逻辑信号电平测试器的设计.doc

大连工业大学课程设计报告

课程设计（论文）

题 目：逻辑信号电平测试器的设计

专 业： 通信工程 指导教师：兰振平
学生姓名： 班级学号：151-32

2016年12月17日

目录
第一章 绪 论 4
1.1设计的主要目的 4
1.2 课题研究及其意义 4
1.3电平测试仪器及测试技术的发展状况 5
第二章 方案设计与比较 8
2.1 方案一 8
2.2 方案二 9
2.3 方案三 10
2.4 方案比较 11
第三章 逻辑电平测试器的介绍 12
3.1 逻辑电平测试器的工作原理框图 12
3.2 输入电路及逻辑判断电路 13
3.3 音调产生电路原理 14
第四章 各单元电路和整机电路的设计 18
4.1 输入和逻辑判断电路的设计 18
4.2 音响产生电路的设计 20
4.3 示波器显示波形的设计 22
4.4元器件的选择 23
4.5整机电路的设计 24
第五章对逻辑电平测试器的检测和调试 25
5.1 检验电路各部分是否导通 25
5.2 调试及测定主要参数 26
5.3记录参数并总结分析 33
设计总结及心得体会 34
参考文献 36

第一章 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。
1.1设计的主要目的
1.1.1 学习逻辑信号电平测试器的设计方法；
1.1.2 掌握其各单元电路的设计与测试方法；
1.1.3 进一步熟悉电子线路系统的装调技术。
1.2 课题研究及其意义
在平常的实验中，经常要遇到测试一些数字电路的电平信号；在测试这些数字电路或是检测其功能的时候要测试其是高电平还是低电平，以方便后续的维修和检验。一般来说检测信号的时候都是要利用万用表和示波器来进行检测和判断，但是这只是一个简单的判断，而其操作起来比较繁琐，一边要看设备的屏幕，另外还要注意设备的工作状况，稍有疏忽就会导致检测不准确，从而影响到器件的制作。所以想到了是否可以制作一个简单的电子电路用来方便判断数字电路的信号的输出状况，不仅可以准确的测试出高、低电平，而且也不用那么繁琐的操作，再进过仔细的研究和反复的实验中，制作成了一个逻辑电平测试器，其目的就是一种可以简单判断是高电平还是低电平的逻辑电路。
1.3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。
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-77.9dB～+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0.01dB，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。
备有各种输出、输入阻抗，适于与通信设备作终端或跨接测量。具有dB和dBm两种测量单位，可根据需要切换，直接显示而不用换算。
具有25Hz和1.74kHz两种选频带宽，良好的选择性和极低的固有失真，使电平表不仅作电平和串杂音测量，还可作波形分析。采用1.74kHz带宽可长期监测线路衡重杂音电平。
“AFC”功能可全频段跟踪被测信号，自动搜索功能快速准确地搜寻测量未知信号的电平和频率。近端单机自动环测，远端双机自动同步对测，自动测量载波通道，高频保护通道的电平、衰减、幅频特性、衡重杂音、线路阻抗等高频参数。且具有RS232串行接口，数据可存储并上传PC机打印输出。
下面介绍一种用频谱分析测量数字信号电平的技术。
在数字电视、数字传输、数据通信中，其信号是采用多种调制方式的数字信号，这时的数字信号电平已不能用一般传统的方法来定度和测量，本文将引入每赫兹带宽功率(dBmV/Hz)法解决数字电平测量。
电压是电子学的基本参数，也称电平。电平和电压是同一个参数，一般来说，它们的区别在于单位不同。电压是以伏(V)作单位，如V、mV、μV、kV等；电平是以dB作单位，如dBv、dBmV、dBμV等。
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。
第二章 方案设计与比较
2.1 方案一

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。

2.2 方案二

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。

2.3 方案三

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。
2.4 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，其中涉及的数电知识还未学习，并不算了解。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。方案二主要用到了运放电路，模电有学到。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 逻辑电平测试器的介绍
3.1 逻辑电平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。

