實訓項目數(shù)字電路課程設計

1、第第13章章 數(shù)字電路課程設計數(shù)字電路課程設計 經過上述各章的學習，經過上述各章的學習， 我們已經熟悉了常用數(shù)字電我們已經熟悉了常用數(shù)字電路的一般原理與器件的使用方法。路的一般原理與器件的使用方法。 隨著微電子技術的迅隨著微電子技術的迅速發(fā)展，數(shù)字電路設計的對象、方法與手段發(fā)生了很大速發(fā)展，數(shù)字電路設計的對象、方法與手段發(fā)生了很大變化，設計對象從變化，設計對象從基本邏輯功能電路基本邏輯功能電路 （計數(shù)器、寄存器（計數(shù)器、寄存器等）的設計到等）的設計到數(shù)字邏輯系統(tǒng)數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設計再到的設計再到大規(guī)模數(shù)據(jù)控制大規(guī)模數(shù)據(jù)控制與處理系統(tǒng)（與處理系統(tǒng)（CPU、DSP等）等）的設計。的設計。 設計方法也

2、由設計方法也由采用真值表求邏輯表達式采用真值表求邏輯表達式 、畫出邏輯畫出邏輯電路圖的方式電路圖的方式到到通過確定總體方案，采取從局部到整體，通過確定總體方案，采取從局部到整體，用各種中大規(guī)模集成電路來組成滿足要求的邏輯電路系用各種中大規(guī)模集成電路來組成滿足要求的邏輯電路系統(tǒng)的方式。統(tǒng)的方式。 本章主要介紹如何采用中、大規(guī)模集成電路設計數(shù)本章主要介紹如何采用中、大規(guī)模集成電路設計數(shù)字電路系統(tǒng)。字電路系統(tǒng)。 13.1 概述概述 內內 13.2 多路可編程控制器設計多路可編程控制器設計 13.2.1 電路設計項目電路設計項目 霓虹燈控制器霓虹燈控制器 13.2.3 實用電路實用電路 容容 提提 要

3、要 13.3 電路制作與測試電路制作與測試 13.4 數(shù)字電路系統(tǒng)設計與制作的一般方法數(shù)字電路系統(tǒng)設計與制作的一般方法 13.1 概述概述 目前乃至今后一段時期，在許多場合，仍需要利用目前乃至今后一段時期，在許多場合，仍需要利用現(xiàn)有的數(shù)字電路器件來設計具有某種功能的數(shù)字系統(tǒng)。現(xiàn)有的數(shù)字電路器件來設計具有某種功能的數(shù)字系統(tǒng)。 學習本章的學習本章的目的目的，是通過課程設計實例來深刻領會是通過課程設計實例來深刻領會采用中、大規(guī)模數(shù)字集成電路器件進行數(shù)字電路系統(tǒng)采用中、大規(guī)模數(shù)字集成電路器件進行數(shù)字電路系統(tǒng) 設計、制作與調試的設計、制作與調試的 思路、技巧與方法。思路、技巧與方法。 13.2 多路可編

4、程控制器設計與制作多路可編程控制器設計與制作 在實際應用中，常常需要一種能同時控制多組開關按一定在實際應用中，常常需要一種能同時控制多組開關按一定的方式閉合與斷開的裝置，比如顯示圖樣不斷變化的各種霓虹的方式閉合與斷開的裝置，比如顯示圖樣不斷變化的各種霓虹燈或彩燈的電源控制系統(tǒng)。燈或彩燈的電源控制系統(tǒng)。 本節(jié)設計與制作的多路可編程控制器就具有這種功能。本節(jié)設計與制作的多路可編程控制器就具有這種功能。 通過這一課程設計，讀者可以在如下方面得到鍛煉。通過這一課程設計，讀者可以在如下方面得到鍛煉。 （1）基本了解設計數(shù)字系統(tǒng)的一般方法。）基本了解設計數(shù)字系統(tǒng)的一般方法。 （2）進一步熟悉常用數(shù)字器件的

5、使用方法。）進一步熟悉常用數(shù)字器件的使用方法。 （3）基本掌握通過邏輯分析查找數(shù)字電路故障的方法。）基本掌握通過邏輯分析查找數(shù)字電路故障的方法。 （4）熟悉并學會使用用于讀寫）熟悉并學會使用用于讀寫EPROM的常用軟件，掌握固化的常用軟件，掌握固化與擦除與擦除EPROM的方法。的方法。 13.2.1 電路設計項目電路設計項目 霓虹燈控制器霓虹燈控制器 1設計要求設計要求 設計并制作出一種用于控制霓虹燈的控制器，它具有如下功能：設計并制作出一種用于控制霓虹燈的控制器，它具有如下功能： （1）可以控制每段霓虹燈的點亮或熄滅。）可以控制每段霓虹燈的點亮或熄滅。 （2）每段霓虹燈的點亮與熄滅可以通過編

6、程來實現(xiàn)。）每段霓虹燈的點亮與熄滅可以通過編程來實現(xiàn)。 （3）每間隔一段時間，霓虹燈的圖樣變化一次。）每間隔一段時間，霓虹燈的圖樣變化一次。 （4）圖樣變化的間隔時間可以調節(jié)。）圖樣變化的間隔時間可以調節(jié)。 2霓虹燈受控顯示的基本原理霓虹燈受控顯示的基本原理 我們以背景霓虹燈的顯示效果為例，介紹其顯示原理。設有一排我們以背景霓虹燈的顯示效果為例，介紹其顯示原理。設有一排n段水平排列的霓虹段水平排列的霓虹燈，它從左到右每間隔燈，它從左到右每間隔0.2秒逐個點亮。其控制過程如下：秒逐個點亮。其控制過程如下： 若以若以“1” 代表霓虹燈點亮，以代表霓虹燈點亮，以“0” 代表霓虹燈熄滅，則開始時刻，代

