简易三态逻辑测试笔

摘要1 课程设计要求11.1 目的.11.2 要求.12 元器件的功能和作用22.1 LED发光原理 22.2 LED的特性 32.3 运算放大器工作原理 32.4 稳压IC53 设计原理及方案84 集成电路简介95 元器件清单10结束语.1参考文献121 课程设计要求1.1 目的1 熟悉工程实践中电子电路的设计方法和规范，达到综合应用电子技术的目的2 学习文件检索和查找数据手册的能力。3 学习元器件的选择与应用。4 学习电子制图软件的使用。5 学会整理和总结设计文档报告。1.2 要求一、要求电路能够检测出高电平、低电平和高阻三种状态。二、要求电路能够在一定范围内对高电平和低电平的状态进行调整， 高电平的设 定范围为（ 25） V 的状态，低电平设定范围为（ 01）V 的状态。三、要求电路能够将测试结果予以显示2元器件的功能和作用2.1 LED发光原理发光二极管是由川-W族化合物，如GaAs （砷化傢）、GaP（磷化傢）、GaAsP（磷砷化傢）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性, 即正向导通，反向 截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在 正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载 流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图2-1所示。5如 540260 那Q00 62Q披板X (mn)图2-1二极管发光原理及波形假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中 心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量 不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数ym以内产生。 理论和实践证明，光的峰值波长 入与发光区域的半导体材料禁带宽度E g有关，即 入 1240/Egnm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm 紫光780nm红光），半导体材料的Eg应在3.261.63eV之间。比红光波长长的光 为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、 价格很高，使用不普遍。2.2 LED的特性（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。 超过此值，LED发热、损坏。（2）最大正向直流电流IFm :允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极 管。（3）最大反向电压VRm :所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被 击穿损坏。（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围, 发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。2.3运算放大器工作原理运算放大器（Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合 ，差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output） 2的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而 得名。一个理想的运算放大器必须具备下列特性：无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。最基本的 运算放大器如图2-2。一个运算放大器模组一般包括一个正输入端 （OP_P）、一个负输 入端（OP_N）和一个输出端（OP_O）。通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端（inverting input node）连 接，形成一负反馈（negative feedback）组态3。原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数万倍不等，使用负反馈方可保证电路的稳定运作。但是这并不代表运算放大器不能连接成正回馈(positive feedback)，相反地，在很多需要产生震 荡讯号的系统中，正回馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。图2-3开环回路运算放大器开环回路运算放大器如图2-3。