簡易邏輯測試儀課程設(shè)計

1、目錄摘要 3一 系統(tǒng)方案31.1設(shè)計要求31.2方案論證與比較4二 設(shè)計流程 52.1 流程圖52.2 運算放大器 52.3 LM399常用方法 6三 詳細方案及相關(guān)參數(shù)103.1 方案原理 113.2 適用范圍 133.3 相關(guān)參數(shù) 133.4 PCB圖14四 抗干擾與可靠性15五 測試方案與仿真155.1 通過Proteus軟件仿真 155.2 測試結(jié)果 16六 結(jié)論與設(shè)計心得17附錄 19摘要：數(shù)字電路的制作調(diào)試及檢修離不開邏輯電平測試儀，本文設(shè)計的簡易邏輯測試儀主體由LM339組成，可實現(xiàn)輸入高電平LED發(fā)紅光，輸入低電平LED發(fā)綠光，輸入時鐘脈沖時紅綠交替閃爍功能。該測試儀可用于對T

2、TL門電路，COMS等數(shù)字電路的邏輯檢測。關(guān)鍵詞：高電平 低電平 LM339 運算放大電路一 系統(tǒng)方案：1.1設(shè)計要求：利用簡單的基本元器件設(shè)計一個邏輯電平測試電路，要求實現(xiàn)以下要求：（1） 要求電路能夠測試出數(shù)字端口的高低電平狀態(tài)，用不同顏色的LED小燈對檢測狀態(tài)進行指示，高電平（紅色），低電平（綠色）；（2） 電路中采用的具體元器件應(yīng)有器件選型依據(jù)；（3） 電路的設(shè)計應(yīng)當考慮可靠性和抗干擾設(shè)計內(nèi)容；（4） 電路的基本工作原理應(yīng)有一定說明；電路應(yīng)當在相應(yīng)的仿真軟件上進行仿真以驗證電路可行性（不限EDA軟件類型）。（5） 畫出系統(tǒng)電路硬件原理圖和PCB電路板圖（含PCB圖效果圖）（不限制EDA

3、軟件類型）；（6） 給出詳細的元件選型表；（7） 電路工作的基本原理和實現(xiàn)方法；電路的可靠性設(shè)計和抗干擾性設(shè)計說明；1.2 方案論證與比較：方案一：如圖1-1所示采用運算放大電路與三極管相結(jié)合的設(shè)計方法。圖1-1 方案一原理圖方案二：如圖1-2巧妙運用運算放大器內(nèi)部獨立電壓比較器組合形成簡易邏輯測試儀圖1-2 方案二原理圖方案選擇：出于經(jīng)濟和電路穩(wěn)定性的考慮，避免過多三極管產(chǎn)生溫漂和其他干擾，選擇方案二。二 設(shè)計流程2.1流程圖方案設(shè)計流程： 圖2-1 方案設(shè)計流程圖2.2電壓比較器和運算放大器的基本知識 電壓比較器和運算放大器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在各種的控制電路和保護電路中；特別是在現(xiàn)代的液晶、等

4、離子平板電視中，更是普遍應(yīng)用。在平板電視中特別是故障率較高的開關(guān)電源、驅(qū)動電路、背光板電路中的保護電路比比皆是；對電路的安全、保護起到極大的作用，同樣給我們的維修也帶來一個提升，必須了解、掌握電壓比較器的原理、工作方式才能順利的、成功的完成故障的維修，下面簡單的介紹一些電壓比較器的必備知識。圖2-2 LM339結(jié)構(gòu)圖電壓比較器可以看做是放大倍數(shù)無窮大的運算放大器。電壓比較器是對兩個模擬電壓比較其大小，并判斷出其中哪一個電壓高，哪一個電壓低；并在輸出端以高電平或低電平表示比較的結(jié)果來。既然是把兩個電壓進行比較；并且有一個比較結(jié)果的輸出端，那么這個比較器就必須有3個端子（除了供電及接地）；兩個進行

