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1、数字电路设计第1页，本讲稿共23页 在电子技术领域里，用来对数字信号进行采集、在电子技术领域里，用来对数字信号进行采集、加工、传送、运算和处理的装置称为数字系统。一加工、传送、运算和处理的装置称为数字系统。一个完整的数字系统往往包括输入电路、输出电路、个完整的数字系统往往包括输入电路、输出电路、控制电路、时基电路和若干子系统等五部分，如下控制电路、时基电路和若干子系统等五部分，如下图所示。各部分具有相对的独立性，在控制电路的图所示。各部分具有相对的独立性，在控制电路的协调和指挥下完成各自的功能，其中控制电路是整协调和指挥下完成各自的功能，其中控制电路是整个系统的核心。个系统的核心。输入电路输入
2、电路控制电路控制电路输出电路输出电路子系统子系统子系统子系统子系统子系统时基电路时基电路第2页，本讲稿共23页1、输入电路、输入电路 输入电路的任务是将各种外部信号变换成数字电输入电路的任务是将各种外部信号变换成数字电路能够接受和处理的数字信号。外部信号通常可分路能够接受和处理的数字信号。外部信号通常可分为模拟信号和开关信号两大类，如声、光、电、温为模拟信号和开关信号两大类，如声、光、电、温度、压力及位移等物理量属于模拟信号，而开关的度、压力及位移等物理量属于模拟信号，而开关的闭合与打开、管子的导通与截止等属于开关量。这闭合与打开、管子的导通与截止等属于开关量。这些信号都必须通过输入电路变换成
3、数字电路能够接些信号都必须通过输入电路变换成数字电路能够接受的二进制逻辑电平。受的二进制逻辑电平。2、输出电路、输出电路 输出电路是将经过数字电路运算和处理之输出电路是将经过数字电路运算和处理之后的数字信号变换成模拟信号或开关信号去后的数字信号变换成模拟信号或开关信号去推动执行机构。推动执行机构。第3页，本讲稿共23页3、子系统、子系统 子系统是对二进制信号进行算术运算或逻辑运算以子系统是对二进制信号进行算术运算或逻辑运算以及信号传输等功能的电路，每个子系统完成一项相对及信号传输等功能的电路，每个子系统完成一项相对独立的任务，即某种局部的工作。子系统又称为单元独立的任务，即某种局部的工作。子系
4、统又称为单元电路。电路。4、控制电路、控制电路 控制电路将外部输入信号以及各子系统送来的控制电路将外部输入信号以及各子系统送来的信号进行综合、分析，发出控制命令去管理输入、信号进行综合、分析，发出控制命令去管理输入、输出电路及各子系统，使整个系统同步协调、有输出电路及各子系统，使整个系统同步协调、有条不紊地工作。条不紊地工作。5、时基电路、时基电路产生系统时钟，使整个系统在时钟信号的作用下一产生系统时钟，使整个系统在时钟信号的作用下一步一步地顺序完成各种工作。步一步地顺序完成各种工作。第4页，本讲稿共23页二、数字系统的类型二、数字系统的类型1、在数字系统中，有的全是由硬件电路来完成所有任、在
5、数字系统中，有的全是由硬件电路来完成所有任务，有的除硬件电路外，还需要加上软件，即使用可务，有的除硬件电路外，还需要加上软件，即使用可编程器件，采用软硬结合的方法完成电路功能。编程器件，采用软硬结合的方法完成电路功能。因此，根据系统中有无可编程器件，数字系统可分为因此，根据系统中有无可编程器件，数字系统可分为可编程和不可编程两大类。可编程器件最典型的是微处可编程和不可编程两大类。可编程器件最典型的是微处理器，一片微处理器配上若干外围芯片构成硬件电路，理器，一片微处理器配上若干外围芯片构成硬件电路，再加上相应的软件就构成一个功能很强的应用系统。除再加上相应的软件就构成一个功能很强的应用系统。除微
6、处理器外，目前还有各种可编程逻辑器件，如微处理器外，目前还有各种可编程逻辑器件，如ROM、PAL、GAL、FPGA、CPLD以及各种可编程接口电路，以及各种可编程接口电路，这些器件的功能均可以通过软件编程来实现。这些器件的功能均可以通过软件编程来实现。第5页，本讲稿共23页2、根据数字系统所完成的任务性质还可将其、根据数字系统所完成的任务性质还可将其分成数字测量系统、数字通信系统和数字控分成数字测量系统、数字通信系统和数字控制系统三大类。制系统三大类。关于微处理器和可编程逻辑器件的数字系统设计关于微处理器和可编程逻辑器件的数字系统设计以后再讨论。以后再讨论。三、数字系统的设计步骤三、数字系统的
