《數(shù)字電子技術課程設計》指導書.

1、數(shù)字電子技術課程設計指導書機電工程系2014 年 5 月目錄課程設計指導2設計舉例：出租車計費器 5課程設計指導一、本課程設計的地位和作用數(shù)字電子技術課程設計是數(shù)字電子技術基礎教學中的一個實踐環(huán)節(jié)，它使學生自己通過設計和搭建一個實用電子產(chǎn)品雛形，鞏固和加深在數(shù)字電子技術課程 中的理論基礎和實驗中的基本技能，訓練電子產(chǎn)品制作時的動手能力。通過該課 程設計，設計出符合任務要求的電路，掌握通用電子電路的一般設計方法和步驟， 訓練并提高學生在文獻檢索、資料利用、方案比較和元器件選擇等方面的綜合能 力，同時為畢業(yè)設計和畢業(yè)以后從事電子技術方面的科研和開發(fā)打下一定的基 礎。二、課程設計的目的和要求1. 能

2、夠較全面地鞏固和應用“數(shù)字電子技術”課程中所學的基本理論和基 本方法，并初步掌握小型數(shù)字系統(tǒng)設計的基本方法。2. 能合理、靈活地應用標準集成電路器件實現(xiàn)規(guī)定的數(shù)字系統(tǒng)。3. 培養(yǎng)獨立思考、獨立設計規(guī)定功能的數(shù)字系統(tǒng)的能力。4. 培養(yǎng)獨立進行實驗，包括電路布局、安裝、調(diào)試和排除故障的能力。5. 培養(yǎng)書寫綜合設計實驗報告的能力。三、課程設計的基本要求根據(jù)設計任務，從選擇設計方案開始，進行電路設計；選擇合適的器件，畫 出設計電路圖；通過安裝、調(diào)試，直至實現(xiàn)任務要求的全部功能。對電路要求布 局合理，走線清晰，工作可靠，經(jīng)驗收合格后，寫出完整的課程設計報告。四、課程設計的具體步驟電子電路的一般設計方法和

3、步驟是： 分析設計任務和性能指標，選擇總體方 案，設計單元電路，選擇器件，計算參數(shù)，畫總體電路圖。進行仿真試驗和性能 測試。實際設計過程中往往反復進行以上各步驟，才能達到設計要求，需要靈活掌握。1. 總體方案選擇設計電路的第一步就是選擇總體方案，就是根據(jù)提出的設計任務要求及性能 指標，用具有一定功能的若干單元電路組成一個整體， 來實現(xiàn)設計任務提出的各 項要求和技術指標。設計過程中，往往有多種方案可以選擇，應針對任務要求，查閱資料，權(quán)衡 各方案的優(yōu)缺點，從中選優(yōu)。2. 單元電路的設計2.1設計單元電路的一般方法和步驟A. 根據(jù)設計要求和選定的總體方案原理圖，確定對各單元電路的設計要 求，必要時應

4、詳細擬定主要單元電路的性能指標。B. 擬定出各單元電路的要求后，對它們進行設計。C. 單元電路設計應采用符合的電平標準。2.2元器件的選擇針對數(shù)字電路的課程設計，在搭建單元電路時，對于特定功能單元選擇主要 集成塊的余地較小。比如時鐘電路選 555,轉(zhuǎn)換電路選0809,譯碼及顯示驅(qū)動電 路也都相對固定。但由于電路參數(shù)要求不同，還需要通過選擇參數(shù)來確定集成塊 型號。一個電路設計，單用數(shù)字電路課程內(nèi)容是不夠的， 往往同時摻有線性電路 元件和集成塊，因此還需對相應內(nèi)容熟悉，比如運算放大器的種類和基本用法， 集成比較器和集成穩(wěn)壓電路的特性和用法?？傊瑯?gòu)建單元電路時，選擇器件的電平標準和電流特性很重要。

5、普通的門電路、時序邏輯電路、組合邏輯電路、脈 沖產(chǎn)生電路、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、采樣和存儲電路等，參數(shù)選擇恰當可以發(fā)揮 其性能并節(jié)約設計成本。單元電路設計過程中，阻容元件的選擇也很關鍵。它們的種類繁多，性能各 異。優(yōu)選的電阻和電容輔助于數(shù)字電路的設計可以使其功能多樣化、完整化。3. 電路仿真與調(diào)整數(shù)字電路設計以邏輯關系為主體，因此各單元電路的輸入輸出邏輯關系與它 們之間的正確傳遞決定了設計內(nèi)容的成敗。 具體步驟要求每一個單元電路都須經(jīng) 過仿真與調(diào)整，確保單元正確。各單元之間的匹配連接是設計的最后步驟，主要 包含兩方面，分別是電平匹配和驅(qū)動電流匹配，它也是整個設計成功的關鍵一步。4. 衡量設計的標

