《數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)》指導(dǎo)書.

1、數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書機(jī)電工程系2014 年 5 月目錄課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)2設(shè)計(jì)舉例：出租車計(jì)費(fèi)器 5課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)一、本課程設(shè)計(jì)的地位和作用數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)中的一個實(shí)踐環(huán)節(jié)，它使學(xué)生自己通過設(shè)計(jì)和搭建一個實(shí)用電子產(chǎn)品雛形，鞏固和加深在數(shù)字電子技術(shù)課程 中的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)中的基本技能，訓(xùn)練電子產(chǎn)品制作時的動手能力。通過該課 程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出符合任務(wù)要求的電路，掌握通用電子電路的一般設(shè)計(jì)方法和步驟， 訓(xùn)練并提高學(xué)生在文獻(xiàn)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(shè)計(jì)和畢業(yè)以后從事電子技術(shù)方面的科研和開發(fā)打下一定的基 礎(chǔ)。二、課程設(shè)計(jì)的目的和要求1. 能

2、夠較全面地鞏固和應(yīng)用“數(shù)字電子技術(shù)”課程中所學(xué)的基本理論和基 本方法，并初步掌握小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法。2. 能合理、靈活地應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)集成電路器件實(shí)現(xiàn)規(guī)定的數(shù)字系統(tǒng)。3. 培養(yǎng)獨(dú)立思考、獨(dú)立設(shè)計(jì)規(guī)定功能的數(shù)字系統(tǒng)的能力。4. 培養(yǎng)獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報告的能力。三、課程設(shè)計(jì)的基本要求根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，從選擇設(shè)計(jì)方案開始，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)；選擇合適的器件，畫 出設(shè)計(jì)電路圖；通過安裝、調(diào)試，直至實(shí)現(xiàn)任務(wù)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(yàn)收合格后，寫出完整的課程設(shè)計(jì)報告。四、課程設(shè)計(jì)的具體步驟電子電路的一般設(shè)計(jì)方法和

3、步驟是： 分析設(shè)計(jì)任務(wù)和性能指標(biāo)，選擇總體方 案，設(shè)計(jì)單元電路，選擇器件，計(jì)算參數(shù)，畫總體電路圖。進(jìn)行仿真試驗(yàn)和性能 測試。實(shí)際設(shè)計(jì)過程中往往反復(fù)進(jìn)行以上各步驟，才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要靈活掌握。1. 總體方案選擇設(shè)計(jì)電路的第一步就是選擇總體方案，就是根據(jù)提出的設(shè)計(jì)任務(wù)要求及性能 指標(biāo)，用具有一定功能的若干單元電路組成一個整體， 來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)提出的各 項(xiàng)要求和技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計(jì)過程中，往往有多種方案可以選擇，應(yīng)針對任務(wù)要求，查閱資料，權(quán)衡 各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，從中選優(yōu)。2. 單元電路的設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)單元電路的一般方法和步驟A. 根據(jù)設(shè)計(jì)要求和選定的總體方案原理圖，確定對各單元電路的設(shè)計(jì)要 求，必要時應(yīng)

4、詳細(xì)擬定主要單元電路的性能指標(biāo)。B. 擬定出各單元電路的要求后，對它們進(jìn)行設(shè)計(jì)。C. 單元電路設(shè)計(jì)應(yīng)采用符合的電平標(biāo)準(zhǔn)。2.2元器件的選擇針對數(shù)字電路的課程設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)，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(yīng)內(nèi)容熟悉，比如運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)可以發(fā)揮 其性能并節(jié)約設(shè)計(jì)成本。單元電路設(shè)計(jì)過程中，阻容元件的選擇也很關(guān)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)以邏輯關(guān)系為主體，因此各單元電路的輸入輸出邏輯關(guān)系與它 們之間的正確傳遞決定了設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵一步。4. 衡量設(shè)計(jì)的標(biāo)

6、準(zhǔn)工作穩(wěn)定可靠；能達(dá)到預(yù)定的性能指標(biāo)，并留有適當(dāng)?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(hù)。五、課程設(shè)計(jì)報告要求課程設(shè)計(jì)報告應(yīng)包括以下內(nèi)容：1. 對設(shè)計(jì)課題進(jìn)行簡要闡述。2. 設(shè)計(jì)任務(wù)及其具體要求。3. 總體設(shè)計(jì)方案方框圖及各部分電路設(shè)計(jì) （含各部分電路功能、輸入信號 輸出信號、電路設(shè)計(jì)原理圖及其功能闡述、所選用的集成電路器件等）4. 整機(jī)電路圖（電路圖應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)邏輯符號繪制，電路圖中應(yīng)標(biāo)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(shè)計(jì)報告應(yīng)內(nèi)容完整、字跡工整、圖表整齊、數(shù)據(jù)詳實(shí)。設(shè)計(jì)舉例：出租車計(jì)費(fèi)器一、設(shè)計(jì)任

