數(shù)字邏輯信號測試器的設計

1、電子技術基礎課程作業(yè)題目 數(shù)字邏輯電平信號測試器設計組 長 李毅然團隊成員 高晨洋團隊成員 白 京指導教師 夏昌浩完成日期 2017年 5 月 20 日2電氣與新能源學院綜合（課程）作業(yè)課題任務書 （2017年春季學期）學院名稱：電氣與新能源學院綜合（課程）作業(yè)名稱電子技術基礎課課程作業(yè)課題名稱數(shù)字邏輯電平信號測試器設計1學生姓名李毅然專業(yè)電氣工程及其自動化學號20151094022學生姓名高晨洋專業(yè)電氣工程及其自動化學號20151094063學生姓名白京專業(yè)電氣工程及其自動化學號2015109414指導教師夏昌浩任務書下達時間2017年3月 20日1課題學生團隊的整體工作任務及每名學生的分解

2、任務學生團隊的整體工作任務為：利用電阻、電容、二極管、三極管和運算放大器構成一個集成運算放大器簡易測試儀電路，對電路構建進行論證及參數(shù)進行計算。學生1的分解任務為：作業(yè)小組的總負責人，負責協(xié)調組織課程作業(yè)期間的工作任務；查找資料提出硬件電路方案，主持完成電路制作及調試。學生2的分解任務為：對所需要的每一個器件的參數(shù)進行計算，列出器件清單，并用EDA軟件畫出原理圖并仿真論證；參與電路制作及調試。學生3的分解任務為：記錄整個作業(yè)過程并記錄制作及調試結果；整理出符合要求的課程作業(yè)報告。2. 課題學生團隊的整體成果及每名學生的分解成果學生團隊要求提交的整體成果：1、成果說明書（論文）（不少于5000字

3、）2、電路原理圖及仿真結果，硬件電路及測試結果。3、課程作業(yè)說明書一份。每名學生要求提交的分解成果：學生1提交成果：硬件電路及測試結果。學生2提交成果：電路原理圖及仿真結果。學生3提交成果：課程作業(yè)說明書一份。3.課題進展的督促與檢查方法2017春季學期第5周，下達課程作業(yè)任務，第一階段工作任務為查找資料，提出作業(yè)初步方案。2017春季學期第7周，由指導老師召集小組討論課程作業(yè)方案，并明確下一階段任務及分工；討論時以學生為主導，每個學生需有自己的觀點；指導老師只需把握原則及方向，并據學生在討論中的表現(xiàn)給出成績及評價。2017春季學期第9周，作業(yè)小組需向指導老師提供課程作業(yè)項目的理論論證計算及規(guī)

4、范化的設計電路圖，討論前期結果，總結任務完成情況，協(xié)調下階段任務及分工。指導老師據學生表現(xiàn)給出成績及評價。2017春季學期第11周，學生需提交仿真進展情況，并提交規(guī)范化元器件清單及元器件性能參數(shù)數(shù)據，做好硬件制作的準備及采購工作。指導老師據學生表現(xiàn)給出成績及評價。2017春季學期12-13周，硬件制作調試，成果整理及提交，進行課程作業(yè)答辯和總體評價。指導教師負責人簽章課程建設負責人簽章數(shù)字邏輯信號測試器的設計摘要11設計框圖及整體概述11.1原理框圖1 1.2對原理框圖的描述12各單元電路的設計方案及原理說明1 2.1輸入及邏輯信號識別電路2 2.2音響信號產生電路22.3 音響驅動電路22.

5、4 參數(shù)計算、元器件選擇42.5 整合電路圖53 仿真調試過程及結果分析73.1 當輸入的被測邏輯電平信號為9V時的波形73.2 當輸入的被測邏輯電平信號為2.5V時的波形83.3 當輸入的被測邏輯電平信號為0.3V時的波形94 硬件電路9 4.1 實物電路板94.2當輸入的被測邏輯電平信號為9V時的波形104.3當輸入的被測邏輯電平信號為2.5V時的波形114.4當輸入的被測邏輯電平信號為0.3V時的波形12參考文獻14附錄15個人報告1個人報告2個人報告3數(shù)字邏輯信號測試器的設計學生：李毅然 高晨洋 白京指導老師：夏昌浩（三峽大學 電氣與新能源學院）摘要：本課題采用電壓比較器來對邏輯信號進

6、行識別與比較，隨后將比較結果通過音響電路進行處理，最終通過蜂鳴器將電流信號轉化為音頻信號，使測試結果可以直觀獲取。關鍵詞：邏輯電平、電壓比較、音響電路1 設計框圖及整體概述1.1原理框圖邏輯信號識別比較電路音響產生電路音響信號放大電路Vi圖1.邏輯信號測試器的原理框圖1.2對原理框圖的描述  1.2.1方案論證 如圖1，邏輯信號測試器由三部分電路組成，分別是輸入電路、邏輯信號識別電路和音響產生電路。輸入一個邏輯信號，其電平值高于3.5V或低于0.8V音響發(fā)聲，在0.8V和3.5V之間音響不發(fā)聲，再觀察輸出Vo是否符合標準。 1.2.2實驗步驟 