7、表霓虹燈熄滅，則開始時刻，n段霓虹燈段霓虹燈 “0” ，隨后，控制器將一幀隨后，控制器將一幀n個數(shù)據(jù)送至個數(shù)據(jù)送至n段霓虹燈的控制端，其中，最左邊的一段霓虹燈對應段霓虹燈的控制端，其中，最左邊的一段霓虹燈對應的控制數(shù)據(jù)為的控制數(shù)據(jù)為“1” ，其余的數(shù)據(jù)均為零，即，其余的數(shù)據(jù)均為零，即1000000。當。當n個數(shù)據(jù)送完以后，控制器停個數(shù)據(jù)送完以后，控制器停止送數(shù)，保留這種狀態(tài)止送數(shù)，保留這種狀態(tài)0.2秒，此時，第秒，此時，第1段霓虹燈被點亮，其余霓虹燈熄滅。隨后，控段霓虹燈被點亮，其余霓虹燈熄滅。隨后，控制器又在極短的時間內將數(shù)據(jù)制器又在極短的時間內將數(shù)據(jù)1100000送至霓虹燈的控制端，并定時

8、送至霓虹燈的控制端，并定時0.2秒，這段時間，秒，這段時間，前兩段霓虹燈被點亮。由于送數(shù)過程很快，我們觀測到的效果是第一段霓虹燈被點亮前兩段霓虹燈被點亮。由于送數(shù)過程很快，我們觀測到的效果是第一段霓虹燈被點亮0.2秒后，第秒后，第2段霓虹燈接著被點亮，即每隔段霓虹燈接著被點亮，即每隔0.2秒顯示一幀圖樣。如此下去，最后控制器秒顯示一幀圖樣。如此下去，最后控制器將數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)1111111送至送至n段霓虹燈的控制端，則段霓虹燈的控制端，則n段霓虹燈被全部點亮。段霓虹燈被全部點亮。 只要改變送至每段霓虹燈的數(shù)據(jù)，即可改變霓虹燈的顯示方式，顯然，我們可以通只要改變送至每段霓虹燈的數(shù)據(jù)，即可改變霓虹燈的

9、顯示方式，顯然，我們可以通過合理地組合數(shù)據(jù)（編程）來得到霓虹燈的不同顯示方式。過合理地組合數(shù)據(jù)（編程）來得到霓虹燈的不同顯示方式。 3系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖 根據(jù)設計要求，確定如圖根據(jù)設計要求，確定如圖13.1所示系統(tǒng)框圖。所示系統(tǒng)框圖。 框圖中，右邊的框圖中，右邊的D0-Dn為為n個發(fā)光二極管，它們與個發(fā)光二極管，它們與n段霓虹燈相對應，二極段霓虹燈相對應，二極管亮，則霓虹燈亮。下面介紹框圖中各部分的功能與實現(xiàn)方法。管亮，則霓虹燈亮。下面介紹框圖中各部分的功能與實現(xiàn)方法。 (1) 移位寄存器移位寄存器 移位寄存器用于寄存控制發(fā)光移位寄存器用于寄存控制發(fā)光二極管亮、滅的數(shù)據(jù)，對應二極管亮、滅的數(shù)據(jù)，

10、對應n個發(fā)光個發(fā)光二極管，移位寄存器有二極管，移位寄存器有n位輸出。位輸出。 移位寄存器的輸入信號取自存儲移位寄存器的輸入信號取自存儲器輸出的器輸出的8位并行數(shù)據(jù)，為使電路簡位并行數(shù)據(jù)，為使電路簡單，可以采用單，可以采用8位并入并出的移位寄位并入并出的移位寄存器，也可以采用并入串出的移位寄存器，也可以采用并入串出的移位寄存器。存器。 (2) 只讀存儲器只讀存儲器 只讀存儲器內部通過編程已寫入只讀存儲器內部通過編程已寫入控制霓虹燈顯示方式的數(shù)據(jù)，控制器控制霓虹燈顯示方式的數(shù)據(jù)，控制器13.1 系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)方框圖 每間隔一段時間（顯示定時）將每間隔一段時間（顯示定時）將n位位 數(shù)據(jù)送移位寄存器，

11、所送的數(shù)據(jù)內容由存儲器的地址信號確定。數(shù)據(jù)送移位寄存器，所送的數(shù)據(jù)內容由存儲器的地址信號確定。 存儲器的容量由霓虹燈的段數(shù)、顯示方式及顯示方式的種類確定。存儲器的容量由霓虹燈的段數(shù)、顯示方式及顯示方式的種類確定。n段霓段霓虹燈，虹燈，m種顯示方式，要求存儲器的容量為種顯示方式，要求存儲器的容量為 c=knm（bit） 只讀存儲器可以采用常用的只讀存儲器可以采用常用的EPROM,如如2764、27128、27256、27512等。等。 (3) 地址計數(shù)器地址計數(shù)器 地址計數(shù)器產生由低到高連續(xù)變化的只讀存儲器的地址，存儲器內對應地地址計數(shù)器產生由低到高連續(xù)變化的只讀存儲器的地址，存儲器內對應地址的

