電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)數(shù)字電路部分

1、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)1. 數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)以及一般設(shè)計(jì)方法；2. 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的描述方法；3. 數(shù)據(jù)子系統(tǒng)及控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；4. 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例。 1.數(shù)字系統(tǒng) o數(shù)字電路又名數(shù)字系統(tǒng)。o定義：對(duì)數(shù)字量進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的電路稱(chēng)為數(shù)字電路，或數(shù)字系統(tǒng)。由于它具有邏輯運(yùn)算和邏輯處理功能，所以又稱(chēng)數(shù)字邏輯電路。o數(shù)字系統(tǒng)是一個(gè)能完成一系列復(fù)雜操作的邏輯單元。 概述概述n 邏輯表達(dá)式、真值表、卡諾圖、狀態(tài)圖等n MDS圖（1）系統(tǒng)模型描述法系統(tǒng)模型描述法：用邏輯圖、狀態(tài)圖、流程圖等來(lái)描述數(shù)字系統(tǒng)的方法。該方法適用于相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的輸入、輸出變量以及系統(tǒng)的狀態(tài)都比較少，所需要的寄存器

2、也比較少。（2）描述語(yǔ)言法描述語(yǔ)言法：適用于當(dāng)系統(tǒng)的輸入、輸出變量增多、狀態(tài)很多時(shí)，該描述語(yǔ)言表達(dá)的算法稱(chēng)為系統(tǒng)的算法模型。2. 描述數(shù)字系統(tǒng)的方法 除“系統(tǒng)功能級(jí)系統(tǒng)功能級(jí)”不同層次上的設(shè)計(jì)描述和對(duì)象行為處理級(jí)行為處理級(jí)寄存器傳輸級(jí)寄存器傳輸級(jí)邏輯級(jí)（門(mén)級(jí)）邏輯級(jí)（門(mén)級(jí)）電路器件級(jí)電路器件級(jí)（晶體管級(jí)）（晶體管級(jí)）性能指標(biāo)流程圖算法寄存器傳輸方程算法邏輯方程時(shí)序狀態(tài)微分方程函數(shù)處理器控制器存儲(chǔ)器、總線(xiàn)等ALU、數(shù)據(jù)選擇器寄存器、存儲(chǔ)器等門(mén)觸發(fā)器晶體管連線(xiàn)行為描述行為描述結(jié)構(gòu)描述結(jié)構(gòu)描述數(shù)字系統(tǒng)的基本組成數(shù)字系統(tǒng)的基本組成 受控器控制器o 數(shù)據(jù)子系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、運(yùn)算處理和傳輸；主

3、要由存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、數(shù)據(jù)選擇器等部件組成。數(shù)據(jù)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)系統(tǒng)功能的算法。o 控制子系統(tǒng)是執(zhí)行算法的核心，由一些組合邏輯電路和觸發(fā)器等元件組成，是一個(gè)具有記憶能力的時(shí)序系統(tǒng)?？刂谱酉到y(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)系統(tǒng)功能及數(shù)據(jù)子系統(tǒng)的要求。 3 設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的基本步驟設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的基本步驟 （1）明確設(shè)計(jì)要求）明確設(shè)計(jì)要求消化理解設(shè)計(jì)任務(wù)，將設(shè)計(jì)要求羅列成條，每一條都應(yīng)是無(wú)二義的。明確設(shè)計(jì)系統(tǒng)的邏輯功能及性能指標(biāo)，應(yīng)能畫(huà)出表明輸入輸出信號(hào)及必要指標(biāo)的系統(tǒng)簡(jiǎn)單示意框圖系統(tǒng)簡(jiǎn)單示意框圖。（2）確定系統(tǒng)方案（）確定系統(tǒng)方案（方框圖、流程圖或描述語(yǔ)言描述方框圖、流程圖或描述語(yǔ)言描述）最具創(chuàng)造性的一步，系統(tǒng)要完成的每

4、一個(gè)功能可能有不同的實(shí)現(xiàn)方案，而方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)的質(zhì)量及性?xún)r(jià)比，因此要反復(fù)比較與權(quán)衡。（3）受控器的設(shè)計(jì)）受控器的設(shè)計(jì)實(shí)用的受控器電原理圖受控器電原理圖（4）控制器的設(shè)計(jì)（）控制器的設(shè)計(jì)（MDS圖圖）系統(tǒng)方案的模型MDS圖；實(shí)用的控制器電原理圖（5）整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中盡可能多地利用EDA軟件，及時(shí)進(jìn)行邏輯仿真、優(yōu)化，以保證設(shè)計(jì)工作優(yōu)質(zhì)快速地完成。采用層次分析法設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)采用層次分析法設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng) o 通過(guò)前面的幾個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，我們可以發(fā)現(xiàn)它們都是帶有系統(tǒng)時(shí)鐘的同步系統(tǒng)，可以明顯地將系統(tǒng)劃分成數(shù)據(jù)子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)兩大模塊。但是，還有很多數(shù)字系統(tǒng)并不能明顯地劃分為受控器和控制器不能明顯地劃分

