数字电路课程设计幻灯片.ppt

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1、数字电路课程设计第1页，共81页，编辑于2022年，星期六 132 多路可编程控制器设计与制作多路可编程控制器设计与制作 1321 电路设计 1322 电路制作与测试 第2页，共81页，编辑于2022年，星期六第第 13 章章 数字电路课程设计数字电路课程设计 131 概概 述述 132 多路可编程控制器设计与制作多路可编程控制器设计与制作 在实际应用中，常常需要一种能同时控制多组开关按一定的方式闭合与断开的装置，比如显示图样不断变化的各种霓虹灯或彩灯的电源控制系统。本节设计与制作的多路可编程控制器就具有这种功能。通过这一课程设计，读者可以在如下方面得到锻炼。第3页，共81页，编辑于2022年

2、，星期六 （1）基本了解设计数字系统的一般方法。（2）进一步熟悉常用数字器件的使用方法。（3）基本掌握通过逻辑分析查找数字电路故障的 （4）熟悉并学会使用用于读写EPROM的常用软件，掌握固化与擦除EPROM的方法。第4页，共81页，编辑于2022年，星期六 1321 电路设计电路设计 1设计要求设计要求 设计并制作出一种用于控制霓虹灯的控制器，它具有如下功能：（1）可以控制每段霓虹灯的点亮或熄灭。（2）每段霓虹灯的点亮与熄灭可以通过编程来实现。（3）每间隔一段时间，霓虹灯的图样变化一次。（4）图样变化的间隔时间可以调节。第5页，共81页，编辑于2022年，星期六 2 霓虹灯受控显示的基本原理

3、霓虹灯受控显示的基本原理 我们以背景霓虹灯的一种显示效果为例，介绍控制霓虹灯显示的基本原理。设有一排n段水平排列的霓虹灯，某种显示方式为从左到右每间隔0.2 s逐个点亮。其控制过程如下：若以“1”代表霓虹灯点亮，以“0”代表霓虹灯熄灭，则开始时刻，n段霓虹灯的控制信号均为“0”。随后，控制器将一帧n个数据送至n段霓虹灯的控制端，其中，最左边的一段霓虹灯对应的控制数据为“1”，其余的数据均为零，即1000000。第6页，共81页，编辑于2022年，星期六 当n个数据送完以后，控制器停止送数，保留这种状态（定时）0.2 s，此时，第1段霓虹灯被点亮，其余霓虹灯熄灭。随后，控制器又在极短的时间内将数

4、据1000000送至霓虹灯的控制端，并定时0.2 s，这段时间里前两段霓虹灯被点亮。由于送数过程很快，我们观测到的效果是第一段霓虹灯被点亮0.2 s后，第2段霓虹灯接着被点亮，即每隔0.2 s显示一帧图样。如此下去，最后控制器将数据1111111送至n段霓虹灯的控制端，则n段霓虹灯被全部点亮。第7页，共81页，编辑于2022年，星期六 只要改变送至每段霓虹灯的数据，即可改变霓虹灯的显示方式，显然，我们可以通过合理地组合数据（编程）来得到霓虹灯的不同显示方式。3 系统框图系统框图 根据设计要求，确定如图13.1所示系统框图。第8页，共81页，编辑于2022年，星期六图 13.1系统方框图第9页，

5、共81页，编辑于2022年，星期六 框图中，右边的D0-Dn为n个发光二极管，它们与n段霓虹灯相对应，二极管亮，则霓虹灯亮。下面介绍框图中各部分的功能与实现方法。1）移位寄存器 移位寄存器用于寄存控制发光二极管亮、灭的数据。对应n个发光二极管，移位寄存器有n位输出。移位寄存器的输入信号取自存储器输出的8位并行数据。为使电路简单，可以采用8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。第10页，共81页，编辑于2022年，星期六 2）只读存储器 只读存储器内部通过编程已写入控制霓虹灯显示方式的数据。控制器每间隔一段时间（显示定时）将n位数据送移位寄存器，所送的数据内容由存储器的地址信号

6、确定。存储器的容量由霓虹灯的段数、显示方式及显示方式的种类确定。n段霓虹灯，m种显示方式(每种显示方式包含k帧画面)，要求存储器的容量为 c=knm（bit）只读存储器可以采用常用的EPROM,如2764、27128、27256、27512等。第11页，共81页，编辑于2022年，星期六 3)地址计数器 地址计数器产生由低到高连续变化的只读存储器的地址。存储器内对应地址的数据被送至寄存器。地址计数器输出的位数由存储器的大小决定。64 Kbit容量的存储器对应的地址线为16根，因此要求16位计数器。其余可依次类推。地址计数器给出存储器的全部地址以后自动复位，重新从0000H开始计数。地址计数器可

