专利名称：频率和占空比简易可测的逻辑测试探头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种多功能逻辑测试探头，更具体是涉及一种由多功能多谐振荡器接成的变换器所组成的逻辑测试探头。
通常，逻辑测试探头只能显示逻辑电路中三态电平以及脉冲信号的有无。而不涉及到脉冲频率和占空比等脉冲信号特性的测量。如果逻辑测试探头具有频率和占空比简易可测功能则会大大地扩充逻辑测试探头的应用范围和提高它的应用价值，而与此同时仍然要求保持逻辑测试探头结构简单，体积小，价格低，功耗低和便于携带等优点。
本实用新型的目的是提供具有以上功能的逻辑测试探头。
为了达到上述目的，本实用新型所采用的多谐振荡器包括一个施密特触发器和一个四模拟开关，其四个开关分别称为开关1，开关2，开关3和开关4。开关2是一充放电电路中的充电电路的控制开关。当它开启时，电源正端通过充电电阻对电容进行充电。开关4是放电电路的控制开关。当它开启时，此电容通过放电电阻对地进行放电。开关1和开关3分别对开关2和开关4的开闭起控制作用。开关1和开关3的控制端分别接到施密特触发器的输出端及其反向输出端。施密特触发器的输入端接到充电电阻，电容以及开关4的输入端的共同连接点处。此电容的另一端接地。开关2的输入端接电源正端。开关1和开关3的输入端可以接电源正端也可以作为外接信号的引入端。
进而认为所采用的多谐振荡器可以构成一集成电路功能模块的内部电路，其外部引脚有八个(见图4〕。其中有2个引脚为输入端，称为in1和in2(in1对应开关1的输入端，in2对应开关3的输入端〕；1个输出端引脚，称为out；1个外接定时电容引脚，称为Cext；1个外接充电电阻引脚，称为Rext1；1个外接放电电阻引脚，称为Rext2和2个供电的引脚，电源正端和电源负端，称为Vdd和Vss。
如果将所采用的多谐振荡器功能模块的输入端in1和in2不接电源正端而共同接到幅值相同而占空比不相同的脉冲信号源，则在振荡器的输出端out得到相应的不同频率的脉冲信号，而且在振荡器输入信号的占空比与输出信号的频率之间存在线性对应关系。而输出信号的占空比则可以调节充电电阻和放电电阻的阻值予以事先确定。而且此占空比不随输出信号的频率变化而改变。这样，本振荡器构成占空比---频率的线性变换器。
如果将所采用的多谐振荡器功能模块的输入端in1和in2不接电源正端而共同接到脉宽和脉幅相同而频率不同的脉冲信号源，则在振荡器输出端out得到相应的不同频率的脉冲信号，而且在振荡器输入信号频率段和输出信号频率段之间存在线性对应关系。而输出信号的占空比可以调节充电电阻和放电电阻的阻值予以事先确定。并且此占空比不随输出频率的变化而改变。单稳态触发器可以将脉宽和脉幅互不相同的不同频率的脉冲振荡信号整形为脉宽和脉幅彼此分别相同的不同频率的脉冲振荡信号。而整形前后的频率维持不变。为达到这一点，只需将单稳态触发器的定时电容和电阻所确定的延时设置成小于单稳态触发器输入频率段中最小的振荡周期即可。这样，将此种状态的单稳态触发器的输出信号作为本振荡器功能模块的in1和in2的共同输入信号，则本振荡器可接成频率段---频率段线性变换器
以下结合附图和具体实施方案对本实用新型作进一步详细说明。
图1是所采用的多谐振荡器电路结构图一。
图2是所采用的多谐振荡器电路结构图二。
图3是所采用的多谐振荡器的功能模块的引脚图。
图4是图1所示多谐振荡器内部a点和b点的振荡波形图。
图5是图3所示功能模块接成的占空比---频率线性变换器的电路结构图。
图6是图3所示功能模块接成的频率段---频率段线性变换器的电路结构图。
图7是包含有频率段---频率段和占空比---频率线性变换器的逻辑测试探头的电路结构图。
图8是各频率段中之所测脉冲信号频率与脉冲显示电路[一]中发光二极管闪烁频率之间的线性对应关系。
在图1所示的具体实施方案中采用了一片高速CMOS施密特触发器74HC14，一片高速CMOS六带缓冲反向器74HC04和一片高速CMOS四双向模拟开关74HC4066，其四个开关分别称为开关1，开关2，开关3和开关4。开关1，开关2和开关3的输入端与电源正端相连。开关1的输出端与开关2的控制端相连。开关3的输出端与开关4的控制端相连。开关1的控制端与施密特触发器5的输出端相连。开关3的控制端与反向器6的输出端相连。反向器6的输入端与施密特触发器5的输出端相连。开关2的输出端与充电电阻R1相连。电阻R1的另一端与充放电电容C1相连。电容C1的另一端与地相连。开关4的输入端与电阻R1，电容C1及施密特触发器5的输入端的共同连接点相连。开关4的输出端与放电电阻R2相连。电阻R2的另一端与地相连。
