邏輯電平信號測試器

1、(此處字體為四號宋體并與上左對齊)(此處空格為三行小初)畫電理圖(此處字體為四號宋體)畫電路的原理框圖(黑體小二)（副標題為黑體小二注意左對齊）(此處空格為十二行小二)（標題為黑體小初）電子技術(shù)課程設(shè)計 邏輯信號電平測試器2014年6月24日邏輯信號電平測試器一、設(shè)計任務(wù)1.設(shè)計目的：（1）學(xué)習(xí)邏輯信號電平測試器的設(shè)計方法；（2）掌握其各單元電路的設(shè)計與測試方法；（3）進一步熟悉電子線路系統(tǒng)的裝調(diào)技術(shù).2. 技術(shù)指標：（1）測量范圍：低電平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） 當被測信號在0.83.5V之間時，不發(fā)

2、出音響； （5） 輸入電阻大于20K； （6） 工作電源為5V二、設(shè)計方案論證 1.方案一聲響音調(diào)揚聲器邏輯狀態(tài)判斷電路輸入電路電源 圖2.1測試器的原理框圖 圖2.2 方案一的總設(shè)計圖 其中555定時器構(gòu)成多諧振蕩器，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。當入為高電平時，多諧振蕩器工作；反之，電路停振。 2.方案二輸入電路邏輯狀態(tài)判斷電路聲響音調(diào)揚聲器電源 圖2.3測試器的原理框圖 圖2.4 測試器的原理框圖 3.方案的比較 方案一運用到了“555定時器”，相對于方案二簡單，在通過頻率計算相對應(yīng)的電阻值上簡單方便，但是考慮到其成本高于LM324芯片，最終決

3、定采取方案二作為實現(xiàn)方案。三、電路結(jié)構(gòu)及其工作原理 1.電路的結(jié)構(gòu)框圖：揚聲器聲響音調(diào)邏輯狀態(tài)判斷電路輸入電路 電源 圖3.1邏輯信號測試器原理框圖2. 電路的原理圖： 圖2聲調(diào)提示的邏輯電平測試器的整機電路3. 電路工作原理： 由圖1可以看出電路由五部分組成：輸入電路、邏輯狀態(tài)判斷電路、音響電路、發(fā)音電路和電源。 （1）輸入電路及邏輯判斷電路 圖3.1為測試器的輸入和邏輯判斷電路原理圖。以A1和A2的輸出電壓均為低電平。當U1大于UH時，A1輸出端UA為高電平，A2輸出端UB為低電平。通過改變R3和R4的比例圖2-2中U1是被測信號。A1和A2為兩個運算放大器?？梢钥闯鯝1和A2分別與它們外

4、圍電路組成兩個電壓比較器。A2的同相端電壓為0.8V左右(D1和D2分別為硅和鍺二極管)，A1的反相端電壓UH由R3和R4的分壓決定。 當被測電壓U1小于0.8V時，A1反相端電壓大于同相端 圖3.1 輸入和邏輯判斷電路電壓，使A1輸出端UA為低電平(0V)。A2反相端電壓小于同相端電壓，使它輸出端UB為高電平(5V)。當U1在0.8V-UH之間時，A1同相端電壓小于UH，A2同相端電壓也小于反相端電壓，所可以控制高電平的范圍，而通過改變運算放大器A2同相端電壓，可以控制低電平。圖中的二極管可以是分壓電阻，所以經(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準電平。 （2）音調(diào)產(chǎn)生電路 圖

5、3.2為音調(diào)產(chǎn)生電路原理圖。電路主要由兩個運算放大器A3和A4組成。 圖3.2 音調(diào)產(chǎn)生電路單元電路下面分三種情況說明電路的工作原理: （1）當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D3和D4截止。因A4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A4輸出電壓不確定，但這個電壓肯定的是大于或等于0V，因此二極管D5也是截止的。由于D3，D4和D5均處于截止狀態(tài)，電容C1沒有充電回路，UC1將保持0V的電壓不變，使A3輸出為高電平。(2）當UA=5V，UB=0V時此時二極管D3導(dǎo)通，電容C1通過

