逻辑电平测试器的课程设计

课程设计的任务与目的

学生通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在《模拟电子技术》中所学的理论知识和实验技能，掌握常用的模拟电路的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力，为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。

课程设计的基本要求

掌握电子电路分析和设计的基本方法。包括：根据设计任务和指标初选电路；调查研究和设计计算确定电路方案；选择元件、安装电路、调试改进；分析实验结果、写出设计总结报告。

培养一定的自学能力、独立分析问题的能力和解决问题的能力。包括：学会自己分析解决问题的方法；对设计中遇到的问题，能通过独立思考、查询工具书和参考文献来寻找解决方案，掌握电路测试的一般规律；能通过观察、判断、实验、在判断的基本方法解决实验中出现的一般故障；能对实验结果独立的进行分析，进而做出恰当的评价。

掌握普通电子电路的生产流程及安装、布线、焊接等基本技能。 巩固常用电子仪器的正确使用方法，掌握常用电子器件的测试技能。

通过严格的科学训练和设计实践，逐步树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风，并逐步建立正确的生产观、经济观和全局观。

课设计任务 （一）设计目的

学习逻辑信号电平测试器的设计方法。 设计要求和技术指标

在检修数字集成电路组成的设备时，经常需要使用万用表对电路的故障部位的高低电平进行测量，以便分析故障原因。使用这些仪器能较准确地测出被测点信号电平的高低和被测信号的周期，但使用者必须一面用眼睛看着万用表的表盘或者示波器的屏幕，

一面寻找测试点，因此使用起来很不方便。本课题所设计的一起采用声音来表示被测信号的逻辑状态，高电平和低电平分别用不同声调的声音来表示，使用者无需分神去看万用表的表盘或示波器的荧光屏。 1.技术指标

（1）测量范围：低电平<，高电平>；

（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～之间时，不发出音响； （5）输入电阻大于20kΩ； （6）工作电源为5V； 2．设计要求

（1）进行方案论证及方案比较； （2）分析电路的组成及工作原理； （3）进行单元电路设计计算； （4）画出整机电路图； （5）写出元件明细表； （6）小结和讨论；

（7）写出对本设计的心得体会； 3.撰写内容要求：

（1）设计说明书一份（不少于10页）； （2）整机电路图一份（B5纸）； （3）元件明细表一份；

（4）正文层次分明、客观真实、绘图规范、书写工整、语言流畅；

（5）设计中引用的参考文献不少于5篇；

目 录

前 言 0

第一章 电平绪论

0

电平测试仪器及测试技术的发展状况 0 本文的主要工作 2

第二章 方案设计及比较

方案一 2 方案二 3 方案三 4 方案比较 5

2

第三章 声调提示的逻辑电平测试器的原理介绍 5

逻辑电平介绍及测试器的工作原理框图 5 输入电路及逻辑判断电路原理 6 音调产生电路原理 7 扬声器原理 9

第四章 各单元电路和整机电路的设计

输入和逻辑判断电路的设计 10 音响产生电路的设计 11 扬声器驱动电路的设计 13 元器件的选择 13 整机电路的设计 14

10

设计总结及心得体会 参考文献 16

15

前 言

在检修数字集成电路组成的设备时，经常需要使用万用表和示波器对电路中的故障部位的高低电平进行测量，以便分析故障的原因。使用这些仪器能较准确的测出被测点信号的电平的高低和被测电平的周期，但是使用者必须一方面用眼睛看着万用表的表盘或示 波器的屏幕，另一方面还要寻找测试点，因此使用起来很不方便。声调提示的逻辑电平测试器用声音来表示被测信号的逻辑状态，高电平和低电平分别用不同的声调的声音表示，使用者不需分神去看万用表的表盘或示波器的荧光屏。

该测试器采用运算放大器作电压比较器进行电平判断，根据电平高低使音响电路产生不同频率方波驱动扬声器，使扬声器有相应不同的声调输出提示。通过对基准电压的设定，可以对常用的电平标准TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS等进行测试判断。 关键词：放大器； 逻辑电平； 测试 ； 声调提示

