數(shù)字電路設(shè)計

數(shù)字電路設(shè)計第一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三在電子技術(shù)領(lǐng)域里，用來對數(shù)字信號進行采集、加工、傳送、運算和處理的裝置稱為數(shù)字系統(tǒng)。一個完整的數(shù)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(diào)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)時基電路第二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三1、輸入電路輸入電路的任務(wù)是將各種外部信號變換成數(shù)字電路能夠接受和處理的數(shù)字信號。外部信號通?？煞譃槟M信號和開關(guān)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(guān)的閉合與打開、管子的導(dǎo)通與截止等屬于開關(guān)量。這些信號都必須通過輸入電路變換成數(shù)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(jīng)過數(shù)字電路運算和處理之后的數(shù)字信號變換成模擬信號或開關(guān)信號去推動執(zhí)行機構(gòu)。第三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三3、子系統(tǒng)子系統(tǒng)是對二進制信號進行算術(shù)運算或邏輯運算以及信號傳輸?shù)裙δ艿碾娐罚總€子系統(tǒng)完成一項相對獨立的任務(wù)，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(diào)、有條不紊地工作。5、時基電路產(chǎn)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。第四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三二、數(shù)字系統(tǒng)的類型1、在數(shù)字系統(tǒng)中，有的全是由硬件電路來完成所有任務(wù)，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(jié)合的方法完成電路功能。因此，根據(jù)系統(tǒng)中有無可編程器件，數(shù)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(gòu)成硬件電路，再加上相應(yīng)的軟件就構(gòu)成一個功能很強的應(yīng)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(xiàn)。第五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三2、根據(jù)數(shù)字系統(tǒng)所完成的任務(wù)性質(zhì)還可將其分成數(shù)字測量系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)三大類。關(guān)于微處理器和可編程邏輯器件的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計以后再討論。三、數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計步驟由于每個課題的設(shè)計任務(wù)各不相同，則設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)規(guī)模有大有小，電路的結(jié)構(gòu)也有繁有簡。而課程設(shè)計，由于時間有限不可能做的太大，一般均為小系統(tǒng)。在應(yīng)用中，小系統(tǒng)的設(shè)計是很有用處的。而且，掌握了數(shù)字小系統(tǒng)的設(shè)計可以為更大規(guī)模的系統(tǒng)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。第六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三分析設(shè)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(shè)計是否采用時序電路？列狀態(tài)轉(zhuǎn)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(qū)動方程和輸出方程按組合電路方法設(shè)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(shè)計微處理器或FPGA等數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的一般流程第七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三1、分析設(shè)計要求，明確性能指標具體做設(shè)計之前，必須仔細分析課題要求、性能、指標及應(yīng)用環(huán)境等。分清楚要設(shè)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(shù)是多少，主要性能指標如何等等。然后查找相關(guān)資料，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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。第八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三3、設(shè)計各子系統(tǒng)（或單元電路）每一個子系統(tǒng)一般均能歸結(jié)為組合電路與時序電路兩大類，這些電路的設(shè)計方法數(shù)字電路教材中已論述。應(yīng)該指出，子系統(tǒng)的設(shè)計和整個系統(tǒng)設(shè)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(shù)指標的確定應(yīng)根據(jù)前后電路的要求求得。子系統(tǒng)的實現(xiàn)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(xiàn)的問題。在設(shè)計時，應(yīng)盡可能選用合適的現(xiàn)成電路，芯片的選用應(yīng)優(yōu)先使用中、大規(guī)模電路，這樣做不僅能簡化設(shè)計，而且有利于提高系統(tǒng)的可靠性。第九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三4、控制電路的設(shè)計控制電路的功能諸如系統(tǒng)清零、復(fù)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(shè)計時，根據(jù)控制電路的任務(wù)和時序關(guān)系反復(fù)構(gòu)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(shè)計完成后，要繪制總系統(tǒng)邏輯圖（亦稱電原理圖）。第十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三四、實用數(shù)字單元電路舉例1、時基電路1）、用CMOS門電路構(gòu)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(gòu)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(gòu)成震蕩器11CR圖1由TTL門電路構(gòu)成的震蕩器的工作頻率可比CMOS提高一個數(shù)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2第十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三3）、用555定時器構(gòu)成振蕩器用555定時器構(gòu)成的振蕩器可產(chǎn)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%。55584762351VcVCCfOR1R2C0.01μF第十二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三4）、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(yīng)使2RC2fS

