邏輯電平測試器的課程設(shè)計報告書

..邏輯信號電平測試器的設(shè)計課程設(shè)計的任務(wù)與目的學(xué)生通過理論設(shè)計和實物制作解決相應(yīng)的實際問題,鞏固和運用在《模擬電子技術(shù)》中所學(xué)的理論知識和實驗技能,掌握常用的模擬電路的一般設(shè)計方法,提高設(shè)計能力和實踐動手能力,為以后從事電子電路設(shè)計、研發(fā)電子產(chǎn)品打下良好的基礎(chǔ)。課程設(shè)計的基本要求掌握電子電路分析和設(shè)計的基本方法。包括：根據(jù)設(shè)計任務(wù)和指標(biāo)初選電路；調(diào)查研究和設(shè)計計算確定電路方案；選擇元件、安裝電路、調(diào)試改進；分析實驗結(jié)果、寫出設(shè)計總結(jié)報告。培養(yǎng)一定的自學(xué)能力、獨立分析問題的能力和解決問題的能力。包括：學(xué)會自己分析解決問題的方法；對設(shè)計中遇到的問題,能通過獨立思考、查詢工具書和參考文獻來尋找解決方案,掌握電路測試的一般規(guī)律；能通過觀察、判斷、實驗、在判斷的基本方法解決實驗中出現(xiàn)的一般故障；能對實驗結(jié)果獨立的進行分析,進而做出恰當(dāng)?shù)脑u價。掌握普通電子電路的生產(chǎn)流程及安裝、布線、焊接等基本技能。鞏固常用電子儀器的正確使用方法,掌握常用電子器件的測試技能。通過嚴(yán)格的科學(xué)訓(xùn)練和設(shè)計實踐,逐步樹立嚴(yán)肅認(rèn)真、一絲不茍、實事求是的科學(xué)作風(fēng),并逐步建立正確的生產(chǎn)觀、經(jīng)濟觀和全局觀。課設(shè)計任務(wù)〔一設(shè)計目的學(xué)習(xí)邏輯信號電平測試器的設(shè)計方法。設(shè)計要求和技術(shù)指標(biāo)在檢修數(shù)字集成電路組成的設(shè)備時,經(jīng)常需要使用萬用表對電路的故障部位的高低電平進行測量,以便分析故障原因。使用這些儀器能較準(zhǔn)確地測出被測點信號電平的高低和被測信號的周期,但使用者必須一面用眼睛看著萬用表的表盤或者示波器的屏幕,一面尋找測試點,因此使用起來很不方便。本課題所設(shè)計的一起采用聲音來表示被測信號的邏輯狀態(tài),高電平和低電平分別用不同聲調(diào)的聲音來表示,使用者無需分神去看萬用表的表盤或示波器的熒光屏。1.技術(shù)指標(biāo)〔1測量范圍：低電平<0.8V,高電平>3.5V；〔2用1KHz的音響表示被測信號為高電平；〔3用800Hz的音響表示被測信號為低電平；〔4當(dāng)被測信號在0.8～3.5V之間時,不發(fā)出音響；〔5輸入電阻大于20kΩ；〔6工作電源為5V；2．設(shè)計要求〔1進行方案論證及方案比較；〔2分析電路的組成及工作原理；〔3進行單元電路設(shè)計計算；〔4畫出整機電路圖；〔5寫出元件明細(xì)表；〔6小結(jié)和討論；〔7寫出對本設(shè)計的心得體會；3.撰寫內(nèi)容要求：〔1設(shè)計說明書一份〔不少于10頁；〔2整機電路圖一份〔B5紙；〔3元件明細(xì)表一份；〔4正文層次分明、客觀真實、繪圖規(guī)范、書寫工整、語言流暢；〔5設(shè)計中引用的參考文獻不少于5篇；目錄TOC\o"1-3"\h\u25422前言 19930第一章電平緒論 187811.1電平測試儀器及測試技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 284631.2本文的主要工作 418263第二章方案設(shè)計及比較 6188182.1方案一 635632.2方案二 787362.3方案三 