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1、 北京電子科技職業(yè)學院 Beijing Electronic Science and Technology Vocational College 畢業(yè)設計（論文） 設計題目 數(shù)字邏輯信號測試儀的 設計與制作 學 院 電信工程學院 系 部 電子技術系 專 業(yè) 班 級 姓 名 指導教師

2、 2011年 6 月 17 摘要：在檢修數(shù)字集成電路的設備時，經(jīng)常需要用萬用表和示波器對電路中的高低電平進行測量，以便分析故障原因，排除故障現(xiàn)象。但是使用萬用表或示波器測量電平時，使用者要看清萬用表表盤的測量值或示波器屏幕顯示的電平高低。為了使檢測邏輯電平更方便，提出此課題，在本課題中邏輯信號的高電平、低電平分別用綠色、紅色發(fā)光二極管是否亮為標志。 直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?，整流器把交流電變?yōu)橹绷麟?，?jīng)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)

3、定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出，給邏輯信號識別電路和顯示電路供電。邏輯電路通過電壓比較器對輸入信號進行電位比較后驅(qū)動相應發(fā)光二極管點亮，從而顯示出輸入信號電位是高電平還是低電平。 關鍵詞：直流穩(wěn)壓電源 邏輯判斷 電平高低 目錄 一 緒論 1 二 設計簡介 2 （一） 設計要求 2 （二） 要求的主要完成任務 2 （三）設計功能 2 三 方案論證 3 （一）方案1 3 （二）方案2 3 四 直流穩(wěn)壓電源設計 4 （一） 總體設計思路 4 （二） 電路方框圖 4 （三）直流穩(wěn)壓電源電路設計 4 1. 設計方案 4 2. 芯片介紹 5 3. 電路原理圖 5 4

4、. PCB板圖 6 五 邏輯信號識別電路和顯示電路設計 8 （一）電路原理圖 8 圖5.1 邏輯信號識別電路和顯示電路原理圖 8 1.電壓比較器 8 2. 邏輯信號識別電路工作原理 9 3. 芯片介紹 9 4 紅綠燈電路 11 5 邏輯電路PCB圖 11 六 Protel99SE簡介 13 結(jié)論 15 謝 辭 16 參考文獻 17 一 緒論 在當今數(shù)字時代的到來，各種測試器在人們的生活中扮演了越來越重要的角色，其中就有數(shù)字邏輯信號測試器。在快節(jié)奏的學習和工作以及生活中，高效率的處理能力就越發(fā)的體現(xiàn)自我的價值。 在數(shù)字電路測試、調(diào)試和檢修

5、時，經(jīng)常要對電路中某點的邏輯電平進行測試，采用萬用表或示波器等儀器儀表很不方便，而采用邏輯信號電平測試器可以通過發(fā)光二極管來表示被測信號的邏輯狀態(tài)，使用簡單方便。 本次所做的課程設計就是數(shù)字邏輯信號測試儀，講述了電路各部分的設計原理及所能實現(xiàn)的功能 ,直流穩(wěn)壓電源要求對變壓器、整流器、濾波器、穩(wěn)壓器的熟悉掌握，并能加以運用，邏輯設計要求對芯片引腳連接關系熟悉，能判斷邏輯關系。畢業(yè)設計的目的是培養(yǎng)學生綜合運用所學的理論、知識和技能，提高學生分析和解決實際問題的能力。掌握科學研究基本方法，培養(yǎng)綜合實踐能力，創(chuàng)新發(fā)展能力，進一步鞏固基本的專業(yè)知識，培養(yǎng)學生具有自學能力、團隊合作精神和嚴謹?shù)?/p>

6、工作作風，為學生畢業(yè)后從事電子設備和信息系統(tǒng)的維護、調(diào)試、銷售和管理等工作進一步打下基礎。通過數(shù)字邏輯信號測試儀的設計與制作，培養(yǎng)學生綜合運用所學知識的能力，使學生受到產(chǎn)品研制過程從資料收集、課題設計、產(chǎn)品制作、調(diào)試、撰寫技術報告等方面一系列過程的基本訓練。 我對于自己設計的這個電子產(chǎn)品也自知有許多的不足，但能首次設計自己的產(chǎn)品，并能在實現(xiàn)相同功能的基礎上節(jié)約成本也是非常有意義的，還有助于提高自己的動手能力，豐富課余生活。 二 設計簡介 （一） 設計要求 1.測量范圍：低電平＜0.7V、高電平＞2.5V； 2.綠色、紅色發(fā)光二極管亮，分別表示測量的電平是高電平、低電平； 3.輸入