7、1）輸入電壓Vcc=5V。通過電阻分壓得到高低兩電平。 2）輸入一個邏輯信號，比較兩個運算放大器同相端與反相端電壓的高低。若同相端電壓高于反相端，則輸出電壓為5V；若反相端電壓高于同相端，則輸出電壓為0V。3）兩個輸出電壓再通過一個窗口比較器，若兩個輸出電壓均為低電平，則輸出Vo一直保持高電平，輸出為一條直線；若一個高電平、一個低電平就會相應的在輸出端形成矩形脈沖信號。2 各單元電路的設計方案及原理說明 2.1輸入及邏輯信號識別電路 如圖2所示，Vi是輸入的被測邏輯電平信號，輸入電路是由電阻R10和R11組成，其作用是保證輸入端懸空時，Vi既不是高電平，也不是低電

8、平。U3A和U4A組成的窗口比較器對輸入信號進行檢測識別，U3A的反相端為高電平值電位參考端，其電壓值由電阻R6和R7分壓后獲得，記為VH。比較器的同相輸入端高于反相輸入端電壓時，比較器輸出為高電平（5V），反之，則比較器輸出為低電平（0V）。在保證VH>VL的條件下，輸入、輸出狀態(tài)有以下關系(見表1)表1 輸入、輸出狀態(tài)關系 輸入U3AU4AVi<VL<VH低高VL<Vi<VH低低Vi>VH>VL低低通過分析比較器的輸出狀態(tài)，就能夠判斷輸入邏輯信號電平的高低。被測邏輯電平信號高于高電位、低于低電位時音響發(fā)聲；在高、低電位之間音響不

9、發(fā)聲。圖2 輸入及邏輯信號識別2.2音響信號產生電路圖3 音響信號產生電路如圖3所示為音響信號產生電路原理圖，主要由兩個比較器U5A和U6A組成，根據前面對邏輯判斷電路輸出的研究，分3種情況介紹本電路的工作原理。 1）當VA=VB=0V（均為低電平）時： 由于穩(wěn)態(tài)時，電容C兩端電壓為0，并且此時VA和VB兩輸入端均為低電平，二極管D1和D2截止，電容C1沒有充電回路，而U3的同相輸入端為基準電壓3.5V，使得U3的同相端電位高于反相端電位，U5A輸出Vo通過電阻R15按指數(shù)規(guī)律為電容C4充電，達到穩(wěn)態(tài)時電容C4的電壓為高電平，U6A的同相端（5V）高于反

10、相端（3.5V），雖然輸出為高電平，但是由于D6的存在，電路的穩(wěn)定狀態(tài)不受影響。故電路輸出Vo一直保持高電平。2）當VA=5V，VB=0V時： 此時二極管D4導通，電容C4通過電阻R1充電，Vc1按指數(shù)規(guī)律逐漸升高，由于U5A同相輸入端電壓為3.5V，則在Vc1未達到3.5V之前，U5A輸出端電壓保持為高電平。在Vc1升高到3.5V后，U5A的反相端電壓高于同相端電壓，U5A輸出電壓由5V跳變?yōu)?V，使C4通過電阻R15和U6A的輸出電阻Ro3放電，Vc2由5V逐漸下降，當Vc2下降到小于U4反相端電壓（3.5V）時，U5A的輸出電壓跳變?yōu)?V，二極管D3導通，C4通過D6和U6A的

11、輸出電阻放電。因為U5A輸出電阻很小，所以Vc1將迅速降到0V左右，這導致U5A反相端電壓小于同相端電壓，U5A的輸出電壓又跳變到5V，C1再一次充電，如此周而復始，就會在U5A輸出端形成矩形脈沖信號。3）當VA=0V，VB=5V時： 此時電路的工作過程與VA=5V，VB=0V時相同，唯一區(qū)別在于D5導通時，VB高電平通過R2向C3充電，所以C3的充電時間常數(shù)改變了，使得Vo的周期會發(fā)生相應的變化。2.3 音響驅動電路 如圖4所示，由于音響負載工作電壓較低而且功率較小，因此對驅動三極管的耐壓等條件要求不高，故選去9012作為驅動管，可完全滿足電路要求。圖4 音響驅動電路2.

