數(shù)字電路課程設(shè)計-2014年

2011級課程設(shè)計（2014年）一.課程設(shè)計的目的鞏固在課堂上所學(xué)的數(shù)字電路的知識。

通過設(shè)計、安裝和調(diào)試一個小型的數(shù)字控制系統(tǒng)來部分地體會一個電子產(chǎn)品的誕生過程。在設(shè)計、制作小型數(shù)字系統(tǒng)的實踐過程中掌握測試方法，特別是使用示波器的方法。在調(diào)試小型數(shù)字系統(tǒng)的實踐過程中初步掌握利用示波器等工具分析、定位和排除電路故障的方法。1/31/20231北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院二.課程設(shè)計的題目1.交通燈控制器2.并-串/串-并轉(zhuǎn)換器3.數(shù)字時鐘4.LED點陣(8×8)控制器（試做）1/31/20232北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院三.各設(shè)計題目的具體要求及設(shè)計過程1.設(shè)計同步時序邏輯電路的共性問題時鐘電路時鐘電路實際上就是多諧振蕩器。實現(xiàn)它的電路形式有很多。在我們這次的課程設(shè)計中只用兩種。一種是由555構(gòu)成的多諧振蕩器；另一種是用COMS反相器構(gòu)成的多諧振蕩器。1/31/20233北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院CR74HC14Clock電路的振蕩周期為：TClock=2.2RC上述公式僅是電路振蕩周期一個近似的估算。在本次課程設(shè)計中不要求把振蕩頻率調(diào)得非常準(zhǔn)。1/31/20234北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院外輸入信號的去抖動問題同步時序邏輯系統(tǒng)XClockUccRSW理想波形實際波形1/31/20235北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院利用由“與非”門構(gòu)成的基本RS鎖存器就可構(gòu)成一個去“抖動”的單次脈沖發(fā)生器。電路如下：74LS279(或74HC279)是4基本RS鎖存器的單片集成電路，在這個芯片上有4個獨立的基本RS鎖存器。1/31/20236北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院74LS279(74HC279)12345672QVDD16151413121110VDD4S4R4Q3S23S13R1R1S11S21Q2R2S2Q8GNDGND93Q3Q4S4R4Q3S23S13R1R1S11S21Q2R2S輸入信號1S1和1S2相“與”共同構(gòu)成1號基本RS鎖存器(1Q)的置位信號；同樣情況適用于輸入信號3S1和3S2。各輸入信號均為低電平有效。1/31/20237北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院外輸入信號的同步問題同步時序邏輯系統(tǒng)XClockUccRSW外輸入信號X的發(fā)生是隨機的，他與系統(tǒng)的時鐘信號是不同步的。1/31/20238北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院利用D觸發(fā)器可以使外輸入信號與系統(tǒng)時鐘的邊沿同步，這個過程就叫做外輸入信號的同步化。電路如下：ClockXQ同步電路既可以使用兩個D觸發(fā)器也可以使用一個D觸發(fā)器。1/31/20239北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1/31/202310北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2.數(shù)字時鐘數(shù)字鐘的基本功能是：能顯示時、分、秒；可單獨對時、分進(jìn)行校時(需加去抖動開關(guān))；具有整點報時功能(6響，模仿廣播電臺的整點報時)。整點報時功能的具體要求：前5響的頻率為1kHz，最后一響的頻率為2kHz。每一響的持續(xù)時間及兩響之間的間隔時間為1秒。或者是每一響的持續(xù)時間及兩響之間的間隔時間為0.5秒。1/31/202311北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院數(shù)字鐘的系統(tǒng)構(gòu)成大致如下：譯碼/驅(qū)動及數(shù)碼管部分實驗箱中已有振蕩器時計數(shù)器(24進(jìn)制)譯碼/驅(qū)動分計數(shù)器(60進(jìn)制)秒計數(shù)器(60進(jìn)制)分頻器譯碼/驅(qū)動譯碼/驅(qū)動整點報時校時電路1kHz2kHz1Hz1/31/202312北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院數(shù)字鐘系統(tǒng)所用的主要芯片CD4518簡介CD4518是一片雙十進(jìn)制計數(shù)器。CD4518的功能表如下：1/31/202313北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1/31/202314北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院CD4518雙十進(jìn)制計數(shù)器波形圖1/31/202315北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院CD4518雙十進(jìn)制計數(shù)器的典型接線圖1/31/202316北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院用CD4518構(gòu)成60進(jìn)制計數(shù)器(秒、分計數(shù)器)：1/31/202317北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院用CD4518構(gòu)成24進(jìn)制計數(shù)器(時計數(shù)器)：1/31/202318北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院時、分、秒計數(shù)器的級聯(lián)：1/31/202319北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院數(shù)字鐘系統(tǒng)的時鐘電路本數(shù)字鐘系統(tǒng)所需信號頻率的種類如下：2000Hz和1000Hz的頻率，用于整點報時的音頻信號。1Hz的秒信號，用于數(shù)字鐘系統(tǒng)的計時信號T=2.2RC，0.5ms=2.2RC。若令：C=0.01uF,則：R