7、设计步骤 由于每个课题的设计任务各不相同，则设由于每个课题的设计任务各不相同，则设计的数字系统规模有大有小，电路的结构也计的数字系统规模有大有小，电路的结构也有繁有简。而课程设计，由于时间有限不可有繁有简。而课程设计，由于时间有限不可能做的太大，一般均为小系统。能做的太大，一般均为小系统。在应用中，小系统的设计是很有用处的。而在应用中，小系统的设计是很有用处的。而且，掌握了数字小系统的设计可以为更大规模且，掌握了数字小系统的设计可以为更大规模的系统设计奠定基础。的系统设计奠定基础。第6页，本讲稿共23页分析设计要求，明确性能指标分析设计要求，明确性能指标总体方案比较与选择（画出系统框图）总体方
8、案比较与选择（画出系统框图）进行单元电路设计进行单元电路设计是否采用时序电路是否采用时序电路？列状态转换表列状态转换表 状态分配并化简状态分配并化简由卡诺图化简，求出状态方程由卡诺图化简，求出状态方程写出驱动方程和输出方程写出驱动方程和输出方程按组合电路方法设计按组合电路方法设计确定输入、输出变量确定输入、输出变量 列真值表列真值表 写逻辑表达式写逻辑表达式 选用选用LSI？选用选用MSI?画出各单元电路画出各单元电路 画系统逻辑图画系统逻辑图 选用选用SSINNNYYYMSI设计设计微处理微处理器或器或FPGA等等数字系统设计的一般流程数字系统设计的一般流程第7页，本讲稿共23页1、分析设计
9、要求，明确性能指标、分析设计要求，明确性能指标 具体做设计之前，必须仔细分析课题要求、性能、指具体做设计之前，必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等。分清楚要设计的电路属于何种类型，标及应用环境等。分清楚要设计的电路属于何种类型，输入信号如何获得，输出执行装置是什么，工作电压、输入信号如何获得，输出执行装置是什么，工作电压、电流参数是多少，主要性能指标如何等等。然后查找相电流参数是多少，主要性能指标如何等等。然后查找相关资料，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框关资料，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。图。2、确定总体方案、确定总体方案 对各种方案进行比较，在能完成课题要求
10、的对各种方案进行比较，在能完成课题要求的功能和性能指标的前提下，以电路的先进性、结功能和性能指标的前提下，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低、制作的难易及功能的可构的繁简、成本的高低、制作的难易及功能的可扩展性等多方面作综合比较，最后确定一种可行扩展性等多方面作综合比较，最后确定一种可行方案。方案。第8页，本讲稿共23页3、设计各子系统（或单元电路）、设计各子系统（或单元电路）每一个子系统一般均能归结为组合电路与时序电每一个子系统一般均能归结为组合电路与时序电路两大类，这些电路的设计方法数字电路教材中已路两大类，这些电路的设计方法数字电路教材中已论述。应该指出，子系统的设计和整个系统设计一
11、论述。应该指出，子系统的设计和整个系统设计一样，也存在指标的确定和方案的比较问题。样，也存在指标的确定和方案的比较问题。子系统的技术指标的确定应根据前后电路的要子系统的技术指标的确定应根据前后电路的要求求得。子系统的实现方案仍然是多种多样的，求求得。子系统的实现方案仍然是多种多样的，而且亦有采用什么电路的问题，如用而且亦有采用什么电路的问题，如用SSI、MSI和和LSI及用软件还是硬件来实现的问题。在设计时，及用软件还是硬件来实现的问题。在设计时，应尽可能选用合适的现成电路，芯片的选用应优应尽可能选用合适的现成电路，芯片的选用应优先使用中、大规模电路，这样做不仅能简化设计，先使用中、大规模电路
