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項目十 數(shù)字電路的設計與實現(xiàn),10.1 數(shù)字電路設計與制作的一般方法 10.2 數(shù)字電路設計實例 本章小結,1,數(shù)字電路設計的基本方法; 數(shù)字電路設計實例。,熟練的掌握數(shù)字電路設計的基本方法； 能熟練完成數(shù)字電路的安裝與調試； 能完成數(shù)字電路設計說明書的編寫。,主要內容,主要技能,2,10.1 數(shù)字電路設計與制作的基本方法,在進行數(shù)字電路設計時,首先針對設計題目做認真的分析,明確任務和性能指標,然后做總體設計。在設計過程中，要根據(jù)具體情況，反復對設計方案進行論證，以求方案最佳。在整體方案確定后，可設計單元電路，選擇無器件，畫出原理草圖，實驗進行性能測試，最后畫總體電路圖，撰寫設計說明書。,設計原則：從整體到局部、再從局部到整體。,一、設計總體方案,10.1.1數(shù)字電路的設計方法,3,因為設計的途徑不是唯一的，滿足要求的方案也不止一個，所以為得到一個滿意的設計方案，往往要針對要求，大量查閱資料、手冊等工具，將多個方案進行分析與比較，從分析中找出認識最理想的入手進行設計，這是方案論證過程，再經過設計——驗證——再設計多次反復過程，才能達到目的。,總體設計方案用框圖表示。主要部分和難點可詳細一些，一般部分只能反映設計思想和基本原理就可能了。每一個方框表示一個小的功能單元，用表示信號流向的箭頭將各功能單元連接起來，構成一個系統(tǒng)。,總體設計的任務：為了完成設計任務，我們尋找一定功能的若干單元電路構成一個整體，滿足題目睥各項性能指標。,4,整點報時數(shù)字時鐘原理框圖：,5,單元電路的設計是整個電路設計的實質部分。將每一部分按照總體框圖的要求設計好，才能保證整體電路的質量。單元電路的設計步驟分為以下四步。,二、 單元電路的設計,第一步：根據(jù)總體方案對單元電路的要求，明確單元電路的功能、性能指標。注意各單元電路之間的輸入輸出信號的邏輯關系和時序關系，盡量避免使用電平轉換電路。,第二步：選擇設計單元電路的結構形式。通常選擇學過的熟悉的電路，或者通過查閱資料選擇更合適的、更先進的電路，在此基礎上高度改進，使電路的結構形式最佳。,6,在選擇電路時充分考慮經下幾個問題： （1）電路的功能滿足要求。 （2）電路的結構簡單、成本低 （3）電路的性能穩(wěn)定、通用性強。,第三步：計算單元電路的主要參數(shù)，從而確定元器件的類型。比如：振蕩電路，無論正弦波振蕩電路還時多諧振蕩電路都是通過電容的充放電實現(xiàn)振蕩的，為此要根據(jù)特定的信號頻率，計算出電路中電阻、電容的大小。,第四步：畫出單元電路電路圖。,7,數(shù)字電路設計時器件的選擇是很重要的，因為器件的選擇是否合理直接影響著電路的穩(wěn)定性，以及成本和成品體積大小等問題。選擇器件的原則是：在實現(xiàn)題目要求的前提下所選的器件最小、成本最低。最好采用同一種類型的集成電路，這樣不用考慮不同類型器件之間的連接匹配問題。不同種類的器件其電特性也不一樣，常用的器件是TTL和CMOS型。TTL電路的速度高，超高速TTL電路的平均傳輸時間約為10ns，中速TTL電路的傳輸時間也有50ns。CMOS電路的速度慢于TTL電路，但是CMOS電路的功耗低，輸出電壓幅度可調范圍大，抗干擾能力強。如果要求一定的輸出電流，TTL電路要強于CMOS電路。一般情況下，當要求高速時，多選用TTL器件；當要求低功耗時多選用CMOS器件。,三、元器件的選擇,8,單元電路和參數(shù)設計計算好，元器件選擇完后，則畫出總體電路圖。總體電路圖是電路實驗、調試及生產組裝的重要依據(jù)，所以電路圖畫好之后要進行審圖，檢查設計過程遺漏的問題，及時發(fā)現(xiàn)錯誤，進行修改，保證電路的正確性 繪電路圖要注意以下幾個問題：,四、 畫總體電路圖,畫電路圖時應注意信號的流向，通常是從信號源或輸入端畫起，從左至右從上至下按信號的流向依次畫出各單元電路。電路圖的大小位置要適中，不要把電路畫成窄長型。,連線要畫成水平線或豎直線。連線要盡量短、少拐彎，電源一般用標值的方法，地線可用地線符號代替。,9,對于復雜的電路，應先畫出草畫，待調整好布局和連線后，再畫出正式電路圖。