簡易三態(tài)邏輯測試筆

1、簡易三態(tài)邏輯測試筆目 錄摘 要I1 課程設(shè)計要求11.1 目的11.2 要求12 元器件的功能和作用22.1 LED發(fā)光原理 22.2 LED的特性 32.3 運(yùn)算放大器工作原理32.4 穩(wěn)壓IC53 設(shè)計原理及方案84 集成電路簡介95 元器件清單10結(jié)束語11參考文獻(xiàn)121 課程設(shè)計要求1.1 目的1 熟悉工程實踐中電子電路的設(shè)計方法和規(guī)范，達(dá)到綜合應(yīng)用電子技術(shù)的目的。2 學(xué)習(xí)文件檢索和查找數(shù)據(jù)手冊的能力。3 學(xué)習(xí)元器件的選擇與應(yīng)用。4 學(xué)習(xí)電子制圖軟件的使用。5 學(xué)會整理和總結(jié)設(shè)計文檔報告。1.2 要求一、要求電路能夠檢測出高電平、低電平和高阻三種狀態(tài)。二、要求電路能夠在一定范圍內(nèi)對高電

2、平和低電平的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，高電平的設(shè)定范圍為（25）V的狀態(tài)，低電平設(shè)定范圍為（01）V的狀態(tài)。三、要求電路能夠?qū)y試結(jié)果予以顯示2 元器件的功能和作用2.1 LED發(fā)光原理發(fā)光二極管是由-族化合物，如GaAs（砷化鎵）、 GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，如圖2-1所示。圖2-1二極管發(fā)光原理及波形假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么

3、注入的電子與價帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)m以內(nèi)產(chǎn)生。理論和實踐證明，光的峰值波長與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度g有關(guān)，即1240/Eg（mm）式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產(chǎn)生可見光（波長在380nm紫光780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.261.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅

4、外、紅、黃、綠及藍(lán)光發(fā)光二極管，但其中藍(lán)光二極管成本、價格很高，使用不普遍。2.2 LED的特性（1）允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發(fā)熱、損壞。（2）最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。（3）最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。（4）工作環(huán)境topm:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。2.3 運(yùn)算放大器工作原理運(yùn)算放大器（Operational Amplifier,簡稱OP、OPA、OPAMP

5、）1是一種直流耦合差模（差動模式）輸入、通常為單端輸出（Differential-in, single-ended output）2的高增益（gain）電壓放大器，因為剛開始主要用于加法，乘法等運(yùn)算電路中，因而得名。一個理想的運(yùn)算放大器必須具備下列特性：無限大的輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無限大的開回路增益、無限大的共模排斥比的部分、無限大的頻寬。最基本的運(yùn)算放大器如圖2-2。一個運(yùn)算放大器模組一般包括一個正輸入端(OP_P)、一個負(fù)輸入端(OP_N)和一個輸出端(OP_O)。圖2-2運(yùn)算放大器通常使用運(yùn)算放大器時，會將其輸出端與其反相輸入端（inverting input node）連接，形

6、成一負(fù)反饋（negative feedback）組態(tài)3。原因是運(yùn)算放大器的電壓增益非常大，范圍從數(shù)百至數(shù)萬倍不等，使用負(fù)反饋方可保證電路的穩(wěn)定運(yùn)作。但是這并不代表運(yùn)算放大器不能連接成正回饋（positive feedback），相反地，在很多需要產(chǎn)生震蕩訊號的系統(tǒng)中，正回饋組態(tài)的運(yùn)算放大器是很常見的組成元件。圖2-3 開環(huán)回路運(yùn)算放大器開環(huán)回路運(yùn)算放大器如圖2-3。其中Aog代表運(yùn)算放大器的開環(huán)回路差動增益（open-loop differential gai由于運(yùn)算放大器的開環(huán)回路增益非常高，因此就算輸入端的差動訊號很小，仍然會讓輸出訊號飽和（saturation），導(dǎo)致非線性的失真出現(xiàn)。因