5、為受控器和控制器兩大模塊，針對(duì)這種系統(tǒng)我們可以采用兩大模塊，針對(duì)這種系統(tǒng)我們可以采用“層次分析層次分析方法方法”進(jìn)行設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)。o 層次分析方法是一種自上而下的設(shè)計(jì)方法層次分析方法是一種自上而下的設(shè)計(jì)方法，它抓住系統(tǒng)的基本要求，分析系統(tǒng)的工作流程，設(shè)計(jì)者充分運(yùn)用自己的電路知識(shí)，自上而下地分析，從粗到細(xì)，層層細(xì)化，逐步完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 層次分析法設(shè)計(jì)步驟層次分析法設(shè)計(jì)步驟o 分析設(shè)計(jì)要求，分析系統(tǒng)的工作流程，畫(huà)出分析設(shè)計(jì)要求，分析系統(tǒng)的工作流程，畫(huà)出功能方框圖功能方框圖o 充分運(yùn)用自己的電路知識(shí)，畫(huà)出實(shí)現(xiàn)功能的充分運(yùn)用自己的電路知識(shí)，畫(huà)出實(shí)現(xiàn)功能的原理方框圖原理方框圖o 根據(jù)設(shè)計(jì)要求細(xì)化原

6、理方框圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求細(xì)化原理方框圖o 由電路原理方框圖導(dǎo)出各部分電路圖由電路原理方框圖導(dǎo)出各部分電路圖o 全面檢查電路原理圖的功能（異常處理）全面檢查電路原理圖的功能（異常處理）o 根據(jù)電路原理圖及器件手冊(cè)選用符合要求的根據(jù)電路原理圖及器件手冊(cè)選用符合要求的元器件元器件例：數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)要求：o被測(cè)信號(hào)頻率范圍0.01Hz200MHzo被測(cè)信號(hào)電平范圍0.13Vo顯示4位數(shù)字o顯示單位：Hz、kHz、MHzo能夠正確顯示小數(shù)點(diǎn)o能夠連續(xù)測(cè)試，電路自動(dòng)清零，自動(dòng)記憶測(cè)量結(jié)果，并不斷重復(fù)測(cè)試過(guò)程o量程轉(zhuǎn)換用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)o誤差不大于1位數(shù)字o輸入阻抗大于1M，輸入電

7、容小于10pFo工作溫度-20+40，相對(duì)濕度小于901.分析設(shè)計(jì)要求，畫(huà)出功能方框圖 o 功能方框圖只是粗略地表示系統(tǒng)應(yīng)完成的功能，標(biāo)明它與外界輸入、輸出信號(hào)交換和可能有的控制鍵。o 數(shù)字頻率計(jì)數(shù)字頻率計(jì)是用數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的儀器，可簡(jiǎn)單地劃分為測(cè)量和顯示兩大部分。 2.實(shí)現(xiàn)功能的原理方框圖 o 頻率計(jì)的基本原理是用一個(gè)頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，對(duì)比測(cè)量其他信號(hào)的頻率。 閘門(mén)時(shí)間越長(zhǎng)，得到的頻率值閘門(mén)時(shí)間越長(zhǎng)，得到的頻率值就越準(zhǔn)確，但閘門(mén)時(shí)間越長(zhǎng)則就越準(zhǔn)確，但閘門(mén)時(shí)間越長(zhǎng)則每測(cè)一次頻率的間隔就越長(zhǎng)。每測(cè)一次頻率的間隔就越長(zhǎng)。閘門(mén)時(shí)間越短，測(cè)的頻率值刷閘門(mén)時(shí)間越短，測(cè)的頻率值刷新就

8、越快，但測(cè)得的頻率精度新就越快，但測(cè)得的頻率精度就受影響。就受影響。 原理方框圖3.根據(jù)設(shè)計(jì)要求細(xì)化原理方框圖 （1）根據(jù)輸入信號(hào)頻率范圍及測(cè)試要求劃分量程（2）連續(xù)測(cè)試、自動(dòng)清零、記憶 鎖存和清零的脈沖寬度之和應(yīng)小于最小的閘門(mén)時(shí)間（0.01ms） 4.由電路原理方框圖導(dǎo)出各部件電路圖 o 電路原理方框圖還不是電路圖，應(yīng)該把方框圖中的每一個(gè)方框變成一個(gè)具體的電路。 （1）量程轉(zhuǎn)換電路 利用模8計(jì)數(shù)器產(chǎn)生 數(shù)據(jù)選擇器編碼，用 RS觸發(fā)器作為消抖 電路消除手動(dòng)按鈕 產(chǎn)生的抖動(dòng)。 （2）時(shí)基電路CNT（3）小數(shù)點(diǎn)位置及頻率單位顯示控制電路（4）計(jì)數(shù)器清零脈沖和寄存器的存數(shù)脈沖 （5）計(jì)數(shù)器和顯示電路