7、以采用一般的二进制计数器，如7416、162等。第12页，共81页，编辑于2022年，星期六 4）控制门与定时器 控制门用于控制计数脉冲是否到达地址计数器。控制门的控制信号来自定时器。定时器启动时，控制门被关闭，地址计数器停止计数，寄存器的数据被锁存。此段时间发光二极管发光。达到定时值时，定时器反相，计数器重新开始计数。控制门可以用一般的与门或或门，定时器可以采用单稳态电路来实现，也可以用计数器实现。第13页，共81页，编辑于2022年，星期六 5）长度计数器 长度计数器与地址计数器对应同一个计数脉冲。长度计数器工作时，地址计数器也在工作。计数器工作期间，存储器对应地址的数据被逐级移位至对应的

8、寄存器。长度计数器的计数长度为n/8,该长度恰好保证一帧图样（n位）的数据从存储器中读出送寄存器锁存。长度计数器达到长度值时自动清零，同时启动定时器工作。定时器启动期间，长度计数器与地址计数器的计数脉冲均被封闭。长度计数器电路可视计数的具体长度来确定。当计数长度较短时，可以采用移位寄存器来实现。第14页，共81页，编辑于2022年，星期六 4 实用电路实用电路 根据上面的分析，设计出如图13.2所示的实用电路。该实用电路可以控制32段霓虹灯。这里用32个发光二极管代替霓虹灯。实际电路中，霓虹灯是由开关变压器提供的电源点亮的。开关变压器通过光耦进行强、弱电隔离。从寄存器输出的点亮发光二极管的驱动

9、信号完全可以驱动开关变压器工作。第15页，共81页，编辑于2022年，星期六图13.2 霓虹灯显示控制器实用电路第16页，共81页，编辑于2022年，星期六 电路中的移位寄存器采用74LS374。当与11脚相连的移位脉冲产生上升沿突变时，8位数据从上至下从一个寄存器移位至另一个寄存器，构成8位并行移位电路。显然，出现在11脚的移位脉冲，一次只能有4个。电路中的存储器采用具有8K地址的EPROM 2764。电路中2764的最后两根地址线A11、A12接地。因此，实际只用到了前面2K地址的存储单元。第17页，共81页，编辑于2022年，星期六 由于只控制32段霓虹灯，它仍可以保证有足够多的显示方式

10、。如有必要，可以通过接插的方式改变A11、A12的电平，选择其他6K地址对应的图样。电路中的地址计数器由3块74LS161组成，它产生11位地址数据，计数输出直接与存储器的地址线相连。第18页，共81页，编辑于2022年，星期六 定时器采用555组成的单稳态触发器来实现，改变可变电阻VR的数值。可以改变定时器的时间，即每帧画面显示的时间。显示时间一般定在0.11 s之间。振荡电路采用555组成的多谐振荡器来实现，其振荡频率可以在1kHz1 MHz之间取值。长度计数器采用74LS194移位寄存器通过右移方式组成四进制计数器实现。每计 4 个数，Q3输出为1，启动定时器工作，同时将长度计数器清零。

11、第19页，共81页，编辑于2022年，星期六 132 多路可编程控制器设计与制作多路可编程控制器设计与制作 1321 电路设计 1322 电路制作与测试第20页，共81页，编辑于2022年，星期六 1322 电路制作与测试电路制作与测试 1 所需仪器设备与器件所需仪器设备与器件 所需仪器和器件有示波器，稳压电源，EPROM读写软、硬件，EPROM擦除器。2 参考步骤参考步骤 1）器件检测 与每次实训一样，首先对所用器件进行检测。保证器件完好，可以减少因器件不良带来的各种麻烦。第21页，共81页，编辑于2022年，星期六 2）电路安装 在印刷电路板上安装好全部器件。所需电路板可以作为电子CAD的

12、课程设计内容，也可委托电路板厂加工。如无现成的印刷电路板，也可在万能板上安装。由于电路连线较多，不宜在面包板上安装。3）检测电路 （1）检测由555组成的时钟振荡器U4的输出波形，正常情况应能在U4的第3脚观测到频率为几千赫兹的矩形波。如不能观测到输出波形，则应检测555的工作状态，找到故障所在。第22页，共81页，编辑于2022年，星期六 （2）将定时器电位器VR调至最小值，用示波器观测计数脉冲的波形，如电路正常，可以得到如图13.3所示的波形。如没有波形或波形为连续矩形波，则检测定时器U5输出端第 3 脚的电平。正常时可以观测到输出电平以短于1 s的时间周期跳变。如果不出现跳变，则定时器没

