數(shù)字電路小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn) 3.3 數(shù)字電路小系統(tǒng)設(shè)計(jì)（6 學(xué)時分 2次完成）鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便， 而且大大地?cái)U(kuò)展了鐘表原先的報時功 能，在定時控制、定時檢測等方面也有廣泛應(yīng)用。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)一個包含脈沖波形產(chǎn)生、計(jì)數(shù)、 譯碼、 顯示及控制邏輯等部件的數(shù)字，并在面包板 上實(shí)現(xiàn)。、實(shí)驗(yàn)思路和實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備1熟悉譯碼器的邏輯功能圖 3.3.1 74LS138 邏輯符號圖一個譯碼器是將輸入確定位數(shù)二進(jìn)制代碼的不同 組合“翻譯”成不同的對應(yīng)輸出信號。 常用的譯碼器有 教材上介紹的 38 譯碼器 74LS138 ，即輸入有 3 位二 進(jìn)制，其對應(yīng)的 8 種組合分別與一個輸出對應(yīng)， 其邏輯 符號如圖 3.

2、3.1。當(dāng)所有 74LS138 的輸入控制端有效時，輸出與輸入最小項(xiàng)的對應(yīng)關(guān)系是Yi mi （i 0， 1，,7）。因此教材中已經(jīng)介紹了它可以實(shí)現(xiàn)多輸出邏輯函 數(shù)。但在數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中， 譯碼器的另一個更為重要的作用是地址譯碼， 也就是說， 譯碼器將 A0、A1、A2輸入的三位地址“翻譯”成 8 個輸出信號， A0、A1、A2 的一個確定值僅對圖 3.3.2IBM PC/XT 系統(tǒng)主板 I/O接口地址譯碼電路有一個輸出為低電平有效。 一般在數(shù)字計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中， 譯碼器的這 8 個輸出信號分別接到其 它器件的片選端 CS （Chip Select），其上的橫線代表片選信號是低電平有效，即低電平選中

3、 該芯片，它就可以與計(jì)算機(jī)通信數(shù)據(jù)。因此 74LS138 的 8 個輸出最多可以連接 8 個計(jì)算機(jī) 外設(shè)接口，而任一時間最多只選中一個工作。圖 3.3.2 就是早期的 PC 計(jì)算機(jī)使用 74LS138 譯碼 器構(gòu)成計(jì)算機(jī)中 DMA 控制器 8237、中斷控制器 8259A 、計(jì)數(shù) /定時器 T/C（8253）、并行可 編程接口 PPI（8255A ）、DMA 頁面寄存器及 NMI 屏蔽寄存器的片選或控制端。 根據(jù)圖中連 接方法，可得到各芯片或寄存器的地址空間如圖 3.3.2 右面所列。在信號 AEN=1 時，大家 分析圖中所標(biāo)的各個芯片的地址范圍是否正確？這一部分在學(xué)習(xí)微型計(jì)算機(jī)原理時會有更

4、深刻的體會。譯碼器還有許多其它的型號， 與集成邏輯門中介紹的方法一樣， 可以在豐富的網(wǎng)絡(luò)資源 中得到找到需要的相關(guān)信息。另外，在實(shí)驗(yàn)前， 有必要先介紹一下器件符號的概念， 對于同一個器件的邏輯符號圖或 引腳圖， 不同的器件手冊或教材使用的引腳符號和表示形式都不一樣， 也許大家在學(xué)習(xí)過程 中已經(jīng)注意到這一點(diǎn)。 為了與教材保持一致， 我們對邏輯符號圖進(jìn)行規(guī)范， 即邏輯符號框圖 內(nèi)所有變量均為正邏輯 （即框內(nèi)符號上沒有非號） ，邏輯符號框圖外輸入端的小圓圈表示該 輸入控制端為低電平有效，而輸出端的小圓圈表示反碼輸出。即小圓圈實(shí)現(xiàn)了邏輯非運(yùn)算， 那么邏輯符號框圖外對應(yīng)的每個引腳的符號或變量名就默認(rèn)為：

