數(shù)字電路與邏輯設(shè)計 第8章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例

1、第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 第第11章章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 11.1 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的描述方法數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的描述方法 11.2 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 11.1 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的描述方法數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的描述方法 11.1.1 方框圖方框圖 提高了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可讀性和清晰度。 容易進行結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設(shè)計。 便于對系統(tǒng)進行修改和補充。 為設(shè)計者和用戶之間提供了交流的手段和基礎(chǔ)第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 方框圖描述法是在矩形框內(nèi)用文字、表達式、符號或圖形來表示系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)或模塊的名稱和主要功能。矩形框之間用帶箭頭的線段相連接，表示各子系統(tǒng)或模塊之間數(shù)據(jù)流

2、或控制流的信息通道。圖上的一條連線可表示實際電路間的一條或多條連接線，連線旁的文字或符號可以表示主要信息通道的名稱、功能或信息類型。箭頭指示了信息的傳輸方向。方框圖是系統(tǒng)設(shè)計的初步，其設(shè)計是一個自頂向下、逐步細化的過程。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 【例 11-1】設(shè)計一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方框圖。 解：解： 根據(jù)題意先畫出系統(tǒng)的粗框圖如圖11-1(a)所示。該框圖定義和描述了系統(tǒng)從輸入到輸出的基本功能模塊和實現(xiàn)的一般過程。 在對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和控制信息進行分析和定義后將系統(tǒng)框圖作進一步的分解和細化。圖 11-1(b)為第一步的分解圖。 系統(tǒng)框圖中的輸入、輸出只是一般意義的輸入和輸出， 輸入信號在A/D

3、轉(zhuǎn)換前一般要進行放大或衰減處理，輸出的方式根據(jù)要求可以是顯示或進一步的后處理等。圖11-1(c)為輸入、輸出進一步明確后的方框圖。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 圖 11-1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 11.1.2 時序圖時序圖 【例11-2】 用時序圖描述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)寫入、讀出存儲器的時間關(guān)系。 解：解： 該系統(tǒng)存儲器的數(shù)據(jù)寫入、讀出的時序主要由控制功能模塊產(chǎn)生，寫入存儲器的數(shù)據(jù)由A/D轉(zhuǎn)換器提供，其時間順序如下： 首先給A/D發(fā)出啟動命令START。 START為高電平有效， 當START下降沿來到時開始進行A/D轉(zhuǎn)換。 EOC為A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出高

4、電平有效。在START上升沿后18 個時鐘周期內(nèi)，EOC變?yōu)榈碗娖綍r，標志A/D正在進行轉(zhuǎn)換，當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC由低變?yōu)楦撸?控制電路向A/D發(fā)出輸出允許信號后，A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)便可以送出。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 存儲器的寫命令WR為低電平有效，當控制電路向存儲器發(fā)出寫命令WR后，便可以將A/D送出的數(shù)據(jù)寫入存儲器。 存儲器寫完數(shù)據(jù)后，控制電路再向存儲器發(fā)RD讀出命令。 當RD為低電平有效時，便可以從存儲器讀出數(shù)據(jù)。 圖 11-2 例11-2工作時序圖 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 11.2 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 11.2.1 定時電路的設(shè)計定時電路的設(shè)計 【例 11-

5、3 】設(shè)計定時電路，要求該電路實現(xiàn)以下功能： (1) 可任意設(shè)置定時的小時、分。 (2) 數(shù)碼管顯示減計數(shù)過程的時間，可顯示小時、分、秒。 (3) 定時結(jié)束報警。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 解：解： 定時電路的方框圖描述。 根據(jù)定時電路的設(shè)計要求， 我們把該電路的工作過程分為三步進行：首先設(shè)置需要定時的時間；然后啟動定時計數(shù)器開始計時，計時采用倒計時的方式工作，同時顯示倒計時的時間；最后當定時結(jié)束時產(chǎn)生報警信號，用發(fā)光二極管指示定時結(jié)束。 圖 11-3 定時電路框圖 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 系統(tǒng)組成及基本原理。定時電路原理圖如圖11-4 所示，該電路由振蕩器、計數(shù)器、時間顯示、定時控制、