其中Aog代表运算放大器的开环回路差动增益(open-loop differential gai由于运算放大器的开环回路增益非常高，因此就算输入端 的差动讯号很小，仍然会让输出讯号饱和(saturation)，导致非线性的失真出现。 因此运算放大器很少以开环回路出现在电路系统中，少数的例外是用运算放大器做比 较器(comparator)，比较器的输出通常为逻辑准位元的0与1。闭环负反馈将运算放大器的反向输入端与输出端连接起来，放大器电路就处在负反馈组态的状况，此时通常可以将电路简单地称为闭环放大器。闭环放大器依据输入讯号进入放大器的端点，又可分为反相(inverting)放大器与非反相(non-inverting)放大器两种。反相闭环放大器如图2-3。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器，则因为其开 环增益为无限大，所以运算放大器的两输入端为虚接地(virtual grou nd)。图2-4反相闭环放大器非反相闭环放大器如图2-4 o假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器，则因为其 开环增益为无限大，所以运算放大器的两输入端电压差几乎为零。图2-4非反相闭环放大器闭环正回馈 将运算放大器的正向输入端与输出端连接起来，放大器电路就 处在正回馈的状况，由于正回馈组态工作于一极不稳定的状态，多应用于需要产生震 荡讯号的应用中。理想运放和理想运放条件在分析和综合运放应用电路时，大多数情况下，可以将集成运放看成一个理想运算放 大器。理想运放顾名思义是将集成运放的各项技术指标理想化。 由于实际运放的技术 指标比较接近理想运放，因此由理想化带来的误差非常小，在一般的工程计算中可以 忽略。2.4稳压IC稳压IC,主要的应用范围4:可擕式产品、MP3、MP4、PMP、数码相机、光电鼠标、LED灯、遥控玩具、电子辞典、复读机、无线耳机、无线鼠标键盘、血压计、 医疗器械、汽车防盗器、LED手电筒、直流圣灯、太阳能草坪灯、充电器、键盘电 动玩具类产品、LCM、接口转换器、仪表、闪灯、有时钟显示的产品控制电路。稳 压IC包含：DC/DC升压芯片5V、3V、3.3V、升压IC输出电压可调、LDO稳压6206 系列、带使能端系列LDO，低电压检测复位IC、背光驱动芯片、LED驱动IC、MOS 管等。目录 稳压IC的工作原理 基本应用电路 扩展输出电压的应用电路 稳压IC的脚的辨别方法 如何测试稳压IC的稳压值 稳压IC使用介绍 添加新目录 - 稳 压IC的工作原理1）启动电路在集成稳压器中，常常采用许多恒流源，当输入电压V1接通后，这些恒流源难以自行导通，以致输出电压较难建立。因此，必 须用启动电路给恒流源的BJT T4、T5提供基极电流。启动电路由T1、T2、DZ1组 成。当输入电压V1高于稳压管DZ1的稳定电压时，有电流通过 T1、T2,使T3基 极电位上升而导通，同时恒流源 T4、T5也工作。图2-5稳压IC的工作原理启动电路在集成）的正向电压值。在电路设计和工艺上使具有正温度系数的R1、R2、DZ2与具有负温度系数的T3、D1、D2发射结互相补偿，可使基准电压VREF基本上不随 温度变化。同时，对 稳压管DZ2采用恒流源供电，从而保证基准电压不受输入电压 波动的影响。取样比较放大电路和调整电路。这部分电路由T4T11组成，其中T10、 T11组成复合调整管；R12、R13组成取样电路；T7、T8和T6组成带恒流源的差分 式放大电路；T4、T5组成的电流源作为它的有源负载。T9、R9的作用说明如下：如 果没有T9、R9,恒流源管T5的电流IC5=IC8+IB10，当调整管满载时IB10最大， 而IC8最小；而当负载开路时IO=0, IB10也趋于零，这时IC5几乎全部流入T8,使 得IC8的变化范围大，这对比较放大电路来说是不允许的，为此接入由T9、R9级成的缓冲电路。当IO减小时，IB10减小，IC8增大，待IC8增大到0.6V时，贝U T9 导通起分流作用。这样就减轻了 T8的过多负担，使IC8的变化范围缩小。（4）保护电路减流式保护电路减流式保护电路由T12、R11、R15、R14和DZ3、DZ4组成，R11为检流电阻。 保护的目的主要是使调整管（主要是 T11）能在安全区以内工作，特别要注意使它 的功耗不超过额定值 PCM 。首先考虑一种简单的情况。假设图 1 中的 DZ3、 DZ4 和 R14不存在，R15两端短路。这时，如果稳压电路工作正常，即PC0.6V时，使T12管导通。由于它的分流作用，减小了 T10的基极电流，从而限制了输出电流。这种简 单限流保护电路的不足之处是只能将输出电流限制在额定值以内。 由于调整管的耗散 功率PCM=ICVCE，只有既考虑通过它的电流和它的管压降 VCE值，又使PC（VZ3+ VZ4），则DZ3、DZ4击穿，导致T12管发射结承受正向电压而导通。，（VI -/O） 越大，即调整管的VCE值越大，则IO越小，从而使调整管的功耗限制在允许范围内。 