12、數(shù)據(jù)被送至寄存器。地址計數(shù)器輸出的位數(shù)由存儲器的大小決定。址的數(shù)據(jù)被送至寄存器。地址計數(shù)器輸出的位數(shù)由存儲器的大小決定。 64Kbyt容量的存儲器對應的地址線為容量的存儲器對應的地址線為16根，因此要求根，因此要求16位計數(shù)器。其余位計數(shù)器。其余可依次類推。地址計數(shù)器給出存儲器的全部地址以后自動復位，重新從可依次類推。地址計數(shù)器給出存儲器的全部地址以后自動復位，重新從0000H開始計數(shù)。開始計數(shù)。 (4) 控制門與定時器控制門與定時器 控制門用于控制計數(shù)脈沖是否到達地址計數(shù)器。控制門的控制信號來自定控制門用于控制計數(shù)脈沖是否到達地址計數(shù)器。控制門的控制信號來自定時器，定時器啟動時，控制門被關閉

13、，地址計數(shù)器停止計數(shù)，寄存器的數(shù)據(jù)被時器，定時器啟動時，控制門被關閉，地址計數(shù)器停止計數(shù)，寄存器的數(shù)據(jù)被鎖存。此段時間發(fā)光二極管發(fā)光。達到定時值時，定時器反相，計數(shù)器重新開鎖存。此段時間發(fā)光二極管發(fā)光。達到定時值時，定時器反相，計數(shù)器重新開始計數(shù)。始計數(shù)。 控制門可以用一般的與門或或門，定時器可以采用單穩(wěn)態(tài)電路來實現(xiàn)，也控制門可以用一般的與門或或門，定時器可以采用單穩(wěn)態(tài)電路來實現(xiàn)，也可以用計數(shù)器實現(xiàn)?？梢杂糜嫈?shù)器實現(xiàn)。 (5) 長度計數(shù)器長度計數(shù)器 長度計數(shù)器與地址計數(shù)器對應同一個計數(shù)脈沖。長度計數(shù)器工作時，地址長度計數(shù)器與地址計數(shù)器對應同一個計數(shù)脈沖。長度計數(shù)器工作時，地址計數(shù)器也在工作。計

14、數(shù)器工作期間，存儲器對應地址的數(shù)據(jù)被逐級移位至對應計數(shù)器也在工作。計數(shù)器工作期間，存儲器對應地址的數(shù)據(jù)被逐級移位至對應的寄存器。長度計數(shù)器的計數(shù)長度為的寄存器。長度計數(shù)器的計數(shù)長度為n / 8,該長度恰好保證一幀圖樣（該長度恰好保證一幀圖樣（n位）的位）的數(shù)據(jù)從存儲器中讀出送寄存器鎖存。長度計數(shù)器達到長度值時自動清零，同時數(shù)據(jù)從存儲器中讀出送寄存器鎖存。長度計數(shù)器達到長度值時自動清零，同時啟動定時器工作。定時器啟動期間，長度計數(shù)器與地址計數(shù)器的計數(shù)脈沖均被啟動定時器工作。定時器啟動期間，長度計數(shù)器與地址計數(shù)器的計數(shù)脈沖均被封閉。封閉。 4實用電路實用電路 根據(jù)上面的分析，設計根據(jù)上面的分析，設

15、計出如左圖所示的實用電路。出如左圖所示的實用電路。 電路概述電路概述 實用電路可以控制實用電路可以控制32段段霓虹燈，用霓虹燈，用32個發(fā)光二極管個發(fā)光二極管代替霓虹燈。代替霓虹燈。 電路中的移位寄存器采電路中的移位寄存器采 電路中的存儲器采用具有電路中的存儲器采用具有用用地址的地址的74LS374,當與當與112764,腳相連的腳相連的8KEPROM 電路電路移位脈沖產生上升沿突變時，移位脈沖產生上升沿突變時，中中2764的最后兩根地址線的最后兩根地址線A11、8位數(shù)據(jù)從上至下從一個寄位數(shù)據(jù)從上至下從一個寄A12接地。因此，實際只用到接地。因此，實際只用到存器移位至另一個寄存器，存器移位至另

16、一個寄存器，了前面了前面2K地址的存儲單元。地址的存儲單元。構成構成8位并行移位電路。顯位并行移位電路。顯由于只控制由于只控制32段霓虹燈，它段霓虹燈，它然，出現(xiàn)在然，出現(xiàn)在11腳的移位脈沖，腳的移位脈沖，仍可以保證有足夠多的顯示仍可以保證有足夠多的顯示一次只能有一次只能有4個。個。 方式。如有必要，可以通過方式。如有必要，可以通過接插的方式改變接插的方式改變A11、A12 的的電平，選擇其他電平，選擇其他6K地址對應地址對應的圖樣。的圖樣。 電路中的電路中的地址計數(shù)器地址計數(shù)器由由3塊塊74LS161組成，它產生組成，它產生11位地址數(shù)位地址數(shù)據(jù)，計數(shù)輸出直接與存儲器的地址線相連。據(jù)，計數(shù)輸

17、出直接與存儲器的地址線相連。 振蕩電路振蕩電路采用采用555(1)組成組成多諧振蕩器多諧振蕩器來實現(xiàn)，其振蕩頻率可來實現(xiàn)，其振蕩頻率可以在以在1kHz1MHz之間取值。之間取值。 定時器定時器采用采用555(2)組成的組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來實現(xiàn)，改變可變電來實現(xiàn)，改變可變電阻阻RP的數(shù)值?？梢愿淖兌〞r器的時間，即每幀畫面顯示的時間。的數(shù)值?？梢愿淖兌〞r器的時間，即每幀畫面顯示的時間。顯示時間一般定在顯示時間一般定在0.11s之間。之間。 13.3 電路制作與測試電路制作與測試 1所需儀器設備與器件所需儀器設備與器件 示波器，穩(wěn)壓電源，示波器，穩(wěn)壓電源，EPROM讀寫軟、硬件，讀寫軟、