13、有工作，应检测定时器与长度计数器的工作状态。通过检测各引脚电平或波形，根据电路的逻辑关系进行分析，排除故障。第23页，共81页，编辑于2022年，星期六 （3）检测存储器各地址线的电平，在低地址端应能观测到电平的跳变。如地址线电平不发生变化，则应检测由4个74LS161构成的地址计数器工作是否正常，通过检测各IC的引脚或波形，排除故障。（4）检测寄存器74LS374各引脚电平，各电平值应与电路确定的值一致，出现异常则应找出故障所在，予以排除。第24页，共81页，编辑于2022年，星期六图 13.3 计数脉冲的波形 4）排列发光二极管 将32个发光二极管按你喜欢的方式排列成一定的图形或字符。5）

14、确定显示方式 根据排列的图形，确定发光二极管的显示方式。第25页，共81页，编辑于2022年，星期六 6）确定存储器各地址对应的数据 显示方式确定之后，则可确定存储器各地址对应的数据。为加深读者的认识，设发光二极管水平排列，显示方式为从左至右一个一个点亮。这种情况下，各地址对应的数据如表13.1所示。表中，每行第一个十六进制数为存储器的一个起始地址，其余16个数为该地址及与该地址相连的其他15个地址的数据，也用十六进制数表示。第26页，共81页，编辑于2022年，星期六表表 13.1 一种显示方式各地址对应的数据一种显示方式各地址对应的数据0000H 00H 00H 00H 01H 00H 0

15、0H 00H 03H 00H 00H 00H 07H 00H 00H 00H 0FH0010H 00H 00H 00H 1FH 00H 00H 00H 3FH 00H 00H 00H 7FH 00H 00H 00H FFH0020H 00H 00H 01H FFH 00H 00H 03H FFH 00H 00H 07H FFH 00H 00H 0FH FFH0030H 00H 00H 1FH FFH 00H 00H 3FH FFH 00H 00H 7FH FFH 00H 00H FFH FFH0040H 00H 01H FFH FFH 00H 03H FFH FFH 00H 07H FFH F

16、FH 00H 0FH FFh FFH0050H 00H 1FH FFH FFH 00H 3FH FFH FFH 00H 7FH FFH FFH 00H FFH FFH FFH0060H 01H FFH FFH FFH 03H FFH FFH FFH 07H FFH FFH FFH 0FH FFH FFH FFH0070H 1FH FFH FFH FFH FFH 3FH FFH FFH 7FH FFH FFH FFH FFH FFH FFH FFH第27页，共81页，编辑于2022年，星期六 7）输入数据 读者可以利用任何读写EPROM的软件及相关附件将编辑好的内容固化在EPROM中。固化时，必

17、须注意使选择的编程电压与实际存储器的编程电压一致。8）显示图样 将EPROM插入IC插座，接通电源，即可看到发光二极管依一定的规律点亮与熄灭。观看显示方式是否与自己设计的方式一致，如不一致，找出原因。如属数据编辑错误，可改写前面的数据。EPROM具有光擦除功能，要修改内部数据，必须先用紫外线擦除器擦除后，才能重写全部内容。第28页，共81页，编辑于2022年，星期六133 数字频率计的设计与制作数字频率计的设计与制作 1331 电路设计 1332 频率计的制作与调试第29页，共81页，编辑于2022年，星期六133 数字频率计的设计与制作数字频率计的设计与制作 在许多情况下，要对信号的频率进行

18、测量。利用示波器可以粗略测量被测信号的频率，精确测量则要用到数字频率计。数字频率计用到的数字技术很多。本节数字频率计的设计与制作项目可以进一步加深我们对数字电路应用技术方面的了解与认识，进一步熟悉数字电路系统设计、制作与调试的方法和步骤。第30页，共81页，编辑于2022年，星期六 1331 电路设计电路设计 1 设计要求设计要求 设计并制作出一种数字频率计，其技术指标如下：（1）频率测量范围：109 999 Hz。（2）输入电压幅度：300 mV3 V。（3）输入信号波形：任意周期信号。（4）显示位数：4位。（5）电源：220 V、50 Hz。第31页，共81页，编辑于2022年，星期六 2

19、 数字频率计的基本原理数字频率计的基本原理 数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是在单位时间（1 s）内信号周期性变化的次数。如果我们能在给定的1 s时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。这就是数字频率计的基本原理。第32页，共81页，编辑于2022年，星期六图 13.4 数字频率计框图 3 系统框图系统框图 从数字频率计的基本原理出发，根据设计要求，得到如图13.4所示的电路框图。第3