12、4 參數(shù)計算、元器件選擇1）參數(shù)計算根據技術指標要求，輸入電阻大于20 K，并且輸入懸空時，V=1.4V（一般在V=3.5V和V=0.8V中間位置選取）。因此V=(RR+R)Vcc=1.4VR= RRR+R20K解得 R=71K，R=27.6K根據分壓公式得V=(RR+R) Vcc=3.5VR= R RR+R20K解得 R=29K R=68K同理 V=(RR+R) Vcc=0.8V R= R RR+R20K解得 R=68K R=12.8K根據電容電壓公式得Vc1（t）=5(1-e) (t期間C充電)Vc2（t）=5e （t期間C放電）其中 輸出Vo的周期T= t+ t t=-ln0.3=1.2

13、 t=-ln0.7=0.36 取=RC=0.5ms則當C=0.01uf時，R=C=0.5ms0.01=50K同時選取C=0.1uf，由于技術指標要求，被測信號為高電平時，音響頻率為1KHZ。即T=t + t =1.2 +0.36 =1f=1ms代入=0.5 ms，得，= RC=0.68ms所以 R= C=6.8K被測信號為低電平時，音響頻率為800HZ同理，計算求得R=8.9K2）元器件選擇選取標稱值，即元件庫里所有的實際元件，按最接近的值選取。即：R1=75K， R2=30KR3=30K， R4=68KR5=68K， R6=13KR7=6.8K， R8=8.9KR9=9.1K， R10=5K

14、R11=10KC=0.1uf C=0.01uf 運算放大器：LM324AJ二極管：1N4148三極管：90122.5 整合電路圖圖5 數(shù)字邏輯信號測試器的全圖3 仿真調試過程及結果分析按照仿真電路圖6進行仿真, 按照電路圖連接仿真電路，如圖6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，為此我們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，因此又把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圖6 仿真電路圖改變輸入邏輯信號的大小：3.1 當輸入的被測邏輯電平信號為9V時的波形圖7 R9的波形圖8

15、 C1與蜂鳴器的波形3.2 當輸入的被測邏輯電平信號為2.5V時的波形圖9 R9的波形圖10 C1與蜂鳴器的波形3.3 當輸入的被測邏輯電平信號為0.3V時的波形圖11 R9的波形圖12 C1與蜂鳴器的波形4 硬件電路4.1 實物電路板圖13 數(shù)字邏輯電平測試器4.2輸入電壓為9V時圖14 輸出電壓U0的波形圖15 電容C1的充放電波形:4.3輸入電壓為2.5V時圖16 輸出電壓U0的波形：圖17 電容C1的充放電波形4.4輸入電壓為0.3V時圖18 輸出電壓U0的波形圖19 電容C1的充放電波形參 考 文 獻1、Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky著。模擬

16、電子技術 M北京：電子工業(yè)出版社，2012年。第163-167頁。2、趙淑范，王憲偉編。電子技術實驗與課程設計。M北京：清華大學出版社，2006年。第163-167頁。3、畢滿清編。電子技術實驗與課程設計。M北京：機械工業(yè)出版社，2015年。第163-167頁。4、趙淑范，王憲偉編。電子技術實驗與課程設計。M北京：清華大學出版社，2006年。第163-167頁。附錄：元器件清單序號編號名稱型號數(shù)量1U1、U2、U3、U4運算放大器LM32442T三極管PN513913D1、D2、D3二極管1N414834R2電阻75K15R1電阻30 K16R3電阻68 K17R4電阻13 K18R9電阻7

17、K19R10電阻9 K110R11電阻5 K111R13電阻10 K112R12電阻50 K113R6、R7、R8電阻60 K314R5電阻17 K115C1電容0.1uF116C2電容0.01uF117U5蜂鳴器118Vcc電源+5V10個15電子技術基礎課程作業(yè)個人報告1李毅然在本次課程作業(yè)中，我學到了很多知識，不僅只是專業(yè)知識，還有做事的態(tài)度以及團隊協(xié)作精神。在本項目的進行過程中，前期準備階段較為順利，然而，在仿真階段，由于我們經驗不足，準備不充分以及仿真系統(tǒng)存在問題，以至于多次仿真失敗。然而，我們并沒有放棄，從頭開始，認真分析了電路原理，向老師請教，改進完善了仿真電路，使用其他仿真軟件

18、，最終，獲得了理想的仿真結果。在實物制作階段，我們更是團結一致，由于仿真電路與實際電路存在些許差異，而且我們也是初次接觸電路焊接，初期出現(xiàn)了一些問題，最終，在大家的共同努力下，完成了實物制作。通過這次實驗我對信號和模擬電路有了更進一步的了解，對模擬電路有了更深的興趣，并閱讀了很多課外書籍，豐富了自己的知識，受益很深。更加了解了矩形脈沖信號。希望學院將來可以給予我們更多的獨立思考、親身實踐的課程作業(yè)機會。本次課程作業(yè)的成功，離不開指導老師夏教授的大力支持與幫助以及團隊的通力協(xié)作，在此，我向夏教授與團隊成員致以真摯的感謝！電子技術基礎課程作業(yè)個人報告2高晨洋這次的課程設計給了我很多深刻體會，首先，這是我們第一次做課程設計，以前我們做過很多的實驗，但它和課程設計有很大的不同，我們做實驗就是在課上，在很短的時間做一個東西或驗證某個定理，可以說老師的指導大于我們自己的思考，但是這個課程設計，不光要老師知道我們，更重要的我們要自己熟悉熟悉這個課題的每一部分，有自己的想法，關鍵時刻還得學會