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第二篇：模电课设

目录

设计目的

方案论证

方案设计

计算

电路图

元件明细表

小结

心得体会

参考文献

教师评语

设计目的

在检修数字集成电路组成的设备时，经常需要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，以便分析故障原因。使用这些仪器能够较准确的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。逻辑信号电平测试器采用运算放大器作电压比较器进行电平判断，根据所测电平高低使音响电路产生不同频率方波驱动扬声器，使扬声器有不同的声调输出。这样既达到了测试效果有简化了测试过程。

方案论证

图1为测试器的原理图。

由图可以看出电路由五部份组成：输入电路、逻辑状态判断电路、音响电路、发音电路和电源。

1.输入电路及逻辑判断电路

图2为测试器的输入和逻辑判断电路原理图。

图中UI是被测信号。A2和A2两个运算放大器。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0.4V左右（D1和D2均为锗二极管），A1的反相端电压UH由R3和R4的分压决定。当被测电压UI小于0.4V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，使它的输出端UB为高电平（5V）。当UI在0.4~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 图2 输入和逻辑判断电路

端电压均为低电平。当UI大于UH时，A1输出端UA为高电平，A2输出端UB为低电平。

2.音调产生电路

图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。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3.5V，同相输入端电压为电容C2两端的电压UC2，由于UC2是一个随时间按指数规律变化的电压，所以A4输入电压不能确定，但这个电压肯定大于或等于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 图3 音调产生电路

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3.5V，所以在UC1达到3.5V之前，A3输出端电压为5V，C2通过R9充电。从图3可以看到C1的充电时间常数τ1=C1*R6，C2的充电时间常数τ2=C2(R9+ro3),其中ro3为A3的端出电阻。假设τ2<τ1，则在C1和C2充电时，当UC1达到3.5V时，UC2已接近稳态时的5V。因此在UC1升高到3.5V后，A3同相端电压小于反相端电压，A3输出电压由5V跳变到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（3.5V）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的输出电压又跳变到5V，C1再一次充电，如此周而复始，就会在A3输出端形成举行脉冲信号。UC1、UC2和U0的波形如图4所示。

由图4可以看出A3的输出电压Uo的周期为

T=t1+t2 (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^(-t1/τ1)),在t2期间电容C2放电，UC2(t)=5e^-(t2/τ2)。根据UC1(t)和UC2(t)的表达式可以求出：

t1=-τ1ln0.3≈1.2τ1 (2)

t2=-τ2ln0.7≈0.36τ2 (3)

这就是说，只要改变时间常数τ1、τ2即可改变UO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D4导通D3截止，UB高电平通过R7、D4向C1充电，所以C1的充电时间常数改变了，使得UO的周期会发生相应的变化。

方案设计

1.设计题目

逻辑信号电平测试器的设计。

2.技术指标

（1）测量范围：低电平<0.5V,

高电平>3V。

（2）用1KHz音响表示被测信号为高电平。

（3）用800Hz音响表示被测信号为低电平。

（4）当被测信号在0.5?3V之间时，不发出音响。

（5）输入电阻>10K?。

（6）工作电源为5V。

3.各单元电路的设计

1）输入和逻辑判断电路

输入和逻辑判断电路如图5所示。

U1为电压信号输入端，集成运算放大器A1、A2组成电压比较器电路。当输入信号电压高于高电平基准时，输出为VOH；输入信号电压低于低电平基准时，输出为VOL；输入信号电压介于高电平和低电平之间是，放大器处于截止状态，即不输出。

输入电路油R1和R2组成，电路的作用是保证测试器输入端悬空时，U1既不是高电平也不是低电平。

R3和R4的作用是给A1的反相输入端提供一个3V的电压，作为高电平的基准。

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0.5V，取D1、D2为锗二极管，这样可使A2同相端电压为0.5V。

2）音响产生电路

图6为音响产生电路单元的电路图。

从判断电路输出的信号通过A、B输入电路单元中。电容C1和电阻R8组成震荡电路，当输入电压不同时，产生不同的震荡频率，从而形成不同周期的交流信号。C2为滤波电容，与运算放大器A3、A4组成路波电路，震荡电路生成的锯齿波经过滤波电路作用变成方波，最终Uo输出不同频率的方波。

图中R10和R11的作用与图5中的R3和R4相同。

D3、D4和D5均选用锗二极管2AP9。

3）扬声器驱动电路

扬声器驱动电路如图7所示。

输入方波信号通过集成运算放大器和三极管组成的放大电路将信号放大再输入到扬声器，驱动扬声器发出一定频率的声音。

由于驱动电路的工作电源电压比较低，因此对三极管的耐压要求不高。选取3DG12为驱动管，R为限流电阻，本电路选取R=10KΩ。

扬声器选用动圈式扬声器，通过线圈导电在永磁铁形成的磁场中运动，带动纸盆震动发出声音。当输入的信号频率不同时，线圈带动纸盆以不同的频率震动，从而发出不同频率的声音。本设计要求输入高电平时发出1KHz频率的声音，输入低电平时发出800Hz的声音。