18、硬件，EPROM擦除器。擦除器。 2參考步驟參考步驟 (1) 器件檢測器件檢測 (2) 電路安裝電路安裝 在印刷電路板上安裝好全部器件。所需電路板可以在電子在印刷電路板上安裝好全部器件。所需電路板可以在電子CAD課程作為課課程作為課程設計內容完成，也可委托電路板廠加工。如無現(xiàn)成的印刷電路板，也可在萬程設計內容完成，也可委托電路板廠加工。如無現(xiàn)成的印刷電路板，也可在萬 能板上安裝。由于電路連線較多，不宜在面包板上安裝。能板上安裝。由于電路連線較多，不宜在面包板上安裝。 (3) 檢測電路檢測電路 檢測由檢測由555(1)組成的時鐘振蕩器的輸出波形，正常情況應能在它的第組成的時鐘振蕩器的輸出波形，正

19、常情況應能在它的第3腳觀腳觀 測到頻率為幾十測到頻率為幾十kHz的矩形波。如不能觀測到輸出波形，則應檢測的矩形波。如不能觀測到輸出波形，則應檢測555(1)的工的工作狀態(tài)，找到故障所在。作狀態(tài)，找到故障所在。 將定時器電位器將定時器電位器RP調至最小值，用示波器觀測計數(shù)脈沖的波形，如電路正常，調至最小值，用示波器觀測計數(shù)脈沖的波形，如電路正常，可以得到如圖可以得到如圖13.3所示的波形。如沒有波形或波形為連續(xù)矩形波，則檢測定時所示的波形。如沒有波形或波形為連續(xù)矩形波，則檢測定時器器555(2)輸出端第三腳的電平。正常時可以觀測到輸出電平以短于輸出端第三腳的電平。正常時可以觀測到輸出電平以短于1

20、s的時間周的時間周期跳變，如果不出現(xiàn)跳變，則定時器沒有工作，應檢測定時器與長度計數(shù)器的期跳變，如果不出現(xiàn)跳變，則定時器沒有工作，應檢測定時器與長度計數(shù)器的工作狀態(tài)。通過檢測各引腳電平或波形，根據(jù)電路的邏輯關系進行分析，排除工作狀態(tài)。通過檢測各引腳電平或波形，根據(jù)電路的邏輯關系進行分析，排除故障。故障。 圖圖13.3 計數(shù)脈沖的波形計數(shù)脈沖的波形 檢測存儲器各地址線的電平，在低地址端應能觀測到電平的跳檢測存儲器各地址線的電平，在低地址端應能觀測到電平的跳表表13.1 一種顯示方式各地址對應的數(shù)據(jù)一種顯示方式各地址對應的數(shù)據(jù) 變。如地址線電平不發(fā)生變化，則應檢測由變。如地址線電平不發(fā)生變化，則應檢

21、測由4個個74LS161構成的地構成的地0000H 00H 00H 00H 01H 00H 00H 00H 03H 00H 00H 00H 07H 00H 00H 00H 0FH 0010H 00H 00H 00H 1FH 00H 00H 00H 3FH 00H 00H 00H 7FH 00H 00H 00H FFH 址計數(shù)器工作是否正常，通過檢測各址計數(shù)器工作是否正常，通過檢測各IC的引腳或波形，排除故障。的引腳或波形，排除故障。0020H 00H 00H 01H FFH 00H 00H 03H FFH 00H 00H 07H FFH 00H 00H 0FH FFH 0030H 00H 00

22、H 1FH FFH 00H 00H 3FH FFH 00H 00H 7FH FFH 00H 00H FFH FFH 0040H 00H 01H FFH FFH 00H 03H FFH FFH 00H 07H FFH FFH 00H 0FH FFH FFH 檢測寄存器檢測寄存器74LS374各引腳電平，各電平值應與電路確定的值各引腳電平，各電平值應與電路確定的值0050H 00H 1FH FFH FFH 00H 3FH FFH FFH 00H 7FH FFH FFH 00H FFH FFH FFH 一致，出現(xiàn)異常則應找出故障所在，予以排除。一致，出現(xiàn)異常則應找出故障所在，予以排除。 0060H

23、01H FFH FFH FFH 03H FFH FFH FFH 07H FFH FFH FFH 0FH FFH FFH FFH 0070H 1FH FFH FFH FFH FFH 3FH FFH FFH 7FH FFH FFH FFH FFH FFH FFH FFH (3) 排列發(fā)光二極管排列發(fā)光二極管 將將32個發(fā)光二極管按你喜歡的方式排列成一定的圖形或字符。個發(fā)光二極管按你喜歡的方式排列成一定的圖形或字符。 (4) 確定顯示方式確定顯示方式 根據(jù)排列的圖形，確定發(fā)光二極管的顯示方式。根據(jù)排列的圖形，確定發(fā)光二極管的顯示方式。 (5) 確定存儲器各地址對應的數(shù)據(jù)確定存儲器各地址對應的數(shù)據(jù) 顯

