数据域测量中逻辑笔的研制

数据域测量中逻辑笔的研制摘要：针对数字电路测试与检修过程中逻辑电平状态测量问题，设计了三组由不同参数电阻构成的分压取样电路，将稳压管的输出电压分压取样以产生高、低以及悬空三种状态的阈值电平，确保了电路运行的可靠。

选用3个运算放大器和逻辑门电路设计构成电压比较运算电路，将测试电压与三种阈值电平进行比较运算，保证了测量精度的同时使得电路结构更为稳定。

运用不同颜色的发光二极管来表示数字电平的不同状态，清晰直观，提高的测量的效率。

关键词：数据域测量，数字电路，逻辑笔1 引言随着数字电子技术在各个领域内的广泛应用，数字电路的分析与设计日益成为电子，自动化，计算机等领域的重要部分。

数字电路的分析大体上包括两个部分，一类是根据具体目标，确定所设计电路应具备的功能，然后设计相应的电子线路，另一类是对现有电子电路进行分析，从而对电路各个部分的功能更加明晰，为后续数字电路的改进或故障检修做准备。

数字电路的设计与分析过程中，数据流的测量以及数字电平逻辑状态的判断是一个重要的环节。

电路中各个节点逻辑电平是否处于正常状态直接决定了电路工作是否正常，同时，根据逻辑电平的状态也可准确排查出故障位置和原因。

与传统时域测量不同，数据域测量面向的对象是数字逻辑电路。

传统时域测量仪器如万用表、示波器对于模拟电子电路的测量时行之有效的，但由于数字电路与模拟电路在电路结构，信号构成，分析方法上有着很大的不同，故应设计相应的数据域测量测量仪器，以达到高效分析和检修数字电路的目的。

通常状态下，数字电路的输出有三种状态，即高电平状态、低电平状态以及高阻状态。

当输出电压高于设定的阈值电平（通常为 3.5V）定义为高电平状态，记为逻辑“1”，当输出电压低于设定的阈值电平（通常为1.2V）定义为低电平状态，记为逻辑“0”，当输入端悬空时为第三状态，称为高阻状态。

逻辑笔是一种新型的数据域测试工具，采用不同颜色的指示灯来表示数字电平的高、低以及悬空状态，判别迅速、清晰直观。

基于单片机技术的逻辑笔设计方案是将单片机本研究运用逻辑门电路构建逻辑笔的电路设计方案。

本研究项目的创新之处在于，针对数据域测量过程中逻辑电平状态的测量，分别设计了三组由不同参数电阻构成的分压取样电路，将稳压管的输出电压分压取样以产生高、低以及悬空三种状态的阈值电平对应三种逻辑状态，确保了电路运行的可靠性。

设计出由运算放大器和逻辑门电路组合构成的电压比较运算电路，将测试电压与三种阈值电平进行比较运算，保证了测量精度的同时使得电路结构更为稳定，降低了电路制造成本。

运用不同颜色的发光二极管来表示数字电平的不同状态，清晰直观，提高的测量的效率。

文章第二部分研究了设计方案的电路原理，第三部分给出了逻辑笔电路原理实物以及测试结果。

2 原理逻辑笔电路原理设计图如图1所示，电路设计过程中，首先设计电路的供电部分。

图中所示2V 代表电源，作用是给整个电路供电，由于此类电路在实际构造和使用过程中，往往用普通电池作为电源，而普通电池输出电压值会随着使用不断降低，影响电路的稳定。

