逻辑电平测试器

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1KHz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0.8--3.5V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2.2.1 输入电路

由R

1和R

2

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

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20KΩ。由此可得：1.4V=R2/(R1+R2)5V，R1//R2=20KΩ。理论值计算得：R1=71.4K Ω，R2=27.8ＫΩ。

2.2.2 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D1、D2的限流电阻。D1、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，Vu1=5V，Vu2=0；当输入是低电平时，Vu1=0V，Vu2=5V; 当输入在0.8~3.5V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0.8~3.5V之间，则Vu1=Vu2=0：

由于稳态时，电容C1两端电压为零，并且此时Vu1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Vu1=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，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：

此时电路的工作过程与VA＝5V，VB＝0V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，t1表示电容C1充电过程，t2表示电容C2放电过程。τ代表时间常数。由此可得：Vc1（t）=5（1-e-t/τ1 ),τ1=R6·C1和τ1’=R7·C1。 Vc2（t）=5e-t/τ2 ,τ2=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。

图2 方案二的原理图2.3.1 输入电路

同方案一，由R

1和R

2

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20KΩ。由此可得：1.4V=R2/(R1+R2)5V，R1//R2=20KΩ。理论值计算得：R1=71.4KΩ， R2=27.8ＫΩ。

2.3.2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，R9与C2是并联关系，而不是如方案一的串联关系。