5、比較模擬電壓的輸入端；一個顯示比較結(jié)果的輸出端，圖2-2所示就是一個在電路圖上常用的電壓比較器的符號。 如圖2-3所示，左邊是兩個輸入端；其中一個有“+”號標志的稱為同相輸入端；有“”號標志的稱為反相輸入端；這兩個端子輸入需要進行比較的模擬電壓。右邊是一個輸出端，輸出比較的結(jié)果。兩個輸入端之間電位的高低和輸出端電平的高低關(guān)系如下：當同相輸入端電壓高于反相輸入端電壓時，輸出端為高電平。當同相輸入端電壓低于反相輸入端電壓時，輸出端為低電平。圖2-3 簡單電壓比較器一般常用的比較器的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體管，在使用時輸出端到正電源一般需接一只上拉電阻（選 3-15K）。這種輸出稱為OC

6、輸出即集電極開路輸出。在圖中電壓比較器的同相輸入端被由R1、R2組成的分壓電路設(shè)定為3V，電壓比較器的反相輸入端連接在一個電位器的動臂上，電位器的兩端連接于6V電壓上面，下端為0V上端為6V。此時把電位器的動臂置于電位器的最下端（圖中電位器下端虛線箭頭所指部位）；這時電壓比較器的反相輸入端電壓即為0V。在這種狀態(tài)下；電壓比較器的同相輸入端電壓高于反向輸入端電壓；輸出為高電平。這時逐步的向上移動電位器的動臂（圖中箭頭方向），此時：電壓比較器反向輸入端的電壓逐步上升；當電位器的動臂移動到3V位置時；反向輸入端的電壓也上升到3V，此時；同相輸入端的電壓（3V）等于反相輸入端的電壓；此時；輸出端的電壓

7、仍然維持原來的高電平不變；只有電位器的動臂繼續(xù)上移；當反向輸入端的電壓超過同相輸入端的電壓；即大于3V時；輸出端的高電平迅速躍變?yōu)榈碗娖?。電壓比較器的靈敏度都非常的高；當在上述情況下；當電位器的動臂上升；反向輸入端電壓只要超過同相輸入端電壓0.005V（5mV）時；電壓比較器的輸出端電平就從高電平迅速轉(zhuǎn)換為低電平；根據(jù)不同的電壓比較器的型號這個反轉(zhuǎn)的電壓略有不同；但是都在2mV至10mV以內(nèi)。同樣也可以把電位器的動臂置于電位器的最上端，這時電壓比較器的反相輸入端電壓即為6V。在這種狀態(tài)下；電壓比較器的同相輸入端電壓低于反向輸入端電壓；輸出為低電平。這時逐步的向下移動電位器的動臂，此時：電壓比較

8、器反向輸入端的電壓逐步下降；當電位器的動臂下降到3V位置時；反向輸入端的電壓也下降到3V，此時；同相輸入端的電壓（3V）等于反相輸入端的電壓；此時；輸出端的電壓仍然維持原來的低電平不變；只有電位器的動臂繼續(xù)下降；當反向輸入端的電壓低于同相輸入端的電壓；即小于3V時；輸出端的高電平迅速躍變上升為高電平。通過上面論證可知，電壓比較器擁有制作簡易邏輯測試儀的理論基礎(chǔ)。2.3 LM399圖2-4 LM339集成電路圖LM339的特點和一些參數(shù)1、電壓失調(diào)小，一般是2mV；2、共模范圍非常大，為0v到電源電壓減1.5v；3、他對比較信號源的內(nèi)阻限制很寬；4、LM339 vcc電壓范圍寬，單電源為2-36

9、V，雙電源電壓為±1V-±18V；5、輸出端電位可靈活方便地選用。6、差動輸入電壓范圍很大，甚至能等于vcc；LM339集成塊內(nèi)部裝有四個獨立的電壓比較器，該電壓比較器的特點是：失調(diào)電壓小，典型值為2mV；電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為±1V-±18V；對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬；共模范圍很大，為0-（Ucc-1.5V）Vo；差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；輸出端電位可靈活方便地選用。LM339類似于增益不可調(diào)的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，

10、用“-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當輸出晶

11、體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。LM339可構(gòu)成單限比較器、 遲滯比較器 、雙限比較器（窗口比較器） 、振蕩器等。LM339還可以組成高壓數(shù)字邏輯門電路，并可直接與TTL、CMOS電路接口。LM339主要常用用途：1.單限比較器電路 如圖2-5給出了一個基本單限比較器。輸入信號Uin，即待比較電壓，它加到同相輸入端，在反相輸入端接一個參考電壓Ur。當輸入電壓Uin>Ur時，輸出為高電平UOH。圖1b為其傳輸特性。 圖2-5 單限比較器電路及信號它用單電源供電，1/4LM339的反相輸入端加一個固定的參考電壓，它的值取