24、示方式確定之后，則可確定存儲器各地址對應的數(shù)據(jù)。為顯示方式確定之后，則可確定存儲器各地址對應的數(shù)據(jù)。為加深讀者的認識，設發(fā)光二極管水平排列，顯示方式為從左至右加深讀者的認識，設發(fā)光二極管水平排列，顯示方式為從左至右一個一個點亮。這種情況下，各地址對應的數(shù)據(jù)如表一個一個點亮。這種情況下，各地址對應的數(shù)據(jù)如表13.1所示。所示。表中，每行第一個表中，每行第一個16進制數(shù)為存儲器的一個起始地址，其余進制數(shù)為存儲器的一個起始地址，其余16個個數(shù)為該地址及與該地址相連的其他數(shù)為該地址及與該地址相連的其他15個地址的數(shù)據(jù)，也用個地址的數(shù)據(jù)，也用16進制進制數(shù)表示。數(shù)表示。 關于顯示方式各地址對應的數(shù)據(jù)表的

25、說明關于顯示方式各地址對應的數(shù)據(jù)表的說明 顯示方式設置為顯示方式設置為從左至右一個一個點亮。從左至右一個一個點亮。 每行第一個數(shù)據(jù)為首地址，例每行第一個數(shù)據(jù)為首地址，例0020H它的地址是它的地址是0000 0000 0010 0000（BCD）。依次是）。依次是0020H地址 0010 0000 0010 0001 0010 0010 數(shù)據(jù) 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0010 0011 1111 1111 16個地址里的數(shù)據(jù)：個地址里的數(shù)據(jù)： 0010 0100 0000 0000 0010 0101 0000 0000 0010 0110 0000 001

26、1 0010 0111 1111 1111 0010 1000 0000 0000 0010 1001 0000 0000 0010 1010 0000 0111 0010 1011 1111 1111 0010 1100 0000 0000 0010 1101 0000 0000 0010 1110 0000 1111 0010 1111 1111 1111 (6) 輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù) 讀者可以利用任何讀寫讀者可以利用任何讀寫EOROM的軟件及相關附件將編輯好的軟件及相關附件將編輯好的內容固化在的內容固化在EPROM中。固化時，必須注意選擇編程電壓時，中。固化時，必須注意選擇編程電壓時，應與實

27、際存儲器的編程電壓一致。應與實際存儲器的編程電壓一致。 (7) 顯示圖樣顯示圖樣 將將EPROM插入插入IC插座，接通電源，即可看到發(fā)光二極管依插座，接通電源，即可看到發(fā)光二極管依一定的規(guī)律在點亮與熄滅。觀看顯示方式是否與自己設計的方式一定的規(guī)律在點亮與熄滅。觀看顯示方式是否與自己設計的方式一致，如不一致，找出原因。如屬數(shù)據(jù)編輯錯誤，可改寫前面的一致，如不一致，找出原因。如屬數(shù)據(jù)編輯錯誤，可改寫前面的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。EPROM具有光擦除功能，要修改內部數(shù)據(jù)，必須用紫外具有光擦除功能，要修改內部數(shù)據(jù)，必須用紫外線擦除器擦除后重寫全部內容。線擦除器擦除后重寫全部內容。 13.4 數(shù)字電路系統(tǒng)設計與制作

28、的一般方法數(shù)字電路系統(tǒng)設計與制作的一般方法 通過上述具體數(shù)字電路系統(tǒng)的設計與制作，我們對數(shù)字電路通過上述具體數(shù)字電路系統(tǒng)的設計與制作，我們對數(shù)字電路設計有了一定的認識。數(shù)字電路系統(tǒng)的設計與組合邏輯電路和時設計有了一定的認識。數(shù)字電路系統(tǒng)的設計與組合邏輯電路和時序邏輯電路的設計有較大的區(qū)別。后者是根據(jù)設計任務要求，用序邏輯電路的設計有較大的區(qū)別。后者是根據(jù)設計任務要求，用真值表、狀態(tài)表求出簡化的邏輯表達式，畫出邏輯圖、邏輯電路，真值表、狀態(tài)表求出簡化的邏輯表達式，畫出邏輯圖、邏輯電路，用一般的集成門電路或集成觸發(fā)器電路來實現(xiàn)。而數(shù)字電路系統(tǒng)用一般的集成門電路或集成觸發(fā)器電路來實現(xiàn)。而數(shù)字電路系統(tǒng)

29、的設計具有復雜的邏輯功能，難以用真值表、邏輯表達式來完整的設計具有復雜的邏輯功能，難以用真值表、邏輯表達式來完整地描述其邏輯功能，用前面介紹的方法來設計，顯然是復雜而困地描述其邏輯功能，用前面介紹的方法來設計，顯然是復雜而困難的。難的。 利用數(shù)字電路硬件描述語言來設計數(shù)字系統(tǒng)是目前最先進的利用數(shù)字電路硬件描述語言來設計數(shù)字系統(tǒng)是目前最先進的方法，但不是本課程主要涉及的內容。從后續(xù)課程的要求出發(fā)，方法，但不是本課程主要涉及的內容。從后續(xù)課程的要求出發(fā)，本課程最關心的問題是通過對各種基本數(shù)字電路的認識與了解，本課程最關心的問題是通過對各種基本數(shù)字電路的認識與了解，利用現(xiàn)有的數(shù)字電路器件來設計與實現(xiàn)

30、具有各種復雜邏輯關系的利用現(xiàn)有的數(shù)字電路器件來設計與實現(xiàn)具有各種復雜邏輯關系的數(shù)字系統(tǒng)。下面討論采用這種方法進行數(shù)字電路系統(tǒng)設計與制作數(shù)字系統(tǒng)。下面討論采用這種方法進行數(shù)字電路系統(tǒng)設計與制作的一般方法。的一般方法。 13.4.1 數(shù)字電路系統(tǒng)設計與制作的一般方法數(shù)字電路系統(tǒng)設計與制作的一般方法 數(shù)字電路系統(tǒng)一般包括數(shù)字電路系統(tǒng)一般包括輸入電路輸入電路、控制電路控制電路、輸出電路輸出電路、時鐘電路時鐘電路、脈沖脈沖產生電路產生電路和和電源電源等。等。 輸入電路輸入電路 主要作用是將被控信號加工變換成數(shù)字信號，其形式包括各種輸入接口主要作用是將被控信號加工變換成數(shù)字信號，其形式包括各種輸入接口電路

