邏輯電平信號(hào)測(cè)試器

1、(此處字體為四號(hào)宋體并與上左對(duì)齊)(此處空格為三行小初)畫(huà)電理圖(此處字體為四號(hào)宋體)畫(huà)電路的原理框圖(黑體小二)（副標(biāo)題為黑體小二注意左對(duì)齊）(此處空格為十二行小二)（標(biāo)題為黑體小初）電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 邏輯信號(hào)電平測(cè)試器2014年6月24日邏輯信號(hào)電平測(cè)試器一、設(shè)計(jì)任務(wù)1.設(shè)計(jì)目的：（1）學(xué)習(xí)邏輯信號(hào)電平測(cè)試器的設(shè)計(jì)方法；（2）掌握其各單元電路的設(shè)計(jì)與測(cè)試方法；（3）進(jìn)一步熟悉電子線路系統(tǒng)的裝調(diào)技術(shù).2. 技術(shù)指標(biāo)：（1）測(cè)量范圍：低電平3.5V； （2） 用1KHZ的音響表示被測(cè)信號(hào)為高電平； （3） 用800HZ的音響表示被測(cè)信號(hào)為低電平； （4） 當(dāng)被測(cè)信號(hào)在0.83.5V之間時(shí)，不發(fā)

2、出音響； （5） 輸入電阻大于20K； （6） 工作電源為5V二、設(shè)計(jì)方案論證 1.方案一聲響音調(diào)揚(yáng)聲器邏輯狀態(tài)判斷電路輸入電路電源 圖2.1測(cè)試器的原理框圖 圖2.2 方案一的總設(shè)計(jì)圖 其中555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，其輸出信號(hào)經(jīng)三極管推動(dòng)揚(yáng)聲器。PR為控制信號(hào)，由邏輯信號(hào)識(shí)別電路輸出得到。當(dāng)入為高電平時(shí)，多諧振蕩器工作；反之，電路停振。 2.方案二輸入電路邏輯狀態(tài)判斷電路聲響音調(diào)揚(yáng)聲器電源 圖2.3測(cè)試器的原理框圖 圖2.4 測(cè)試器的原理框圖 3.方案的比較 方案一運(yùn)用到了“555定時(shí)器”，相對(duì)于方案二簡(jiǎn)單，在通過(guò)頻率計(jì)算相對(duì)應(yīng)的電阻值上簡(jiǎn)單方便，但是考慮到其成本高于LM324芯片，最終決

3、定采取方案二作為實(shí)現(xiàn)方案。三、電路結(jié)構(gòu)及其工作原理 1.電路的結(jié)構(gòu)框圖：揚(yáng)聲器聲響音調(diào)邏輯狀態(tài)判斷電路輸入電路 電源 圖3.1邏輯信號(hào)測(cè)試器原理框圖2. 電路的原理圖： 圖2聲調(diào)提示的邏輯電平測(cè)試器的整機(jī)電路3. 電路工作原理： 由圖1可以看出電路由五部分組成：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。 （1）輸入電路及邏輯判斷電路 圖3.1為測(cè)試器的輸入和邏輯判斷電路原理圖。以A1和A2的輸出電壓均為低電平。當(dāng)U1大于UH時(shí)，A1輸出端UA為高電平，A2輸出端UB為低電平。通過(guò)改變R3和R4的比例圖2-2中U1是被測(cè)信號(hào)。A1和A2為兩個(gè)運(yùn)算放大器?？梢钥闯鯝1和A2分別與它們外

4、圍電路組成兩個(gè)電壓比較器。A2的同相端電壓為0.8V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(cè)電壓U1小于0.8V時(shí)，A1反相端電壓大于同相端 圖3.1 輸入和邏輯判斷電路電壓，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0.8V-UH之間時(shí)，A1同相端電壓小于UH，A2同相端電壓也小于反相端電壓，所可以控制高電平的范圍，而通過(guò)改變運(yùn)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(guò)分壓電阻的調(diào)整，該邏輯電平測(cè)試器可以測(cè)量不同的標(biāo)準(zhǔn)電平。 （2）音調(diào)產(chǎn)生電路 圖

5、3.2為音調(diào)產(chǎn)生電路原理圖。電路主要由兩個(gè)運(yùn)算放大器A3和A4組成。 圖3.2 音調(diào)產(chǎn)生電路單元電路下面分三種情況說(shuō)明電路的工作原理: （1）當(dāng)UA=UB=0V(低電平)時(shí)。 此時(shí)由于A和B兩點(diǎn)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(shí)一個(gè)隨時(shí)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(gè)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(méi)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(shí)此時(shí)二極管D3導(dǎo)通，電容C1通過(guò)