12、決于R1于R2。UR=R2/（R1+R2）*UCC。同相端的電壓就等于熱敏元件Rt的電壓降。當機內(nèi)溫度為設(shè)定值以下時，“+”端電壓大于“-”端電壓，Uo為高電位。當溫度上升為設(shè)定值以上時，“-”端電壓大于“+”端，比較器反轉(zhuǎn)，Uo輸出為零電位，使保護電路動作，調(diào)節(jié)R1的值可以改變門限電壓，既設(shè)定溫度值的大小。 2、遲滯比較器 遲滯比較器又可理解為加正反饋的單限比較器。前面介紹的單限比較器，如果輸入信號Uin在門限值附近有微小的干擾，則輸出電壓就會產(chǎn)生相應(yīng)的抖動。在電路中引入正反饋可以克服這一缺點。 圖a給出了一個遲滯比較器，人們所熟悉的“史密特”電路即是有遲滯的比較器。圖b為遲滯比較器的傳輸特

13、性。 圖2-6 遲滯比較器電路及信號當輸出狀態(tài)一旦轉(zhuǎn)換后，只要在跳變電壓值附近的干擾不超過U之值，輸出電壓的值就將是穩(wěn)定的。但隨之而來的是分辨率降低。因為對遲滯比較器來說，它不能分辨差別小于U的兩個輸入電壓值。遲滯比較器加有正反饋可以加快比較器的響應(yīng)速度，這是它的一個優(yōu)點。除此之外，由于遲滯比較器加的正反饋很強，遠比電路中的寄生耦合強得多，故遲滯比較器還可免除由于電路寄生耦合而產(chǎn)生的自激振蕩。如果需要將一個跳變點固定在某一個參考電壓值上，可在正反饋電路中接入一個非線性元件，如晶體二極管，利用二極管的單向?qū)щ娦裕憧蓪崿F(xiàn)上述要求。3、雙限比較器（窗口比較器）圖2-7電路由兩個LM339組成一個窗

14、口比較器。當被比較的信號電壓Uin位于門限電壓之間時（UR1<Uin<UR2），輸出為高電位（UO=UOH）。當Uin不在門限電位范圍之間時，（Uin>UR2或Uin<UR1）輸出為低電位（UO=UOL），窗口電壓U=UR2-UR1。它可用來判斷輸入信號電位是否位于指定門限電位之間。 圖2-7 雙限比較器電路及信號4、用LM339組成振蕩器 圖2-8為有1/4LM339組成的音頻方波振蕩器的電路。改變C1可改變輸出方波的頻率。本電路中，當C1=0.1uF時。f=53Hz；當C1=0.01uF時，f=530Hz；當C1=0.001uF時，f=5300Hz。 LM339還可

15、以組成高壓數(shù)字邏輯門電路，并可直接與TTL、CMOS電路接口。 圖2-8 1/4LM339振蕩器電路說明/描述溫度范圍整體型號封裝14引腳的陶瓷雙列直插式封裝（CERDIP）55 to +125°CLM139F0581B14引腳塑料雙列直插式封裝（DIP）25°C to +85°CLM239ANSOT27-114引腳塑料雙列直插式封裝（DIP）25°C to +85°CLM239NSOT27-114引腳塑料小外形（SO）的封裝25°C to +85°CLM239DSOT108-114引腳塑料雙列直插式封裝（DIP）40

16、76;C to +125°CLM2901NSOT27-114引腳塑料小外形（SO）的封裝40°C to +125°CLM2901DSOT108-114引腳塑料雙列直插式封裝（DIP）0 to +70°CLM339ANSOT27-114引腳塑料小外形（SO）的封裝0 to +70°CLM339DSOT108-114引腳塑料雙列直插式封裝（DIP）0 to +70°CLM339NSOT27-1考慮操作便捷性和環(huán)境影響，本次設(shè)計采用雙列直插式封裝 DIP14封裝形式。三 詳細方案及相關(guān)參數(shù)3.1 方案原理如圖所示：該電路由輸入電路，邏輯信號