31、。比如在本章設計制作的數(shù)字頻率計中，通過輸入電路對微弱信號進行放電路。比如在本章設計制作的數(shù)字頻率計中，通過輸入電路對微弱信號進行放大、整形，得到數(shù)字電路可以處理的數(shù)字信號。有些模擬信號則通過模數(shù)轉換大、整形，得到數(shù)字電路可以處理的數(shù)字信號。有些模擬信號則通過模數(shù)轉換電路轉換成數(shù)字信號再進行處理。在設計輸入電路時，必須首先了解輸入信號電路轉換成數(shù)字信號再進行處理。在設計輸入電路時，必須首先了解輸入信號的性質，接口的條件，以設計合適的輸入接口電路。的性質，接口的條件，以設計合適的輸入接口電路。 控制電路控制電路 控制電路的功能是將信息加工運算并為系統(tǒng)各部分提供所需的各種控制?？刂齐娐返墓δ苁菍⑿?/p>

32、息加工運算并為系統(tǒng)各部分提供所需的各種控制。比如本章設計制作的多路可編程控制器，其定時器即為一控制電路，正是在它比如本章設計制作的多路可編程控制器，其定時器即為一控制電路，正是在它的作用下，計數(shù)脈沖才按一定的時間周期（定時器的定時時間）一組一組地送的作用下，計數(shù)脈沖才按一定的時間周期（定時器的定時時間）一組一組地送給地址計數(shù)器，形成時間控制。在數(shù)字頻率計中，從給地址計數(shù)器，形成時間控制。在數(shù)字頻率計中，從JK觸發(fā)器兩個反相輸出端觸發(fā)器兩個反相輸出端輸出的信號也是控制信號，它既控制了被測信號送至計數(shù)器的時間，同時又控輸出的信號也是控制信號，它既控制了被測信號送至計數(shù)器的時間，同時又控制了鎖存器在

33、計數(shù)完畢后對數(shù)據(jù)進行鎖存。產生這種信號輸出的電路即為控制制了鎖存器在計數(shù)完畢后對數(shù)據(jù)進行鎖存。產生這種信號輸出的電路即為控制電路。數(shù)字電路系統(tǒng)中，各種邏輯運算、判別電路等，都是控制電路，它們是電路。數(shù)字電路系統(tǒng)中，各種邏輯運算、判別電路等，都是控制電路，它們是整個系統(tǒng)的核心。設計控制電路是數(shù)字系統(tǒng)設計的最重要的內容，必須充分注整個系統(tǒng)的核心。設計控制電路是數(shù)字系統(tǒng)設計的最重要的內容，必須充分注意不同信號之間的邏輯性與時序性。意不同信號之間的邏輯性與時序性。 輸出電路輸出電路 輸出電路是完成系統(tǒng)最后邏輯功能的重要部分。數(shù)字電路系統(tǒng)中存在各種輸出電路是完成系統(tǒng)最后邏輯功能的重要部分。數(shù)字電路系統(tǒng)中

34、存在各種各樣的輸出接口電路。其功能可能是發(fā)送一組經系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)，或顯示一組各樣的輸出接口電路。其功能可能是發(fā)送一組經系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)，或顯示一組數(shù)字，或將數(shù)字信號進行轉換，變成模擬輸出信號。比如數(shù)字頻率計的顯示譯數(shù)字，或將數(shù)字信號進行轉換，變成模擬輸出信號。比如數(shù)字頻率計的顯示譯碼與數(shù)碼管電路，多路可編程控制器的并行移位寄存器及驅動電路等，都屬于碼與數(shù)碼管電路，多路可編程控制器的并行移位寄存器及驅動電路等，都屬于系統(tǒng)的輸出電路。設計輸出電路，必須注意與負載在電平、信號極性、拖動能系統(tǒng)的輸出電路。設計輸出電路，必須注意與負載在電平、信號極性、拖動能力等方面進行匹配。力等方面進行匹配。 時鐘電路時

35、鐘電路 時鐘電路是數(shù)字電路系統(tǒng)中的靈魂，它屬于一種控制電路，整個系統(tǒng)都在時鐘電路是數(shù)字電路系統(tǒng)中的靈魂，它屬于一種控制電路，整個系統(tǒng)都在它的控制下按一定的規(guī)律工作。時鐘電路包括主時鐘振蕩電路及經分頻后形成它的控制下按一定的規(guī)律工作。時鐘電路包括主時鐘振蕩電路及經分頻后形成各種時鐘脈沖的電路。比如多路可編程控制器中的各種時鐘脈沖的電路。比如多路可編程控制器中的555多諧振蕩電路，數(shù)字頻多諧振蕩電路，數(shù)字頻率計中的基準時間形成電路等都屬于時鐘電路。設計時鐘電路，應根據(jù)系統(tǒng)的率計中的基準時間形成電路等都屬于時鐘電路。設計時鐘電路，應根據(jù)系統(tǒng)的要求首先確定主時鐘的頻率，并注意與其他控制信號結合產生系統(tǒng)