9、（6）輸入電路5.全面檢查電路原理圖的功能 o 超量程溢出指示燈 RC電路在這里起到延遲作用，使指示燈的動(dòng)作在TC的下降沿作用，即溢出的時(shí)刻。 6.根據(jù)電路原理圖及器件手冊(cè)選用符合要求的元器件 o 為了使電子系統(tǒng)工作在頻率高達(dá)200MHz的輸入信號(hào)下，我們需要一塊ECL十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分頻，使整個(gè)系統(tǒng)工作在20MHz以下的環(huán)境下。 ECL（EmitterCoupled Logic）射極耦合邏輯，ECL電路最大特點(diǎn)是其基本門(mén)電路工作在非飽和狀態(tài)，因此ECL又稱(chēng)為非飽和性邏輯。 CNT2.6.4時(shí)鐘問(wèn)題時(shí)鐘問(wèn)題 o 控制器是一個(gè)同步時(shí)序電路，或稱(chēng)為狀態(tài)機(jī)。對(duì)于時(shí)鐘的選擇和設(shè)計(jì)非常重要。

10、應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）系統(tǒng)時(shí)鐘的選擇n 穩(wěn)定性要求較高的系統(tǒng)中，時(shí)鐘電路應(yīng)采用石英晶振；n 一般要求的可以采用RC振蕩電路。（2）同步問(wèn)題o 所謂同步化問(wèn)題就是設(shè)法保證控制器能正確無(wú)誤地接收來(lái)自外部的輸入信號(hào)和來(lái)自數(shù)據(jù)子系統(tǒng)的條件信號(hào)；o 并能作出正確的相應(yīng)，發(fā)出合理的控制信號(hào)給數(shù)據(jù)子系統(tǒng)和相應(yīng)的輸出。n 1）輸入信號(hào)同步化n 2）控制器的輸出信號(hào)同步化輸入信號(hào)進(jìn)行同步化的原因 o a. 輸入信號(hào)是非常短暫的異步信號(hào)短暫的異步信號(hào)，控制器很可能根本捕獲不到此異步信號(hào)。o b. 有的異步信號(hào)的持續(xù)時(shí)間也許并不短暫，但輸入信號(hào)總有一定的建立時(shí)間建立時(shí)間，系統(tǒng)應(yīng)在該輸入信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定后才動(dòng)作。o c.

11、 條件輸出條件輸出是某一狀態(tài)與輸入信號(hào)相與的結(jié)果，短暫的異步輸入信號(hào)的條件輸出可能只持續(xù)很短的時(shí)間，以至于受控器無(wú)法響應(yīng)如此短暫的控制脈沖。解決方法： 組合邏輯電路的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)o 所謂冒險(xiǎn)現(xiàn)象冒險(xiǎn)現(xiàn)象就是當(dāng)組合電路對(duì)一些不同的中間狀態(tài)響應(yīng)后，輸出就會(huì)出現(xiàn)毛刺或誤操作的現(xiàn)象。 o “競(jìng)爭(zhēng)”冒險(xiǎn)，是數(shù)字電路中一種特有的現(xiàn)象。 o 冒險(xiǎn)可能使電路產(chǎn)生暫時(shí)或永久的邏輯錯(cuò)誤?！案?jìng)爭(zhēng)”冒險(xiǎn)判斷方法o 在組合電路中， 存在以下因子：電路就存在冒險(xiǎn)。例: ，如果令 B=C=1，代入上式得，這樣就出現(xiàn)了冒險(xiǎn)。o 某函數(shù)F的卡諾圖上，只要有兩個(gè)卡諾圈單獨(dú)相切，此邏輯電路必然存在競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)。 AAFAAFCAABF 解決方法解決方法1： o 接入濾波電容。由于競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)所產(chǎn)生的尖峰脈沖一般都很窄（大多在幾十納秒以?xún)?nèi)），只要在輸出端并接一個(gè)很小的濾波電容（幾十到幾百皮法），就足以把尖峰脈沖的幅值消弱至門(mén)電路的閾值電壓以下。n 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單易行；n 缺點(diǎn)：增加了輸出電壓波形的上升時(shí)間和下降時(shí)間，使波形變壞。解決方法解決方法2：o 修改邏輯設(shè)計(jì)。清除競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn)的原則是增加邏輯函數(shù)的冗余項(xiàng)。在卡