7、電阻大于20kΩ； 4.工作電源的電壓為5V。 （二） 要求的主要完成任務 設計與制作數(shù)字邏輯信號測試儀，通過調(diào)試使發(fā)光二極管能夠顯示被測量電平的邏輯狀態(tài)。 （三）設計功能 設計一個數(shù)字邏輯信號測試器，用來測量其他電路中邏輯電平的高低，通過發(fā)光二極管來表示。當被測信號高于2.5V時，用綠色發(fā)光二極管發(fā)光來表示，當被測信號低于0.7V時，用紅色發(fā)光二極管發(fā)光表示。 三 方案論證 （一）方案1 紅綠燈電路 邏輯信號識別電路 輸入電路 電源電路 圖3.1 方案1設計方框圖 如圖3.1所示，該電路由四部分組成，即輸入電路、邏輯信號

8、識別電路、紅綠燈顯示電路和電源電路。在該電路中，電路的輸入信號Vi由輸入電路輸出后，經(jīng)過邏輯信號識別電路判斷，高電平、低電平分別用綠色、紅色發(fā)光二極管是否亮為標志。 （二）方案2 電源電路 輸入電路 邏輯信號識別電路 示波器顯示波形電路 圖3.2 方案2設計方框圖 如圖3.2所示，該電路與圖3.1相比，不同之處是顯示電路部分，該部分用示波器顯示出輸入信號電平的高低。 比較兩方案，由于方案2在讀取實驗數(shù)據(jù)的過程中，一邊要看設備的屏幕，一邊還要注意設備的工作情況，使用起來十分的不方便，而且方案2的成本很高。故

9、本次課程設計中選取方案1作為本次設計的方案。 四 直流穩(wěn)壓電源設計 （一） 總體設計思路 1. 確定目標：設計整個系統(tǒng)是由那些模塊組成，各個模塊之間的信號傳輸，并畫出直流穩(wěn)壓電源方框圖。 2. 系統(tǒng)分析：根據(jù)系統(tǒng)功能，選擇各模塊所用電路形式。 3. 參數(shù)選擇：根據(jù)系統(tǒng)指標的要求，確定各模塊電路中元件的參數(shù)。 4. 總電路圖：連接各模塊電路。 （二） 電路方框圖 圖4.1 直流穩(wěn)壓電源方框圖 在上圖中，直流穩(wěn)壓電源是一種將工頻220V交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)才能完成 其中： 1. 電源變壓器：將電網(wǎng)220V交流電壓變換

10、成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。 2. 整流電路：利用單向?qū)щ娫?0Hz的正弦交流電變換成脈動的直流電 3. 濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。 4. 穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負載的變化而變化。 （三）直流穩(wěn)壓電源電路設計 1. 設計方案 直流穩(wěn)壓電源可以采用分立元器件實現(xiàn)，也可采用集成芯片設計。由于采用集成芯片不僅使電路簡單，而且電路性能穩(wěn)定，所以采用集成芯片實現(xiàn)直流穩(wěn)壓電路的設計。 2. 芯片介紹 1) LM317簡介 L

11、M317是應用最為廣泛的電源集成電路之一，它不僅具有固定式三端穩(wěn)壓電路的最簡單形式，又具備輸出電壓可調(diào)的特點。此外，還具有調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優(yōu)點。其主要性能參數(shù)如下： 輸出電壓：1.25-37V DC； 輸出電流：5mA-1.5A； 芯片內(nèi)部具有過熱、過流、短路保護電路； 最大輸入-輸出電壓差：40V DC，最小輸入-輸出電壓差：3V DC； 使用環(huán)境溫度：-10-+85℃ 。 圖4.2是幾種常用（不同封裝形式）的LM317的外形及引腳排列圖。 圖4.2 LM317的外形及引腳排列圖 2）7805簡介 78/79也是常用的集成芯片，78輸出

12、正電壓，79輸出負電壓。7805輸出是+5V的直流電壓。 78/79系列在降壓電路中應注意以下事項： （1）輸入輸出壓差不能太大,太大則轉(zhuǎn)換效率急速降低，而且容易擊穿損壞； （2）輸出電流不能太大，1.5A 是其極限值。大電流的輸出，散熱片的尺寸要足夠大，否則會導致高溫保護或熱擊穿； （3）輸入輸出壓差也不能太小,大小效率很差。 考慮到直流穩(wěn)壓電源能夠輸出其它等級的電壓，所以在本設計中采用LM317芯片。 3. 電路原理圖 圖4.3 直流穩(wěn)壓電源原理電路圖 在圖4.3中，LM317輸出電流為

