邏輯信號電平測試器的設(shè)計

1、大連工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計報告課程設(shè)計（論文） 題 目：邏輯信號電平測試器的設(shè)計專 業(yè)： 通信工程 指導(dǎo)教師：蘭振平學(xué)生姓名： 班級學(xué)號：151-322016年12月17日目錄第一章緒 論41.1設(shè)計的主要目的41.2 課題研究及其意義41.3電平測試儀器及測試技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r5第二章 方案設(shè)計與比較82.1 方案一82.2 方案二92.3 方案三102.4 方案比較11第三章 邏輯電平測試器的介紹123.1 邏輯電平測試器的工作原理框圖123.2 輸入電路及邏輯判斷電路133.3 音調(diào)產(chǎn)生電路原理14第四章 各單元電路和整機電路的設(shè)計184.1 輸入和邏輯判斷電路的設(shè)計184.2 音響產(chǎn)生電路的設(shè)計

2、204.3 示波器顯示波形的設(shè)計224.4元器件的選擇234.5整機電路的設(shè)計24第五章對邏輯電平測試器的檢測和調(diào)試255.1 檢驗電路各部分是否導(dǎo)通255.2 調(diào)試及測定主要參數(shù)265.3記錄參數(shù)并總結(jié)分析33設(shè)計總結(jié)及心得體會34參考文獻36第一章 緒 論隨著電子技術(shù)和其他高技術(shù)的飛速發(fā)展，致使工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科技國防等領(lǐng)域以及人們社會生活發(fā)生了令人矚目的變革。電子元器件和集成電路的發(fā)展，使各種電器，電子儀表設(shè)備微型化，多功能化和更加靈活。隨之而來的電路測試和檢測問題也應(yīng)運而生，電平測試器就是在檢修數(shù)字集成電路時經(jīng)常用到的工具，人們也時常用萬用表和示波器對電平中的故障部位的高低電平進行測量，都

3、不如專用的邏輯電平測試器使用起來方便，快捷，電平測試器可以做成電平測試筆，便于攜帶和使用，采用聲音或光色對電平高低加以提示，使得人們不用盯著顯示器讀數(shù)，直接得到結(jié)果。1.1設(shè)計的主要目的1.1.1 學(xué)習(xí)邏輯信號電平測試器的設(shè)計方法；1.1.2 掌握其各單元電路的設(shè)計與測試方法；1.1.3 進一步熟悉電子線路系統(tǒng)的裝調(diào)技術(shù)。1.2 課題研究及其意義在平常的實驗中，經(jīng)常要遇到測試一些數(shù)字電路的電平信號；在測試這些數(shù)字電路或是檢測其功能的時候要測試其是高電平還是低電平，以方便后續(xù)的維修和檢驗。一般來說檢測信號的時候都是要利用萬用表和示波器來進行檢測和判斷，但是這只是一個簡單的判斷，而其操作起來比較繁

4、瑣，一邊要看設(shè)備的屏幕，另外還要注意設(shè)備的工作狀況，稍有疏忽就會導(dǎo)致檢測不準(zhǔn)確，從而影響到器件的制作。所以想到了是否可以制作一個簡單的電子電路用來方便判斷數(shù)字電路的信號的輸出狀況，不僅可以準(zhǔn)確的測試出高、低電平，而且也不用那么繁瑣的操作，再進過仔細(xì)的研究和反復(fù)的實驗中，制作成了一個邏輯電平測試器，其目的就是一種可以簡單判斷是高電平還是低電平的邏輯電路。1.3電平測試儀器及測試技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r目前市場中所使用的電平測試儀的性能以向智能化、數(shù)字化、操作簡單化方向發(fā)展。如GK5110數(shù)字電平綜合測試儀(高頻通道測試儀)是集振蕩器、寬頻電平表、選頻電平表、雜音儀、阻抗表、載波通道自動測試儀、頻率計等為一

