邏輯電平信號測試器

1、湖南文理學院芙蓉學院電子技術綜合課程設計 專業(yè)班級：電子信息科學與技術 學生姓名： XXXX 學生學號： XX 指導教師： XXXX 設計時間：2012.6.4-2012.6.15 一、設計任務與要求1）設計題目：數(shù)字邏輯電平信號測試器設計 2）基本要求：（1）、測量范圍：低電平<0.8V，高電平>3.5V （2）、高低電平分別用1KHZ和500HZ的音響表示，被測信號在0.83.5V之間不發(fā)出聲響。高電平使紅色二極管亮，低電平使綠色二極管亮，在0.83.5V之間使黃色二極管亮。 （3）、工作電源為5V，輸入電阻大于20K歐姆。元器件：555定時器，揚聲器，晶體三極管，運放器，電阻

2、電容若干二、方案設計與論證 為了方便進行對某點的電平測試，設計一個邏輯信號測試器。電路由輸入電路、邏輯狀態(tài)識別電路、二極管點亮電路和音響信號產生電路等組成。輸入的邏輯信號電平大于或小于所設定的高低電平電位，則音響發(fā)聲且點亮紅/綠二極管，如若在高低電平之間，則音響不發(fā)聲且點亮黃色二極管。利用這種方式設計電路，計算元器件參數(shù)，選擇成本合適的器件，確定電路形式并進行仿真實驗驗證。 1、原理框圖 輸入信號電路邏輯信號識別電路二極管點亮電路音響信號產生電路 圖一、邏輯信號測試器的原理框圖2、對原理框圖的描述： 1）、方案論證：如圖1，邏輯信號測試器由四部分電路組成，分別是輸入信號電路、邏輯信號識別電路、

3、二極管點亮電路和音響產生電路。輸入一個邏輯信號，其電平值高于3.5V或低于0.8V音響二極管紅、綠燈分別點亮和發(fā)聲，在0.8V和3.5V之間音響不發(fā)聲、二極管黃燈亮，再觀察輸出Vo是否符合標準。2）、步驟：（1）輸入電壓Vcc=5V。通過電阻分壓得到高低兩電平。（2）輸入一個邏輯信號，比較兩個運算放大器同相端與反相端電壓的高低。若同相端電壓高于反相端，則輸出電壓為5V；若反相端電壓高于同相端，則輸出電壓為0V。（3）輸出是由兩個555定時器分別夠成多謝振蕩器產生1000HZ/500HZ的頻率，在經(jīng)由三極管的來驅動蜂鳴器產生音響。三、單元電路設計與參數(shù)計算1、輸入及邏輯信號識別電路 如圖2所示，

4、Vi是輸入的被測邏輯電平信號，輸入電路是由電阻R1和R2組成，其作用是保證輸入端懸空時，Vi既不是高電平，也不是低電平。U1和U2組成的雙限比較器對輸入信號進行檢測識別，U1的反相端為高電平值電位參考端，其電壓值由電阻R1和R2分壓后獲得，記為VH。同理，U2的同相端為低電平值電位參考端，其值由R5和R6分壓決定，記為VL。 比較器的同相輸入端高于反相輸入端電壓時，比較器輸出為高電平（5V），反之，則比較器輸出為低電平（0V）。在保證VH>VL的條件下，輸入、輸出狀態(tài)有以下關系：見表1。 表1 輸入、輸出狀態(tài)關系 輸入U1（VA）U2（VB）Vi<VL<VH低高VL<V

5、i<VH低低Vi>VH>VL高低通過分析比較器的輸出狀態(tài)，就能夠判斷輸入邏輯信號電平的高低。被測邏輯電平信號高于高電位、低于低電位時音響發(fā)聲；在高、低電位之間音響不發(fā)聲。圖2 輸入及邏輯信號識別2、二極管點亮電路 如圖3，經(jīng)由電壓比較器的輸出從而使二極管點亮。圖中所示，當測試電壓為高于3.5V時，上面的電壓比較器導通，使得紅色二極管被點亮。當測試電壓低于0.8V時。下面的電壓比較器導通，使得綠色二極管被點亮。當測試電壓在0.83.5V之間，兩個電壓比較器同時輸出低電平，分別通過非門和一個與門使得黃色的二極管被點亮。此過程中沒有重疊地方，電壓比較器只能是一個導通一個截止或者兩個

6、一起截止。圖3二極管點亮電路3、音響產生和驅動電路如圖4所示，由555定時器構成多諧振蕩器產生1000HZ/500HZ的頻率。由于音響負載工作電壓較低而且功率較小，因此對驅動三極管的耐壓等條件要求不高，故選去9013作為驅動管，可完全滿足電路要求。多諧振蕩器又稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)后，經(jīng)過一段時間可以自行觸發(fā)翻轉到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉換而輸出一系列矩形波。多諧振蕩器可用作方波發(fā)生器。圖5音響產生和驅動電路4、多諧振蕩器555集成定時器是模擬功能和數(shù)字邏輯功能相結合的一種雙極型中規(guī)模集成器件。555 定時器成本低，性能可靠，只需要

7、外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。圖4 555時基電路的原理圖及引腳圖5、集成運算放大器LM324 這里主要介紹電路中所用到的集成運算放大器LM324。LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。LM324四運放是集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳

8、，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸 出端。兩個信號輸入端中，Vi-(-)為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+(+)為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號 與該輸入端的相位相同，如圖3-1，LM324的引腳排列見圖3-2。 圖5放大器圖6放大器引腳圖由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應用在各種電路中。6、揚聲驅動電路原理圖 圖2.4 揚聲器驅動電路揚聲器主要有永久磁鐵、線圈、和錐形紙盆組成。強弱按聲音變化的電流，使揚聲器內電磁鐵的磁性忽強忽弱，線圈就向里或外

