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1、 实验十二 基于 Multisim 的逻辑电平测试器设计一、实验目的及要求逻辑电平测试器综合了数字电路和低频电路两门课的知识要求学生自己设计,并在 Multisim 电子工作平台上进行仿真。培养学生的综合应用能力。培养学生利用先进工具进行工程设计的能力。1)理解逻辑电平测试仪器的工作原理及应用。2)掌握用集成运放和 555 定时器构建逻辑电平测试器的方法3)掌握逻辑电平测试器的调整和主要性能指标的测试方法二、实验基本原理:电路可以由五部分组成:输入电路、逻辑状态判断电路、音响电路、发音电路和电源。技术指标要求:(1)测量范围:低电平3.5V(2)用 1kHz 的音响表示被测信号为高电平(3)用
2、 800Hz 的音响表示被测信号为低电平(4)当被测信号在 0.8V3.5V 之间时,不发出音响(5)输入电阻大于 20k(6)工作电源 5V输入和逻辑状态判断电路要求用集成运算放大器设计,音响声调产生电路要求用 555 定时器构成的震荡器设计。三、主要仪器设备及实验耗材:Multisi 虚拟仪器中的数字万用表、示波器、频率计四、实验电路图及原理解析如图所示为音响逻辑电平探头电路。该探头由电压比较器、多谐振荡器振荡器是收发设备的基础电路,它的作用是产生一定频率的交流信号,是一种能量转换装置将直流电能转换为具有一定频率的交流电能。 、压电陶瓷片 HTD 等组成。其中后两者组成音响电路,以音响频率
3、的高低来判别 TTL 或 CMOS 器件电平的高低。 电压比较器LM339(IC1)中的 IC1-1、IC1-2 各为 1/4 LM339。分压网络 R2、R3在 VDD=6V 时使分压点 C 的电压为 Vc1.9V,其低于 IC1-1 的基准电压,但又高于 IC1-1 的基准电压,故平时二极管D2、D3 均截止,振荡器 IC2 不工作。当探针测试针,用于测试 PCBA 的一种探针。表面镀金,内部有平均寿命 3 万10 万次的高性能弹簧。 接触高、低电平或脉冲时,则 IC1 用于检测高电平,IC2 用于检测低电平,输出信号相应驱使D2、D3 导通,并通过 R9、R10、R11 对 C1 进行充
4、电,使 IC2 起振,推动 HTD 发声。 当探针接触高电平时,IC1-1 输出信号使 D2 导通,并通过 R9、R11 对 C1 进行充电振荡器起振,相应的振荡频率为fH=1.44/(R10+2R11)C1。当探针接触低电平时,则相应 D3 导通,C1 通过 R10、R11 进行充电,相应振荡电路,振荡电路也称信号发生电路,作用是产生振荡信号,是很多电子电路中经常使用的电路。例如,为数字电路提供时钟的电路,将无线电波等各种信号传送到远方的载波信号也是有振荡电路产生的。 起振后的振荡频率为fL=1.44/(R10+2R11)C1。当探测的是脉冲串时,相应 HTD 发出二者的混合声响或发出有颤音
5、的声响。 本电路音响频率高判断为高电平;音响频率低判断为低电平;发颤音则表示探测的是一串脉冲,从而实现了对逻辑电平的探测。五、实验内容及步骤设计好的电路如下图:本实验电路优点在于简洁明了,能用同一 555 定时器产生不同频率脉冲,通过观察灯闪烁的快慢来判断高低电平,高电平时上面个的比较器运行,通过 R9、R11 对 C1 进行充电振荡器起振,相应的振荡频率为 fH=1.44/(R9+2R11)C1。低电平时 C1 通过 R10、R11 进行充电,相应振荡电路频率为 fH=1.44/(R10+2R11)C1。1、低电平输入时(取 0.5V) ,频率计和示波器的图形如图所示(灯闪烁较慢)2、输入高
6、电平时(取 5V),频率计和示波器的图形如图所示(灯闪烁较快)3、输入中间电平时(取 2V) ,频率计和示波器的图形如图所示(灯不亮)4、悬空时,频率计和示波器的图形如图所示(灯不亮)实验补充说明实验补充说明 (以上实验是我自己设计的没有出现仿真结果时和同学合作做出的,以下是我自己设计的的原理和思路)实验内容及步骤:实验内容及步骤:图为测试输入和逻辑判断电路原理图。图中 U1 是被测信号。A1 和 A2 为两个运算放大器。可以看出 A1和 A2 分别与它们外围电路组成两个电压比较器。A2 的同相端电压为 0.8V 左右(D1 和 D2 分别为硅和锗二极管),A1 的反相端电压 Uh由R3 和
7、R4 的分压决定。当被测电压 U1 小于 0.8V 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,使它输出端 UB 为高电平(5V)。当 U1 在0.8V-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 的输出电压均为低电平。当 U1 大于 UH时,A1 输出端 UA 为高电平,A2 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 A2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,所以经过分压电阻的调整,该逻辑电平测试器可
8、以测量不同的标准电平。图(1)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。R15VUI R2231411A1A231411A2AVCCR4 R3VCCD1D2R55VABUI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 A4 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D5 也是截止的。由于 D3,D4 和 D5 均处于截止
9、状态,电容 C1 没有充电回路,UC1 将保持 0V 的电压不变,使 A3 输出为高电平。7(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 2-3 可以看出C1 的充电时间常数 1=C1*R6,C2 的充电时间常数 2=C2(R9+rO3),其中 rO3 为 A3 的输出电阻。假设 12,则在 C1 和 C2 充电时,当UC1 达到 3.5V 时,UC2 已接近稳态时 5V。因此在 UC1 升高
10、到3.5V 后,A3 同相端电压小于反相端电压,A3 输出电压由 5V 跳变为 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 的输出电压又跳变为 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。UC1、UC2 和 UO 的波形如图(2)所示。R6R7R9D3D4231411A3A231411A4A5VVCCR8UC1C1UC2C2D5ABU03.5V五、五、实实验验总总结结:本实验中音响部分没有用 555,但原理基本一样,555 也是有两个比较器和一些外围电路构成。下图是我用 555 构成的电路图,但在仿真中没有出结果,可能是自己对 Multisim 这个工具还不太了解,而且我低频电子线路的理论知识不太牢固,导致很多参数设置不准确或该计算的参数算错了,导致没有出现仿真结果。