逻辑信号测试器的设计

逻辑信号测试器的设计----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第1页一、方案论述方案1：图1方案1设计方框图如图1所示：该电路由四部分组成，即输入电路，逻辑信号识别电路，音响信号产生电路和扬声器。在该电路中，电路的输入信号Vi由输入电路输出后，经过逻辑信号识别电路，在该电路中，通过比较器的比较测试，将该信号区分为高电平和低电平两个信号分别输入音响信号产生电路，在音响信号产生电路中，通过两个电容的充，放电过程，产生不同频率的脉冲信号，不同频率的脉冲信号使得扬声器发出不同的响声，通过响声的不同来区分高低电平的不同。方案2：图2方案2设计方框图电路如图2所示，该电路的输入信号Vi通过输入电路后，进入逻辑信号识别电路，经过该电路的识别比较，将信号分为高低电平两种信号，在通过二极管的限流，在示波器上将该波形显示出来。具体电路如图3所示。图3方案2设计原理图输入电路逻辑信号识别电路示波器显示波形电路iV输入电路逻辑信号识别电路音响信号产生电路扬声器iV逻辑信号测试器的设计----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第2页经比较两方案，由于方案2只是简单的对于高低电平的判断，并且在读取实验数据的过程中，一边要看设备的屏幕，另外还要注意，设备的工作情况，使用起来十分的不方便，并且，方案2的成本很高。故本次课程设计中选取方案1作为本次课程设计的主要方案。二、电路工作原理及设计说明1.逻辑信号识别电路表1比较电路功能表VCC5VVCC5VVCC5VR133kΩR251kΩR330kΩR468kΩR568kΩR613kΩU1ALM324D321141U2ALM324D321141VCC5V图4逻辑信号识别电路（1）电路工作原理电路如图4所示，Vi为输入的电平信号，输入电阻是由R1,R2组成，作用是保证当输入悬空时输入既不是高电平也不是低电平。A1,A2组成双相比较器对输入信号进行检测识别。A1的反响输入端为高电平阀值电位参考端，其电压值由R3和R4两电阻分压后获得，为3.5V。同理同向端为低电平阀指点为参考端，其只由R5和R6两电阻分压决定为0.8V。当比较器同相输入端电压大于反相输入端时，比较器输出为高电平，反之输出为低电平。具体输入情况如表1所示。（2）电路参数计算根据要求，输入电阻大于20k，且输入为空时，当输入Vi=2V时Vi是由R1和R2分压所得所以V1=212RRRVcc=2VRi=2121RRRR20k解得R1=50k,R2=33.3k选取R1=51k，R2=33k输入输出Va输出Vb3.5v〉Vi〉0.8v0V0V0.8v〉Vi0V5VVi3.5v5V0V逻辑信号测试器的设计----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第3页Vh是由R3和R4分压所得所以Vh=434RRRVcc=3.5V解得R3=30k,R4=68k由于R3、R4阻值过大易引起干扰，过小会增加功耗。选取R3=15kR4=35kVl=656RRRVcc=0.8V解得R5=68k,R6=13k选取R5=68k，R6=13K2.音响信号产生电路图5音响信号产生电路（1）电路工作原理电路如图5所示错误!未找到引用源。当V1=V2=0V时开始时，C1两端电压为零，且V1和V2两端输入端均为低电平，二极管D1和D2截止，电容C1没有充电回路，U3A同向端为3.5V高于反向端，Vo输出为高电平。Vo通过R9为电容C2充点，达到稳态时电容C2的电平为高电平，U4A的同向端为5V大于反向端电平3.5V，输出为高电平，由于有D3的存在，电路稳态不受影响，输出保持为高电平不变。错误!未找到引用源。当V1=5VV2=0V时二极管D1导通，C1通过R7放电，Vc1两端电压按指数上升，U3A同向端大于反向端电平，在Vc1未达3.5V前，U3A输出为高电平。在Vc1达3.5V后，U3A逻辑信号测试器的设计----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第4页反向端大于同相端，U3A输出由5V跳变为0V，使C2通过R9和U3A的电阻Ro3放电，Vc2由5V下降，当下将到小于U4A反向端电平时，U4A输出电压跳变为0V，D3导通，C1通过D3和U4A的输出电阻放电。由于U4A电阻很小，所以Vc1迅速下降为0V左右，这是U3A反向端电压小于通向端电压，U3A输出电压又跳到5V，C1再一次充电，如此循环，U3A输出电为矩形脉冲信号。错误!未找到引用源。当V1=0V,V2=5V时此工作过程与上一过程相同，唯一区别在于D2导通是，V2高电平通过R8向C1充电，Vc1两端电压按指数上升，U3A同向端大于反向端电平，在Vc1未达3.5V前，U3A输出为高电平。在Vc1达3.5V后，U3A反向端大于同相端，U3A输出由5V跳变为0V，使C2通过R9和U3A的电阻Ro3放电，Vc2由5V下降，当下将到小于U4A反向端电平时，U4A输出电压跳变为0V，D3导通，C1通过D3和U4A的输出电阻放电。