36、所需的各種要求首先確定主時鐘的頻率，并注意與其他控制信號結合產生系統(tǒng)所需的各種時鐘脈沖。時鐘脈沖。 電源電路電源電路 電源為整個系統(tǒng)工作提供所需的能源，為各端口提供所需的直流電平。在電源為整個系統(tǒng)工作提供所需的能源，為各端口提供所需的直流電平。在數(shù)字電路系統(tǒng)中，數(shù)字電路系統(tǒng)中，TTL電路對電源電壓要求比較嚴格，電壓值必須在一定范圍電路對電源電壓要求比較嚴格，電壓值必須在一定范圍內。內。CMOS電路對電源電壓的要求相對比較寬松。設計電源時，必須注意電源電路對電源電壓的要求相對比較寬松。設計電源時，必須注意電源的負載能力，電壓的穩(wěn)定度及波紋系數(shù)等。的負載能力，電壓的穩(wěn)定度及波紋系數(shù)等。 總之，任何

37、復雜的數(shù)字電路系統(tǒng)都可以逐步劃分成不同層次、總之，任何復雜的數(shù)字電路系統(tǒng)都可以逐步劃分成不同層次、相對獨立的子系統(tǒng)。通過對子系統(tǒng)的邏輯關系、時序等的分析，相對獨立的子系統(tǒng)。通過對子系統(tǒng)的邏輯關系、時序等的分析，最后可以選用合適的數(shù)字電路器件來實現(xiàn)。將各子系統(tǒng)組合起來，最后可以選用合適的數(shù)字電路器件來實現(xiàn)。將各子系統(tǒng)組合起來，便完成了整個大系統(tǒng)的設計。按照這種由大到小，由整體到局部，便完成了整個大系統(tǒng)的設計。按照這種由大到小，由整體到局部，再由小到大，由局部到整體的設計方法進行系統(tǒng)設計，就可以避再由小到大，由局部到整體的設計方法進行系統(tǒng)設計，就可以避免盲目的拼湊，完成設計任務。免盲目的拼湊，完成

38、設計任務。 在這我們根據(jù)上述討論與實例歸納出設計數(shù)字電路系統(tǒng)的一在這我們根據(jù)上述討論與實例歸納出設計數(shù)字電路系統(tǒng)的一般方法與步驟供讀者參考。般方法與步驟供讀者參考。 (1) 消化課題消化課題 必須充分了解設計要求，明確被設計系統(tǒng)的全部功能、要求及技術指標。必須充分了解設計要求，明確被設計系統(tǒng)的全部功能、要求及技術指標。熟悉被處理信號與被控制對象的各種參數(shù)與特點。熟悉被處理信號與被控制對象的各種參數(shù)與特點。 (2) 確定總體設計方案確定總體設計方案 根據(jù)系統(tǒng)邏輯功能畫出系統(tǒng)的原理框圖，將系統(tǒng)分解。確定貫串不同方框根據(jù)系統(tǒng)邏輯功能畫出系統(tǒng)的原理框圖，將系統(tǒng)分解。確定貫串不同方框間各種信號的邏輯關系

39、與時序關系。方框圖應能簡潔、清晰地表示設計方案的間各種信號的邏輯關系與時序關系。方框圖應能簡潔、清晰地表示設計方案的原理。原理。 (3) 繪制單元電路并對單元電路仿真繪制單元電路并對單元電路仿真 選擇合適的數(shù)字器件，用電子選擇合適的數(shù)字器件，用電子CAD軟件繪出各邏輯單元的邏輯電路圖。標軟件繪出各邏輯單元的邏輯電路圖。標注各單元電路輸入輸出信號的波形。原理圖中所用的元件應使用標準標號；電注各單元電路輸入輸出信號的波形。原理圖中所用的元件應使用標準標號；電路的排列一般按信號流向由左至右排列；重要的線路放在圖的上方，次要線路路的排列一般按信號流向由左至右排列；重要的線路放在圖的上方，次要線路放在圖

40、的下方，主電路放在圖的中央位置；當信號通路分開畫時，在分開的兩放在圖的下方，主電路放在圖的中央位置；當信號通路分開畫時，在分開的兩端必須作出標記，并指出斷開處的引出與引入點。然后利用電子端必須作出標記，并指出斷開處的引出與引入點。然后利用電子CAD軟件中的軟件中的數(shù)字電路仿真軟件對電路進行仿真測試，以確定電路是否準確無誤。數(shù)字電路仿真軟件對電路進行仿真測試，以確定電路是否準確無誤。 當電路中采用當電路中采用TTL、CMOS、運放、分立元件等多種器件時，如果采用不、運放、分立元件等多種器件時，如果采用不同的電源供電，則要注意不同電路之間電平的正確轉換。并繪制出電平轉換電同的電源供電，則要注意不同

41、電路之間電平的正確轉換。并繪制出電平轉換電路。路。 (4) 分析電路分析電路 可能設計的單元電路不存在任何問題，但組合起來后系統(tǒng)卻不能正常工作，可能設計的單元電路不存在任何問題，但組合起來后系統(tǒng)卻不能正常工作，因此，必須充分分析各單元電路，尤其是對控制信號要從邏輯關系、正反極性、因此，必須充分分析各單元電路，尤其是對控制信號要從邏輯關系、正反極性、時序幾個方面進行深入考慮，確保不存在沖突。在深入分析的基礎上通過對原時序幾個方面進行深入考慮，確保不存在沖突。在深入分析的基礎上通過對原設計電路的不斷修改，獲得最佳設計方案。設計電路的不斷修改，獲得最佳設計方案。 (5) 完成整體設計完成整體設計 在