由于IO的减小，故上述保护称为减流式保护。过热保护电路 7电路由DZ2、T3、T14和T13组成。在常温时，R3上的压降仅为0.4V左右，T14、 T13 是截止的，对电路工作没有影响。当某种原因（过载或环境温升）使芯片 温度上升到某一极限值时，R3上的压降随DZ2的工作电压升高而升高，而T14的发 射结电压VBE14下降，导致T14导通，T13也随之导通。调整管T10的基极电流IB10 被T13分流，输出电流IO下降，从而达到过热保护的目的。电路中 R10的作用是给 T10管的ICEO10和T11管的ICBO11 一条分流通路，以改善温度稳定性。3设计原理及方案所谓输出三态，即数字集成电路输出有三种方式：高电平（与正电源相连），低电平（与地相连），高阻态（不与任何支路相连，相当于悬空状态）。TTL电平输出高电平2.4V,输出低电平=2.0V，输入低电平2.0v时为高电平，小于1.0V为低电平， 当Vin为第三态时相当于悬空，固定输出电压的稳压 IC78L05输出的电压为5V，此 时电压为R1和R2分压后所得电压分别为3.5v、1.5V左右。当Vin输入电压大于2.0V时，U1、脚为低电平-U2、脚为低电平-U2、 脚为高电平-U3、脚为高电平-U3脚为低电平，红色发光管D1点亮；U1、 脚为低电平-U3、脚为低电平-U3脚为高电平，绿色发光管D2不亮；U1、 脚为低电平-U2脚为低电平-U2脚为高电平-U3脚为高电平+ U3脚为 低电平-U3脚为高电平，黄色发光管 D3不亮。当Vin输入电压小于1.0V时，U1、脚为高电平-U2、脚为高电平-U2、 脚为低电平-U3、脚为低电平-U3脚为高电平，红色发光管D1不亮；U1、 脚为高电平-U3、脚为高电平-U3脚为低电平，绿色发光管D2点亮；U1、 脚为高电平-U2脚为高电平-U2脚为低电平-U3脚为低电平+ U3脚为 高电平-U3脚为高电平，黄色发光管 D3不亮。当Vin输入为第三态时，U1脚为高电平+ U1脚为低电平-U2脚为高电平 + U2脚为低电平U2脚为低电平、U2脚为咼电平U3脚为低电平+U3脚 为高电平-U3脚为高电平，红色发光管D1不亮；U1脚为高电平+ U1脚为低 电平U3脚为高电平、U3脚为低电平U3脚为高电平，绿色发光管D2不亮； U1脚为高电平+U1脚为低电平 -U2脚为低电平-U2脚为高电平-U3脚 为高电平+ U3脚为高电平-U3脚为低电平，黄色发光管D3点亮。5 元器件清单表5-1兀器件清单序号村料名称规格型号数量单位号 标1电阻RT, 1/4W, 470 Q, 5%3只R7、 R8、 R92电阻RT, 1/4W, 3.3k, 5%1只R63电阻RT, 1/4W, 4.2k, 5%1只R34电阻RT, 1/4W, 10k, 5%2只R4、R55电阻RT,1/4W,1MQ,5%2只R1 , R26四运算放大器LM3241块U17固定输出电压的稳压IC78L051块U48与非门74LS021块U39反相器74LS041块U210发光二极管$3红光1支D111发光二极管（j）3绿光1支D212发光二极管$3黄光1支D313开关钮子开关1只SW14电池9V1只EC15探笔1只结束语1结论简易三态逻辑测试笔电路简单，制作方便，各维修工程人员均可自我制作并应用于仪器设备的维修中。经过这学期的课程设计，我完成了这次的设计要求，成功的设计了一个逻辑笔，完 成了预想的功能。首先提出可行的执行方案，多提出几种方案，集思广益。然后对方 案进行理论上的论证。选择方便可行而且价格便宜的元件，进行设计，注意性价比。2心得体会通过一个星期的实习，让我真正学到了不少的东西，通过学习使自己对课本上的 知识可以应用于实际，使得理论与实际相结合，加深了自己对课本知识的更好理解， 亲身感受到了一个电子产品的制作全过程， 让我们真正学以致用。一周的课程设计使 我动手操作能力有了跨越式的进步， 对我们学生来说，理论与实践同样重要，这是我 们以后在工作中说明自己能力的一个重要标准。此次课程设计能顺利圆满的完成，除了依靠本人的坚持不懈努力外，还得感谢那 些一直在背后辛勤指导我们的老师，由于所学知识有限，有很多问题都不能正确的解 答，多亏有老师们耐心的指导和帮助， 才使我的课程设计顺利的完成，在此对各位老 师，表示忠心的感谢。感谢你们为我们排除了思路上的障碍，感谢你们辛勤地指导，请 允许我向你们致意崇高的敬意，感谢你们，老师！参考文献1 何小艇，电子系统设计 M. 浙江 :浙江大学出版社， 2001200120052 姚福安，电子电路设计与实践 M. 山东 :山东科学技术出版社，3 王澄非，电路与数字逻辑设计实践 M. 东南大学出版社， 19994 李银华，电子线路设计指导 M. 北京 :北京航空航天大学出版社，5 康华光，电子技术基础 M. 高教出版社， 20036 秦曾煌，电工学 M. 高等教育出版社， 19917 陈学泮，数字电路与逻辑设计 M. 中山大学出版社， 19938 李瀚荪，电路分析基础 M. 高教出版社， 1994