數(shù)字電路綜合設(shè)計(jì)案例

1、數(shù)字電路綜合設(shè)計(jì)案例8.1 十字路口交通管理器一、要求設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口交通管理器，該管理器自動(dòng)控制十字路口兩組紅、黃、綠三色交通燈，指揮各種車輛和行人安全通過。二、技術(shù)指標(biāo)1、交通管理器應(yīng)能有效操縱路口兩組紅、黃、綠燈，使兩條交叉道路上的車輛交替通行，每次通行時(shí)間按需要和實(shí)際情況設(shè)定。2、在某條道路上有老人、孩子或者殘疾人需要橫穿馬路時(shí)，他們可以舉旗示意，執(zhí)勤人員按動(dòng)路口設(shè)置的開關(guān)，交通管理器接受信號(hào)，在路口的通行方向發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)，響應(yīng)上述請求信號(hào)，讓人們橫穿馬路，這條道上的車輛禁止通行，即管理這條道路的紅燈亮。3、橫穿馬路的請求結(jié)束后，管理器使道口交通恢復(fù)交替通行的正常狀態(tài)。三、設(shè)計(jì)原理和過程

2、：本課題采用自上而下的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。1確定交通管理器邏輯功能、十字路口每條道路各有一組紅、黃、綠燈，用以指揮車輛和行人有序地通行。其中紅燈亮表示該條道路禁止通行；黃燈亮表示停車；綠燈亮表示通行。因此，十字路口車輛運(yùn)行情況有以下幾種可能：甲道通行，乙道禁止通行；甲道停車線以外的車輛禁止通行（必須停車），乙道仍然禁止通行，以便讓甲道停車線以內(nèi)的車輛安全通過；甲道禁止通行，乙道通行；甲道仍然不通行，乙道停車線以外的車輛必須停車，停車線以內(nèi)的車輛順利通行。、每條道路的通車時(shí)間（也可看作禁止通行時(shí)間）為30秒2分鐘，可視需要和實(shí)際情況調(diào)整，而每條道路的停車時(shí)間即黃燈亮的時(shí)間為5秒10秒，且也可調(diào)整。、響

3、應(yīng)老人、孩子或殘疾人特殊請求信號(hào)時(shí)，必須在一次通行禁止情況完畢后，阻止要求橫穿的那條馬路上車輛的通行。換句話說，使另一條道路增加若干通行時(shí)間。設(shè)S1和S2分別為請求橫穿甲道和乙道的手控開關(guān)，那么，響應(yīng)S1或S2的時(shí)間必定在甲道通乙道禁止或甲道禁止乙道通兩種情況結(jié)束時(shí)，且不必過黃燈的轉(zhuǎn)換。這種規(guī)定是為了簡化設(shè)計(jì)。由上述邏輯功能，畫出交通管理器的示意圖如圖8-1所示，它的簡單邏輯流程圖如圖8-2所示。示意圖中甲道的紅、黃、綠燈分別用R、Y、G表示，而乙道的紅、黃、綠燈分別用r、y、g表示。簡單邏輯流程圖中設(shè)定通行（禁止）時(shí)間為60秒，停車時(shí)間為10秒。 2確定系統(tǒng)方案及邏輯劃分由確定的邏輯功能，進(jìn)

4、而來具體地討論實(shí)施方案。交通管理器與其他數(shù)字系統(tǒng)一樣，劃分成控制器和受控電路兩部分，控制器送出對受控部分的控制信號(hào)，它接受來自外部的請求信號(hào)S1和S2以及受控部分的反饋信號(hào)，決定自身狀態(tài)轉(zhuǎn)換方向以及輸出信號(hào)。 設(shè)定S1=1時(shí)為有人要橫穿甲道，又設(shè)定S2=1時(shí)為有人要橫穿乙道，若S1=0，且S2=0，則表示沒有穿越馬路的特殊請求。S1和S2信號(hào)均用紐子開關(guān)產(chǎn)生。 控制器應(yīng)送出甲、乙道紅、黃、綠燈的控制信號(hào)。為簡便起見，我們把燈的代號(hào)和驅(qū)動(dòng)燈的信號(hào)合而為一，因此有如下規(guī)定：R=1 甲道紅燈亮Y=1 甲道黃燈亮 G=1 甲道綠燈亮 r=1 乙道紅燈亮 y=1 乙道黃燈亮g=1 乙道綠燈亮同時(shí)又作以下

5、規(guī)定：甲道通行、乙道禁止的一段時(shí)間內(nèi)，即G=1，r=1的時(shí)間內(nèi)（假設(shè)調(diào)定為60秒），用符號(hào)W=0表示，否則W=1。乙道通行、甲道禁止的一段時(shí)間內(nèi)，即g=1，R=1的時(shí)間內(nèi)（假設(shè)也調(diào)定為60秒），用符號(hào)P=0表示，否則P=1。 在黃燈亮的時(shí)間內(nèi)（假設(shè)調(diào)定為10秒），用L=0表示，否則L=1。在上述各種情況時(shí)，如果無特殊請求橫穿馬路，那么，甲、乙道交替通行60秒鐘，轉(zhuǎn)換時(shí)有10秒鐘的停車或準(zhǔn)備時(shí)間。（3）當(dāng)交通控制處于甲禁止乙通行的狀態(tài)時(shí)，它只響應(yīng)S1信號(hào)，因?yàn)槿鬝2=1時(shí)，只需本狀態(tài)結(jié)束，經(jīng)過10秒鐘就轉(zhuǎn)入甲通乙不通狀態(tài)，行人可以穿越乙道，這樣做的目的是為了簡化設(shè)計(jì)。在甲通乙不通的狀態(tài)時(shí)，管理器