由于U4A电阻很小，所以Vc1迅速下降为0V左右，这是U3A反向端电压小于通向端电压，U3A输出电压又跳到5V，C1再一次充电，如此循环，U3A输出电为矩形脉冲信号。（2）电路参数计算t1期间电容C1充电，电容端电压表达式为：Vc1(t)=5（1-1te）t2期间电容C2放电，电容端电压表达式为：Vc2(t)=52teVo的周期T=t1+t2t1=-1ln0.3=1.21t2=-2ln0.7=0.362选取C1=C2=0.1uf因为R2=R9C2=0.5ms所以R9=5k按要求用f=1kHz的音响表示高电平被测信号为高电平时f=1kHzT=t1+t2=1/f=1.21+0.362=1ms2=0.5ms1=0.6ms所以R7=R1/C1=6k选取R7=6k被测信号为低电平时f=0.8kHz按要求用f=0.8kHz的音响表示低电平T=t1+t2=1/f=1.21+0.362=1.25ms1=0.625ms2=0.5ms所以R8=1/c=0.625m/0.1u=6.25k选取R8=6k3．音响驱动电路逻辑信号测试器的设计----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第5页图6音响驱动电路电路如图6所示,此电路由R10、R11、三极管和蜂鸣器组成，通过前面的分析可知，从音响信号产生电路中出来的信号通过前面的电路后变成周期不同的矩形脉冲信号，不同的脉冲信号经过蜂鸣器发出了不同频率的响声，以此来区分高、低电平。由于音响负载电压较低切功率较小，而三及管耐压要求不高，所以选9012作为驱动管。选择R10=5k，R11=10k的电阻。频率为1000Hz蜂鸣器。三、电路性能指标的测试图7逻辑信号测试器---仿真电路图逻辑信号测试器的设计----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第6页1．当输入大于3.5V时（5.5V）Vc1波形如图8图8Vc1波形图Vc2波形如图9图9Vc2波形图逻辑信号测试器的设计----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第7页矩形波形如图10图10矩形波形图2.当输入电压在0.8与3.5之间时（2.3V）Vc1的波形如图11所示图11Vc1的波形图逻辑信号测试器的设计----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第8页Vc2的波形如图12图12Vc2的波形图矩形波形如图13图13矩形波形图逻辑信号测试器的设计----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第9页3.当输入小于0.8V时（0.75V）Vc1波形如图14图14Vc1波形图Vc2的波形如图15图15Vc2的波形图逻辑信号测试器的设计----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第10页矩形波形如图16图16矩形波形图4.实验数据分析与处理当输入小于0.8V时，理论周期1.25ms，实测周期为1.23ms，波形正确。当输入在0.8V与3.5V之间时波形均正确。Vc1理论波形峰值应该为0V，但实际波形峰值为0.2V。当输入大于3.5V时，波形正确，而Vc1，Vc2与矩形波形峰值均未达到理论值（5V），而是3V和4.1V。原因是运放比较器未能运放输出5V。如果选择恰当的比较器应该会达到更好的效果。理论周期为1ms，实测周期是1.20ms左右，由于电容充放电是没有达到理论电压，故此项测试存在一定的差距。输入小于0.8V时波形正确，峰值也接近5V。实验中的波形不是很平滑，这是由于电容充放电还未流畅，所以产生了小波浪，这是由于放电不彻底所造成的。四、结论及性价比本试验应该说是比较成功的。蜂鸣器可以区分高低电平，发出不同频率的响声，各个波形也均正确。各个测量值也比较接近理论值。试验中所选用的器件均为比较常见的廉价的器件。二极管用的是IN4148,运算放大器用的是LM324D，三极管用的是9012等等，本电路选得器件也不多，而且均是实验室比较常见的器件，所以这些器件的性价比是很高的。逻辑信号测试器的设计----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第11页参考文献【1】.赵淑范，王宪伟编.电子技术试验与课程设计.[M]北京:清华大学出社,2006年.185--192页.【2】.李桂安，葛年明，周泉编.电子技术实验及课程设计.[M]南京：东南大学出版社.2008年8月.97—100页.【3】.陈光明，施金鸿，桂金莲编.电子技术课程设计与综合实训.[M]北京:北京航空航天大学出版社.2007年5月.138—140页.【4】.毕满清编.电子技术试验与课程设计.[M]北京:机械工业出版社.2005年7月.280—315页.【5】华成英,童诗白编.模拟电子技术基础