7、務(wù)出租車自動計(jì)費(fèi)器是根據(jù)客戶用車的實(shí)際情況而自動計(jì)算、顯示車費(fèi)的數(shù)字表。數(shù)字表根據(jù)用車起步價、行車?yán)锍逃?jì)費(fèi)及等候時間計(jì)費(fèi)三項(xiàng)顯示客戶用車總 費(fèi)用，打印單據(jù)，還可設(shè)置起步、停車的音樂提示或語言提示。1. 自動計(jì)費(fèi)器具有行車?yán)锍逃?jì)費(fèi)、等候時間計(jì)費(fèi)和起步費(fèi)三部分，三項(xiàng)計(jì)費(fèi) 統(tǒng)一用4位數(shù)碼管顯示，最大金額為 99.99元。2. 行車?yán)锍虇蝺r設(shè)為1.80元/km,等候時間計(jì)費(fèi)設(shè)為1.5元/10分鐘，起步 費(fèi)設(shè)為8.00元。要求行車時，計(jì)費(fèi)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(jì)費(fèi)。3. 在啟動和停車時給出聲音提示。二、計(jì)方方案1采用計(jì)數(shù)器電路為主實(shí)現(xiàn)自動計(jì)

8、費(fèi)。分別將行車?yán)锍獭⒌群驎r間都按相同的比價轉(zhuǎn)換成脈沖信號，然后對這些脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，而起價可以通過預(yù)置送入計(jì)數(shù)器作為初值，如圖1的原理框圖所示。 行車?yán)锍逃?jì)數(shù)電路每行車1km輸出一個脈沖信號，啟動行車單價計(jì)數(shù)器輸出與單 價對應(yīng)的脈沖數(shù)，例如單價是1.80元/km，則設(shè)計(jì)一個一百八十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每 公里輸出180個脈沖到總費(fèi)計(jì)數(shù)器，即每個脈沖為 0.01元。等候時間計(jì)數(shù)器將 來自時鐘電路的秒脈沖作六百進(jìn)制計(jì)數(shù)，得到10分鐘信號，用10分鐘信號控制一個一百五十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（等候 10分鐘單價計(jì)數(shù)器）向總費(fèi)計(jì)數(shù)器輸入 150個 脈沖。這樣，總費(fèi)計(jì)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(fèi)用。求和圖1出租車計(jì)費(fèi)器原理框圖一上述方案中，如果將里程單價計(jì)數(shù)器和 10分鐘等候單價計(jì)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(fèi)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(fèi)用脈沖，然后將這兩部分脈沖求和。如果總費(fèi)計(jì)數(shù)器采用BCD碼加法器，即利用每計(jì)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(yīng)的單價值，就能計(jì)算出用車費(fèi)用。里程脈沖圖2出租車計(jì)費(fèi)器原理框圖二方案2采用單片機(jī)為主實(shí)現(xiàn)自動計(jì)費(fèi)。單片機(jī)具有較強(qiáng)的計(jì)算功能，以8位MCS5係列的單片機(jī)89C51加上外圍電 路同樣能方便地實(shí)現(xiàn)設(shè)

10、計(jì)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(jì)費(fèi)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。將各種方案進(jìn)行比較，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，各方案的優(yōu)缺點(diǎn)、設(shè)計(jì)制作所 具備的條件，任選其中的一種方案作具體設(shè)計(jì)。本例作為傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)方法的實(shí) 例，采用方案1實(shí)現(xiàn)。三、各單元電路設(shè)計(jì)1.里程計(jì)費(fèi)電路設(shè)計(jì)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(jì)費(fèi)電路里程計(jì)費(fèi)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(jìn)10m閉合一次，即輸出一個脈沖信號。汽車每前進(jìn)1km則輸出100個脈沖。此時，計(jì)費(fèi)器應(yīng)累加1km的計(jì)費(fèi)單價，本電路設(shè)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(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿100個脈沖時，一方面使 計(jì)

