逻辑信号电平测试器

电子技术课程设计——逻辑信号电平测试器
齐齐哈尔大学通信与电子工程学院
电子123：XXX
指导教师：XXX老师
2014年06月23日
逻辑信号电平测试器
一、设计任务
1.设计目的：（1）学习逻辑判断电路的设计方法
（2）研究逻辑判断电路的设计方案
（3）掌握逻辑判断电路的原理和使用方法
（4）进一步熟悉电子线路系统的装调技术
2.技术指标：（1）测量范围:低电平U
L <0.8V,高电平U
H
>3.5V
（2）被测信号为高电平时，用1KHZ的音响表示，红色指示灯点亮
（3）被测信号为低电平时，用500HZ的音响表示，绿色指示灯点亮
（4）当被测信号在0.8~3.5V之间时,不发出音响，指示灯不亮
（5）输入电阻大于20KΩ
（6）工作外接电源为5V，芯片内部供电为12V
二、设计方案论证
1.设计方案：为了方便进行对某点的逻辑信号电平的测试，设计一个逻辑信号电平测试器。

电路是由输入电路、逻辑状态判断电路、二极管LED指示灯电路、音响电路模块组成。

以逻辑状态判断电路为核心电路，音响电路则利用LM324（或UA741）设计RC震荡电路分别产生1KH Z和500H Z的频率提供给扬声器，能分别发出不同频率的声信号。