6、定時時間設(shè)置幾個部分組成。 定時時間設(shè)置。時間設(shè)置電路可實現(xiàn)小時和分的設(shè)置。由于采用減計數(shù)方式，設(shè)置的時間就是需要的定時時間。 小時的設(shè)置通過直接置A7、A8兩計數(shù)器的數(shù)據(jù)置數(shù)端D12D7。因為一天只有24小時，小時的最高位只為 2，因此A7計數(shù)器的C、D端接地。 如需要更長的定時時間，對C、 D端置數(shù)即可。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 圖 11-4 定時電路原理圖第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 分的設(shè)置有兩個過程：計數(shù)開始前為人工預(yù)置定時時間的分，此時S1=0，A13導(dǎo)通，A14斷開，人工預(yù)置的時間分鐘通過A13數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器的D6D0送入A9、 A10計數(shù)器的數(shù)據(jù)端。 計數(shù)開始時，S1=1,

7、A13斷開，人工預(yù)置的分鐘數(shù)據(jù)就不能通過A13送入A9、A10分計數(shù)器的數(shù)據(jù)端。在減計數(shù)的過程中， 如果小時計數(shù)器A7、A8不為0，每當A7、 A8減 1 計數(shù)，分計數(shù)器就要從 59 減到 0。由于A14的使能端接A9的借位端， 當A9、 A10分計數(shù)器減到 0 時， A14導(dǎo)通使A9、 A10自動設(shè)置到 59。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 計數(shù)、 顯示、 分頻。 計數(shù)器是整個定時系統(tǒng)的主要部分。 由 6 塊十進制加減計數(shù)器 74LS168構(gòu)成減法計數(shù)器。 小時計數(shù)器的模值為 24，分和秒計數(shù)器的模值都是 60。計數(shù)器的輸出通過數(shù)碼管驅(qū)動譯碼器 A1A6去驅(qū)動共陰極數(shù)碼管顯示時間，顯示的時間值

8、為時、 分、 秒。 計數(shù)器的計數(shù)時鐘頻率為 1 Hz， 由晶體振蕩器產(chǎn)生的 32 768 Hz時鐘， 經(jīng)過A17、A18 兩片計數(shù)器 215分頻得到。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 定時啟動和定時控制。設(shè)置好定時時間的時、分值后，撥動開關(guān)S1接地(S1=0)，D觸發(fā)器(A15)的Q=1, 設(shè)置的時間值送入計數(shù)器并顯示。 S1再撥到UCC時(S1=1)，減計數(shù)定時開始。 當時間值減到全 0 時，A15的CLK端產(chǎn)生上升沿，使Q=0，顯示器全滅，發(fā)光二極管V1亮。該電路的定時結(jié)束指示電路也可以根據(jù)需要改成不同形式的控制方式，如控制繼電器的通斷、定時發(fā)聲報警、定時產(chǎn)生啟動信號等等。 該電路也可改成加法

9、計數(shù)定時系統(tǒng)， 讀者可根據(jù)要求設(shè)計出相應(yīng)的定時電路。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 11.2.2 數(shù)字頻率計的設(shè)計數(shù)字頻率計的設(shè)計 1. 頻率測量的工作原理頻率測量的工作原理 數(shù)字頻率計是用于測量信號頻率的電路。測量信號的頻率參數(shù)是最常用的測量方法之一。實現(xiàn)頻率測量的方法比較多， 在此我們主要介紹三種常用的方法： 時間門限測量法、標準頻率比較測量法、等精度測量法。 1) 時間門限測量法 在一定的時間門限T內(nèi)，如果測得輸入信號的脈沖數(shù)為N， 設(shè)待測信號的頻率為fx，則該信號的頻率為 TNfx第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 改變時間T，則可改變測量頻率范圍。例如，當T=1s, 則fx=N(Hz)；T=1

10、ms，則fx=N(kHz)。此方法的原理框圖如圖 11-5 所示，時序波形圖如圖 11-6 所示。 圖 11-5 測頻原理框圖 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 圖圖 11-6 測頻時序波形圖測頻時序波形圖 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 2) 標準頻率比較測量法 用兩組計數(shù)器在相同的時間門限內(nèi)同時計數(shù)，測得待測信號的脈沖個數(shù)為N1、已知的標準頻率信號的脈沖個數(shù)為N2，設(shè)待測信號的頻率為fx, 已知的標準頻率信號的頻率為f0；由于測量時間相同，則可得到如下等式： 021fNfNx從上式可得出待測信號的頻率公式為 021fNNfx第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 標準頻率比較測量法對測量時產(chǎn)生的時間門限的精度要