≈23kΩ。(R的阻值尚需在實驗中最后確定。)1/31/202320北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院數(shù)字鐘系統(tǒng)的整點報時電路模仿廣播電臺，在每一個整點時刻以六響音頻信號報時，前5聲的音頻信號頻率是1000Hz，最后一響的音頻信號頻率為2000Hz。若響聲持續(xù)0.5s、兩響的間隔時間為0.5s的話，則應(yīng)從每個整點前的59分55秒開始報時。分十位分個位秒十位秒個位m13m12

m11

m10

m03

m02

m01

m00

s13

s12

s11

s10

s03

s02

s01

s0001011001010101010110011110001001

1/31/202321北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院分十位分個位秒十位秒個位m13m12

m11

m10

m03

m02

m01

m00

s13

s12

s11

s10

s03

s02

s01

s0001011001010101010110011110001001

所以，響5聲1000Hz音頻信號的條件是：f1000=m12?m10?m03?m00?s12?s10?(s03+s02)(s03+s01+s00)?Clock_1s?Clock_1kHz1/31/202322北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在0分0秒時，響1聲2000Hz的音頻信號。分十位分個位秒十位秒個位m13m12

m11

m10

m03

m02

m01

m00

s13

s12

s11

s10

s03

s02

s01

s000000000000000000

所以，響1聲2000Hz音頻信號的條件是：2000Hz音響持續(xù)時間是0.5s。所以，總的報時條件應(yīng)該是：f=f1000+f2000。1/31/202323北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院f1000=m12?m10?m03?m00?s12?s10?(s03+s02)(s03+s01+s00)?Clock_1s?Clock_1kHzf=f1000+f2000。1/31/202324北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院數(shù)字鐘系統(tǒng)的校時電路1/31/202325北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1/31/202326北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院數(shù)字鐘組所提供的器件如下：1/31/202327北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1/31/202328北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院3.交通燈控制器交通燈控制器種類繁多，不同的路口有不同的交通燈控制器。所設(shè)計交通燈控制器應(yīng)為主路和支路交叉路口信號燈控制器，如下圖所示。主路主路輔路輔路1/31/202329北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院交通燈控制器的系統(tǒng)構(gòu)成狀態(tài)機譯碼器紅綠黃LED燈定時器振蕩器1Hz7段譯碼器LED7段數(shù)碼管T輸出驅(qū)動器輸出驅(qū)動器T=1代表定時時間到。1/31/202330北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院設(shè)R、G、Y代表主路的紅、綠、黃燈；r、g、y代表支路的紅、綠、黃燈。交通燈控制器的狀態(tài)設(shè)置及輸出方程R

G

Y

r

g

y010100001100100010100001SSGSYSgSyQ1

Q000011110設(shè)主路綠燈的持續(xù)時間為TG；支路綠燈的持續(xù)時間為Tg；主路、支路的黃燈持續(xù)時間分別為TY、Ty。1/31/202331北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院交通燈控制器的狀態(tài)圖及驅(qū)動方程（無自動/手動控制）SRGYrgyTSGSYSgSyTGTYTgTy00011110TGTYTgTyQ1Q0RGYrgyT1/31/202332北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院各狀態(tài)持續(xù)時間的控制TTG：Tg：TY