计算

1）输入和逻辑电路的参数计算

一般情况下，在输入端悬空时，U1=1.4V。根据技术指标要求输入电阻大于10KΩ、VCC=5V，因此可得

（4）

可求出

R2=13.89KΩ，R1=35.71KΩ

取标称值

R2=15KΩ，R1=40KΩ

R3和R4的作用是给A1的反相输入端提供一个3V的电压作为高电平的基准。因此，要保证

即可。R3、R4取值过大容易引起干扰，取值过小则会增加耗电量。工程上一般在几十千欧姆到几百千欧姆之间选取。选取R3=100KΩ，根据公式

VCC=5V，

可得：R4≥66.7K?，取R4=68K?。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。按给定技术指标，低电平为0.5V，所以选取D1、D2为锗二极管，这样可以使A2同相端电压为0.5V。取R5=4.7KΩ。

2）音响产生电路的计算

音响电路中，R10和R11的作用与图5中R3、R4的作用相同。取R10=68KΩ，R11=30KΩ。D3、D4和D5均选用锗二极管。

根据公式：

T=t1+t2=1.2τ1+0.36τ2

选取

τ2=0.5ms

因为

τ2=R9*C2

选取

C2=0.01μF

所以

又因为

T=t1+t2=1.2τ1+0.36τ2=1.2τ1+0.18*10E-3

根据给定要求

τ1=R6C1（被测信号为高电平）

或 τ2`=R7C1（被测信号为低电平）

我们选取C1=0.1μF，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；当被测信号为低电平时，音响频率为800Hz。所以在被测信号为高电平时，因为

所以

1.2τ1+0.36τ2=1*10E-3

1.2τ1+0.18*10E-3=1*10E-3

得

τ1≈0.68ms

所以R6=6.8K?。

当被测信号为低电平时，音响频率为800Hz,此时因为

所以

1.2τ`1+0.18*10E-4=1.25*10E-3

τ`1≈0.89ms

电路图

图8 整机电路图

元件明细表

1. 集成运算放大器（LM324 1片）。

2. 三极管（3DG12 1只）。

3. 二极管（2AP9 4只，2CK12 1只）。

4. 电阻（4.7KΩ 1只，6.8KΩ 1只，8.9KΩ 1只，10KΩ 1只，15KΩ 1只，30KΩ 1只，40KΩ 1只，50KΩ 1只，68KΩ 2只，100KΩ 1只）。

5. 扬声器（动圈式 1个）。

6. 电容（0.01μF 1只，0.1μF 1只）。

7. 双踪示波器。

8. 导线若干。

小结

逻辑信号电平测试器由输入电路、逻辑判断电路、音调产生电路和扬声器驱动电路组成。

Ui测试点的接入口，接入被测量，被测电压通过电压比较器与高电平基准和低电平基准进行比较。其中，高电平基准电压为3V，低电平基准电压为0.5V。当被测电压高于3V时，扬声器发出1KHz频率的声音；被测电压低于0.5V时，扬声器发出800Hz频率的声音；当被测信号在0.5~3V之间时，扬声器不发出声音。

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，刚好用到一片LM324集成运放芯片。

心得体会

这次《逻辑信号电平测试器的设计》课程设计是我第一次课程设计，用到了这学期的刚学的《模拟电路》的知识。由于是第一次做课程设计，所以对课程设计了解不是很充分，设计过程中难免有些错误。通过本次课程设计，我对《模拟电路》这门课有了最直接的认识，在设计过程中应用了课程中所讲的运算放大器、三极管、二极管和电压比较器等知识。在设计过程中，我认识到一个完整的电路是有不同功能的单元组成，每个单元都有各自的功能和电路实现，每个单元相互独立有相互关联，设计每一个单元必须考虑到其他单元的参数等。实践是加深理解知识原理的最好途径，通过查阅书籍资料，设计电路，计算电路参数，动手画电路图等过程是我对电路知识有了进一步理解。

参考文献

《模拟电子技术基础实验及其课程设计》 金凤莲 编著

《模拟电路分析与设计基础》 刘祖刚 编著

《电子电路手册》 佘道衡 徐承和 编著

《电子技术基础 模拟部分》 康华光 主编

《电子电路设计实例》 徐承和 编著

教师评语