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3.5V，低电平为小于0.8V。
电平测试器技术指标
(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0.8V~3.5V之间时，不发出音响
(5)输入电阻大于20kΩ
(6)工作电源5V
由于在仿真过程中没有找到合适的扬声器，所选择的扬声器频率不能改变，不能根据频率的不同发出不同的音响，所以在本设计中，用输出信号的波形来观察周期，计算出频率，从而推算出输入信号是高电平还是低电平。
3.2 输入电路及逻辑判断电路
图3-2中U1是被测信号。U1A和U1B为两个运算放大器。可以看出U1A和U1B分别与它们外围电路组成两个电压比较器。U1B的同相端电压为0.8V左右，U1A的反相端电压Uh由R3和R4的分压决定。当被测电压U1小于0.8V时，U1A反相端电压大于同相端电压，使U1A输出端UA为低电平(0V)。U1B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0.8V-Uh之间时，U1A同相端电压小于UH，U1B同相端电压也小于反相端电压，所以U1A和U1B的输出电压均为低电平。当U1大于UH时，U1A输出端UA为高电平，U1B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U1B同相端电压，可以控制低电平，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。
B
A

图3-2输入和逻辑判断电路
3.3 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U1C和U1D组成。
B
A
U0

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D1和D2截止。因U1D的反相输入端电压为3.5V，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U1D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D3也是截止的。由于D1，D2和D3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U1C输出为高电平。
(2)当UA=5V，UB=0V时
此时二极管D1导通，电容C1通过R9充电，UC1按指数规律逐渐升高，由于U1C同相输入端电压为3V，所以在UC1达到3V之前，U1C输出端电压为5V，C2通过R10充电。从图3-3可以看出C1的充电时间常数τ1=C1*R7，C2的充电时间常数τ2=C2(R10+rO3)，其中rO3为U1C的输出电阻。假设τ1>τ2，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，U1C同相端电压小于反相端电压，U1C输出电压由5V跳变为0V,使C2通过R10和rO3放电，UC2由5V逐渐降低。当UC2降到小于U1D反相端电压(3V)时，U1D输出端电压跳变为0V，二极管D3导通，C1通过D3和U1D的输出电阻放电。因为U1D输出电阻很小，所以UC1将迅速降到0V左右，这导致U1C反相端电压小于同相端电压，U1C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U1C输出端形成矩形脉冲信号。UC1、UC2和UO的波形如下图所示。
3.V
t
uC1

UC2

3V
5V
t

t2
t1
u0
t

图3-3 UC1、UC2和UO的波形
由图3-3可以看出U1C的输出电压U0的周期
T=t1+t2 (2-1)
根据一阶电路的响应特点可知，在t1期间电容C1充电，UC1(t)=5(1-e)，在t2期间电容C2放电，UC2(t)=5e。根据UC1(t)和UC2(t)的表达式可以分别求出：
t1 =﹣τ1 ln0.3≈1.2τ1 (2-2)
t2 =﹣τ2 ln0.7≈0.36τ2 (2-3)
这就是说只要改变时间常数，即可改变U0的周期。
（3）当UA=0，UB=5V时
此时电路的工作过程与UA=5V，UB=0V时相同，唯一的区别是由于D2导通D1截止，UB高电平通过R7,D2向C1，所以C1充电时间常数改变了，使U0的周期会发生相应的变化。

第四章 各单元电路和整机电路的设计
4.1 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=1.4V。根据技术指标要求输入电阻大于20kΩ，因此可得：
(3-1)

(3-2)

可求出 R1=71kΩ R2=27.6kΩ
取标称值 R1=75kΩ R2=30kΩ
R3和R4的作用是给U1A的反相端提供一个3.5V的电压(高电平的基准)。因此只要保证
*VCC3.5V (3-3)
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=70kΩ，根据公式可求得：R429kΩ,取R4=30kΩ。
同理，R5 和R6 作用是给U1B的同相输入端提供低电平信号基准，计算后取R5 =21 kΩ、R6 = 4kΩ。
4.2 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R11和R12的作用与图中的R3和R4的作用相同。取R12=70kΩ R11=30kΩ。D1，D2和D3均为锗二极管1N6095.
我们选取
=0.4ms
因为
=R10*C2
选取
C2=0.01uF
所以
R10===40kΩ
又因
T=t1+t2=1.2+0.36=1.2+0.144*10
根据给定要求
=R7*C1 (被测信号为高电平)
或
=R8*C1 (被测信号为低电平)

我们选取C1=0.1uF，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+0.36=1*10
1.2+0.14*10=1*10
≈0.72ms
R7==kΩ
所以
R7=7.2kΩ
当被测信号为低电平时，音响频率为800Hz，此时
因为
T==ms=1.25ms
所以
1.2+0.14*10=1.25*10
≈0.92ms
R8===9.2kΩ
4.3 示波器显示波形的设计
由于Multisim13中提供的扬声器频率不可变，故不能根据音响来判断电平的高低，此处我们选用示波器，将示波器接在运放的输出端，可以根据示波器中波形的周期来计算频率从而得出电平的高低，示波器电路图如图所示。

