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1、北京电子科技职业学院Beijing Electronic Science and Technology Vocational College毕业设计（论文）设计题目 数字逻辑信号测试仪的 设计与制作 学 院 电信工程学院 系 部 电子技术系 专 业 班 级 姓 名 指导教师 2011年 6 月摘要：在检修数字集成电路的设备时，经常需要用万用表和示波器对电路中的高低电平进行测量，以便分析故障原因，排除故障现象。但是使用万用表或示波器测量电平时，使用者要看清万用表表盘的测量值或示波器屏幕显示的电平高低。为了使检测逻辑电平更方便，提出此课题，在本课题中逻辑信号的高电平、低电平分别用绿色、红色发光二极
2、管是否亮为标志。直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电，整流器把交流电变为直流电，经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出，给逻辑信号识别电路和显示电路供电。逻辑电路通过电压比较器对输入信号进行电位比较后驱动相应发光二极管点亮，从而显示出输入信号电位是高电平还是低电平。关键词：直流稳压电源 逻辑判断 电平高低目录一 绪论1二 设计简介2（一） 设计要求2（二） 要求的主要完成任务2（三）设计功能2三 方案论证3（一）方案13（二）方案23四 直流稳压电源设计4（一） 总体设计思路4（二） 电路方框图4（三）直流稳
3、压电源电路设计41. 设计方案42. 芯片介绍53. 电路原理图54. PCB板图6五 逻辑信号识别电路和显示电路设计8（一）电路原理图8图5.1 逻辑信号识别电路和显示电路原理图81.电压比较器82. 逻辑信号识别电路工作原理93. 芯片介绍94 红绿灯电路115 逻辑电路PCB图11六 Protel99SE简介13结论15谢 辞16参考文献17一 绪论 在当今数字时代的到来，各种测试器在人们的生活中扮演了越来越重要的角色，其中就有数字逻辑信号测试器。在快节奏的学习和工作以及生活中，高效率的处理能力就越发的体现自我的价值。 在数字电路测试、调试和检修时，经常要对电路中某点的逻辑电平进行测试，
4、采用万用表或示波器等仪器仪表很不方便，而采用逻辑信号电平测试器可以通过发光二极管来表示被测信号的逻辑状态，使用简单方便。 本次所做的课程设计就是数字逻辑信号测试仪，讲述了电路各部分的设计原理及所能实现的功能 ,直流稳压电源要求对变压器、整流器、滤波器、稳压器的熟悉掌握，并能加以运用，逻辑设计要求对芯片引脚连接关系熟悉，能判断逻辑关系。毕业设计的目的是培养学生综合运用所学的理论、知识和技能，提高学生分析和解决实际问题的能力。掌握科学研究基本方法，培养综合实践能力，创新发展能力，进一步巩固基本的专业知识，培养学生具有自学能力、团队合作精神和严谨的工作作风，为学生毕业后从事电子设备和信息系统的维护、
5、调试、销售和管理等工作进一步打下基础。通过数字逻辑信号测试仪的设计与制作，培养学生综合运用所学知识的能力，使学生受到产品研制过程从资料收集、课题设计、产品制作、调试、撰写技术报告等方面一系列过程的基本训练。我对于自己设计的这个电子产品也自知有许多的不足，但能首次设计自己的产品，并能在实现相同功能的基础上节约成本也是非常有意义的，还有助于提高自己的动手能力，丰富课余生活。二 设计简介（一） 设计要求1.测量范围：低电平0.7V、高电平2.5V；2.绿色、红色发光二极管亮，分别表示测量的电平是高电平、低电平；3.输入电阻大于20k；4.工作电源的电压为5V。（二） 要求的主要完成任务设计与制作数字
6、逻辑信号测试仪，通过调试使发光二极管能够显示被测量电平的逻辑状态。（三）设计功能设计一个数字逻辑信号测试器，用来测量其他电路中逻辑电平的高低，通过发光二极管来表示。当被测信号高于2.5V时，用绿色发光二极管发光来表示，当被测信号低于0.7V时，用红色发光二极管发光表示。 三 方案论证（一）方案1红绿灯电路逻辑信号识别电路输入电路电源电路图3.1 方案1设计方框图 如图3.1所示，该电路由四部分组成，即输入电路、逻辑信号识别电路、红绿灯显示电路和电源电路。在该电路中，电路的输入信号Vi由输入电路输出后，经过逻辑信号识别电路判断，高电平、低电平分别用绿色、红色发光二极管是否亮为标志。（二）方案2