20、3页，共81页，编辑于2022年，星期六 1）电源与整流稳压电路 框图中的电源采用50 Hz的交流市电。市电被降压、整流、稳压后为整个系统提供直流电源。系统对电源的要求不高，可以采用串联式稳压电源电路来实现。2）全波整流与波形整形电路 本频率计采用市电频率作为标准频率，以获得稳定的基准时间率漂移不能超过0.5 Hz，即在1的范围内。第34页，共81页，编辑于2022年，星期六 用它作普通频率计的基准信号完全能满足系统的要求。全波整流电路首先对50 Hz交流市电进行全波整流，得到如图13.5(a）所示100 Hz的全波整流波形。波形整形电路对100 Hz信号进行整形，使之成为如图13.5(b)所

21、示100 Hz的矩形波。采用过零触发电路可将全波整流波形变为矩形波，也可采用施密特触发器进行整形。第35页，共81页，编辑于2022年，星期六图 13.5 全波整流与波形整形电路的输出波形第36页，共81页，编辑于2022年，星期六图 13.6 分频器的输出波形第37页，共81页，编辑于2022年，星期六 3）分频器 分频器的作用是为了获得1 s的标准时间。首先对如图13.5所示的100 Hz信号进行100分频得到如图13.6（a）所示周期为1 s的脉冲信号。然后再进行二分频得到如图13.6（b）所示占空比为50脉冲宽度为1 s的方波信号，由此获得测量频率的基准时间。利用此信号去打开与关闭控制

22、门，可以获得在1 s时间内通过控制门的被测脉冲的数目。分频器可以采用第5章介绍过的方法，由计数器通过计数获得。二分频可以采用T触发器来实现。第38页，共81页，编辑于2022年，星期六 4）信号放大、波形整形电路 为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放大与整形处理，使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号。信号放大与波形整形电路的作用即在于此。信号放大可以采用一般的运算放大电路，波形整形可以采用施密特触发器。5）控制门 控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。它的一个输入端接标准秒信号，一个输入端接被测脉冲。控制门可以用与门或或门来实现。当采用与门时，秒信号为正时进行计数

23、，当采用或门时，秒信号为负时进行计数。第39页，共81页，编辑于2022年，星期六 6）计数器 计数器的作用是对输入脉冲计数。根据设计要求，最高测量频率为9 999 Hz，应采用4位十进制计数器。可以选用现成的十进制集成计数器。7）锁存器 在确定的时间（1 s）内计数器的计数结果（被测信号频率）必须经锁定后才能获得稳定的显示值。锁存器通过触发脉冲的控制，将测得的数据寄存起来，送显示译码器。锁存器可以采用一般的8位并行输入寄存器。为使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件。第40页，共81页，编辑于2022年，星期六 8）显示译码器与数码管 显示译码器的作用是把用BCD码表示的十进制数转换成能驱动

24、数码管正常显示的段信号，以获得数字显示。显示译码器的输出方式必须与数码管匹配。4 实际电路实际电路 根据系统框图，设计出的电路如图13.7所示。第41页，共81页，编辑于2022年，星期六图 13.7 数字频率计电路图第42页，共81页，编辑于2022年，星期六 图中，稳压电源采用7805 来实现，电路简单可靠，电源的稳定度与波纹系数均能达到要求。对100 Hz全波整流输出信号，由7位二进制计数器74HC4024组成的100进制计数器进行分频。计数脉冲下降沿有效。在74HC4024的 Q7、Q6、Q3端通过与门加入反馈清零信号。当计数器输出为二进制数1100100（十进制数为100）时，计数器

25、异步清零，实现100进制计数。为了获得稳定的分频输出，清零信号与输入脉冲“与”后再清零，使分频输出脉冲在计数脉冲为低电平时能保持高电平一段时间（10 ms）。第43页，共81页，编辑于2022年，星期六 电路中采用双JK触发器74HC109中的一个触发器组成T触发器。它将分频输出脉冲整形为脉宽为1 s、周期为2 s的方波。从触发器Q端输出的信号加至控制门，确保计数器只在1 s的时间内计数。从触发器 端输出的信号作为数据寄存器的锁存信号。被测信号通过741组成的运算放大器放大20倍后送施密特触发器整形，得到能被计数器有效识别的矩形波输出。通过由74HC11组成的控制门送计数器计数。为了防止输入信