5、體的多功能儀表。儀表采用國際先進的雙DDS技術(shù)、帶flashROM的單片機、溫補晶振TCXO，以及大規(guī)模集成的特殊電路開發(fā)成功的智能型、全數(shù)字化儀表。 儀表測量精度高，電平穩(wěn)定，具有自動量程、自動電平校正、自動快速搜索、近端單機和遠(yuǎn)端雙機同步自動測試，測量結(jié)果具有數(shù)字和模擬兩種指示，數(shù)據(jù)可存儲，并通過RS232接口上傳PC機，打印輸出。 儀表頻率范圍200Hz1700kHz，分辨率1Hz，頻率誤差±3×10-6，適用于平衡和同軸電纜FDM系統(tǒng)以及無線鏈路和衛(wèi)星系統(tǒng)的基帶電平測量，可廣泛用于電力、郵電、鐵路、等通信部門。由于發(fā)信的高電平(+18dB)和收信的高電平(+50dB

6、)輸入測量，以及輸出口的自動保護功能，使儀表特別適用于電力載波、保護設(shè)備以及電力線載波通道的測試。例如高壓輸電線路、變電站等場所的電力線載波通道進行電平、衰減、串雜音、阻抗等高頻參數(shù)測試，以及電力通信結(jié)合設(shè)備高頻阻波器、結(jié)合濾波器、高頻電纜的開通維護測試。 性能及特點：全數(shù)字化，大屏幕高清晰LCD漢字圖形顯示，菜單式操作。發(fā)信電平-77.9dB+18dB，具有良好的頻響和電平穩(wěn)定度，輸出純度極高，是理想的高質(zhì)量信號源。輸出口設(shè)有自動保護電路，不會因強信號灌入而損壞輸出電路，特別適用于繼電保護高頻收、發(fā)信機測試。收信電平測量范圍+50dB-100dB，分辨率0.01dB，具有自動量程、自動校正，

7、電平測量穩(wěn)定，精確度高。測量結(jié)果有數(shù)字和模擬棒兩種指示。備有各種輸出、輸入阻抗，適于與通信設(shè)備作終端或跨接測量。具有dB和dBm兩種測量單位，可根據(jù)需要切換，直接顯示而不用換算。具有25Hz和1.74kHz兩種選頻帶寬，良好的選擇性和極低的固有失真，使電平表不僅作電平和串雜音測量，還可作波形分析。采用1.74kHz帶寬可長期監(jiān)測線路衡重雜音電平。 “AFC”功能可全頻段跟蹤被測信號，自動搜索功能快速準(zhǔn)確地搜尋測量未知信號的電平和頻率。近端單機自動環(huán)測，遠(yuǎn)端雙機自動同步對測，自動測量載波通道，高頻保護通道的電平、衰減、幅頻特性、衡重雜音、線路阻抗等高頻參數(shù)。且具有RS232串行接口，數(shù)據(jù)可存儲并

8、上傳PC機打印輸出。 下面介紹一種用頻譜分析測量數(shù)字信號電平的技術(shù)。在數(shù)字電視、數(shù)字傳輸、數(shù)據(jù)通信中，其信號是采用多種調(diào)制方式的數(shù)字信號，這時的數(shù)字信號電平已不能用一般傳統(tǒng)的方法來定度和測量，本文將引入每赫茲帶寬功率(dBmV/Hz)法解決數(shù)字電平測量。電壓是電子學(xué)的基本參數(shù)，也稱電平。電平和電壓是同一個參數(shù)，一般來說，它們的區(qū)別在于單位不同。電壓是以伏(V)作單位，如V、mV、V、kV等；電平是以dB作單位，如dBv、dBmV、dBV等。 電信號的電平，一般都是用正弦波的有效值為基準(zhǔn)，以熱電偶測量功率來定度它的電壓值(電平值)，我們也叫做電平(電壓)的有效值。這就是說信號電平和功率之間是以熱

9、電偶所產(chǎn)生的熱量來聯(lián)系的。我們知道，電功率是與信號波形無關(guān)的，而對于電平來說，我們所定度的正弦波那一定是無失真正弦波，否則要引入誤差。 為了準(zhǔn)確地測量信號的電平，一般正弦波信號不言而喻地用常規(guī)電平表示測量有效值，如果是脈沖信號則一般測量它的峰值。在電視信號測試中，因為視頻信號相當(dāng)復(fù)雜，其信號大小是以行同步脈沖的峰值來定度，因此測定行同步脈沖峰值。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字通信、計算機網(wǎng)路，數(shù)字電視的發(fā)展，各種調(diào)制的數(shù)字信號出現(xiàn)，它們怎樣測量，這是一個非常重要的問題。目前常見的數(shù)字信號有FSK、PSK、ASK、CDMA、TDMA、FDMA、QPSK、QAM等。從測量的角度來看，無論那種調(diào)制數(shù)字信號

