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逻辑电平测试器的设计及分析
摘要
在检修数字集成电路组成的设备时,经常需要使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,以便分析故障的原因。
使用这些仪器能较准确的测出被测点信号的电平的高低和被测电平的周期,但是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。
声调提示的逻辑电平测试器用声音来表示被测信号的逻辑状态,高电平和低电平分别用不同的声调的声音表示,使用者不需分神去看万用表的表盘或示波器的荧光屏。
该测试器采用运算放大器作电压比较器进行电平判断,根据电平高低使音响电路产生不同频率方波驱动扬声器,使扬声器有相应不同的声调输出提示。
通过对基准电压的设定,可以对常用的电平标准TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS等进行测试判断。
关键词:
放大器;逻辑电平;测试;声调提示
Abstract
Whenrepairingtheequipmentsmadeupdigitalintegratedcircuits,weoftenneedtouseamultimeteroroscilloscopetomeasurethelogiclevelinordertoanalyzethereasonsforfailure.Theuseoftheseinstrumentsmakesthemeasuremoreaccurate.Itcanbeusedtomeasurethelevelandtheperiodsofthesignal.butontheonehand,theusermustbewiththeireyeslookingatthescreenofdialmultimeteroroscilloscope,ontheotherhandtheymustfindthetestpoints,soitisveryinconvenience.Withvoicepromptinglogicleveltesterusesvoicetoexpressthelogicofthesignal.thedifferenttoneofvoicetoexpressthehighandlowwillnotdistracttheattentionofuserstoseethescreenofthemultimeteroroscilloscope.
Thetesterusestheamplifierasthevoltageparatortodistinguishthelogiclevel,inaccordancewithhighandlowleveltheaudiocircuitsproducedifferentfrequencysquare-wavetodrivespeakers,sothespeakershavedifferentoutputprompttones.Bysettingthereferencevoltageitcanbemonlyusedtomeasurealotofstandard-levelsuchasTTL,CMOS,LVTTL,LVCMOS.
Keywords:
Amplifier;Logiclevel;Test;Voiceprompt
第一章绪论
随着电子技术和其他高技术的飞速发展,致使工业、农业、科技国防等领域以及人们社会生活发生了令人瞩目的变革。
电子元器件和集成电路的发展,使各种电器,电子仪表设备微型化,多功能化和更加灵活。
随之而来的电路测试和检测问题也应运而生,电平测试器就是在检修数字集成电路时经常用到的工具,人们也时常用万用表和示波器对电平中的故障部位的高低电平进行测量,都不如专用的逻辑电平测试器使用起来方便,快捷,电平测试器可以做成电平测试笔,便于携带和使用,采用声音或光色对电平高低加以提示,使得人们不用盯着显示器读数,直接得到结果。
1.1电平测试仪器及测试技术的发展状况
目前市场中所使用的电平测试仪的性能以向智能化、数字化、操作简单化方向发展。
如GK5110数字电平综合测试仪(高频通道测试仪)是集振荡器、宽频电平表、选频电平表、杂音仪、阻抗表、载波通道自动测试仪、频率计等为一体的多功能仪表。
仪表采用国际先进的双DDS技术、带flashROM的单片机、温补晶振TCXO,以及大规模集成的特殊电路开发成功的智能型、全数字化仪表
。
仪表测量精度高,电平稳定,具有自动量程、自动电平校正、自动快速搜索、近端单机和远端双机同步自动测试,测量结果具有数字和模拟两种指示,数据可存储,并通过RS232接口上传PC机,打印输出。
仪表频率X围200Hz~1700kHz,分辨率1Hz,频率误差±3×10-6,适用于平衡和同轴电缆FDM系统以及无线链路和卫星系统的基带电平测量,可广泛用于电力、邮电、铁路、等通信部门。
由于发信的高电平(+18dB)和收信的高电平(+50dB)输入测量,以及输出口的自动保护功能,使仪表特别适用于电力载波、保护设备以及电力线载波通道的测试。