12、，这样做不仅能简化设计，而且有利于提高系统的可靠性。而且有利于提高系统的可靠性。第9页，本讲稿共23页4、控制电路的设计、控制电路的设计 控制电路的功能诸如系统清零、复位、安排各子控制电路的功能诸如系统清零、复位、安排各子系统的时序先后及启动停止等，在整个系统中起核心系统的时序先后及启动停止等，在整个系统中起核心和控制作用。设计时，根据控制电路的任务和时序关和控制作用。设计时，根据控制电路的任务和时序关系反复构思电路，选用合适的器件，使其达到功能要系反复构思电路，选用合适的器件，使其达到功能要求。求。5、绘制系统电原理图、绘制系统电原理图 各部分子系统设计完成后，要绘制总系统逻辑图各部分子系统
13、设计完成后，要绘制总系统逻辑图（亦称电原理图）。（亦称电原理图）。第10页，本讲稿共23页四、实用数字单元电路举例四、实用数字单元电路举例1、时基电路、时基电路1）、用）、用CMOS门电路构成震荡器门电路构成震荡器如图（如图（1）所示。震荡周期）所示。震荡周期T（1.42.2）RC。由由CMOS门电路构成的震荡器门电路构成的震荡器适合于低频段工作，若元件选适合于低频段工作，若元件选择合适下限频率可达到择合适下限频率可达到1Hz。2）、）、TTL门电路构成震荡器门电路构成震荡器11CR图图1由由TTL门电路构成的震荡器的工门电路构成的震荡器的工作频率可比作频率可比CMOS提高一个提高一个数量级。
14、在图（数量级。在图（2）中）中R1、R2一般取值一般取值1K左右，左右，C1、C2取值取值100PF100uF，输出频率为几兆赫至几十兆赫。，输出频率为几兆赫至几十兆赫。11C1C2R1R2图图2第11页，本讲稿共23页3）、用）、用555定时器构成振荡器定时器构成振荡器用用555定时器构成的振荡器可产生几赫至几兆赫的矩定时器构成的振荡器可产生几赫至几兆赫的矩形波信号。形波信号。T=（R1+R2）Cln2+R2Cln2 双极性定时器电源电压范围为双极性定时器电源电压范围为316V，最大负载，最大负载电流可达电流可达200mA；CMOS定时器电源电压范围为定时器电源电压范围为318V，最大负载电
15、流在，最大负载电流在4mA以下。频率稳定度最以下。频率稳定度最高能达到高能达到0.1%。5558 4762351VcVCCfOR1R2C0.01F第12页，本讲稿共23页4）、石英晶体振荡器）、石英晶体振荡器石英晶体的电路符号及阻抗频率特性石英晶体的电路符号及阻抗频率特性0感性感性容性fX11RRC2C1G1G2fSfP 图中图中R的作用是使的作用是使G1和和G2工作在线性工作在线性放大区。对放大区。对TTL电路取电路取1K2K之间；对之间；对CMOS门取门取10100M。C1用于两个反相器的耦合，用于两个反相器的耦合，C2用于抑制高次谐波。用于抑制高次谐波。C2的选的选择应使择应使2 RC2
16、fS 1，使，使RC2并联网络在并联网络在Fs处产生极点，以减少处产生极点，以减少谐振信号的衰减。谐振信号的衰减。石英晶体振荡器具有极高的频率稳定度，且其振荡频石英晶体振荡器具有极高的频率稳定度，且其振荡频率由石英晶体决定。率由石英晶体决定。第13页，本讲稿共23页2、计数电路、计数电路1）、用）、用SSI设计计数器（略）设计计数器（略）2）、用）、用MSI芯片设计任意进制计数器芯片设计任意进制计数器 反馈复位（置数）法反馈复位（置数）法：A、用、用74LS161实现实现6进制计数器进制计数器：RD161ETEPCPABCDQAQBQCQDLDRCO11CPABCDQAQBQCQDLDRCO1
17、1CP160ETEPRDB、74LS160十进制加法计数器与十进制加法计数器与161（或（或160）接成）接成60进制计数器进制计数器ABCDQAQBQCQDLDRCO11CP161ETEPRD第14页，本讲稿共23页3、驱动显示电路、驱动显示电路1）、发光二极管驱动显示电路）、发光二极管驱动显示电路AVCC3DKR2LEDR1ABVCCR37406LEDR3=VCC-VFIF2）、数码管静态驱动电路）、数码管静态驱动电路117447YaYbYgBI/RBOA0A1A2A3LT RBIABCDVCCYaYbYgBI/RBOA0A1A2A3LT RBIABCD744811共阳极数码管，共阳极数码