6、準工作穩(wěn)定可靠；能達到預定的性能指標，并留有適當?shù)挠嗔?；電路簡單，?本低，功耗低；器件數(shù)目少，集成體積小，便于生產(chǎn)和維護。五、課程設計報告要求課程設計報告應包括以下內(nèi)容：1. 對設計課題進行簡要闡述。2. 設計任務及其具體要求。3. 總體設計方案方框圖及各部分電路設計 （含各部分電路功能、輸入信號 輸出信號、電路設計原理圖及其功能闡述、所選用的集成電路器件等）4. 整機電路圖（電路圖應用標準邏輯符號繪制，電路圖中應標明接線引出 端名稱、元件編號等）。5. 器件清單。6. 仿真調(diào)試結(jié)果記錄。7. 總結(jié)與體會。課程設計報告應內(nèi)容完整、字跡工整、圖表整齊、數(shù)據(jù)詳實。設計舉例：出租車計費器一、設計任

7、務出租車自動計費器是根據(jù)客戶用車的實際情況而自動計算、顯示車費的數(shù)字表。數(shù)字表根據(jù)用車起步價、行車里程計費及等候時間計費三項顯示客戶用車總 費用，打印單據(jù)，還可設置起步、停車的音樂提示或語言提示。1. 自動計費器具有行車里程計費、等候時間計費和起步費三部分，三項計費 統(tǒng)一用4位數(shù)碼管顯示，最大金額為 99.99元。2. 行車里程單價設為1.80元/km,等候時間計費設為1.5元/10分鐘，起步 費設為8.00元。要求行車時，計費值每公里刷新一次；等候時每 10分鐘刷新一 次；行車不到1km或等候不足10分鐘則忽略計費。3. 在啟動和停車時給出聲音提示。二、計方方案1采用計數(shù)器電路為主實現(xiàn)自動計

8、費。分別將行車里程、等候時間都按相同的比價轉(zhuǎn)換成脈沖信號，然后對這些脈沖進行計數(shù)，而起價可以通過預置送入計數(shù)器作為初值，如圖1的原理框圖所示。 行車里程計數(shù)電路每行車1km輸出一個脈沖信號，啟動行車單價計數(shù)器輸出與單 價對應的脈沖數(shù)，例如單價是1.80元/km，則設計一個一百八十進制計數(shù)器，每 公里輸出180個脈沖到總費計數(shù)器，即每個脈沖為 0.01元。等候時間計數(shù)器將 來自時鐘電路的秒脈沖作六百進制計數(shù)，得到10分鐘信號，用10分鐘信號控制一個一百五十進制計數(shù)器（等候 10分鐘單價計數(shù)器）向總費計數(shù)器輸入 150個 脈沖。這樣，總費計數(shù)器根據(jù)起步價所置的初值，加上里程脈沖、等候時間脈沖 即可

9、得到總的用車費用。求和圖1出租車計費器原理框圖一上述方案中，如果將里程單價計數(shù)器和 10分鐘等候單價計數(shù)器用比例乘法 器完成，則可以得到較簡練的電路。它將里程脈沖乘以單價比例系數(shù)得到代表里 程費用的脈沖信號，等候時間脈沖乘以單位時間的比例系數(shù)得到代表等候時間的 時間費用脈沖，然后將這兩部分脈沖求和。如果總費計數(shù)器采用BCD碼加法器，即利用每計滿1km的里程信號、每等候 10分鐘的時間信號控制加法器加上相應的單價值，就能計算出用車費用。里程脈沖圖2出租車計費器原理框圖二方案2采用單片機為主實現(xiàn)自動計費。單片機具有較強的計算功能，以8位MCS5係列的單片機89C51加上外圍電 路同樣能方便地實現(xiàn)設

10、計要求。電路框圖如圖 2所示方案3采用VHDL編程，用FPGA/CPL制作成“自動計費器”的專用集成電 路芯片ASIC,加上少數(shù)外圍電子元件，即能實現(xiàn)設計要求。將各種方案進行比較，根據(jù)設計任務的要求，各方案的優(yōu)缺點、設計制作所 具備的條件，任選其中的一種方案作具體設計。本例作為傳統(tǒng)電子設計方法的實 例，采用方案1實現(xiàn)。三、各單元電路設計1.里程計費電路設計P21R11M Q+VCC丄1 JF I I 11QPqA qbqc qdCPqaqbqc qd1 1 11 Li|1 &174LS00/Q1 Q1RD A B C D-ETrCL =p 74HC161(3)RD A B C DeP 74HC