11、求不高，對標準頻率信號的頻率準確度和頻率的穩(wěn)定度要求較高，標準信號的頻率越高，測量的精度就比較高。該方法的測量時間誤差與時間門限測量法的相同，可能的最大誤差為正負一個待測信號周期，即t=1/fx。測量時可能產(chǎn)生的誤差時序波形如圖 11-7 所示。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 圖 11-7 一般測量時可能產(chǎn)生的誤差時序波形圖 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 3) 等精度測量法 等精度測量法的機理是在標準頻率比較測量法的基礎(chǔ)上改變計數(shù)器的計數(shù)開始和結(jié)束與閘門門限的上升沿和下降沿的嚴格關(guān)系。當閘門門限的上升沿到來時，如果待測量信號的上升沿未到時兩組計數(shù)器也不計數(shù)，只有在待測量信號的上升沿到來時，兩組計數(shù)

12、器才開始計數(shù)；當閘門門限的下降沿到來時，如果待測量信號的一個周期未結(jié)束時兩組計數(shù)器也不停止計數(shù)，只有在待測量信號的一個周期結(jié)束時兩組計數(shù)器才停止計數(shù)。這樣就克服了待測量信號的脈沖周期不完整的問題，其誤差只由標準頻率信號產(chǎn)生， 與待測量信號的頻率無關(guān)。最大誤差為正負一個標準頻率周期，即t=1/f0。由于一般標準信號頻率都在幾十兆赫茲以上，因此誤差小于 10-6。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 圖 11-8 等精度測量法的時序波形圖 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 2. 頻率計電路設(shè)計頻率計電路設(shè)計 【 例 11-4 】 設(shè)計一頻率計， 要求： (1) 測頻的頻率范圍為 1Hz10 kHz。 (2) 顯

13、示位數(shù)用四位數(shù)碼顯示。 解：解： 時間門限測量頻率的原理框圖如圖 11-5 所示，晶體振蕩電路產(chǎn)生較高的標準頻率，經(jīng)分頻電路可獲得各種時間基準脈沖(T=1s, 0.1 s, 10 ms, 1 ms，)，由開關(guān)S控制選擇時基脈沖。被測信號經(jīng)放大整形后變成脈沖信號送到主控門的輸入端，只有在閘門信號的閘門時間T內(nèi)輸入信號才能通過主控門進行計數(shù)。測頻電路的時序波形如圖 11-6 所示。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 3. 實現(xiàn)電路及說明實現(xiàn)電路及說明 時間門限測量頻率電路圖如圖 11-9 所示。電路中的振蕩電路產(chǎn)生 1MHz的頻率標準，經(jīng)分頻器10分頻、102分頻、103 分頻、104分頻、105分頻、

14、106 分頻，產(chǎn)生 6 種時基信號 10 s、0.1 ms、1 ms、 10 ms、 0.1 s、1 s，分頻電路由十進制計數(shù)器 74LS90 實現(xiàn)(圖中的D1D6)。 時基信號由八選一數(shù)據(jù)選擇器(74LS151(D15)實現(xiàn)選擇。當S2S1S0=000 時選擇 1 s， S2S1S0=001 時選擇 0.1 s， ， S2S1S0=101 時選擇 10s。選擇的時基信號經(jīng)D觸發(fā)器構(gòu)成對應(yīng)時間寬度的時基門限。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 圖圖 11-9 測量頻率電路圖測量頻率電路圖 212613121110915147126ABCDabcdeLTBI/RBOD11fgRBIABCDabcdeL

15、TBI/RBOD14fgRBI13121110915143453455691215161913121110915147126ABCDabcdeLTBI/RBOD12fgRBI34513121110915147126ABCDabcdeLTBI/RBOD13fgRBI345CLK1Q1Q2Q3MS2MR1MR2CLK0Q0MS1D10111CLKQ1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D1D2D3D4D5D6D7OEQ0D01298112569CLKQ1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D1D2D3D4D5D6D7OEQ0D012151619347813141718347813141718D1974LS37474LS4

