模拟电路课程设计1.docx
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模拟电路课程设计1
模拟电路课程设计
模拟电子技术课程设计任务书
一、课程设计的任务
通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在《模拟电子技术》中所学的理论知识和实验技能，掌握常用模拟电路的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力，为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。
二、课程设计的基本要求
1、掌握电子电路分析和设计的基本方法。
包括:
根据设计任务和指标初选电路;调查研究和设计计算确定电路方案;选择元件、安装电路、调试改进;分析实验结果、写出设计总结报告。
2、培养一定的自学能力、独立分析问题的能力和解决问题的能力。
包括:
学会自己分析解决问题的方;对设计中遇到的问题，能通过独立思考、查询工具书和参考文献来寻找解决方案，掌握电路测试的一般规律;能通过观察、判断、实验、再判断的基本方法解决实验中出现的一般故障;能对实验结果独立地进行分析，进而做出恰当的评价。
3、掌握普通电子电路的生产流程及安装、布线、焊接等基本技能。
4、巩固常用电子仪器的正确使用方法，掌握常用电子器件的测试技能。
5、通过严格的科学训练和设计实践，逐步树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风，并逐步建立正确的生产观、经济观和全局观。
1
三、课程设计任务
逻辑信号电平测试器的设计课题4
（一）设计目的
1、学习逻辑信号电平测试器的设计方法;
2、掌握其各单元电路的设计与测试方法;
3、进一步熟悉电子线路系统的装调技术。
（二）设计要求和技术指标
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，以便分析故障原因。
使用这些仪器能较准确地测出被测点信号电平的高低和被测信号的周期，但使用者必须一面用眼睛看着万用表的表盘或者示波器的屏幕，一面寻找测试点，因此使用起来很不方便。
本课题所设计的仪器采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声调的声音来表示，使用者无须分神去看万用表的表盘或示波器的荧光屏。
1、技术指标:
（1）测量范围:
低电平<1V，高电平>3V;
（2）用1.5KHZ的音响表示被测信号为高电平;
（3）用500HZ的音响表示被测信号为低电平;
2
（4）当被测信号在1~3V之间时，不发出音响;
（5）输入电阻大于20KΩ;
（6）工作电源为5V。
2、设计要求
（1）进行方案论证及方案比较;
（2）分析电路的组成及工作原理;
（3）进行单元电路设计计算;
（4）画出整机电路图;
（5）写出原件明细表;
（6）小结和讨论;
（7）写出对本设计的心得体会。
3、所需元器件及仪器设备:
（1）集成运算放大器（LM324）
（2）三极管（3DG12）
（3）二极管（2AP9,4只。
2CK12,1只）
（4）电阻
（5）双踪示波器
4、参考书:
[1]谢自美.电子线路设计?
实验?
测试.华中科技大学出版社，2006
[2]金凤莲.模拟电子技术基础实验及课程设计.清华大学出版社，2009
（四）撰写内容要求
1、设计说明书一份（不少于10页）
3
2、整机电路图一份（B5纸）
3、元件明细表一份
4、正文层次分明，客观真实，绘图规范，书写工整，语言流畅
5、设计中引用的参考文献不少于5篇
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目录
第一章绪论
第二章逻辑电平测试器的简单介绍
第三章逻辑电平测试器的设计思路
设计总结...........................................................................................22
参考文献...........................................................................................24
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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设计的主要目的
1.1.1学习逻辑信号电平测试器的设计方法;
1.1.2掌握其各单元电路的设计与测试方法;
1.1.3进一步熟悉电子线路系统的装调技术。
1.2课题研究及其意义
在平常的实验中，经常要遇到测试一些数字电路的电平信号;在测试这些数字电路或是检测其功能的时候要测试其是高电平还是低电平，以方便后续的维修和检验。
一般来说检测信号的时候6
都是要利用万用表和示波器来进行检测和判断，但是这只是一个简单的判断，而其操作起来比较繁琐，一边要看设备的屏幕，另外还要注意设备的工作状况，稍有疏忽就会导致检测不准确，从而影响到器件的制作。
所以想到了是否可以制作一个简单的电子电路用来方便判断数字电路的信号的输出状况，不仅可以准确的测试出高、低电平，而且也不用那么繁琐的操作，再进过仔细的研究和反复的实验中，制作成了一个逻辑电平测试器，其目的就是一种可以简单判断是高电平还是低电平的逻辑电路。
1.3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[1]。
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。
仪表频率范围200Hz,1700kHz，分辨率1Hz，频率误差7
?
