数字逻辑信号测试器的设计

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1一、设计任务书1、设计时间:2010.7.5~2010.7.92、地点:I4043、课程设计题目:数字逻辑信号测试器的设计4、设计内容及要求:设计一个逻辑信号测试器。在数字电路测试、调试和检修时,经常要对电路中某点的逻辑电平进行测试,采用万用表或示波器等仪器仪表很不方便,而采用逻辑信号电平测试器可以通过声音来表示被测信号的逻辑状态,使用简单方便。电路由输入电路、逻辑状态识别电路和音响信号产生电路等组成。1)、设计一个数字逻辑信号测试器,要求能正常测试高电平、低电平或高阻。(1)、掌握集成运算放大器的工作原理及其应用。(2)、掌握数字逻辑信号测试器的原理。2)、设计要求(1)、选取单元电路及元件;(2)、逻辑信号测试器的原理分析;(3)、音响产生和驱动电路的设计与调试;(4)、各单元电路的参数计算;(5)、整体电路的联调(完成全电路理论设计、仿真、调试);(6)、撰写设计报告。3)、设计参数(1)、测量范围:低电平0.8V,高电平3.5V(2)、高低电平分别用1KHZ和800HZ的音响表示,被测信号在0.8~3.5V之间不发出声响。(3)、工作电源为5V,输入电阻大于20K欧姆。二、设计框图及整机概述为了方便进行对某点的电平测试,设计一个逻辑信号测试器。在数字电2路测试、调试和检修时,经常要对电路中某点的逻辑电平进行测试,采用万用表或示波器等仪器仪表很不方便,而采用逻辑信号电平测试器可以通过声音来表示被测信号的逻辑状态,使用简单方便。电路由输入电路、逻辑状态识别电路和音响信号产生电路等组成。输入的逻辑信号电平大于或小于所设定的高低电平电位,则音响发声,如若在高低电平之间,则音响不发声。利用这种方式设计电路,计算元器件参数,选择成本合适的器件,确定电路形式并进行仿真实验验证。1、原理框图图1逻辑信号测试器的原理框图2、对原理框图的描述:1)、方案论证:如图1,逻辑信号测试器由三部分电路组成,分别是输入电路、逻辑信号识别电路和音响产生电路。输入一个逻辑信号,其电平值高于3.5V或低于0.8V音响发声,在0.8V和3.5V之间音响不发声,再观察输出Vo是否符合标准。2)、步骤:(1)输入电压Vcc=5V。通过电阻分压得到高低两电平。(2)输入一个逻辑信号,比较两个运算放大器同相端与反相端电压的3高低。若同相端电压高于反相端,则输出电压为5V;若反相端电压高于同相端,则输出电压为0V。(3)两个输出电压再通过一个双限比较器,若两个输出电压均为低电平,则输出Vo一直保持高电平,输出为一条直线;若一个高电平、一个低电平就会相应的在输出端形成矩形脉冲信号。三、各单元电路的设计方案及原理说明1、输入及逻辑信号识别电路如图2所示,Vi是输入的被测逻辑电平信号,输入电路是由电阻R1和R2组成,其作用是保证输入端悬空时,Vi既不是高电平,也不是低电平。U1和U2组成的双限比较器对输入信号进行检测识别,U1的反相端为高电平值电位参考端,其电压值由电阻R3和R4分压后获得,记为VH。同理,U2的同相端为低电平值电位参考端,其值由R5和R6分压决定,记为VL。比较器的同相输入端高于反相输入端电压时,比较器输出为高电平(5V),反之,则比较器输出为低电平(0V)。在保证VHVL的条件下,输入、输出状态有以下关系:见表1。表1输入、输出状态关系输入U1(VA)U2(VB)ViVLVH低高VLViVH低低ViVHVL高低通过分析比较器的输出状态,就能够判断输入逻辑信号电平的高低。被测逻辑电平信号高于高电位、低于低电位时音响发声;在高、低电位之间音响不发声。4图2输入及逻辑信号识别2、音响信号产生电路图3音响信号产生电路5如图3所示为音响信号产生电路原理图,主要由两个比较器U3和U4组成,根据前面对逻辑判断电路输出的研究,分3种情况介绍本电路的工作原理。