模拟电子技术论文

数字逻辑信号测试器

计算机与信息工程学院 2013级通信工程班 XXX 12356789

指导教师 XXX 讲师

摘要本文介绍了通过运用集成运算放大器的工作特性而设计的数字逻辑信号测试器。该器件可以通过声音的高低和发光二极管的亮灭来表示被测信号的逻辑状态，一般应用于数字电路测试、调试和检修等。

关键词集成运算放大器；逻辑状态识别电路；音响信号产生电路

1设计任务及主要技术指标和要求

1.1 设计一个数字逻辑信号测试器，要求能正常测试高电平、低电平或高阻。

（1）掌握集成运算放大器的工作原理及其应用。

（2）掌握数字逻辑信号测试器的原理。

1.2 设计要求

（1）选取单元电路及元件；

（2）逻辑信号测试器的原理分析；

（3）音响产生和驱动电路的设计与调试；

（4）各单元电路的参数计算；

（5）整体电路的联调（完成全电路理论设计、仿真、调试）；

1.3 设计参数

（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800HZ的音响表示，被测信号在0.8～3.5V 之间不发出声响。

（3）工作电源为5V，输入电阻大于20K欧姆。

2引言

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的高低和发光二极管的亮灭来表示被测信号的逻辑状态，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。

3电路组成及工作原理

3.1整体设计原理图

图1 原理框图

3.2 电路组成

（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R3和R4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（V A）U2（VB）

Vi

VL

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电路

（2）音响信号产生电路

图3 音响信号产生电路

当V A =V B =0V （均为低电平）时：由于稳态时，电容C1两端电压为0，并且此时V A 和V B 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 一直保持高电平。

当V A =5V ，V B =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。

当V

A =0V，V

B

=5V时：此时电路的工作过程与VA=5V，VB=0V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作为驱动管，可完全满足电路要求。

图4 音响驱动电路

3.3 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 KΩ，并且输入悬空时，V

i

=1.4V（一

般在V

H =3.5V和V

L

=0.8V中间位置选取）。因此

V

i =(R

2

\R

1

+R

2

)Vcc=1.4V R

i

= R

1

R

2

\R

1

+R

2

≧20KΩ

解得 R

1=71KΩ R

2

=27.6KΩ

根据分压公式得 V

H =(R

4

\R

3

+R

4

) Vcc=3.5V

R

i = R

3

R

4

\R

3

+R

4

≧20KΩ解得 R

3

=29KΩ R

4

=68KΩ

V

L =(R

6

\R

5

+R

6

)Vcc=0.8V R

i

= R

5

R

6

\R

5

+R

6

≧20KΩ得R

5

=68KΩ

R 6=12.8K Ω

根据电容电压公式得 Vc1（t ）=5(1-e 1

τt

-) (t 1期间C 1充电)

Vc2（t ）=5e

2

τt

- （t 2期间C 2放电）

其中 输出Vo 的周期T= t 1+ t 2 t 1=-τ1

ln0.3=1.2τ

1

t 2=-τ

2

ln0.7=0.36τ

2

取τ

2

=R 9C 2=0.5ms 则当C 2=0.01uf 时，R 9=τ2

\C 2=0.5ms\0.01=50K Ω

同时选取C 1=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 1 + t 2 =1.2 τ

1

+0.36 τ

2

=1\f=1ms 代入τ

2

=0.5 ms ，得，

τ

1

= R 7C 1=0.68ms 所以 R 7=τ

1

\ C 1=6.8K Ω 被测信号为低电平时，音响频率为800HZ

同理，计算求得R 8=8.9K Ω （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。 6、仿真调试过程及结果分析

按照电路图连接仿真电路，如图（5）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5 逻辑信号测试器的仿真电路图

在调试过程中，通过改变输入逻辑信号的大小，来验证所设计器件的功能是否符合设计要求。

1、当输入的被测逻辑电平信号为12（大于3.5V）时的波形：

（1）输出信号U0的波形如图6所示。

图6 U0 输出信号的波形

（2）音响电路的信号波形如图7所示，其信号周期是1.025ms，其频率为1Khz，符合设计要求。

图7 音响电路信号波形图

（3）C1的充放电波形图如图8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。

图 8 C1的充放电波形图

2、输入的被测逻辑电平信号为2.3V（大于0.8V小于3.5V）时的波形：（1）输出信号U0的波形如图9所示。是没有波动的信号。

图9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10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10 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0.3V（小于0.8V）时的波形：

（1）输出信号U0的波形如图11所示，是有波动的信号。

图11 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12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。其周期为1.23ms,说以频率在800Hz 左右符合设计要求。

图 12 音响电路的信号波形和C1充电放电波形

4设计步骤及方法

首先，根据数字逻辑信号测试器的功能，将所设计器件的各个模块的组成原理及操作时的步骤分析清楚。

其次，仔细计算各电路参数，并统计好所需元器件，同时通过网上查资料等方式确定各元器件的引脚图及使用方法。

接着，利用CAD软件绘制电路图，再进行功能的仿真，进一步确认设计原理及方法的准确性。

之后，在面包板上分模块连接，每连接好一个模块就进行测试，看是否达到预期效果。如有问题，则只需要调试刚连好单一模块即可。面包板连接实物图如图6所示。

最后，总体测试，由于已经分模块测试过，故整体测试时一般会很容易达到预期目标。

图6面包板连接实物图

5设计所用器材

表2元器件清单

编号名称型号数量

U1、U2、U3、U4 运算放大器LM324 4

T 三极管9012 1

D1、D2、D3 二极管1N4148 3

D4、D5 发光二极管 2

R1 电阻75KΩ 1

R2、R3 电阻30 KΩ 2

R4、R5 电阻68 KΩ 2

R6 电阻13 KΩ 1

R7 电阻 6.8 KΩ 1

R8 电阻9.1 KΩ 1

R9 电阻 5 KΩ 1

R10 电阻10 KΩ 1

R11 电阻50 KΩ 1

C1 电容0.1uf 1

C2 电容0.01uf 1

U5 蜂鸣器 1

Vcc 电源5V 1

6小结

本次课程设计的完成过程是还算顺利，但在此过程中，不仅暴露出我们对模拟电子技术这门课的某些知识点的理解不够透彻，更显示出我们解决问题时思维不够严密，不够灵活，实际操作时对操作步骤不够熟悉，执行起来没有条理。而对于这个设计，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，丰富了自己的知识和经验。从刚开始的手足无措，到慢慢地找到方法，一步步地跨过所遇到的重重阻碍，再到体会到

“柳暗花明又一村”的喜悦后，我终于真正地将理论知识转化为了生活中的实际应用。或许小小的课程设计不足以从根本上解决我们实际操作上能力不足的问题，但它让我们学会了方式方法，在以后的学习中，我们便可以采用该方法去提高效率，深化理论知识，提高实际操作能力。

本文在写作过程中的得到了张老师的耐心指导，在此表示衷心的感谢。

参考文献

[1] 童诗白，华成英编著.模拟电子技术基础.高等教育出版社.

[2] 高吉祥编著.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社.

[3] 赵淑范，王宪伟编著.电子技术实验与课程设计.清华大学出版社.

[4] 黄永定编著.电子实验综合实训教程.机械工业出版社.

[5] 毕满清主编.电子技术实验与课程设计.机械工业出版社.

[6] 孙肖子，张企民主编.模拟电子技术基础.西安电子科技大学出版社.

[7] 百度文库