26、号太强损坏集成运放，可以在运放的输入端并接两个保护二极管。第44页，共81页，编辑于2022年，星期六 频率计数器由两块双十进制计数器74HC4518组成，最大计数值为9 999 Hz。由于计数器受控制门控制，每次计数只在JK触发器Q端为高电平时进行。当JK触发器Q端跳变至低电平时，端由低电平向高电平跳变，此时，8D锁存器74HC374（上升沿有效）将计数器的输出数据锁存起来送显示译码器。计数结果被锁存以后。即可对计数器清零。由于74HC4518为异步高电平清零，所以将JK触发器的 同100 Hz脉冲信号“与”后的输出信号作为计数器的清零脉冲。由此保证清零是在数据被有效锁存一段时间（10 ms

27、）以后再进行。第45页，共81页，编辑于2022年，星期六 13.3.2 频率计的制作与调试频率计的制作与调试 1 所需仪器设备所需仪器设备 所需仪器设备有示波器、音频信号发生器、逻辑笔、万用表、数字集成电路测试仪和直流稳压电源。2 参考步骤参考步骤 1)器件检测 用数字集成电路检测仪对所要用的IC进行检测，以确保每个器件完好。如有兴趣，也可对LED数码管进行检测，检测方法由自己确定。第46页，共81页，编辑于2022年，星期六 2)电路连接 在自制电路板上将IC插座及各种器件焊接好；装配时，先焊接IC等小器件，最后固定并焊接变压器等大器件。电路连接完毕后，先不插IC。3)电源测试 将与变压器

28、连接的电源插头插入220 V电源，用万用表检测稳压电源的输出电压。输出电压的正常值应为5 V。如果输出电压不对，应仔细检查相关电路，消除故障。稳压电源输出正常后，接着用示波器检测产生基准时间的全波整流电路输出波形。正常情况应观测到如图13.5(a)所示波形。第47页，共81页，编辑于2022年，星期六 4)基准时间检测 关闭电源后，插上全部IC。依次用示波器检测由U1(74HC4024)与U3A组成的基准时间计数器与由U2A组成的T触发器的输出波形，并与图13.6所示波形对照。如无输出波形或波形形状不对，则应对U1、U3,U2各引脚的电平或信号波形进行检测，消除故障。第48页，共81页，编辑于

29、2022年，星期六 5)输入检测信号 从被测信号输入端输入幅值在1 V左右，频率为1 kHz左右的正弦信号，如果电路正常，数码管可以显示被测信号的频率。如果数码管没有显示，或显示值明显偏离输入信号频率，则做进一步检测。6）输入放大与整形电路检测 用示波器观测整形电路U1A(74HC14)的输出波形。正常情况下，可以观测到与输入频率一致、信号幅值为5 V左右的矩形波。第49页，共81页，编辑于2022年，星期六 7)控制门检测 检测控制门U3C(74HC11)输出信号波形。正常时，每间隔1 s时间，可以在荧屏上观测到被测信号的矩形波。如观测不到波形，则应检测控制门的两个输入端的信号是否正常,并通

30、过进一步的检测找到故障电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测计数器电路。第50页，共81页，编辑于2022年，星期六 8)计数器电路的检测 依次检测4个计数器74HC4518时钟端的输入波形。正常时，相邻计数器时钟端的波形频率依次相差10倍。正常情况时，各电平值或波形应与电路中给出的状态一致。如频率关系不一致或波形不正常，则应对计数器和反馈门的各引脚电平与波形进行检测,通过分析找出原因，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。第51页，共81页，编辑于2022年，星期六 9)锁存电路的检测 依次检测74HC374锁存器各引脚的电平

31、与波形。正常情况时，各电平值应与电路中给出的状态一致。其中，第11脚的电平每隔1 s跳变一次。如不正常，则应检查电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。10)显示译码电路与数码管显示电路的检测检测显示译码器74HC4511各控制端与电源端引脚的电平，同时检测数码管各段对应引脚的电平及公共端的电平。通过检测与分析找出故障。第52页，共81页，编辑于2022年，星期六 134 数字电路系统设计与制作的一般方法数字电路系统设计与制作的一般方法 1341 数字电路系统设计的一般方法 1342 数字电路系统的安装与调试第53页，共81页，编辑于2022年，星期六

32、通过对前面两个具体数字电路系统的设计与制作，我们对数字电路设计有了一定的认识。数字电路系统的设计与第10章讨论的组合逻辑电路的设计有较大的区别。组合逻辑电路与一般时序逻辑电路的设计是根据设计任务要求，用真值表、状态表求出简化的逻辑表达式，画出逻辑图、逻辑电路，用一般的集成门电路或集成触发器电路来实现。而本章设计的数字电路系统具有复杂的逻辑功能，难以用真值表、逻辑表达式来完整地描述其逻辑功能，用前面介绍的方法来设计，显然是复杂而困难的。134 数字电路系统设计与制作的一般方法数字电路系统设计与制作的一般方法第54页，共81页，编辑于2022年，星期六 利用数字电路硬件描述语言来设计数字系统是目前

