数据域测量中逻辑笔的研制

数据域测量中逻辑笔的研制

摘要：针对数字电路测试与检修过程中逻辑电平状态测量问题，设计了三组由不同参数电阻构成的分压取样电路，将稳压管的输出电压分压取样以产生高、低以及悬空三种状态的阈值电平，确保了电路运行的可靠。选用3个运算放大器和逻辑门电路设计构成电压比较运算电路，将测试电压与三种阈值电平进行比较运算，保证了测量精度的同时使得电路结构更为稳定。运用不同颜色的发光二极管来表示数字电平的不同状态，清晰直观，提高的测量的效率。

关键词：数据域测量，数字电路，逻辑笔

1 引言

随着数字电子技术在各个领域内的广泛应用，数字电路的分析与设计日益成为电子，自动化，计算机等领域的重要部分。数字电路的分析大体上包括两个部分，一类是根据具体目标，确定所设计电路应具备的功能，然后设计相应的电子线路，另一类是对现有电子电路进行分析，从而对电路各个部分的功能更加明晰，为后续数字电路的改进或故障检修做准备。

数字电路的设计与分析过程中，数据流的测量以及数字电平逻辑状态的判断是一个重要的环节。电路中各个节点逻辑电平是否处于正常状态直接决定了电路工作是否正常，同时，根据逻辑电平的状态也可准确排查出故障位置和原因。与传统时域测量不同，数据域测量面向的对象是数字逻辑电路。传统时域测量仪器如万用表、示波器对于模拟电子电路的测量时行之有效的，但由于数字电路与模拟电路在电路结构，信号构成，分析方法上有着很大的不同，故应设计相应的数据域测量测量仪器，以达到高效分析和检修数字电路的目的。

通常状态下，数字电路的输出有三种状态，即高电平状态、低电平状态以及高阻状态。当输出电压高于设定的阈值电平（通常为 3.5V）定义为高电平状态，记为逻辑“1”，当输出电压低于设定的阈值电平（通常为1.2V）定义为低电平状态，记为逻辑“0”，当输入端悬空时为第三状态，称为高阻状态。逻辑笔是一种新型的数据域测试工具，采用不同颜色的指示灯来表示数字电平的高、低以及悬空状态，判别迅速、清晰直观。基于单片机技术的逻辑笔设计方案是将单片机

本研究运用逻辑门电路构建逻辑笔的电路设计方案。

本研究项目的创新之处在于，针对数据域测量过程中逻辑电平状态的测量，分别设计了

三组由不同参数电阻构成的分压取样电路，将稳压管的输出电压分压取样以产生高、低以及悬空三种状态的阈值电平对应三种逻辑状态，确保了电路运行的可靠性。设计出由运算放大器和逻辑门电路组合构成的电压比较运算电路，将测试电压与三种阈值电平进行比较运算，保证了测量精度的同时使得电路结构更为稳定，降低了电路制造成本。运用不同颜色的发光二极管来表示数字电平的不同状态，清晰直观，提高的测量的效率。文章第二部分研究了设计方案的电路原理，第三部分给出了逻辑笔电路原理实物以及测试结果。

2 原理

逻辑笔电路原理设计图如图1所示，电路设计过程中，首先设计电路的供电部分。图中所示2V 代表电源，作用是给整个电路供电，由于此类电路在实际构造和使用过程中，往往用普通电池作为电源，而普通电池输出电压值会随着使用不断降低，影响电路的稳定。为解决这一问题，设计时采用普通电池V2与稳压模块4U 组合构成电路的稳压供电部分。利用电池向稳压模块4U 供电，然后再由稳压元件4U 的第1脚输出电压（记为cc V ）向整个电路稳定供电，提高电路长时间运行的稳定性。

图1 逻辑笔电路原理图

得到稳定的供电电压 后，接下来的工作是设计并构造分压取样电路，该部分的作用是将 进行分压，得到相应电压作为阈值电压。对应数字逻辑电平以产生高、低以及悬空三种状态的阈值电平，为后续测量提供判别标准。根据串联电路分压规律，在串联回路中任意电阻 承担的电压值 为：

(1) 式（1）中， 为串联回路总电压， 为串联回路总电阻，其数值等于各个电阻之和，即：

(2)

在本设计中，利用电阻 与电阻 构成串联分压取样电路，如图1所示，集成运放U1:A 第3脚的输入电压记为 ，根据串联电路分压规律，可以得到：

(3)

同理，电阻 和电阻 构成的串联分压电路中，输入到集成运放U1:B 第5脚的输入电压记为 ,根据同样的分析方法，不难得到： （4）

同时，集成运放U1:A 的第2脚和集成运放U1:B 的第6脚相连，连接点即为探测电压的输入点，记为 。电阻 和电阻 同样以串联的形式构成分压取样电路，该部分电压取样电路将4U 第1脚输出的电源电压cc V 分压后作为输入电压输入到 端。当 没有外接电压输入时，称为此时电路处于悬空状态，此时的 端电压即为： （5）

对图1所示电路原理图进一步分析可知，当电路输入端 有待测电压输入时，当输入电压大于U1:A 第3脚的输入电压 时，U1:A 的1脚、U1:B 的7脚均为低电平（记为逻辑“0”），由于U2:A 和U2:B 均为逻辑“非”门电路，故U2:A 的2脚、U2B 的4脚输出电压均为高电平（记为逻辑“1”），那么相应有U3:C 的第9、10两脚均为高电平输入，那么经过U3:C 的“与非”运算后，其第8脚的输出为低电平，那么稳压源输出的电源电压cc V 经限流电阻7R 通过红色发光二极管D1与U3:C 的第8脚的输出低电平形成回路，从而使得红色发光二极管D1被点亮，运用同样的分析方法可以得出此时U3:A 的1脚和2脚的输入电压均为低电平，则U3:A 的3脚的输出电压为高电平，从而将蓝色发光二极管D2的回路截止，D2无法被点亮；同理，U3:B 的输出第6脚为高电平，使得绿色发光二极管D3的状态也是熄灭。根据上述现象，可以得出结论，将U1:A 第3脚的输入电压记为阈值电压 ，

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