2013级《模拟电子技术》课程设计说明书逻辑信号电平测试器院、部：电气与信息工程学院学生姓名：刘钱指导教师：张松华职称副教授专业：电气工程及其自动化班级：电气本1301完成时间：2015-6-26摘要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。

本文设计了一个逻辑信号电平测试器，它可以方便快捷的测量某一点的电位的高低。

逻辑电平的测试器的优势在于通过声音的有无和声音的频率来判定被测电位的电平范围，从而能解决平常对电路中某点的逻辑电平进行测试其高低电平时，采用很不方便的万用表或示波器等仪器仪表的麻烦。

设计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的方法。

设计使用multisim软件进行仿真测试，测试成功后，使用AD软件进行电路板的设计。

最后制作出逻辑电平电路测试器，使用示波器进行试验的测试。

在电路输入电平在0.8v下蜂鸣器发出800Hz的声音，0.8~3.0V时发出了一个固定频率的声音，在3.0v以上时发出1KHz的声音基本实现了课题设计的要求。

关键词逻辑信号；电平测试；高电平；低电平；放大器目录1 绪论 (1)1.1 课题研究及其意义 (1)1.2 设计要求和技术指标 (1)1.2.1 技术指标 (1)1.2.2 设计要求 (1)2 逻辑电平测试器的设计 (2)2.1 逻辑电平测试器的原理 (2)2.2 比较器 (2)2.3 LM324集成运放 (3)2.4 输入及逻辑判断电路 (3)2.5 音调产生电路 (5)2.5.1 UA =UB=0V (5)2.5.2 UA =5V，UB=0V (5)2.5.3 UA =0V，UB=5V (8)2.6 扬声驱动电路 (8)2.7 直流稳压源的设计 (9)2.7,1 变压器的选择 (9)2.7.2 整流桥的选择 (9)2.7.3 电容的选择 (9)2.7.5 三端稳压器 (10)3 逻辑电平测试器的仿真测试 (11)3.1 画出逻辑电平测试器的仿真图 (11)3.2 调试及测定主要参数 (11)4 电路的制作与测试 (15)4.1 实际电路制作 (15)4.2 直流电源的调试 (15)4.3 逻辑信号电平测试器的调试 (15)结束语 (17)致谢 (18)参考文献 (19)附录A 电路原理图 (20)附录B 电路PCB图 (21)附录C 电路制作实物图 (22)附录D 元件清单 (23)1 绪论1.1 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，再经过仔细的研究和反复的实验，制作成了一个逻辑电平测试器，其目的就是设计制作一种可以简单判断是高电平还是低电平的逻辑电路。

1.2 设计要求和技术指标1.2.1 技术指标（1）测量范围：低电平<0.8V，高电平>3.5V；（2）用1KH Z的音响表示被测信号为高电平；（3）用800H Z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。

1.2.2 设计要求（1）设计输入与逻辑判断电路、音响产生电路和扬声器驱动电路；（2）选定元器件和参数，并绘制电路原理图；（3）在万能板或面包板或PCB板上进行电路安装调试；（4）拟定测试方案并进行测试；（5）撰写设计报告。

2 逻辑电平测试器的设计2.1 逻辑电平测试器的原理图1 电路设计原理根图由图1可知，逻辑信号电平测试器电路由五部分组成：输入电路、逻辑状态判断电路、音响电路、发音电路和电源。

2.2 比较器当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如LM324运放开环放大 倍数为100dB ，既10万倍)。

此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平(V+)，就是低电平(V-或接地)。

当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出高电平。

由两个运放组成一个电压上下限比较器电路如图2所示，电阻1R 、'1R 组成分压电路，为运放1A 设定比较电平1U ；电阻2R 、'2R 组成分压电路，为运放2A 设定比较电平2U 。

输入电压I U 同时加到1A 的正输入端和2A 的负输入端之间，当1U U I >时，运放1A 输出高电平；当2U U I <时，运放2A 输出高电平。

运放1A 、2A 只要有一个输出高电平，晶体管BG1就会导通，发光二极管LED 就会点亮。

若选择21U U >，则当输入电压I U 超出[2U ，1U ]区间范围时，LED 点亮，这便是一个电压双限指示器。

若选择12U U >，则当输入电压在[U 2，U 1]区间范围时，LED 点亮，这是一个“窗口”电压指示器。

此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。

图2比较器电路2.3 LM324集成运放LM324四运放是集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