16、874LS4874LS4874LS4874LS901413CLK1Q1Q2Q3MS2MR1MR2CLK0Q0MS1D92761298111298111413276141327674LS9074LS9074LS9074LS374D201232CDCLKSDDQQUCC45UCC1623D17:B74LS08456D1574LS1515612981174LS9012981174LS9012981174LS901413276129811CLK1Q1Q2Q3MS2MR1MR2CLK0Q0MS1D712981174LS9012981174LS9012981174LS9014132761413276CLK

17、1Q1Q2Q3MS2MR1MR2CLK0Q0MS1D51413276143276141327614327643211S0.1S10mS1mS0.1mS 151410uS1312I1I2I3I4I5I6I7I0EABCZZS0S1S21110971 41MHz2 3UiD16:A74LS74D17:A74LS0874LS14D18:A圖11-9CLK1Q1Q2Q3MS2MR1MR2CLK0Q0MS1D4UCCUCCCLK1Q1Q2Q3MS2MR1MR2CLK0Q0MS1D2CLK1Q1Q2Q3MS2MR1MR2CLK0Q0MS1D3CLK1Q1Q2Q3MS2MR1MR2CLK0Q0MS1D111

18、CLK1Q1Q2Q3MS2MR1MR2CLK0Q0MS1D8CLK1Q1Q2Q3MS2MR1MR2CLK0Q0MS1D6第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 計數(shù)顯示： 計數(shù)器由四片74LS90十進制計數(shù)器D7D10實現(xiàn)， 計數(shù)完成后數(shù)據(jù)鎖存由74LS374完成，鎖存后的數(shù)據(jù)經(jīng) 74LS48 數(shù)碼管驅(qū)動器和共陰極數(shù)碼管進行顯示。 顯示數(shù)值到下一次計數(shù)完成后刷新。 可用發(fā)光管或其它方法提示頻率單位Hz或kHz。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 11.2.3 任意波形發(fā)生器的設(shè)計任意波形發(fā)生器的設(shè)計 1. 波形發(fā)生器工作原理波形發(fā)生器工作原理 圖 11-10 任意波形發(fā)生器原理框圖 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例

19、1) 直接地址計數(shù)器產(chǎn)生方法 工作過程是，如果計數(shù)器的位數(shù)為N位(模值=2N)，則把波形的一個周期分為 2N個等間隔數(shù)據(jù)點(抽樣點)存入數(shù)據(jù)存儲器， 地址計數(shù)器不斷地循環(huán)計數(shù)，就產(chǎn)生出每一周期為2N個固定點的波形。 該方法的特點是每一個波形周期的點數(shù)是固定的，每一周期內(nèi)點與點之間的相位間隔相同。但是，兩個相鄰周期波形之間的相鄰兩個點的相位間隔與其它點之間的相位間隔有可能不同。當計數(shù)器的位數(shù)N增加時，這種相位間隔的誤差就可以忽略。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 如果產(chǎn)生的波形是循環(huán)讀出的周期波形，則波形的頻率由兩方面來決定: 一方面，波形的頻率由地址計數(shù)器的計數(shù)時鐘決定，當波形存儲的點數(shù)一定時，計

20、數(shù)器的計數(shù)時鐘頻率越快，讀出一周期波形數(shù)據(jù)的時間就越短， 生產(chǎn)輸出波形的頻率就越高，反之，則波形頻率低；另一方面，波形的頻率也由組成一周波形的點數(shù)來確定，當計數(shù)時鐘頻率一定時，一周波形的點數(shù)越多，讀完一周波形所需的時間就越長，波形頻率就低，反之則高。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 如果設(shè)地址計數(shù)器的標準時鐘頻率為fr，計數(shù)器的位數(shù)為N位，一周波形的點數(shù)有M個，輸出波形的頻率為fo，則輸出波形的頻率fo與fr、M的關(guān)系式為 Mffro從上式可以得出，當fr為一固定值時，波形的最小頻率為 )2(2minNNroMff 波形的最高頻率受到奈奎斯特抽樣定理的限制，至少每一周期抽樣兩個點，所以有 )2(2