第一章 电平绪论

随着电子技术和其他高技术的飞速发展，致使工业、农业、科技国防等领域以及人们社会生活发生了令人瞩目的变革。电子元器件和集成电路的发展，使各种电器，电子仪表设备微型化，多功能化和更加灵活。随之而来的电路测试和检测问题也应运而生，电平测试器就是在检修数字集成电路时经常用到的工具，人们也时常用万用表和示波器对电平中的故障部位的高低电平进行测量，都不如专用的逻辑电平测试器使用起来方便，快捷，电平测试器可以做成电平测试笔，便于携带和使用，采用声音或光色对电平高低加以提示，使得人们不用盯着显示器读数，直接得到结果。

电平测试仪器及测试技术的发展状况

目前市场中所使用的电平测试仪的性能以向智能化、数字化、操作简单化方向发展。如GK5110数字电平综合测试仪(高频通道测试仪)是集振荡器、宽频电平表、选频电平表、杂音仪、阻抗表、

载波通道自动测试仪、频率计等为一体的多功能仪表。仪表采用国际先进的双DDS技术、带flashROM的单片机、温补晶振TCXO，以及大规模集成的特殊电路开发成功的智能型、全数字化仪表[1]。

仪表测量精度高，电平稳定，具有自动量程、自动电平校正、自动快速搜索、近端单机和远端双机同步自动测试，测量结果具有数字和模拟两种指示，数据可存储，并通过RS232接口上传PC机，打印输出。

仪表频率范围200Hz～1700kHz，分辨率1Hz，频率误差±3×10-6，适用于平衡和同轴电缆FDM系统以及无线链路和卫星系统的基带电平测量，可广泛用于电力、邮电、铁路、等通信部门。由于发信的高电平(+18dB)和收信的高电平(+50dB)输入测量，以及输出口的自动保护功能，使仪表特别适用于电力载波、保护设备以及电力线载波通道的测试。例如高压输电线路、变电站等场所的电力线载波通道进行电平、衰减、串杂音、阻抗等高频参数测试，以及电力通信结合设备高频阻波器、结合滤波器、高频电缆的开通维护测试。

性能及特点：全数字化，大屏幕高清晰LCD汉字图形显示，菜单式操作。发信电平～+18dB，具有良好的频响和电平稳定度，输出纯度极高，是理想的高质量信号源。输出口设有自动保护电路，不会因强信号灌入而损坏输出电路，特别适用于继电保护高频收、发信机测试。

收信电平测量范围+50dB～-100dB，分辨率，具有自动量程、自动校正，电平测量稳定，精确度高。测量结果有数字和模拟棒两种指示。

电信号的电平，一般都是用正弦波的有效值为基准，以热电偶测量功率来定度它的电压值(电平值)，我们也叫做电平(电压)的有效值。这就是说信号电平和功率之间是以热电偶所产生的热量来联系的。我们知道，电功率是与信号波形无关的，而对于电平来说，我们所定度的正弦波那一定是无失真正弦波，否则要引入误差。

为了准确地测量信号的电平，一般正弦波信号不言而喻地用常规

电平表示测量有效值，如果是脉冲信号则一般测量它的峰值。在电视信号测试中，因为视频信号相当复杂，其信号大小是以行同步脉冲的峰值来定度，因此测定行同步脉冲峰值。 随着数字技术的发展，数字通信、计算机网路，数字电视的发展，各种调制的数字信号出现，它们怎样测量，这是一个非常重要的问题。目前常见的数字信号有FSK、PSK、ASK、CDMA、TDMA、FDMA、QPSK、QAM等。从测量的角度来看，无论那种调制数字信号，都可以把它当作在一定带宽内的噪声来对待。因此，我们用每赫兹功率电平(dBmV/Hz)的概念，将一定带宽的功率来表征信道的功率(dBmV)，笔者称为平均功率电平。 像频谱仪通常是测量正弦波的电平有效值，来表征电平[4]。

