數(shù)字邏輯信號測試器的設(shè)計(jì)

1、電子技術(shù)基礎(chǔ)課程作業(yè)題目 數(shù)字邏輯電平信號測試器設(shè)計(jì)組 長 李毅然團(tuán)隊(duì)成員 高晨洋團(tuán)隊(duì)成員 白 京指導(dǎo)教師 夏昌浩完成日期 2017年 5 月 20 日2電氣與新能源學(xué)院綜合（課程）作業(yè)課題任務(wù)書 （2017年春季學(xué)期）學(xué)院名稱：電氣與新能源學(xué)院綜合（課程）作業(yè)名稱電子技術(shù)基礎(chǔ)課課程作業(yè)課題名稱數(shù)字邏輯電平信號測試器設(shè)計(jì)1學(xué)生姓名李毅然專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)號20151094022學(xué)生姓名高晨洋專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)號20151094063學(xué)生姓名白京專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)號2015109414指導(dǎo)教師夏昌浩任務(wù)書下達(dá)時(shí)間2017年3月 20日1課題學(xué)生團(tuán)隊(duì)的整體工作任務(wù)及每名學(xué)生的分解

2、任務(wù)學(xué)生團(tuán)隊(duì)的整體工作任務(wù)為：利用電阻、電容、二極管、三極管和運(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)集成運(yùn)算放大器簡易測試儀電路，對電路構(gòu)建進(jìn)行論證及參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。學(xué)生1的分解任務(wù)為：作業(yè)小組的總負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)組織課程作業(yè)期間的工作任務(wù)；查找資料提出硬件電路方案，主持完成電路制作及調(diào)試。學(xué)生2的分解任務(wù)為：對所需要的每一個(gè)器件的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，列出器件清單，并用EDA軟件畫出原理圖并仿真論證；參與電路制作及調(diào)試。學(xué)生3的分解任務(wù)為：記錄整個(gè)作業(yè)過程并記錄制作及調(diào)試結(jié)果；整理出符合要求的課程作業(yè)報(bào)告。2. 課題學(xué)生團(tuán)隊(duì)的整體成果及每名學(xué)生的分解成果學(xué)生團(tuán)隊(duì)要求提交的整體成果：1、成果說明書（論文）（不少于5000字

3、）2、電路原理圖及仿真結(jié)果，硬件電路及測試結(jié)果。3、課程作業(yè)說明書一份。每名學(xué)生要求提交的分解成果：學(xué)生1提交成果：硬件電路及測試結(jié)果。學(xué)生2提交成果：電路原理圖及仿真結(jié)果。學(xué)生3提交成果：課程作業(yè)說明書一份。3.課題進(jìn)展的督促與檢查方法2017春季學(xué)期第5周，下達(dá)課程作業(yè)任務(wù)，第一階段工作任務(wù)為查找資料，提出作業(yè)初步方案。2017春季學(xué)期第7周，由指導(dǎo)老師召集小組討論課程作業(yè)方案，并明確下一階段任務(wù)及分工；討論時(shí)以學(xué)生為主導(dǎo)，每個(gè)學(xué)生需有自己的觀點(diǎn)；指導(dǎo)老師只需把握原則及方向，并據(jù)學(xué)生在討論中的表現(xiàn)給出成績及評價(jià)。2017春季學(xué)期第9周，作業(yè)小組需向指導(dǎo)老師提供課程作業(yè)項(xiàng)目的理論論證計(jì)算及規(guī)

4、范化的設(shè)計(jì)電路圖，討論前期結(jié)果，總結(jié)任務(wù)完成情況，協(xié)調(diào)下階段任務(wù)及分工。指導(dǎo)老師據(jù)學(xué)生表現(xiàn)給出成績及評價(jià)。2017春季學(xué)期第11周，學(xué)生需提交仿真進(jìn)展情況，并提交規(guī)范化元器件清單及元器件性能參數(shù)數(shù)據(jù)，做好硬件制作的準(zhǔn)備及采購工作。指導(dǎo)老師據(jù)學(xué)生表現(xiàn)給出成績及評價(jià)。2017春季學(xué)期12-13周，硬件制作調(diào)試，成果整理及提交，進(jìn)行課程作業(yè)答辯和總體評價(jià)。指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)人簽章課程建設(shè)負(fù)責(zé)人簽章數(shù)字邏輯信號測試器的設(shè)計(jì)摘要11設(shè)計(jì)框圖及整體概述11.1原理框圖1 1.2對原理框圖的描述12各單元電路的設(shè)計(jì)方案及原理說明1 2.1輸入及邏輯信號識(shí)別電路2 2.2音響信號產(chǎn)生電路22.3 音響驅(qū)動(dòng)電路22.