21、minMffro第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 2) 相位累加器產(chǎn)生方法(或DDS方法) DDS方法是根據(jù)正弦波形的產(chǎn)生，從相位出發(fā)，用等間隔的相位，給出各相位的正弦波形數(shù)據(jù)點(抽樣點)，存入數(shù)據(jù)存儲器，通過相位累加器的循環(huán)相位累加，產(chǎn)生周期性正弦波。 圖 11-11 DDS方法實現(xiàn)的原理方框圖 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 fr為標準時鐘頻率，Tr=1/fr； fo為輸出波形頻率，To=1/fo; Pw為相位增量系數(shù)，這個值給出的是相位變化的速度。 如果累加器的位數(shù)是N位，則2/2N rad就是最小的相位增量。于是對應(yīng)的相位增量是Pw/2N rad。完成一周正弦波輸出需要經(jīng)過2/(Pw2/2N)個

22、標準時鐘周期，可以得出輸出波形的周期為 NrWoWrNofPfPTT22或 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 根據(jù)上述分析可知，相位增量系數(shù)Pw越小，波形的失真度越小，輸出波形的頻率fo越低，最低時的輸出頻率： ) 1(2wNroPff 同樣，相位增量系數(shù)Pw越大，波形的失真度越高，輸出波形的頻率fo越大，最大的輸出頻率： )2(21NwroPff第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 2. 波形產(chǎn)生器設(shè)計中應(yīng)考慮的幾個問題波形產(chǎn)生器設(shè)計中應(yīng)考慮的幾個問題 1) D/A轉(zhuǎn)換器指標 任意波形發(fā)生器的特性很大程度上取決于D/A轉(zhuǎn)換器的性能。主要性能指標是D/A的轉(zhuǎn)換速度和分辨率(位數(shù))。通常，高速D/A的分辨率較低

23、。目前常采用 8 位、10 位和12位的D/A轉(zhuǎn)換器。 8位D/A的分辨率有28=256個離散電壓等級，而 12 位D/A分辨率有 212=4096 個電壓等級。D/A位數(shù)越多，分辨率越高， 再現(xiàn)的波形量化誤差就小，從而波形的失真度小。因此， 選擇什么樣的分辨率可根據(jù)失真度要求來考慮。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 2) 分頻器 分頻器主要用于改變地址計數(shù)器的時鐘頻率。一般設(shè)計波形發(fā)生器要考慮產(chǎn)生的波形頻率可在一定范圍內(nèi)變化，如低頻信號的頻率范圍一般為1Hz1MHz。為了達到最高信號頻率的要求，振蕩器的頻率要有最高信號頻率的幾十倍。 如果不對振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號進行分頻，要得到最低信號頻率1Hz

24、時，就要求有很大的波形數(shù)據(jù)存儲空間，并且改變一次波形頻率fo就要改變一次波形存儲點數(shù)，這樣設(shè)計出來的任意波形發(fā)生器靈活性就差。 如果采用可編程分頻器，通過控制分頻系數(shù)來控制地址計數(shù)器的時鐘頻率fr的變化，而存儲點數(shù)M不變，則波形頻率就只隨fr的變化而變化這樣就方便了。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 3) 波形存儲器的選擇 存儲器的選擇可根據(jù)波形產(chǎn)生的功能要求， 選擇隨機存儲器(RAM)或只讀存儲器(EPROM)。 (1) RAM存儲器 使用RAM存儲器時，設(shè)計者可通過計算機編程及I/O接口電路對RAM進行波形存儲，實現(xiàn)任意波形和函數(shù)發(fā)生器。 甚至可以通過鍵盤輸入方程式或從顯示器掃描曲線產(chǎn)生較復(fù)雜

25、的波形。 RAM存儲方式可通過計算機改變波形點數(shù)和分頻系數(shù)兩個參數(shù)來改變波形頻率。RAM存儲器與計算機實現(xiàn)波形發(fā)生器的原理框圖如圖 11-12 所示。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 圖 11-12 計算機控制實現(xiàn)波形發(fā)生器的原理框圖 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 (2) EPROM存儲器 如果設(shè)計的波形發(fā)生器只要求產(chǎn)生幾種確定的波形時， 可預(yù)先利用EPROM編程器寫好各種波形的數(shù)據(jù)表， 然后通過計數(shù)器查表產(chǎn)生波形。EPROM存儲的波形數(shù)據(jù)不能改變，因此信號頻率的改變靠改變分頻系數(shù)來實現(xiàn)。EPROM存儲方式的波形產(chǎn)生器電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低， 容易實現(xiàn)。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 3. 任意波形產(chǎn)生