10、，都可以把它當(dāng)作在一定帶寬內(nèi)的噪聲來對待。因此，我們用每赫茲功率電平(dBmV/Hz)的概念，將一定帶寬的功率來表征信道的功率(dBmV)，筆者稱為平均功率電平。 像頻譜儀通常是測量正弦波的電平有效值，來表征電平。第二章 方案設(shè)計與比較2.1 方案一電路如圖所示，該電路的輸入信號Vi通過輸入電路后，進入邏輯信號識別電路，經(jīng)過該電路的識別比較，將信號分為高低電平兩種信號，在通過二極管的限流，在示波器上將該波形顯示出來。具體電路下圖所示。2.2 方案二如圖所示：該電路由四部分組成，即輸入電路，邏輯信號識別電路，音響信號產(chǎn)生電路和揚聲器，在該電路中，電路的輸入信號Vi由輸入電路輸出后，經(jīng)過邏輯信號識

11、別電路，在該電路中，通過比較器的比較測試，將該信號區(qū)分為高電平和低電平兩個信號分別輸入音響信號產(chǎn)生電路，在音響信號產(chǎn)生電路中，通過兩個電容的充，放電過程，產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號，不同頻率的脈沖信號使得揚聲器發(fā)出不同的響聲，通過響聲的不同來區(qū)分高低電平的不同。具體電路下圖所示。2.3 方案三原理圖如方案二，輸入電路域邏輯判斷電路域方案二相同，不同的地方在于音響產(chǎn)生電路。具體電路如下圖所示。其中555定時器構(gòu)成多諧振蕩器，震蕩頻率為其輸出信號經(jīng)三極管推動揚聲器。PR為控制信號，由邏輯信號識別電路輸出得到。當(dāng)輸入為高電平時，多謝振蕩器工作；反之，電路停振。2.4 方案比較方案三用到了555定時器，相

12、對于方案一和方案二簡單，在通過頻率相對應(yīng)的阻值上簡單，但考慮到了其成本較高，其中涉及的數(shù)電知識還未學(xué)習(xí)，并不算了解。所以采用方案一和方案二。但由于方案一只是簡單的對于高低電平的判斷，并且在讀取實驗數(shù)據(jù)的過程中，一邊要看設(shè)備的屏幕，另外還要注意設(shè)備的工作情況，使用起來十分的不方便，并且，方案一的成本也很高。方案二主要用到了運放電路，模電有學(xué)到。故本次課程設(shè)計中選取方案二作為本次課程設(shè)計的主要方案。第三章 邏輯電平測試器的介紹3.1 邏輯電平測試器的工作原理框圖下圖3-1為測試器的工作原理框圖。本測試器采用運算放大器做電壓比較，對電平進行測量。由下圖可以看出電路由五部分組成。即：輸入電路、邏輯狀態(tài)

13、判斷電路、音響電路、發(fā)音電路和電源。圖3-1測試器的工作原理框圖以上工作原理框圖可使用與不同標(biāo)準(zhǔn)的電平的測試，高電平為大于3.5V，低電平為小于0.8V。電平測試器技術(shù)指標(biāo)(1)測量范圍：低電平<0.8V，高電平>3.5V(2)用1kHz的音響表示被測信號為高電平(3)用800Hz的音響表示被測信號為低電平(4)當(dāng)被測信號在0.8V3.5V之間時，不發(fā)出音響(5)輸入電阻大于20k(6)工作電源5V由于在仿真過程中沒有找到合適的揚聲器，所選擇的揚聲器頻率不能改變，不能根據(jù)頻率的不同發(fā)出不同的音響，所以在本設(shè)計中，用輸出信號的波形來觀察周期，計算出頻率，從而推算出輸入信號是高電平還是