5、4 參數(shù)計(jì)算、元器件選擇42.5 整合電路圖53 仿真調(diào)試過程及結(jié)果分析73.1 當(dāng)輸入的被測邏輯電平信號為9V時(shí)的波形73.2 當(dāng)輸入的被測邏輯電平信號為2.5V時(shí)的波形83.3 當(dāng)輸入的被測邏輯電平信號為0.3V時(shí)的波形94 硬件電路9 4.1 實(shí)物電路板94.2當(dāng)輸入的被測邏輯電平信號為9V時(shí)的波形104.3當(dāng)輸入的被測邏輯電平信號為2.5V時(shí)的波形114.4當(dāng)輸入的被測邏輯電平信號為0.3V時(shí)的波形12參考文獻(xiàn)14附錄15個(gè)人報(bào)告1個(gè)人報(bào)告2個(gè)人報(bào)告3數(shù)字邏輯信號測試器的設(shè)計(jì)學(xué)生：李毅然 高晨洋 白京指導(dǎo)老師：夏昌浩（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院）摘要：本課題采用電壓比較器來對邏輯信號進(jìn)

6、行識(shí)別與比較，隨后將比較結(jié)果通過音響電路進(jìn)行處理，最終通過蜂鳴器將電流信號轉(zhuǎn)化為音頻信號，使測試結(jié)果可以直觀獲取。關(guān)鍵詞：邏輯電平、電壓比較、音響電路1 設(shè)計(jì)框圖及整體概述1.1原理框圖邏輯信號識(shí)別比較電路音響產(chǎn)生電路音響信號放大電路Vi圖1.邏輯信號測試器的原理框圖1.2對原理框圖的描述  1.2.1方案論證 如圖1，邏輯信號測試器由三部分電路組成，分別是輸入電路、邏輯信號識(shí)別電路和音響產(chǎn)生電路。輸入一個(gè)邏輯信號，其電平值高于3.5V或低于0.8V音響發(fā)聲，在0.8V和3.5V之間音響不發(fā)聲，再觀察輸出Vo是否符合標(biāo)準(zhǔn)。 1.2.2實(shí)驗(yàn)步驟 

7、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(gè)邏輯信號，比較兩個(gè)運(yùn)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）兩個(gè)輸出電壓再通過一個(gè)窗口比較器，若兩個(gè)輸出電壓均為低電平，則輸出Vo一直保持高電平，輸出為一條直線；若一個(gè)高電平、一個(gè)低電平就會(huì)相應(yīng)的在輸出端形成矩形脈沖信號。2 各單元電路的設(shè)計(jì)方案及原理說明 2.1輸入及邏輯信號識(shí)別電路 如圖2所示，Vi是輸入的被測邏輯電平信號，輸入電路是由電阻R10和R11組成，其作用是保證輸入端懸空時(shí)，Vi既不是高電平，也不是低電

8、平。U3A和U4A組成的窗口比較器對輸入信號進(jìn)行檢測識(shí)別，U3A的反相端為高電平值電位參考端，其電壓值由電阻R6和R7分壓后獲得，記為VH。比較器的同相輸入端高于反相輸入端電壓時(shí)，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(guān)系(見表1)表1 輸入、輸出狀態(tài)關(guān)系 輸入U(xiǎn)3AU4AVi<VL<VH低高VL<Vi<VH低低Vi>VH>VL低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(shí)音響發(fā)聲；在高、低電位之間音響不

9、發(fā)聲。圖2 輸入及邏輯信號識(shí)別2.2音響信號產(chǎn)生電路圖3 音響信號產(chǎn)生電路如圖3所示為音響信號產(chǎn)生電路原理圖，主要由兩個(gè)比較器U5A和U6A組成，根據(jù)前面對邏輯判斷電路輸出的研究，分3種情況介紹本電路的工作原理。 1）當(dāng)VA=VB=0V（均為低電平）時(shí)： 由于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容C兩端電壓為0，并且此時(shí)VA和VB兩輸入端均為低電平，二極管D1和D2截止，電容C1沒有充電回路，而U3的同相輸入端為基準(zhǔn)電壓3.5V，使得U3的同相端電位高于反相端電位，U5A輸出Vo通過電阻R15按指數(shù)規(guī)律為電容C4充電，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)電容C4的電壓為高電平，U6A的同相端（5V）高于反