例如高压输电线路、变电站等场所的电力线载波通道进行电平、衰减、串杂音、阻抗等高频参数测试,以及电力通信结合设备高频阻波器、结合滤波器、高频电缆的开通维护测试。
性能及特点:
全数字化,大屏幕高清晰LCD汉字图形显示,菜单式操作。
发信电平-77.9dB~+18dB,具有良好的频响和电平稳定度,输出纯度极高,是理想的高质量信号源。
输出口设有自动保护电路,不会因强信号灌入而损坏输出电路,特别适用于继电保护高频收、发信机测试。
收信电平测量X围+50dB~-100dB,分辨率0.01dB,具有自动量程、自动校正,电平测量稳定,精确度高。
测量结果有数字和模拟棒两种指示。
备有各种输出、输入阻抗,适于与通信设备作终端或跨接测量。
具有dB和dBm两种测量单位,可根据需要切换,直接显示而不用换算。
具有25Hz和1.74kHz两种选频带宽,良好的选择性和极低的固有失真,使电平表不仅作电平和串杂音测量,还可作波形分析。
采用1.74kHz带宽可长期监测线路衡重杂音电平。
“AFC”功能可全频段跟踪被测信号,自动搜索功能快速准确地搜寻测量未知信号的电平和频率。
近端单机自动环测,远端双机自动同步对测,自动测量载波通道,高频保护通道的电平、衰减、幅频特性、衡重杂音、线路阻抗等高频参数。
且具有RS232串行接口,数据可存储并上传PC机打印输出。
下面介绍一种用频谱分析测量数字信号电平的技术。
在数字电视、数字传输、数据通信中,其信号是采用多种调制方式的数字信号,这时的数字信号电平已不能用一般传统的方法来定度和测量,本文将引入每赫兹带宽功率(dBmV/Hz)法解决数字电平测量
。
电压是电子学的基本参数,也称电平。
电平和电压是同一个参数,一般来说,它们的区别在于单位不同。
电压是以伏(V)作单位,如V、mV、μV、kV等;电平是以dB作单位,如dBv、dBmV、dBμV等
。
电信号的电平,一般都是用正弦波的有效值为基准,以热电偶测量功率来定度它的电压值(电平值),我们也叫做电平(电压)的有效值。
这就是说信号电平和功率之间是以热电偶所产生的热量来联系的。
我们知道,电功率是与信号波形无关的,而对于电平来说,我们所定度的正弦波那一定是无失真正弦波,否则要引入误差。
为了准确地测量信号的电平,一般正弦波信号不言而喻地用常规电平表示测量有效值,如果是脉冲信号则一般测量它的峰值。
在电视信号测试中,因为视频信号相当复杂,其信号大小是以行同步脉冲的峰值来定度,因此测定行同步脉冲峰值。
随着数字技术的发展,数字通信、计算机网路,数字电视的发展,各种调制的数字信号出现,它们怎样测量,这是一个非常重要的问题。
目前常见的数字信号有FSK、PSK、ASK、CDMA、TDMA、FDMA、QPSK、QAM等。
从测量的角度来看,无论那种调制数字信号,都可以把它当作在一定带宽内的噪声来对待。
因此,我们用每赫兹功率电平(dBmV/Hz)的概念,将一定带宽的功率来表征信道的功率(dBmV),笔者称为平均功率电平。
像频谱仪通常是测量正弦波的电平有效值,来表征电平
。
1.2本文的主要工作
本文主要完成的是声调提示的逻辑电平测试器的原理、各单元的电路的设计过程、所用到的电子元器件的介绍。
本文按照不同的内容,分五个章节进行组织。
第一章为绪论,介绍了声调逻辑电平测试器的用途及产生背景,同时给出了目前电平测试仪表的发展状况;第二章介绍了标准电平,分析了所用电路的基本原理;第三章详细介绍了各个单元和完整电路的设计过程;第四章主要介绍Protel软件设计电路原理图;第五章作了设计结果总结。
第二章声调提示的逻辑电平测试器的原理介绍
2.1常用电平介绍
现在常用的电平标准有TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、PECL、LVPECL、RS232、RS485等,还有一些速度比较高的LVDS、GTL、PGTL、CML、等,现在下面将对常用的电平标准进行介绍
。
(1)TTL:
Transistor-TransistorLogic三极管结构。
VCC:
5V;VOH>=2.4V;VOL<=0.5V;VIH>=2V;VIL<=0.8V。
因为2.4V与5V之间还有很大空闲,对改善噪声容限并没什么好处,又会白白增大系统功耗,还会影响速度。
所以后来就把一部分“砍”掉了。
也就是后面的LVTTL。
LVTT又分3.3V、2.5V以及更低电压的LVTTL(LowVoltageTTL)。
3.3VLVTTL:
VCC:
3.3V;VOH>=2.4V;VOL<=0.4V;VIH>=2V;VIL<=0.8V。
2.5VLVTTL:
VCC:
2.5V;VOH>=2.0V;VOL<=0.2V;VIH>=1.7V;VIL<=0.7V。
TTL使用注意:
TTL电平一般过冲都会比较严重,可能在始端串22欧或33欧电阻;TTL电平输入脚悬空时是内部认为是高电平。
要下拉的话应用1k以下电阻下拉。
TTL输出不能驱动CMOS输入
。
(2)CMOS:
plementaryMetalOxideSemiconductor PMOS+NMOS。
VCC:
5V;VOH>=4.45V;VOL<=0.5V;VIH>=3.5V;VIL<=1.5V。
