數字電路設計課件講義

在電子技術領域里，用來對數字信號進行采集、加工、傳送、運算和處理的裝置稱為數字系統(tǒng)。一個完整的數字系統(tǒng)往往包括輸入電路、輸出電路、控制電路、時基電路和若干子系統(tǒng)等五部分，如下圖所示。各部分具有相對的獨立性，在控制電路的協(xié)調和指揮下完成各自的功能，其中控制電路是整個系統(tǒng)的核心。輸入電路控制電路輸出電路子系統(tǒng)子系統(tǒng)子系統(tǒng)時基電路1、輸入電路輸入電路的任務是將各種外部信號變換成數字電路能夠接受和處理的數字信號。外部信號通?？煞譃槟M信號和開關信號兩大類，如聲、光、電、溫度、壓力及位移等物理量屬于模擬信號，而開關的閉合與打開、管子的導通與截止等屬于開關量。這些信號都必須通過輸入電路變換成數字電路能夠接受的二進制邏輯電平。2、輸出電路輸出電路是將經過數字電路運算和處理之后的數字信號變換成模擬信號或開關信號去推動執(zhí)行機構。3、子系統(tǒng)子系統(tǒng)是對二進制信號進行算術運算或邏輯運算以及信號傳輸等功能的電路，每個子系統(tǒng)完成一項相對獨立的任務，即某種局部的工作。子系統(tǒng)又稱為單元電路。4、控制電路控制電路將外部輸入信號以及各子系統(tǒng)送來的信號進行綜合、分析，發(fā)出控制命令去管理輸入、輸出電路及各子系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)同步協(xié)調、有條不紊地工作。5、時基電路產生系統(tǒng)時鐘，使整個系統(tǒng)在時鐘信號的作用下一步一步地順序完成各種工作。二、數字系統(tǒng)的類型1、在數字系統(tǒng)中，有的全是由硬件電路來完成所有任務，有的除硬件電路外，還需要加上軟件，即使用可編程器件，采用軟硬結合的方法完成電路功能。因此，根據系統(tǒng)中有無可編程器件，數字系統(tǒng)可分為可編程和不可編程兩大類?？删幊唐骷畹湫偷氖俏⑻幚砥?，一片微處理器配上若干外圍芯片構成硬件電路，再加上相應的軟件就構成一個功能很強的應用系統(tǒng)。除微處理器外，目前還有各種可編程邏輯器件，如ROM、PAL、GAL、FPGA、CPLD以及各種可編程接口電路，這些器件的功能均可以通過軟件編程來實現。2、根據數字系統(tǒng)所完成的任務性質還可將其分成數字測量系統(tǒng)、數字通信系統(tǒng)和數字控制系統(tǒng)三大類。關于微處理器和可編程邏輯器件的數字系統(tǒng)設計以后再討論。三、數字系統(tǒng)的設計步驟由于每個課題的設計任務各不相同，則設計的數字系統(tǒng)規(guī)模有大有小，電路的結構也有繁有簡。而課程設計，由于時間有限不可能做的太大，一般均為小系統(tǒng)。在應用中，小系統(tǒng)的設計是很有用處的。而且，掌握了數字小系統(tǒng)的設計可以為更大規(guī)模的系統(tǒng)設計奠定基礎。分析設計要求，明確性能指標總體方案比較與選擇（畫出系統(tǒng)框圖）進行單元電路設計是否采用時序電路？列狀態(tài)轉換表狀態(tài)分配并化簡由卡諾圖化簡，求出狀態(tài)方程寫出驅動方程和輸出方程按組合電路方法設計確定輸入、輸出變量列真值表寫邏輯表達式選用LSI？選用MSI?畫出各單元電路畫系統(tǒng)邏輯圖選用SSINNNYYYMSI設計微處理器或FPGA等數字系統(tǒng)設計的一般流程1、分析設計要求，明確性能指標具體做設計之前，必須仔細分析課題要求、性能、指標及應用環(huán)境等。分清楚要設計的電路屬于何種類型，輸入信號如何獲得，輸出執(zhí)行裝置是什么，工作電壓、電流參數是多少，主要性能指標如何等等。然后查找相關資料，廣開思路，構思出各種總體方案，繪制結構框圖。2、確定總體方案對各種方案進行比較，在能完成課題要求的功能和性能指標的前提下，以電路的先進性、結構的繁簡、成本的高低、制作的難易及功能的可擴展性等多方面作綜合比較，最后確定一種可行方案。3、設計各子系統(tǒng)（或單元電路）每一個子系統(tǒng)一般均能歸結為組合電路與時序電路兩大類，這些電路的設計方法數字電路教材中已論述。應該指出，子系統(tǒng)的設計和整個系統(tǒng)設計一樣，也存在指標的確定和方案的比較問題。子系統(tǒng)的技術指標的確定應根據前后電路的要求求得。子系統(tǒng)的實現方案仍然是多種多樣的，而且亦有采用什么電路的問題，如用SSI、MSI和LSI及用軟件還是硬件來實現的問題。在設計時，應盡可能選用合適的現成電路，芯片的選用應優(yōu)先使用中、大規(guī)模電路，這樣做不僅能簡化設計，而且有利于提高系統(tǒng)的可靠性。4、控制電路的設計控制電路的功能諸如系統(tǒng)清零、復位、安排各子系統(tǒng)的時序先后及啟動停止等，在整個系統(tǒng)中起核心和控制作用。設計時，根據控制電路的任務和時序關系反復構思電路，選用合適的器件，使其達到功能要求。5、繪制系統(tǒng)電原理圖各部分子系統(tǒng)設計完成后，要繪制總系統(tǒng)邏輯圖（亦稱電原理圖）。四、實用數字單元電路舉例1、時基電路1）、用CMOS門電路構成震蕩器如圖（1）所示。震蕩周期T≈（1.4~2.2）RC。由CMOS門電路構成的震蕩器適合于低頻段工作，若元件選擇合適下限頻率可達到1Hz。2）、TTL門電路構成震蕩器11CR圖1由TTL門電路構成的震蕩器的工作頻率可比CMOS提高一個數量級。在圖（2）中R1、R2一般取值1K左右，C1、C2取值100PF~100uF，輸出頻率為幾兆赫至幾十兆赫。11C1C2R1R2圖23）、用555定時器構成振蕩器用555定時器構成的振蕩器可產生幾赫至幾兆赫的矩形波信號。T=（R1+R2）Cln2+R2Cln2雙極性定時器電源電壓范圍為3~16V，最大負載電流可達200mA；CMOS定時器電源電壓范圍為3~18V，最大負載電流在4mA以下。頻率穩(wěn)定度最高能達到0.1%。55584762351VcVCCfOR1R2C0.01μF4）、石英晶體振蕩器石英晶體的電路符號及阻抗頻率特性0感性容性fX11RRC2C1G1G2fSfP圖中R的作用是使G1和G2工作在線性放大區(qū)。對TTL電路取1K~2K之間；對CMOS門取10~100M。C1用于兩個反相器的耦合，C2用于抑制高次諧波。C2的選擇應使2RC2fS