8150112.4方案比較 1017766第三章聲調(diào)提示的邏輯電平測試器的原理介紹 11279453.1邏輯電平介紹及測試器的工作原理框圖 1138243.2輸入電路及邏輯判斷電路原理 12191603.3音調(diào)產(chǎn)生電路原理 13117953.4揚聲器原理 163962第四章各單元電路和整機電路的設(shè)計 1767054.1輸入和邏輯判斷電路的設(shè)計 17155404.2音響產(chǎn)生電路的設(shè)計 19242904.3揚聲器驅(qū)動電路的設(shè)計 2197664.4元器件的選擇 2197614.5整機電路的設(shè)計 2318254設(shè)計總結(jié)及心得體會 2422811參考文獻 25..前言在檢修數(shù)字集成電路組成的設(shè)備時,經(jīng)常需要使用萬用表和示波器對電路中的故障部位的高低電平進行測量,以便分析故障的原因。使用這些儀器能較準(zhǔn)確的測出被測點信號的電平的高低和被測電平的周期,但是使用者必須一方面用眼睛看著萬用表的表盤或示波器的屏幕,另一方面還要尋找測試點,因此使用起來很不方便。聲調(diào)提示的邏輯電平測試器用聲音來表示被測信號的邏輯狀態(tài),高電平和低電平分別用不同的聲調(diào)的聲音表示,使用者不需分神去看萬用表的表盤或示波器的熒光屏。該測試器采用運算放大器作電壓比較器進行電平判斷,根據(jù)電平高低使音響電路產(chǎn)生不同頻率方波驅(qū)動揚聲器,使揚聲器有相應(yīng)不同的聲調(diào)輸出提示。通過對基準(zhǔn)電壓的設(shè)定,可以對常用的電平標(biāo)準(zhǔn)TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS等進行測試判斷。關(guān)鍵詞：放大器；邏輯電平；測試；聲調(diào)提示第一章電平緒論隨著電子技術(shù)和其他高技術(shù)的飛速發(fā)展,致使工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科技國防等領(lǐng)域以及人們社會生活發(fā)生了令人矚目的變革。電子元器件和集成電路的發(fā)展,使各種電器,電子儀表設(shè)備微型化,多功能化和更加靈活。隨之而來的電路測試和檢測問題也應(yīng)運而生,電平測試器就是在檢修數(shù)字集成電路時經(jīng)常用到的工具,人們也時常用萬用表和示波器對電平中的故障部位的高低電平進行測量,都不如專用的邏輯電平測試器使用起來方便,快捷,電平測試器可以做成電平測試筆,便于攜帶和使用,采用聲音或光色對電平高低加以提示,使得人們不用盯著顯示器讀數(shù),直接得到結(jié)果。1.1電平測試儀器及測試技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r目前市場中所使用的電平測試儀的性能以向智能化、數(shù)字化、操作簡單化方向發(fā)展。如GK5110數(shù)字電平綜合測試儀<高頻通道測試儀>是集振蕩器、寬頻電平表、選頻電平表、雜音儀、阻抗表、載波通道自動測試儀、頻率計等為一體的多功能儀表。儀表采用國際先進的雙DDS技術(shù)、帶flashROM的單片機、溫補晶振TCXO,以及大規(guī)模集成的特殊電路開發(fā)成功的智能型、全數(shù)字化儀表。儀表測量精度高,電平穩(wěn)定,具有自動量程、自動電平校正、自動快速搜索、近端單機和遠(yuǎn)端雙機同步自動測試,測量結(jié)果具有數(shù)字和模擬兩種指示,數(shù)據(jù)可存儲,并通過RS232接口上傳PC機,打印輸出。