13、1.5A，輸出電壓可在1.25－37V之間連續(xù)調(diào)節(jié)，其輸出電壓由兩只外接電阻R1、RP1決定，輸出端和調(diào)整端之間的電壓差為1.25V，這個電壓將產(chǎn)生幾毫安的電流，經(jīng)R1、RP1到地，在RP1上分得的電壓加到調(diào)整端，通過改變RP1就能改變輸出電壓。注意，為了得到穩(wěn)定的輸出電壓，流經(jīng)R1的電流小于3.5mA，一般R1應小于240歐姆。LM317在不加散熱器時最大功耗為2W，加上2002004mm3散熱板時其最大功耗可達15W。VD1為保護二極管，防止穩(wěn)壓器輸出端短路而損壞IC，VD2用于防止輸入短路而損壞集成電路為保證穩(wěn)壓器的輸出性能。 在圖4.4中，R1兩端的1.25V恒定電壓產(chǎn)生的恒定電流流

14、過R1和R2，在R2上產(chǎn)生的電壓加到ADJ端。此時，輸出電壓Vo取決于R1和R2的比值，當R2阻值增大時，輸出電壓升高，即： Uo=1.25[(R1+R2)/R2] 圖4.4 LM317工作原理圖 5. PCB板圖 圖4.5 直流穩(wěn)壓電源PCB圖 　　 五 邏輯信號識別電路和顯示電路設計 （一）電路原理圖 圖5.1 邏輯信號識別電路和顯示電路原理圖 1.電壓比較器 電壓比較器是用運算放大器構(gòu)成

15、基本的非線性電路，它在電路中起著開關作用或?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的作用，它的輸出端可以接數(shù)字電路的輸入端或接被控制的電路，也可以接能直接推動伏在工作的功率放大器的輸入端。同相端電壓大于反相端電壓輸出電壓為高電平，反相端電壓大于同相端電壓輸出電壓為低電平。 2. 邏輯信號識別電路工作原理 電路如圖5.1所示，Vi為輸入的電平信號，U1A、U 2A組成雙相比較器對輸入信號進行檢測識別。U1A的同相輸入端為高電平閥值電位參考端，其電壓值由POT1變壓獲得，為2.5V。U2A的反向端為低電平閥指點為參考端，其值由POT2變壓獲得，為0.7V。當輸入電壓大于U1A比較器同相輸入端電壓時，U1A比較器

16、輸出電壓為低電平，反之輸出為高電平。當輸入電壓小于U2 A比較器反相輸入端電壓時，U2A比較器輸出電壓為低電平，反之輸出為高電平。 具體邏輯判斷關系如下表所示。 輸入 輸出Vo1 輸出Vo2 Vi<0.7V 5V 0V Vi>2.5V 0V 5V 在Vin<2.5V時，U1A輸出為高電平。在Vin>2.5V時，U1A反向端大于同相端，U1A輸出低電平，綠燈亮。 當Vin>0.7V時，U2A輸出為高電壓。在Vin<0.7V時，U2A同向端小于反向端，U2A輸出低電平，紅燈亮。 3. 芯片介紹 LM324芯片簡介： LM324系列器

17、件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。 LM324的

18、特點： l 短路保護輸出 l 真差動輸入級 l 可單電源工作：3V-32V l 低偏置電流：最大100nA l 每封裝含四個運算放大器。 l 具有內(nèi)部補償?shù)墓δ堋? l 共模范圍擴展到負電源 l 行業(yè)標準的引腳排列 l 輸入端具有靜電保護功能 LM324的引腳排列見圖5.2所示： 圖5.2 LM324引腳功能圖 參數(shù)描述： 運放類型:低功率 放大器數(shù)目:4 　 帶寬:1.2MHz 　 針腳數(shù):14 　 工作溫度范圍:0C t

19、o +70C 　 封裝類型:SOIC 　 3dB帶寬增益乘積:1.2MHz 　 變化斜率:0.5V/μs 器件標號:324 器件標記:LM324AD 增益帶寬:1.2MHz 工作溫度最低:0C 工作溫度最高:70C 放大器類型:低功耗 溫度范圍:商用 電源電壓 最大:32V 電源電壓 最小:3V 芯片標號:324 表面安裝器件:表面安裝 輸入偏移電壓 最大:7mV 運放特點:高增益頻率補償運算 邏輯功能號:324 額定電源電壓, +:15V 4 紅綠燈電路 圖5.3 紅綠燈顯

