逻辑电平信号测试器解析
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（2）音调产生电路
图3.2为音调产生电路原理图。电路主要由两个运算放大器A3和A4组成。
图3.2 音调产生电路单元电路
下面分三种情况说明电路的工作原理:
（1）当UA=UB=0V(低电平)时。
此时由于A和B两点全为低电平，所以二极管D3和D4截止。因A4的反相输入端电压为3.5V，同相端输入电压为电容C2两端的电压UC2，由于时一个随时间按指数规律变化的电压，所以A4输出电压不确定，但这个电压肯定的是大于或等于0V，因此二极管D5也是截止的。由于D3，D4和D5均处于截止状态，电容C1没有充电回路，UC1将保持0V的电压不变，使A3输出为高电平。
电子技术课程设计
——逻辑信号电平测试器
2014年6月24日
逻辑信号电平测试器
一、设计任务
1.设计目的：
（1）学习逻辑信号电平测试器的设计方法；
（2）掌握其各单元电路的设计与测试方法；
（3）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<0.8V，高电平>3.5V；
（2）用1KHZ的音响表示被测信号为高电平；
图3.3UC1、UC2和UO的波形
（3）当UA=0、UB=5V时
此时电路的工作过程与UA=5V，UB=0V时相同，唯一的区别是由于D4导通D3截止，UB高电平通过R7,D4向C1，所以C1充电时间常数改变了，使UO的周期会发生相应的变化。
（3）扬声器驱动电路原理
扬声器主要有永久磁铁、线圈、和锥形纸盆组成。强弱按声音变化的电流，使扬声器内电磁铁的磁性忽强忽弱，线圈就向里或外运动，带动纸盆发生震动发出声音。将电能转化为声能，并将它辐射到空气中的一种电声换能器件。电影、电视、广播以及各种需要扬声的场合都需要使用扬声器。扬声器的主要性能指标有：灵敏度、频率响应、额定功率、额定阻抗、指向性以及失真等。
2.方案二
图2.3测试器的原理框图
图2.4 测试器的原理框图
3.方案的比较
方案一运用到了“555定时器”，相对于方案二简单，在通过频率计算相对应的电阻值上简单方便，但是考虑到其成本高于LM324芯片，最终决定采取方案二作为实现方案。
三、电路结构及其工作原理
1.电路的结构框图：
图3.1逻辑信号测试器原理框图
2.电路的原理图：
图2声调提示的逻辑电平测试器的整机电路
3.电路工作原理：
由图1可以看出电路由五部分组成：输入电路、逻辑状态判断电路、音响电路、发音电路和电源。
（1）输入电路及逻辑判断电路
图3.1为测试器的输入和逻辑判断电路原理图。
以A1和A2的输出电压均为低电平。当U1大于UH时，A1输出端UA为高电平，A2输出端UB为低电平。通过改变R3和R4的比例图2-2中U1是被测信号。A1和A2为两个运算放大器。可以看出A1和A2分别与它们外围电路组成两个电压比较器。A2的同相端电压为0.8V左右(D1和D2分别为硅和锗二极管)，A1的反相端电压UH由R3和R4的分压决定。
声音的三要素 ——响度、音调、音品(音色)
响度:声音大小声,与发音体产生的声波振幅有关
音调:声音的高低,与发音体产生的振动频率有关
音品:声音的独特性，与发音体产生的波形有关
本设计就利用了音调的高低与发音体的震动频率有关的原理，根据音响电路中产生的不同频率的方波驱动扬声器发出不同音调声音。
四、Hale Waihona Puke Baidu路主要元件简介
1.集成运算放大器LM324
这里主要介绍电路中所用到的集成运算放大器LM324。LM324系列器件为
价格便宜的带有真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。
当被测电压U1小于0.8V时，A1反相端电压大于同相端图3.1输入和逻辑判断电路
电压，使A1输出端UA为低电平(0V)。A2反相端电压小于同相端电压，使它输出端UB为高电平(5V)。当U1在0.8V-UH之间时，A1同相端电压小于UH，A2同相端电压也小于反相端电压，所可以控制高电平的范围，而通过改变运算放大器A2同相端电压，可以控制低电平。图中的二极管可以是分压电阻，所以经过分压电阻的调整，该逻辑电平测试器可以测量不同的标准电平。