33、最先进的方法，但不是本课程主要涉及的内容。从后续课程的要求出发，本课程最关心的问题是通过对各种基本数字电路的认识与了解，利用现有的数字电路器件来设计与实现具有各种复杂逻辑关系的数字系统。下面讨论采用这种方法进行数字电路系统设计与制作的一般方法。第55页，共81页，编辑于2022年，星期六 13.4.1 数字电路系统设计的一般方法数字电路系统设计的一般方法 数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路、脉冲产生电路和电源等。输入电路主要作用是将被控信号加工变换成数字信号，其形式包括各种输入接口电路。比如在本章设计制作的数字频率计中，通过输入电路对微弱信号进行放大、整形，得到数字电路

34、可以处理的数字信号。有些模拟信号则通过模数转换电路转换成数字信号再进行处理。在设计输入电路时，必须首先了解输入信号的性质，接口的条件，以设计合适的输入接口电路。第56页，共81页，编辑于2022年，星期六 控制电路的功能是将信息加工运算并为系统各部分提供所需的各种控制。比如本章设计制作的多路可编程控制器，其定时器即为一控制电路。正是在它的作用下，计数脉冲才按一定的时间周期（定时器的定时时间）一组一组地送给地址计数器，形成时间控制。在数字频率计中，从JK触发器两个反相输出端输出的信号也是控制信号，它既控制了被测信号送至计数器的时间，同时又控制了锁存器在计数完毕后对数据进行锁存。第57页，共81页

35、，编辑于2022年，星期六 产生这种信号输出的电路即为控制电路。数字电路系统中，各种逻辑运算、判别电路等，都是控制电路，它们是整个系统的核心。设计控制电路是数字系统设计的最重要的内容，必须充分注意不同信号之间的逻辑性与时序性。第58页，共81页，编辑于2022年，星期六 输出电路是完成系统最后逻辑功能的重要部分。数字电路系统中存在各种各样的输出接口电路。其功能可能是发送一组经系统处理的数据，或显示一组数字，或将数字信号进行转换，变成模拟输出信号。比如数字频率计的显示译码与数码管电路，多路可编程控制器的并行移位寄存器及驱动电路等，都属于系统的输出电路。设计输出电路，必须注意与负载在电平、信号极性

36、、拖动能力等方面进行匹配。第59页，共81页，编辑于2022年，星期六 时钟电路是数字电路系统中的灵魂，它属于一种控制电路，整个系统都在它的控制下按一定的规律工作。时钟电路包括主时钟振荡电路及经分频后形成各种时钟脉冲的电路。比如多路可编程控制器中的555多谐振荡电路，数字频率计中的基准时间形成电路等都属于时钟电路。设计时钟电路，应根据系统的要求首先确定主时钟的频率，并注意与其他控制信号结合产生系统所需的各种时钟脉冲。第60页，共81页，编辑于2022年，星期六 电源为整个系统工作提供所需的能源，为各端口提供所需的直流电平。在数字电路系统中，TTL电路对电源电压要求比较严格，电压值必须在一定范围

37、内。CMOS电路对电源电压的要求相对比较宽松。设计电源时，必须注意电源的负载能力，电压的稳定度及波纹系数等。第61页，共81页，编辑于2022年，星期六 显然，任何复杂的数字电路系统都可以逐步划分成不同层次、相对独立的子系统。通过对子系统的逻辑关系、时序等的分析，最后可以选用合适的数字电路器件来实现。将各子系统组合起来，便完成了整个大系统的设计。按照这种由大到小，由整体到局部，再由小到大，由局部到整体的设计方法进行系统设计，就可以避免盲目的拼凑，完成设计任务。第62页，共81页，编辑于2022年，星期六 1）消化课题 必须充分了解设计要求，明确被设计系统的全部功能、要求及技术指标。熟悉被处理信

38、号与被控制对象的各种参数与特点。2）确定总体设计方案 根据系统逻辑功能画出系统的原理框图，将系统分解。确定贯串不同方框间各种信号的逻辑关系与时序关系。方框图应能简洁、清晰地表示设计方案的原理。第63页，共81页，编辑于2022年，星期六 3）绘制单元电路并对单元电路仿真 选择合适的数字器件，用电子CAD软件绘出各逻辑单元的逻辑电路图。标注各单元电路输入输出信号的波形。原理图中所用的元件应使用标准标号；电路的排列一般按信号流向由左至右排列；重要的线路放在图的上方，次要线路放在图的下方，主电路放在图的中央位置;当信号通路分开画时，在分开的两端必须作出标记，并指出断开处的引出与引入点。第64页，共8

