數(shù)字電路設(shè)計(jì)

數(shù)字電路設(shè)計(jì)第一頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三在電子技術(shù)領(lǐng)域里，用來(lái)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集、加工、傳送、運(yùn)算和處理的裝置稱為數(shù)字系統(tǒng)。一個(gè)完整的數(shù)字系統(tǒng)往往包括輸入電路、輸出電路、控制電路、時(shí)基電路和若干子系統(tǒng)等五部分，如下圖所示。各部分具有相對(duì)的獨(dú)立性，在控制電路的協(xié)調(diào)和指揮下完成各自的功能，其中控制電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心。輸入電路控制電路輸出電路子系統(tǒng)子系統(tǒng)子系統(tǒng)時(shí)基電路第二頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三1、輸入電路輸入電路的任務(wù)是將各種外部信號(hào)變換成數(shù)字電路能夠接受和處理的數(shù)字信號(hào)。外部信號(hào)通?？煞譃槟M信號(hào)和開關(guān)信號(hào)兩大類，如聲、光、電、溫度、壓力及位移等物理量屬于模擬信號(hào)，而開關(guān)的閉合與打開、管子的導(dǎo)通與截止等屬于開關(guān)量。這些信號(hào)都必須通過(guò)輸入電路變換成數(shù)字電路能夠接受的二進(jìn)制邏輯電平。2、輸出電路輸出電路是將經(jīng)過(guò)數(shù)字電路運(yùn)算和處理之后的數(shù)字信號(hào)變換成模擬信號(hào)或開關(guān)信號(hào)去推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。第三頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三3、子系統(tǒng)子系統(tǒng)是對(duì)二進(jìn)制信號(hào)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算以及信號(hào)傳輸?shù)裙δ艿碾娐?，每個(gè)子系統(tǒng)完成一項(xiàng)相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)，即某種局部的工作。子系統(tǒng)又稱為單元電路。4、控制電路控制電路將外部輸入信號(hào)以及各子系統(tǒng)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行綜合、分析，發(fā)出控制命令去管理輸入、輸出電路及各子系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)同步協(xié)調(diào)、有條不紊地工作。5、時(shí)基電路產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘，使整個(gè)系統(tǒng)在時(shí)鐘信號(hào)的作用下一步一步地順序完成各種工作。第四頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、數(shù)字系統(tǒng)的類型1、在數(shù)字系統(tǒng)中，有的全是由硬件電路來(lái)完成所有任務(wù)，有的除硬件電路外，還需要加上軟件，即使用可編程器件，采用軟硬結(jié)合的方法完成電路功能。因此，根據(jù)系統(tǒng)中有無(wú)可編程器件，數(shù)字系統(tǒng)可分為可編程和不可編程兩大類。可編程器件最典型的是微處理器，一片微處理器配上若干外圍芯片構(gòu)成硬件電路，再加上相應(yīng)的軟件就構(gòu)成一個(gè)功能很強(qiáng)的應(yīng)用系統(tǒng)。除微處理器外，目前還有各種可編程邏輯器件，如ROM、PAL、GAL、FPGA、CPLD以及各種可編程接口電路，這些器件的功能均可以通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。第五頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2、根據(jù)數(shù)字系統(tǒng)所完成的任務(wù)性質(zhì)還可將其分成數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)三大類。關(guān)于微處理器和可編程邏輯器件的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)以后再討論。三、數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟由于每個(gè)課題的設(shè)計(jì)任務(wù)各不相同，則設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)規(guī)模有大有小，電路的結(jié)構(gòu)也有繁有簡(jiǎn)。而課程設(shè)計(jì)，由于時(shí)間有限不可能做的太大，一般均為小系統(tǒng)。在應(yīng)用中，小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是很有用處的。而且，掌握了數(shù)字小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以為更大規(guī)模的系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。第六頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)總體方案比較與選擇（畫出系統(tǒng)框圖）進(jìn)行單元電路設(shè)計(jì)是否采用時(shí)序電路？列狀態(tài)轉(zhuǎn)換表狀態(tài)分配并化簡(jiǎn)由卡諾圖化簡(jiǎn)，求出狀態(tài)方程寫出驅(qū)動(dòng)方程和輸出方程按組合電路方法設(shè)計(jì)確定輸入、輸出變量列真值表寫邏輯表達(dá)式選用LSI？選用MSI?