逻辑信号电平测试器的设计1. 技术指标设计、组装、调试逻辑信号电平测试器。
测试器测量范围：低电平小于0.8V，高电平大于3.5V;用1KHz的音响表示被测信号是高电平，用800Hz的音响表示被测信号是低电平，当被测信号在0.8--3.5V之间时，不发出音响; 工作电源为5V。
2. 设计方案及其比较2.1 逻辑信号电平测试器的基本原理电路由输入电路、逻辑判断电路、音响信号产生电路和音响驱动电路，由四部分子电路组成。
电路的输入信号Vi由输入电路输出后，经过逻辑判断电路，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，在音响驱动电路中，不同频率的脉冲信号使得扬声器发出不同音调的响声，通过音调的不同来区分高低电平的不同。
2.2 方案一图1为方案一的电路原理图。
电路由输入电路、逻辑判断电路、音响信号产生电路和音响驱动电路，由四部分子电路组成。
图1 方案一的原理图2.2.1 输入电路由R1和R2组成，电路的作用是保证测试器输入端悬空时，输入电压既不是高电平，也不是低电平。
一般情况下，在输入端悬空时，输入电压取Vi=1.4V。
根据技术指标要求输入电阻大于20KΩ。
由此可得：1.4V=R2/(R1+R2)5V，R1//R2=20KΩ。
理论值计算得：R1=71.4K Ω，R2=27.8ＫΩ。
2.2.2 逻辑判断电路R3和R4的作用是给U1的反相输入端提供一个3.5V的电压（高电平的基准平的基准）；R5 为二极管D1、D2的限流电阻。
D1、D2的作用是提供低电平信号基准具体逻辑判断情况是：当输入是高电平时，Vu1=5V，Vu2=0；当输入是低电平时，Vu1=0V，Vu2=5V; 当输入在0.8~3.5V之间，则Vu1=Vu2=0.由此可得：R4/（R4+R3）·5V=3.5V。
所以理论上，R3：R4=3:7。
2.2.3 音响信号产生电路主要由两个比较器U3和U4组成，根据前面对逻辑判断电路输出的研究，分三种情况讨论。
（1）当输入在0.8~3.5V之间，则Vu1=Vu2=0：由于稳态时，电容C1两端电压为零，并且此时Vu1和Vu2两输入端均为低电平，二极管D3和D4截止，电容C1没有充电回路，而U3的同相输入端为基准电压3.5V，使得U3的同相端电位高于反相端，输出为高电平即5V。
输出通过电阻R9按指数规律为电容C2充电，达到稳态时电容C2的电压为高电平，U4的同相端(5V)高于反相端(3.5V)，虽然输出为高电平，但是由于二极管D5的存在，电路的稳定状态不受影响。
故电路输出一直保持高电平。
（2）当输入是高电平时，即Vu1=5V，Vu2=0：此时二极管D3导通，电容C1通过电阻R6充电，按指数规律逐渐升高，由于U3同相输入端电压为3.5V，则在Vc1未达到3.5V之前，U3输出端电压保持为高电平。
在Vc1升高到3.5V后，U3的反相端电压高于同相端电压，U3输出电压由5V跳变为0V，使C2通过电阻R9和Ｕ3的输出电阻放电， Vc2由5V逐渐下降，当Vc2下降到小于Ｕ4反相端电压(3.5V)时，A4的输出电压跳变为0V，二极管D5导通，Cl通过D5和Ｕ4的输出电阻放电。
因为A4输出电阻很小，所以Vc1将迅速降到0V左右，这导致Ｕ3反相端电压小于同相端电压，A3的输出电压又跳变到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。
（3）当输入是低电平时，Vu1=0V，Vu2=5V：此时电路的工作过程与VA＝5V，VB＝0V时相同，惟一区别在于D2导通时，Vu2高电平通过R7向C1充电，所以Cl的充电时间常数改变了，使得这个电路的输出的周期会发生相应的变化。
电路参数的计算：根据一阶电路响应的特点可知，t1表示电容C1充电过程，t2表示电容C2放电过程。
τ代表时间常数。
由此可得：Vc1（t）=5（1-e-t/τ1 ),τ1=R6·C1和τ1’=R7·C1。
Vc2（t）=5e-t/τ2 ,τ2=R9·C2。
又T=1/f ,所以有：高电平时，1.2R6·C1 +0.36R9·C2=1ms；低电平时，1.2R7·C1 +0.36R9·C2=1.25ms 。
所以只要取定C1和C2的值即可得R6、R7、R8的值。
2.2.4 音响驱动电路R10为限流电阻。
由于音响负载工作电压较低且功率小，因此对驱动三极管的耐压等条件要求不高，选取c9014作为驱动管，可完全满足本电路要求。
2.3 方案二图2是方案二的电路原理示意图。
电路由输入电路、逻辑判断电路、音响信号产生电路和音响驱动电路，由四部分子电路组成。
图2 方案二的原理图2.3.1 输入电路同方案一，由R1和R2组成，电路的作用是保证测试器输入端悬空时，输入电压既不是高电平，也不是低电平。
一般情况下，在输入端悬空时，输入电压取Vi=1.4V。
根据技术指标要求输入电阻大于20KΩ。
由此可得：1.4V=R2/(R1+R2)5V，R1//R2=20KΩ。
理论值计算得：R1=71.4KΩ， R2=27.8ＫΩ。
2.3.2逻辑判断电路R3和R4的作用是给U1的反相输入端提供一个3.5V的电压（高电平的基准平的基准）；R5和R6的作用是给U2的同相输入端提供一个0.8V的电压（低电平的基准平的基准）。