1，使RC2并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在Fs處產(chǎn)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。第十三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三2、計數(shù)電路1）、用SSI設(shè)計計數(shù)器（略）2）、用MSI芯片設(shè)計任意進制計數(shù)器反饋復(fù)位（置數(shù)）法：A、用74LS161實現(xiàn)6進制計數(shù)器：RD161ETEPCPABCDQAQBQCQDLDRCO11CP＆＆ABCDQAQBQCQDLDRCO11CP160ETEPRDB、74LS160十進制加法計數(shù)器與161（或160）接成60進制計數(shù)器ABCDQAQBQCQDLDRCO11CP161ETEPRD第十四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三3、驅(qū)動顯示電路1）、發(fā)光二極管驅(qū)動顯示電路AVCC3DKR2LEDR1＆ABVCCR37406LEDR3=VCC-VFIF2）、數(shù)碼管靜態(tài)驅(qū)動電路117447YaYb…YgBI/RBOA0A1A2A3LTRBIABCDVCCYaYb…YgBI/RBOA0A1A2A3LTRBIABCD744811共陽極數(shù)碼管，如BS204共陰極數(shù)碼管，如BS205第十五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三五、數(shù)字電子計時器的設(shè)計提示1、數(shù)字電子計時器的結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)字顯示譯碼器計數(shù)器譯碼器計數(shù)器譯碼器計數(shù)器譯碼器計數(shù)器譯碼器計數(shù)器譯碼器計數(shù)器校時控制分頻器晶振1Hz第十六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三2、校時電路:當剛接通電源或時鐘走時出現(xiàn)誤差時,都需要進行時間的校準。校時是數(shù)字鐘應(yīng)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(chǎn)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(shù)器至分個位計數(shù)器分十位進位脈沖S2+5V3.3KC2C13.3K第十七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三3、時間予置電路

預(yù)置時間可用開關(guān)直接操作，構(gòu)成所需的數(shù)碼送入計數(shù)器的置數(shù)端；或是用撥碼盤與計數(shù)器的各置數(shù)端相連，構(gòu)成時間預(yù)置電路如下圖所示。亦可采用8421編碼器與撥碼盤相連，構(gòu)成時間預(yù)置電路。000000010010001101000101011001111000100188、944、5、6、722、3、6、711、3、5、7、9第十八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三五、數(shù)字電路的安裝與調(diào)試1、電路安裝1）、整體結(jié)構(gòu)的布局：重心平衡、單板還是多板結(jié)構(gòu)、板與板之間的連接、模擬地與數(shù)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(diào)試第十九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三1）|調(diào)試方法分塊調(diào)試與整體調(diào)試2）、調(diào)試步驟通電前的檢查、分塊調(diào)試、靜態(tài)調(diào)試、動態(tài)調(diào)試、整機聯(lián)調(diào)。3、參數(shù)測試第二十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書一、題目：數(shù)字電子計時器的設(shè)計二、設(shè)計要求：1、用中、小規(guī)模TTL組件設(shè)計一個能顯示時、分、秒的數(shù)字鐘。要求具有校時功能。2、在通用板上焊接安裝、調(diào)試成功，即算完成。3、編寫設(shè)計報告。設(shè)計報告要求有：方案選擇、各部分的工作原理及設(shè)計過程、器件選擇、調(diào)試方案與步驟、測試結(jié)果、操作說明、心得體會及電氣原理圖。4、

設(shè)計時間：11月18日~11月25日一、器材和元器件可預(yù)置4位二進制計數(shù)器（74LS161），二、五、十進制計數(shù)器（74LS290），同步十進制計數(shù)器（74LS160），譯碼驅(qū)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(shù)字通用板，七段共陰極數(shù)碼管（LED），電阻和導(dǎo)線等。第二十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期三一、儀器和設(shè)備穩(wěn)壓電源（或數(shù)字邏輯學(xué)習機），雙宗示波器，數(shù)字萬用表和電烙鐵等。二、參考文獻1、《電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計指南》清華大學(xué)出版社、焦寶文主編；2、《電子