簡(jiǎn)易邏輯測(cè)試儀課程設(shè)計(jì)

1、目錄摘要 3一 系統(tǒng)方案31.1設(shè)計(jì)要求31.2方案論證與比較4二 設(shè)計(jì)流程 52.1 流程圖52.2 運(yùn)算放大器 52.3 LM399常用方法 6三 詳細(xì)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(cè)試方案與仿真155.1 通過Proteus軟件仿真 155.2 測(cè)試結(jié)果 16六 結(jié)論與設(shè)計(jì)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(cè)試儀，本文設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易邏輯測(cè)試儀主體由LM339組成，可實(shí)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(shí)鐘脈沖時(shí)紅綠交替閃爍功能。該測(cè)試儀可用于對(duì)T

2、TL門電路，COMS等數(shù)字電路的邏輯檢測(cè)。關(guān)鍵詞：高電平 低電平 LM339 運(yùn)算放大電路一 系統(tǒng)方案：1.1設(shè)計(jì)要求：利用簡(jiǎn)單的基本元器件設(shè)計(jì)一個(gè)邏輯電平測(cè)試電路，要求實(shí)現(xiàn)以下要求：（1） 要求電路能夠測(cè)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(duì)檢測(cè)狀態(tài)進(jìn)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(jì)應(yīng)當(dāng)考慮可靠性和抗干擾設(shè)計(jì)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(dāng)在相應(yīng)的仿真軟件上進(jìn)行仿真以驗(yàn)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(xì)的元件選型表；（7） 電路工作的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法；電路的可靠性設(shè)計(jì)和抗干擾性設(shè)計(jì)說明；1.2 方案論證與比較：方案一：如圖1-1所示采用運(yùn)算放大電路與三極管相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。圖1-1 方案一原理圖方案二：如圖1-2巧妙運(yùn)用運(yùn)算放大器內(nèi)部獨(dú)立電壓比較器組合形成簡(jiǎn)易邏輯測(cè)試儀圖1-2 方案二原理圖方案選擇：出于經(jīng)濟(jì)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(jì)流程2.1流程圖方案設(shè)計(jì)流程： 圖2-1 方案設(shè)計(jì)流程圖2.2電壓比較器和運(yùn)算放大器的基本知識(shí) 電壓比較器和運(yùn)算放大器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在各種的控制電路和保護(hù)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(dòng)電路、背光板電路中的保護(hù)電路比比皆是；對(duì)電路的安全、保護(hù)起到極大的作用，同樣給我們的維修也帶來一個(gè)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(jiǎn)單的介紹一些電壓比較器的必備知識(shí)。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(yùn)算放大器。電壓比較器是對(duì)兩個(gè)模擬電壓比較其大小，并判斷出其中哪一個(gè)電壓高，哪一個(gè)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(gè)電壓進(jìn)行比較；并且有一個(gè)比較結(jié)果的輸出端，那么這個(gè)比較器就必須有3個(gè)端子（除了供電及接地）；兩個(gè)進(jìn)行

5、比較模擬電壓的輸入端；一個(gè)顯示比較結(jié)果的輸出端，圖2-2所示就是一個(gè)在電路圖上常用的電壓比較器的符號(hào)。 如圖2-3所示，左邊是兩個(gè)輸入端；其中一個(gè)有“+”號(hào)標(biāo)志的稱為同相輸入端；有“”號(hào)標(biāo)志的稱為反相輸入端；這兩個(gè)端子輸入需要進(jìn)行比較的模擬電壓。右邊是一個(gè)輸出端，輸出比較的結(jié)果。兩個(gè)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(dāng)同相輸入端電壓高于反相輸入端電壓時(shí)，輸出端為高電平。當(dāng)同相輸入端電壓低于反相輸入端電壓時(shí)，輸出端為低電平。圖2-3 簡(jiǎn)單電壓比較器一般常用的比較器的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體管，在使用時(shí)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(gè)電位器的動(dòng)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(shí)把電位器的動(dòng)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(shí)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(shí)逐步的向上移動(dòng)電位器的動(dòng)臂（圖中箭頭方向），此時(shí)：電壓比較器反向輸入端的電壓逐步上升；當(dāng)電位器的動(dòng)臂移動(dòng)到3V位置時(shí)；反向輸入端的電壓也上升到3V，此時(shí)；同相輸入端的電壓（3V）等于反相輸入端的電壓；此時(shí)；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(dòng)臂繼續(xù)上移；當(dāng)反向輸入端的電壓超過同相輸入端的電壓；即大于3V時(shí)；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(dāng)在上述情況下；當(dāng)電位器的動(dòng)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(shí)；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(hào)這個(gè)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(dòng)臂置于電位器的最上端，這時(shí)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(shí)逐步的向下移動(dòng)電位器的動(dòng)臂，此時(shí)：電壓比較