相对TTL有了更大的噪声容限,输入阻抗远大于TTL输入阻抗。
对应3.3VLVTTL,出现了LVCMOS,可以与3.3V的LVTTL直接相互驱动。
3.3VLVCMOS:
VCC:
3.3V;VOH>=3.2V;VOL<=0.1V;VIH>=2.0V;VIL<=0.7V。
2.5VLVCMOS:
VCC:
2.5V;VOH>=2V;VOL<=0.1V;VIH>=1.7V;VIL<=0.7V。
CMOS使用注意:
CMOS结构内部寄生有可控硅结构,当输入或输入管脚高于VCC一定值(比如一些芯片是0.7V)时,电流足够大的话,可能引起闩锁效应,导致芯片的烧毁。
(3)ECL:
EmitterCoupledLogic发射极耦合逻辑电路(差分结构)
VCC=0V;VEE:
-5.2V;VOH=-0.88V;VOL=-1.72V;VIH=-1.24V;VIL=-1.36V。
速度快,驱动能力强,噪声小,很容易达到几百M的应用。
但是功耗大,需要负电源。
为简化电源,出现了PECL(ECL结构,改用正电压供电)和LVPECL。
(4)PECL:
Pseudo/PositiveECL
VCC=5V;VOH=4.12V;VOL=3.28V;VIH=3.78V;VIL=3.64V
(5)LVPELC:
LowVoltagePECL
VCC=3.3V;VOH=2.42V;VOL=1.58V;VIH=2.06V;VIL=1.94V
ECL、PECL、LVPECL使用注意:
不同电平不能直接驱动。
中间可用交流耦合、电阻网络或专用芯片进行转换。
以上三种均为射随输出结构,必须有电阻拉到一个直流偏置电压。
(如多用于时钟的LVPECL:
直流匹配时用130欧上拉,同时用82欧下拉;交流匹配时用82欧上拉,同时用130欧下拉。
但两种方式工作后直流电平都在1.95V左右)
(6)LVDS电平标准。
LVDS:
LowVoltageDifferentialSignaling
差分对输入输出,内部有一个恒流源3.5-4mA,在差分线上改变方向来表示0和1。
通过外部的100欧匹配电阻(并在差分线上靠近接收端)转换为±350mV的差分电平。
LVDS使用注意:
可以达到600M以上,PCB要求较高,差分线要求严格等长,差最好不超过10mil(0.25mm)。
100欧电阻离接收端距离不能超过500mil,最好控制在300mil以内。
(7)CML:
是内部做好匹配的一种电路,不需再进行匹配。
三极管结构,也是差分线,速度能达到3G以上。
只能点对点传输。
(8)GTL:
类似CMOS的一种结构,输入为比较器结构,比较器一端接参考电平,另一端接输入信号。
1.2V电源供电。
VCC=1.2V;VOH>=1.1V;VOL<=0.4V;VIH>=0.85V;VIL<=0.75V
PGTL/GTL+:
VCC=1.5V;VOH>=1.4V;VOL<=0.46V;VIH>=1.2V;VIL<=0.8V
(9)RS232和RS485:
RS232采用±12-15V供电,我们电脑后面的串口即为RS232标准。
+12V表示0,-12V表示1。
可以用MAX3232等专用芯片转换,也可以用两个三极管加一些外围电路进行反相和电压匹配。
RS485是一种差分结构,相对RS232有更高的抗干扰能力。
传输距离可以达到上千米。
2.2测试器的工作原理框图
下图2-1为测试器的工作原理框图。
本测试器采用运算放大器做电压比较,对电平进行测量。
由下图可以看出电路由五部分组成。
即:
输入电路、逻辑状态判断电路、音响电路、发音电路和电源。
图2-1测试器的工作原理框图
以上工作原理框图可使用与不同标准的电平的测试,现在以3.5V的电平为例作介绍,高电平为大于3.5V,低电平为小于0.8V。
电平测试器技术指标
(1)测量X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
2.3输入电路及逻辑判断电路原理
图2-2为测试输入和逻辑判断电路原理图。
图2-2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X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2-2输入和逻辑判断电路
2.4音调产生电路原理
图2-3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。
图2-3音调产生电路
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2-4所示
。
图2-4UC1、UC2和UO的波形
由图1-3可以看出A3
的输出电压UO的周期为
T=t1+t2(2-1)
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
),在t2期间电容C2放电,UC2(t)=5e
。
根据UC1(t)和UC2(t)的表达式可以分别求出:
t1=-
≈1.2
(2-2)
t2=-
≈0.36
(2-3)
这就是说只要改变时间常数
,