Ty：數(shù)值16s13s4s二進(jìn)制數(shù)1000011010100補數(shù)000000111100以74LS161/163用“置補法”實現(xiàn)定時。1/31/202333北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院交通燈控制器的倒計時顯示電路0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111QDQCQBQA15141312111098765432101111111011011100101110101001100001110110010101000011001000010000QDQCQBQAQD

QCQB

∴IB=QBQC+QD1/31/202334北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院滅燈輸入端IB，低電平有效。優(yōu)先級最高。

滅零輸出端YBR，低電平有效。與IB共用一個端子。

IB/YBR端只在不被輸入低電平時，它才作為輸出端。

1/31/202335北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1/31/202336北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院交通燈組所提供的器件如下：1/31/202337北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1/31/202338北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院4.并-串/串-并轉(zhuǎn)換器并-串/串-并狀換器由兩部分組成：發(fā)送端由并-串轉(zhuǎn)換器構(gòu)成；接收端由串-并轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。兩部分由數(shù)據(jù)線、時鐘線和地線——三線相連。并-串/串-并轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的構(gòu)建1/31/202339北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院振蕩器移存器(4bit)譯碼/驅(qū)動手動/自動4脈沖發(fā)生器計數(shù)器(4bit)時鐘脈沖并行置入2Hz移存器(4bit)譯碼/驅(qū)動串行數(shù)據(jù)輸出地線并行輸出并行輸出UccRSW2UccRSW1UccRSW3置數(shù)傳數(shù)1/31/202340北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院4位二進(jìn)制異步計數(shù)器74LS93譯碼驅(qū)動由74LS48實現(xiàn)；移存器由74LS194實現(xiàn)；計數(shù)器由74LS93實現(xiàn)(也可由74LS290或74LS90實現(xiàn))。1/31/202341北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1/31/202342北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院并-串/串-并轉(zhuǎn)換器主體電路1/31/202343北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四脈沖發(fā)生器及其波形啟動(Start)信號要經(jīng)過去“抖動”，且必須“同步化”。ClockStartSync_StartFour_Pulse1/31/202344北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1/31/202345北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院并-串/串-并轉(zhuǎn)換器組所提供的器件如下：1/31/202346北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院74LS901234567141312111098ANCQAQDGNDQBQCBR0(1)NCVCCS9(1)S9(2)R0(2)74LS90的邏輯功能與74LS290完全一樣，但I(xiàn)C芯片的引腳分布不一樣。1/31/202347北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院5.LED點陣(8×8)控制器（試做）從略。1/31/202348北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四.課程設(shè)計題目的分組安排數(shù)字時鐘組10人。實驗室地址：4#-240；

交通燈控制器組60人，實驗室地址：4#-333；

并-串/串-并轉(zhuǎn)換器組70人，實驗室地址：4#-240。注意看分組名單，確認(rèn)自己所在的組1/31/202349北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院五.課程設(shè)計的時間安排1.3月3日(星期一)—3月8日(星期六)，1周。2.設(shè)計時間：3月3日(星期一)至3月4日(星期二)