4.4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=70K ， R4=30K
R5=21K ， R6=4K
R7=7.6K ， R8=8.8K
R9=10K ， R10=40K
R11=30K ， R12=70K
C 1=0.1uf ， C 2=0.01uf
运算放大器：LM324 AD 二极管：1N6095
三极管：2N5551 万能板一块、导线若干
4.5整机电路的设计

图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3.5V，U2设定为0.8V。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。

第五章对逻辑电平测试器的检测和调试
5.1 检验电路各部分是否导通
按照电路图连接仿真电路，电路可以正常工作，有波形输出，但是发现输出频率不满足要求，所以又把R7和R8的电阻值减小，满足了频率在高电平是为1KHz，在低电平是为800Hz。
5.2 调试及测定主要参数
改变输入逻辑信号的大小：
5.2.1当输入的被测逻辑电平信号为6V，大于3.5V时的波形：
输出信号U0的波形如图5-2所示。

图5-2
（1） 音响电路的信号波形如图5-3所示，其信号周期是1.009ms，其频率为1Khz，符合设计要求。

图5-3

（2） C1的充放电波形图如图5-4所示。符合设计要求，其充电按时间常数充电，放电由于放电电路电阻很小瞬间放电，所得波形为图5-4所示。
图5-4

5.2.2输入的被测逻辑电平信号为2.5V，大于0.8V且小于3.5V时的波形：
（1）输出信号U0的波形如图5-5所示，是没有波动的信号

图5-5

（2）音响电路的信号波形和C1充电放电波形如图5-6所示，C1没有没有充放电，音响信号也是没有波动，所以符合设计要求。

图5-6

5.2.3当输入的被测逻辑电平信号为0.3V，小于0.8V时的波形：
（1）输出信号U0的波形如图5-7所示，是有波动的信号。

图5-7

（2）音响电路的信号波形和C1充电放电波形如图5-8所示，C1没有没有充放电，音响信号也是没有波动，所以符合设计要求。其周期为1.25ms左右,所以频率在800Hz左右,符合设计要求。

图 5-8

5.3记录参数并总结分析
由测试结果可知：
（1）当输入的被测逻辑电平信号为6V，大于3.5V时的波形：
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1.009ms，其频率为1KHz。此时C1的充电按时间常数充电，放电由于放电电路电阻很小瞬间放电，符合设计要求。
（2）当输入的被测逻辑电平信号为2.5V，大于0.8V且小于3.5V时的波形：
输出信号U0的波形是没有波动的信号。此时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0.8V时的波形：
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1.248ms,其频率为800HZ左右。此时C1有充放电，符合设计要求。
满足下面的输入输出关系，所以设计是成功的。

设计总结及心得体会
这学期初接触到了模拟电路，刚开始学的时候一头雾水，很多元器件的作用和原理搞不清楚。但是经过一个学期的学习，对模电相关的知识有了大体的了解。尤其是在这次课设的过程中，把以前学过的东西温习了一遍，同时又学到了很多新东西，加深了对课本理论知识的理解。
经过接近两周的努力，逻辑电平测试器终于完成。我们的设计主要采用了电压比较电路、运算放大器、电路设计的方面的知识。在这个过程中我完成了对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，同时在图书馆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。
这次课程设计提供了一次实践的机会，通过这次课程设计，提高了我的自主创新和自我设计能力，动手能力也大大增强。这次课设我们查阅了大量资料，了解了逻辑电平测试器的工作原理，通过对各个单元电路的设计最终画出了电路图。其中我们加深了对逻辑判断电路和扬声器驱动电路、以及设计中元器件的选型的理解。最后通过不断的调试、改良，和对参数的修改，达到了预期的效果，完成了本次课设。
虽然本次课设中遇到了很多棘手的问题，大多是学习过程中的不认真，基础知识掌握不牢固，对问题考虑不够全面造成的。以后要加强基础知识的学习，同时做事情也要认真严谨，一丝不苟。
在接近两个礼拜的课设期间，我和我的队友相互讨论、共同研究，同时在老师和学长的帮助下，课设论文最终得以完成。在论文即将完成之际，感谢兰老师的悉心答疑，为我们的课设排异解惑，感谢集成所学长和同学的关心和帮助，感谢队友的陪伴与支持。虽然测试过程不是很顺利，但我们团队相互讨论找出了问题所在，体现了我们的团队精神。在以后的人生中，我们仍将不断学习，排除万难，继续前进。这次设计会成为我们人生中一笔宝贵的财富，我们也更有信心，在以后的学习生活中稳步前进，迎接未来！

参考文献
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