邏輯電平信號(hào)測(cè)試器

1、湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院電子技術(shù)綜合課程設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)班級(jí)：電子信息科學(xué)與技術(shù) 學(xué)生姓名： XXXX 學(xué)生學(xué)號(hào)： XX 指導(dǎo)教師： XXXX 設(shè)計(jì)時(shí)間：2012.6.4-2012.6.15 一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1）設(shè)計(jì)題目：數(shù)字邏輯電平信號(hào)測(cè)試器設(shè)計(jì) 2）基本要求：（1）、測(cè)量范圍：低電平<0.8V，高電平>3.5V （2）、高低電平分別用1KHZ和500HZ的音響表示，被測(cè)信號(hào)在0.83.5V之間不發(fā)出聲響。高電平使紅色二極管亮，低電平使綠色二極管亮，在0.83.5V之間使黃色二極管亮。 （3）、工作電源為5V，輸入電阻大于20K歐姆。元器件：555定時(shí)器，揚(yáng)聲器，晶體三極管，運(yùn)放器，電阻

2、電容若干二、方案設(shè)計(jì)與論證 為了方便進(jìn)行對(duì)某點(diǎn)的電平測(cè)試，設(shè)計(jì)一個(gè)邏輯信號(hào)測(cè)試器。電路由輸入電路、邏輯狀態(tài)識(shí)別電路、二極管點(diǎn)亮電路和音響信號(hào)產(chǎn)生電路等組成。輸入的邏輯信號(hào)電平大于或小于所設(shè)定的高低電平電位，則音響發(fā)聲且點(diǎn)亮紅/綠二極管，如若在高低電平之間，則音響不發(fā)聲且點(diǎn)亮黃色二極管。利用這種方式設(shè)計(jì)電路，計(jì)算元器件參數(shù)，選擇成本合適的器件，確定電路形式并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 1、原理框圖 輸入信號(hào)電路邏輯信號(hào)識(shí)別電路二極管點(diǎn)亮電路音響信號(hào)產(chǎn)生電路 圖一、邏輯信號(hào)測(cè)試器的原理框圖2、對(duì)原理框圖的描述： 1）、方案論證：如圖1，邏輯信號(hào)測(cè)試器由四部分電路組成，分別是輸入信號(hào)電路、邏輯信號(hào)識(shí)別電路、

3、二極管點(diǎn)亮電路和音響產(chǎn)生電路。輸入一個(gè)邏輯信號(hào)，其電平值高于3.5V或低于0.8V音響二極管紅、綠燈分別點(diǎn)亮和發(fā)聲，在0.8V和3.5V之間音響不發(fā)聲、二極管黃燈亮，再觀察輸出Vo是否符合標(biāo)準(zhǔn)。2）、步驟：（1）輸入電壓Vcc=5V。通過(guò)電阻分壓得到高低兩電平。（2）輸入一個(gè)邏輯信號(hào)，比較兩個(gè)運(yùn)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）輸出是由兩個(gè)555定時(shí)器分別夠成多謝振蕩器產(chǎn)生1000HZ/500HZ的頻率，在經(jīng)由三極管的來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器產(chǎn)生音響。三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算1、輸入及邏輯信號(hào)識(shí)別電路 如圖2所示，

4、Vi是輸入的被測(cè)邏輯電平信號(hào)，輸入電路是由電阻R1和R2組成，其作用是保證輸入端懸空時(shí)，Vi既不是高電平，也不是低電平。U1和U2組成的雙限比較器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，U1的反相端為高電平值電位參考端，其電壓值由電阻R1和R2分壓后獲得，記為VH。同理，U2的同相端為低電平值電位參考端，其值由R5和R6分壓決定，記為VL。 比較器的同相輸入端高于反相輸入端電壓時(shí)，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(guān)系：見(jiàn)表1。 表1 輸入、輸出狀態(tài)關(guān)系 輸入U(xiǎn)1（VA）U2（VB）Vi<VL<VH低高VL<V

5、i<VH低低Vi>VH>VL高低通過(guò)分析比較器的輸出狀態(tài)，就能夠判斷輸入邏輯信號(hào)電平的高低。被測(cè)邏輯電平信號(hào)高于高電位、低于低電位時(shí)音響發(fā)聲；在高、低電位之間音響不發(fā)聲。圖2 輸入及邏輯信號(hào)識(shí)別2、二極管點(diǎn)亮電路 如圖3，經(jīng)由電壓比較器的輸出從而使二極管點(diǎn)亮。圖中所示，當(dāng)測(cè)試電壓為高于3.5V時(shí)，上面的電壓比較器導(dǎo)通，使得紅色二極管被點(diǎn)亮。當(dāng)測(cè)試電壓低于0.8V時(shí)。下面的電壓比較器導(dǎo)通，使得綠色二極管被點(diǎn)亮。當(dāng)測(cè)試電壓在0.83.5V之間，兩個(gè)電壓比較器同時(shí)輸出低電平，分別通過(guò)非門(mén)和一個(gè)與門(mén)使得黃色的二極管被點(diǎn)亮。此過(guò)程中沒(méi)有重疊地方，電壓比較器只能是一個(gè)導(dǎo)通一個(gè)截止或者兩個(gè)