7、此運(yùn)算放大器很少以開環(huán)回路出現(xiàn)在電路系統(tǒng)中，少數(shù)的例外是用運(yùn)算放大器做比較器（comparator），比較器的輸出通常為邏輯準(zhǔn)位元的0與1。 閉環(huán)負(fù)反饋將運(yùn)算放大器的反向輸入端與輸出端連接起來，放大器電路就處在負(fù)反饋組態(tài)的狀況，此時通?？梢詫㈦娐泛唵蔚胤Q為閉環(huán)放大器。閉環(huán)放大器依據(jù)輸入訊號進(jìn)入放大器的端點，又可分為反相（inverting）放大器與非反相（non-inverting）放大器兩種。 反相閉環(huán)放大器如圖2-3。假設(shè)這個閉環(huán)放大器使用理想的運(yùn)算放大器，則因為其開環(huán)增益為無限大，所以運(yùn)算放大器的兩輸入端為虛接地（virtual ground）。   

8、60;           圖2-4反相閉環(huán)放大器非反相閉環(huán)放大器如圖2-4。假設(shè)這個閉環(huán)放大器使用理想的運(yùn)算放大器，則因為其開環(huán)增益為無限大，所以運(yùn)算放大器的兩輸入端電壓差幾乎為零。 圖2-4非反相閉環(huán)放大器閉環(huán)正回饋 將運(yùn)算放大器的正向輸入端與輸出端連接起來，放大器電路就處在正回饋的狀況，由于正回饋組態(tài)工作于一極不穩(wěn)定的狀態(tài)，多應(yīng)用于需要產(chǎn)生震蕩訊號的應(yīng)用中。理想運(yùn)放和理想運(yùn)放條件在分析和綜合運(yùn)放應(yīng)用電路時，大多數(shù)情況下，可以將集成運(yùn)放看成一個理想運(yùn)算放大器。理想運(yùn)放顧名思義是將集成運(yùn)放的各

9、項技術(shù)指標(biāo)理想化。由于實際運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)比較接近理想運(yùn)放，因此由理想化帶來的誤差非常小，在一般的工程計算中可以忽略。2.4 穩(wěn)壓IC穩(wěn)壓IC，主要的應(yīng)用范圍4：可擕式產(chǎn)品、MP3、MP4、PMP、數(shù)碼相機(jī)、光電鼠標(biāo)、LED燈、遙控玩具、電子辭典、復(fù)讀機(jī)、無線耳機(jī)、無線鼠標(biāo)鍵盤、血壓計、醫(yī)療器械、汽車防盜器、LED手電筒、直流圣燈、太陽能草坪燈、充電器、鍵盤電動玩具類產(chǎn)品、LCM、接口轉(zhuǎn)換器、儀表、閃燈、有時鐘顯示的產(chǎn)品控制電路。穩(wěn)壓IC包含：DC/DC升壓芯片5V、3V、3.3V、升壓IC輸出電壓可調(diào)、LDO穩(wěn)壓6206系列、帶使能端系列LDO，低電壓檢測復(fù)位IC、背光驅(qū)動芯片、LED驅(qū)動IC

10、、MOS管等。 目錄 穩(wěn)壓IC的工作原理 基本應(yīng)用電路 擴(kuò)展輸出電壓的應(yīng)用電路 穩(wěn)壓IC的腳的辨別方法 如何測試穩(wěn)壓IC的穩(wěn)壓值 穩(wěn)壓IC使用介紹 添加新目錄>>-> 穩(wěn)壓IC的工作原理 1）啟動電路在集成穩(wěn)壓器中，常常采用許多恒流源，當(dāng)輸入電壓V1接通后，這些恒流源難以自行導(dǎo)通，以致輸出電壓較難建立。因此，必須用啟動電路給恒流源的BJT T4、T5提供基極電流。啟動電路由T1、T2、DZ1組成。當(dāng)輸入電壓V1高于穩(wěn)壓管DZ1的穩(wěn)定電壓時，有電流通過T1、T2，使T3基極電位上升而導(dǎo)通，同時恒流源T4、T5也工作。圖2-5 穩(wěn)壓IC的工作原理啟動電路在集成）的正向電壓值。在電