6、R6充電，UC1按指數(shù)規(guī)律逐漸升高，由于A3同相輸入端電壓為3.5V，所以在UC1達到3.5V之前，A3輸出端電壓為5V，C2通過R9充電。從圖2-3可以看出C1的充電時間常數(shù)1=C1*R6，C2的充電時間常數(shù)2=C2(R9+rO3)，其中rO3為A3的輸出電阻。假設(shè)12，則在C1和C2充電時，當UC1達到3.5V時，UC2已接近穩(wěn)態(tài)時5V。因此在UC1升高到3.5V后，A3同相端電壓小于反相端電壓，A3輸出電壓由5V跳變?yōu)?V,使C2通過R9和rO3放電，UC2由5V逐漸降低。當UC2降到小于A4反相端電壓(3.5V)時，A4輸出端電壓跳變?yōu)?V，二極管D5導(dǎo)通，C1通過D5和A4的輸出電阻

7、放電。因為A4輸出電阻很小，所以UC1將迅速降到0V左右，這導(dǎo)致A3反相端電壓小于同相端電壓，A3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A3輸出端形成矩形脈沖信號。UC1、UC2和UO的波形如圖3.3所示。4VtuC1uC24V5Vtt2t1u0t 圖3.3 UC1、UC2和UO的波形（3）當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D4導(dǎo)通D3截止，UB高電平通過R7,D4向C1，所以C1充電時間常數(shù)改變了，使UO的周期會發(fā)生相應(yīng)的變化。（3）揚聲器驅(qū)動電路原理 揚聲器主要有永久磁鐵、線圈、和錐形紙盆組成。強弱按聲音變化的

8、電流，使揚聲器內(nèi)電磁鐵的磁性忽強忽弱，線圈就向里或外運動，帶動紙盆發(fā)生震動發(fā)出聲音。將電能轉(zhuǎn)化為聲能，并將它輻射到空氣中的一種電聲換能器件。電影、電視、廣播以及各種需要揚聲的場合都需要使用揚聲器。揚聲器的主要性能指標有：靈敏度、頻率響應(yīng)、額定功率、額定阻抗、指向性以及失真等。 揚聲器頻率響應(yīng)，在恒定電壓作用下，在參考軸上距參考點一定距離 處，揚聲器所輻射的聲壓級隨頻率變化的特性。頻率響應(yīng)一般是記錄 3.4揚聲器驅(qū)動電路在以對數(shù)頻率刻度為橫坐標的圖上，即頻率響應(yīng)曲線。 不同規(guī)格、口徑的揚聲器能夠發(fā)出不同的音調(diào)，(不同頻率范圍的)，不可能全頻段都兼顧，所以有高、中、低、音之分。聲音的三要素 響度、

9、音調(diào)、音品(音色) 響度:聲音大小聲,與發(fā)音體產(chǎn)生的聲波振幅有關(guān) 音調(diào):聲音的高低,與發(fā)音體產(chǎn)生的振動頻率有關(guān) 音品:聲音的獨特性，與發(fā)音體產(chǎn)生的波形有關(guān) 本設(shè)計就利用了音調(diào)的高低與發(fā)音體的震動頻率有關(guān)的原理，根據(jù)音響電路中產(chǎn)生的不同頻率的方波驅(qū)動揚聲器發(fā)出不同音調(diào)聲音。四、電路主要元件簡介 1.集成運算放大器LM324 這里主要介紹電路中所用到的集成運算放大器LM324。LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸

10、入范圍包括負電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。 LM324四運放是集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸 出端。兩個信號輸入端中，Vi-(-)為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+(+)為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號 與該輸入端的相位相同，如圖3.1，LM324的引腳排列見圖3.1. 圖3.1放大器引腳圖 由于

11、LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。 2.比較器 當去掉運放的反饋電阻時,或者說反饋電阻趨于無窮大時(即開環(huán)狀態(tài)),理論上認為運放的開環(huán)放大倍數(shù)也為無窮大(實際上是很大,如LM324運放開環(huán)放大 倍數(shù)為100dB，既10萬倍)。此時運放便形成一個電壓比較器，其輸出如不是高電平(V+)，就是低電平(V-或接地)。當正輸入端電壓高于負輸入端電壓時，運放輸出低電壓。5、 電路仿真過程及結(jié)果 1.仿真條件：在proteus環(huán)境下 2.仿真參數(shù)： R1=75K， R2=30KR3=30K， R4=68KR5=68K， R6=13K

12、R7=6.8K， R8=8.9KR9=9.1K， R10=5KC=0.1uf ， C=0.01uf 運算放大器：LM324 二極管：2AP9 普通鍺、硅二極管各一個 三極管：8050 萬能板一塊、導(dǎo)線若干 3.仿真結(jié)果： （1）當輸入的被測邏輯電平信號為5V，大于3.5V時的波形時： 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1.025ms，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）當輸入的被測邏輯電平信號為2.3V，大于1.2V小于當4V時的波形時： 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

