，并且响 声的音调与之前的不同，记录此时的波形，如下图图8所示。图8高电平的输出波形图4.4结果分析实际低电平是0.82V,设计要求是0.8V；实际高电平是3.5V，实际要求是3.5V，并 且响声的音调也不同。所以设计比较合理，误差可能来自于万用表。但是由波形反应出来 的音调不是十分理想，可以看到，周期并非设计要求的高电平是1ms，低电平是1.25ms。 误差可能

16、来自于发现问题后的调整将U3和U4的基准电压改为2.5V而非原理的3.5V， 也可能来自于电阻，相对调整得较为明显。5. 心得体会做这个课程设计，收获真的很大，有这样的经历真令人感到开心。这个课题是关于模电的，做设计，并且是做出实物，真是第一次，所以很兴奋，很期 待。一直学的模电是理论化的，做题什么的毕竟跟真的做出实物是不一样的，我个人觉得 学习理论比较容易，但是实践则需要解决一些非常规的问题，至少对于新手来说，是没有 套路可寻的。我们之前做了几次模电实验，几乎每次都是老师给出了具体的方案，我们只 负责执行，除了最后的考试那次，是自己在半指导办自己探索的下设计并完成的，最后我 发现，只有最后的

17、自己设计的那次实验给我留下深刻的印象。所以说，绝知此事要躬行！同样的，这次课设，由于是自主的，所以给我们留下了很大的空间，去自己探索，找资料，去理解，去问为什么，去寻求改进，去制作，去发现问题，去解决问题。每个环节都需要 我们以认真的态度去对待。这让我想到选题的时候，当时也没怎么想，就觉得只要认真做， 每个课题都一样可以锻炼人，可以给人一种经历和收获。结果也确实如此，我感到收获很 大，很认真的把一件事情做好，让我觉得很有意义。在接触一个新课题的时候，如果平时没学好模电的理论知识，我相信不会很透彻的理 解和找到方法，在探索与尝试中，用到了软件protues,说明平时熟练掌握工具是很有必 要的。所

18、以，平时就要学会必要的知识，掌握有用的软件。所谓工欲善其事，必先利其器 另外，在做课设的过程中，也遇到了一些问题。在制作实物时，我的合作伙伴刘莎同 学，动手能力很好，值得我学习，并且在调试过程中，我们很好的合作，积极地解决问题 乐观的看待这次课设，把整个设计过程变得很愉快，我们都喜欢用自己的方法去探索去改 进，所以当最后调试出来时，我们都很兴奋！这是个很愉快很难忘的经历！希望有时间有 机会多做这种自主的设计活动！过程是最重要的，这一点我充分体会到了，在整个过程中学到了很多东西，当然，最 后按照要求把说明书仔细完成，还是很令人开心的。盘点收获，感慨万千。我总结这样的 几句话勉励自己：绝知此事要躬行，实践出真知。认真，接受挑战，合作！6. 参考文献1 吴友宇主编.模拟电子技术基础.北京：清华大学出版社，2009.52 李桂安，葛年明，周泉编.电子技术实验及课程设计.南京：东南大学出版社，2008.83 毕满清编.电子技术试验与课程设计. 北京:机械工业出版社,2005.74 华成英,童诗白编.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社,2004