逻辑电平

1、技术指标：（1）测量范围：低电平0.8V，高电平3.5V；（2）用2KHZ的音响表示被测信号为高电平（3）用1200HZ的音响表示被测信号为低电平；（4）当被测信号在0.8~3.5V之间时，不发出音响；（5）输入电阻大于20KΩ；（6）工作电源为5V。（三）设计提示1、测试器的原理框图2、输入电路及逻辑判断电路输入和逻辑判断电路如图4.2所示，输入电路由R1和R2组成。电路的作用是保证测试器输入端悬空时，输入电压既不是高电平，也不是低电平。一般情况下，在输入端悬空时，输入电压VvI4.1。根据技术指标要求输入电阻大于20KΩ，因此可得：从而可确定R1和R2阻值。R3和R4的作用是给A1的反相输入端提供一个4V的电压（高电平的基准）。因此只要保证3.5v即可。R3和R4取值过大时容易引入干扰，取值过小时则会图4.2输入和逻辑判断电路增大耗电量。工程上一般在几十千欧到几百千欧姆间选取。R5为二极管D1、D2的限流电阻。D1、D2的作用是提供低电平信号基准，按给定技术指标可取一只锗二极管和一只硅二极管。3、音响产生电路图4.3为音响产生电路单元电路图。图中R10和R11的作用与图中的R3和R4相同。可参考R3和R4取值。三个二极管可选用锗二极管如2AP9。根据公式：212136.02.1ttTVVRRRCC4.1212KRRRR202121VVRRRCC5.3433我们选取ms5.02因为292CR选取FC01.02从而可以确定R9阻值。又因为图4.3音响产生电路单元电路图3121211018.02.136.02.1ttT根据给定要求，161CR（被测信号为高电平）或171CR（被测信号为低电平）我们选取FC1.01，由于技术指标中给定被测信号为高电平时，音响频率为1KHZ，被测信号为低电平时，音响频率为800HZ。所以在被测信号为高电平时，因为所以32110136.02.1从而可以确定61R和图4.4扬声器驱动电路根据低电平时的音响频率值，则可确定R7阻值。4、扬声器驱动电路扬声器驱动电路如图4.4所示。由于驱动电路的工作电源电压比较低，因此对三极管的耐压要求不高。如可选取3DG12为驱动管。R为限流电阻，可选取阻值为10KΩ。5、设计用仪器设备：示波器1台，交流毫伏表，数字万用表1块，低频信号发生器，实验面包板或万能板6、设计用主要器件：集成运算放大器（如LM324）、三极管、二极管、电容、电阻若干7、参考书：[1]谢自美.电子线路设计·实验·测试.华中科技大学出版社，2006msfT11[2]金凤莲.模拟电子技术基础实验及课程设计.清华大学出版社，2009（五）设计思考与总结1、总结放大器的设计方法和运用到的主要知识点。2、总结放大器主要参数的测试方法。3、分析信号源内阻对输出波形失真的影响。4、对测试数据进行误差分析。1.1设计的主要目的1.1.1学习逻辑信号电平测试器的设计方法；1.1.2掌握其各单元电路的设计与测试方法；1.1.3进一步熟悉电子线路系统的装调技术。第二章逻辑电平测试器的简单介绍2.1大概要求和技术指标2.1.1技术指标：（1）测量范围：低电平1.2V，高电平4V；（2）用2KHZ的音响表示被测信号为高电平；（3）用1200HZ的音响表示被测信号为低电平；（4）当被测信号在1.2~4V之间时，不发出音响；（5）输入电阻大于20KΩ；（6）工作电源为5V。2.3输入电路及逻辑判断电路原理图2-1为测试输入和逻辑判断电路原理图。以A1和A2的输出电压均为低电平。当U1大于UH时，A1输出端UA为高电平，A2输出端UB为低电平。通过改变R3和R4的比例图2-2中U1是被测信号。A1和A2为两个运算放大器。可以看出A1和A2分别与它们外围电路组成两个电压比较器。A2的同相端电压为0.8V左右(D1和D2分别为硅和锗二极管)，A1的反相端电压Uh由R3和R4的分压决定。当被测电压U1小于0.8V时，A1反相端电压大于同相端电压，使A1输出端UA为低电平(0V)。A2反相端电压小于同相端电压，使它输出端UB为高电平(5V)。当U1在0.8V-Uh之间时，A1同相端电压小于UH，A2同相端电压也小于反相端电压，所可以控制高电平的范围，而通过改变运算放大器A2同相端电压，可以控制低电平，图中的二极管可以是分压电阻，所以经过分压电阻的调整，该逻辑电平测试器可以测量不同的标准电平。2.4音调产生电路原理图2-2为音调产生电路原理图。电路主要由两个运算放大器A3和A4组成。图2-2音调产生电路单元电路下面分三种情况说明电路的工作原理。2.4.1当UA=UB=0V(低电平)时。此时由于A和B两点全为低电平，所以二极管D3和D4截止。因A4的反相输入端电压为3.5V，同相端输入电压为电容C2两端的电压UC2，由于时一个随时间按指数规律变化的电压，所以A4输出电压不确定，但这个电压肯定的是大于或等于0V，因此二极管D5也是截止的。由于D3，D4和D5均处于截止状态，电容C1没有充电回路，UC1将保持0V的电压不变，使A3输出为高电平]7[。2.4.2当UA=5V，UB=0V时此时二极管D3导通，电容C1通过R6充电，UC1按指数规律逐渐升高，由于A3同相输入端电压为3.5V，所以在UC1达到3.5V之前，A3输出端电压为5V，C2通过R9充电。从图2-3可以看出C1的充电时间常数ι1=C1*R6，C2的充电时间常数ι2=C2(R9+rO3)，其中rO3为A3的输出电阻。假设ι1ι2，则在C1和C2充电时，当UC1达到3.5V时，UC2已接近稳态时5V。因此在UC1升高到3.5V后，A3同相端电压小于反相端电压，A3输出电压由5V跳变为0V,使C2通过R9和rO3放电，UC2由5V逐渐降低。当UC2降到小于A4反相端电压(3.5V)时，A4输出端电压跳变为0V，二极管D5导通，C1通过D5和A4的输出电阻放电。