11、161(3) RCO&0pE1Illi1uLJI |RD丿A B C D)RD A3 C Di廠*CPqaQBQC QDTrcP 74HC161(3)LDEP 74HC161(3)RCOLDQPqA qbqc qdi程計費電路里程計費電路如圖3所示。安裝在與汽車輪相接的渦輪變速器上的磁鐵使干簧繼電器在汽車每前進10m閉合一次，即輸出一個脈沖信號。汽車每前進1km則輸出100個脈沖。此時，計費器應累加1km的計費單價，本電路設為1.80元。在圖3中，干簧繼電器產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)施密特觸發(fā)器整形得到CP0 CP0送入由兩片74HC161 勾成的一百進制計數(shù)器，當計數(shù)器計滿100個脈沖時，一方面使 計

12、數(shù)器清0,另一方面將基本RS觸發(fā)器的Q1置為1,使74HC161(3)和(4) 組成的一百八十進制計數(shù)器開始對標準脈沖CP1計數(shù)，計滿180個脈沖后，使計 數(shù)器清0。RS觸發(fā)器復位為0,計數(shù)器停止計數(shù)。在一百八十進制計數(shù)器計數(shù)期 間，由于Q仁1則P2=/CP1,使P2端輸出180個脈沖信號，代表每公里行車的 里程計費，即每個脈沖的計費是 0.01元，稱為脈沖當量。2 等候時間計費電路560 Q/Q2 Q2RD A B C D ETrcoEP 74HC161 (3)TECP2CP1T1 1 LiRD A B C DEP 74HC161 (3) RCOpqa qbqc qdRD A B C D E

13、P 74HC161(3) RCOCpqaqbqc qd1 I I I IRD A BCDETrcoEP 74HC161 (3) RCO cp(&卜等候時間計費電路QPqaQBQC qd等候時間計費電路如圖4所示，由74HC161（ 1）、（2）、（3）構(gòu)成的六百進 制計數(shù)器對秒脈沖CP2作計數(shù)，當計滿一個循環(huán)時也就是等候時間滿10分鐘。一方面對六百進制計數(shù)器清 0,另一方面將基本RS觸發(fā)器置為1,啟動74HC161（4）和（5）構(gòu)成的一百五十進制計數(shù)器（10分鐘等候單價）開始計數(shù)，計數(shù) 期間同時將脈沖從P1輸出。在計數(shù)器計滿10分鐘等候單價時將RS觸發(fā)器復位 為0,停止計數(shù)。從P1輸出的脈沖數(shù)

14、就是每等候10分鐘輸出150個脈沖，表示 單價為1.50元，即脈沖當量為0.01元，等候計時的起始信號由接在74HC1611） 的手動開關給定。3. 計數(shù)、鎖存、顯示電路如圖5所示，其中計數(shù)器由4位BCD碼計數(shù)器74LS160構(gòu)成，對來自里程計 費電路的脈沖P2和來自等候時間的計費脈沖 P1進行十進制計數(shù)。計數(shù)器所得到 的狀態(tài)值送入由2片8位鎖存器74LS273構(gòu)成的鎖存電路鎖存，然后由七段譯碼 器74LS48譯碼后送到共陰數(shù)碼管顯示。BS202X474LS4874LS48 (3)74LS48 (4)74LS48 (3)8Q 7Q 6Q 5Q4Q3Q 2Q1Q8Q 7Q 6Q 5Q4Q 3Q

15、2Q1QCP74LS273(2)8D 7D 6D 5D4D 3D 2D 1DCPD 7D 674LS273(2)D 5D4D 3D 2D 1顯示器譯碼器鎖存器+5VS2Q3 Q2 Q1 Q0L1 00KQ+5VQ3 Q2 Q1 Q074LS160 ETEP DCR D C B A *Q3 Q2 Q1 Q0CC74LS160 ETCCEPDCR D C B A 亠qccLS160LDCRD C B ALDCR D C B A I I 0 0 0 0+5VO10K Q10KQ4.7卩Q1 Q2Q3 Q2 Q1 Q0:c 74ls160;計數(shù)器ZL1S33.3KQ+5VRextVcc 1Q 1/Q7

16、4LS123Cext1A 1B 1/RD4.7 卩 R+TRext Vcc2/Q74LS123(1)2A 2B2/RD+ft邏輯控制電路 +5V計數(shù)、鎖存、顯示電路計數(shù)、譯碼、顯示電路為使顯示數(shù)碼不閃爍，需要保證計數(shù)、鎖存和計數(shù)器 清零信號之間正確的時序關系，如圖6所示。由圖6的時序結(jié)合圖5的電路可見， 在Q2或 Q1為高電平1期間，計數(shù)器對里程脈沖P2或等候時間脈沖P1進行計數(shù)， 當計數(shù)完1km脈沖(或等候10分鐘脈沖)則計數(shù)結(jié)束?，F(xiàn)在應將計數(shù)器的數(shù)據(jù) 鎖存到74LS273中以便進行譯碼顯示，鎖存信號由 74LS123 (1)構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài) 電路實現(xiàn)，當Q1或Q2由1變0時啟動單穩(wěn)電路延時而產(chǎn)