本文的主要工作

本文主要完成的是声调提示的逻辑电平测试器的原理、各单元的电路的设计过程、所用到的电子元器件的介绍。本文按照不同的内容，分三个章节进行组织。第一章为绪论，介绍了声调逻辑电平测试器的用途及产生背景，同时给出了目前电平测试仪表的发展状况；第二章介绍了几种方案及其比较，第三章介绍了标准电平，分析了所用电路的基本原理；第四章详细介绍了各个单元和完整电路的设计过程，设计电路原理图；最后设计总结。

第二章 方案设计及比较

方案一 Vi 输入电路 逻辑信号识别电路 示波器显示波形电路 方案一设计方框图

电路如图所示，该电路的输入信号Vi通过输入电路后，进入逻辑信号识别电路，经过该电路的识别比较，将信号分为高低电平两种信号，在通过二极管的限流，在示波器上将该波形显示出来。具体电路下图所示。

方案二

方案二设计方框图

如图所示：该电路由四部分组成，即输入电路，逻辑信号识别电路，音响信号产生电路和扬声器，在该电路中，电路的输入信号Vi由输入电路输出后，经过逻辑信号识别电路，在该电路中，通过比较器的比较测试，将该信号区分为高电平和低电平两个信号分别输入音响信号产生电路，在音响信号产生电路中，通过两个电容的充，放电过程，产生不同频率的脉冲信号，不同频率的脉冲信号使得扬声器发出不同的响声，通过响声的不同来区分高低电平的不同。具体电路下图所示。

方案三

方案三设计方框图

原理图如方案二，输入电路域逻辑判断电路域方案二相同，不同的地方在于音响产生电路。具体电路如下图所示。 其中555定时器构成多谐振荡器，震荡频率为

其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，由逻辑信号识别电路输出得到。当输入为高电平时，多谢振荡器工作；反之，电路停振。

方案比较

方案三用到了555定时器，相对于方案一和方案二简单，在通过频率相对应的阻值上简单，但考虑到了其成本较高，所以采用方案一和方案二。但由于方案一只是简单的对于高低电平的判断，并且在读取实验数据的过程中，一边要看设备的屏幕，另外还要注意，设备的工作情况，使用起来十分的不方便，并且，方案一的成本也很高。故本次课程设计中选取方案二作为本次课程设计的主要方案。

第三章 声调提示的逻辑电平测试器的原理介绍 逻辑电平介绍及测试器的工作原理框图

下图3-1为测试器的工作原理框图。本测试器采用运算放大器做电压比较，对电平进行测量。由下图可以看出电路由五部分组成。即：输入电路、逻辑状态判断电路、音响电路、发音电路和电源。

输入电路 逻辑状态 判断电路 音响声调产生电路 电源 图3-1测试器的工作原理框图

以上工作原理框图可使用与不同标准的电平的测试，，高电平为大于3V，低电平为小于1V。 电平测试器技术指标 (1)测量范围： 低电平< 高电平>

(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~之间时，不发出音响 (5)输入电阻大于20kΩ (6)工作电源5V

输入电路及逻辑判断电路原理

图3-2为测试输入和逻辑判断电路原理图。

图3-2中U1是被测信号。A1和A2为两个运算放大器。可以看出A1和A2分别与它们外围电路组成两个电压比较器。A2的同相端电压为1V左右(D1和D2分别为硅和锗二极管)，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1V时，A1反相端电压大于同相端电压，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1V-Uh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的比例可以控制高电平的范围，而通过改变运算放大器A2同相端电压，可以控制低电平，图中的二极管可以是分压电阻，所以经过分压电阻的调整，该逻辑电平测试器可以测量不同

的标准电平。

图3-2输入和逻辑判断电路

音调产生电路原理

图3-3为音调产生电路原理图。电路主要由两个运算放大器A3和A4组成。

图3-3音调产生电路

下面分三种情况说明电路的工作原理。 (1)当UA=UB=0V(低电平)时。

此时由于A和B两点全为低电平，所以二极管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C2两端的电压UC2，由于时一个随时间按指数规律变化的电压，所以A4输出电压不确定，但这个电压肯定的是大于或等于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将保持0V的电压不变，使A3输出为高电平。 (2)当UA=5V，UB=0V时