39、1页，编辑于2022年，星期六 然后利用电子CAD软件中的数字电路仿真软件对电路进行仿真测试，以确定电路是否准确无误。当电路中采用TTL、CMOS、运放、分立元件等多种器件时，如果采用不同的电源供电，则要注意不同电路之间电平的正确转换，并绘制出电平转换电路。第65页，共81页，编辑于2022年，星期六 4）分析电路 可能设计的单元电路不存在任何问题，但组合起来后系统却不能正常工作，因此，必须充分分析各单元电路，尤其是对控制信号要从逻辑关系、正反极性、时序几个方面进行深入考虑，确保不存在冲突。在深入分析的基础上通过对原设计电路的不断修改，获得最佳设计方案。5）完成整体设计 在各单元电路完成的基础

40、上，用电子CAD软件将各单元电路连接起来，画出符合软件要求的整机逻辑电路图。第66页，共81页，编辑于2022年，星期六 6）逻辑仿真 整体电路设计完毕后，再次在仿真软件上对整个试验系统进行逻辑仿真，验证设计。根据设计任务，设计出一个比较理想的数字电路系统必须经常训练，反复实践才能熟练。为使设计尽可能优化，必须对数字电路器件，尤其是中、大规模集成电路器件有比较多的了解。学会查阅数字电路器件手册，了解不同器件之间的区别。充分明了各器件输入端、控制端对信号的要求，以及输出端输出信号的特点。这些对设计者来说是十分重要的。熟悉电子CAD软件的使用，对我们的设计十分有帮助。第67页，共81页，编辑于20

41、22年，星期六 13.4.2 数字电路系统的安装与调试数字电路系统的安装与调试 数字试验系统整体电路设计完毕后，还必须通过试验板的安装与调试，纠正设计中因考虑不周出现的错误或不足。检测出实际系统正常运行的各项技术指标、参数、工作状态、输出驱动情况、动作情况与逻辑功能。因此，系统装调工作是验证理论设计，进一步修正设计方案的重要实践过程。具体可按如下步骤进行。第68页，共81页，编辑于2022年，星期六 1）制作PCB 如果整体电路是利用电子CAD软件按其要求绘制的，则可以利用该软件绘制PCB图，制作出印刷电路板。采用PCB制作数字电路系统可以保证试验系统工作可靠，减少不必要的差错，大大节省电路试

42、验时间。2）检测器件 在将器件安装到PCB上之前，对所选用的器件进行测试是十分有必要的，它可以减少因器件原因造成的电路故障，缩短工作时间。第69页，共81页，编辑于2022年，星期六 3）安装元器件 将各种器件安装到PCB上是一件不太困难的工作。安装时，集成电路最好通过插座与电路板连接，这便于不小心损坏器件后进行更换。数字电路的布线一般比较紧密、焊点较小，在焊接过程中注意不要出现挂锡或虚焊。4）电路调试 电路的调试可分两步来进行，一是单元电路的调试，然后是总调。只有通过调试使单元电路到达预定要求，总调才能顺利进行。调试时应注意：第70页，共81页，编辑于2022年，星期六 （1）充分理解电路的

43、工作原理和电路结构，对电路输入输出量之间的逻辑关系，正常情况下信号的电平、波形、频率等做到心中有数。据此设计出科学的调试方法，包括选用的仪器设备，调试的步骤、每个步骤中检测的部位、如何人为设置电路工作状态进行测试等。（2）可以先进行静态测量，确定IC的电源、地、控制端的静态电平等直流工作状态是否正常后再进行动态测量，如果电路装配工艺比较好，也可以在动态测量发现问题后再进行静态测量。进行静、动态测量时应尽量保证测试条件与电路的实际工作状态相吻合。第71页，共81页，编辑于2022年，星期六 （3）在寻找故障时，可以按信号的流程对电路进行逐级测量，或由前往后,或由后向前；也可以根据电路的特点从关键