5、 當(dāng)邏輯符號框圖外引腳沒有 小圓圈時，那么該引腳對應(yīng)的變量名與框圖內(nèi)符號一樣，但用斜體表示是變量。例如，圖 3.3.1 中的 A0、A1、A2 和 E3；當(dāng)框圖外引腳有小圓圈時，那么該引腳對應(yīng)的變量名是在框內(nèi) 符號上冠一非號，例如，圖 3.3.1中的Y0 、 Y1、, Y7 、 E2和E1 。以后框圖外引腳對應(yīng)的 變量名不再標(biāo)出，但使用時按照以上規(guī)定。但要注意這只是教材的規(guī)定，并不是標(biāo)準(zhǔn)， 其它 的參考書或器件手冊中的標(biāo)法可能會五花八門。因此， 使用器件時， 大家學(xué)會使用器件的方法是最重要的， 這樣面對不斷出現(xiàn)的新器件才不會束手無策。 通過大量的使用集成器件， 大 家會發(fā)現(xiàn)使用中小規(guī)模的集成器

6、件只要了解以下幾點(diǎn)即可：1）當(dāng)輸入信號端有小圓圈（一般是控制輸入端） ，表示該端為低電平有效，當(dāng)輸出信 號端有小圓圈，表示器件工作時該端輸出低電平有效；2）多控制端芯片只有當(dāng)所有控制端同時有效時，才可以實(shí)現(xiàn)芯片的邏輯功能；3）如果資料中給出了器件的功能表， 要學(xué)會看對應(yīng)的功能表， 器件功能以功能表為準(zhǔn)；4）資料也是經(jīng)常會有出錯的情況，遇到問題可以通過實(shí)驗(yàn)來最后驗(yàn)證。2. 集成計(jì)數(shù)器 計(jì)數(shù)器的功能是累計(jì)輸入脈沖個數(shù)。它是數(shù)字系管腳圖統(tǒng)中使用最為廣泛的時序邏輯部件。 計(jì)數(shù)器的種類非常繁多， 為了降低集成電路的價格， 所 以廠家會批量生產(chǎn)通用的十六進(jìn)制（二進(jìn)制）和十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。雖然有通用的十六進(jìn)制和

7、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器， 但實(shí)際應(yīng)用中時常會用到其它進(jìn)制計(jì)數(shù)， 比如， 數(shù)字鐘的 24 和 60 進(jìn)制等， 對于其它進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)， 可以通過教材中介紹的使用反饋的 方法來實(shí)現(xiàn)。例如，現(xiàn)有一塊十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器 74LS393 ，其功能如表 3.3.1，管腳符號如圖 3.3.3。使 用 74LS393 的清 0 端 MR 端作為反饋清 0 ，實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器如圖 3.3.4 所示。圖 3.3.5 給出了 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)舉例。14VCCCP74LS393GNDMRQ3 Q2 Q1 Q01 計(jì)數(shù)脈沖輸入74LS0813圖3.3.4 用74LS393實(shí)現(xiàn) 10進(jìn)制計(jì)數(shù)器圖3.3.5 用74LS393 實(shí)現(xiàn)

8、 24進(jìn)制計(jì)數(shù)器3. LED （ Light Emitting Diode ）顯示器（七段數(shù)碼管）LED 顯示器在許多的數(shù)字系統(tǒng)中作為顯示輸出設(shè)備，使用非常廣泛。它的結(jié)構(gòu)是由發(fā) 光二極管構(gòu)成如圖 3.3.6 所示的 a、b、c、d、e、f 和 g 七段，并由此得 名，實(shí)際上每個 LED 還有一個發(fā)光段 dp，一般用于表示小數(shù)點(diǎn)，所以 也有少數(shù)的資料將 LED 稱為八段數(shù)碼管。LED 內(nèi)部的所有發(fā)光二極管有共陰極接法和共陽極接法兩種，即 將 LED 內(nèi)部所有二極管陰極或陽極接在一起并通過 com 引腳引出，并 將每一發(fā)光段的另一端分別引出到對應(yīng)的引腳， LED 的引腳排列一般 如圖 3.3.6所