扬声器频率响应，在恒定电压作用下，在参考轴上距参考点一定距离 处，扬声器所辐射的声压级随频率变化的特性。频率响应一般是记录 3.4扬声器驱动电路在以对数频率刻度为横坐标的图上，即频率响应曲线。
不同规格、口径的扬声器能够发出不同的音调，(不同频率范围的)，不可能全频段都兼顾，所以有高、中、低、音之分。
(2）当UA=5V，UB=0V时
此时二极管D3导通，电容C1通过R6充电，UC1按指数规律逐渐升高，由于A3同相输入端电压为3.5V，所以在UC1达到3.5V之前，A3输出端电压为5V，C2通过R9充电。从图2-3可以看出C1的充电时间常数ι1=C1*R6，C2的充电时间常数ι2=C2(R9+rO3)，其中rO3为A3的输出电阻。假设ι1>ι2，则在C1和C2充电时，当UC1达到3.5V时，UC2已接近稳态时5V。因此在UC1升高到3.5V后，A3同相端电压小于反相端电压，A3输出电压由5V跳变为0V,使C2通过R9和rO3放电，UC2由5V逐渐降低。当UC2降到小于A4反相端电压(3.5V)时，A4输出端电压跳变为0V，二极管D5导通，C1通过D5和A4的输出电阻放电。因为A4输出电阻很小，所以UC1将迅速降到0V左右，这导致A3反相端电压小于同相端电压，A3的输出电压又跳变为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。UC1、UC2和UO的波形如图3.3所示。
（3）用800HZ的音响表示被测信号为低电平；
（4）当被测信号在0.8~3.5V之间时，不发出音响；
（5）输入电阻大于20KΩ；
（6）工作电源为5V
二、设计方案论证
1.方案一
图2.1测试器的原理框图
图2.2方案一的总设计图
其中555定时器构成多谐振荡器，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，由逻辑信号识别电路输出得到。当入为高电平时，多谐振荡器工作；反之，电路停振。
图3.2为音调产生电路原理图。电路主要由两个运算放大器A3和A4组成。
图3.2 音调产生电路单元电路
下面分三种情况说明电路的工作原理:
（1）当UA=UB=0V(低电平)时。
此时由于A和B两点全为低电平，所以二极管D3和D4截止。因A4的反相输入端电压为3.5V，同相端输入电压为电容C2两端的电压UC2，由于时一个随时间按指数规律变化的电压，所以A4输出电压不确定，但这个电压肯定的是大于或等于0V，因此二极管D5也是截止的。由于D3，D4和D5均处于截止状态，电容C1没有充电回路，UC1将保持0V的电压不变，使A3输出为高电平。
电子技术课程设计
——逻辑信号电平测试器
2014年6月24日
逻辑信号电平测试器
一、设计任务
1.设计目的：
（1）学习逻辑信号电平测试器的设计方法；
（2）掌握其各单元电路的设计与测试方法；
（3）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<0.8V，高电平>3.5V；
（2）用1KHZ的音响表示被测信号为高电平；
图3.3UC1、UC2和UO的波形
（3）当UA=0、UB=5V时
此时电路的工作过程与UA=5V，UB=0V时相同，唯一的区别是由于D4导通D3截止，UB高电平通过R7,D4向C1，所以C1充电时间常数改变了，使UO的周期会发生相应的变化。
（3）扬声器驱动电路原理
扬声器主要有永久磁铁、线圈、和锥形纸盆组成。强弱按声音变化的电流，使扬声器内电磁铁的磁性忽强忽弱，线圈就向里或外运动，带动纸盆发生震动发出声音。将电能转化为声能，并将它辐射到空气中的一种电声换能器件。电影、电视、广播以及各种需要扬声的场合都需要使用扬声器。扬声器的主要性能指标有：灵敏度、频率响应、额定功率、额定阻抗、指向性以及失真等。
2.方案二
图2.3测试器的原理框图
图2.4 测试器的原理框图
3.方案的比较