11、路設(shè)計和工藝上使具有正溫度系數(shù)的R1、R2、DZ2與具有負(fù)溫度系數(shù)的T3、D1、D2發(fā)射結(jié)互相補(bǔ)償，可使基準(zhǔn)電壓VREF基本上不隨溫度變化。同時，對穩(wěn)壓管DZ2采用恒流源供電，從而保證基準(zhǔn)電壓不受輸入電壓波動的影響。取樣比較放大電路和調(diào)整電路。這部分電路由T4T11組成，其中T10、T11組成復(fù)合調(diào)整管；R12、R13組成取樣電路；T7、T8和T6組成帶恒流源的差分式放大電路；T4、T5組成的電流源作為它的有源負(fù)載。T9、R9的作用說明如下：如果沒有T9、R9，恒流源管T5的電流IC5=IC8+IB10，當(dāng)調(diào)整管滿載時IB10最大，而IC8最??；而當(dāng)負(fù)載開路時IO=0，IB10也趨于零，這時I

12、C5幾乎全部流入T8，使得IC8的變化范圍大，這對比較放大電路來說是不允許的，為此接入由T9、R9級成的緩沖電路。當(dāng)IO減小時，IB10減小，IC8增大，待IC8增大到 >0.6V時，則T9導(dǎo)通起分流作用。這樣就減輕了T8的過多負(fù)擔(dān)，使IC8的變化范圍縮小。 （4）保護(hù)電路減流式保護(hù)電路減流式保護(hù)電路由T12、R11、R15、R14和DZ3、DZ4組成，R11為檢流電阻。保護(hù)的目的主要是使調(diào)整管（主要是T11）6能在安全區(qū)以內(nèi)工作，特別要注意使它的功耗不超過額定值PCM。首先考慮一種簡單的情況。假設(shè)圖1中的DZ3、DZ4和R14不存在，R15兩端短路。這時，如果穩(wěn)壓電路工作正常，即PC0

13、.6V時，使T12管導(dǎo)通。由于它的分流作用，減小了T10的基極電流，從而限制了輸出電流。這種簡單限流保護(hù)電路的不足之處是只能將輸出電流限制在額定值以內(nèi)。由于調(diào)整管的耗散功率PCM=ICVCE，只有既考慮通過它的電流和它的管壓降VCE值，又使PC（VZ3+ VZ4），則DZ3、DZ4擊穿，導(dǎo)致T12管發(fā)射結(jié)承受正向電壓而導(dǎo)通。，（VI VO）越大，即調(diào)整管的VCE值越大，則IO越小，從而使調(diào)整管的功耗限制在允許范圍內(nèi)。由于IO的減小，故上述保護(hù)稱為減流式保護(hù)。過熱保護(hù)電路7電路由DZ2、T3、T14和T13組成。在常溫時，R3上的壓降僅為0.4V左右，T14、T13是截止的，對電路工作沒有影響。

14、當(dāng)某種原因（過載或環(huán)境溫升）使芯片溫度上升到某一極限值時，R3上的壓降隨DZ2的工作電壓升高而升高，而T14的發(fā)射結(jié)電壓VBE14下降，導(dǎo)致T14導(dǎo)通，T13也隨之導(dǎo)通。調(diào)整管T10的基極電流IB10被T13分流，輸出電流IO下降，從而達(dá)到過熱保護(hù)的目的。電路中R10的作用是給T10管的ICEO10和T11管的ICBO11一條分流通路，以改善溫度穩(wěn)定性。3 設(shè)計原理及方案所謂輸出三態(tài)，即數(shù)字集成電路輸出有三種方式8：高電平(與正電源相連)，低電平(與地相連)，高阻態(tài)(不與任何支路相連，相當(dāng)于懸空狀態(tài))。TTL電平輸出高電平>2.4V,輸出低電平<0.4V。在室溫下，一般輸出高電平是