儀表頻率范圍200Hz～1700kHz,分辨率1Hz,頻率誤差±3×10-6,適用于平衡和同軸電纜FDM系統(tǒng)以及無線鏈路和衛(wèi)星系統(tǒng)的基帶電平測量,可廣泛用于電力、郵電、鐵路、等通信部門。由于發(fā)信的高電平<+18dB>和收信的高電平<+50dB>輸入測量,以及輸出口的自動保護功能,使儀表特別適用于電力載波、保護設(shè)備以及電力線載波通道的測試。例如高壓輸電線路、變電站等場所的電力線載波通道進行電平、衰減、串雜音、阻抗等高頻參數(shù)測試,以及電力通信結(jié)合設(shè)備高頻阻波器、結(jié)合濾波器、高頻電纜的開通維護測試。性能及特點：全數(shù)字化,大屏幕高清晰LCD漢字圖形顯示,菜單式操作。發(fā)信電平-77.9dB～+18dB,具有良好的頻響和電平穩(wěn)定度,輸出純度極高,是理想的高質(zhì)量信號源。輸出口設(shè)有自動保護電路,不會因強信號灌入而損壞輸出電路,特別適用于繼電保護高頻收、發(fā)信機測試。收信電平測量范圍+50dB～-100dB,分辨率0.01dB,具有自動量程、自動校正,電平測量穩(wěn)定,精確度高。測量結(jié)果有數(shù)字和模擬棒兩種指示。電信號的電平,一般都是用正弦波的有效值為基準(zhǔn),以熱電偶測量功率來定度它的電壓值<電平值>,我們也叫做電平<電壓>的有效值。這就是說信號電平和功率之間是以熱電偶所產(chǎn)生的熱量來聯(lián)系的。我們知道,電功率是與信號波形無關(guān)的,而對于電平來說,我們所定度的正弦波那一定是無失真正弦波,否則要引入誤差。為了準(zhǔn)確地測量信號的電平,一般正弦波信號不言而喻地用常規(guī)電平表示測量有效值,如果是脈沖信號則一般測量它的峰值。在電視信號測試中,因為視頻信號相當(dāng)復(fù)雜,其信號大小是以行同步脈沖的峰值來定度,因此測定行同步脈沖峰值。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字通信、計算機網(wǎng)路,數(shù)字電視的發(fā)展,各種調(diào)制的數(shù)字信號出現(xiàn),它們怎樣測量,這是一個非常重要的問題。目前常見的數(shù)字信號有FSK、PSK、ASK、CDMA、TDMA、FDMA、QPSK、QAM等。從測量的角度來看,無論那種調(diào)制數(shù)字信號,都可以把它當(dāng)作在一定帶寬內(nèi)的噪聲來對待。因此,我們用每赫茲功率電平<dBmV/Hz>的概念,將一定帶寬的功率來表征信道的功率<dBmV>,筆者稱為平均功率電平。像頻譜儀通常是測量正弦波的電平有效值,來表征電平。1.2本文的主要工作本文主要完成的是聲調(diào)提示的邏輯電平測試器的原理、各單元的電路的設(shè)計過程、所用到的電子元器件的介紹。本文按照不同的內(nèi)容,分三個章節(jié)進行組織。第一章為緒論,介紹了聲調(diào)邏輯電平測試器的用途及產(chǎn)生背景,同時給出了目前電平測試儀表的發(fā)展?fàn)顩r；第二章介紹了幾種方案及其比較,第三章介紹了標(biāo)準(zhǔn)電平,分析了所用電路的基本原理；第四章詳細(xì)介紹了各個單元和完整電路的設(shè)計過程,設(shè)計電路原理圖；最后設(shè)計總結(jié)。第二章方案設(shè)計及比較2.1方案一輸入電路輸入電路邏輯信號識別電路示波器顯示波形電路方案一設(shè)計方框圖電路如圖所示,該電路的輸入信號Vi通過輸入電路后,進入邏輯信號識別電路,經(jīng)過該電路的識別比較,將信號分為高低電平兩種信號,在通過二極管的限流,在示波器上將該波形顯示出來。具體電路下圖所示。