6、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3.5V，所以在UC1達(dá)到3.5V之前，A3輸出端電壓為5V，C2通過(guò)R9充電。從圖2-3可以看出C1的充電時(shí)間常數(shù)1=C1*R6，C2的充電時(shí)間常數(shù)2=C2(R9+rO3)，其中rO3為A3的輸出電阻。假設(shè)12，則在C1和C2充電時(shí)，當(dāng)UC1達(dá)到3.5V時(shí)，UC2已接近穩(wěn)態(tài)時(shí)5V。因此在UC1升高到3.5V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(guò)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(3.5V)時(shí)，A4輸出端電壓跳變?yōu)?V，二極管D5導(dǎo)通，C1通過(guò)D5和A4的輸出電阻

7、放電。因?yàn)锳4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(huì)在A3輸出端形成矩形脈沖信號(hào)。UC1、UC2和UO的波形如圖3.3所示。4VtuC1uC24V5Vtt2t1u0t 圖3.3 UC1、UC2和UO的波形（3）當(dāng)UA=0、UB=5V時(shí) 此時(shí)電路的工作過(guò)程與UA=5V，UB=0V時(shí)相同，唯一的區(qū)別是由于D4導(dǎo)通D3截止，UB高電平通過(guò)R7,D4向C1，所以C1充電時(shí)間常數(shù)改變了，使UO的周期會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。（3）揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路原理 揚(yáng)聲器主要有永久磁鐵、線圈、和錐形紙盆組成。強(qiáng)弱按聲音變化的

8、電流，使揚(yáng)聲器內(nèi)電磁鐵的磁性忽強(qiáng)忽弱，線圈就向里或外運(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 3.4揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路在以對(duì)數(shù)頻率刻度為橫坐標(biāo)的圖上，即頻率響應(yīng)曲線。 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、

9、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(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。四、電路主要元件簡(jiǎn)介 1.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)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸

10、入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。 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，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3.1. 圖3.1放大器引腳圖 由于

11、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。 2.比較器 當(dāng)去掉運(yùn)放的反饋電阻時(shí),或者說(shuō)反饋電阻趨于無(wú)窮大時(shí)(即開(kāi)環(huán)狀態(tài)),理論上認(rèn)為運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)也為無(wú)窮大(實(shí)際上是很大,如LM324運(yùn)放開(kāi)環(huán)放大 倍數(shù)為100dB，既10萬(wàn)倍)。此時(shí)運(yùn)放便形成一個(gè)電壓比較器，其輸出如不是高電平(V+)，就是低電平(V-或接地)。當(dāng)正輸入端電壓高于負(fù)輸入端電壓時(shí)，運(yùn)放輸出低電壓。5、 電路仿真過(guò)程及結(jié)果 1.仿真條件：在proteus環(huán)境下 2.仿真參數(shù)： R1=75K， R2=30KR3=30K， R4=68KR5=68K， R6=13K

12、R7=6.8K， R8=8.9KR9=9.1K， R10=5KC=0.1uf ， C=0.01uf 運(yùn)算放大器：LM324 二極管：2AP9 普通鍺、硅二極管各一個(gè) 三極管：8050 萬(wàn)能板一塊、導(dǎo)線若干 3.仿真結(jié)果： （1）當(dāng)輸入的被測(cè)邏輯電平信號(hào)為5V，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)。音響電路信號(hào)波形的周期是1.025ms，其頻率為1Khz。此時(shí)C1的充電按時(shí)間常數(shù)充電，放電由于放電電路電阻很小瞬間放電，符合設(shè)計(jì)要求。 （2）當(dāng)輸入的被測(cè)邏輯電平信號(hào)為2.3V，大于1.2V小于當(dāng)4V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)。此時(shí)音響電路的信號(hào)波形和C1

13、充電放電波形都沒(méi)有波動(dòng)，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1.2V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1.23ms,其頻率為1200HZ左右。此時(shí)C1有充放電，符合設(shè)計(jì)要求滿足下面的輸入輸出關(guān)系，所以設(shè)計(jì)是成功的。 輸入輸出關(guān)系 輸入VaVbViVlVr低高VlViVr低低ViVrVl高低6、 電路安裝與調(diào)試1.檢驗(yàn)電路各部分是否導(dǎo)通 按照電路圖連接仿真電路，如圖4-1所示,由于在仿真過(guò)程中，觀察到電容C1之充電不能放電，是因?yàn)楸容^電壓過(guò)高，為此我在比較電壓器加上了一個(gè)分壓電路，可以保證C1能放電，同時(shí)有發(fā)現(xiàn)輸出頻率不滿足要求，所