为解决这一问题，设计时采用普通电池V2与稳压模块4U 组合构成电路的稳压供电部分。

利用电池向稳压模块4U 供电，然后再由稳压元件4U 的第1脚输出电压（记为cc V ）向整个电路稳定供电，提高电路长时间运行的稳定性。

图1 逻辑笔电路原理图得到稳定的供电电压 后，接下来的工作是设计并构造分压取样电路，该部分的作用是将 进行分压，得到相应电压作为阈值电压。

对应数字逻辑电平以产生高、低以及悬空三种状态的阈值电平，为后续测量提供判别标准。

根据串联电路分压规律，在串联回路中任意电阻 承担的电压值 为：(1) 式（1）中， 为串联回路总电压， 为串联回路总电阻，其数值等于各个电阻之和，即：(2)在本设计中，利用电阻 与电阻 构成串联分压取样电路，如图1所示，集成运放U1:A 第3脚的输入电压记为 ，根据串联电路分压规律，可以得到：(3)同理，电阻 和电阻 构成的串联分压电路中，输入到集成运放U1:B 第5脚的输入电压记为 ,根据同样的分析方法，不难得到： （4）同时，集成运放U1:A 的第2脚和集成运放U1:B 的第6脚相连，连接点即为探测电压的输入点，记为 。

电阻 和电阻 同样以串联的形式构成分压取样电路，该部分电压取样电路将4U 第1脚输出的电源电压cc V 分压后作为输入电压输入到 端。

当 没有外接电压输入时，称为此时电路处于悬空状态，此时的 端电压即为： （5）对图1所示电路原理图进一步分析可知，当电路输入端 有待测电压输入时，当输入电压大于U1:A 第3脚的输入电压 时，U1:A 的1脚、U1:B 的7脚均为低电平（记为逻辑“0”），由于U2:A 和U2:B 均为逻辑“非”门电路，故U2:A 的2脚、U2B 的4脚输出电压均为高电平（记为逻辑“1”），那么相应有U3:C 的第9、10两脚均为高电平输入，那么经过U3:C 的“与非”运算后，其第8脚的输出为低电平，那么稳压源输出的电源电压cc V 经限流电阻7R 通过红色发光二极管D1与U3:C 的第8脚的输出低电平形成回路，从而使得红色发光二极管D1被点亮，运用同样的分析方法可以得出此时U3:A 的1脚和2脚的输入电压均为低电平，则U3:A 的3脚的输出电压为高电平，从而将蓝色发光二极管D2的回路截止，D2无法被点亮；同理，U3:B 的输出第6脚为高电平，使得绿色发光二极管D3的状态也是熄灭。

根据上述现象，可以得出结论，将U1:A 第3脚的输入电压记为阈值电压 ，U L R L ),2,1(21 =+++=i R R R R i L R 3R 4R 6R 2U PVR U CCIN 212+=VR R R U CCG 656+=V R UCC P 434+=U P UU L Li i R R =cc V cc V i R i U R 5U G U IN R 1U IN U IN U INU IN当电路输入端 的输入电压值大于阈值电压 时，三只发光二极管中有且只有一只红色的D1点亮，其余两只发光管D2和D3都是熄灭状态，我们便可以根据这一现象判断输入待测电压是否高于阈值电压，当红色发光二极管D1点亮时，则表明此时输入电压为高电平并且高于阈值电压时，记此时为为逻辑“1”状态。

当输入端待测电压 为低电平即逻辑“0”状态时，此时输入电压低于U1:A 第3脚的电压 以及 U1:B 第5脚的电压 。

根据前面关于由U1:A 和U1:B 构成的电压比较电路分析方法不难看出，U1A 的1脚、U1B 的7脚均为高电平，那么U2A 的2脚、U2B 的4脚均为为低电平，使得U3：C 的8脚为高电平，从而导致红色发光管VD1处于截止状态； 与此同时，U3：A 的第3脚输出为低电平，那么就有绿色发光二极管D2处于导通状态被点亮，而U3：B 的第6脚处于高电平，那么黄色发光二极管D3也处于截止状态，所以此时只有绿色发光二极管导通而D1和D3处于截止状态，我们可以根据这一现象判断，绿色发光二极管D2点亮时探测端电压为低电平。