14、低電平。3.2 輸入電路及邏輯判斷電路圖3-2中U1是被測信號。U1A和U1B為兩個運算放大器?？梢钥闯鯱1A和U1B分別與它們外圍電路組成兩個電壓比較器。U1B的同相端電壓為0.8V左右，U1A的反相端電壓Uh由R3和R4的分壓決定。當(dāng)被測電壓U1小于0.8V時，U1A反相端電壓大于同相端電壓，使U1A輸出端UA為低電平(0V)。U1B反相端電壓小于同相端電壓，使它輸出端UB為高電平(5V)。當(dāng)U1在0.8V-Uh之間時，U1A同相端電壓小于UH，U1B同相端電壓也小于反相端電壓，所以U1A和U1B的輸出電壓均為低電平。當(dāng)U1大于UH時，U1A輸出端UA為高電平，U1B輸出端UB為低電平。通

15、過改變R3和R4的比例可以控制高電平的范圍，而通過改變運算放大器U1B同相端電壓，可以控制低電平，經(jīng)過分壓電阻的調(diào)整，該邏輯電平測試器可以測量不同的標(biāo)準(zhǔn)電平。BA圖3-2輸入和邏輯判斷電路3.3 音調(diào)產(chǎn)生電路原理圖3-3為音調(diào)產(chǎn)生電路原理圖。電路主要由兩個運算放大器U1C和U1D組成。BAU0下面分三種情況說明電路的工作原理。(1)當(dāng)UA=UB=0V(低電平)時。此時由于A和B兩點全為低電平，所以二極管D1和D2截止。因U1D的反相輸入端電壓為3.5V，同相端輸入電壓為電容C2兩端的電壓UC2，由于時一個隨時間按指數(shù)規(guī)律變化的電壓，所以U1D輸出電壓不確定，但這個電壓肯定的是大于或等于0V，因

16、此二極管D3也是截止的。由于D1，D2和D3均處于截止?fàn)顟B(tài)，電容C1沒有充電回路，UC1將保持0V的電壓不變，使U1C輸出為高電平。(2)當(dāng)UA=5V，UB=0V時此時二極管D1導(dǎo)通，電容C1通過R9充電，UC1按指數(shù)規(guī)律逐漸升高，由于U1C同相輸入端電壓為3V，所以在UC1達到3V之前，U1C輸出端電壓為5V，C2通過R10充電。從圖3-3可以看出C1的充電時間常數(shù)1=C1*R7，C2的充電時間常數(shù)2=C2(R10+rO3)，其中rO3為U1C的輸出電阻。假設(shè)1>2，則在C1和C2充電時，當(dāng)UC1達到3V時，UC2已接近穩(wěn)態(tài)時5V。因此在UC1升高到3V后，U1C同相端電壓小于反相端電

17、壓，U1C輸出電壓由5V跳變?yōu)?V,使C2通過R10和rO3放電，UC2由5V逐漸降低。當(dāng)UC2降到小于U1D反相端電壓(3V)時，U1D輸出端電壓跳變?yōu)?V，二極管D3導(dǎo)通，C1通過D3和U1D的輸出電阻放電。因為U1D輸出電阻很小，所以UC1將迅速降到0V左右，這導(dǎo)致U1C反相端電壓小于同相端電壓，U1C的輸出電壓又跳變?yōu)?V，C1再一次充電，如此周而復(fù)始，就會在U1C輸出端形成矩形脈沖信號。UC1、UC2和UO的波形如下圖所示。3.VtuC1UC23V5Vtt2t1u0t圖3-3 UC1、UC2和UO的波形由圖3-3可以看出U1C的輸出電壓U0的周期 T=t1+t2 (2-1) 根據(jù)一階