2.2方案二方案二設(shè)計方框圖如圖所示：該電路由四部分組成,即輸入電路,邏輯信號識別電路,音響信號產(chǎn)生電路和揚聲器,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兩個信號分別輸入音響信號產(chǎn)生電路,在音響信號產(chǎn)生電路中,通過兩個電容的充,放電過程,產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號,不同頻率的脈沖信號使得揚聲器發(fā)出不同的響聲,通過響聲的不同來區(qū)分高低電平的不同。具體電路下圖所示。2.3方案三方案三設(shè)計方框圖原理圖如方案二,輸入電路域邏輯判斷電路域方案二相同,不同的地方在于音響產(chǎn)生電路。具體電路如下圖所示。其中555定時器構(gòu)成多諧振蕩器,震蕩頻率為其輸出信號經(jīng)三極管推動揚聲器。PR為控制信號,由邏輯信號識別電路輸出得到。當(dāng)輸入為高電平時,多謝振蕩器工作；反之,電路停振。2.4方案比較方案三用到了555定時器,相對于方案一和方案二簡單,在通過頻率相對應(yīng)的阻值上簡單,但考慮到了其成本較高,所以采用方案一和方案二。但由于方案一只是簡單的對于高低電平的判斷,并且在讀取實驗數(shù)據(jù)的過程中,一邊要看設(shè)備的屏幕,另外還要注意,設(shè)備的工作情況,使用起來十分的不方便,并且,方案一的成本也很高。故本次課程設(shè)計中選取方案二作為本次課程設(shè)計的主要方案。第三章聲調(diào)提示的邏輯電平測試器的原理介紹3.1邏輯電平介紹及測試器的工作原理框圖下圖3-1為測試器的工作原理框圖。本測試器采用運算放大器做電壓比較,對電平進行測量。由下圖可以看出電路由五部分組成。即：輸入電路、邏輯狀態(tài)判斷電路、音響電路、發(fā)音電路和電源。輸入電路輸入電路音響聲調(diào)產(chǎn)生電路電源邏輯狀態(tài)判斷電路圖3-1測試器的工作原理框圖以上工作原理框圖可使用與不同標(biāo)準(zhǔn)的電平的測試,,高電平為大于3V,低電平為小于1V。電平測試器技術(shù)指標(biāo)<1>測量范圍：低電平<0.8V高電平>3.5V<2>用1kHz的音響表示被測信號為高電平<3>用800Hz的音響表示被測信號為低電平<4>當(dāng)被測信號在0.8V~3.5V之間時,不發(fā)出音響<5>輸入電阻大于20kΩ<6>工作電源5V3.2輸入電路及邏輯判斷電路原理圖3-2為測試輸入和邏輯判斷電路原理圖。圖3-2中U1是被測信號。A1和A2為兩個運算放大器。可以看出A1和A2分別與它們外圍電路組成兩個電壓比較器。A2的同相端電壓為1V左右<D1和D2分別為硅和鍺二極管>,A1的反相端電壓Uh由R3和R4的分壓決定。當(dāng)被測電壓U1小于1V時,A1反相端電壓大于同相端電壓,使A1輸出端UA為低電平<0V>。A2反相端電壓小于同相端電壓,使它輸出端UB為高電平<5V>。當(dāng)U1在1V-Uh之間時,A1同相端電壓小于UH,A2同相端電壓也小于反相端電壓,所以A1和A2的輸出電壓均為低電平。當(dāng)U1大于UH時,A1輸出端UA為高電平,A2輸出端UB為低電平。通過改變R3和R4的比例可以控制高電平的范圍,而通過改變運算放大器A2同相端電壓,可以控制低電平,圖中的二極管可以是分壓電阻,所以經(jīng)過分壓電阻的調(diào)整,該邏輯電平測試器可以測量不同的標(biāo)準(zhǔn)電平。圖3-2輸入和邏輯判斷電路3.3音調(diào)產(chǎn)生電路原理圖3-3為音調(diào)產(chǎn)生電路原理圖。電路主要由兩個運算放大器A3和A4組成。圖3-3音調(diào)產(chǎn)生電路下面分三種情況說明電路的工作原理。<1>當(dāng)UA=UB=0V<低電平>時。此時由于A和B兩點全為低電平,所以二極管D3和D4截止。