17、識別電路和LED組成。在該電路中，電路的輸入信號Vi由輸入電路輸出后，經(jīng)過邏輯信號識別電路，在該電路中，通過比較器的比較測試，將該信號區(qū)分為高電平和低電平，低電平綠色LED發(fā)光，高電平紅色LED發(fā)光。電路原理圖：圖3-1 設(shè)計方案原理圖電路如圖所示，有一片四電壓比較器LM339和紅綠兩色LED指示燈等組成。比較器A作低電平檢測器，比較器B作高電平檢測器，RP1,RP2為預(yù)制參考電壓，即調(diào)整紅（R)、綠（G）發(fā)光管的發(fā)光閥值電壓。比較器C作控制器，比較器D和電容C1組成低頻振蕩器兼做LED發(fā)光通路電流。比較器C、D的設(shè)計和結(jié)合是本邏輯測試儀的核心部分。1、當Ui檢測到低電平時，比較器A輸出高電平

18、，比較器B輸出低電平，因此C-11腳電位高于10腳，13腳輸出高電平，經(jīng)二極管導(dǎo)通，D-9腳電平高于8腳D-14腳輸出低電平，經(jīng)A-1高電平驅(qū)動，綠色LED發(fā)光。2、當Ui為高電平，經(jīng)A-1腳輸出低電平，B-2腳輸出高電平，經(jīng)過R4、R5分壓C10腳約為二分之一VCC，小于11腳電壓，13腳仍輸出高電平，經(jīng)二極管導(dǎo)通使D-14輸出低電平，驅(qū)動紅色LED發(fā)光。3、當Ui為時鐘脈沖時，相當于交替輸入高低電平，紅綠LED交替發(fā)光。3.2 適用范圍TTL電源電壓只能是5V，輸出高電平電壓2.7V，典型3.6V，輸出低電平電壓0.5V；輸入高電平電壓要求2V，輸入低電平電壓要求0.8V。CMOS電源電壓

19、適應(yīng)性強，一般在12V，輸出高電平電壓=Vdd，輸出低電平電壓=0V。輸入高電平電壓要求0.7Vdd，輸入低電平電壓要求0.3Vdd。本電路適用于TTL電平邏輯檢驗。3.3 相關(guān)參數(shù)表3-1 元件規(guī)格封裝表原件名稱規(guī)格封裝形式LM339LED DIODE R1R2 R3R4R5R6R7R8R9R10R11RP1RP2CAP10K50K25K25K 25K100 100100K 100K100K100K25K25K 10uFDIP140805DIODE0.4AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0

20、.3AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0.3AXIAL0.3RAD0.13.4 PCB圖圖3-2 PCB圖PCB三維效果圖圖3-3 PCB三維效果圖四 抗干擾與可靠性消除自激震蕩的方法一般是在電路的共射中間級加上一個很小的補償電容，目前在集成運放中，大多數(shù)電路內(nèi)部已經(jīng)用集成工藝加進了補償電容，可保證在最壞的情況下運放都能穩(wěn)定工作，這種運放叫做內(nèi)部補償或全補償運放，使用這種器件可以不用考慮補償，也不會出現(xiàn)自激。五 測試方案與仿真5.1 通過Proteus軟件進行仿真由于Proteus里L(fēng)M339是沒有模型的元件無法被仿真，這時采用有仿真模型的TLC339進行替代。5.2 測試結(jié)果經(jīng)過調(diào)試，兩色LED亮暗可以反映輸入信號Ui的高低電平，Ui為高電平時紅色LED工作，Ui為低電平時綠色LED工作，電壓跳變和預(yù)先設(shè)計存在一定誤差，但在允許范圍內(nèi)，設(shè)計成功。步驟一圖5-1 仿真步驟一步驟二圖5-2 仿真步驟二五 結(jié)論與設(shè)計心得經(jīng)過幾天的設(shè)計和學(xué)習(xí)，我認識到設(shè)計就是一個不斷發(fā)現(xiàn)自己的錯誤并改正錯誤的過程。 我認識到一定要查閱充分的資料，在心里有一個大體的了解設(shè)計