(1)当VA=VB=0V(均为低电平)时:由于稳态时,电容C1两端电压为0,并且此时VA和VB两输入端均为低电平,二极管D1和D2截止,电容C1没有充电回路,而U3的同相输入端为基准电压3.5V,使得U3的同相端电位高于反相端电位,U3输出Vo通过电阻R3按指数规律为电容C2充电,达到稳态时电容C2的电压为高电平,U4的同相端(5V)高于反相端(3.5V),虽然输出为高电平,但是由于D3的存在,电路的稳定状态不受影响。故电路输出Vo一直保持高电平。(2)当VA=5V,VB=0V时:此时二极管D1导通,电容C1通过电阻R1充电,Vc1按指数规律逐渐升高,由于U3同相输入端电压为3.5V,则在Vc1未达到3.5V之前,U3输出端电压保持为高电平。在Vc1升高到3.5V后,U3的反相端电压高于同相端电压,U3输出电压由5V跳变为0V,使C2通过电阻R3和U3的输出电阻Ro3放电,Vc2由5V逐渐下降,当Vc2下降到小于U4反相端电压(3.5V)时,U4的输出电压跳变为0V,二极管D3导通,C1通过D3和U4的输出电阻放电。因为U4输出电阻很小,所以Vc1将迅速降到0V左右,这导致U3反相端电压小于同相端电压,U3的输出电压又跳变到5V,C1再一次充电,如此周而复始,就会在U3输出端形成矩形脉冲信号。(3)当VA=0V,VB=5V时:此时电路的工作过程与VA=5V,VB=0V时相同,唯一区别在于D2导通时,VB高电平通过R2向C1充电,所以C1的充电时间常数改变了,使得Vo的周期会发生相应的变化。3、音响驱动电路如图3所示,由于音响负载工作电压较低而且功率较小,因此对驱动三极管的耐压等条件要求不高,故选去9012作为驱动管,可完全满足电路要求。6图4音响驱动电路4、参数计算、元器件选择(1)参数计算根据技术指标要求,输入电阻大于20K,并且输入悬空时,Vi=1.4V(一般在VH=3.5V和VL=0.8V中间位置选取)。因此Vi=(R2\R1+R2)Vcc=1.4VRi=R1R2\R1+R2≧20K解得R1=71KR2=27.6K根据分压公式得VH=(R4\R3+R4)Vcc=3.5VRi=R3R4\R3+R4≧20K解得R3=29KR4=68K同理VL=(R6\R5+R6)Vcc=0.8V7Ri=R5R6\R5+R6≧20K解得R5=68KR6=12.8K根据电容电压公式得Vc1(t)=5(1-e1t)(t1期间C1充电)Vc2(t)=5e2t(t2期间C2放电)其中输出Vo的周期T=t1+t2t1=-1ln0.3=1.21t2=-2ln0.7=0.362取2=R9C2=0.5ms则当C2=0.01uf时,R9=2\C2=0.5ms\0.01=50K同时选取C1=0.1uf,由于技术指标要求,被测信号为高电平时,音响频率为1KHZ。即T=t1+t2=1.21+0.362=1\f=1ms代入2=0.5ms,得,1=R7C1=0.68ms所以R7=1\C1=6.8K被测信号为低电平时,音响频率为800HZ同理,计算求得R8=8.9K(2)元器件选择选取标称值,即元件库里所有的实际元件,按最接近的值选取。即:R1=75K,R2=30KR3=30K,R4=68KR5=68K,R6=13KR7=6.8K,R8=8.9KR9=9.1K,R10=5KR11=10KC1=0.1ufC2=0.01uf运算放大器:LM324AJ二极管:1N4148三极管:901285、经过前面的分析,有各个模块框图可以画出整体的电路图。整合电路图如下图图5数字逻辑信号测试器的全图四、仿真调试过程及结果分析按照电路图连接仿真电路,如图(7)所示,由于在仿真过程中,观察到电容C1之充电不能放电,是因为比较电压过高,为此我在比较电压器加上了一个分压电路,可以保证C1能放电,同时有发现输出频率不满足要求,所以又把R7和R8的电阻值减小,就满足了频率在高电平是为1KHz,在低电平是为800Hz9图6逻辑信号测试器的仿真电路图改变输入逻辑信号的大小:1、当输入的被测逻辑电平信号为12(大于3.5V)时的波形:(1)输出信号U0的波形如图7所示。