,三、四端互相連接的交叉處用線應該用圓點畫出，否則表示跨越。,10.1.2 數(shù)字電路系統(tǒng)的安裝與調試,一、制作PCB 整體電路采用電子CAD繪制并制作出印制板電路。,二、檢測器件 在安裝之前，對所選用的器件進行測試是十分重要的，它可以減小因器件原因造成的電路故障，縮短設計試時間。,10,三、安裝元件 安裝時，集成電路最好通過插座與電路板連接，便于器件不小損壞后的更換。數(shù)字電路的布線一般比較緊密，焊點比較小，焊接過程中要小心。,四、電路調試 電路的調試分兩步進行：一是單元電路的調試、二是總體調試。只有通過調試使單元電路達到要求，總調才能順利進行。調試時注意以下幾點：,（1）充分理解電路的工作原理與電路結構、對電路的輸入與輸出的邏輯關系、正常情況下信號的電平、波形、頻率等要了解，根據(jù)這些信息設計出科學的調試方法。選用合理的儀器、調試的步驟、測試的內容等。,11,（2）一般先進行靜態(tài)調試，再進行動態(tài)調試。 （3）在查找故障時，可以按信號的流程對電路進行一級一級的測量，也可以根據(jù)電路的特點從關鍵部位入手。 （4）明確每次測量的意義，希望解決的問題，從測量中掌握的各種數(shù)據(jù)、現(xiàn)象、觀察到的信號波形入手，通過分析、試驗，了解與解決問題。 （5）在對電路進行檢測、試驗或調整的過程中，應掌握一些實用的檢測方法，如對換法：將好的器件或電路代替的懷疑有故障的器件或電路；對比法：通過測量將故障電路與正常電路的狀態(tài)、參數(shù)等進行對比；對分法：把有故障的電路根據(jù)邏輯關系分成兩部分，確定哪一部分的問題，鑄現(xiàn)款對的故障的電路再對分，直到查出問題為止；信號注入法：根據(jù)電,12,,（6）歸納總結，當電路能夠正常工作以后，應將測試的數(shù)據(jù)、波形、計算結果等原始數(shù)據(jù)保存，以備查閱。最后編寫總結報告。,路的邏輯關系人為設置輸入端口的數(shù)字信號或電平，觀測電路的響應，判斷故障原因；信號尋跡法；從信號的流向入手，在電路中跟蹤、尋找信號，查出故障所在。,13,10.2 數(shù)字電路設計實例,設計實例一：多路可編程控制器,設計要求： （1）可以控制每段霓虹燈的點亮或熄滅。 （2）每段霓虹燈的點與熄滅可以通過編程來實現(xiàn) （3）每間隔一時間，霓虹燈的圖樣變化一次； （4）圖樣的變化的間隔時間可以調節(jié)。,14,0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0,可編程控制電路,,,電路功能分析：,只要改變送到每段霓虹燈的數(shù)據(jù)，即可改變燈的顯示方式，顯然，如何產生數(shù)據(jù)并且能改變數(shù)據(jù)組合的方式 是實現(xiàn)此控制電路的關鍵。,15,一、系統(tǒng)方案設計：,控制門與定時器：控制門用于控制計數(shù)器脈沖是否到達地址計烽器?？刂崎T的信號來自定時器，定時器啟動時，控制門被關閉，地址計數(shù)器停止，寄存器的數(shù)據(jù)被鎖存。達到定時值時，定時器反相，計數(shù)器重新開始計數(shù)。,長度計數(shù)器：和地址計數(shù)器對應同個計數(shù)脈沖。計數(shù)器工作期間，存儲器對應地址的數(shù)據(jù)被移位到對應的寄存器。長度計數(shù)器達致電長度值時自動清零，同時啟動定時器工作。定時器啟動期間，長度計數(shù)器與地址計數(shù)器均被封閉。,只讀存儲器：通過編程已寫入控制燈的顯示方式的數(shù)據(jù)，控制器每間隔一定時間（顯示定時）將N位數(shù)據(jù)送到移位寄存器，所送的數(shù)據(jù)內容由存儲器的地址信號確定。,移位寄存器：用于寄存控制發(fā)光管亮滅的數(shù)據(jù)，對應N個燈移位寄存器有N個輸出。,地址計數(shù)器：用于產生由低到高；連續(xù)變化的只讀存儲器的地址。存儲器內對應的數(shù)據(jù)被送到移位寄存器。,16,每顯示一個狀態(tài)要32個數(shù)據(jù)，只讀存儲器是8位的，那么地址計數(shù)器應連續(xù)計數(shù)4次，產生4個相鄰的地址號，選取只讀存儲器中相鄰4個單元中的數(shù)據(jù)，送移位寄存器，再送到燈，因此，計數(shù)長度應為4。