邏輯信號測試儀的設計與實現

摘要：采用中小規模集成電路，設計并實現了一種邏輯信號測試儀。該測試儀不僅能區分邏輯電平的三種狀態：高電平、低電平、高阻，而且還能區分脈沖信號及其頻率的數量級。測試儀的電源電壓范圍寬（3～18V），適用于各種類型的數字電路邏輯信號的測試，具有實現容易、操作簡單、功能可靠、價格低廉、實用性強等優點。

關鍵詞：測試儀；邏輯信號；電路設計

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.3.014

引言

在數字電路的調試和檢修時，常常要對電路中某點的邏輯信號進行測試，采用萬用表或示波器等儀器儀表很不方便，而采用邏輯信號測試儀通過幾個發光二極管就可以指示被測信號的邏輯狀態及脈沖信號的頻率范圍，使用簡單方便，給數字電路實驗和電路設計開發帶來便利[1]。本文采用中小規模集成電路設計并實現了一種邏輯信號測試儀，不僅能區分邏輯電平的狀態和脈沖信號頻率的數量級，而且適用于各種類型的數字電路邏輯信號的測試。如果將電路安裝成邏輯測試筆，使用就更為方便[2]。

設計與實現

功能設計

邏輯信號測試儀主要包括邏輯信號狀態的區分和脈沖信號頻率的區分兩部分功能。其中邏輯信號狀態的區分主要通過雙電壓比較器電路實現，而脈沖信號頻率的區分可利用數字頻率計的原理實現。由于邏輯信號測試儀的電源來自被測電路，為滿足各種類型的數字電路邏輯信號的測試，故所用芯片必須是能單電源供電且電源范圍較寬的模擬電路芯片和CMOS類的數字集成電路芯片。

邏輯信號狀態的區分

為實現邏輯信號狀態的區分，可用運算放大器（如LM358）或電壓比較器（如LM393）實現一個雙限電壓比較器進行區分，其關鍵在于參考電壓的設定，電路如圖1所示。本設計為了適用于各種類型的數字電路邏輯信號的測試，僅對邏輯電平作了簡單區分，設定為：被測信號如果小于0.2VCC則為低電平（LED2亮）；如果大于0.4VCC則為高電平（LED1亮）；如果介于兩者之間則為高阻態（兩個發光二極管都不亮）；如果時大時小交替的則為脈沖信號（兩個發光二極管常亮或交替亮）。其中Vi為被測信號輸入端，R1、R2和D1、D2起到了輸入端靜電防護功能，R3、R4保證了在輸入端懸空時顯示為高阻態。如需嚴格適應TTL和CMOS等各種類型集成電路的邏輯電平的測試，應根據各種類型數字電路的邏輯電平特點，嚴格設定各自的參考電壓，并將其參考電壓設定支路區分開來，用開關電路進行切換。

脈沖信號頻率的區分

當被測信號被判定為脈沖信號時，還需進一步區分脈沖信號的頻率，可利用數字頻率計的基本原理實現[3]。用中小規模集成電路實現數字頻率計的原理框圖如圖2所示。

若僅對脈沖信號區分頻率的數量級，電路更加簡單，既不需要整修放大，又不需要鎖存和譯碼顯示，而只需在計數電路輸出端的相應數量級上接一個發光二極管體現其頻率數量級即可。其中閘門電路

計時電路

為了計數方便，計時信號的正頻寬應約為1s，而負頻寬應較窄。由555時基電路實現的計時電路如圖3所示。其中，Rw用于精確調試閘門的開啟時間。

計數電路

為了使邏輯信號測試儀能區分Hz、kHz、MHz等數量級的脈沖信號，而計時信號的正頻寬約為1s，故計數電路至少為106進制計數器。實現時，為了簡化電路可用兩片CD4020（14位同步二進制計數器）實現，如圖3所示。其中，R和Z都為閘門電路的輸出信號，且應滿足：當計時信號為低電平時，計數器被清零。

區分方法為：當被測脈沖信號為H z級（約< 1 k H z）時，L E D 3、L E D 4兩個發光二極管不亮也不閃；當為kHz級（約>1kHz，但<1MHz）時，LED3閃動或常亮，LED4不亮也不閃；當為MHz級（約>1MHz）時，LED3常亮，而LED4閃動或常亮。而且，如果要對被測脈沖信號區分得更細些，僅需在CD4020的不同輸出端加上發光二極管指示電路即可。

閘門電路

閘門電路確保僅在計時信號為高電平時（即計時時間內），閘門開啟，被測脈沖信號能傳遞給計數電路，而在低電平時，閘門關閉，且應使計數器清零。因此，可由“與非門”或“與門”電路實現。而CD4020的清零端為高電平有效，故本設計中采用CD4011（四2輸入與非門）實現，如圖5所示。其中，M為圖1中被測信號經過靜電防護電路后的信號。

結論

實踐表明，所設計的邏輯信號測試儀不僅能準確指示邏輯信號的狀態，區分脈沖信號頻率的數量級，而且適用于各種類型的數字電路邏輯信號的測試。

邏輯信號測試儀是目前數字電路測試中使用最為廣泛的一種工具。本設計采用中小規模集成電路實現了功能較為全面的邏輯信號測試儀，具有實現容易、操作簡單、功能可靠、價格低廉、實用性強等優點[4]。該設計方法對電子電路設計具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1] 孫建設，王程有.改進型邏輯電平三態指示器[J].儀表技術與傳感器，2005，4，（4）：41-42

[2] 劉之義，劉衛強.一種簡單實用的三態指示電路[J].河北工業科技，2001， 18，（1）：30-32

[3] 岳玉霞.數字頻率計[J].電子制作，2006，（3）：45-47

[4] 閆紅，劉之義等.一種功能優良的三態邏輯指示電路[J].河北工業科技，2006，23，（5）：284-286