。在此期間的任務(wù)是：根據(jù)課堂所講設(shè)計方法，自行組織討論，獨立進(jìn)行設(shè)計并寫出預(yù)習(xí)報告。3.預(yù)習(xí)報告于3月5日(星期三)下午2:00全體交到4#-239。然后，所有同學(xué)到4#-240聽實驗室老師講解實驗室注意事項。預(yù)習(xí)報告審查合格者可進(jìn)入實驗室做實驗。無預(yù)習(xí)報告者、或預(yù)習(xí)報告不合格者，不得進(jìn)入實驗室。1/31/202350北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院4.安裝調(diào)試時間：3月5日(星期三)—3月8日(星期六)。下午2:00-5:00，晚上6:00-8:30。在指定位置進(jìn)行安裝調(diào)試。在此期間不得無故缺席、遲到、早退，有事請假。若缺元器件可到4#-239領(lǐng)取。3月8日(星期六)上午8:30-11:30做實驗，出實驗室，打掃衛(wèi)生。5.實驗報告寫作時間：3月8日(星期六)—3月9日(星期日)。在3月10日(星期一)下午2:00至5:00由學(xué)習(xí)委員或個人交到4#-239。過時不侯。無報告者無總成績。五.課程設(shè)計的時間安排1/31/202351北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院六.預(yù)習(xí)報告內(nèi)容要求系統(tǒng)描述：主要是系統(tǒng)功能的描述。設(shè)計過程：包括狀態(tài)圖以及相應(yīng)的狀態(tài)表、化簡過程和各分部電路原理圖。設(shè)計結(jié)果：標(biāo)有IC芯片引腳號的系統(tǒng)邏輯電路總圖。所需器件清單、設(shè)備等。如果可能的話，還應(yīng)包含IC器件在面包板上的位置圖。若預(yù)習(xí)報告做得好,則最終實驗報告只需在預(yù)習(xí)報告的基礎(chǔ)之上再加上實驗過程中所做的改進(jìn)、補充、測出的波形圖和最終實驗結(jié)果。1/31/202352北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院預(yù)習(xí)報告必須獨立完成。所有的邏輯電路圖(包括各分部電路圖和系統(tǒng)邏輯電路總圖)最好用手工繪制，不提倡使用計算機打印，絕對禁止復(fù)印的邏輯電路原理圖。六.預(yù)習(xí)報告內(nèi)容要求1/31/202353北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院七.課程設(shè)計實驗報告內(nèi)容要求課程設(shè)計實驗報告應(yīng)包括：系統(tǒng)描述、設(shè)計過程(子系統(tǒng)及整個系統(tǒng)的設(shè)計)、設(shè)計結(jié)果(標(biāo)有IC芯片引腳編號的邏輯總圖)、所需器件、設(shè)備清單，實驗過程所遇問題及所做改進(jìn)、補充和實驗結(jié)果(包括靜態(tài)結(jié)果和動態(tài)結(jié)果)。八.課程設(shè)計成績的評定預(yù)習(xí)報告，占總成績的30%。實驗、調(diào)試過程及最終實驗結(jié)果，占總成績的60%。課程設(shè)計實驗報告，占總成績的10%。上述三項，缺一項將總無成績。1/31/202354北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1/31/202355北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院TTL備用器件清單1/31/202356北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院CMOS備用器件清單1/31/202357北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院高速CMOS(74HC系列)備用器件清單1/31/202358北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院九.課程設(shè)計中若干問題的說明1.什么是邏輯電路原理圖帶有集成電路(IC)芯片引腳編號和引腳信號名的電路圖。(1)小規(guī)模集成電路(SSI)100kΩ100kHz7/30pFCD40691/31/202359北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院CD40691234567GNDVDD141312111098VDD6A6Y5A5Y4A4Y1A1Y2A2Y3A3YGND1/31/202360北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院100kΩ100kHz7/30pFCD4069CD40691234567141312111098VDD6A6Y5A5Y4A4Y1A1Y2A2Y3A3YGND100kHz7/30pF100kΩ這叫連線圖，不是電路原理圖。1/31/202361北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院CD40691234567141312111098VDD6A6Y5A5Y4A4Y1A1Y2A2Y3A3YGND100kHz7/30pF100kΩ100kΩ100kHz7/30pFCD40691234電路原理圖是：門電路符號加IC芯片引腳編號加連線加元器件參數(shù)型號。這叫連線圖，不是電路原理圖。1/31/202362北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(2)中規(guī)模及更大規(guī)模集成電路(MSI,LSI等)電路原理圖是：集成電路邏輯符號加IC芯片引腳編號加連線加元器件參數(shù)型號。1/31/202363北京理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2.用示波器測試邏輯電路時如何設(shè)置示波器示波器的探頭設(shè)置在“×10”的位置。在示波器的CH1、CH2菜單中，將“探頭衰減”欄設(shè)置為“×10”。示波器兩個垂直通道