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,所以C1充电时间常数改变了,使得UO的周期会发生相应的变化。
2.5扬声器原理
扬声器主要有永久磁铁、线圈、和锥形纸盆组成。
强弱按声音变化的电流,使扬声器内电磁铁的磁性忽强忽弱,线圈就向里或外运动,带动纸盆发生震动发出声音。
将电能转化为声能,并将它辐射到空气中的一种电声换能器件。
电影、电视、广播以及各种需要扬声的场合都需要使用扬声器。
扬声器的主要性能指标有:
灵敏度、频率响应、额定功率、额定阻抗、指向性以及失真等
。
扬声器频率响应,在恒定电压作用下,在参考轴上距参考点一定距离处,扬声器所辐射的声压级随频率变化的特性。
频率响应一般是记录在以对数频率刻度为横坐标的图上,即频率响应曲线
。
不同规格、口径的扬声器能够发出不同的音调,(不同频率X围的),不可能全频段都兼顾,所以有高、中、低、音之分。
声音的三要素——响度、音调、音品(音色)
响度:
声音大小声,与发音体产生的声波振幅有关
音调:
声音的高低,与发音体产生的振动频率有关
音品:
声音的独特性,与发音体产生的波形有关
本设计就利用了音调的高低与发音体的震动频率有关的原理,根据音响电路中产生的不同频率的方波驱动扬声器发出不同音调声音。
第三章各单元电路和整机电路的设计
3.1集成运算放大器电路设计介绍
这里主要介绍电路中所用到的集成运算放大器LM324。
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X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。
LM324四运放是集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。
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的引脚排列见图2。
由于LM324四运放电路具有电源电压X围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。
下面介绍其应用实例。
(1)反相交流放大器
电路见附图3-3。
此放大器可代替晶体管进行交流放大,可用于扩音机前置放大等。
电路无需调试。
放大器采用单电源供电,由R1、R2组成1/2V+偏置,C1是消振电容。
图3-3反相交流放大器电路设计
放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定:
Av=-Rf/Ri。
负号表示输出信号与输入信号相位相反。
按图中所给数值,Av=-10。
此电路输入电阻为Ri。
一般情况下先取Ri与信号源内阻相等,然后根据要求的放大倍数在选定Rf。
Co和Ci为耦合电容。
(2)同相交流放大器
见附图3-4。
同相交流放大器的特点是输入阻抗高。
其中的R1、R2组成1/2V+分压电路,通过R3对运放进行偏置。
电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定:
Av=1+Rf/R4,电路输入电阻为R3。
R4的阻值X围为几千欧姆到几十千欧姆。
图3-4同相交流放大器电路设计
(3)交流信号三分配放大器
此电路可将输入交流信号分成三路输出,三路信号可分别用作指示、控制、分析等用途。
而对信号源的影响极小。
因运放Ai输入电阻高,运放A1-A4均把输出端直接接到负输入端,信号输入至正输入端,相当于同相放大状态时Rf=0的情况,故各放大器电压放大倍数均为1,与分立元件组成的射极跟随器作用相同
图3-5交流信号三分配放大器电路设计
R1、R2组成1/2V+偏置,静态时A1输出端电压为1/2V+,故运放A2-A4输出端亦为1/2V+,通过输入输出电容的隔直作用,取出交流信号,形有源带通滤波器许多音响装置的频谱分析器均使用此电路作为带通滤波器,以选出各个不同频段的信号,在显示上利用发光二极管点亮的多少来指示出信号幅度的大小。
这种有源带通滤波器的中心频率,在中心频率fo处的电压增益Ao=B3/2B1,品质因数,3dB带宽B=1/(п*R3*C)也可根据设计确定的Q、fo、Ao值,去求出带通滤波器的各元件参数值。
R1=Q/(2пfoAoC),R2=Q/((2Q2-Ao)*2пfoC),R3=2Q/(2пfoC)。
上式中,当fo=1KHz时,C取0.01Uf。
此电路亦可用于一般的选频放大。
此电路亦可使用单电源,只需将放正输入端偏置在1/2V+并将电阻R2下端接到运放正输入端既可。
(4)比较器
当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB,既10万倍)。
此时运放便形成一个电压比较器,其输出如不是高电平(V+),就是低电平(V-或接地)。
当正输入端电压高于负输入端电压时,运放输出低电平。
图3-6比较器电路设计
附图中使用两个运放组成一个电压上下限比较器,电阻R1、R1组成分压电路,为运放A1
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- 逻辑 电平 测试 设计 分析