26、器實現(xiàn)電路任意波形產(chǎn)生器實現(xiàn)電路 1) 波形數(shù)據(jù)存儲表 波形發(fā)生器產(chǎn)生的各種波形數(shù)據(jù)存儲在存儲器內(nèi)，電路中的存儲器選用2764EPROM，存儲容量為8K8。本設(shè)計電路的存儲器只存入了四種波形的數(shù)據(jù)表，每一種波形用1 K個存儲單元存儲一個周期，共用4K個內(nèi)存，其余4K個可供擴展波形種類使用。四種波形的數(shù)據(jù)表地址和對應(yīng)的存儲單元內(nèi)容如表 11-1 所示。從表可看出每一種波形的高三位地址A12A11A10不變，只有A9A0十位地址從全0變到全1。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 表表 11-1 四種波形的數(shù)據(jù)表地址及對應(yīng)的存儲單元內(nèi)容四種波形的數(shù)據(jù)表地址及對應(yīng)的存儲單元內(nèi)容 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例

27、2) 地址計數(shù)器電路 地址計數(shù)器由D4、D5、D6三塊74161構(gòu)成最大模值為 1024 的計數(shù)器。地址計數(shù)器從全 0 計到全 1，可循環(huán)產(chǎn)生 1K個地址。對 4 K 個波形尋址時EPROM的A12可直接接地， 只要用開關(guān)S1、 S2選擇A11A10從00到11，就可實現(xiàn)四種波形的選擇輸出。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 圖圖 11-13 波形發(fā)生器電路波形發(fā)生器電路 P0 Q0P1 Q1P2 Q2P3 Q3TC CEP CET CLK PE MR74LS16114131211A0A1A2A3UCCP0 Q0P1 Q1P2 Q2P3 Q3TC CEP CET CLK PE MR74LS16143

28、5614131211A4A5A6A7P0 Q0P1 Q1P2 Q2P3 Q3TC CEP CET CLK PE MR74LS161435614131211A8A971015D671015710291D5D4D11:A74LS1012151321UCC74LS0410987654252421233UCCD12:AUCC21P0 Q0P1 Q1P2 Q2P3 Q3TC CEP CET CLK PE MR74LS1611413121171015D74356D13D12D14D15291P0 Q0P1 Q1P2 Q2P3 Q3TC CEP CET CLK PE MR74LS16114131211710

29、15D84356D9D8D10D11291P0 Q0P1 Q1P2 Q2P3 Q3TC CEP CET CLK PE MR74LS1611413121171015D94356D13D12D14D15291P0 Q0P1 Q1P2 Q2P3 Q3TC CEP CET CLK PE MR74LS1611413121171015D104356D13D12D14D15291A0 D0A1 D1A2 D2A3 D3A4 D4A5 D5A6 D6A7 D7A8A9A10A11A12CEOEPGMUPPEPROM276422022271D243561 212MHz4 3UCCfCP3lsbDI0 Iout1

30、DI1 Iout2DI2DI3 RfbDI4DI5 VrefDI6msbDI7ILECS WR2XFER WR1DAC0832UCCUCC111213151617181976541615141311129819182P1100k2371846D13OP-07OUT20圖11-13+_S1S2291291117D1第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 4. 波形頻率計算波形頻率計算 Mffro式中fr為地址計數(shù)器的時鐘頻率，M為存儲數(shù)據(jù)的點數(shù)。 由于M=1024為固定值，只有控制分頻器的分頻系數(shù)改變fr，才能改變fo。該電路的分頻器由D7、D8、D9、D10四塊74161構(gòu)成可預(yù)置計數(shù)器，實現(xiàn)任意M分頻。