畫出各單元電路畫系統(tǒng)邏輯圖選用SSINNNYYYMSI設(shè)計(jì)微處理器或FPGA等數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程第七頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三1、分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)具體做設(shè)計(jì)之前，必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等。分清楚要設(shè)計(jì)的電路屬于何種類型，輸入信號(hào)如何獲得，輸出執(zhí)行裝置是什么，工作電壓、電流參數(shù)是多少，主要性能指標(biāo)如何等等。然后查找相關(guān)資料，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2、確定總體方案對(duì)各種方案進(jìn)行比較，在能完成課題要求的功能和性能指標(biāo)的前提下，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡(jiǎn)、成本的高低、制作的難易及功能的可擴(kuò)展性等多方面作綜合比較，最后確定一種可行方案。第八頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三3、設(shè)計(jì)各子系統(tǒng)（或單元電路）每一個(gè)子系統(tǒng)一般均能歸結(jié)為組合電路與時(shí)序電路兩大類，這些電路的設(shè)計(jì)方法數(shù)字電路教材中已論述。應(yīng)該指出，子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，也存在指標(biāo)的確定和方案的比較問(wèn)題。子系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)的確定應(yīng)根據(jù)前后電路的要求求得。子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案仍然是多種多樣的，而且亦有采用什么電路的問(wèn)題，如用SSI、MSI和LSI及用軟件還是硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能選用合適的現(xiàn)成電路，芯片的選用應(yīng)優(yōu)先使用中、大規(guī)模電路，這樣做不僅能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，而且有利于提高系統(tǒng)的可靠性。第九頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三4、控制電路的設(shè)計(jì)控制電路的功能諸如系統(tǒng)清零、復(fù)位、安排各子系統(tǒng)的時(shí)序先后及啟動(dòng)停止等，在整個(gè)系統(tǒng)中起核心和控制作用。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)控制電路的任務(wù)和時(shí)序關(guān)系反復(fù)構(gòu)思電路，選用合適的器件，使其達(dá)到功能要求。5、繪制系統(tǒng)電原理圖各部分子系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，要繪制總系統(tǒng)邏輯圖（亦稱電原理圖）。第十頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三四、實(shí)用數(shù)字單元電路舉例1、時(shí)基電路1）、用CMOS門電路構(gòu)成震蕩器如圖（1）所示。震蕩周期T≈（1.4~2.2）RC。由CMOS門電路構(gòu)成的震蕩器適合于低頻段工作，若元件選擇合適下限頻率可達(dá)到1Hz。2）、TTL門電路構(gòu)成震蕩器11CR圖1由TTL門電路構(gòu)成的震蕩器的工作頻率可比CMOS提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。在圖（2）中R1、R2一般取值1K左右，C1、C2取值100PF~100uF，輸出頻率為幾兆赫至幾十兆赫。11C1C2R1R2圖2第十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三3）、用555定時(shí)器構(gòu)成振蕩器用555定時(shí)器構(gòu)成的振蕩器可產(chǎn)生幾赫至幾兆赫的矩形波信號(hào)。T=（R1+R2）Cln2+R2Cln2雙極性定時(shí)器電源電壓范圍為3~16V，最大負(fù)載電流可達(dá)200mA；CMOS定時(shí)器電源電壓范圍為3~18V，最大負(fù)載電流在4mA以下。頻率穩(wěn)定度最高能達(dá)到0.1%。55584762351VcVCCfOR1R2C0.01μF第十二頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三4）、石英晶體振蕩器石英晶體的電路符號(hào)及阻抗頻率特性0感性容性fX11RRC2C1G1G2fSfP圖中R的作用是使G1和G2工作在線性放大區(qū)。對(duì)TTL電路取1K~2K之間；對(duì)CMOS門取10~100M。C1用于兩個(gè)反相器的耦合，C2用于抑制高次諧波。C2的選擇應(yīng)使2RC2fS

1，使RC2并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在Fs處產(chǎn)生極點(diǎn)，以減少諧振信號(hào)的衰減。石英晶體振蕩器具有極高的頻率穩(wěn)定度，且其振蕩頻率由石英晶體決定。