根据LED指示灯电路和音响电路所产生的不同颜色光亮及声信号来更方便直接判断高低电平信号。

2.方案论证：根据所设计的原理框图和设计方案，画出电路原理图，设计电路简单明了，各电路部分规划清晰，所涉及元器件简单常用，易于购买。

U i采用5V可调电源输入，高电平时，LED指示灯红灯亮，扬声器发出1KH Z声音；低电平时，LED指示灯绿灯亮，扬声器发出500H Z声音。

便于及时直观测量电平变化。

三、电路结构及其工作原理
1.电路的结构框图：
图1为测试器的原理框图。

由图看出电路可以由5部分组成：输入电路、逻辑状态判断电路、音响电路、指示灯电路和电源。

图1 测试器原理框图
2.电路的原理图：
逻辑信号电平测试器电路原理图如图2所示。

图2逻辑信号电平测试器电路原理图
3.电路工作原理：
对于模拟信号电压进行幅度检测、鉴别，可用电压比较器电路实现。

U
i 是被检测信号，A
1
和A
2
为两个运算放大器，利用A
1
和A
2
分别与它们外围电路组成两个
电压比较器。

A
1的反向端电压由R
3
和R
4
的分压决定，A
2
的同向端电压由R
5
和R
6
的分压决定。

当被测电压U
i <0.8V，A
1
反向端电压大于同向端电压，使A
1
输出端电压为负电源电压，经过二
极管VD
1后，U
A
为低电平（0V）。

A
2
的反向端电压小于同向端电压，使A
2
输出端电压为正电源
电压，经过二极管和稳压管作用后，U
B 为高电平（5.1V）。

当U
i
在0.8~3.5V之间时，A
1
和A
2
的同向端电压均小于反向端电压，所以U
A 和U
B
均为低电平。

当U
i
>3.5V时，U
A
为高电平，U
B
为低电平。

输入电路由R
1和R
2
组成。

电路作用是保证测试器输入端U
i
悬空时，既不是高电平也不是
低电平。

一般情况下，在输入端悬空时使U
i
为1.4V。

根据技术指标要求输入电阻大于20KΩ，故
R 2U
CC
/(R
1
+R
2
)=1.4V
R 1R
2
/(R
1
+R
2
)>=20KΩ
经计算，取标称值：R
1=75 KΩ,R
2
=30 KΩ
R
3和R
4
的作用是给A
1
的反向输入端提供一个3.5V的参考电压，因此要求
R
3
U
CC
/(R
3
+R
4
)=3.5V
选取阻值为：R
3=68 KΩ,R
4
=30 KΩ
R
5和R
6
的作用是给A
2
的同向输入端提供一个0.8V的参考电压，因此要求
R
6
U
CC
/(R
5
+R
6
)=0.8V
选取阻值为：R
5=68 KΩ,R
6
=13 KΩ
音频产生电路利用RC桥式正弦振荡电路实现，RC串并联电路既是正反馈电路，又是选频电路，当RC串并联电路中的电阻相等，电容相等时，振荡频率为
f
=1/2πRC
为产生1KH
Z 的正弦波，选取C
1
=C
2
=10nF，R
7
=R
8
=15 KΩ；
为产生500H
Z 的正弦波，选取C
3
=C
4
=10nF，R
13
=R
14
=30 KΩ。

二极管VD
3~VD
6
的作用是实现自动限幅。

利用二极管的正向电阻随所加电压而改变的特性，
达到自动调节负反馈深度的目的。

采用两只二极管反向并联的目的是使输出电压正负半周期振幅相等，因此，这两只二极管的特性应相同。

电位器R
9和R
15
可用来调节振荡幅度的大小。

扬声器驱动电路由4个NPN型晶体管组成，u
o1和u
o2
分别是频率为1KH
Z
和500H
Z
的正弦波，
利用U
A 、U
B
来控制晶体管V
3
和V
4
的通断。

指示灯电路由发光二极管、限流电阻和NPN型晶体管组成，同样利用U
A 、U
B
来控制晶体
管V
5和V
6
的通断。

接通电源，调节滑动变阻器的大小，当U i输入电压为：
1）U i<0.8V，即为低电平，LED指示灯绿灯亮，扬声器发出500H Z声音；
2）0.8V<U i<3.5V，U A和U B都为低电平，LED指示灯都不亮，扬声器不发声；
3）U i>3.5V，即为高电平，LED指示灯红灯亮，扬声器发出1KH Z声音。

四、电路主要元件简介
1.LM324集成运算放大器
LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。

与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。

该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。

共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

每一组运算放大器可用图3所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图4所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

1，2，3脚是一组5，6，7脚是一组，8，9，10脚是一组，12，13，14脚是一组，剩下的两个脚是电源，1，7，8，14是各组放大器的输出脚，其它的就是输入脚。

图3放大器
图4放大器引脚图
五、电路仿真过程及结果
1.制作“逻辑信号电平测试器”仿真电路图（应用Multisim仿真软件）
2.运行前，测量电路各组成部分的仿真数据
（1）输入电路部分和逻辑状态判断电路部分：
操作：将输入端悬空，运行电路，用万用表分别测量输入端电压（悬空）U i、
LM324反相输入端9引脚电压和正向输入端12引脚电压值。

测量参数（如图所示）：XMM1=1.435V(U i)
XMM2=3.458V(9引脚)
XMM3=803.822mV(12引脚)
（2）RC震荡电路部分（左高频、右低频）：
操作：调节变阻器R4、R12为55%，分别测量震荡电路的输出电压和频率，并观察示波器输出波形。

测量参数（如图所示）：XMM1=731.631mV；f1=1.05KH Z；（1引脚）
XMM2=731.471mV；f2=528H Z。

（7引脚）
3.仿真电路运行结果
指示灯电路部分和音响电路部分：
（1）U i<0.8V
测量参数（如图所示）：XMM3=754.093mV（U i）；
绿灯亮（低电平）；
音响电路发声频率：531H Z。

（2）0.8V<U i<3.5V
测量参数（如图所示）：XMM3=3.231V（U i）；
LED灯灭；
音响电路扬声器不发声。

（3）U i>3.5V
测量参数（如图所示）：XMM3=4.233V（U i）；
红灯亮（高电平）；
音响电路发声频率：1.05KH Z。

六、电路安装与调试
电路实物的照片：
电路调试结果：
U
输入端口悬空电压为：1.473V i。