当输入端处于悬空状态时，即 处于悬空状态，不难分析得出U1A 的1脚为高电平，U1B 的7脚为低电平那么就有U2A 的2脚为低电平、U2B 的4脚为高电平从而使得U3C 的8脚为高电平，红色发光管D1截止；同时U3A 的3脚为高电平、U3B 的6脚为低电平那么绿色发光管D2也处于截止状态；但与此同时，黄色发光二极管D3处于导通状态，也就是说，当输入端探测电压处于悬空状态时，三个指示灯中只有黄色发光二极管D3点亮而其余两只发光二极管都处于截止状态，我们可以根据这一现象判断此时探测端处于悬空状态。

3 电路设计与测试本设计采用门电路与基本电路元件组合而成，在电路设计过程中，主要分为以下几个步骤：1，运用面包板搭建实物电路并完成测试；2，根据所设计的面包板实物电路，运用万能板讲所需电子元器件进行焊接，一完成实物电路的进一步构造；3，根据设计并测试完成的实物电路进行集成电路的设计，并最终完成逻辑笔的设计与制作工作。

利用面包板搭建实物电路所需器件如表1所示： 表1 面包板搭建逻辑笔电路器件表器件名称 数量 74LS001UPU H UHU P U G UINU IN U IN74LS04 1LM324 178L05 1电阻100 3电阻1MO 2电阻12K 1电阻3.3K 1电阻10K 1电阻3K 19v电池 1面包板 1硬线若干根据图1所示的连接关系在面包板上搭建电路如图2所示，图2 逻辑笔面包板实物电路图在图2所示电路中，探测端处于悬空状态，黄色发光二极管点亮，绿线代表地线，当探测端电压处于低电平，即逻辑“0”状态时，对应于不同探测电压（分别采用0V、0.5V、1V 测试），逻辑笔电路测试结果如图3~图5所示：图3 V U IN 0=面包板电路测试结果图4 V U IN 5.0=面包板电路测试结果图5 V U IN 1=面包板电路测试结果图3~图5分别表明，当探测电压为不高于1V 的低电平时，逻辑笔对应的输出结果为绿色发光二极管点亮，故可根据这一现象判断此时相应的输入电压为低电平。

当探测电压为高于5V 电压的高电平，即逻辑“1”状态时，测试电压采用6V 、7V 、8V ，相应的测试结果如图6~图8所示：图6 V U IN 6=面包板电路测试结果图7 V U IN 7=面包板电路测试结果图8 V U IN 8=面包板电路测试结果可以看出，当探测端电压为高于5V 的高电平时，红色发光二极管点亮而其余两只发光二极管处于熄灭状态。

通过以上两组实验，我们分别测试了逻辑笔面包板电路在探测电压为高电平(6V 、7V 、8V)以及低电平(0V 、0.5V 、1V)时的指示灯状态。

当测试电压为高电平时，红色发光二极管点亮；当探测电压为低电平时，绿色发光二极管点亮；当探测端处于悬空状态时，黄的发光二极管点亮。

设计达到了预期的目的。

接下来需要在面包板电路设计成功的基础上，依据所设计的电路图在万能板上搭建并焊接实物电路完成测试。

万能板实物电路如图9所示：图9 逻辑笔万能板板实物电路图由图9也可以看出，当探测表笔处于悬空状态的时候，测试结果依然为黄色发光二极管点亮。

接下来，针对低电平的万能板电路测试结果如图10~图12所示：图10 V U IN 0=万能板电路测试结果图11 V U IN 5.0=万能板电路测试结果图12 V U IN 1=万能板电路测试结果图10~图12表明，当输入探测电压为低电平如0V 、0.5V 和1V 时，逻辑笔电路的绿色发光二极管点亮，从而可以根据这一现象判断此时输入为低电平。

当探测电平为高电平时，测试结果如图13~图15所示：图13 V U IN 6=万能板电路测试结果图14 V U IN 7=万能板电路测试结果图15 V U IN 8 万能板电路测试结果图13~图15表明，当测试电平为高电平如6V 、7V 、8V 时，逻辑笔电路红色发光二极管点亮，从而成功的实现了根据红色发光二极管的状态来判断输入电平是否为高电平，满足了设计需求。