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。
收信电平测量范围+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8
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，
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[3]。
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9
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[4]。
第二章逻辑电平测试器的简单介绍
2.1大概要求和技术指标
2.1.1技术指标:
（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0.8~3.5V之间时，不发出音响;
（5）输入电阻大于20KΩ;
（6）工作电源为5V。
2.1.2设计要求:
（1）进行方案论证及方案比较;
（2）分析电路的组成及工作原理;
（3）进行单元电路设计计算;
（4）画出整机电路图;
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（5）写出原件明细表;
（6）小结和讨论;
（7）写出对本设计的心得体会。
2.2测试器的原理框图
由图可知，电路由五部分组成:
输入电路、逻辑状态判断电路、音响电路、
发音电路和电源。
2.3输入电路及逻辑判断电路原理
右图为测试输入和逻辑
判断电路原理图。
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的比例图2-2中U1是被测
信号。
A1
和A2
为两个运算放大器。
可
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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同相端和逻辑判断电路
电压也小于反相端电压，所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。
2.4音调产生电路原理
右图为音调产生电路
原理图。
电路主要由两个
运算放大器A3和A4组成。
音调产生电路单元电路
下面分三种情况说明电路
的工作原理。
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
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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[7]。
2.4.2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的波形如图所示。
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UC1、UC2和UO的波形
由图可以看出A3的输出电压UO的周期
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
和UC2（t）的表达式可以分别求出:
t1=-1ln0.3?
1.211,t2。
根据UC1（t）
t2=-1ln0.7?
0.362这就是说只要改变时间常数1，2即可改变UO的周期。
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2.4.3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UO的周期会发生相应的变化。
2.5扬声驱动电路原理
扬声器驱动电路
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[9]。
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[10]。
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不同规格、口径的扬声器能够发出不同的音调，（不同频率范围的），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。
第三章逻辑电平测试器的设计思路
3.1输入和逻辑判断电路的设计
输入和逻辑判断电路如右图所示，输
入电路由R1和R2组成。
电路的作用是保
证测试器输入端悬空时，输入电压既不是
高电平，也不是低电平。
一般情况下，在
输入端悬空时，输入电压vI1.4V。
根据
技术指标要求输入电阻大于20KΩ，因此
可得:
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从而可确定R1和R2阻值。
可解得:
R1=R2=
取联系值:
R1=R2=图3-1输入和逻辑判断
单元电路
R3和R4的作用是给A1的反相输入端提供一个
3.5V的电压（高电平的基准）。
因此只要保证
即可。
R3和R4取值过大时容易引入干扰，取值过小时则会增大耗电量。
工程上一般在几十千
欧到几百千欧姆间选取。
因此选取R4=，
可得到:
R3,取R3=。
R5为二极管D1、D2的限流电阻。
D1、D2的作用是提供低电平信号基准，按给定技术指
标可取一只锗二极管和一只硅二极管。
可取:
R5=10kΩ
3.2音响产生电路的设计
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图3-5为音响产生电路单元电路图。