在图1所示的实施方案中的施密特触发器5也可以用门电路组成。比如用两级CMOS反向器74HC04能方便地组成回差电压可调的施密特触发器。其电路结构图见图2。其中反馈电阻R4的阻值应取为兆欧级。图2所示实施方案的工作原理完全同于图1所示实施方案。
图4是图1所示多谐振荡器内部a点和b点的振荡波形图。
双向模拟开关74HC4066从开关控制端接通到输出建立的延迟为8ns。从开关控制端断开到输出撤出的延迟为12ns。所以最高开关频率为50MHZ。施密特触发器74HC14的输出转换时间在10ns左右(Vdd＝5v时)。所以其最高开关频率亦为50MHZ。74HC4066的输入漏电流和关断漏电流以及74HC14的输入漏电流均在0.1微安以下，可以忽略。
图5是图3所示功能模块9接成的占空比---频率线性变换器的具体实施方案。其中开关1和开关3的输入端不接电源正端而共同接到幅值相同而占空比可变的脉冲信号源。为此，可将原始的输入信号经施密特触发器10整形后再作为占空比一频率变换器开关1和开关3的输入信号。施密特触发器10采用74HC14，反向器11采用74HC04。此时，开关1和开关3提供给开关2和开关4的控制端的控制信号不是恒定的电源正端电压，而是一系列脉冲信号。随着脉冲信号高电平部份和低电平部份分别分时交替作用于开关2和开关4。开关2和开关4分别分时作连续开启和关闭。电容C1的一个完整的充电过程和一个完整的放电过程是由许多个断续充电和断续放电所组成。由于开关1和开关3的控制端接施密特触发器5和反向器6的两个互为反向的输出端。所以充电过程和放电过程不会重叠而是交替顺序进行。只要开关1，开关2，开关3和开关4的控制信号的频率小于开关所允许的最高开关频率，整个电路工作就是正常的。
设图5所示变换器的输入脉冲信号的占空比为qin。考虑到模拟开关的导通电阻相对很小，可以略去不计。所以由电容C1，电阻R1和R2组成的充放电电路的输出脉冲信号的频率为fout=qin/(R1C1lnVdd-Vt-Vdd-Vt++R2C1lnVt+Vt-)]]>以上式中Vt+和Vt-为施密特触发器5的正向和负向阈值电压。由此式可见由图6所示的变换器的输出频率fout和占空比qin成线性比例关系。
图6是图3所示功能模块9接成的频率段---频率段线性变换器的具体实施方案。其中开关1和开关3的输入端不接电源正端而共同接到单稳态触发器12的输出端Q。单稳态触发器12采用高速CMOS双精密单稳态触发器74HC4538。单稳态触发器12设置成上升沿触发和无再触发方式(也可设置为下降沿触发和无再触发方式〕。此时，开关1和开关3提供给开关2和开关4的控制端的控制信号不是恒定的电源正端电压，而是一系列脉冲信号。随着脉冲信号高电平部份和低电平部份分别分时交替作用于开关2和开关4。开关2和开关4分别分时作连续开启和关闭。电容C1的一个完整的充电过程和一个完整的放电过程是由许多个断续充电和断续放电所组成。由于开关1和开关3的控制端接施密特触发器5和反向器6的两个互为反向的输出端。所以充电过程和放电过程不会重叠而是交替顺序进行。只要开关1，开关2，开关3和开关4的控制信号的频率小于开关所允许的最高开关频率，整个电路工作就是正常的。
单稳态触发器12在外来脉冲作用下在稳态和暂稳态之间来回翻转。则在其输出端Q得到整形后的脉冲信号，其脉冲宽度Tw可用下式计算Tw＝0.69R5C2此脉冲宽度设置为小于单稳态触发器12输入信号频率段中最小振荡周期之值。
设单稳态触发器12的输入脉冲信号的频率为fin，则其输出脉冲信号的占空比为Twfin。考虑到模拟开关的导通电阻相对很小可以略去不计，所以由电阻R1，R2和电容C1组成的充放电电路的输出频率为fout=Twfin/(R1C1lnVdd-Vt-Vdd-Vt++R2C1lnVt+Vt-)]]>
以上式中Vt+和Vt-为施密特触发器5的正向和负向阈值电压。由此式可见由图7所示的变换器的输出频率fout和输入频率fin成线性比例关系。
