邏輯測試筆的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李曉虹

（武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080）

在對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行調(diào)試或維修時(shí)，通常采用萬用表來檢測各種芯片的輸入輸出狀態(tài)，分析電路的工作情況，仍因數(shù)字電路測試點(diǎn)多而十分不便。因此有必要設(shè)計(jì)一種邏輯測試筆專門用于檢測數(shù)字電路的輸入輸出狀態(tài)［1］，方便故障的診斷和處理。

1 邏輯測試筆的組成框圖

圖1為邏輯測試筆組成框圖，該邏輯測試筆由輸入電路、邏輯狀態(tài)判斷電路、處理輸出顯示電路、電源四部分組成。

圖1 邏輯測試筆組成框圖

輸入信號(hào)經(jīng)輸入電路送入邏輯狀態(tài)判斷電路進(jìn)行狀態(tài)分析［1］，判斷的結(jié)果送處理輸出顯示電路分類處理后驅(qū)動(dòng)1只相應(yīng)顏色（紅、黃、綠）的發(fā)光二極管亮顯示相應(yīng)的邏輯狀態(tài)。采用＋9V層疊電池處理后為該邏輯測試筆提供工作電壓。

2 單元電路組成及工作原理

2.1 單限電壓比較器

電壓比較器的基本功能是對(duì)兩個(gè)輸入電壓進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出高電平或低電平電壓［2］。

LM393集成電壓比較器如圖2所示。圖2（a）為同相輸入單限電壓比較器，其參考電壓UREF接在比較器的反相端，待比較的輸入電壓Ui接到同相端［2］。當(dāng) Ui≥UREF時(shí)，比較器輸出高電平；當(dāng) Ui＜UREF時(shí)，比較器輸出低電平。由于Ui從同相端輸入且只有一個(gè)門限，故稱同相輸入單限電壓比較器。同理，圖2（b）為反相輸入單限電壓比較器，當(dāng)Ui≤UREF時(shí)，比較器輸出低電平；當(dāng)Ui＞UREF時(shí)，比較器輸出高電平。

圖2 LM393集成電壓比較器

2.2 輸入及邏輯狀態(tài)判斷電路

圖3所示為輸入及邏輯狀態(tài)判斷電路，其工作原理如下。

U2選用集成電壓比較器LM393，采用單電壓＋5V供電。被測邏輯信號(hào)由Ui輸入，送至上限電壓比較器U2：A、下限電壓比較器U2：B的同相輸入端進(jìn)行邏輯狀態(tài)判斷。

圖3 輸入及邏輯狀態(tài)判斷電路

（1）上限電壓比較器

上限電壓比較器由集成電壓比較器U2：A及電阻R3、R4、R7構(gòu)成，是同相輸入單限電壓比較器。

被測邏輯信號(hào)Ui由U2：A的同相輸入端輸入，與U2：A的反相輸入端的上限電壓值UH比較，比較結(jié)果由U2：A的輸出端輸出信號(hào)A［1］。

比較器的上限電壓值UH（即該同相輸入單限電壓比較器的參考電壓）由電阻R3、R4阻值及電源電壓值VCC決定。

其中VCC＝＋5V，當(dāng) R3＝2.4kΩ，R4＝5.6kΩ時(shí)，則上限電壓值UH＝3.5V

因此，當(dāng)被測邏輯信號(hào)Ui與上限電壓值UH比較時(shí)，若被測邏輯信號(hào)Ui為高電平即Ui≥UH，則U2：A輸出高電平；若被測邏輯信號(hào)Ui＜UH，則U2：A輸出低電平。

（2）下限電壓比較器

下限電壓比較器由集成電壓比較器U2：B及電阻R5、R6、R8構(gòu)成，是同相輸入單限電壓比較器。

被測邏輯信號(hào)Ui由U2：B的同相輸入端輸入，與U2：B的反相輸入端的下限電壓值UL比較，比較結(jié)果由 U2：B的輸出端輸出信號(hào)B［1］。

比較器的下限電壓值UL（即該同相輸入單限電壓比較器的參考電壓）由電阻R5、R6阻值及電源電壓值VCC決定。

其中 VCC＝＋5V，當(dāng) R5＝43kΩ，R6＝8.2kΩ時(shí)，則下限電壓值 UL＝0.8V

因此，當(dāng)被測邏輯信號(hào)Ui與下限電壓值UL比較時(shí)，若被測邏輯信號(hào)Ui≥UL，則U2：B輸出高電平；若被測邏輯信號(hào)Ui為低電平即Ui＜UL，則U2：B輸出低電平。

2.3 處理輸出顯示電路

圖4所示為處理輸出顯示電路，其中U3為集成反相器（非門）CD4069，U4為集成與非門CD4011，D1、D2、D3為紅、黃、綠發(fā)光二極管，R9為限流電阻。

圖4 處理輸出顯示電路

處理輸出顯示電路工作原理：

由邏輯狀態(tài)判斷電路輸出的判斷結(jié)果A、B送至處理輸出顯示電路，該電路分為三個(gè)部分：

（1）高電平判斷及邏輯狀態(tài)顯示

被測邏輯信號(hào)Ui是否為高電平，由高電平判斷輸出F1＝的狀態(tài)決定。F1為0時(shí)，紅色發(fā)光二極管D1亮，表明被測邏輯信號(hào)Ui為高電平。