9、示， 使用時以具體型號的 LED 資料為依據(jù)。 通過點(diǎn)亮不同 的 LED 字段，可顯示數(shù)字 0，1,， 9和 A，b，C，d，E，F(xiàn) 等不同的字符及自定義一些段發(fā)光代表簡單符號圖 3.3.7 為 LED 的使用舉例，圖中的 LED 為共陽極接法，因此， com 端接 5V 電壓， 其它引腳端通過限流電阻接到鎖存器 74LS373 的輸出，當(dāng)各段輸入端為邏輯“ 1”，對應(yīng)的 LED 不亮；各段輸入端為邏輯“ 0”時，對應(yīng) LED 才發(fā)亮。使用時要根據(jù) LED 正常發(fā)光需 要的電流參數(shù)估算限流電阻取值。電阻取值越小，電流大， LED 會更亮，但要注意長時間 過熱使用燒壞 LED 。在實(shí)驗(yàn)中當(dāng)共陽極

10、 LED 與 74LS47 譯碼器配合使用時，因?yàn)?不是每個引腳接限流電阻，故需要在總回路中限流，應(yīng)在 com 端圖 3.3.6 LED 結(jié)構(gòu)和引腳圖 3.3.7 LED 顯示舉例表 3.3.2 BCD 碼與 LED 相應(yīng)發(fā)光段對照表和 Vcc 之間串接 1 個 470 限流電阻，如圖 3.3.6 所示1 還是邏輯 0 ，如果是共陽接法，要顯示“ 0”LED 多數(shù)情況用于顯示十進(jìn)制 數(shù)字，要將 09 的數(shù)字用 7 段顯示， 必須將數(shù)字轉(zhuǎn)換為 LED 對應(yīng)七段碼 的信息，比如， 要顯示“ 0”，就是讓 a、b、c、d、e 和 f 段發(fā)光， 顯示“ 1”， 讓 b 和 c 段發(fā)光，等等如表 3.3

11、.2 所 示。然后根據(jù) LED 是共陰極還是共 陽極接法確定 LED 各輸入端應(yīng)接邏輯 b、c、d、e和 f 段就要輸入邏輯 0，共陰極接法則恰巧相反。也就是說，對于共陰極和共陽 極兩種不同的接法，顯示同一個字符時，對應(yīng)的顯示段碼是不同的，互為反碼。表 3.3.2 列 出了這兩種接法下的字形段碼關(guān)系表。表中的段碼數(shù)字是以 LED 的 8 段與二進(jìn)制字節(jié)數(shù)以列對應(yīng)關(guān)系為前提得到的：D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D0dp g f e d c b a比如為了顯示“ 0”，對應(yīng)共陰極應(yīng)該使 D7D6D5D4D3D2D1D0 = 00111111B，即 3FH；對 共陽極應(yīng)該使

12、 D7D6D5D4D3D2D1D0 = 11000000B，即 C0H。如表 3.3.3 所示，從表中可以看 出，對于同一個顯示字符，共陰極和共陽極的七段碼互為反碼。將待顯示內(nèi)容“翻譯”為 LED 段碼的過程，可以由軟件查表方法實(shí)現(xiàn)譯碼，這在學(xué)習(xí) 微型計(jì)算機(jī)有關(guān)課程時會使用。也可以采用專用芯片，比如，帶驅(qū)動的 LED 七段譯碼器 74LS47 及 74LS48、 74LS49 等，依靠硬件實(shí)現(xiàn)譯碼。表 3.3.3 7 段 LED 顯示器字符段碼表顯示字符共陰極段碼共陽極段碼顯示字符共陰極段碼共陽極段碼03FHC0HC39HC6H106HF9Hd5EHA1H25BHA4HE79H86H34FHB

