逻辑电平信号测试器.docx
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逻辑电平信号测试器.docx
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逻辑电平信号测试器
(此处字体为四号宋体并与上左对齐)
画电理图
(此处字体为四号宋体)
画电路的原理框图
(黑体小二)
(标题为黑体小初)
电子技术课程设计
——逻辑信号电平测试器
2021年6月24日
逻辑信号电平测试器
一、设计任务
1.设计目的:
(1)学习逻辑信号电平测试器的设计方式;
(2)把握其各单元电路的设计与测试方式;
(3)进一步熟悉电子线路系统的装调技术.
2.技术指标:
(1)测量范围:
低电平<0.8V,高电平>3.5V;
(2)用1KHZ的音响表示被测信号为高电平;
(3)用800HZ的音响表示被测信号为低电平;
(4)当被测信号在0.8~3.5V之间时,不发出音响;
(5)输入电阻大于20KΩ;
(6)工作电源为5V
二、设计方案论证
图2.1测试器的原理框图
图2.2方案一的总设计图
其中555按时器组成多谐振荡器,其输出信号经三极管推动扬声器。
PR为操纵信号,由逻辑信号识别电路输出取得。
当入为高电平常,多谐振荡器工作;反之,电路停振。
图2.3测试器的原理框图
图2.4测试器的原理框图
方案一运用到了“555按时器”,相关于方案二简单,在通过频率计算相对应的电阻值上简单方便,可是考虑到其本钱高于LM324芯片,最终决定采取方案二作为实现方案。
三、电路结构及其工作原理
1.电路的结构框图:
图测试器原理框图
2.电路的原理图:
图2声调提示的逻辑电平测试器的整机电路
3.电路工作原理:
由图1能够看出电路由五部份组成:
输入电路、逻辑状态判定电路、音响电路、发音电路和电源。
(1)输入电路及逻辑判定电路
图为测试器的输入和逻辑判定电路原理图。
以A1和A2的输出电压均为低电平。
当U1大于UH时,A1输出端UA为高电平,A2输出端UB为低电平。
通过改变R3和R4的比例图2-2中U1是被测信号。
A1和A2为两个运算放大器。
能够看出A1和A2别离与它们外围电路组成两个电压比较器。
A2的同相端电压为左右(D1和D2别离为硅和锗二极管),A1的反相端电压UH由R3和R4的分压决定。
当被测电压U1小于时,A1反相端电压大于同相端图3.1输入和逻辑判定电路
电压,使A1输出端UA为低电平(0V)。
A2反相端电压小于同相端电压,使它输出端UB为高电平(5V)。
当U1在H之间时,A1同相端电压小于UH,A2同相端电压也小于反相端电压,所能够操纵高电平的范围,而通过改变运算放大器A2同相端电压,能够操纵低电平。
图中的二极管能够是分压电阻,因此经过分压电阻的调整,该逻辑电平测试器能够测量不同的标准电平。
(2)音调产生电路
图为音调产生电路原理图。
电路要紧由两个运算放大器A3和A4组成。
图音调产生电路单元电路
下面分三种情形说明电路的工作原理:
(1)当UA=UB=0V(低电平)时。
现在由于A和B两点全为低电平,因此二极管D3和D4截止。
因A4的反相输入端电压为,同相端输入电压为电容C2两头的电压UC2,由于时一个随时刻按指数规律转变的电压,因此A4输出电压不确信,但那个电压确信的是大于或等于0V,因此二极管D5也是截止的。
由于D3,D4和D5均处于截止状态,电容C1没有充电回路,UC1将维持0V的电压不变,使A3输出为高电平。
(2)当UA=5V,UB=0V时
现在二极管D3导通,电容C1通过R6充电,UC1按指数规律慢慢升高,由于A3同相输入端电压为,因此在UC1达到之前,A3输出端电压为5V,C2通过R9充电。
从图2-3能够看出C1的充电时刻常数ι1=C1*R6,C2的充电时刻常数ι2=C2(R9+rO3),其中rO3为A3的输出电阻。
假设ι1>ι2,那么在C1和C2充电时,当UC1达到时,UC2已接近稳态时5V。
因此在UC1升高到后,A3同相端电压小于反相端电压,A3输出电压由5V跳变成0V,使C2通过R9和rO3放电,UC2由5V慢慢降低。
当UC2降到小于A4反相端电压(3.5V)时,A4输出端电压跳变成0V,二极管D5导通,C1通过D5和A4的输出电阻放电。
因为A4输出电阻很小,因此UC1将迅速降到0V左右,这致使A3反相端电压小于同相端电压,A3的输出电压又跳变成5V,C1再一次充电,如此周而复始,就会在A3输出端形成矩形脉冲信号。