因为A4输出电阻很小，所以UC1将迅速降到0V左右，这导致A3反相端电压小于同相端电压，A3的输出电压又跳变为5V，C1再一次充电，如此周而复始，就会在A3输出端形成矩形脉冲信号。UC1、UC2和UO的波形如图2-3所示]8[。图2-3UC1、UC2和UO的波形由图1-3可以看出A3的输出电压UO的周期T=t1+t2(2-1)根据一阶电路的响应特点可知，在t1期间电容C1充电，UC1(t)=5(1-e1)，在t2期间电容C2放电，UC2(t)=5e2t。根据UC1(t)和UC2(t)的表达式可以分别求出：uC24V5Vt4VtuC1t2t1u0tt1=-3.0ln1≈1.21(2-2)t2=-7.0ln1≈0.362(2-3)这就是说只要改变时间常数1，2即可改变UO的周期。2.4.3当UA=0、UB=5V时此时电路的工作过程与UA=5V，UB=0V时相同，唯一的区别是由于D4导通D3截止，UB高电平通过R7,D4向C1，所以C1充电时间常数改变了，使UO的周期会发生相应的变化。2.5扬声驱动电路原理图2.4扬声器驱动电路扬声器主要有永久磁铁、线圈、和锥形纸盆组成。强弱按声音变化的电流，使扬声器内电磁铁的磁性忽强忽弱，线圈就向里或外运动，带动纸盆发生震动发出声音。将电能转化为声能，并将它辐射到空气中的一种电声换能器件。电影、电视、广播以及各种需要扬声的场合都需要使用扬声器。扬声器的主要性能指标有：灵敏度、频率响应、额定功率、额定阻抗、指向性以及失真等]9[。扬声器频率响应，在恒定电压作用下，在参考轴上距参考点一定距离处，扬声器所辐射的声压级随频率变化的特性。频率响应一般是记录在以对数频率刻度为横坐标的图上，即频率响应曲线]10[。不同规格、口径的扬声器能够发出不同的音调，(不同频率范围的)，不可能全频段都兼顾，所以有高、中、低、音之分。声音的三要素——响度、音调、音品(音色)响度:声音大小声,与发音体产生的声波振幅有关音调:声音的高低,与发音体产生的振动频率有关音品:声音的独特性，与发音体产生的波形有关本设计就利用了音调的高低与发音体的震动频率有关的原理，根据音响电路中产生的不同频率的方波驱动扬声器发出不同音调声音。第三章逻辑电平测试器的设计思路3.1集成运算放大器电路设计介绍3.1.1集成运算放大器LM324这里主要介绍电路中所用到的集成运算放大器LM324。LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。LM324四运放是集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-(-)为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+(+)为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同，如图3-1，LM324的引脚排列见图3-2。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。3.1.2比较器当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB，既10万倍)。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不图3-1放大器图3-2放大器引脚图是高电平(V+)，就是低电平(V-或接地)。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。R1'R1R2R2'Ui231411A1A231411A2AV+V-V-V+V+U1U2D1D2R3BG19013R4LED图3-3比较器电路设计附图中使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R1组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1；电阻R2、R2组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2。输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当UiU1时，运放A1输出高电平；当UiU2时，运放A2输出高电平。运放A1、A2只要有一个输出高电平，晶体管BG1就会导通，发光二极管LED就会点亮。若选择U1U2，则当输入电压Ui越出[U2，U1]区间范围时，LED点亮，这便是一个电压双限指示器。若选择U2U1，则当输入电压在[U2，U1]区间范围时，LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。3.2输入和逻辑判断电路的设计输入和逻辑判断电路如图3-4所示，输入电路由R1和R2组成。电路的作用是保证测试器输入端悬空时，输入电压既不是高电平，也不是低电平。一般情况下，在输入端悬空时，输入电压VvI4.1。根据技术指标要求输入电阻大于20KΩ，因此可得：从而可确定R1和R2阻值。可解得：R1=71kΩR2=27.6kΩ取联系值：R1=75kΩR2=30kΩ图3-4输入和逻辑判断单元电路R3和R4的作用是给A1的反相输入端提供一个3.5V的电压（高电平的基准）。因此只要保证即可。R3和R4取值过大时容易引入干扰，取值过小时则会增大耗电量。工程上一般在几十千欧到几百千欧姆间选取。因此选取R4=68kΩ，可得到：R329kΩ,取R3=30kΩ。R5为二极管D1、D2的限流电阻。D1、D2的作用是提供低电平信号基准，按给定技术指标可取一只锗二极管和一只硅二极管。可取：R5=10kΩ3.3音响产生电路的设计图3-5为音响产生电路单元电路图。图中R10和R11的作用与图中的R3和R4相同。可参考R3和R4取值