7、电源电路 输入电路逻辑信号识别电路示波器显示波形电路 图3.2 方案2设计方框图如图3.2所示，该电路与图3.1相比，不同之处是显示电路部分，该部分用示波器显示出输入信号电平的高低。比较两方案，由于方案2在读取实验数据的过程中，一边要看设备的屏幕，一边还要注意设备的工作情况，使用起来十分的不方便，而且方案2的成本很高。故本次课程设计中选取方案1作为本次设计的方案。四 直流稳压电源设计（一） 总体设计思路1. 确定目标：设计整个系统是由那些模块组成，各个模块之间的信号传输，并画出直流稳压电源方框图。2. 系统分析：根据系统功能，选择各模块所用电路形式。3. 参数选择：根据系统指标的要求，确定各模
8、块电路中元件的参数。4. 总电路图：连接各模块电路。（二） 电路方框图图4.1 直流稳压电源方框图在上图中，直流稳压电源是一种将工频220V交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成其中：1. 电源变压器：将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。2. 整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电3. 滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。4. 稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变
9、化。（三）直流稳压电源电路设计1. 设计方案 直流稳压电源可以采用分立元器件实现，也可采用集成芯片设计。由于采用集成芯片不仅使电路简单，而且电路性能稳定，所以采用集成芯片实现直流稳压电路的设计。2. 芯片介绍1) LM317简介LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的特点。此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。其主要性能参数如下：输出电压：1.25-37V DC；输出电流：5mA-1.5A；芯片内部具有过热、过流、短路保护电路；最大输入-输出电压差：40V DC，最小输入-输出电压差：3V DC；使用环
10、境温度：-10-+85 。图4.2是几种常用（不同封装形式）的LM317的外形及引脚排列图。图4.2 LM317的外形及引脚排列图2）7805简介 78/79也是常用的集成芯片，78输出正电压，79输出负电压。7805输出是+5V的直流电压。 78/79系列在降压电路中应注意以下事项： （1）输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏； （2）输出电流不能太大，1.5A 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿； （3）输入输出压差也不能太小,大小效率很差。 考虑到直流稳压电源能够输出其它等级的电压，所以在本设计中采用LM317芯片。3.
11、电路原理图图4.3 直流稳压电源原理电路图在图4.3中，LM317输出电流为1.5A，输出电压可在1.2537V之间连续调节，其输出电压由两只外接电阻R1、RP1决定，输出端和调整端之间的电压差为1.25V，这个电压将产生几毫安的电流，经R1、RP1到地，在RP1上分得的电压加到调整端，通过改变RP1就能改变输出电压。注意，为了得到稳定的输出电压，流经R1的电流小于3.5mA，一般R1应小于240欧姆。LM317在不加散热器时最大功耗为2W，加上2002004mm3散热板时其最大功耗可达15W。VD1为保护二极管，防止稳压器输出端短路而损坏IC，VD2用于防止输入短路而损坏集成电路为保证稳压器
12、的输出性能。在图4.4中，R1两端的1.25V恒定电压产生的恒定电流流过R1和R2，在R2上产生的电压加到ADJ端。此时，输出电压Vo取决于R1和R2的比值，当R2阻值增大时，输出电压升高，即：Uo=1.25(R1+R2)/R2 图4.4 LM317工作原理图5. PCB板图图4.5 直流稳压电源PCB图五 逻辑信号识别电路和显示电路设计（一）电路原理图图5.1 逻辑信号识别电路和显示电路原理图 1.电压比较器 电压比较器是用运算放大器构成基本的非线性电路，它在电路中起着开关作用或将模拟量转换成数字量的作用，它的输出端可以接数字电路的输入端或接被控制的电路，也可以接能直接推动伏在工作的功率放大