UC1、UC2和UO的波形如图所示。
图UC1、UC2和UO的波形
(3)当UA=0、UB=5V时
现在电路的工作进程与UA=5V,UB=0V时相同,唯一的区别是由于D4导通D3截止,UB高电平通过R7,D4向C1,因此C1充电时刻常数改变了,使UO的周期会发生相应的转变。
(3)扬声器驱动电路原理
扬声器要紧有永久磁铁、线圈、和锥形纸盆组成。
强弱按声音转变的电流,使扬声器内电磁铁的磁性忽强忽弱,线圈就向里或外运动,带动纸盆发生震动发作声音。
将电能转化为声能,并将它辐射到空气中的一种电声换能器件。
电影、电视、广播和各类需要扬声的场合都需要利用扬声器。
扬声器的要紧性能指标有:
灵敏度、频率响应、额定功率、额定阻抗、指向性和失真等。
扬声器频率响应,在恒定电压作用下,在参考轴上距参考点必然距离处,扬声器所辐射的声压级随频率转变的特性。
频率响应一样是记录扬声器驱动电路在以对数频率刻度为横坐标的图上,即频率响应曲线。
不同规格、口径的扬声器能够发出不同的音调,(不同频率范围的),不可能全频段都兼顾,因此有高、中、低、音之分。
声音的三要素——响度、音调、音品(音色)
响度:
声音大小声,与发音体产生的声波振幅有关
音调:
声音的高低,与发音体产生的振动频率有关
音品:
声音的专门性,与发音体产生的波形有关
本设计就利用了音调的高低与发音体的震动频率有关的原理,依照音响电路中产生的不同频率的方波驱动扬声器发出不同音调声音。
四、电路要紧元件简介
1.集成运算放大器LM324
那个地址要紧介绍电路中所用到的集成运算放大器LM324。
LM324系列器件为
价钱廉价的带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用处合的标准运算放大器相较,它们有一些显著优势。
该四放大器能够工作在低到3.0伏或高到32伏的电源下,静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源,因此排除在许多应用处合中采纳外部偏置元件的必要性。
LM324四运放是集成电路,它采纳14脚双列直插塑料封装,外形如下图。
它的内部包括四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放彼此独立。
每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。
两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同,如图3.1,LM324的引脚排列见图3.1.
由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源利用,价钱低廉等优势,因此被普遍应用在各类电路中。
2.比较器
当去掉运放的反馈电阻时,或说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上以为运放的开环放大倍数也为无穷大(事实上是专门大,如LM324运放开环放大倍数为100dB,既10万倍)。
现在运放便形成一个电压比较器,其输出如不是高电平(V+),确实是低电平(V-或接地)。
当正输入端电压高于负输入端电压时,运放输出低电压。
五、电路仿真进程及结果
1.仿真条件:
在proteus环境下
2.仿真参数:
R1=75K
,R2=30K
R3=30K
,R4=68K
R5=68K
,R6=13K
,R10=5K
C
=0.1uf,C
=0.01uf
运算放大器:
LM324二极管:
2AP9
一般锗、硅二极管各一个
三极管:
8050
全能板一块、导线假设干
3.仿真结果:
(1)当输入的被测逻辑电平信号为5V,大于3.5V时的波形时:
输出信号U0的波形是有波动的信号。
音响电路信号波形的周期是1.025ms,其频率为1Khz。
现在C1的充电按时刻常数充电,放电由于放电电路电阻很小刹时放电,符合设计要求。
(2)当输入的被测逻辑电平信号为2.3V,大于1.2V小于当4V时的波形时:
输出信号U0的波形是没有波动的信号。
现在音响电路的信号波形和C1充电放电波形都没有波动,符合设计要求。
(3)当输入的被测逻辑电平信号为0.3V小于1.2V时的波形时:
输出信号U0的波形是有波动的信号。