方案一运用到了“555定时器”，相对于方案二简单，在通过频率计算相对应的电阻值上简单方便，但是考虑到其成本高于LM324芯片，最终决定采取方案二作为实现方案。
三、电路结构及其工作原理
1.电路的结构框图：
图3.1逻辑信号测试器原理框图
2.电路的原理图：
图2声调提示的逻辑电平测试器的整机电路
3.电路工作原理：
由图1可以看出电路由五部分组成：输入电路、逻辑状态判断电路、音响电路、发音电路和电源。
（1）输入电路及逻辑判断电路
图3.1为测试器的输入和逻辑判断电路原理图。
以A1和A2的输出电压均为低电平。当U1大于UH时，A1输出端UA为高电平，A2输出端UB为低电平。通过改变R3和R4的比例图2-2中U1是被测信号。A1和A2为两个运算放大器。可以看出A1和A2分别与它们外围电路组成两个电压比较器。A2的同相端电压为0.8V左右(D1和D2分别为硅和锗二极管)，A1的反相端电压UH由R3和R4的分压决定。
声音的三要素 ——响度、音调、音品(音色)
响度:声音大小声,与发音体产生的声波振幅有关
音调:声音的高低,与发音体产生的振动频率有关
音品:声音的独特性，与发音体产生的波形有关
本设计就利用了音调的高低与发音体的震动频率有关的原理，根据音响电路中产生的不同频率的方波驱动扬声器发出不同音调声音。
四、Hale Waihona Puke Baidu路主要元件简介
1.集成运算放大器LM324
这里主要介绍电路中所用到的集成运算放大器LM324。LM324系列器件为
价格便宜的带有真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。
当被测电压U1小于0.8V时，A1反相端电压大于同相端图3.1输入和逻辑判断电路
电压，使A1输出端UA为低电平(0V)。A2反相端电压小于同相端电压，使它输出端UB为高电平(5V)。当U1在0.8V-UH之间时，A1同相端电压小于UH，A2同相端电压也小于反相端电压，所可以控制高电平的范围，而通过改变运算放大器A2同相端电压，可以控制低电平。图中的二极管可以是分压电阻，所以经过分压电阻的调整，该逻辑电平测试器可以测量不同的标准电平。
扬声器频率响应，在恒定电压作用下，在参考轴上距参考点一定距离 处，扬声器所辐射的声压级随频率变化的特性。频率响应一般是记录 3.4扬声器驱动电路在以对数频率刻度为横坐标的图上，即频率响应曲线。
不同规格、口径的扬声器能够发出不同的音调，(不同频率范围的)，不可能全频段都兼顾，所以有高、中、低、音之分。
(2）当UA=5V，UB=0V时
此时二极管D3导通，电容C1通过R6充电，UC1按指数规律逐渐升高，由于A3同相输入端电压为3.5V，所以在UC1达到3.5V之前，A3输出端电压为5V，C2通过R9充电。从图2-3可以看出C1的充电时间常数ι1=C1*R6，C2的充电时间常数ι2=C2(R9+rO3)，其中rO3为A3的输出电阻。假设ι1>ι2，则在C1和C2充电时，当UC1达到3.5V时，UC2已接近稳态时5V。因此在UC1升高到3.5V后，A3同相端电压小于反相端电压，A3输出电压由5V跳变为0V,使C2通过R9和rO3放电，UC2由5V逐渐降低。当UC2降到小于A4反相端电压(3.5V)时，A4输出端电压跳变为0V，二极管D5导通，C1通过D5和A4的输出电阻放电。因为A4输出电阻很小，所以UC1将迅速降到0V左右，这导致A3反相端电压小于同相端电压，A3的输出电压又跳变为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。UC1、UC2和UO的波形如图3.3所示。
（3）用800HZ的音响表示被测信号为低电平；
（4）当被测信号在0.8~3.5V之间时，不发出音响；
（5）输入电阻大于20KΩ；
（6）工作电源为5V
二、设计方案论证
1.方案一
图2.1测试器的原理框图
图2.2方案一的总设计图
其中555定时器构成多谐振荡器，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，由逻辑信号识别电路输出得到。当入为高电平时，多谐振荡器工作；反之，电路停振。