13、器的输入端。同相端电压大于反相端电压输出电压为高电平，反相端电压大于同相端电压输出电压为低电平。2. 逻辑信号识别电路工作原理 电路如图5.1所示，Vi为输入的电平信号，U1A、U 2A组成双相比较器对输入信号进行检测识别。U1A的同相输入端为高电平阀值电位参考端，其电压值由POT1变压获得，为2.5V。U2A的反向端为低电平阀指点为参考端，其值由POT2变压获得，为0.7V。当输入电压大于U1A比较器同相输入端电压时，U1A比较器输出电压为低电平，反之输出为高电平。当输入电压小于U2 A比较器反相输入端电压时，U2A比较器输出电压为低电平，反之输出为高电平。具体逻辑判断关系如下表所示。输入输
14、出Vo1输出Vo2Vi2.5V0V5V在Vin2.5V时，U1A反向端大于同相端，U1A输出低电平，绿灯亮。当Vin0.7V时，U2A输出为高电压。在Vin0.7V时，U2A同向端小于反向端，U2A输出低电平，红灯亮。3. 芯片介绍LM324芯片简介：LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出
15、脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”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Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的特点： l 短路保护输出 l 真差动输入级 l 可单电源工作：3V-32V l 低偏置电流：最大100nA l 每封装含四个运算放大器。 l 具有内部补偿的功能。 l 共模范围扩展到负电源 l 行业标准的引脚排列 l 输入端具有静电保护功能 LM324的引脚排列见图5.2所示： 图5.2 LM324引脚功能图参数描述： 运放类型:低功
16、率 放大器数目:4 带宽:1.2MHz 针脚数:14 工作温度范围:0C to +70C 封装类型:SOIC 3dB带宽增益乘积:1.2MHz 变化斜率:0.5V/s 器件标号:324 器件标记:LM324AD 增益带宽:1.2MHz 工作温度最低:0C 工作温度最高:70C 放大器类型:低功耗 温度范围:商用 电源电压 最大:32V 电源电压 最小:3V 芯片标号:324 表面安装器件:表面安装 输入偏移电压 最大:7mV 运放特点:高增益频率补偿运算 逻辑功能号:324 额定电源电压, +:15V 4 红绿灯电路图5.3 红绿灯显示电路图此电路由R1、发光二极管组成，通过前面的分析可知，从
17、红绿灯产生电路中出来的信号通过前面的电路后变成周期不同的矩形脉冲信号，不同的脉冲信号经过红、绿发光二极管使二极管亮，以此来区分高、低电平。4 逻辑电路PCB图图5.4 逻辑信号识别电路和显示电路PCB图六 Protel99SE简介Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。 最新版本的Protel软件可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Acce
18、l(PCAD)等知名EDA公司设计文件，以便用户顺利过渡到新的EDA平台。Protel99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层,是个完整的板级全方位电子设计系统，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，其
19、多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100布通率。Protel99SE在仿真方面的特点： Protel99SE软件中提供了SIM99se数模混合仿真器集成软件可以对许多电子线路进行模拟设计，模拟运行，反复修改。提供了接近6000各仿真元件和大量的数学模型期间，可以对电工电路，低频电子线路、高频电子线路和脉冲数字电路在一定范围内进行仿真分析。 仿真结果以多种图形方式输出，直观明了，可以单图精细分析，也可以多图综合比较分析、并可通过不同的角度进行分析，以获得对电路设计的准确判断。Protel99se仿真方面其具有的特点有：l 强大的分析功能用户可以根据Protel99SE电路仿真器所提供的
20、功能，分析设计电路的各方面性能，如电路的交直流特性、温度漂移、噪声、失真、容差、最坏情况等特性。l 丰富的信号源 其中包括基本信号源：直流源、正弦源、脉冲源、指数源、单频调频源、分段线性源，同时还提供了齐全的线性和非线性受控源。l 充分的仿真模型库Protel99SE提供了20多个模拟和数字仿真元件库，共包含6000多个常用元器件。这些组件库包括了常用二极管、三极管、单结晶体管、变压器，晶闸管、双向晶闸管等分立组件，还有大量的数字器件和其它集成电路器件。同时Protel99SE提供了一个开放的库维护环境，允许设计者改变原有器件模型，也可创建新器件模型。l 友好的操作界面1. 无需手工编写电路网
