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1、项目十 数字电路的设计与实现,10.1 数字电路设计与制作的一般方法 10.2 数字电路设计实例 本章小结,数字电路设计的基本方法; 数字电路设计实例。,熟练的掌握数字电路设计的基本方法； 能熟练完成数字电路的安装与调试； 能完成数字电路设计说明书的编写。,主要内容,主要技能,10.1 数字电路设计与制作的基本方法,在进行数字电路设计时,首先针对设计题目做认真的分析,明确任务和性能指标,然后做总体设计。在设计过程中，要根据具体情况，反复对设计方案进行论证，以求方案最佳。在整体方案确定后，可设计单元电路，选择无器件，画出原理草图，实验进行性能测试，最后画总体电路图，撰写设计说明书。,设计原则：从
2、整体到局部、再从局部到整体。,一、设计总体方案,10.1.1数字电路的设计方法,因为设计的途径不是唯一的，满足要求的方案也不止一个，所以为得到一个满意的设计方案，往往要针对要求，大量查阅资料、手册等工具，将多个方案进行分析与比较，从分析中找出认识最理想的入手进行设计，这是方案论证过程，再经过设计验证再设计多次反复过程，才能达到目的。,总体设计方案用框图表示。主要部分和难点可详细一些，一般部分只能反映设计思想和基本原理就可能了。每一个方框表示一个小的功能单元，用表示信号流向的箭头将各功能单元连接起来，构成一个系统。,总体设计的任务：为了完成设计任务，我们寻找一定功能的若干单元电路构成一个整体，满
3、足题目睥各项性能指标。,整点报时数字时钟原理框图：,单元电路的设计是整个电路设计的实质部分。将每一部分按照总体框图的要求设计好，才能保证整体电路的质量。单元电路的设计步骤分为以下四步。,二、 单元电路的设计,第一步：根据总体方案对单元电路的要求，明确单元电路的功能、性能指标。注意各单元电路之间的输入输出信号的逻辑关系和时序关系，尽量避免使用电平转换电路。,第二步：选择设计单元电路的结构形式。通常选择学过的熟悉的电路，或者通过查阅资料选择更合适的、更先进的电路，在此基础上高度改进，使电路的结构形式最佳。,在选择电路时充分考虑经下几个问题： （1）电路的功能满足要求。（2）电路的结构简单、成本低（
4、3）电路的性能稳定、通用性强。,第三步：计算单元电路的主要参数，从而确定元器件的类型。比如：振荡电路，无论正弦波振荡电路还时多谐振荡电路都是通过电容的充放电实现振荡的，为此要根据特定的信号频率，计算出电路中电阻、电容的大小。,第四步：画出单元电路电路图。,数字电路设计时器件的选择是很重要的，因为器件的选择是否合理直接影响着电路的稳定性，以及成本和成品体积大小等问题。选择器件的原则是：在实现题目要求的前提下所选的器件最小、成本最低。最好采用同一种类型的集成电路，这样不用考虑不同类型器件之间的连接匹配问题。不同种类的器件其电特性也不一样，常用的器件是TTL和CMOS型。TTL电路的速度高，超高速T
5、TL电路的平均传输时间约为10ns，中速TTL电路的传输时间也有50ns。CMOS电路的速度慢于TTL电路，但是CMOS电路的功耗低，输出电压幅度可调范围大，抗干扰能力强。如果要求一定的输出电流，TTL电路要强于CMOS电路。一般情况下，当要求高速时，多选用TTL器件；当要求低功耗时多选用CMOS器件。,三、元器件的选择,单元电路和参数设计计算好，元器件选择完后，则画出总体电路图。总体电路图是电路实验、调试及生产组装的重要依据，所以电路图画好之后要进行审图，检查设计过程遗漏的问题，及时发现错误，进行修改，保证电路的正确性绘电路图要注意以下几个问题：,四、 画总体电路图,画电路图时应注意信号的流
6、向，通常是从信号源或输入端画起，从左至右从上至下按信号的流向依次画出各单元电路。电路图的大小位置要适中，不要把电路画成窄长型。,连线要画成水平线或竖直线。连线要尽量短、少拐弯，电源一般用标值的方法，地线可用地线符号代替。,对于复杂的电路，应先画出草画，待调整好布局和连线后，再画出正式电路图。,三、四端互相连接的交叉处用线应该用圆点画出，否则表示跨越。,10.1.2 数字电路系统的安装与调试,一、制作PCB 整体电路采用电子CAD绘制并制作出印制板电路。,二、检测器件 在安装之前，对所选用的器件进行测试是十分重要的，它可以减小因器件原因造成的电路故障，缩短设计试时间。,三、安装元件 安装时，集成
7、电路最好通过插座与电路板连接，便于器件不小损坏后的更换。数字电路的布线一般比较紧密，焊点比较小，焊接过程中要小心。,四、电路调试 电路的调试分两步进行：一是单元电路的调试、二是总体调试。只有通过调试使单元电路达到要求，总调才能顺利进行。调试时注意以下几点：,（1）充分理解电路的工作原理与电路结构、对电路的输入与输出的逻辑关系、正常情况下信号的电平、波形、频率等要了解，根据这些信息设计出科学的调试方法。选用合理的仪器、调试的步骤、测试的内容等。,（2）一般先进行静态调试，再进行动态调试。（3）在查找故障时，可以按信号的流程对电路进行一级一级的测量，也可以根据电路的特点从关键部位入手。（4）明确每