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(jìn)制計(jì)數(shù)器開始對標(biāo)準(zhǔn)脈沖CP1計(jì)數(shù)，計(jì)滿180個脈沖后，使計(jì) 數(shù)器清0。RS觸發(fā)器復(fù)位為0,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。在一百八十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)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(jì)費(fèi)，即每個脈沖的計(jì)費(fèi)是 0.01元，稱為脈沖當(dāng)量。2 等候時間計(jì)費(fèi)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(jì)費(fèi)電路QPqaQBQC qd等候時間計(jì)費(fèi)電路如圖4所示，由74HC161（ 1）、（2）、（3）構(gòu)成的六百進(jìn) 制計(jì)數(shù)器對秒脈沖CP2作計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)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(jìn)制計(jì)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(jìn)制計(jì)數(shù)器（10分鐘等候單價）開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù) 期間同時將脈沖從P1輸出。在計(jì)數(shù)器計(jì)滿10分鐘等候單價時將RS觸發(fā)器復(fù)位 為0,停止計(jì)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(dāng)量為0.01元，等候計(jì)時的起始信號由接在74HC1611） 的手動開關(guān)給定。3. 計(jì)數(shù)、鎖存、顯示電路如圖5所示，其中計(jì)數(shù)器由4位BCD碼計(jì)數(shù)器74LS160構(gòu)成，對來自里程計(jì) 費(fèi)電路的脈沖P2和來自等候時間的計(jì)費(fèi)脈沖 P1進(jìn)行十進(jìn)制計(jì)數(shù)。計(jì)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(jì)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(jì)數(shù)、鎖存、顯示電路計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路為使顯示數(shù)碼不閃爍，需要保證計(jì)數(shù)、鎖存和計(jì)數(shù)器 清零信號之間正確的時序關(guān)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(jì)數(shù)器對里程脈沖P2或等候時間脈沖P1進(jìn)行計(jì)數(shù)， 當(dāng)計(jì)數(shù)完1km脈沖(或等候10分鐘脈沖)則計(jì)數(shù)結(jié)束?，F(xiàn)在應(yīng)將計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù) 鎖存到74LS273中以便進(jìn)行譯碼顯示，鎖存信號由 74LS123 (1)構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài) 電路實(shí)現(xiàn)，當(dāng)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(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)。因此， 電路中用74LS123(2 )設(shè)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(jì)數(shù)器的清零信號。這樣就保證了“計(jì)數(shù)一鎖存一清零”的先后順序，保證計(jì)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(jì)數(shù)、鎖存清零信號的時序圖圖中的S2為上電開關(guān)，能實(shí)現(xiàn)上電時自動置入起步價目, 零，使計(jì)費(fèi)顯示為00.00。其中，小數(shù)點(diǎn)為固定位置。S3可實(shí)現(xiàn)手動清

18、4. 時鐘電路時鐘電路提供等候時間計(jì)費(fèi)的計(jì)時基準(zhǔn)信號,計(jì)費(fèi)的單價脈沖源，電路如圖 7所示。同時作為里程計(jì)費(fèi)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(jì)時的基準(zhǔn)信號。同時，可選擇經(jīng)分頻得到 的500Hz脈沖作為CP1的計(jì)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(shè)計(jì)在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中，常常還需要產(chǎn)生置位、復(fù)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(shí)際電路在接通電源瞬間的狀態(tài)往往 是隨機(jī)的，需要通過電路自動產(chǎn)生置位、 復(fù)位電平使之進(jìn)入預(yù)定的初始狀

19、態(tài)， 如 前面設(shè)計(jì)中的圖5,其中S2就是通過上電實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)預(yù)置。圖8表示了幾種上電自動置位、復(fù)位或置數(shù)的電路。Q /Q74LS74CP rd+5V工F(a)(d )Q/Q(e)Q /Q(f)開機(jī)置位、復(fù)位和置數(shù)命令產(chǎn)生電路在圖（a）中，當(dāng)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(jìn)入計(jì)數(shù)狀態(tài)。圖（b）則由于非門對開關(guān)產(chǎn)生的信號進(jìn)行了整形而得到 更好的負(fù)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(fù)位信號是高電平有效，由于開關(guān)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(fù)位過后，電容充 電而使FD（SD）變?yōu)?,電路可進(jìn)入計(jì)數(shù)狀態(tài)。圖（e）是用開關(guān)電路產(chǎn)生點(diǎn)動脈沖，每按一次開關(guān)產(chǎn)生一個正脈沖，使觸發(fā)器構(gòu)成的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)1次；圖（f）是用開關(guān)電路產(chǎn)生負(fù)脈沖，每按一次開關(guān) 產(chǎn)生一個負(fù)脈沖。四、電路的安裝與調(diào)試數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成后，一個重要的步驟是安裝調(diào)試。這一步是對設(shè)計(jì) 內(nèi)容的檢驗(yàn)，也是設(shè)計(jì)修改的實(shí)踐過程，是理論知識和實(shí)踐知識綜合應(yīng)用的重要 環(huán)節(jié)。安裝調(diào)試的目標(biāo)是使設(shè)計(jì)電路滿足設(shè)計(jì)的功能和性能指標(biāo)，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(shí)驗(yàn) 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(shí)驗(yàn)電路則模擬現(xiàn)場應(yīng)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