逻辑测试笔的设计与实现

李晓虹

（武汉工程职业技术学院 湖北 武汉：430080）

在对数字电路进行调试或维修时，通常采用万用表来检测各种芯片的输入输出状态，分析电路的工作情况，仍因数字电路测试点多而十分不便。因此有必要设计一种逻辑测试笔专门用于检测数字电路的输入输出状态［1］，方便故障的诊断和处理。

1 逻辑测试笔的组成框图

图1为逻辑测试笔组成框图，该逻辑测试笔由输入电路、逻辑状态判断电路、处理输出显示电路、电源四部分组成。

图1 逻辑测试笔组成框图

输入信号经输入电路送入逻辑状态判断电路进行状态分析［1］，判断的结果送处理输出显示电路分类处理后驱动1只相应颜色（红、黄、绿）的发光二极管亮显示相应的逻辑状态。采用＋9V层叠电池处理后为该逻辑测试笔提供工作电压。

2 单元电路组成及工作原理

2.1 单限电压比较器

电压比较器的基本功能是对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高电平或低电平电压［2］。

LM393集成电压比较器如图2所示。图2（a）为同相输入单限电压比较器，其参考电压UREF接在比较器的反相端，待比较的输入电压Ui接到同相端［2］。当 Ui≥UREF时，比较器输出高电平；当 Ui＜UREF时，比较器输出低电平。由于Ui从同相端输入且只有一个门限，故称同相输入单限电压比较器。同理，图2（b）为反相输入单限电压比较器，当Ui≤UREF时，比较器输出低电平；当Ui＞UREF时，比较器输出高电平。

图2 LM393集成电压比较器

2.2 输入及逻辑状态判断电路

图3所示为输入及逻辑状态判断电路，其工作原理如下。

U2选用集成电压比较器LM393，采用单电压＋5V供电。被测逻辑信号由Ui输入，送至上限电压比较器U2：A、下限电压比较器U2：B的同相输入端进行逻辑状态判断。

图3 输入及逻辑状态判断电路

（1）上限电压比较器

上限电压比较器由集成电压比较器U2：A及电阻R3、R4、R7构成，是同相输入单限电压比较器。

被测逻辑信号Ui由U2：A的同相输入端输入，与U2：A的反相输入端的上限电压值UH比较，比较结果由U2：A的输出端输出信号A［1］。

比较器的上限电压值UH（即该同相输入单限电压比较器的参考电压）由电阻R3、R4阻值及电源电压值VCC决定。

其中VCC＝＋5V，当 R3＝2.4kΩ，R4＝5.6kΩ时，则上限电压值UH＝3.5V

因此，当被测逻辑信号Ui与上限电压值UH比较时，若被测逻辑信号Ui为高电平即Ui≥UH，则U2：A输出高电平；若被测逻辑信号Ui＜UH，则U2：A输出低电平。

（2）下限电压比较器

下限电压比较器由集成电压比较器U2：B及电阻R5、R6、R8构成，是同相输入单限电压比较器。

被测逻辑信号Ui由U2：B的同相输入端输入，与U2：B的反相输入端的下限电压值UL比较，比较结果由 U2：B的输出端输出信号B［1］。

比较器的下限电压值UL（即该同相输入单限电压比较器的参考电压）由电阻R5、R6阻值及电源电压值VCC决定。

其中 VCC＝＋5V，当 R5＝43kΩ，R6＝8.2kΩ时，则下限电压值 UL＝0.8V

因此，当被测逻辑信号Ui与下限电压值UL比较时，若被测逻辑信号Ui≥UL，则U2：B输出高电平；若被测逻辑信号Ui为低电平即Ui＜UL，则U2：B输出低电平。

2.3 处理输出显示电路

图4所示为处理输出显示电路，其中U3为集成反相器（非门）CD4069，U4为集成与非门CD4011，D1、D2、D3为红、黄、绿发光二极管，R9为限流电阻。

图4 处理输出显示电路

处理输出显示电路工作原理：

由逻辑状态判断电路输出的判断结果A、B送至处理输出显示电路，该电路分为三个部分：

（1）高电平判断及逻辑状态显示

被测逻辑信号Ui是否为高电平，由高电平判断输出F1＝的状态决定。F1为0时，红色发光二极管D1亮，表明被测逻辑信号Ui为高电平。

（2）低电平判断及逻辑状态显示

被测逻辑信号Ui是否为低电平，由低电平判断输出F3＝的状态决定。F3为0时，绿色发光二极管D3亮，表明被测逻辑信号Ui为低电平。

（3）被测逻辑信号在高低电平之间或被测端悬空判断及逻辑状态显示

被测逻辑信号Ui是否在高低电平之间或被测端是否悬空，由判断输出F2＝的状态决定。F2为0时，黄色发光二极管D2亮，表明被测逻辑信号Ui在高低电平之间或被测端悬空。