8、次测量的意义，希望解决的问题，从测量中掌握的各种数据、现象、观察到的信号波形入手，通过分析、试验，了解与解决问题。（5）在对电路进行检测、试验或调整的过程中，应掌握一些实用的检测方法，如对换法：将好的器件或电路代替的怀疑有故障的器件或电路；对比法：通过测量将故障电路与正常电路的状态、参数等进行对比；对分法：把有故障的电路根据逻辑关系分成两部分，确定哪一部分的问题，铸现款对的故障的电路再对分，直到查出问题为止；信号注入法：根据电,（6）归纳总结，当电路能够正常工作以后，应将测试的数据、波形、计算结果等原始数据保存，以备查阅。最后编写总结报告。,路的逻辑关系人为设置输入端口的数字信号或电平，观测电
9、路的响应，判断故障原因；信号寻迹法；从信号的流向入手，在电路中跟踪、寻找信号，查出故障所在。,10.2 数字电路设计实例,设计实例一：多路可编程控制器,设计要求：（1）可以控制每段霓虹灯的点亮或熄灭。（2）每段霓虹灯的点与熄灭可以通过编程来实现（3）每间隔一时间，霓虹灯的图样变化一次；（4）图样的变化的间隔时间可以调节。,0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 0 0 0 0
10、0 0 0,1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1
11、1 1 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0,可编程控制电路,电路功能分析：,只要改变送到每段霓虹灯的数据，即可改变灯的显示方式，显然，如何产生数据并且能改变数据组合的方式 是实现此控制电路的关键。,一、系统方案设计：,控制门与定时器：控制门用于控制计数器脉冲是否到达地址计烽器。控制门的信号来自定时器，定时器启动时，控制
12、门被关闭，地址计数器停止，寄存器的数据被锁存。达到定时值时，定时器反相，计数器重新开始计数。,长度计数器：和地址计数器对应同个计数脉冲。计数器工作期间，存储器对应地址的数据被移位到对应的寄存器。长度计数器达致电长度值时自动清零，同时启动定时器工作。定时器启动期间，长度计数器与地址计数器均被封闭。,只读存储器：通过编程已写入控制灯的显示方式的数据，控制器每间隔一定时间（显示定时）将N位数据送到移位寄存器，所送的数据内容由存储器的地址信号确定。,移位寄存器：用于寄存控制发光管亮灭的数据，对应N个灯移位寄存器有N个输出。,地址计数器：用于产生由低到高；连续变化的只读存储器的地址。存储器内对应的数据被
13、送到移位寄存器。,每显示一个状态要32个数据，只读存储器是8位的，那么地址计数器应连续计数4次，产生4个相邻的地址号，选取只读存储器中相邻4个单元中的数据，送移位寄存器，再送到灯，因此，计数长度应为4。要求显示完一个状态时，保持0.2S时间，为此，当长度计数器计到4时，产生一个触发脉冲，触发一个单稳态定时器定时，定时器工作时，将切断地址计数器和长度计数器的计数脉冲。定时时间到，又恢复两个计数器的计数脉冲，其中长度计数器从0开始计数，而地址计数器在刚才的基础上继续计数，,（1）灯数量:32只；（2）选用8位的移位寄存器和8位的只读存储器；（3）每个显示状态保持时间为0.2S。（4）完整的显示效果
14、需要K帧画面，每帧画面需要32个数据。,参数设定,计算,二、具体参数设定、计算，以及单元电路设计,帧：每显示的一个状态。只读存储器容量：设完整的显示效果需要K帧画面，每帧画面需要M个数据完成，则需要只读存储器的容量为：KXM。此处假设为16K。地址计数器的位数N：2N=存储器的字数=存储器的容量/存储器的位数。此处N=11位。计数长度：显示每帧所需要的数据数/只读存储器的位数。,又开始从只读存储器中读出第二个显示状态所要的数据。以此类推。,（1）振荡器：因精度要求不太高，555振荡器电路满足要求。（2）定时器：555单稳态触发器，高电平触发，暂稳态为1态。,单元电路的设计,（2）长度计数器：用
15、移位寄存器74LS194，确保在4个计数脉冲作用下，输出按下列规律变化：00001000110011101111，将Q3经过非门，在计数到4时产生负触发脉冲，触发单稳压触发器，定时开始。（3）地址计数器：共要11位地址号，选用3个74LS161通过级联构成11位二进制计数器。（4）控制门：用与非作控制门，进入与门的两路信号分别是：计数脉冲和定时器输出信号。（5）只读存储器：计算所需要16K容量的存储器，考虑一定的储备量，因此选择容量为64K的2764，13根地址线。这样，多余两条地址线接地。（6）寄存器：选用8W位的寄存器74LS374，74LS374只有并入并出功能。,00000000001