音响电路的信号波形的周期为1.23ms,其频率为1200HZ左右。
现在C1有充放电,符合设计要求知足下面的输入输出关系,因此设计是成功的。
输入输出关系
输入
Va
Vb
Vi 低 高 Vl 低 低 Vi 高 低 六、电路安装与调试 1.查验电路各部份是不是导通 依照电路图连接仿真电路,如图4-1所示,由于在仿真进程中,观看到电容C1之充电不能放电,是因为比较电压太高,为此我在比较电压器加上了一个分压电路,能够保证C1能放电,同时有发觉输出频率不知足要求,因此又把R7和R8的电阻值减小,就知足了频率在高电平是为1KHz,在低电平是为800Hz设计体会: 图6.1改装后的图 2.调试及测定要紧参数 改变输入逻辑信号的大小: 当输入的被测逻辑电平信号为12,大于4V时的波形: (1)输出信号U0的波形如图所示。 图 (2)音响电路的信号波形如图所示,其信号周期是1.025ms,其频率为2Khz,符合设计要求。 图 (3)C1的充放电波形图如图所示。 符合设计要求,其充电按时刻常数充电,放电由于放电电路电阻很小刹时放电,所得波形为图所示 图 4.2.2输入的被测逻辑电平信号为2,3V,大于1.2V小于当4V时的波形: (1)输出信号U0的波形如图所示。 是没有波动的信号。 图 (2)音响电路的信号波形和C1充电放电波形如图所示,C1没有无充放电,音响信号也是没有波动,因此符合设计要求。 , 图 4.2.3当输入的被测逻辑电平信号为0.3V,小于1.2V时的波形: (1)输出信号U0的波形如图所示,是有波动的信号。 图 (2)音响电路的信号波形和C1充电放电波形如图所示,C1没有无充放电,音响信号也是没有波动,因此符合设计要求。 其周期为1.23ms,说以频率在1200H左右符合设计要求。 图 七、课程设计体会: 在这学期开始刚接触电子技术基础(模拟部份)这本书,很多东西都是陌生的,不明白什么是二极管、三极管,不明白什么是运算放大器,更不明白这些电子元器件组合起来会有什么用途。 可是通过一个学期的学期,对模电这部份知识有了初步的认知。 尤其在这次课程设计的进程中,感觉自己学到了很多东西。 这次的课程设计给了咱们一次实践的机遇。 通过这次的课程设计让咱们对讲义的理论知识有了更深一步的了解和明白得,同时也提高了咱们的自主创新和自我设计能力。 音调的产生是通过产生的方波和扬声器产生振动,才发作声音,这是我上网查过才明白的。 同时,在不断的查资料书籍中,咱们明白了逻辑测试器的工作原理、输入电路及判定电路和原理、单调产生电路原理和扬声器的原理,再结合所学的模电知识,画出了电路原理图。 在这次的设计进程中我完成了对声调提示的逻辑电平测试器的原理的熟悉,对各单元及整机电路的设计,和电路中利用的元器的选型,同时在图书管和电子数据库中搜集到大量的资料,给电路设计,元器件选型,和后面写论文提供足够的参考材料。 最后通过不断的尝试、计算和调试测出了电路中和各参数。 这次课程设计的进程中碰到了很多麻烦,大多数都是因为自己平常的学习不够认真,很多问题考虑的不够全面,计算不够认真。 麻烦多收成也就越多,在这次课程设计进程中,学会了如何计算,如何分析电路。 也对原先学习的知识查缺补漏。 体会到了物联网专业人员需要的耐心和毅力还有过人的专业基础知识是何等重要,而自己又有很多欠缺。 因此通过这次课程设计催促自己以后必然要一丝不苟的学习。 参考文献 [1]赵淑范,王宪伟编。 电子技术实验与课程设计。 [M]北京: 清华大学出版社,2006年。 第163--167页。 [2]黄永定编。 电子实验综合实训教程。 [M]北京: 机械工业出版社,2004年。 第146--151页。 [3]姚福安.电子电路设计与实践.山东: 山东科学技术出版社,2002.133-145 [4]罗会昌.电工电子技术实验与课程设计.北京: 中国科学科技大学出版社,2005. [5]高吉祥主编。 电子技术基础实验与课程设计。 [M]北京: 电子工业出版社,2005年。 第89--94页。 [6]毕满清主编,电子技术实验与课程设计。 [M]北京: 机械工业出版社,2005年7月。 第174--180页 [7]杨志亮.Protel DXP电路原理图设计技术.陕西: 西北工业大学出版社,2002.65-96 [8]柯南.电路设计Protel之Schematic.北京: 中国铁道出版社,2000.123-126
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