20、示電路圖 此電路由R1、發(fā)光二極管組成，通過前面的分析可知，從紅綠燈產(chǎn)生電路中出來的信號通過前面的電路后變成周期不同的矩形脈沖信號，不同的脈沖信號經(jīng)過紅、綠發(fā)光二極管使二極管亮，以此來區(qū)分高、低電平。 4 邏輯電路PCB圖 圖5.4 邏輯信號識別電路和顯示電路PCB圖 六 Protel99SE簡介 Protel99SE是Protel公司近10年來致力于Windows平臺開發(fā)的最新結(jié)晶，能實現(xiàn)從電學概念設計到輸出物理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以及這之間的所有分析、驗證和設計數(shù)據(jù)管理。因而今天的Protel

21、最新產(chǎn)品已不是單純的PCB（印制電路板）設計工具，而是一個系統(tǒng)工具，覆蓋了以PCB為核心的整個物理設計。 最新版本的Protel軟件可以毫無障礙地讀Orcad、Pads、Accel(PCAD)等知名EDA公司設計文件，以便用戶順利過渡到新的EDA平臺。Protel99 SE共分5個模塊，分別是原理圖設計、PCB設計（包含信號完整性分析）、自動布線器、原理圖混合信號仿真、PLD設計。Protel99SE是應用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設計軟件，采用設計庫管理模式，可以進行聯(lián)網(wǎng)設計，具有很強的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設計軟件，可以完成電路原理圖

22、設計，印制電路板設計和可編程邏輯器件設計等工作，可以設計32個信號層，16個電源--地層和16個機加工層,是個完整的板級全方位電子設計系統(tǒng)，同時還兼容一些其它設計軟件的文件格式，其多層印制線路板的自動布線可實現(xiàn)高密度PCB的100％布通率。 Protel99SE在仿真方面的特點： Protel99SE軟件中提供了SIM99se數(shù)模混合仿真器集成軟件可以對許多電子線路進行模擬設計，模擬運行，反復修改。提供了接近6000各仿真元件和大量的數(shù)學模型期間，可以對電工電路，低頻電子線路、高頻電子線路和脈沖數(shù)字電路在一定范圍內(nèi)進行仿真分析。 仿真結(jié)果以多種圖形方式輸出，直觀明了，可以單圖精細分析

23、，也可以多圖綜合比較分析、并可通過不同的角度進行分析，以獲得對電路設計的準確判斷。Protel99se仿真方面其具有的特點有： l 強大的分析功能 用戶可以根據(jù)Protel99SE電路仿真器所提供的功能，分析設計電路的各方面性能，如電路的交直流特性、溫度漂移、噪聲、失真、容差、最壞情況等特性。 l 豐富的信號源 其中包括基本信號源：直流源、正弦源、脈沖源、指數(shù)源、單頻調(diào)頻源、分段線性源，同時還提供了齊全的線性和非線性受控源。 l 充分的仿真模型庫 Protel99SE提供了20多個模擬和數(shù)字仿真元件庫，共包含6000多個常用元器件。這些組件庫包括了常用二極管、三極管、

24、單結(jié)晶體管、變壓器，晶閘管、雙向晶閘管等分立組件，還有大量的數(shù)字器件和其它集成電路器件。同時Protel99SE提供了一個開放的庫維護環(huán)境，允許設計者改變原有器件模型，也可創(chuàng)建新器件模型。 l 友好的操作界面 1. 無需手工編寫電路網(wǎng)表文件。系統(tǒng)將根據(jù)所畫電路原理圖自動生成網(wǎng)表文件并進行仿真。 2. 通過對話框完成電路分析各參數(shù)設置。 3. 方便地觀察波形信號。可同時顯示多個波形，也可單獨顯示某個波形；可對波形進行多次局部放大，也可將兩個波形放置于同一單元格內(nèi)進行顯示并分析比較兩者的差別。 4. 強大的波形信號后處理，可利用各種數(shù)學函數(shù)對波形進行各種分析運算并創(chuàng)建一個新的波形。 5