21、表文件。系统将根据所画电路原理图自动生成网表文件并进行仿真。2. 通过对话框完成电路分析各参数设置。3. 方便地观察波形信号。可同时显示多个波形，也可单独显示某个波形；可对波形进行多次局部放大，也可将两个波形放置于同一单元格内进行显示并分析比较两者的差别。4. 强大的波形信号后处理，可利用各种数学函数对波形进行各种分析运算并创建一个新的波形。5. 方便地测量输出波形。Protel99SE提供了两个测量光标，打开它们可测量波形数据。结论此次课题设计，我主要负责直流稳压电源的设计。通过一连串的设计、修改、以及调试，最终完成了数字逻辑信号测试仪的设计与制作。并且能够按照protel 画出的PCB版图
22、。这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正自己学习和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫做论文了。希望这次经历能让我在以后的学习中激励我继续进步，做事踏实认真，仔细斟酌，力求完美。不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，不仅有刘老师的认真负责，而且还有同组人的配合，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向刘老师和我的同组的同学们（郭翔宇，候松翰，单亚林）表示由衷的谢意。另外，通过这几周的毕业设计也让我再次体会到团结协作的
23、无穷力量，比如刚开始进行数字逻辑信号测试仪的设计的时候，我们都遇到了这样那样不同的问题，但是每次经过大家讨论协商之后，都能够顺利的解决。这是一种团结的力量。而恰恰企业里正需要这种团结的意识，这对我以后进入社会，进入工作岗位也是一个很好的锻炼。所以，今后不管是做什么我都会注重团结协作的力量，发挥每一个分子的力量，将这个团队的力量发挥到极致。经过几个星期的课程设计，我受益非浅。使我极大的巩固了这5年来所学的知识，使我能够更加熟练的使用Protel制图软件，并且能够在设计的过程中积极思考，深入研究，锻炼了自己克服困难解决问题的能力，真正达到了这次做毕业设计的目的。在这次设计中，我充分的体会到了其中的
24、快乐以及完成设计以后的成就感。总而言之，这次毕业设计使我受益良多，终身难忘。 谢 辞 本次毕业设计与论文的撰写，是在北京电子科技职业学院刘丽华老师的细心指导和认真修改下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。令我钦佩向往。期间，她时常教导我要将理论知识与实际操作相结合，并将其充分地运用到实践中去，从而较好的锻炼了我的动手能力，使我做到了勤动脑、多动手、细体会，因而也为我以后的学习、工作和生活积累了诸多宝贵的知识与实战经验。在此，谨向我尊敬的导师刘丽华老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 岁月如梭，如歌。转眼间，五年的大专求学生活即将结束，站在毕业的门槛上
25、，回首往昔，奋斗和辛劳成为丝丝的记忆，甜美与欢笑也都尘埃落定。北科院以其优良的学习风气、严谨的科研氛围教我求学，以其博大包容的情怀胸襟、浪漫充实的校园生活育我成人。感谢北科院所有曾经帮助过我的老师们，如果没有您们的指导与帮助，论文撰写工作的完成是非常艰难的。 还要感谢我的家人和朋友一直以来对我的鼓舞与支持，他们的悉心关怀与默默的支持，使我能够很坚强地面对并战胜所有的困难。再次谢谢大家！参考文献1 赵伟军.Protel 99 SE教程.北京.人民邮电出版社,2004年.2刘国林.电工电子技术教程与实训.北京.清华大学出版社,2006年11月.第150154页.3 康华光.电子技术基础.北京.高等
26、教育出版社,1982年.第333页.4 赵淑范，王宪伟.电子技术试验与课程设计.北京.清华大学出社,2006年.185-192页.5 李桂安，葛年明，周泉.电子技术实验及课程设计.南京.东南大学出版社,2008年8月.第97100页.6 陈光明，施金鸿，桂金莲.电子技术课程设计与综合实训.北京.北京航空航天大学出版社,2007年5月.第138140页.7 毕满清.电子技术试验与课程设计.北京.机械工业出版社,2005年7月.第280315页.8 华成英，童诗白.模拟电子技术基础.北京.高等教育出版社,2004年.第234243页.9 王利刚.电工与电子技术.北京.中国传媒大学出版社,2006年.第97-101页.