18、管，如如BS204共阴极数码共阴极数码管，如管，如BS205第15页，本讲稿共23页五、数字电子计时器的设计提示五、数字电子计时器的设计提示1、数字电子计时器的结构框图、数字电子计时器的结构框图数数 字字 显显 示示译码器译码器计数器计数器译码器译码器计数器计数器译码器译码器计数器计数器译码器译码器计数器计数器译码器译码器计数器计数器译码器译码器计数器计数器校时控制校时控制分频器分频器晶振晶振1Hz第16页，本讲稿共23页2 2、校时电路、校时电路:当当刚刚接接通通电电源源或或时时钟钟走走时时出出现现误误差差时时,都都需需要要进进行行时时间间的的校校准准。校校时时是是数数字字钟钟应应具具有有的
19、的基基本本功功能能，一一般般电电子子钟钟都都有有时时、分分、秒秒校校时功能。为使电路简单，这里只进行分和小时的校准。时功能。为使电路简单，这里只进行分和小时的校准。校校时时可可采采用用快快校校时时和和慢慢校校时时两两种种方方式式。校校时时脉脉冲冲采采用用秒秒脉脉冲冲，则则为为快快校校时时；如如果果消消失失脉脉冲冲由由单单次次脉脉冲冲产产生生器器提提供供则则为为慢慢校校时时。下下图图中中C1、C2用用于于消消除抖动。除抖动。秒十位进位脉冲S1校时脉冲0.01F0.01F11至时个位计数器至分个位计数器分十位进位脉冲S2+5V3.3KC2C13.3K第17页，本讲稿共23页3、时间予置电路、时间予
20、置电路 预预置置时时间间可可用用开开关关直直接接操操作作，构构成成所所需需的的数数码码送送入入计计数数器器的的置置数数端端；或或是是用用拨拨码码盘盘与与计计数数器器的的各各置置数数端端相相连连，构构成成时时间间预预置置电电路路如如下下图图所所示示。亦可采用亦可采用8421编码器与拨码盘相连，构成时间预置电路。编码器与拨码盘相连，构成时间预置电路。000000010010001101000101011001111000100188、944、5、6、722、3、6、711、3、5、7、9第18页，本讲稿共23页五、数字电路的安装与调试五、数字电路的安装与调试1、电路安装、电路安装1）、整体结构的布
21、局：）、整体结构的布局：重心平衡、单板还是多板结构、重心平衡、单板还是多板结构、板与板之间的连接、模拟地与数字板与板之间的连接、模拟地与数字地的分割等。地的分割等。2）、安装前的测试（芯片或单元电路的功）、安装前的测试（芯片或单元电路的功能验证）能验证）3）、抗干扰问题）、抗干扰问题2、电路调试、电路调试第19页，本讲稿共23页1）|调试方法调试方法分块调试与整体调试分块调试与整体调试2）、调试步骤）、调试步骤通电前的检查、分块调试、静态调试、动态调试、通电前的检查、分块调试、静态调试、动态调试、整机联调。整机联调。3、参数测试、参数测试第20页，本讲稿共23页数字电子技术课程设计任务书数字电
22、子技术课程设计任务书一、题目：数字电子计时器的设计二、设计要求：1、用中、小规模TTL组件设计一个能显示时、分、秒的数字钟。要求具有校时功能。2、在通用板上焊接安装、调试成功，即算完成。3、编写设计报告。设计报告要求有：方案选择、各部分的工作原理及设计过程、器件选择、调试方案与步骤、测试结果、操作说明、心得体会及电气原理图。4、设计时间：11月18日11月25日一、器材和元器件可 预 置 4位 二 进 制 计 数 器（74LS161），二、五、十 进 制 计 数 器（74LS290），同步十进制计数器（74LS160），译码驱动器（74LS48），二输入四与非门（74LS00），三输入三与非门
23、（74LS10），双JK触发器（74LS76），555定时器，数字通用板，七段共阴极数码管（LED），电阻和导线等。第21页，本讲稿共23页一、仪器和设备稳压电源（或数字逻辑学习机），双宗示波器，数字万用表和电烙铁等。二、参考文献1、电子技术基础课程设计指南清华大学出版社、焦宝文主编；2、电子线路设计大全华中科技大学出版社、陈碗儿主编3、数字电子技术基础清华大学出版社、阎石主编4、TTL集成电路大全电子工业出版社三、评分标准1、设计方案合理、原理介绍正确与否；2、制作工艺美观与否；3、设计报告质量好坏；4、是否在规定时间内完成（含交报告的时间）；5、完成基本部分的最高分为良，有扩展或发挥功能的可视情况打优。第22页，本讲稿共23页第23页，本讲稿共23页