要求顯示完一個狀態(tài)時，保持0.2S時間，為此，當長度計數(shù)器計到4時，產生一個觸發(fā)脈沖，觸發(fā)一個單穩(wěn)態(tài)定時器定時，定時器工作時，將切斷地址計數(shù)器和長度計數(shù)器的計數(shù)脈沖。定時時間到，又恢復兩個計數(shù)器的計數(shù)脈沖，其中長度計數(shù)器從0開始計數(shù)，而地址計數(shù)器在剛才的基礎上繼續(xù)計數(shù)，,（1）燈數(shù)量:32只； （2）選用8位的移位寄存器和8位的只讀存儲器； （3）每個顯示狀態(tài)保持時間為0.2S。 （4）完整的顯示效果需要K幀畫面，每幀畫面需要32個數(shù)據(jù)。,１．參數(shù)設定,２．計算,二、具體參數(shù)設定、計算，以及單元電路設計,,17,幀：每顯示的一個狀態(tài)。 只讀存儲器容量：設完整的顯示效果需要K幀畫面，每幀畫面需要M個數(shù)據(jù)完成，則需要只讀存儲器的容量為：KXM。此處假設為16K。 地址計數(shù)器的位數(shù)N：2N=存儲器的字數(shù)=存儲器的容量/存儲器的位數(shù)。此處N=11位。 計數(shù)長度：顯示每幀所需要的數(shù)據(jù)數(shù)/只讀存儲器的位數(shù)。,又開始從只讀存儲器中讀出第二個顯示狀態(tài)所要的數(shù)據(jù)。以此類推。,（1）振蕩器：因精度要求不太高，555振蕩器電路滿足要求。 （2）定時器：555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，高電平觸發(fā)，暫穩(wěn)態(tài)為1態(tài)。,３．單元電路的設計,18,（2）長度計數(shù)器：用移位寄存器74LS194，確保在4個計數(shù)脈沖作用下，輸出按下列規(guī)律變化：0000~1000~1100~1110~1111，將Q3經過非門，在計數(shù)到4時產生負觸發(fā)脈沖，觸發(fā)單穩(wěn)壓觸發(fā)器，定時開始。 （3）地址計數(shù)器：共要11位地址號，選用3個74LS161通過級聯(lián)構成11位二進制計數(shù)器。 （4）控制門：用與非作控制門，進入與門的兩路信號分別是：計數(shù)脈沖和定時器輸出信號。 （5）只讀存儲器：計算所需要16K容量的存儲器，考慮一定的儲備量，因此選擇容量為64K的2764，13根地址線。這樣，多余兩條地址線接地。 （6）寄存器：選用8W位的寄存器74LS374，74LS374只有并入并出功能。,19,00000000001,工作過程再現(xiàn)：,1,00000001,00000001,2,00000000010,00000000,3,00000000011,00000000,4,00000000100,00000000,20,三、原理圖,21,受控制開關,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,振蕩器,局部放大：,長度計數(shù)器,22,四、電路調試方法與步驟 1．用示波器檢測由555組成的時鐘振蕩器輸出波形。正確結果，應在輸出端有幾千赫茲的矩形波信號。 2．用示波器測量定時器輸出波形，調整變位器使波形寬度約為0.2S。 3．檢測地址計數(shù)器是否能正常工作，將計數(shù)器的輸出接發(fā)光二極管，人為輸入手動計數(shù)脈沖，觀察輸出狀態(tài)是否能連續(xù)計數(shù)。 4．檢測長度計數(shù)器是否能正常工作，將計數(shù)器的輸出接發(fā)光二極管，人為輸入手動計數(shù)脈沖，觀察輸出狀態(tài)是否為0000-0001-0011-0111-1111變化。,23,只讀存儲器中部分單元存儲的數(shù)據(jù)表,24,設計實例二：數(shù)字頻率計的設計與制作,設計要求： （1）頻率計測量范圍:10~9999HZ。 （2）輸入電壓幅度:300mV~3V; （3）輸入信號波形:任意周期信號； （4）顯示位數(shù):4位; （5）電源：220V、50HZ,電路功能分析：,數(shù)字頻率計是直接用十進制數(shù)字來顯示被測信號頻率的一種測量裝置。頻率是周期信號在單位時間（1s）內變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T內測得這個周期信號,25,的重復變化次數(shù)N，則其頻率可表示為f=N/T=N。 