实验十二4实验十二基于Multisim的逻辑电平测试器设计.docx

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实验十二4实验十二基于Multisim的逻辑电平测试器设计

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<0.8V

高电平>3.5V

（2）用1kHz的音响表示被测信号为高电平

（3）用800Hz的音响表示被测信号为低电平

（4）当被测信号在0.8V~3.5V之间时，不发出音响

（5）输入电阻大于20kΩ

（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、多谐振荡器振荡器比较器

　　比较器是一种得到广泛使用的电路元件。

实际上也是增益非常高的运算放大器，可以放大输入端很小的差分信号，并驱动输出端切换到两个输出状态中的一个。

以至于无法稳定在中间放大区，再不跳到低电平，再不跳到高电平。

[全文]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。

[全文]、压电陶瓷片HTD等组成。

其中后两者组成音响电路，以音响频率的高低来判别TTL或CMOS器件电平的高低。

电压比较器比较器

　　比较器是一种得到广泛使用的电路元件。

实际上也是增益非常高的运算放大器，可以放大输入端很小的差分信号，并驱动输出端切换到两个输出状态中的一个。

以至于无法稳定在中间放大区，再不跳到低电平，再不跳到高电平。

LM339（IC1）中的IC1-1、IC1-2各为1/4LM339。

分压网络R2、R3在VDD=6V时使分压点C的电压为Vc≈1.9V，其低于IC1-1的基准电压，但又高于IC1-1的基准电压，故平时二极管二极管　　二极管又叫半导体二极管、晶体二极管，是最常用的基本电子元件之一。

二极管只往一个方向传送电流，由p型半导体和n型半导体形成的p-n结构成，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。

当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

[全文]

D2、D3均截止，振荡器振荡器　　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。

IC2不工作。

当探针探针测试针，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。

[全文]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进行充电，使IC2起振，推动HTD发声。

当探针探针　　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，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（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：

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。

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

。

（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ι1=C1*R6，C2的充电时间常数ι2=C2（R9+rO3），其中rO3为A3的输出电阻。

假设ι1>ι2，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。

五、实验总结：

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。