每一组运算放大器可用图3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，“V o”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V o的信号与该输入端的相位相反；Vi+(+)为同相输入端，表示运放输出端V o的信号与该输入端的相位相同，运算放大器符号如图3所示，LM324的引脚排列如图4所示。

图3 放大器电路符号图4放大器引脚图由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。

2.4 输入及逻辑判断电路图5为测试输入和逻辑判断电路原理图。

以A1反相端电压为高电平参考电压U H，A2同相端电压为低电平参考电压U h。

当U I大于U H时，A1输出端U A为高电平，A2输出端U B为低电平。

图5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分别与周围的电阻组成两个电压比较器。

A2的同相端电压为0.8V 左右，A 1的反相端电压U H 由R 3和R 4的分压决定。

当被测电压U 1小于0.8V 时，A 1反相端电压大于同相端电压，使A 1输出端U A 为低电平。

A 2反相端电压小于同相端电压，使它输出端U B 为高电平(5V)。

当U I 在0.8V -U H 之间时，A 1同相端电压小于U H ，A 2同相端电压也小于反相端电压，所可以控制高电平的范围，而通过改变运算放大器A 2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，由不同的电阻的分压组合，该逻辑电平测试器可以测量不同的标准电平。

图5 输入和逻辑判断电路R 1与R 2分压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，设定这个悬空时的电压为I v 。

一般情况下，在输入端悬空时，输入电压V v I 4.1=。

并且保证输入电阻大于20K Ω。

由以上条件可以得到(1)(2) 从而可确定R 1和R 2阻值。

可解得：R 1=71k Ω R 2=27.6k Ω取联系值：R 1=75k Ω R 2=30k ΩR 3和R 4的作用是给A 1的反相输入端提供一个3.5V 的电压。

因此只要保证V V R R R CC 4.1212=+Ω≥+K R R R R 202121(3) 即可。

R 3和R 4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几百千欧姆间选取。

因此选取R 4=68k Ω，可得到：R 3≥29k Ω,取R 3=30k Ω。

R 5与两个二极管的支路可以换做两个电阻分压，取R 5为68k Ω与R D 为13kΩ电阻串联达到目的，R D 两端的电压因为0.8V 。

2.5 音调产生电路图6为音调产生电路原理图。

电路主要由两个运算放大器A 3和A 4组成。

图6 音调产生电路单元电路下面分三种情况说明电路的工作原理。

2.5.1 U A =U B =0V此时由于A 和B 两点全为低电平，所以二极管D 3和D 4截止。

因A 4的反相输入端电压为3.5V ，同相端输入电压为电容C 2两端的电压U C2，由于U c2s 是一个随时间按指数规律变化的电压，所以A 4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D 5也是截止的。

由于D 3，D 4和D 5均处于截止状态，电容C 1没有充电回路，U C1将保持0V 的电压不变，使A 3输出为高电平。

2.5.2 U A =5V ，U B =0V此时二极管D 3导通，电容C 1通过R 6充电，U C1按指数规律逐渐升高，由于A 3同相输入端电压为3.5V ，所以在U C1达到3.5V 之前，A3输出端电压为5V ，C 2通过R 9充电。

从图2-3可以看出C 1的充电时间常数τ1=C 1*R 6，C 2的充电时间常数ι2=C 2(R 9+r O3)，其中r O3为A 3的输出电阻。

假设τ1>τ2，则在C 1和C 2充电时，当U C1达到3.5V 时，U C2已接近稳态时5V 。

因此在U C1升高到3.5V后，V V R R R CC 5.3433≤+A 3同相端电压小于反相端电压，A 3输出电压由5V 跳变为0V ,使C 2通过R 9和r O3放电，U C2由5V 逐渐降低。

当U C2降到小于A 4反相端电压(3.5V)时，A 4输出端电压跳变为0V ，二极管D 5导通，C 1通过D 5和A 4的输出电阻放电。

因为A 4输出电阻很小，所以U C1将迅速降到0V 左右，这导致A 3反相端电压小于同相端电压，A 3的输出电压又跳变为5V ，C 1再一次充电，如此周而复始，就会在A 3输出端形成矩形脉冲信号。

U C1、U C2和U O 的波形如图7所示。