17、生一個正脈沖， 這個正 脈沖的持續(xù)時間保證數(shù)據(jù)鎖存可靠。鎖存到74LS273中的數(shù)據(jù)由74LS48譯碼后, 在顯示器中顯示出來。只有在數(shù)據(jù)可靠鎖存后才能清除計數(shù)器中的數(shù)據(jù)。因此， 電路中用74LS123(2 )設置了第二級單穩(wěn)電路，該單穩(wěn)電路用第一級單穩(wěn)輸出 脈沖的下跳沿啟動，經(jīng)延時后第二級單穩(wěn)的輸出產(chǎn)生計數(shù)器的清零信號。這樣就保證了“計數(shù)一鎖存一清零”的先后順序，保證計數(shù)和顯示的穩(wěn)定可靠。P1（或 P2）Q1（或 Q2）單穩(wěn)電路1Q 單穩(wěn)電路2Q計數(shù)、鎖存清零信號的時序圖圖中的S2為上電開關，能實現(xiàn)上電時自動置入起步價目, 零，使計費顯示為00.00。其中，小數(shù)點為固定位置。S3可實現(xiàn)手動清

18、4. 時鐘電路時鐘電路提供等候時間計費的計時基準信號,計費的單價脈沖源，電路如圖 7所示。同時作為里程計費和等候時間圖7時鐘電路在圖7中，555定時器產(chǎn)生1kHZ的矩形波信號，經(jīng)74LS90組成的3級十分 頻后，得到1Hz的脈沖信號，可作為計時的基準信號。同時，可選擇經(jīng)分頻得到 的500Hz脈沖作為CP1的計數(shù)脈沖。也可采用頻率穩(wěn)定度更高的石英晶體振蕩器。5. 置位電路和脈沖產(chǎn)生電路的設計在數(shù)字電路的設計中，常常還需要產(chǎn)生置位、復位的信號，如SD、FD。這類信號分高電平有效、低電平有效兩種。由于實際電路在接通電源瞬間的狀態(tài)往往 是隨機的，需要通過電路自動產(chǎn)生置位、 復位電平使之進入預定的初始狀

19、態(tài)， 如 前面設計中的圖5,其中S2就是通過上電實現(xiàn)計數(shù)器的數(shù)據(jù)預置。圖8表示了幾種上電自動置位、復位或置數(shù)的電路。Q /Q74LS74CP rd+5V工F(a)(d )Q/Q(e)Q /Q(f)開機置位、復位和置數(shù)命令產(chǎn)生電路在圖（a）中，當S接通電源時，由于電容C兩端電壓不能突變?nèi)詾榱?，使R為0,產(chǎn)生Q置0的信號。此后，C被充電使C兩端的電壓上升到FD為1時，D 觸發(fā)器進入計數(shù)狀態(tài)。圖（b）則由于非門對開關產(chǎn)生的信號進行了整形而得到 更好的負跳變波形。圖（c）和圖（d）中的CC4013是 CMO雙D觸發(fā)器，這類電 路置位和復位信號是高電平有效，由于開關閉合時電容可視為短路而產(chǎn)生高電 平，使

20、FD=1, Q=Q若將此信號加到SD則Sd=1，Q=1;置位、復位過后，電容充 電而使FD（SD）變?yōu)?,電路可進入計數(shù)狀態(tài)。圖（e）是用開關電路產(chǎn)生點動脈沖，每按一次開關產(chǎn)生一個正脈沖，使觸發(fā)器構(gòu)成的計數(shù)器計數(shù)1次；圖（f）是用開關電路產(chǎn)生負脈沖，每按一次開關 產(chǎn)生一個負脈沖。四、電路的安裝與調(diào)試數(shù)字電路系統(tǒng)的設計完成后，一個重要的步驟是安裝調(diào)試。這一步是對設計 內(nèi)容的檢驗，也是設計修改的實踐過程，是理論知識和實踐知識綜合應用的重要 環(huán)節(jié)。安裝調(diào)試的目標是使設計電路滿足設計的功能和性能指標，并且具有系統(tǒng)要求的可靠性、穩(wěn)定性、抗干擾能力。這里簡要敘述安裝調(diào)試數(shù)字電路的幾個步 驟。（1）檢測電路元件最主要的電路元件是集成電路，常用的檢測方法是用儀器測量、用電路實驗 或用替代方法接入已知的電路中。集成電路的檢測儀器主要用集成電路測試儀， 還可用數(shù)字電壓表作簡易測量。實驗電路則模擬現(xiàn)場應用環(huán)境測試集成芯片的功 能。替代法測試必須具備已有的完好工作電路， 將待測元件替代原有器件后觀察 工作情況。除集成電路芯片外，還