13、0HF71H8EH466H99H·80H7FH56DH92HP73H82H67DH82HU3EHC1H707HF8HT31HCEH87FH80HY6EH91H96FH90H8.FFH00HA77H88H“滅”00HFFHb7CH83H自定義4七段譯碼器七段譯碼器也稱為 BCD 七段顯示譯碼器，顧名思義，它是將輸入的BCD 碼翻譯成LED 顯示該 BCD 的七段信息輸出。 七段譯碼器有輸出低電平有效和高電平有效的多種型號。如 7446 和 7447 等；如 7448 和 7449( OC當(dāng)選用的 LED 是共陽極接法時， 應(yīng)使用低電平輸出有效的七段譯碼器， 當(dāng)選用的 LED 是共陰極接

14、法時， 應(yīng)使用高電平輸出有效的七段譯碼器， 輸出）等。七段譯碼器七段譯碼器驅(qū)動 LED 的原理如圖 3.3.8 所示，圖中的 “？”是表示 LED 和七段譯碼器之間一般還要接限流電阻 或其它匹配電路， 或者驅(qū)動譯碼器是 OC 輸出，需要接上拉 電阻。七段譯碼器內(nèi)部一般包含了 LED 的驅(qū)動電路，驅(qū)動 共陽極 LED 的譯碼器（輸出低電平對應(yīng)段亮）驅(qū)動電流一 般較大（灌電流） ，如果該電流與 LED 器件的正常工作電 流近似，那么可以直接驅(qū)動 LED ，如果驅(qū)動電流大于 LEDBCD 碼輸入圖 3.3.8 七段譯碼顯示原理框圖 正常電流許多，那么兩者之間要加限流電阻，根據(jù) LED 的參數(shù)估算限流

15、電阻的大?。蝗绻?七段譯碼器驅(qū)動能力不夠大，特別是驅(qū)動共陰極 LED 時，可以在兩者之間加適當(dāng)?shù)纳侠?阻，比如 7448 驅(qū)動共陰極的 BS201 時，要 LED 有正常顯示亮度就要加上拉電阻。LED 也有多種型號，如 BS211、 BS212、BS213 為共陽型； BS201、 BS202、 BS203 為共陰型。每種型號的 LED 廠家手冊都提供了詳細(xì)功能及參數(shù)介紹（可以通過資料或網(wǎng)絡(luò) 查找），比如，七段共陰磷砷化鎵顯示器 BS201 主要參數(shù)：1）消耗功率 PM 150mW2）最大工作電流 I FM100mA3）正常工作電流 I F 40mA4）正向壓降 VF 1.8V5）發(fā)紅色光6

16、）BS201 燃亮電壓為 5v共陰極 BS202LED 的 PM300mW，IFM200 mA，IF60mA，VF 1.8V ， V R 5V ， 發(fā)紅光。實(shí)驗(yàn)中采用七段共陽極數(shù)碼管（ TFK 433）和 74LS47 七段驅(qū)動器，查找它們的詳細(xì) 資料，分析兩者之間應(yīng)如何連接？畫出連線圖。5 多個 LED 的動態(tài)掃描顯示在許多實(shí)際的系統(tǒng)中，經(jīng)常需要多個 LED 顯示系統(tǒng)的信息，比如，數(shù)字鐘實(shí)驗(yàn)要顯示 時、分和秒信息，就必須要 6 個 LED ，對這些 LED 的控制也可以和上面一位 LED 顯示器 一樣，采用 6 個七段譯碼器驅(qū)動每一個 LED ,并使所有 LED 的公共端始終接有效信號，即

17、共陰極 LED 公共端接地，共陽極 LED 公共端接電源。這種 LED 顯示方式稱為靜態(tài)顯示方 式。采用靜態(tài)方式 ,LED 亮度高，但這是以復(fù)雜硬件驅(qū)動電路作為代價的，硬件成本高。因此,在實(shí)際使用時 ,特別是有微處理器的系統(tǒng)中， 如果用多位的 LED 顯示,一般采取動 態(tài)掃描方式、 分時循環(huán)顯示， 即多個發(fā)光管輪流交替點(diǎn)亮。 這種方式的依據(jù)是利用人眼的滯 留現(xiàn)象，只要在 1秒內(nèi)一個發(fā)光管亮 24次以上，每次點(diǎn)亮?xí)r間維持 2ms 以上，則人眼感覺 不到閃爍， 宏觀上仍可看到多位 LED 同時顯示的效果。 動態(tài)顯示可以簡化硬件、 降低成本、 減小功耗。 圖 3.3.9 是一個 6位 LED 動態(tài)顯