第十三頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2、計(jì)數(shù)電路1）、用SSI設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器（略）2）、用MSI芯片設(shè)計(jì)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器反饋復(fù)位（置數(shù)）法：A、用74LS161實(shí)現(xiàn)6進(jìn)制計(jì)數(shù)器：RD161ETEPCPABCDQAQBQCQDLDRCO11CP＆＆ABCDQAQBQCQDLDRCO11CP160ETEPRDB、74LS160十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器與161（或160）接成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器ABCDQAQBQCQDLDRCO11CP161ETEPRD第十四頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三3、驅(qū)動(dòng)顯示電路1）、發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)顯示電路AVCC3DKR2LEDR1＆ABVCCR37406LEDR3=VCC-VFIF2）、數(shù)碼管靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電路117447YaYb…YgBI/RBOA0A1A2A3LTRBIABCDVCCYaYb…YgBI/RBOA0A1A2A3LTRBIABCD744811共陽(yáng)極數(shù)碼管，如BS204共陰極數(shù)碼管，如BS205第十五頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三五、數(shù)字電子計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)提示1、數(shù)字電子計(jì)時(shí)器的結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)字顯示譯碼器計(jì)數(shù)器譯碼器計(jì)數(shù)器譯碼器計(jì)數(shù)器譯碼器計(jì)數(shù)器譯碼器計(jì)數(shù)器譯碼器計(jì)數(shù)器校時(shí)控制分頻器晶振1Hz第十六頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2、校時(shí)電路:當(dāng)剛接通電源或時(shí)鐘走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí),都需要進(jìn)行時(shí)間的校準(zhǔn)。校時(shí)是數(shù)字鐘應(yīng)具有的基本功能，一般電子鐘都有時(shí)、分、秒校時(shí)功能。為使電路簡(jiǎn)單，這里只進(jìn)行分和小時(shí)的校準(zhǔn)。校時(shí)可采用快校時(shí)和慢校時(shí)兩種方式。校時(shí)脈沖采用秒脈沖，則為快校時(shí)；如果消失脈沖由單次脈沖產(chǎn)生器提供則為慢校時(shí)。下圖中C1、C2用于消除抖動(dòng)。秒十位進(jìn)位脈沖S1校時(shí)脈沖0.01μF0.01μF＆＆＆＆＆＆11至?xí)r個(gè)位計(jì)數(shù)器至分個(gè)位計(jì)數(shù)器分十位進(jìn)位脈沖S2+5V3.3KC2C13.3K第十七頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三3、時(shí)間予置電路

預(yù)置時(shí)間可用開關(guān)直接操作，構(gòu)成所需的數(shù)碼送入計(jì)數(shù)器的置數(shù)端；或是用撥碼盤與計(jì)數(shù)器的各置數(shù)端相連，構(gòu)成時(shí)間預(yù)置電路如下圖所示。亦可采用8421編碼器與撥碼盤相連，構(gòu)成時(shí)間預(yù)置電路。000000010010001101000101011001111000100188、944、5、6、722、3、6、711、3、5、7、9第十八頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三五、數(shù)字電路的安裝與調(diào)試1、電路安裝1）、整體結(jié)構(gòu)的布局：重心平衡、單板還是多板結(jié)構(gòu)、板與板之間的連接、模擬地與數(shù)字地的分割等。2）、安裝前的測(cè)試（芯片或單元電路的功能驗(yàn)證）3）、抗干擾問(wèn)題2、電路調(diào)試第十九頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三1）|調(diào)試方法分塊調(diào)試與整體調(diào)試2）、調(diào)試步驟通電前的檢查、分塊調(diào)試、靜態(tài)調(diào)試、動(dòng)態(tài)調(diào)試、整機(jī)聯(lián)調(diào)。3、參數(shù)測(cè)試第二十頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、題目：數(shù)字電子計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)要求：1、用中、小規(guī)模TTL組件設(shè)計(jì)一個(gè)能顯示時(shí)、分、秒的數(shù)字鐘。要求具有校時(shí)功能。2、在通用板上焊接安裝、調(diào)試成功，即算完成。3、編寫設(shè)計(jì)報(bào)告。設(shè)計(jì)報(bào)告要求有：方案選擇、各部分的工作原理及設(shè)計(jì)過(guò)程、器件選擇、調(diào)試方案與步驟、測(cè)試結(jié)果、操作說(shuō)明、心得體會(huì)及電氣原理圖。4、

設(shè)計(jì)時(shí)間：11月18日~11月25日一、器材和元器件可預(yù)置4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器（74LS161），二、五、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（74LS290），同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（74LS160），譯碼驅(qū)動(dòng)器（74LS48），二輸入四與非門（74LS00），三輸入三與非門（74LS10），雙JK觸發(fā)器（74LS76），555定時(shí)器，數(shù)字通用板，七段共陰極數(shù)碼管（LED），電阻和導(dǎo)線等。第二十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三一、儀器和設(shè)備穩(wěn)壓電源（或數(shù)字邏輯學(xué)習(xí)機(jī)），雙宗示波器，數(shù)字萬(wàn)用表和電烙鐵等。二、參考文獻(xiàn)1、《電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指南》清華大學(xué)出版社、焦寶文主編；2、《電子