此时二极管D3导通，电容C1通过R6充电，UC1按指数规律逐渐升高，由于A3同相输入端电压为3V，所以在UC1达到3V之前，A3输出端电压为5V，C2通过R9充电。从图2-3可以看出C1的充电时间常数ι1=C1*R6，C2的充电时间常数ι2=C2(R9+rO3)，其中rO3为A3的输出电阻。假设ι1>ι2，则在C1和C2充电时，当UC1达到3V时，UC2已接近稳态时5V。因此在UC1升高到3V后，A3同相

端电压小于反相端电压，A3输出电压由5V跳变为0V,使C2通过R9和rO3放电，UC2由5V逐渐降低。当UC2降到小于A4反相端电压(3V)时，A4输出端电压跳变为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，所以UC1将迅速降到0V左右，这导致A3反相端电压小于同相端电压，A3的输出电压又跳变为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的波形如下图所示。

uC1 t uC2 5V 3V t u0 t t1 t2 扬声器原理 扬声器主要有永久磁铁、线圈、和锥形纸盆组成。强弱按声音变化的电流，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出声音。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、广播以及各种

需要扬声的场合都需要使用扬声器。扬声器的主要性能指标有：灵敏度、频率响应、额定功率、额定阻抗、指向性以及失真等[9]。 扬声器频率响应，在恒定电压作用下，在参考轴上距参考点一定距离处，扬声器所辐射的声压级随频率变化的特性。频率响应一般是记录在以对数频率刻度为横坐标的图上，即频率响应曲线[10]

。

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，所以有高、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:声音的独特性，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，根据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。

第四章 各单元电路和整机电路的设计 输入和逻辑判断电路的设计

图4-1输入和逻辑判断电路

输入和逻辑判断电路如图所示。输入电路由R1和R2组成。电路

作用时保证测示器输入端悬空时，U1即不是高电平，也不是低电平。一般情况下，在输入端悬空时，UI=。根据技术指标要求输入电阻大于20kΩ，因此可得：

R2*VCC= (3-1) R1R2R1*R220k (3-2) R1R2可求出 R1=71kΩ R2=Ω 联系列值 R1=75kΩ R2=30kΩ

R3和R4的作用是给A1的反相端提供一个的电压(高电平的基准)。因此只要保证

R3* (3-3) R3R4即可

R3，R4取值过大时容易引入干扰，取值过小时则会增大耗电量。工程上一般在几十千欧到数百千欧间选取。因此选取R3=68kΩ，根据公式

R3* 其中VCC=5V (3-4) R3R4可得到：R329kΩ,取R4=30kΩ。

R5为二极管D1，D2的限流电阻。D1和D2的作用是提供低电平信号基准，按给定技术指标低电平为1V，取D1为锗二极管，D2为硅二极管，这样可使A2同相端电压为1V。取R5=Ω。

音响产生电路的设计

图4-2为音响产生电路的电路图

图4-2中R10和R11的作用与图中的R3和R4的作用相同。取R10=68kΩ R11=30kΩ。D3，D4和D5均为锗二极管2AP9. 我们选取 2=

因为 2=R9*C2 选取 C2=

所以 R9=

20.5ms==60kΩ C20.01uF又因 T=t1+t2=1+2=1+*103 根据给定要求

1=R6*C1 (被测信号为高电平) 或 1'=R7*C1 (被测信号为低电平)

我们选取C1=，由于技术指标中给定当被测信号为高电平时，音响频率为1kHz；被测信号为低电平时，音响频率为800Hz。所以被测信号为高电平时

因为 T==1ms

所以 1+2=1*103

1f 1+*103=1*103 1≈

0.65*103R6==kΩ

C10.1*1061所以 R6=Ω

当被测信号为低电平时，音响频率为800Hz，此时 因为 T==

1f1ms= 800所以 1'+*103=*103 1'≈

0.86*103R7===Ω

C10.1*106 扬声器驱动电路的设计

1'图4-1驱动电路

驱动电路4-1如图所示。由于驱动电路的工作电源电压比较低，因为对三级管的耐压要求不高。选取3DG12为驱动管，R为限流电阻，本电路选取R=10kΩ.