2.4 电源

采用＋9V层叠电池。因构成逻辑测试笔的集成电路全部采用＋5V的直流电压，故将＋9V的直流电压经集成三端稳压器LM7805的典型应用电路后输出稳定的＋5V的直流电压，为逻辑测试笔提供所需的工作电压，如图5所示，其中SW1为逻辑测试笔供电开关。

3 整机电路及工作原理

用Proteus的ISIS软件绘制逻辑测试笔电路如图6所示，分析其电路原理为：

图5 电源电路

SW1开关合上，＋9V层叠电池的＋9V直流电压经集成三端稳压器LM7805稳压输出＋5V直流电压，为逻辑测试笔提供所需的工作电压。设被测逻辑信号Ui≥3.5V时为高电平，Ui＜0.8V时为低电平，当0.8V≤Ui＜3.5V或被测端悬空时为第三态。

当被测逻辑信号Ui≥3.5V时，上限电压比较器U2：A的输出（1端）、下限电压比较器U2：B的输出（7端）均为高电平，即图6中A、B均为高电平，则高电平判断输出F1＝＝0，红色发光二极管D1点亮；被测逻辑信号在高低电平之间或被测端悬空判断输出F2＝＝1，黄色发光二极管D2不亮；低电平判断输出F3＝＝1，绿色发光二极管D3不亮。此时只有红色发光二极管D1点亮，说明逻辑测试笔显示被测逻辑信号Ui为高电平。

图6 逻辑测试笔整机电路

同理，当被测逻辑信号Ui＜0.8V时，U2：A的输出（1端）、U2：B的输出（7端）均为低电平，即图6中A、B均为低电平，则F1＝＝1，红色发光二极管D1不亮；F2＝＝1，黄色发光二极管D2不亮；F3＝＝0，绿色发光二极管D3点亮。此时只有绿色发光二极管D3点亮，说明逻辑测试笔显示被测逻辑信号Ui为低电平。

同理，当被测逻辑信号0.8V≤Ui＜3.5V或被测端悬空（悬空时，因R1＝R2，R1和R2分压后使Ui＝2.5V），U2：A 的输出（1端）为低电平，即图6中A为低电平；U2：B的输出（7端）为高电平，即图6中B为高电平，则F1＝1，红色发光二极管D1不亮；F2＝＝0，黄色发光二极管D2点亮；F3＝＝1，绿色发光二极管D3不亮。此时只有黄色发光二极管D3点亮，说明逻辑测试笔显示被测逻辑信号Ui为第三态。

4 仿真调试

参考图6用Proteus的ISIS软件绘制逻辑测试笔仿真电路如图7所示，设置了高电平、高低电平之间信号、低电平、悬空、门限电平信号3.5V和0.8V共6种典型的输入状态，为了方便观察在多处放置了电压或电流探针，仿真结果符合原理分析及设计要求，调试成功。

5 结论

所设计的逻辑测试笔在测试电压大于或等于3.5V时红色发光二极管亮；在测试电压小于0.8V时绿色发光二极管亮；在测试电压小于3.5V且大于或等于0.8V以及测试点悬空时黄色发光二极管亮。完成仿真设计后，实际制作了逻辑测试笔并调试成功。该逻辑测试笔使用时应使被检测电路与逻辑测试笔共地，当使用时发光二极管的亮度较暗，需考虑更换电池，以保证测量的准确性。

图7 逻辑测试笔仿真电路

［1］李晓虹.电子电路设计实例教程［M］.北京：中国铁道出版社，2014：175－180.

［2］胡宴如.模拟电子技术［M］.北京：高等教育出版社，2000：207.