（2）低電平判斷及邏輯狀態(tài)顯示

被測邏輯信號(hào)Ui是否為低電平，由低電平判斷輸出F3＝的狀態(tài)決定。F3為0時(shí)，綠色發(fā)光二極管D3亮，表明被測邏輯信號(hào)Ui為低電平。

（3）被測邏輯信號(hào)在高低電平之間或被測端懸空判斷及邏輯狀態(tài)顯示

被測邏輯信號(hào)Ui是否在高低電平之間或被測端是否懸空，由判斷輸出F2＝的狀態(tài)決定。F2為0時(shí)，黃色發(fā)光二極管D2亮，表明被測邏輯信號(hào)Ui在高低電平之間或被測端懸空。

2.4 電源

采用＋9V層疊電池。因構(gòu)成邏輯測試筆的集成電路全部采用＋5V的直流電壓，故將＋9V的直流電壓經(jīng)集成三端穩(wěn)壓器LM7805的典型應(yīng)用電路后輸出穩(wěn)定的＋5V的直流電壓，為邏輯測試筆提供所需的工作電壓，如圖5所示，其中SW1為邏輯測試筆供電開關(guān)。

3 整機(jī)電路及工作原理

用Proteus的ISIS軟件繪制邏輯測試筆電路如圖6所示，分析其電路原理為：

圖5 電源電路

SW1開關(guān)合上，＋9V層疊電池的＋9V直流電壓經(jīng)集成三端穩(wěn)壓器LM7805穩(wěn)壓輸出＋5V直流電壓，為邏輯測試筆提供所需的工作電壓。設(shè)被測邏輯信號(hào)Ui≥3.5V時(shí)為高電平，Ui＜0.8V時(shí)為低電平，當(dāng)0.8V≤Ui＜3.5V或被測端懸空時(shí)為第三態(tài)。

當(dāng)被測邏輯信號(hào)Ui≥3.5V時(shí)，上限電壓比較器U2：A的輸出（1端）、下限電壓比較器U2：B的輸出（7端）均為高電平，即圖6中A、B均為高電平，則高電平判斷輸出F1＝＝0，紅色發(fā)光二極管D1點(diǎn)亮；被測邏輯信號(hào)在高低電平之間或被測端懸空判斷輸出F2＝＝1，黃色發(fā)光二極管D2不亮；低電平判斷輸出F3＝＝1，綠色發(fā)光二極管D3不亮。此時(shí)只有紅色發(fā)光二極管D1點(diǎn)亮，說明邏輯測試筆顯示被測邏輯信號(hào)Ui為高電平。

圖6 邏輯測試筆整機(jī)電路

同理，當(dāng)被測邏輯信號(hào)Ui＜0.8V時(shí)，U2：A的輸出（1端）、U2：B的輸出（7端）均為低電平，即圖6中A、B均為低電平，則F1＝＝1，紅色發(fā)光二極管D1不亮；F2＝＝1，黃色發(fā)光二極管D2不亮；F3＝＝0，綠色發(fā)光二極管D3點(diǎn)亮。此時(shí)只有綠色發(fā)光二極管D3點(diǎn)亮，說明邏輯測試筆顯示被測邏輯信號(hào)Ui為低電平。

同理，當(dāng)被測邏輯信號(hào)0.8V≤Ui＜3.5V或被測端懸空（懸空時(shí)，因R1＝R2，R1和R2分壓后使Ui＝2.5V），U2：A 的輸出（1端）為低電平，即圖6中A為低電平；U2：B的輸出（7端）為高電平，即圖6中B為高電平，則F1＝1，紅色發(fā)光二極管D1不亮；F2＝＝0，黃色發(fā)光二極管D2點(diǎn)亮；F3＝＝1，綠色發(fā)光二極管D3不亮。此時(shí)只有黃色發(fā)光二極管D3點(diǎn)亮，說明邏輯測試筆顯示被測邏輯信號(hào)Ui為第三態(tài)。

4 仿真調(diào)試

參考圖6用Proteus的ISIS軟件繪制邏輯測試筆仿真電路如圖7所示，設(shè)置了高電平、高低電平之間信號(hào)、低電平、懸空、門限電平信號(hào)3.5V和0.8V共6種典型的輸入狀態(tài)，為了方便觀察在多處放置了電壓或電流探針，仿真結(jié)果符合原理分析及設(shè)計(jì)要求，調(diào)試成功。

5 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的邏輯測試筆在測試電壓大于或等于3.5V時(shí)紅色發(fā)光二極管亮；在測試電壓小于0.8V時(shí)綠色發(fā)光二極管亮；在測試電壓小于3.5V且大于或等于0.8V以及測試點(diǎn)懸空時(shí)黃色發(fā)光二極管亮。完成仿真設(shè)計(jì)后，實(shí)際制作了邏輯測試筆并調(diào)試成功。該邏輯測試筆使用時(shí)應(yīng)使被檢測電路與邏輯測試筆共地，當(dāng)使用時(shí)發(fā)光二極管的亮度較暗，需考慮更換電池，以保證測量的準(zhǔn)確性。

圖7 邏輯測試筆仿真電路

［1］李曉虹.電子電路設(shè)計(jì)實(shí)例教程［M］.北京：中國鐵道出版社，2014：175－180.

［2］胡宴如.模擬電子技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2000：207.