頻率計的工作原理，先讓被測脈沖通過放大、整形后，經過開啟時間為1秒的閘門，并送入計數(shù)器時實顯示計數(shù)值，當閘門關閉后，計數(shù)器保持計數(shù)值，此值則為被測脈沖的頻率。 因此，數(shù)字頻率計數(shù)字頻率計電路應由電源電路時基電路、整形放大電路、控制電路、閘門電路、計數(shù)鎖存電路、脈沖形成電路和譯碼顯示電路組成。,26,一、系統(tǒng)方案設計,將頻率為50HZ的市電降壓后全波整得頻率為100HZ的全波整流波形。,將100HZ的全波整流波形通過施密特觸發(fā)器整形為脈沖信號。,將100HZ的脈沖信號經過100分頻得1HZ信號。,將被測量信號放大到幅值約5V左右。,將被測量信號整形后得到脈沖信號。,將整形后的脈沖信號通過開啟時間為1S的閘門。,被測信號通過計數(shù)器時實計數(shù)。,信號變化頻率太快時，來不及顯示，經過鎖存器，可將穩(wěn)定的計數(shù)鎖存起來長時間顯示。,27,二、具體參數(shù)設定、計算，以及單元電路設計：,1．全波整流與整形電路：采用全波整電路將50HZ市電整形為 頻率為100HZ的全波波形，選用施密特觸發(fā)器74HC14整形后得 信號，波形如下圖所示。,2．分頻器：將100HZ信號經過100分頻，則可得1S，選用8位 進制計數(shù)器74HC4024，通過異步清零法實現(xiàn)100進制計數(shù)器。,28,3．放大電路：選用運放電路。電路要求測量的最小信號幅度為300mV，為此，放大電路的放大倍數(shù)設定為20倍，幅度300mV的電壓放大后幅度約為6V。若R2=1K，那么R3=20K。,29,5．閘門電路：選用兩個與門作為閘門，一個閘門控制計數(shù)器在1S時間內計數(shù)，另一個閘門控制鎖存器在1S時間結果后鎖存數(shù)據(jù)，實時顯示。,6．計數(shù)器：計數(shù)值要達9999，并且要求顯示，為此選用10進制計數(shù)器。CD4518是雙十進制計數(shù)器，故需要2片。當JK觸發(fā)器Q輸出高電平時，閘門打開，計數(shù)脈沖送到計數(shù)器，計數(shù)器計數(shù)，當JK觸發(fā)器Q輸出低電平時，閘門關閉，計數(shù)器停止計數(shù)。,30,閘門,閘門,計數(shù)器的清零信號是在鎖存器開始工作并保持了10mS后才進行的。,三、原理示意圖,31,局部放大：,32,1．基準時間檢測： 用示波器分別檢測其次時間計數(shù)器和分頻器輸出的波形，判斷是否為正常輸出。 2．輸入檢測信號： 從被測信號輸入端輸入幅值在1V左右、頻率為1KHZ左右的正弦信號，如果電路正常，則數(shù)碼管可以顯示被測量信號的頻率。如是顯示不正常，則做進一步檢測。 3．輸入放大與整形電路檢測： 用示波器觀測整形電路的輸出波形。正常情況下，可以觀測到也輸入頻率一致，信號幅值為5V左右的矩形波。 4．控制門檢測：用發(fā)光二極管檢測兩個控制門輸出信號，正常情況下，應能觀察到每1S有一個矩形波形。,四、電路調試方法,33,5．計數(shù)器電路：將計數(shù)器的輸出接發(fā)光二極管，人為輸入手動計數(shù)脈沖，觀察輸出狀態(tài)是否能連續(xù)計數(shù)。 6．鎖存器電路：將計數(shù)器輸出與鎖存器相連接，再將鎖存器輸出接發(fā)光二極管，正常情況下，給74LS374的CLK高電平，鎖存器的輸出應與計數(shù)器輸出同步變化，當給CLK低電平時，鎖存器輸出保持不變。,34,本章小結,數(shù)字電路系統(tǒng)的設計，應采用從整體到局部，再從局部到整體的設計方法。通過對系統(tǒng)的目標、任務、指標要求的了解設計出系統(tǒng)的組成，通過對每個功能組成部分的進一步分析，設計出實際單元電路，再對電路進行整組成、仿真、實現(xiàn)進一步完善設計和優(yōu)化設計。 系統(tǒng)裝配與調試工作是驗證理論設計，進一步修正方案的實踐過程。在調試數(shù)字系統(tǒng)時要充分理解電路的原理與結構，有步驟、有目的地進行，應靈活運用“對換”、對比、對分、信號注入、信號尋跡等方法。,35,作 業(yè),13.3、13.4、13.7、13.9、13.11,36,