1，使RC2并聯(lián)網絡在Fs處產生極點，以減少諧振信號的衰減。石英晶體振蕩器具有極高的頻率穩(wěn)定度，且其振蕩頻率由石英晶體決定。2、計數電路1）、用SSI設計計數器（略）

2）、用MSI芯片設計任意進制計數器反饋復位（置數）法：A、用74LS161實現6進制計數器：RD161ETEPCPABCDQAQBQCQDLDRCO11CP＆＆ABCDQAQBQCQDLDRCO11CP160ETEPRDB、74LS160十進制加法計數器與161（或160）接成60進制計數器ABCDQAQBQCQDLDRCO11CP161ETEPRD3、驅動顯示電路1）、發(fā)光二極管驅動顯示電路AVCC3DKR2LEDR1＆ABVCCR37406LEDR3=VCC-VFIF2）、數碼管靜態(tài)驅動電路117447YaYb…YgBI/RBOA0A1A2A3LTRBIABCDVCCYaYb…YgBI/RBOA0A1A2A3LTRBIABCD744811共陽極數碼管，如BS204共陰極數碼管，如BS205五、數字電子計時器的設計提示1、數字電子計時器的結構框圖

數字顯示譯碼器計數器譯碼器計數器譯碼器計數器譯碼器計數器譯碼器計數器譯碼器計數器校時控制分頻器晶振1Hz2、校時電路:

當剛接通電源或時鐘走時出現誤差時,都需要進行時間的校準。校時是數字鐘應具有的基本功能，一般電子鐘都有時、分、秒校時功能。為使電路簡單，這里只進行分和小時的校準。校時可采用快校時和慢校時兩種方式。校時脈沖采用秒脈沖，則為快校時；如果消失脈沖由單次脈沖產生器提供則為慢校時。下圖中C1、C2用于消除抖動。秒十位進位脈沖S1校時脈沖0.01μF0.01μF＆＆＆＆＆＆11至時個位計數器至分個位計數器分十位進位脈沖S2+5V3.3KC2C13.3K3、時間予置電路

預置時間可用開關直接操作，構成所需的數碼送入計數器的置數端；或是用撥碼盤與計數器的各置數端相連，構成時間預置電路如下圖所示。亦可采用8421編碼器與撥碼盤相連，構成時間預置電路。000000010010001101000101011001111000100188、944、5、6、722、3、6、711、3、5、7、9五、數字電路的安裝與調試1、電路安裝1）、整體結構的布局：重心平衡、單板還是多板結構、板與板之間的連接、模擬地與數字地的分割等。2）、安裝前的測試（芯片或單元電路的功能驗證）3）、抗干擾問題2、電路調試1）|調試方法分塊調試與整體調試2）、調試步驟通電前的檢查、分塊調試、靜態(tài)調試、動態(tài)調試、整機聯(lián)調。3、參數測試數字電子技術課程設計任務書一、題目：數字電子計時器的設計二、設計要求：1、用中、小規(guī)模TTL組件設計一個能顯示時、分、秒的數字鐘。要求具有校時功能。2、在通用板上焊接安裝、調試成功，即算完成。3、編寫設計報告。設計報告要求有：方案選擇、各部分的工作原理及設計過程、器件選擇、調試方案與步驟、測試結果、操作說明、心得體會及電氣原理圖。4、

設計時間：11月18日~11月25日一、器材和元器件可預置4位二進制計數器（74LS161），二、五、十進制計數器（74LS290），同步十進制計數器（74LS160），譯碼驅動器（74LS48），二輸入四與非門（74LS00），三輸入三與非門（74LS10），雙JK觸發(fā)器（74LS76），555定時器，數字通用板，七段共陰極數碼管（LED），電阻和導線等。一、儀器和設備穩(wěn)壓電源（或數字邏輯學習機），雙宗示波器，數字萬用表和電烙鐵等。二、參考文獻1、《電子技術基礎課程設計指南》清華大學出