10图7U0输出信号的波形(2)音响电路的信号波形如图8所示,其信号周期是1.025ms,其频率为1Khz,符合设计要求。图8音响电路信号波形图11(3)C1的充放电波形图如图9所示。符合设计要求,其充电按时间常数充电,放电由于放电电路电阻很小瞬间放电,所波形为图9所示。图92、输入的被测逻辑电平信号为2,3V(大于0.8V小于当3.5V)时的波形:(1)输出信号U0的波形如图10所示。是没有波动的信号。12图10(2)音响电路的信号波形和C1充电放电波形如图11所示,C1没有没有充放电,音响信号也是没有波动,所以符合设计要求。图113、当输入的被测逻辑电平信号为0.3V(大于0.8V小于3.5V)时的波形:(1)输出信号U0的波形如图12所示,是有波动的信号。13图12(2)音响电路的信号波形和C1充电放电波形如图13所示,C1没有没有充放电,音响信号也是没有波动,所以符合设计要求。其周期为1.23ms,说以频率在800H左右符合设计要求。图1314五、设计、安装及调试中的体会通过本次设计,我对模电有了更进一步的了解,并对数电有了初步认识。虽然在本次设计师眼中,我们组遇到了很多困难和问题,特别是在设计原理图的时候由于对逻辑信号测试器还不是很了解,网上也没有具体实例,更加不知从何下手。但后面通过查阅质料,对逻辑信号测试器的功能和工作原理有了比较深刻的认识和理解。结合自己所学的摸电知识,设计出来了原理图,然后就是参数的设置,这应该是一个不断尝试的过程,在保证电压值符合要求的前提下,要对器件的参数进行设置,然后就是元器件进行封装,封装之后就可以仿真了,这个过程是最困难的,中间会有各种各样的问题导致会出现各种种各样的问题或者是仿真效果不明显。在一开始的时候我们按照我们原理图上的参数进行封装之后,发现有多处错误,经过改正,错误大部分都改过了,剩下的自己改不到的地方,经过老师的指点,我们也顺利改过来了,最后防真出来正确的波形图。在这个过程中最大的体会就是要考虑问题要全面,还有就是要有团队协作精神,还有就是要有牢固的知识,对于这个设计,需要我们对知识有较全面的认识,这样才可能设计出来符合要求的原理图。通过这次实验我对信号和模拟电路有了更进一步的了解,对模拟电路有了更深的兴趣,并阅读了很多课外书籍,丰富了自己的知识,受益很深。更加了解了矩形脉冲信号。六、对本次课程设计的意见及建议通过这个设计实验可以学到很多东西,但是觉得时间太短了,只有一周,在这一周的时间内想设计出来原理图,然后又仿真出来波形对于一个人独立完成确实有点困难,所以希望以后有更多的时间让我们可以独立完成这些设计,还有就是希望以后可以给我们安排更多的做课程设计的机会。七、参考资料:[1]、赵淑范,王宪伟编。电子技术实验与课程设计。[M]北京:清华大学出版社,2006年。第163--167页。[2]、黄永定编。电子实验综合实训教程。[M]北京:机械工业出版社,2004年。第146--151页。15[3]、高吉祥主编。电子技术基础实验与课程设计。[M]北京:电子工业出版社,2005年。第89--94页。[4]、毕满清主编,电子技术实验与课程设计。[M]北京:机械工业出版社,2005年7月。第174--180页[5]、孙肖子,张企民主编。模拟电子技术基础。[M]西安电子科技大学出版社,2001.1出版。第203--208页16八、附录附录1整机逻辑电路图17附录2元器件清单序号编号名称型号数量1U1、U2、U3、U4运算放大器LM32442T三极管901213D1、D2、D3二极管1N414834R1电阻75K15R2、R3电阻30K26R4、R5电阻68K27R6电阻13K18R7电阻6.8K19R8电阻9.1K110R9电阻5K111R10电阻10K112R11电阻50K15C1电容0.1uf16C2电容0.01uf16U5蜂鸣器17Vcc电源5V1

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