10、相端（3.5V），雖然輸出為高電平，但是由于D6的存在，電路的穩(wěn)定狀態(tài)不受影響。故電路輸出Vo一直保持高電平。2）當(dāng)VA=5V，VB=0V時(shí)： 此時(shí)二極管D4導(dǎo)通，電容C4通過電阻R1充電，Vc1按指數(shù)規(guī)律逐漸升高，由于U5A同相輸入端電壓為3.5V，則在Vc1未達(dá)到3.5V之前，U5A輸出端電壓保持為高電平。在Vc1升高到3.5V后，U5A的反相端電壓高于同相端電壓，U5A輸出電壓由5V跳變?yōu)?V，使C4通過電阻R15和U6A的輸出電阻Ro3放電，Vc2由5V逐漸下降，當(dāng)Vc2下降到小于U4反相端電壓（3.5V）時(shí)，U5A的輸出電壓跳變?yōu)?V，二極管D3導(dǎo)通，C4通過D6和U6A的

11、輸出電阻放電。因?yàn)閁5A輸出電阻很小，所以Vc1將迅速降到0V左右，這導(dǎo)致U5A反相端電壓小于同相端電壓，U5A的輸出電壓又跳變到5V，C1再一次充電，如此周而復(fù)始，就會(huì)在U5A輸出端形成矩形脈沖信號。3）當(dāng)VA=0V，VB=5V時(shí)： 此時(shí)電路的工作過程與VA=5V，VB=0V時(shí)相同，唯一區(qū)別在于D5導(dǎo)通時(shí)，VB高電平通過R2向C3充電，所以C3的充電時(shí)間常數(shù)改變了，使得Vo的周期會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。2.3 音響驅(qū)動(dòng)電路 如圖4所示，由于音響負(fù)載工作電壓較低而且功率較小，因此對驅(qū)動(dòng)三極管的耐壓等條件要求不高，故選去9012作為驅(qū)動(dòng)管，可完全滿足電路要求。圖4 音響驅(qū)動(dòng)電路2.

12、4 參數(shù)計(jì)算、元器件選擇1）參數(shù)計(jì)算根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，輸入電阻大于20 K，并且輸入懸空時(shí)，V=1.4V（一般在V=3.5V和V=0.8V中間位置選?。?。因此V=(RR+R)Vcc=1.4VR= RRR+R20K解得 R=71K，R=27.6K根據(jù)分壓公式得V=(RR+R) Vcc=3.5VR= R RR+R20K解得 R=29K R=68K同理 V=(RR+R) Vcc=0.8V R= R RR+R20K解得 R=68K R=12.8K根據(jù)電容電壓公式得Vc1（t）=5(1-e) (t期間C充電)Vc2（t）=5e （t期間C放電）其中 輸出Vo的周期T= t+ t t=-ln0.3=1.2

13、 t=-ln0.7=0.36 取=RC=0.5ms則當(dāng)C=0.01uf時(shí)，R=C=0.5ms0.01=50K同時(shí)選取C=0.1uf，由于技術(shù)指標(biāo)要求，被測信號為高電平時(shí)，音響頻率為1KHZ。即T=t + t =1.2 +0.36 =1f=1ms代入=0.5 ms，得，= RC=0.68ms所以 R= C=6.8K被測信號為低電平時(shí)，音響頻率為800HZ同理，計(jì)算求得R=8.9K2）元器件選擇選取標(biāo)稱值，即元件庫里所有的實(shí)際元件，按最接近的值選取。即：R1=75K， R2=30KR3=30K， R4=68KR5=68K， R6=13KR7=6.8K， R8=8.9KR9=9.1K， R10=5K

14、R11=10KC=0.1uf C=0.01uf 運(yùn)算放大器：LM324AJ二極管：1N4148三極管：90122.5 整合電路圖圖5 數(shù)字邏輯信號測試器的全圖3 仿真調(diào)試過程及結(jié)果分析按照仿真電路圖6進(jìn)行仿真, 按照電路圖連接仿真電路，如圖6所示,由于在仿真過程中，觀察到電容C1之充電不能放電，是因?yàn)楸容^電壓過高，為此我們在比較電壓器加上了一個(gè)分壓電路，可以保證C1能放電，同時(shí)有發(fā)現(xiàn)輸出頻率不滿足要求，因此又把R7和R8的電阻值減小，就滿足了頻率在高電平是為1KHz，在低電平是為800Hz圖6 仿真電路圖改變輸入邏輯信號的大?。?.1 當(dāng)輸入的被測邏輯電平信號為9V時(shí)的波形圖7 R9的波形圖8