6、一起截止。圖3二極管點(diǎn)亮電路3、音響產(chǎn)生和驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，由555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生1000HZ/500HZ的頻率。由于音響負(fù)載工作電壓較低而且功率較小，因此對(duì)驅(qū)動(dòng)三極管的耐壓等條件要求不高，故選去9013作為驅(qū)動(dòng)管，可完全滿(mǎn)足電路要求。多諧振蕩器又稱(chēng)為無(wú)穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒(méi)有穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間可以自行觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉(zhuǎn)換而輸出一系列矩形波。多諧振蕩器可用作方波發(fā)生器。圖5音響產(chǎn)生和驅(qū)動(dòng)電路4、多諧振蕩器555集成定時(shí)器是模擬功能和數(shù)字邏輯功能相結(jié)合的一種雙極型中規(guī)模集成器件。555 定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要

7、外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測(cè)量及自動(dòng)控制等方面。圖4 555時(shí)基電路的原理圖及引腳圖5、集成運(yùn)算放大器LM324 這里主要介紹電路中所用到的集成運(yùn)算放大器LM324。LM324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。LM324四運(yùn)放是集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖1所示的符號(hào)來(lái)表示，它有5個(gè)引出腳

8、，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸 出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-(-)為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；Vi+(+)為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào) 與該輸入端的相位相同，如圖3-1，LM324的引腳排列見(jiàn)圖3-2。 圖5放大器圖6放大器引腳圖由于LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。6、揚(yáng)聲驅(qū)動(dòng)電路原理圖 圖2.4 揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路揚(yáng)聲器主要有永久磁鐵、線(xiàn)圈、和錐形紙盆組成。強(qiáng)弱按聲音變化的電流，使揚(yáng)聲器內(nèi)電磁鐵的磁性忽強(qiáng)忽弱，線(xiàn)圈就向里或外

9、運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)紙盆發(fā)生震動(dòng)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(yáng)聲的場(chǎng)合都需要使用揚(yáng)聲器。揚(yáng)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(yáng)聲器頻率響應(yīng)，在恒定電壓作用下，在參考軸上距參考點(diǎn)一定距離處，揚(yáng)聲器所輻射的聲壓級(jí)隨頻率變化的特性。頻率響應(yīng)一般是記錄在以對(duì)數(shù)頻率刻度為橫坐標(biāo)的圖上，即頻率響應(yīng)曲線(xiàn)。 不同規(guī)格、口徑的揚(yáng)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

10、的高低,與發(fā)音體產(chǎn)生的振動(dòng)頻率有關(guān) 音品:聲音的獨(dú)特性，與發(fā)音體產(chǎn)生的波形有關(guān) 本設(shè)計(jì)就利用了音調(diào)的高低與發(fā)音體的震動(dòng)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(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出不同音調(diào)聲音。 7、參數(shù)計(jì)算、元器件選擇（1）參數(shù)計(jì)算根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，輸入電阻大于20 K，并且輸入懸空時(shí)，因此V1=(R2R1+R2)Vcc=3.5VR= R1R2R1+R220K解得 R=68K R=30K根據(jù)分壓公式得V2=(R6R5+R6) Vcc=0.8VR= R5R6R5+R620K解得 R6=13K R5=68K同時(shí)選取限流電阻R3=R4 =1K ；R9=R12=680。同時(shí)選取C2=C4=0.01

11、uf，由于技術(shù)指標(biāo)要求，被測(cè)信號(hào)為高電平時(shí)，音響率f=1KHZ時(shí)，計(jì)算得C1=20uf,被測(cè)信號(hào)為低電平時(shí)，音響頻率f=500HZ,計(jì)算得C3=10uf.被測(cè)信號(hào)為高電平時(shí)，音響頻率為1000HZ計(jì)算求得R8=30K，R7=10K。（2）元器件選擇選取標(biāo)稱(chēng)值，即元件庫(kù)里所有的實(shí)際元件，按最接近的值選取。即： R1=68K， R2=30K R3=1K， R4=1K R5=68K， R6=13K R7=10K， R8=30K R9=680， R10=40K R11=10K, R12=680 C1=20uf C4=C20.01uf C3=10uf 運(yùn)算放大器：LM324AJ二極管：1N4148三極管