16、,工作过程再现：,1,00000001,00000001,2,00000000010,00000000,3,00000000011,00000000,4,00000000100,00000000,三、原理图,受控制开关,单稳态触发器,振荡器,局部放大：,长度计数器,四、电路调试方法与步骤1用示波器检测由555组成的时钟振荡器输出波形。正确结果，应在输出端有几千赫兹的矩形波信号。2用示波器测量定时器输出波形，调整变位器使波形宽度约为0.2S。3检测地址计数器是否能正常工作，将计数器的输出接发光二极管，人为输入手动计数脉冲，观察输出状态是否能连续计数。4检测长度计数器是否能正常工作，将计数器的输出
17、接发光二极管，人为输入手动计数脉冲，观察输出状态是否为0000-0001-0011-0111-1111变化。,只读存储器中部分单元存储的数据表,设计实例二：数字频率计的设计与制作,设计要求：（1）频率计测量范围:109999HZ。（2）输入电压幅度:300mV3V;（3）输入信号波形:任意周期信号；（4）显示位数:4位;（5）电源：220V、50HZ,电路功能分析：,数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。频率是周期信号在单位时间（1s）内变化的次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期信号,的重复变化次数N，则其频率可表示为f=N/T=N。 频率计的工作原理，先让被测脉冲通
18、过放大、整形后，经过开启时间为1秒的闸门，并送入计数器时实显示计数值，当闸门关闭后，计数器保持计数值，此值则为被测脉冲的频率。 因此，数字频率计数字频率计电路应由电源电路时基电路、整形放大电路、控制电路、闸门电路、计数锁存电路、脉冲形成电路和译码显示电路组成。,一、系统方案设计,将频率为50HZ的市电降压后全波整得频率为100HZ的全波整流波形。,将100HZ的全波整流波形通过施密特触发器整形为脉冲信号。,将100HZ的脉冲信号经过100分频得1HZ信号。,将被测量信号放大到幅值约5V左右。,将被测量信号整形后得到脉冲信号。,将整形后的脉冲信号通过开启时间为1S的闸门。,被测信号通过计数器时实
19、计数。,信号变化频率太快时，来不及显示，经过锁存器，可将稳定的计数锁存起来长时间显示。,二、具体参数设定、计算，以及单元电路设计：,1全波整流与整形电路：采用全波整电路将50HZ市电整形为频率为100HZ的全波波形，选用施密特触发器74HC14整形后得信号，波形如下图所示。,2分频器：将100HZ信号经过100分频，则可得1S，选用8位进制计数器74HC4024，通过异步清零法实现100进制计数器。,3放大电路：选用运放电路。电路要求测量的最小信号幅度为300mV，为此，放大电路的放大倍数设定为20倍，幅度300mV的电压放大后幅度约为6V。若R2=1K，那么R3=20K。,5闸门电路：选用两
20、个与门作为闸门，一个闸门控制计数器在1S时间内计数，另一个闸门控制锁存器在1S时间结果后锁存数据，实时显示。,6计数器：计数值要达9999，并且要求显示，为此选用10进制计数器。CD4518是双十进制计数器，故需要2片。当JK触发器Q输出高电平时，闸门打开，计数脉冲送到计数器，计数器计数，当JK触发器Q输出低电平时，闸门关闭，计数器停止计数。,闸门,闸门,计数器的清零信号是在锁存器开始工作并保持了10mS后才进行的。,三、原理示意图,局部放大：,1基准时间检测： 用示波器分别检测其次时间计数器和分频器输出的波形，判断是否为正常输出。2输入检测信号： 从被测信号输入端输入幅值在1V左右、频率为1
21、KHZ左右的正弦信号，如果电路正常，则数码管可以显示被测量信号的频率。如是显示不正常，则做进一步检测。3输入放大与整形电路检测： 用示波器观测整形电路的输出波形。正常情况下，可以观测到也输入频率一致，信号幅值为5V左右的矩形波。4控制门检测：用发光二极管检测两个控制门输出信号，正常情况下，应能观察到每1S有一个矩形波形。,四、电路调试方法,5计数器电路：将计数器的输出接发光二极管，人为输入手动计数脉冲，观察输出状态是否能连续计数。6锁存器电路：将计数器输出与锁存器相连接，再将锁存器输出接发光二极管，正常情况下，给74LS374的CLK高电平，锁存器的输出应与计数器输出同步变化，当给CLK低电平时，锁存器输出保持不变。,本章小结,数字电路系统的设计，应采用从整体到局部，再从局部到整体的设计方法。通过对系统的目标、任务、指标要求的了解设计出系统的组成，通过对每个功能组成部分的进一步分析，设计出实际单元电路，再对电路进行整组成、仿真、实现进一步完善设计和优化设计。系统装配与调试工作是验证理论设计，进一步修正方案的实践过程。在调试数字系统时要充分理解电路的原理与结构，有步骤、有目的地进行，应灵活运用“对换”、对比、对分、信号注入、信号寻迹等方法。,作 业,13.3、13.4、13.7、13.9、13.11,