18、示電路， 段驅(qū)動器輸出 LED 字符 7 段代碼信息， 位驅(qū)動器輸出 6個LED的位選信號， 即分時使 Q0 Q5輪流有效，使得 LED 0 LED 5輪流 顯示。6. 熟悉計(jì)數(shù)器、七段譯碼器和 LED 顯示器邏輯功能按圖 3.3.4 連線，用 74LS393 實(shí)現(xiàn)一位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器；由 七段共陽極數(shù)碼管( TFK 433)顯示計(jì)數(shù)結(jié)果，其引腳排列同 圖 3.3.6 ；數(shù)碼管由 BCD 七段顯示譯碼器( 74LS47 )驅(qū)動， 其引腳排列如圖 3.3.10 所示。71A0a13A1b122A2c116A3d e109f153LTg1445BI/RBORBI74LS47圖 3.3.10 74LS4

19、7 符號圖計(jì)數(shù)脈沖產(chǎn)生電路1Hz 方波 74LS393 構(gòu)成十進(jìn) 制計(jì)數(shù)器4 位 BCD 碼LED 顯示器TFK 433和74LS47 之間按實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備分析的方式連接。 一位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的譯碼、顯示電路原理圖如圖 3.3.11 所示， 搭接電路并實(shí)驗(yàn)。 ET-3200A 數(shù)字學(xué)習(xí)機(jī)上的 1Hz 信號可以作 為計(jì)數(shù)輸入，或者用 555 定時器構(gòu)成 1Hz 信號作為計(jì)數(shù)器時鐘輸入。圖 3.3.11 實(shí)驗(yàn)原理框圖7驗(yàn)證人眼的滯留現(xiàn)象首先，將 ET-3200A 學(xué)習(xí)機(jī)上的 1Hz 時鐘信號接到邏輯顯示器的 L4 端，觀察 L4 的顯 示效果；然后，將 1KHz 時鐘信號接到邏輯顯示器的 L4 端，觀察

20、 L4 的顯示效果；最后將 100KHz 時鐘信號接到邏輯顯示器的 L4 端，觀察 L4 的顯示效果。記錄觀察的到現(xiàn)象，分析原因。8555 定時器組成的多諧振蕩器555 定時器是一種模擬和數(shù)字電路相混合的集成電路。它結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、使用靈 活，通過外接少量的電阻和電容元件即可組成多種波形發(fā)生器， 廣泛應(yīng)用于定時延遲控制電 路、報警、檢測、自控及家用電器等。555 定時器有 TTL 和 CMOS 兩種結(jié)構(gòu)類型，多種型號。該實(shí)驗(yàn)使用 5G555 構(gòu)成多諧振 蕩器。 5G555 的功能如表 3.3.4 所示，引腳排列如圖 3.3.12 所示。電路芯片各引腳功能為：1 腳 (CND) 地12腳 (

21、TR )低電平觸發(fā) (十 13Vcc )33 腳 (OUT) 輸出端4 腳 ( RD )復(fù)位端 (不用時接 Vcc )5 腳 (C-U) 電壓控制端， 可改變上、 下觸發(fā)電位， 不使用時通過 0.01uF 電容接到地。26腳 (TH)高電平觸發(fā) ( 十 23Vcc)7 腳 (DIS)放電端8 腳 (Vcc)電源端 (Vcc=5V 18V)表 3.3.4. 5G555 功能表THTRRDOUTDISXXLL導(dǎo)通3VCC13VCCHL導(dǎo)通3VCC13VCCH不變不變X3VCCHH截止GND18TR267OUT36RD45VccDISTHC-U圖 3.3.12 555 引腳圖由功能表 3.3.4 可