25、. 方便地測量輸出波形。Protel99SE提供了兩個測量光標，打開它們可測量波形數(shù)據(jù)。 結(jié)論 此次課題設計，我主要負責直流穩(wěn)壓電源的設計。通過一連串的設計、修改、以及調(diào)試，最終完成了數(shù)字邏輯信號測試儀的設計與制作。并且能夠按照protel 畫出的PCB版圖。 這次做論文的經(jīng)歷也會使我終身受益，我感受到做論文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正自己學習和研究的過程，沒有學習就不可能有研究的能力，沒有自己的研究，就不會有所突破，那也就不叫做論文了。希望這次經(jīng)歷能讓我在以后的學習中激勵我繼續(xù)進步，做事踏實認真，仔細斟酌，力求完美。不積跬步何以至千里，本設計能夠順利的完成，不僅有劉老師的

26、認真負責，而且還有同組人的配合，使我能夠很好的掌握和運用專業(yè)知識，并在設計中得以體現(xiàn)。正是有了他們的悉心幫助和支持，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成，在此向劉老師和我的同組的同學們（郭翔宇，候松翰，單亞林）表示由衷的謝意。另外，通過這幾周的畢業(yè)設計也讓我再次體會到團結(jié)協(xié)作的無窮力量，比如剛開始進行數(shù)字邏輯信號測試儀的設計的時候，我們都遇到了這樣那樣不同的問題，但是每次經(jīng)過大家討論協(xié)商之后，都能夠順利的解決。這是一種團結(jié)的力量。而恰恰企業(yè)里正需要這種團結(jié)的意識，這對我以后進入社會，進入工作崗位也是一個很好的鍛煉。所以，今后不管是做什么我都會注重團結(jié)協(xié)作的力量，發(fā)揮每一個分子的力量，將這個團隊的力量發(fā)

27、揮到極致。 經(jīng)過幾個星期的課程設計，我受益非淺。使我極大的鞏固了這5年來所學的知識，使我能夠更加熟練的使用Protel制圖軟件，并且能夠在設計的過程中積極思考，深入研究，鍛煉了自己克服困難解決問題的能力，真正達到了這次做畢業(yè)設計的目的。在這次設計中， 我充分的體會到了其中的快樂以及完成設計以后的成就感。總而言之，這次畢業(yè)設計使我受益良多，終身難忘。 謝 辭 本次畢業(yè)設計與論文的撰寫，是在北京電子科技職業(yè)學院劉麗華老師的細心指導和認真修改下完成的。她嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。令我欽佩向往。期間，她時常教導我要將理論知識與實

28、際操作相結(jié)合，并將其充分地運用到實踐中去，從而較好的鍛煉了我的動手能力，使我做到了勤動腦、多動手、細體會，因而也為我以后的學習、工作和生活積累了諸多寶貴的知識與實戰(zhàn)經(jīng)驗。在此，謹向我尊敬的導師劉麗華老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 歲月如梭，如歌。轉(zhuǎn)眼間，五年的大專求學生活即將結(jié)束，站在畢業(yè)的門檻上，回首往昔，奮斗和辛勞成為絲絲的記憶，甜美與歡笑也都塵埃落定。北科院以其優(yōu)良的學習風氣、嚴謹?shù)目蒲蟹諊涛仪髮W，以其博大包容的情懷胸襟、浪漫充實的校園生活育我成人。感謝北科院所有曾經(jīng)幫助過我的老師們，如果沒有您們的指導與幫助，論文撰寫工作的完成是非常艱難的。 還要感謝我的家人和朋

29、友一直以來對我的鼓舞與支持，他們的悉心關懷與默默的支持，使我能夠很堅強地面對并戰(zhàn)勝所有的困難。 再次謝謝大家！ 參考文獻 1 趙偉軍.《Protel 99 SE教程》.北京.人民郵電出版社,2004年. 2劉國林.《電工電子技術教程與實訓》.北京.清華大學出版社,2006年11月.第150—154頁. 3 康華光.《電子技術基礎》.北京.高等教育出版社,1982年.第333頁. 4 趙淑范，王憲偉.《電子技術試驗與課程設計》.北京.清華大學出社,2006年.185--192頁. 5 李桂安，葛年明，周泉.《電子技術實驗及課程設計》.南京.東南大學出版社,2008年8月.第97—100頁. 6 陳光明，施金鴻，桂金蓮.《電子技術課程設計與綜合實訓》.北京.北京航空航天大學出版社,2007年5月.第138—140頁. 7 畢滿清.《電子技術試驗與課程設計》.北京.機械工業(yè)出版社,2005年7月.第280—315頁. 8 華成英，童詩白.《模擬電子技術基礎》.北京.高等教育出版社,2004年.第234～243頁. 9 王利剛.《電工與電子技術》.北京.中國傳媒大學出版社,2006年.第97-101頁.