图中R10和R11的作用与图中的R3和R4相同。
可参考R3和R4取值。
三个二极管可
选用锗二
极管如2AP9。
根据公式:
我们选取
因为
选取
从而可以确定R9阻值，有:
又因为:
音响产生电路单元电路图
根据给定要求，
（被测信号为高电平）
或
（被测信号为低电平）
我们选取，由于技术指标中给定被测信号为高电平时，音响频率为1.5KHZ，被测
信号为低电平时，音响频率为500HZ
。
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所以在被测信号为高电平时，
因为
所以
从而可以确定和
得3-3
扬声器驱动电路
所以R6=
根据低电平时的音响频率值，则可确定R7的值勤为。
3.3扬声器驱动电路的设计
扬声器驱动电路如图所示。
由于驱动电路的工作电源电压比较低，因此对三极管的耐压要求不高。
如可选取3DG12为驱动管。
R为限流电阻，可选取阻值为10KΩ。
在上一级的音频产生电路中，高电平会使其产生1.5kHz的方波，低电平会使其产生500Hz的方波，经过驱动管3DG12后驱动扬声器发声，使之发出不同音调的声音。
3.4元器件的选择
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选取标称值，即元件库里所有的实际元件，按最接近的值选取。
即:
R1=R2=
R3=R4=
R5=R6=
R7=R8=
R9=R10=
C1=C2=
运算放大器:
LM324
硅二极管各一个
三极管:
8050
干
二极管:
2AP9，普通锗、万能板一块、导线若20
3.5整体电路的设计
声调提示的逻辑电平测试器的整机电路
图3-4为声调提示的逻辑电平测试器的整机电路整机电路由三部分组成:
输入与逻辑判断电路、音响产生电路、扬声器驱动电路组成。
UI测试点的接入口，接入被测量，被测电压与图中U1、U2的基准电压比较，其中U1为高电平标准，U2为低电平标准[12]。
以上设计均为将U1设定为4V，U2设定为1,2V。
此两点的电压采用的是分压发控制，可采用可变式电阻分压，即可控制不同标准电平。
若以TTL（VCC:
5V:
VIH>=2V;VIL<=1.2V）电平为例，则设置U1=2V，U2=1.2V。
通过控制此处即可控制该测试器的测量标准。
其中的音调产生电路主要产生对应高低电平的两种不同频率21
的方波，方波的频率与电平的高低无关，只于电路中充电、放电电路中的电阻、电容的大小有关，控制充放电电路中R、C的大小可以控制扬声器产生不同的音调。
该整机电路用到了四个LM324运算放大器，刚好一片LM324集成运放芯片。
第四章设计总结
在这学期开始，刚接触电子技术基础（模拟部分）这本书，很多东西都是陌生的，不知道什么是二极管、三极管，不知道什么是运算放大器，更不知道这些电子元器件组合起来会有什么用处。
但是通过一个学期的学期，对模电这部分知识有了初步的认知。
尤其在这次课程设计的过程中，感觉自己学到了不少东西。
这次的课程设计给了我们一次实践的机会。
通过这次的课程设计让我们对课本的理论知识有了更深一步的了解和理解，同时也提高了我们的自主创新和自我设计能力。
音调的产生是通过产生的方波和扬声器产生振动，才发出声音，这是我上网查过才知道的。
同时，在不断的查资料书籍中，我们知道了逻辑测试器的工作原理、输入电路及判断电路和原理、单调产生电路原理和扬声器的原理，再结合所学的模电知识，画出了电路原理图。
在这次的设计过程中我完成了对声调提示的逻辑电平测试器的原理的熟悉，对各单元及整机电路的设计，以及22
电路中使用的元器的选型，同时在图书管和电子数据库中收集到大量的资料，给电路设计，元器件选型，以及后面写论文提供足够的参考材料。
最后通过不断的尝试、计算和调试测出了电路中和各参数。
这次课程设计的过程中遇到了不少麻烦，大多数都是因为自己平时的学习不够认真，很多问题考虑的不够全面，计算不够仔细。
麻烦多收获也就越多，在这次课程设计过程中，学会了怎样计算，怎样分析电路。
也对原来学习的知识查缺补漏。
体会到了自动化专业人员需要的耐心和毅力还有过人的专业基础知识是多么重要，而自己又有不少欠缺。
所以通过这次课程设计督促自己以后一定要一丝不苟的学习。
致谢
感谢这次课程设计中给予我帮助的老师和同学，感谢自动化实验室的老师和同学对我的课程设计提出了宝贵的意见和建议，感谢电子技术（模拟部分）老师对我们课程设计提出的帮助和耐心的讲解。
学生:
自动化111-29
尹伊欧23
参考文献
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电子技术实验与课程设计。
[M]北京:
清华大学出版社，2006年。
第163--167页。
[2]黄永定编。
电子实验综合实训教程。
[M]北京:
机械工业出版社，2004年。
第146--151页。
[3]姚福安（电子电路设计与实践（山东:
山东科学技术出版社,2002（133-145
[4]罗会昌（电工电子技术实验与课程设计（北京:
中国科学科技大学出版社,2005（
[5]高吉祥主编。
电子技术基础实验与课程设计。
[M]北京:
电子工业出版社，2005年。
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[6]毕满清主编，电子技术实验与课程设计。
[M]北京:
机械工业出版社，2005年7月。
第174--180页
[7]杨志亮（ProtelDXP电路原理图设计技术（山西:
西北工业大学出版社，2002（65-96
[8]柯南（电路设计Protel之Schematic（北京:
中国铁道出版社，2000（123-126
24
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