因A4的反相輸入端電壓為3.5V,同相端輸入電壓為電容C2兩端的電壓UC2,由于時一個隨時間按指數(shù)規(guī)律變化的電壓,所以A4輸出電壓不確定,但這個電壓肯定的是大于或等于0V,因此二極管D5也是截止的。由于D3,D4和D5均處于截止?fàn)顟B(tài),電容C1沒有充電回路,UC1將保持0V的電壓不變,使A3輸出為高電平。<2>當(dāng)UA=5V,UB=0V時此時二極管D3導(dǎo)通,電容C1通過R6充電,UC1按指數(shù)規(guī)律逐漸升高,由于A3同相輸入端電壓為3V,所以在UC1達到3V之前,A3輸出端電壓為5V,C2通過R9充電。從圖2-3可以看出C1的充電時間常數(shù)ι1=C1*R6,C2的充電時間常數(shù)ι2=C2<R9+rO3>,其中rO3為A3的輸出電阻。假設(shè)ι1>ι2,則在C1和C2充電時,當(dāng)UC1達到3V時,UC2已接近穩(wěn)態(tài)時5V。因此在UC1升高到3V后,A3同相端電壓小于反相端電壓,A3輸出電壓由5V跳變?yōu)?V,使C2通過R9和rO3放電,UC2由5V逐漸降低。當(dāng)UC2降到小于A4反相端電壓<3V>時,A4輸出端電壓跳變?yōu)?V,二極管D5導(dǎo)通,C1通過D5和A4的輸出電阻放電。因為A4輸出電阻很小,所以UC1將迅速降到0V左右,這導(dǎo)致A3反相端電壓小于同相端電壓,A3的輸出電壓又跳變?yōu)?V,C1再一次充電,如此周而復(fù)始,就會在A3輸出端形成矩形脈沖信號。UC1、UC2和UO的波形如下圖所示。3.V3.VtuC1uuC23V5Vttt2t1u0t3.4揚聲器原理揚聲器主要有永久磁鐵、線圈、和錐形紙盆組成。強弱按聲音變化的電流,使揚聲器內(nèi)電磁鐵的磁性忽強忽弱,線圈就向里或外運動,帶動紙盆發(fā)生震動發(fā)出聲音。將電能轉(zhuǎn)化為聲能,并將它輻射到空氣中的一種電聲換能器件。電影、電視、廣播以及各種需要揚聲的場合都需要使用揚聲器。揚聲器的主要性能指標(biāo)有：靈敏度、頻率響應(yīng)、額定功率、額定阻抗、指向性以及失真等。揚聲器頻率響應(yīng),在恒定電壓作用下,在參考軸上距參考點一定距離處,揚聲器所輻射的聲壓級隨頻率變化的特性。頻率響應(yīng)一般是記錄在以對數(shù)頻率刻度為橫坐標(biāo)的圖上,即頻率響應(yīng)曲線。不同規(guī)格、口徑的揚聲器能夠發(fā)出不同的音調(diào),<不同頻率范圍的>,不可能全頻段都兼顧,所以有高、中、低、音之分。聲音的三要素——響度、音調(diào)、音品<音色>響度:聲音大小聲,與發(fā)音體產(chǎn)生的聲波振幅有關(guān)音調(diào):聲音的高低,與發(fā)音體產(chǎn)生的振動頻率有關(guān)音品:聲音的獨特性,與發(fā)音體產(chǎn)生的波形有關(guān)本設(shè)計就利用了音調(diào)的高低與發(fā)音體的震動頻率有關(guān)的原理,根據(jù)音響電路中產(chǎn)生的不同頻率的方波驅(qū)動揚聲器發(fā)出不同音調(diào)聲音。第四章各單元電路和整機電路的設(shè)計4.1輸入和邏輯判斷電路的設(shè)計圖4-1輸入和邏輯判斷電路輸入和邏輯判斷電路如圖所示。輸入電路由R1和R2組成。電路作用時保證測示器輸入端懸空時,U1即不是高電平,也不是低電平。一般情況下,在輸入端懸空時,UI=1.4V。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求輸入電阻大于20kΩ,因此可得：*VCC=1.4V<3-1>20k<3-2>可求出R1=71kΩR2=27.6kΩ聯(lián)系列值R1=75kΩR2=30kΩR3和R4的作用是給A1的反相端提供一個3.5V的電壓<高電平的基準(zhǔn)>。