8、器反向輸入端的電壓逐步下降；當(dāng)電位器的動(dòng)臂下降到3V位置時(shí)；反向輸入端的電壓也下降到3V，此時(shí)；同相輸入端的電壓（3V）等于反相輸入端的電壓；此時(shí)；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(dòng)臂繼續(xù)下降；當(dāng)反向輸入端的電壓低于同相輸入端的電壓；即小于3V時(shí)；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(jiǎn)易邏輯測(cè)試儀的理論基礎(chǔ)。2.3 LM399圖2-4 LM339集成電路圖LM339的特點(diǎn)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(duì)比較信號(hào)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(dòng)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(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)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(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬；共模范圍很大，為0-（Ucc-1.5V）Vo；差動(dòng)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(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，

10、用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)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(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)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(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)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(huì)影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶

11、體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)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(gè)基本單限比較器。輸入信號(hào)Uin，即待比較電壓，它加到同相輸入端，在反相輸入端接一個(gè)參考電壓Ur。當(dāng)輸入電壓Uin>Ur時(shí)，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(hào)它用單電源供電，1/4LM339的反相輸入端加一個(gè)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(dāng)機(jī)內(nèi)溫度為設(shè)定值以下時(shí)，“+”端電壓大于“-”端電壓，Uo為高電位。當(dāng)溫度上升為設(shè)定值以上時(shí)，“-”端電壓大于“+”端，比較器反轉(zhuǎn)，Uo輸出為零電位，使保護(hù)電路動(dòng)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(hào)Uin在門限值附近有微小的干擾，則輸出電壓就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的抖動(dòng)。在電路中引入正反饋可以克服這一缺點(diǎn)。 圖a給出了一個(gè)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(hào)當(dāng)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?yàn)閷?duì)遲滯比較器來說，它不能分辨差別小于U的兩個(gè)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(gè)優(yōu)點(diǎn)。除此之外，由于遲滯比較器加的正反饋很強(qiáng)，遠(yuǎn)比電路中的寄生耦合強(qiáng)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(gè)跳變點(diǎn)固定在某一個(gè)參考電壓值上，可在正反饋電路中接入一個(gè)非線性元件，如晶體二極管，利用二極管的單向?qū)щ娦?，便可?shí)現(xiàn)上述要求。3、雙限比較器（窗口比較器）圖2-7電路由兩個(gè)LM339組成一個(gè)窗

14、口比較器。當(dāng)被比較的信號(hào)電壓Uin位于門限電壓之間時(shí)（UR1<Uin<UR2），輸出為高電位（UO=UOH）。當(dāng)Uin不在門限電位范圍之間時(shí)，（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(hào)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(hào)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(dāng)C1=0.1uF時(shí)。f=53Hz；當(dāng)C1=0.01uF時(shí)，f=530Hz；當(dāng)C1=0.001uF時(shí)，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(hào)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(jì)采用雙列直插式封裝 DIP14封裝形式。三 詳細(xì)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(hào)

17、識(shí)別電路和LED組成。在該電路中，電路的輸入信號(hào)Vi由輸入電路輸出后，經(jīng)過邏輯信號(hào)識(shí)別電路，在該電路中，通過比較器的比較測(cè)試，將該信號(hào)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(jì)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(cè)器，比較器B作高電平檢測(cè)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(jì)和結(jié)合是本邏輯測(cè)試儀的核心部分。1、當(dāng)Ui檢測(cè)到低電平時(shí)，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(dòng)，綠色LED發(fā)光。2、當(dāng)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(dòng)紅色LED發(fā)光。3、當(dāng)Ui為時(shí)鐘脈沖時(shí)，相當(dāng)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(qiáng)，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(yàn)。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(jí)加上一個(gè)很小的補(bǔ)償電容，目前在集成運(yùn)放中，大多數(shù)電路內(nèi)部已經(jīng)用集成工藝加進(jìn)了補(bǔ)償電容，可保證在最壞的情況下運(yùn)放都能穩(wěn)定工作，這種運(yùn)放叫做內(nèi)部補(bǔ)償或全補(bǔ)償運(yùn)放，使用這種器件可以不用考慮補(bǔ)償，也不會(huì)出現(xiàn)自激。五 測(cè)試方案與仿真5.1 通過Proteus軟件進(jìn)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(shí)采用有仿真模型的TLC339進(jìn)行替代。5.2 測(cè)試結(jié)果經(jīng)過調(diào)試，兩色LED亮暗可以反映輸入信號(hào)Ui的高低電平，Ui為高電平時(shí)紅色LED工作，Ui為低電平時(shí)綠色LED工作，電壓跳變和預(yù)先設(shè)計(jì)存在一定誤差，但在允許范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)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(jì)心得經(jīng)過幾天的設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)，我認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)就是一個(gè)不斷發(fā)現(xiàn)自己的錯(cuò)誤并改正錯(cuò)誤的過程。 我認(rèn)識(shí)到一定要查閱充分的資料，在心里有一個(gè)大體的了解設(shè)計(jì)