15、3.5V，輸出低電平是0.2V，最小輸入高電平和低電平：輸入高電平>=2.0V，輸入低電平<=0.8V，噪聲容限是0.4V。CMOS電平“1”邏輯電平電壓接近于電源電壓，“0”邏輯電平接近于0V，而且具有很寬的噪聲容限。圖3-1 總電路圖4 集成電路簡介電路原理圖如（圖31）所示，設(shè)Vin>2.0v時為高電平，小于1.0V為低電平，當(dāng)Vin為第三態(tài)時相當(dāng)于懸空，固定輸出電壓的穩(wěn)壓IC78L05輸出的電壓為5V，此時電壓為R1和R2分壓后所得電壓分別為3.5v、 1.5V左右。當(dāng)Vin輸入電壓大于2.0V時，U1、腳為低電平U2、腳為低電平U2、腳為高電平U3、腳為高電平U3腳

16、為低電平，紅色發(fā)光管D1點亮；U1、腳為低電平U3、腳為低電平U3腳為高電平，綠色發(fā)光管D2不亮；U1、腳為低電平U2腳為低電平U2腳為高電平U3腳為高電平 + U3腳為低電平U3腳為高電平，黃色發(fā)光管D3不亮。當(dāng)Vin輸入電壓小于1.0V時，U1、腳為高電平U2、腳為高電平U2、腳為低電平U3、腳為低電平U3腳為高電平，紅色發(fā)光管D1不亮；U1、腳為高電平U3、腳為高電平U3腳為低電平，綠色發(fā)光管D2點亮；U1、腳為高電平U2腳為高電平U2腳為低電平U3腳為低電平 + U3腳為高電平U3腳為高電平，黃色發(fā)光管D3不亮。當(dāng)Vin輸入為第三態(tài)時，U1腳為高電平 + U1腳為低電平U2腳為高電平

17、+ U2腳為低電平U2腳為低電平、U2腳為高電平U3腳為低電平+U3腳為高電平U3腳為高電平，紅色發(fā)光管D1不亮；U1腳為高電平 + U1腳為低電平U3腳為高電平、U3腳為低電平U3腳為高電平，綠色發(fā)光管D2不亮；U1腳為高電平+U1腳為低電平U2腳為低電平U2腳為高電平U3腳為高電平 + U3腳為高電平U3腳為低電平，黃色發(fā)光管D3點亮。5 元器件清單 表5-1 元器件清單序號村料名稱規(guī)格型號數(shù)量單位標(biāo)號1電阻RT，1/4W，470，5%3只R7、R8、R92電阻RT，1/4W，3.3k，5%1只R63電阻RT，1/4W，4.2k，5%1只R34電阻RT，1/4W，10k，5%2只R4、R5

18、5電阻RT,1/4W,1M,5%2只R1，R26四運(yùn)算放大器LM3241塊U17固定輸出電壓的穩(wěn)壓IC78L051塊U48與非門74LS021塊U39反相器74LS041塊U210發(fā)光二極管3、紅光1支D111發(fā)光二極管3、綠光1支D212發(fā)光二極管3、黃光1支D313開關(guān)鈕子開關(guān)1只SW14電池9V1只EC15探筆1只 結(jié)束語1 結(jié)論 簡易三態(tài)邏輯測試筆電路簡單，制作方便，各維修工程人員均可自我制作并應(yīng)用于儀器設(shè)備的維修中。 經(jīng)過這學(xué)期的課程設(shè)計，我完成了這次的設(shè)計要求，成功的設(shè)計了一個邏輯筆，完成了預(yù)想的功能。首先提出可行的執(zhí)行方案，多提出幾種方案，集思廣益。然后對方案進(jìn)行理論上的論證。選擇方便可行而且價格便