另外需指出单稳态触发器74HC4538的两个触发端均具有内置施密特电路。这可将单稳态触发器本身的输入信号进行整形。
由于图1，图2，图5和图6的实施方案都采用了高速CMOS集成电路。它们的工作速度高，功耗低。不仅适用于+5V供电电平，而且可用于各种高于+5V的CMOS电路。
如果将图6所示的频率段---频率段变换器作为连续可调分频器使用，并且将其输出频率降低到20HZ以下，比如从12.5HZ到0.25HZ，并用于逻辑测试探头。在对测试点的脉冲进行测量时，其变化后的输出频率可以以目视方式察辨所测各频率之间的差别。实际上，测试人员经多次使用熟悉后，不用线性查找亦能判断所测频率的大致范围。目前市场上现有逻辑探头只能通过发光二极管的亮与否来判断有无脉冲信号的存在。实际上，发光二极管对十几赫兹以上频率的脉冲信号反应均连续发光，而无法分辨出十几赫兹和直到数十兆赫兹的脉冲振荡频率之间的差别。这是一个很大的缺陷。
现有中国专利2039029，2047029，2055940，2066148，2100637，1084286；美国专利4348636，3670245；日本专利平2-205779均未涉及或解决此缺陷。另外对脉冲信号占空比的测量，现有逻辑测试探头也是无能为力的。
将图5所示的占空比---频率变换器用于逻辑测试探头，则也可以以目视方式察辨所测某一脉冲信号的占空比的大致范围。以上这两种功能将使逻辑测试探头的测试功能大为提高。这在数字电路的调试，维护和维修中将起到很大的作用。具有上述功能的逻辑测试探头，由于其携带和使用方便，将在许多场合代替示波器的工作。或者做为示波器使用前的事前参考，使示波器的使用更为有效和快速。
为了达到上述目的，必须将变换器的输入脉冲的可测频率分成数段。使每一段均对应输出频率段为12.5HZ到0.25HZ。这样可以将输出频率的最高频率与最低频率之比取为50。按此比例将输入脉冲频率分成四段400HZ以下；400HZ---20KHZ；20KHZ---1MHZ；1MHZ---50MHZ。根据输入和输出频率段线性对应公式来确定电阻R1，R2和电容C1的数值。在此四段之间，由电阻R1，R2和电容C1组成的时间常数最大要相差125000倍。这是可以实现的，因为电阻R1，R2的可选阻值的变化倍数达103。电容C的可选容值倍数达105。
以下结合图7对本实用新型实施方案作进一步说明。
输入电路连接单稳态触发器13的触发端，单稳态触发器13外接有电容C3，电阻R6，由此组成现有脉冲宽度展宽电路，经脉冲显示电路〔二〕显示脉冲存在与否，利用脉冲闩锁电路可以将单脉冲信号予以锁定〔如果需要的话〕。另外输入电路还连接三态电平判别及其显示电路。这部分电路的引入是因为考虑到使用者有时只需要知道有无脉冲和脉冲信号的电平，而对其频率和占空比并不关心。另外对单脉冲，比如智能电子设备启动时的复位信号，可用这部分电路予以检测。
为了对脉冲信号的频率及占空比进行测量，本实用新型增设了对所测脉冲信号的频率及占空比进行变换的电路。频率变换电路为输入电路接单稳态触发器12的触发端，单稳态触发器12的输出端接多谐振荡器功能模块9的输入端in1和in2，多谐振荡器功能模块9的输出端接脉冲显示电路〔一〕。占空比变换电路为输入电路接施密特触发器10的输入端，施密特触发器10的输出端的一路接反向器16的输入端，反向器16的输出端接多谐振荡器功能模块9的输入端in1，另一路接多谐振荡器功能模块9的输入端in2，多谐振荡器功能模块9的输出端接脉冲显示电路〔一〕。
按照输入脉冲信号频率分段的要求。对每一段来说，与单稳态触发器12的定时电阻R5和电容C2所组成的时间常数应选得小于本段内输入脉冲信号的最小周期。对应的输入频率为400HZ以下，400HZ---20KHZ，20KHZ---1MHZ，1MHZ---50MHZ。这样，单稳态触发器12的定时电阻R5和电容C2，多谐振荡器功能模块9的充放电电容C1，充电电阻R1和放电电阻R2(R1的阻值取为等于R2的阻值〕对应有四组。当测试需要选择频率段时，可用五位四掷的微型波段开关15在这四组之间切换。在频率测量和占空比测量间的切换采用四位二掷的微型波段开关14。当波段开关14打到F1，G1，H1，I1的位置时为频率测量；当波段开关14打到F2，G2，H2，I2的位置时为占空比测量。