14、以又把R7和R8的電阻值減小，就滿足了頻率在高電平是為1KHz，在低電平是為800Hz設(shè)計(jì)體會(huì)： 圖6.1 改裝后的圖 2.調(diào)試及測(cè)定主要參數(shù) 改變輸入邏輯信號(hào)的大小： 4.2.1當(dāng)輸入的被測(cè)邏輯電平信號(hào)為12，大于4V時(shí)的波形： （1） 輸出信號(hào)U0的波形如圖4.2所示。 圖4.2（2）音響電路的信號(hào)波形如圖4.3所示，其信號(hào)周期是1.025ms，其頻率為2Khz，符合設(shè)計(jì)要求。 圖4.3 （3）C1的充放電波形圖如圖4.4所示。符合設(shè)計(jì)要求，其充電按時(shí)間常數(shù)充電，放電由于放電電路電阻很小瞬間放電，所得波形為圖4.4所示圖4.4 4.2.2輸入的被測(cè)邏輯電平信號(hào)為2,3V，大于1.2V小于當(dāng)

15、4V時(shí)的波形： （1）輸出信號(hào)U0的波形如圖4.5所示。是沒(méi)有波動(dòng)的信號(hào)。圖4.5（2） 音響電路的信號(hào)波形和C1充電放電波形如圖4.6所示，C1沒(méi)有沒(méi)有充放電，音響信號(hào)也是沒(méi)有波動(dòng)，所以符合設(shè)計(jì)要求。，圖4.64.2.3當(dāng)輸入的被測(cè)邏輯電平信號(hào)為0.3V，小于1.2V時(shí)的波形： （1） 輸出信號(hào)U0的波形如圖4.7所示，是有波動(dòng)的信號(hào)。圖4.7（2） 音響電路的信號(hào)波形和C1充電放電波形如圖4.8所示，C1沒(méi)有沒(méi)有充放電，音響信號(hào)也是沒(méi)有波動(dòng)，所以符合設(shè)計(jì)要求。其周期為1.23ms,說(shuō)以頻率在1200H左右符合設(shè)計(jì)要求。圖4.8 七、課程設(shè)計(jì)體會(huì)： 在這學(xué)期開(kāi) 始剛接觸電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分

16、）這本書(shū)，很多東西都是陌生的，不知道什么是二極管、三極管，不知道什么是運(yùn)算放大器，更不知道這些電子元器件組合起來(lái)會(huì)有什么用處。但是通過(guò)一個(gè)學(xué)期的學(xué)期，對(duì)模電這部分知識(shí)有了初步的認(rèn)知。尤其在這次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，感覺(jué)自己學(xué)到了不少東西。 這次的課程設(shè)計(jì)給了我們一次實(shí)踐的機(jī)會(huì)。通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)讓我們對(duì)課本的理論知識(shí)有了更深一步的了解和理解，同時(shí)也提高了我們的自主創(chuàng)新和自我設(shè)計(jì)能力。音調(diào)的產(chǎn)生是通過(guò)產(chǎn)生的方波和揚(yáng)聲器產(chǎn)生振動(dòng)，才發(fā)出聲音，這是我上網(wǎng)查過(guò)才知道的。同時(shí)，在不斷的查資料書(shū)籍中，我們知道了邏輯測(cè)試器的工作原理、輸入電路及判斷電路和原理、單調(diào)產(chǎn)生電路原理和揚(yáng)聲器的原理，再結(jié)合所學(xué)的模電知識(shí)

17、，畫(huà)出了電路原理圖。在這次的設(shè)計(jì)過(guò)程中我完成了對(duì)聲調(diào)提示的邏輯電平測(cè)試器的原理的熟悉，對(duì)各單元及整機(jī)電路的設(shè)計(jì)，以及電路中使用的元器的選型，同時(shí)在圖書(shū)管和電子數(shù)據(jù)庫(kù)中收集到大量的資料，給電路設(shè)計(jì)，元器件選型，以及后面寫(xiě)論文提供足夠的參考材料。最后通過(guò)不斷的嘗試、計(jì)算和調(diào)試測(cè)出了電路中和各參數(shù)。這次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到了不少麻煩，大多數(shù)都是因?yàn)樽约浩綍r(shí)的學(xué)習(xí)不夠認(rèn)真，很多問(wèn)題考慮的不夠全面，計(jì)算不夠仔細(xì)。麻煩多收獲也就越多，在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)會(huì)了怎樣計(jì)算，怎樣分析電路。也對(duì)原來(lái)學(xué)習(xí)的知識(shí)查缺補(bǔ)漏。體會(huì)到了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人員需要的耐心和毅力還有過(guò)人的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)是多么重要，而自己又有不少欠缺。所以通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)督促自己以后一定要一絲不茍的學(xué)習(xí)。參考文獻(xiàn)1趙淑范，王憲偉編。電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)。M北京：清華大學(xué)出版社，2006年。第163-167頁(yè)。2黃永定編。電子實(shí)驗(yàn)綜合實(shí)訓(xùn)教程。M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，