22、見， 555 的輸出邏輯主要由以下 3 個引腳控制1) 引腳 4復(fù)位端 RD 為 0 則輸出 OUT 為邏輯 0；2) 引腳 6高電平觸發(fā) TH 十32 Vcc ，DIS 放電管導(dǎo)通，輸出 OUT 為0；313) 引腳 2低觸發(fā)電平 TR 十 31Vcc ， DIS 放電管截止，輸出 OUT 為 1。 由 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如圖3.3.13 所示，所產(chǎn)生的信號振蕩頻率為：f =1/(T1+T2) =1.44/( R1+2 R2)C試選擇電路的 R1、R2和 C參數(shù)，若R120K、R262K、C10uF和 C0.01uF時， 計(jì)算輸出信號的周期、頻率各為多少？VDDuCR1R2u

23、CCVDD RD23VDDDIS OUTTR 55u5OTH C-VGND13VDDuO(a) (b) 圖 3.3.13 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器及工作波形圖(a) 電路圖 (b) 波形圖9 數(shù)字鐘結(jié)構(gòu)框圖在進(jìn)行一個設(shè)計(jì)之前首先要搞清楚命題要求， 劃分系統(tǒng)， 給出設(shè)計(jì)框圖。 對于一個簡單 的數(shù)字鐘系統(tǒng)， 其結(jié)構(gòu)一般如圖 3.3.14 所示， 主要包括時間基準(zhǔn)電路、 計(jì)數(shù)器電路、控制電 路、譯碼和顯示電路。 其中的控制邏輯電路是比較靈活多樣的， 不斷完善它可以增強(qiáng)數(shù)字鐘 的功能。圖 3.3.15 手動?！胺帧彪娐窌r基電路可以由石英晶體振蕩電路構(gòu)成， 如果晶振頻率為 1MHz ，經(jīng)過 6 次

24、十分頻就可 以得到秒脈沖信號；也可以用 5G555 多諧振蕩器組成。計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)時分秒計(jì)時， 秒和分采用 60進(jìn)制計(jì)數(shù)， 時采用 24進(jìn)制計(jì)數(shù)。 可以由多片中 規(guī)模集成計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。譯碼電路可以由七段譯碼器完成，顯示由6 個 LED 構(gòu)成?？刂齐娐酚蓴?shù)字鐘功能確定， 功能越多控制 電路當(dāng)然就越復(fù)雜。比如， 要求數(shù)字鐘實(shí)現(xiàn)校時功能， 那么就需 要在“時”“分”“秒”的計(jì)數(shù)輸入端加入校時控 制電路， 圖 3.3.15 為一個手動校 “分”的常用例 子，當(dāng)控制開關(guān) K 在 1 位置，電路處于正常計(jì) 時狀態(tài)，當(dāng)控制開關(guān) K 在 2 位置，通過手動單 次脈沖開關(guān)進(jìn)行校分。 校時也可以通過同樣的方 法實(shí)現(xiàn)。 在實(shí)驗(yàn)中用手動校 “秒” 就沒有多大意 義了。、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟根據(jù)前邊知識的預(yù)習(xí)及準(zhǔn)備， 要求畫出設(shè)計(jì)原理圖及實(shí)驗(yàn)連線圖， 用開放實(shí)驗(yàn)下發(fā)的元 器件和面包板， 設(shè)計(jì)一個包含脈沖波形產(chǎn)生的計(jì)數(shù)、 譯碼、 顯示及控制邏輯等部件的數(shù)字電 子鐘系統(tǒng)，在面包板上實(shí)現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)的數(shù)字鐘電路連線圖，課外搭接好電路。1. 前 3 學(xué)時內(nèi)完成以下單元電路調(diào)試和總體電路聯(lián)調(diào)：1）用 555 定時器設(shè)計(jì)一個頻率符合要求的脈沖波形產(chǎn)生電路；2）用 74LS393 和 74LS08 設(shè)計(jì)一個二位計(jì)數(shù)器電路；3）用 74LS47 和 LED 顯示器設(shè)計(jì)一個二位譯碼、顯示電路；4）