在上一级的音频产生电路中，高电平会使其产生1kHz的方波，低电平会使其产生500Hz的方波，经过驱动管3DG12后驱动扬声器发声，使之发出不同音调的声音。

元器件的选择

选取标称值，即元件库里所有的实际元件，按最接近的值选取。即：

R1=75K， R2=30K R3=30K， R4=68K R5=， R6= R7=， R8=

R9=60K， R10=68K R11=30K,

C1= ， C2=

运算放大器：LM324 二极管：2AP9，普通锗、硅二极管各一个 三极管：8050 万能板一块、导线若干

整机电路的设计

4-5声调提示的逻辑电平测试器的整机电路

图4-5为声调提示的逻辑电平测试器的整机电路整机电路由三部分组成：输入与逻辑判断电路、音响产生电路、扬声器驱动电路组成。

UI测试点的接入口，接入被测量，被测电压与图中U1、U2的基准电压比较，其中U1为高电平标准，U2为低电平标准。以上设计均为将U1设定为3V，U2设定为。此两点的电压采用的是分压发控制，可采用可变式电阻分压，即可控制不同标准电平。若以TTL (VCC：5V：VIH>=2V；VIL<=1V)电平为例，则设置U1=2V，U2=1V。通过控制此处即可控制该测试器的测量标准。

其中的音调产生电路主要产生对应高低电平的两种不同频率的方波，方波的频率与电平的高低无关，只于电路中充电、放电电路中的电阻、电容的大小有关，控制充放电电路中R、C的大小可以控制扬声器产生不同的音调。

该整机电路用到了四个LM324运算放大器，刚好一片LM324集成运放芯片。

设计总结及心得体会

经过一周努力，逻辑电平测试器的设计得以完成。我们的设计主要采用了逻辑电平标准，放大器，电路设计的方面的知识。在这个过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，以及电路中使用的元器的选型，同时在图书管和电子数据库中收集到大量的资料，给电路设计，元器件选型，以及后面写论文提供足够的参考材料。

该设计的原理就是通过LM324进行电平(电压)比较及通过RC电路产生脉冲信号来驱动扬声器来发出声音，都是模拟电路的一些知识，看起来是比较基础的，但是标准电平的种类是很多的，而却有高电平和低电平之间的差距是很小的，要实现对不同种类的逻辑电平的准确测量、准确的提示，要求我们在完成设计的同时，在精确、稳定上要下功夫，通过仔细的计算和选型，选择最适合的电阻阻值，电容，二极管，三极管等，并通过示波器的测量值的对比来对该测试器的测量进行检验，即确定该测试期的检验结果是否符合要求。虽然看似原理是不难的，但要完成预期的性能指标，完成电路的设计，并且使之达到相应的功能和性能指标要求，还是要仔细认真的一步一步的分析，通过反复试验做出来，在老师的指导下修改并完善。充分发挥我们自己的主观能动性，锻炼我们的动手能力，巩固课堂所学知识，培养和锻炼了虚心求

教、克服困难、刻苦钻研技术的精神，计算机网上查询检索能力，计算机绘图能力，动手设计制作能力，电子电路的应用能力以及智能仪器设计能力。 通过这次设计，对电子技术方面的知识也是一次很好的复习，尤其对测量、电子技术方面的专业知识在系统设计方面进行一次较完整的训练，能较好地培养我们的工程实践能力，是一次难得的理论与实践相结合的机会。

参考文献

[1]康华光．电子技术基础（模拟部分）．北京：高等教育出版社，2006． [2]金凤莲．模拟电子技术基础实验与课程设计．山东: 清华大学出版社,2009． [3]王绍纯．自动检测技术．北京：冶金工业出版社,2000．

[4]董友祥．智能仪器的设计及发展．山西电子技术出版社，2006．

[5]基于Multisim的电子系统设计仿真与综合应用.北京:人民邮电出版社,2012. [6]路勇．电子电路实验及仿真．北京:清华大学出版社，2004．