18、電路的響應(yīng)特點可知，在t1期間電容C1充電，UC1(t)=5(1-e)，在t2期間電容C2放電，UC2(t)=5e。根據(jù)UC1(t)和UC2(t)的表達式可以分別求出： t1 =1 ln0.31.21 (2-2)t2 =2 ln0.70.362 (2-3)這就是說只要改變時間常數(shù)，即可改變U0的周期。（3）當(dāng)UA=0，UB=5V時 此時電路的工作過程與UA=5V，UB=0V時相同，唯一的區(qū)別是由于D2導(dǎo)通D1截止，UB高電平通過R7,D2向C1，所以C1充電時間常數(shù)改變了，使U0的周期會發(fā)生相應(yīng)的變化。第四章 各單元電路和整機電路的設(shè)計4.1 輸入和邏輯判斷電路的設(shè)計圖4-1輸入和邏輯判斷電路

19、輸入和邏輯判斷電路如圖所示。輸入電路由R1和R2組成。電路作用時保證測示器輸入端懸空時，U1即不是高電平，也不是低電平。一般情況下，在輸入端懸空時，UI=1.4V。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求輸入電阻大于20k，因此可得： (3-1) (3-2)可求出 R1=71k R2=27.6k取標(biāo)稱值 R1=75k R2=30kR3和R4的作用是給U1A的反相端提供一個3.5V的電壓(高電平的基準(zhǔn))。因此只要保證 *VCC3.5V (3-3)即可。R3、R4取值過大時容易引入干擾，取值過小時則會增大耗電量。工程上一般在幾十千歐到數(shù)百千歐間選取。因此選取R3=70k，根據(jù)公式可求得：R429k,取R4=30k。同理，

20、R5 和R6 作用是給U1B的同相輸入端提供低電平信號基準(zhǔn)，計算后取R5 =21 k、R6 = 4k。4.2 音響產(chǎn)生電路的設(shè)計圖4-2為音響產(chǎn)生電路的電路圖圖4-2中R11和R12的作用與圖中的R3和R4的作用相同。取R12=70k R11=30k。D1，D2和D3均為鍺二極管1N6095.我們選取 =0.4ms因為 =R10*C2選取 C2=0.01uF所以 R10=40k又因 T=t1+t2=1.2+0.36=1.2+0.144*10根據(jù)給定要求=R7*C1 (被測信號為高電平)或 =R8*C1 (被測信號為低電平)我們選取C1=0.1uF，由于技術(shù)指標(biāo)中給定當(dāng)被測信號為高電平時，音響頻

21、率為1kHz；被測信號為低電平時，音響頻率為800Hz。所以被測信號為高電平時因為 T=1ms所以 1.2+0.36=1*101.2+0.14*10=1*100.72msR7=k所以 R7=7.2k當(dāng)被測信號為低電平時，音響頻率為800Hz，此時因為 T=ms=1.25ms所以 1.2+0.14*10=1.25*100.92msR8=9.2k4.3 示波器顯示波形的設(shè)計由于Multisim13中提供的揚聲器頻率不可變，故不能根據(jù)音響來判斷電平的高低，此處我們選用示波器，將示波器接在運放的輸出端，可以根據(jù)示波器中波形的周期來計算頻率從而得出電平的高低，示波器電路圖如圖所示。4.4元器件的選擇選取

22、標(biāo)稱值，即元件庫里所有的實際元件，按最接近的值選取。即： R1=75K ， R2=30K R3=70K ， R4=30K R5=21K ， R6=4K R7=7.6K ， R8=8.8K R9=10K ， R10=40K R11=30K ， R12=70K C 1=0.1uf ， C 2=0.01uf 運算放大器：LM324 AD 二極管：1N6095三極管：2N5551 萬能板一塊、導(dǎo)線若干4.5整機電路的設(shè)計圖4-5聲調(diào)提示的邏輯電平測試器的整機電路圖4-5為聲調(diào)提示的邏輯電平測試器的整機電路整機電路由三部分組成：輸入與邏輯判斷電路、音響產(chǎn)生電路、揚聲器驅(qū)動電路組成。UI測試點的接入口，接