44、部位入手进行；或根据通电连接后系统的工作状态直接从电路的某一部分着手进行。（4）明确每次测量的意义，要了解什么，希望解决什么问题，一定要做到心中有数。从测量中掌握的各种数据、现象、观测到的信号波形等入手，通过分析、试验（调整）再开始新的测量,如此循环往复进行，就可以发现与排除故障，达到预定的设计目标。第72页，共81页，编辑于2022年，星期六 （5）在对电路进行检测、试验或调整的过程中，应掌握一些实用的检测方法，如对换法（将检测好的器件或电路代替怀疑有故障的器件或电路）、对比法（通过测量将故障电路与正常电路的状态、参数等进行逐项对比）、对分法（把有故障的电路根据逻辑关系分成两部分，确定是哪一

45、部分有问题，然后再对有故障的电路再次对分，直至找到故障所在）、信号注入法（根据电路的逻辑关系，人为设置输入端口电平或注入数字信号，观测电路的响应，判断故障所在）、信号寻迹法（从信号的流向入手，通过在电路中跟踪寻找信号，找出故障所在）。第73页，共81页，编辑于2022年，星期六 在数字电路中，由于不存在大功率、大电流、高电压的工作状态，电路故障一般都是装配过程中出现的挂锡、虚焊、元件插错等原因造成的，除非IC插反了方向或电源接错了极性，一般情况下，有源器件损坏的可能性较小。5）归纳总结 当电路能够正常工作以后，应将测试的数据、波形、计算结果等原始数据归纳保存，以备以后查阅。最后编写总结报告。总

46、结报告应对本设计的特点、所采用的设计技巧、存在的问题、解决的方法、电路的最后形式、电路达到的技术指标等进行必要的分析与阐述。第74页，共81页，编辑于2022年，星期六本章小结本章小结 学会采用各种中、大规模数字电路集成器件设计数字电路系统，是本课程的首要任务。本章设计制作了两个实用性很强的数字系统实例，由此可以深入了解数字电子技术在专业学习中的重要意义，同时对如何使读者将课堂中学到的知识用于实践起到很好的指导作用。第75页，共81页，编辑于2022年，星期六 数字电路系统的设计，应采取从整体到局部，再从局部到整体的设计方法。通过对系统的目标、任务、指标要求等的分析绘出系统的方框图是设计的第一

47、步；通过对每个框图作用的进一步分析，通过对各种数字电路器件的深入认识，合理设计每个框图中的实际电路是系统设计中最重要的内容，通过对电路的进一步分析、仿真、修改以使系统完善与优化，是系统设计的关键所在。第76页，共81页，编辑于2022年，星期六 系统装配与调试工作是验证理论设计，进一步修正设计方案的实践过程。数字系统的制作必须严格遵守相关工艺，按步骤进行。在调试数字系统时要充分理解电路的工作原理和电路结构，有步骤、有目的地进行。对系统进行检测时，应灵活运用“对换”、“对比”、“对分”、“信号注入”、“信号寻迹”等方法。第77页，共81页，编辑于2022年，星期六习题习题13131 简述图13.

48、1中各方框的作用。132 在霓虹灯控制电路中，定时器的作用是什么？133 在霓虹灯控制电路中，长度计数器在电路中的作用是什么？如果要控制64段霓虹灯，如何设计长度计数器？134 在霓虹灯控制电路中，4个74LS374的作用是什么，数据是如何从存储器传送到每段霓虹灯的？绘出74HC374第11脚的波形，解释为什么会得到这种波形。第78页，共81页，编辑于2022年，星期六135 图13.2中，三极管VT的作用是什么？136 简述课程设计制作的数字频率计的基本原理？137 简述上述数字频率计的基准时间是如何获得的？138 在图13.7中，为何不将计数器与显示译码器直接相连？如果直接相连，会出现什么

49、现象？139 分别阐述图13.7中，各与门的作用。13 10 图13.7中，JK触发器的作用是什么？13 11 在制作与调试数字系统时，应注意什么问题？第79页，共81页，编辑于2022年，星期六1 康华光电子技术基础北京：高等教育出版社,19872 李亚伯数字电路与系统北京：电子工业出版社,19973 陈晰数字电路技术基础北京：电子工业出版社,19995李元数字电路与逻辑设计南京：南京大学出版社,1997大学出版社,1989 6侯伯亨、顾新编著VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计西安：西安电子科技大学出版社,1998第80页，共81页，编辑于2022年，星期六7 王锁萍 电子设计自动化(EDA)教程成都：电子科技大学出版社,19998 郭斌 数字逻辑电路 北京：电子科技大学出版社,19959 曹汉房 数字电路的设计与解题技巧.北京：高等教育出版社,198910王振宇实验电子技术天津：天津 大学出版社，1989 11 程震先 数字电路实验与应用 北京：北京理工大学出版社,1989第81页，共81页，编辑于2022年，星期六