由此可得：R4/（R4+R3）·5V=3.5V； R6（R6+R5）·5V=0.8V。
所以理论上，R3：R4=3:7，R5：R6=21:4。
2.3.3 音响信号产生电路主要由两个比较器U3和U4组成，根据前面对逻辑判断电路输出的研究，分3种情况讨论。
原理类似方案一，但是，在方案二中，R9与C2是并联关系，而不是如方案一的串联关系。
2.3.4 音响驱动电路R10为限流电阻。
由于音响负载工作电压较低且功率小，因此对驱动三极管的耐压等条件要求不高，选取9014作为驱动管，可完全满足本电路要求。
同方案一。
2.4 方案比较第一个不同之处在于：在逻辑判断电路中，设置高低电平的电压基准，方案一采用分压和二极管，而方案二均采用分压。
方案一的二极管比较好，因为比较稳定并且实际找电阻的话未必恰好使基准电压是0.8V，还需要再调整，这样的话比较麻烦。
所以选择用二极管。
第二个不同之处在于：在音响信号发生电路中，C2与R9的串并联关系不同，方案一采用串联，方案二采用并联。
3. 实现方案3.1 调整方案在实际操作中，我们发现有些电阻并不理想，所以应该对阻值进行了近似调整。
由前面的理论计算：理想情况下，各个参数关系应该是：R1=71.4KΩ，R2=27.８ＫΩ，R4/（R4+R3）·5V=3.5V。
即R3：R4=3:7，1.2R6·C1 +0.36R9·C2=1ms，1.2R7·C1+0.36R9·C2=1.25ms 。
实际上取瓷介电容103和104，那么，C1=0.1uF, C2=0.01uF。
由此可得，如下图所示，则R7-R6=2.0KΩ，R6 +0.03R9=8.3KΩ。
考虑到实验室的器材限制，最后确定的具体器材是：R1=70KΩ，R2=30ＫΩ，R3=30KΩ，R4=68ＫΩ，R6=7.5KΩ，R7=9.1ＫΩ，R9=56KΩ，R10=10ＫΩ，C1=0.1uF, C2=0.01uF，四个电压比较器采用集成块LM324, 三极管采用C9014 ,另外有一个扬声器，一块面包板，示波器，导线等。
3.2 实际调整实际测量U1和U2 的高电平输出，发现不是理想情况下的5V，而是3.68V。
但是U3和U4的基准电压只有3.5V，这样就无法实现设计原理，也就是说，在音响信号发生电路产生了问题，当输入是高电平或低电平时，根本就不会发生电容充放电，也就不会有不同音调的响声，所以测试的波形也只是一条直线，跟输入悬空或在0.8--3.5V之间是无异的。
所以对U3和U4的基准电压做了调整：设置为2.5v，这样与3.68V有一定的差距比较合理。
具体实现方法是，用两个相同适当的阻值分压实现，考虑现有器材，我们采用两个9.1kΩ的电阻分压。
所以最后实现的方案原理图如图3所示图3 实现方案的原理图3.3 在仿真设计中再次验证用示波器测量Vc1、Vc2和V o的波形。
测量的图示如下图图4所示。
以15V作为输入，验证方案可行性。
测量的波形图如下图图5所示。
从波形图可清楚看到，C1的充电过程、C2的放电过程，以及输出的矩形波。
说明调整后的方案是可行的。
所以肯定了实现方案，但是具体的数据测量应该以实物操作为主。
图4 实现方案的测量原理图图5 以15V为输入的测试的波形图*注:由上至下依次是Vc1、Vc2、Vo的波形。
4. 调试过程及结论4.1 明确调试目的验证高电平与低电平时发出不同音调的响声，具体测量本设计的高低电平分别为多少，记录相应的波形，分析结果，与技术指标比较，评估设计。
4.2 布线布线结果如图6所示。
为了测试方便，在输入端采用5V输入，用一个电位器进行调节，可以得到0~5V的输入。
图6 布线图4.3 具体调试4.3.1 发现的问题实际测量U1和U2 的高电平输出，发现不是理想情况下的5V，而是3.68V。
但是U3和U4的基准电压只有3.5V，这样就无法实现设计原理，也就是说，在音响信号发生电路产生了问题，当输入是高电平或低电平时，根本就不会发生电容充放电，也就不会有不同音调的响声，所以测试的波形也只是一条直线，跟输入悬空或在0.8--3.5V之间是无异的。
所以对U3和U4的基准电压做了调整：设置为2.5V，这样与3.68V有一定的差距比较合理。
具体实现方法是，用两个相同适当的阻值分压实现，考虑现有器材，我们采用两个9.1kΩ的电阻分压。
4.3.2 具体测量先采用悬空输入，验证U1和U2的基准电压是否分别是3.5V和0.8V。
测量结果是0.78V 和3.5V，较为合理，但是不能作为设计的高低电平，应进一步测量。
此时的输出波形是一条直线，符合设计要求。
接着将输入从开始慢慢向上调，刚开始一直有响声和波形，当调整到0.82V时恰好响声消失，矩形波消失。
说明低电平时是0.82V，低电平波形如下图图7所示，读取并记录相关的数据。
图7 低电平的输出波形图继续将输入慢慢往上调整，发现恰好在输入为3.5V时再次出现波形和响声，并且响声的音调与之前的不同，记录此时的波形，如下图图8所示。
图8 高电平的输出波形图4.4 结果分析实际低电平是0.82V，设计要求是0.8V；实际高电平是3.5V，实际要求是3.5V，并且响声的音调也不同。