12、：9013四、仿真過(guò)程與仿真結(jié)果按照電路圖連接仿真電路，如圖6所示,由于在仿真過(guò)程中，沒(méi)有出錯(cuò)。但是效果不是很好，修改了很多次效果還是差不多，可能是由于有運(yùn)放的關(guān)系。用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧經(jīng)計(jì)算滿(mǎn)足了頻率在高電平是為1KHz，在低電平是為500Hz。后由三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器產(chǎn)生音響。五、電路原理圖及元器件清單電路原理圖：圖6數(shù)字邏輯電平信號(hào)測(cè)試器的全圖元器件清單：序號(hào)編號(hào)名稱(chēng)型號(hào)數(shù)量1U1、U2運(yùn)算放大器LM32422T三極管901223D1、D2、D3二極管1N414834R1、R5電阻68K25R2、R8電阻30 K26R3、R4電阻1K27R6電阻13 K18R7、R11電阻10K29R

13、9、R12電阻680110R10電阻40K111555芯片212C1電容20uf15C2、C4電容0.01uf26C3電容10uf16U5蜂鳴器17Vcc電源5V1六安裝與調(diào)試焊接調(diào)試：(1)焊前準(zhǔn)備 準(zhǔn)備好電烙鐵以及鑷子、剪刀、斜口鉗、尖嘴鉗、焊料、焊劑等工具，將電烙鐵及焊件搪錫，左手握焊料，右手握電烙鐵，保持隨時(shí)可焊狀態(tài)。 (2)用烙鐵加熱備焊件。 (3)送入焊料，熔化適量焊料。 (4)移開(kāi)焊料。 (5)當(dāng)焊料流動(dòng)覆蓋焊接點(diǎn)，迅速移開(kāi)電烙鐵。(6)元件焊接好以后，接通+5直流電源。實(shí)驗(yàn)效果：（1）、當(dāng)輸入的被測(cè)邏輯電平信號(hào)為5 V，大于3.5V時(shí)的波形時(shí)： 輸出信號(hào)U0的波形是有波動(dòng)的信號(hào)

14、。音響電路信號(hào)波形的周期是1.025ms，其頻率為1Khz，紅色的二極管被點(diǎn)亮。（2）、當(dāng)輸入的被測(cè)邏輯電平信號(hào)為2.3V，大于0.8V小于當(dāng)3.5V時(shí)的波形時(shí)： 輸出信號(hào)U0的波形是沒(méi)有波動(dòng)的信號(hào)。符合設(shè)計(jì)要求。（3）、當(dāng)輸入的被測(cè)邏輯電平信號(hào)為0.3V小于0.8V時(shí)的波形時(shí)： 輸出信號(hào)U0的波形是有波動(dòng)的信號(hào)。音響電路的信號(hào)波形的周期為2ms,其頻率為500HZ左右。符合設(shè)計(jì)要求。七、心得與體會(huì)： 在為期兩周的課程設(shè)計(jì)期間，我們小組互相討論，共同研究，和各方面的努力，最終使得設(shè)計(jì)能順利完成。在課程報(bào)告即將完成之際，讓我深深體會(huì)到支持的力量，我很感謝我周?chē)耐瑢W(xué)、朋友和老師給我?guī)椭?，正是他們的支持，深深地感染和鼓?lì)著我們，為我們提供了條件，為我們的設(shè)計(jì)的順利完成提供了保證。再者，我認(rèn)為在做設(shè)計(jì)之前我們需要查閱大量的資料弄我們?cè)撟鍪裁?，該怎樣去做，怎樣做才能使它更好。?dāng)然在設(shè)計(jì)時(shí)，你可能也會(huì)遇到很多問(wèn)題，但是不要著急，慢慢來(lái)，不懂的就去找資料，看視頻。我通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我學(xué)會(huì)了獨(dú)立自主的思考和處理問(wèn)題并解決它。雖然仿真和測(cè)試不是很順利，但在困難面前我們能即時(shí)地相互探討找出事故原因并解決這充分體現(xiàn)了我們的團(tuán)隊(duì)精神，所以我也很感謝我的隊(duì)友。在以后的人生中，我們?nèi)詫⒉粩鄬W(xué)習(xí)，相信這次設(shè)計(jì)是我們?nèi)松幸还P寶貴的財(cái)富，我們將更有信心向未來(lái)邁進(jìn)！ 八、參考文獻(xiàn)