15、 C1與蜂鳴器的波形3.2 當(dāng)輸入的被測邏輯電平信號為2.5V時(shí)的波形圖9 R9的波形圖10 C1與蜂鳴器的波形3.3 當(dāng)輸入的被測邏輯電平信號為0.3V時(shí)的波形圖11 R9的波形圖12 C1與蜂鳴器的波形4 硬件電路4.1 實(shí)物電路板圖13 數(shù)字邏輯電平測試器4.2輸入電壓為9V時(shí)圖14 輸出電壓U0的波形圖15 電容C1的充放電波形:4.3輸入電壓為2.5V時(shí)圖16 輸出電壓U0的波形：圖17 電容C1的充放電波形4.4輸入電壓為0.3V時(shí)圖18 輸出電壓U0的波形圖19 電容C1的充放電波形參 考 文 獻(xiàn)1、Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky著。模擬

16、電子技術(shù) M北京：電子工業(yè)出版社，2012年。第163-167頁。2、趙淑范，王憲偉編。電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)。M北京：清華大學(xué)出版社，2006年。第163-167頁。3、畢滿清編。電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)。M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015年。第163-167頁。4、趙淑范，王憲偉編。電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)。M北京：清華大學(xué)出版社，2006年。第163-167頁。附錄：元器件清單序號編號名稱型號數(shù)量1U1、U2、U3、U4運(yùn)算放大器LM32442T三極管PN513913D1、D2、D3二極管1N414834R2電阻75K15R1電阻30 K16R3電阻68 K17R4電阻13 K18R9電阻7

17、K19R10電阻9 K110R11電阻5 K111R13電阻10 K112R12電阻50 K113R6、R7、R8電阻60 K314R5電阻17 K115C1電容0.1uF116C2電容0.01uF117U5蜂鳴器118Vcc電源+5V10個(gè)15電子技術(shù)基礎(chǔ)課程作業(yè)個(gè)人報(bào)告1李毅然在本次課程作業(yè)中，我學(xué)到了很多知識(shí)，不僅只是專業(yè)知識(shí)，還有做事的態(tài)度以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。在本項(xiàng)目的進(jìn)行過程中，前期準(zhǔn)備階段較為順利，然而，在仿真階段，由于我們經(jīng)驗(yàn)不足，準(zhǔn)備不充分以及仿真系統(tǒng)存在問題，以至于多次仿真失敗。然而，我們并沒有放棄，從頭開始，認(rèn)真分析了電路原理，向老師請教，改進(jìn)完善了仿真電路，使用其他仿真軟件

18、，最終，獲得了理想的仿真結(jié)果。在實(shí)物制作階段，我們更是團(tuán)結(jié)一致，由于仿真電路與實(shí)際電路存在些許差異，而且我們也是初次接觸電路焊接，初期出現(xiàn)了一些問題，最終，在大家的共同努力下，完成了實(shí)物制作。通過這次實(shí)驗(yàn)我對信號和模擬電路有了更進(jìn)一步的了解，對模擬電路有了更深的興趣，并閱讀了很多課外書籍，豐富了自己的知識(shí)，受益很深。更加了解了矩形脈沖信號。希望學(xué)院將來可以給予我們更多的獨(dú)立思考、親身實(shí)踐的課程作業(yè)機(jī)會(huì)。本次課程作業(yè)的成功，離不開指導(dǎo)老師夏教授的大力支持與幫助以及團(tuán)隊(duì)的通力協(xié)作，在此，我向夏教授與團(tuán)隊(duì)成員致以真摯的感謝！電子技術(shù)基礎(chǔ)課程作業(yè)個(gè)人報(bào)告2高晨洋這次的課程設(shè)計(jì)給了我很多深刻體會(huì)，首先，這是我們第一次做課程設(shè)計(jì)，以前我們做過很多的實(shí)驗(yàn)，但它和課程設(shè)計(jì)有很大的不同，我們做實(shí)驗(yàn)就是在課上，在很短的時(shí)間做一個(gè)東西或驗(yàn)證某個(gè)定理，可以說老師的指導(dǎo)大于我們自己的思考，但是這個(gè)課程設(shè)計(jì)，不光要老師知道我們，更重要的我們要自己熟悉熟悉這個(gè)課題的每一部分，有自己的想法，關(guān)鍵時(shí)刻還得學(xué)會(huì)