31、分頻系數(shù)N與置數(shù)端值D的關(guān)系為 DNn 2其中n為計數(shù)器的位數(shù)(n=16), D為置數(shù)端D15D0的二進制數(shù)值，取值范圍為02n-2。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 分頻器的輸出頻率為 NffCPr式中fCP為振蕩器產(chǎn)生的頻率，由12MHz晶體振蕩電路產(chǎn)生。 將fr代入fo的公式得 NMffCPo 由于2764EPROM的最快讀出時間為150 ns，分頻器的最大輸出頻率 frmax=6MHz。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 當Nmin=2 時，M=1024, 。kHzMHzfo61024212max當Nmax=65 536 時，M=1024, 。HzMHzfo2 . 010245366512min

32、 為了獲得更高的信號頻率可采取以下措施： 減少波形數(shù)據(jù)存儲空間M； 采用讀出頻率更高的EPROM。 降低信號頻率的方法： 增加波形數(shù)據(jù)存儲空間M； 降低振蕩器頻率； 增加分頻計數(shù)器位數(shù)n。 綜合高、低頻率要求，只有采用高頻的EPROM和增加分頻器位數(shù)比較合適。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 11.2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 1. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心器件是A/D轉(zhuǎn)換器。通常在不同的應(yīng)用場合對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有不同的技術(shù)要求，主要有分辨率、采樣率、采樣方式、精度和輸入范圍等。 圖 11-14 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計

33、實例 1) A/D輸入電壓動態(tài)范圍 不同的A/D其輸入電壓的動態(tài)范圍不同，一般有 05 V、 0+10 V、-5+5 V和-2.5+2.5 V等。如果某一A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍是 010 V，而輸入模擬信號電壓范圍為 -5+5 V，為了滿足A/D輸入的要求，應(yīng)采用運放加法電路使輸出模擬量在 010 V范圍內(nèi)變化。對微弱的模擬信號常常要經(jīng)過運放放大后再輸入A/D轉(zhuǎn)換器。第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 2) 采樣頻率 模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號必須經(jīng)過采樣保持電路。為了不失真地采集模擬信號，要求A/D的采樣頻率最低為 2 倍的信號頻率。在實際應(yīng)用中，為了保證信號采集質(zhì)量，選擇A/D的采樣頻率通常為信號

34、頻率的 34 倍，工程上有時取 10 倍。 常用的A/D器件ADC0809的最高采樣頻率fmax=10kHz。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 3) 分辨率 A/D的分辨率一般由A/D的位數(shù)和輸入電壓范圍來決定。如兩個輸入電壓范圍都為 010 V，轉(zhuǎn)換位數(shù)一個為 8 位， 另一個為 10 位，則分辨率分別為 mVVVUmVVVU101024102104025610210101088 由此可見，如何選擇A/D的位數(shù)，以便滿足分辨率的要求，應(yīng)從這兩方面來考慮。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 2. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路介紹數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路介紹 1) 數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示電路 數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)電路如圖 11-15

35、所示。ADC0809是一種常用的 8 路輸入 8 位逐次比較A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和詳細工作時序請參閱 10.2 節(jié)。ADC0809的基本參數(shù)為：電源電壓UCC=+5V，輸入電壓范圍為 05V，時鐘頻率f640kHz， 線性誤差為1LSB，轉(zhuǎn)換時間Tc=100s。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 電路工作過程如下： (1) 輸入放大電路 輸入信號經(jīng)運放0P07同相放大后送入ADC0809，放大器的放大倍數(shù)AV=(R1+RF)/R1，改變RF和R1的值可以調(diào)節(jié)AV，從而使放大器輸出電壓Uo滿足ADC0809的動態(tài)范圍。 電路中只使用一路模擬信號，由IN0輸入，因此ADC

36、0809的輸入信號地址ADDA、ADDB、ADDC接地。 第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例 (2) 數(shù)據(jù)采集、存儲過程 在這一過程中，首先使開關(guān)S2置高電平UCC，以便地址計數(shù)器時鐘通過與門A8(A74LS08), 然后把開關(guān)S由UCC撥到地， 再撥到UCC，產(chǎn)生一負脈沖，使D觸發(fā)器A7的Q置“1”，地址計數(shù)器清 0, 采集過程開始。 START信號由時鐘fCP和EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號相與形成。 當A/D轉(zhuǎn)換未開始時，EOC=1，START的正脈沖寬度為fCP的正脈沖寬度。START正脈沖的下降沿到達后，EOC=0， A/D轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換；當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC由0變成1， EOC=1 保持一個fC