因此只要保證*VCC3.5V<3-3>即可R3,R4取值過大時容易引入干擾,取值過小時則會增大耗電量。工程上一般在幾十千歐到數(shù)百千歐間選取。因此選取R3=68kΩ,根據(jù)公式*VCC3.5V其中VCC=5V<3-4>可得到：R329kΩ,取R4=30kΩ。R5為二極管D1,D2的限流電阻。D1和D2的作用是提供低電平信號基準(zhǔn),按給定技術(shù)指標(biāo)低電平為1V,取D1為鍺二極管,D2為硅二極管,這樣可使A2同相端電壓為1V。取R5=4.7kΩ。4.2音響產(chǎn)生電路的設(shè)計圖4-2為音響產(chǎn)生電路的電路圖圖4-2中R10和R11的作用與圖中的R3和R4的作用相同。取R10=68kΩR11=30kΩ。D3,D4和D5均為鍺二極管2AP9.我們選取=0.6ms因為=R9*C2選取C2=0.01uF所以R9===60kΩ又因T=t1+t2=1.2+0.36=1.2+0.216*10根據(jù)給定要求=R6*C1<被測信號為高電平>或=R7*C1<被測信號為低電平>我們選取C1=0.1uF,由于技術(shù)指標(biāo)中給定當(dāng)被測信號為高電平時,音響頻率為1kHz；被測信號為低電平時,音響頻率為800Hz。所以被測信號為高電平時因為T==1ms所以1.2+0.36=1*101.2+0.18*10=1*10≈0.65msR6==kΩ所以R6=6.5kΩ當(dāng)被測信號為低電平時,音響頻率為800Hz,此時因為T==ms=1.25ms所以1.2+0.216*10=1.25*10≈0.86msR7===8.6kΩ4.3揚聲器驅(qū)動電路的設(shè)計圖4-1驅(qū)動電路驅(qū)動電路4-1如圖所示。由于驅(qū)動電路的工作電源電壓比較低,因為對三級管的耐壓要求不高。選取3DG12為驅(qū)動管,R為限流電阻,本電路選取R=10kΩ.在上一級的音頻產(chǎn)生電路中,高電平會使其產(chǎn)生1kHz的方波,低電平會使其產(chǎn)生500Hz的方波,經(jīng)過驅(qū)動管3DG12后驅(qū)動揚聲器發(fā)聲,使之發(fā)出不同音調(diào)的聲音。4.4元器件的選擇選取標(biāo)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=4.5K,R6=6.5KR7=8.6K,R8=8.9KR9=60K,R10=68KR11=30K,C=0.1uf,C=0.01uf運算放大器：LM324二極管：2AP9,普通鍺、硅二極管各一個三極管：8050萬能板一塊、導(dǎo)線若干4.5整機電路的設(shè)計4-5聲調(diào)提示的邏輯電平測試器的整機電路圖4-5為聲調(diào)提示的邏輯電平測試器的整機電路整機電路由三部分組成：輸入與邏輯判斷電路、音響產(chǎn)生電路、揚聲器驅(qū)動電路組成。UI測試點的接入口,接入被測量,被測電壓與圖中U1、U2的基準(zhǔn)電壓比較,其中U1為高電平標(biāo)準(zhǔn),U2為低電平標(biāo)準(zhǔn)。以上設(shè)計均為將U1設(shè)定為3V,U2設(shè)定為0.8V。此兩點的電壓采用的是分壓發(fā)控制,可采用可變式電阻分壓,即可控制不同標(biāo)準(zhǔn)電平。若以TTL<VCC：5V：VIH>=2V；VIL<=1V>電平為例,則設(shè)置U1=2V,U2=1V。通過控制此處即可控制該測試器的測量標(biāo)準(zhǔn)。其中的音調(diào)產(chǎn)生電路主要產(chǎn)生對應(yīng)高低電平的兩種不同頻率的方波,方波的頻率與電平的高低無關(guān),只于電路中充電、放