9、運動，帶動紙盆發(fā)生震動發(fā)出聲音。將電能轉化為聲能，并將它輻射到空氣中的一種電聲換能器件。電影、電視、廣播以及各種需要揚聲的場合都需要使用揚聲器。揚聲器的主要性能指標有：靈敏度、頻率響應、額定功率、額定阻抗、指向性以及失真等。 揚聲器頻率響應，在恒定電壓作用下，在參考軸上距參考點一定距離處，揚聲器所輻射的聲壓級隨頻率變化的特性。頻率響應一般是記錄在以對數(shù)頻率刻度為橫坐標的圖上，即頻率響應曲線。 不同規(guī)格、口徑的揚聲器能夠發(fā)出不同的音調，(不同頻率范圍的)，不可能全頻段都兼顧，所以有高、中、低、音之分。聲音的三要素 響度、音調、音品(音色) 響度:聲音大小聲,與發(fā)音體產生的聲波振幅有關 音調:聲音

10、的高低,與發(fā)音體產生的振動頻率有關 音品:聲音的獨特性，與發(fā)音體產生的波形有關 本設計就利用了音調的高低與發(fā)音體的震動頻率有關的原理，根據(jù)音響電路中產生的不同頻率的方波驅動揚聲器發(fā)出不同音調聲音。 7、參數(shù)計算、元器件選擇（1）參數(shù)計算根據(jù)技術指標要求，輸入電阻大于20 K，并且輸入懸空時，因此V1=(R2R1+R2)Vcc=3.5VR= R1R2R1+R220K解得 R=68K R=30K根據(jù)分壓公式得V2=(R6R5+R6) Vcc=0.8VR= R5R6R5+R620K解得 R6=13K R5=68K同時選取限流電阻R3=R4 =1K ；R9=R12=680。同時選取C2=C4=0.01

11、uf，由于技術指標要求，被測信號為高電平時，音響率f=1KHZ時，計算得C1=20uf,被測信號為低電平時，音響頻率f=500HZ,計算得C3=10uf.被測信號為高電平時，音響頻率為1000HZ計算求得R8=30K，R7=10K。（2）元器件選擇選取標稱值，即元件庫里所有的實際元件，按最接近的值選取。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 運算放大器：LM324AJ二極管：1N4148三極管

12、：9013四、仿真過程與仿真結果按照電路圖連接仿真電路，如圖6所示,由于在仿真過程中，沒有出錯。但是效果不是很好，修改了很多次效果還是差不多，可能是由于有運放的關系。用555定時器構成的多諧經(jīng)計算滿足了頻率在高電平是為1KHz，在低電平是為500Hz。后由三極管來驅動蜂鳴器產生音響。五、電路原理圖及元器件清單電路原理圖：圖6數(shù)字邏輯電平信號測試器的全圖元器件清單：序號編號名稱型號數(shù)量1U1、U2運算放大器LM32422T三極管901223D1、D2、D3二極管1N414834R1、R5電阻68K25R2、R8電阻30 K26R3、R4電阻1K27R6電阻13 K18R7、R11電阻10K29R

13、9、R12電阻680110R10電阻40K111555芯片212C1電容20uf15C2、C4電容0.01uf26C3電容10uf16U5蜂鳴器17Vcc電源5V1六安裝與調試焊接調試：(1)焊前準備 準備好電烙鐵以及鑷子、剪刀、斜口鉗、尖嘴鉗、焊料、焊劑等工具，將電烙鐵及焊件搪錫，左手握焊料，右手握電烙鐵，保持隨時可焊狀態(tài)。 (2)用烙鐵加熱備焊件。 (3)送入焊料，熔化適量焊料。 (4)移開焊料。 (5)當焊料流動覆蓋焊接點，迅速移開電烙鐵。(6)元件焊接好以后，接通+5直流電源。實驗效果：（1）、當輸入的被測邏輯電平信號為5 V，大于3.5V時的波形時： 輸出信號U0的波形是有波動的信號

14、。音響電路信號波形的周期是1.025ms，其頻率為1Khz，紅色的二極管被點亮。（2）、當輸入的被測邏輯電平信號為2.3V，大于0.8V小于當3.5V時的波形時： 輸出信號U0的波形是沒有波動的信號。符合設計要求。（3）、當輸入的被測邏輯電平信號為0.3V小于0.8V時的波形時： 輸出信號U0的波形是有波動的信號。音響電路的信號波形的周期為2ms,其頻率為500HZ左右。符合設計要求。七、心得與體會： 在為期兩周的課程設計期間，我們小組互相討論，共同研究，和各方面的努力，最終使得設計能順利完成。在課程報告即將完成之際，讓我深深體會到支持的力量，我很感謝我周圍的同學、朋友和老師給我?guī)椭?，正是他們的支持，深深地感染和鼓勵著我們，為我們提供了條件，為我們的設計的順利完成提供了保證。再者，我認為在做設計之前我們需要查閱大量的資料弄我們該做什么，該怎樣去做，怎樣做才能使它更好。當然在設計時，你可能也會遇到很多問題，但是不要著急，慢慢來，不懂的就去找資料，看視頻。我通過這次課程設計我學會了獨立自主的思考和處理問題并解決它。雖然仿真和測試不是很順利，但在困難面前我們能即時地相互探討找出事故原因并解決這充分體現(xiàn)了我們的團隊精神，所以我也很感謝我的隊友。在以后的人生中，我們仍將不斷學習，相信這次設計是我們人生中一筆寶貴的財富，我們將更有信心向未來邁進！ 八、參考文獻