23、入被測量，被測電壓與圖中U1、U2的基準(zhǔn)電壓比較，其中U1為高電平標(biāo)準(zhǔn)，U2為低電平標(biāo)準(zhǔn)。以上設(shè)計均為將U1設(shè)定為3.5V，U2設(shè)定為0.8V。此兩點的電壓采用的是分壓發(fā)控制，可采用可變式電阻分壓，即可控制不同標(biāo)準(zhǔn)電平。若以TTL (VCC：5V：VIH>=2V；VIL<=1V)電平為例，則設(shè)置U1=2V，U2=1V。通過控制此處即可控制該測試器的測量標(biāo)準(zhǔn)。其中的音調(diào)產(chǎn)生電路主要產(chǎn)生對應(yīng)高低電平的兩種不同頻率的方波，方波的頻率與電平的高低無關(guān)，只于電路中充電、放電電路中的電阻、電容的大小有關(guān)，控制充放電電路中R、C的大小可以控制揚聲器產(chǎn)生不同的音調(diào)。該整機電路用到了四個LM324運

24、算放大器，剛好一片LM324集成運放芯片。第五章對邏輯電平測試器的檢測和調(diào)試5.1 檢驗電路各部分是否導(dǎo)通按照電路圖連接仿真電路，電路可以正常工作，有波形輸出，但是發(fā)現(xiàn)輸出頻率不滿足要求，所以又把R7和R8的電阻值減小，滿足了頻率在高電平是為1KHz，在低電平是為800Hz。5.2 調(diào)試及測定主要參數(shù)改變輸入邏輯信號的大小：5.2.1當(dāng)輸入的被測邏輯電平信號為6V，大于3.5V時的波形：輸出信號U0的波形如圖5-2所示。圖5-2（1） 音響電路的信號波形如圖5-3所示，其信號周期是1.009ms，其頻率為1Khz，符合設(shè)計要求。圖5-3（2） C1的充放電波形圖如圖5-4所示。符合設(shè)計要求，其

25、充電按時間常數(shù)充電，放電由于放電電路電阻很小瞬間放電，所得波形為圖5-4所示。圖5-45.2.2輸入的被測邏輯電平信號為2.5V，大于0.8V且小于3.5V時的波形：（1）輸出信號U0的波形如圖5-5所示，是沒有波動的信號圖5-5（2）音響電路的信號波形和C1充電放電波形如圖5-6所示，C1沒有沒有充放電，音響信號也是沒有波動，所以符合設(shè)計要求。圖5-65.2.3當(dāng)輸入的被測邏輯電平信號為0.3V，小于0.8V時的波形：（1）輸出信號U0的波形如圖5-7所示，是有波動的信號。圖5-7（2）音響電路的信號波形和C1充電放電波形如圖5-8所示，C1沒有沒有充放電，音響信號也是沒有波動，所以符合設(shè)計

26、要求。其周期為1.25ms左右,所以頻率在800Hz左右,符合設(shè)計要求。圖 5-85.3記錄參數(shù)并總結(jié)分析 由測試結(jié)果可知：（1）當(dāng)輸入的被測邏輯電平信號為6V，大于3.5V時的波形： 輸出信號U0的波形是有波動的信號。音響電路信號波形的周期是1.009ms，其頻率為1KHz。此時C1的充電按時間常數(shù)充電，放電由于放電電路電阻很小瞬間放電，符合設(shè)計要求。（2）當(dāng)輸入的被測邏輯電平信號為2.5V，大于0.8V且小于3.5V時的波形： 輸出信號U0的波形是沒有波動的信號。此時音響電路的信號波形和C1充電放電波形都沒有波動，符合設(shè)計要求。（3）當(dāng)輸入的被測邏輯電平信號為0.3V小于0.8V時的波形： 輸出信號U0的波形是有波動的信號。音響電路的信號波形的周期為1.248ms,其頻率為800HZ左右。此時C1有充放電，符合設(shè)計要求。滿足下面的輸入輸出關(guān)系，所以設(shè)計是成功的。設(shè)計總結(jié)及心得體會這學(xué)期初接觸到了模擬電路，剛開始學(xué)的時候一頭霧水，很多元器件的作用和原理搞不清楚。但是經(jīng)過一個學(xué)期的學(xué)習(xí)，對模電相關(guān)的知識有了大體的了解。尤其是在這次課設(shè)的過程中，把以前學(xué)過的東西溫習(xí)了一遍，同時又學(xué)到了很多新東西，加深了對課本理論知識的理解。經(jīng)過接近兩周的努力，邏輯電平測試器終