42、各單元電路完成的基礎上，用電子在各單元電路完成的基礎上，用電子CAD軟件將各單元電路連接起來，畫軟件將各單元電路連接起來，畫出符合軟件要求的整機邏輯電路圖。重新審查電路，以消除因某種疏忽造成的出符合軟件要求的整機邏輯電路圖。重新審查電路，以消除因某種疏忽造成的錯誤。錯誤。 (6) 邏輯仿真邏輯仿真 整體電路設計完畢后，再次在仿真軟件上對整個試驗系統(tǒng)進行邏輯仿真，整體電路設計完畢后，再次在仿真軟件上對整個試驗系統(tǒng)進行邏輯仿真，驗證設計。驗證設計。 根據(jù)設計任務，設計出一個比較理想的數(shù)字電根據(jù)設計任務，設計出一個比較理想的數(shù)字電路系統(tǒng)必須經常訓練，反復實踐。為使設計盡可能路系統(tǒng)必須經常訓練，反復實

43、踐。為使設計盡可能優(yōu)化，必須對數(shù)字電路器件，尤其是中大規(guī)模集成優(yōu)化，必須對數(shù)字電路器件，尤其是中大規(guī)模集成電路器件有比較多的了解。電路器件有比較多的了解。 學會查閱數(shù)字電路器件手冊，了解不同器件之學會查閱數(shù)字電路器件手冊，了解不同器件之間的區(qū)別。充分明了各器件輸入端、控制端對信號間的區(qū)別。充分明了各器件輸入端、控制端對信號的要求，輸出端輸出信號的特點，對設計者來說是的要求，輸出端輸出信號的特點，對設計者來說是十分重要的。十分重要的。 熟悉電子熟悉電子CAD軟件的使用，對我們的設計十分軟件的使用，對我們的設計十分有幫助。有幫助。 13.4.2 數(shù)字電路系統(tǒng)的安裝與調試數(shù)字電路系統(tǒng)的安裝與調試 數(shù)

44、字試驗系統(tǒng)整體電路設計完畢后，還必須通過試驗板的安數(shù)字試驗系統(tǒng)整體電路設計完畢后，還必須通過試驗板的安裝與調試，糾正設計中因考慮不周出現(xiàn)的錯誤或不足。檢測出實裝與調試，糾正設計中因考慮不周出現(xiàn)的錯誤或不足。檢測出實際系統(tǒng)正常運行的各項技術指標、參數(shù)、工作狀態(tài)、輸出驅動情際系統(tǒng)正常運行的各項技術指標、參數(shù)、工作狀態(tài)、輸出驅動情況、動作情況與邏輯功能。因此，系統(tǒng)裝調工作是驗證理論設計，況、動作情況與邏輯功能。因此，系統(tǒng)裝調工作是驗證理論設計，進一步修正設計方案的重要實踐過程?？砂慈缦虏襟E進行。進一步修正設計方案的重要實踐過程?？砂慈缦虏襟E進行。 1. 制作制作PCB 如果整體電路是利用電子如果整體

45、電路是利用電子CAD軟件按其要求繪制的，則可以利用該軟件繪軟件按其要求繪制的，則可以利用該軟件繪制制PCB圖，制作出印刷電路板。采用圖，制作出印刷電路板。采用PCB制作數(shù)字電路系統(tǒng)可以保證試驗系統(tǒng)制作數(shù)字電路系統(tǒng)可以保證試驗系統(tǒng)工作可靠，減少不必要的差錯，大大節(jié)省電路試驗時間。工作可靠，減少不必要的差錯，大大節(jié)省電路試驗時間。 2. 檢測器件檢測器件 在將器件安裝到在將器件安裝到PCB上之前，對所選用的器件進行測試是十分有必要的，上之前，對所選用的器件進行測試是十分有必要的，它可以減少因器件原因造成的電路故障，縮短工作時間。它可以減少因器件原因造成的電路故障，縮短工作時間。 3. 安裝元器件安

46、裝元器件 將各種器件安裝到將各種器件安裝到PCB上是一件不太困難的工作。安裝時，集成電路最好上是一件不太困難的工作。安裝時，集成電路最好通過插座與電路板連接，便于器件不小心損壞后進行更換。數(shù)字電路的布線一通過插座與電路板連接，便于器件不小心損壞后進行更換。數(shù)字電路的布線一般比較緊密、焊點較小，在焊接過程中注意不要出現(xiàn)掛錫或虛焊。般比較緊密、焊點較小，在焊接過程中注意不要出現(xiàn)掛錫或虛焊。 4. 電路調試電路調試 電路的調試可分兩步來進行，一是單元電路的調試，然后是總調。只有通電路的調試可分兩步來進行，一是單元電路的調試，然后是總調。只有通過調試使單元電路到達預定要求，總調才能順利進行。調試時應注

47、意：過調試使單元電路到達預定要求，總調才能順利進行。調試時應注意： （1）充分理解電路的工作原理和電路結構，對電路輸入輸出量之間的邏輯關）充分理解電路的工作原理和電路結構，對電路輸入輸出量之間的邏輯關系，正常情況下信號的電平、波形、頻率等做到心中有數(shù)。據(jù)此設計出科學的系，正常情況下信號的電平、波形、頻率等做到心中有數(shù)。據(jù)此設計出科學的調試方法。包括選用的儀器設備，調試的步驟、每個步驟中檢測的部位、如何調試方法。包括選用的儀器設備，調試的步驟、每個步驟中檢測的部位、如何人為設置電路工作狀態(tài)進行測試等。人為設置電路工作狀態(tài)進行測試等。 （2）可以先進行靜態(tài)測量，確定）可以先進行靜態(tài)測量，確定IC的電源、地、控制端的靜態(tài)電