13、充電放電波形都沒有波動，符合設(shè)計要求。 （3）當輸入的被測邏輯電平信號為0.3V小于1.2V時的波形時： 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1.23ms,其頻率為1200HZ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。 輸入輸出關(guān)系 輸入VaVbViVlVr低高VlViVr低低ViVrVl高低6、 電路安裝與調(diào)試1.檢驗電路各部分是否導(dǎo)通 按照電路圖連接仿真電路，如圖4-1所示,由于在仿真過程中，觀察到電容C1之充電不能放電，是因為比較電壓過高，為此我在比較電壓器加上了一個分壓電路，可以保證C1能放電，同時有發(fā)現(xiàn)輸出頻率不滿足要求，所

14、以又把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設(shè)計體會： 圖6.1 改裝后的圖 2.調(diào)試及測定主要參數(shù) 改變輸入邏輯信號的大?。?4.2.1當輸入的被測邏輯電平信號為12，大于4V時的波形： （1） 輸出信號U0的波形如圖4.2所示。 圖4.2（2）音響電路的信號波形如圖4.3所示，其信號周期是1.025ms，其頻率為2Khz，符合設(shè)計要求。 圖4.3 （3）C1的充放電波形圖如圖4.4所示。符合設(shè)計要求，其充電按時間常數(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4.4所示圖4.4 4.2.2輸入的被測邏輯電平信號為2,3V，大于1.2V小于當

15、4V時的波形： （1）輸出信號U0的波形如圖4.5所示。是沒有波動的信號。圖4.5（2） 音響電路的信號波形和C1充電放電波形如圖4.6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4.64.2.3當輸入的被測邏輯電平信號為0.3V，小于1.2V時的波形： （1） 輸出信號U0的波形如圖4.7所示，是有波動的信號。圖4.7（2） 音響電路的信號波形和C1充電放電波形如圖4.8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)計要求。其周期為1.23ms,說以頻率在1200H左右符合設(shè)計要求。圖4.8 七、課程設(shè)計體會： 在這學(xué)期開 始剛接觸電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分

16、）這本書，很多東西都是陌生的，不知道什么是二極管、三極管，不知道什么是運算放大器，更不知道這些電子元器件組合起來會有什么用處。但是通過一個學(xué)期的學(xué)期，對模電這部分知識有了初步的認知。尤其在這次課程設(shè)計的過程中，感覺自己學(xué)到了不少東西。 這次的課程設(shè)計給了我們一次實踐的機會。通過這次的課程設(shè)計讓我們對課本的理論知識有了更深一步的了解和理解，同時也提高了我們的自主創(chuàng)新和自我設(shè)計能力。音調(diào)的產(chǎn)生是通過產(chǎn)生的方波和揚聲器產(chǎn)生振動，才發(fā)出聲音，這是我上網(wǎng)查過才知道的。同時，在不斷的查資料書籍中，我們知道了邏輯測試器的工作原理、輸入電路及判斷電路和原理、單調(diào)產(chǎn)生電路原理和揚聲器的原理，再結(jié)合所學(xué)的模電知識

17、，畫出了電路原理圖。在這次的設(shè)計過程中我完成了對聲調(diào)提示的邏輯電平測試器的原理的熟悉，對各單元及整機電路的設(shè)計，以及電路中使用的元器的選型，同時在圖書管和電子數(shù)據(jù)庫中收集到大量的資料，給電路設(shè)計，元器件選型，以及后面寫論文提供足夠的參考材料。最后通過不斷的嘗試、計算和調(diào)試測出了電路中和各參數(shù)。這次課程設(shè)計的過程中遇到了不少麻煩，大多數(shù)都是因為自己平時的學(xué)習(xí)不夠認真，很多問題考慮的不夠全面，計算不夠仔細。麻煩多收獲也就越多，在這次課程設(shè)計過程中，學(xué)會了怎樣計算，怎樣分析電路。也對原來學(xué)習(xí)的知識查缺補漏。體會到了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人員需要的耐心和毅力還有過人的專業(yè)基礎(chǔ)知識是多么重要，而自己又有不少欠缺。所以通過這次課程設(shè)計督促自己以后一定要一絲不茍的學(xué)習(xí)。參考文獻1趙淑范，王憲偉編。電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計。M北京：清華大學(xué)出版社，2006年。第163-167頁。2黃永定編。電子實驗綜合實訓(xùn)教程。M北京：機械工業(yè)出版社，