在图7所示的逻辑测试探头中，脉冲显示电路〔一〕可采用发光二极管显示电路也可采用数字显示电路。当脉冲显示电路〔一〕采用发光二极管显示电路时，对于频率测量来说，相对各频率段的多谐振荡器功能模块9的输出脉冲信号频率均为12.5到0.25HZ。至于所测频率是多少取决于脉冲显示电路〔一〕中的发光二极管的闪烁频率以及波段开关15所处的频率段。图8表示出各频率段中之所测脉冲信号频率与脉冲显示电路中发光二极管闪烁频率之间的线性对应关系。如果波段开关15所处位置不是输入频率应落在其所处频率段内，则脉冲显示电路〔一〕中的发光二极管连续发光，无法分辨；或者发光二极管在四秒时间间隔内仍不见其发光，但此时脉冲显示电路〔二〕中的发光二极管发亮，显示有脉冲信号存在。此时应拨动波段开关15使输入频率落在它所在频率段的那一挡开关处。此时，输出频率段应在12.5HZ到0.25HZ的范围内。对占空比测量来说，输入脉冲信号需用施密特触发器10进行整形。整形后的信号经二路分别送到多谐振荡器功能模块9的in1和in2，其中在送到in1的信号在施密特触发器10后需再反向一次。当测量脉冲信号的占空比时，脉冲显示电路〔一〕的发光二极管会闪烁。二极管导通发亮时间的长短正比于脉冲高电平所占时间。二极管截止变暗的时间长短正比于低电平所占时间。由此得出占空比的大小。使用波段开关15，可以在多谐振荡器功能模块9的四个频率段间进行切换使发光二极管的亮暗周期慢到目视能察辨所占的时间长短。比如说，周期为四秒，甚至更长。
当脉冲显示电路[一]采用数字显示电路时，则可直接读出测试点处之脉冲信号的频率和占空比。
权利要求1.频率和占空比简易可测的逻辑测试探头由输入电路，单稳态触发器[13]及其外接定时电容C3和定时电阻R6，脉冲显示电路〔二〕，脉冲闩锁电路，三态电平判别及其显示电路等所组成，其特征在于增设了对所测脉冲信号频率和占空比进行变换的电路；频率变换电路为输入电路接单稳态触发器[12]的触发端，单稳态触发器[12]的输出端接多谐振荡器功能模块[9]的输入端in1和in2，多谐振荡器功能模块[9]的输出端接脉冲显示电路〔一〕，此时波段转开关[14]应打在F1，G1，H1，I1的位置上，波段转换开关[15]需打在单稳态触发器[12]的外接电容C2及电阻R5和多谐振荡器功能模块[9]的外接电容C1及电阻R1，R2的任一种可选组合值的位置上；占空比变换电路为输入电路接施密特触发器[10]的输入端，施密特触发器[10]的输出端的一路接反向器[16]的输入端，反向器[16]的输出端接多谐振荡器功能模块[9]的输入端in1，另一路接多谐振荡器功能模块[9]的输入端in2，多谐振荡器功能模块[9]的输出端接脉冲显示电路〔一〕，此时波段转换开关[14]应打在F2，G2，H2，I2的位置上，波段转换开关[15]需打在多谐振荡器功能模块[9]的外接电容C1及电阻R1，R2的任一种可选组合值的位置上。
2.根据权利要求1所述的逻辑测试探头，其特征在于脉冲显示电路[一]采用发光二极管的导通发亮和截止变暗的闪烁频率来显示频率为12.5HZ---0.25HZ的输出频率段中之频率。
3.根据权利要求1所述的逻辑测试探头，其特征在于脉冲显示电路[一]采用发光二极管的导通发亮和截止变暗的时间长短来确定测试点处可测脉冲信号之占空比。
4.根据权利要求1所述的逻辑测试探头，其特征在于脉冲显示电路[一]采用脉冲数字显示电路。
5.根据权利要求1所述的逻辑测试探头，其特征在于单稳态触发器[12]采用74HC4538，四模拟开关采用74HC4066，施密特触发器[5]采用74HC14和反向器[6]采用74HC04。
专利摘要本实用新型提供一种多功能逻辑测试探头。其由多功能多谐振荡器接成的变换器等所构成。除了具有逻辑电路中三态电平判别以及脉冲信号有无的显示功能外,还增设了脉冲频率和占空比的测量和显示功能。与此同时仍然保持了逻辑测试探头结构简单,体积小,价格低,功耗低和便于携带等优点。这就扩大了逻辑测试探头的应用范围和提高了它的应用价值。
文档编号G01R23/00GK2411489SQ0020575
公开日2000年12月20日 申请日期2000年2月22日 优先权日2000年2月22日
发明者刘哲明, 刘敏 申请人:刘哲明