6、能響應(yīng)S1信號(hào)，控制器受到S1信號(hào)后，狀態(tài)轉(zhuǎn)換為甲禁止、乙通行狀態(tài)；如果S1=0，而控制器收到S2=1信號(hào)，則維持甲道通行、乙道禁止?fàn)顟B(tài)，讓行人通過乙道。（4）為使交通管理器按照規(guī)定的通行和停車時(shí)間有效地工作，故設(shè)置秒脈沖信號(hào)發(fā)生器，它作為整個(gè)電路的時(shí)鐘信號(hào)和定時(shí)電路的參考間。秒脈沖發(fā)生器的構(gòu)成請參閱“數(shù)字鐘”的有關(guān)內(nèi)容。設(shè)計(jì)者亦可安裝一個(gè)模擬性的簡單的秒信號(hào)發(fā)生器。（5）管理器設(shè)置60秒通行時(shí)間和10秒停車時(shí)間的定時(shí)電路。定時(shí)電路接受控制器送來C1（甲道禁止乙道通行）和C2（甲道通行乙道禁止）信號(hào)，驅(qū)動(dòng)60秒定時(shí)電路工作，它接受C3信號(hào)，驅(qū)動(dòng)10秒定時(shí)電路運(yùn)行，定時(shí)電路的參考時(shí)間就是秒脈沖。

7、申明一點(diǎn)：定時(shí)電路的定時(shí)時(shí)間可由設(shè)計(jì)者調(diào)整。定時(shí)電路的輸出信號(hào)是W、P、L，其中W和P是60秒定時(shí)結(jié)束時(shí)饋送給控制器的信號(hào)，而L是10秒定時(shí)結(jié)束時(shí)定時(shí)電路送到控制器的反饋信號(hào)。控制器根據(jù)這些信號(hào)的狀況，發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變換。（6）控制器的狀態(tài)經(jīng)譯碼器譯出交通信號(hào)燈的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)甲、乙道相應(yīng)燈點(diǎn)亮?，F(xiàn)在就可以畫出交通管理器的結(jié)構(gòu)組成圖如圖8-3所示。而它的控制器的詳細(xì)邏輯流程圖可用圖8-4示出。控制器的輸出已在流程圖各工作塊的外側(cè)標(biāo)明。 3受控電路的硬件設(shè)計(jì) 由于受控電路的組成已經(jīng)明確，現(xiàn)在的問題是如何選擇具體的器件來實(shí)現(xiàn)。在此作簡明介紹。 秒脈沖信號(hào)發(fā)生器秒脈沖是交通管理器的時(shí)間基準(zhǔn)，秒脈沖發(fā)

8、生器可以參照數(shù)字鬧鐘課題內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源。由于本課題對秒信號(hào)穩(wěn)定度、精度的要求并不高，因此建議用一般的環(huán)形震蕩器組成，電路如圖8-5所示。其中邏輯門選用74LS00四與非門。由于該電路輸出信號(hào)的周期約為T=2.2RC在保證(R+Re)300mV 。 （ 3 ）輸入信號(hào)波形：任意周期信號(hào)。 （ 4 ）顯示位數(shù)： 4 位。 （ 5 ）電源： 220V 、 50Hz 四、所需儀器設(shè)備與器件 示波器、音頻信號(hào)發(fā)生器、邏輯筆、萬用表、數(shù)字集成電路測試儀、直流穩(wěn)壓電源。 五、設(shè)計(jì)內(nèi)容、方法與步驟： 1 設(shè)計(jì)內(nèi)容 1 ）數(shù)字頻率計(jì)的基本原理 數(shù)字頻率計(jì)的主要功能是測量周期信號(hào)的頻率。頻率是單位時(shí)間（ 1S ）

9、內(nèi)信號(hào)發(fā)生周期變化的次數(shù)。如果我們能在給定的 1S 時(shí)間內(nèi)對信號(hào)波形計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果顯示出來，就能讀取被測信號(hào)的頻率。數(shù)字頻率計(jì)首先必須獲得相對穩(wěn)定與準(zhǔn)確的時(shí)間，同時(shí)將被測信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識(shí)別的脈沖信號(hào)，然后通過計(jì)數(shù)器計(jì)算這一段時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，將其換算后顯示出來。這就是數(shù)字頻率計(jì)的基本原理。 2 ）系統(tǒng)框圖 從數(shù)字頻率計(jì)的基本原理出發(fā)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，得到如圖 8.3 所示的電路框圖。 下面介紹框圖中各部分的功能及實(shí)現(xiàn)方法 （ 1 ）電源與整流穩(wěn)壓電路 框圖中的電源采用 50Hz 的交流市電。市電被降壓、整流、穩(wěn)壓后為整個(gè)系統(tǒng)提供直流電源。系統(tǒng)對電源的要求不高，可以采用

10、串聯(lián)式穩(wěn)壓電源電路來實(shí)現(xiàn)。 （ 2 ）全波整流與波形整形電路 本頻率計(jì)采用市電頻率作為標(biāo)準(zhǔn)頻率，以獲得穩(wěn)定的基準(zhǔn)時(shí)間。按國家標(biāo)準(zhǔn)，市電的頻率漂移不能超過 0.5Hz ，即在 1 的范圍內(nèi)。用它作普通頻率計(jì)的基準(zhǔn)信號(hào)完全能滿足系統(tǒng)的要求。全波整流電路首先對 50Hz 交流市電進(jìn)行全波整流，得到如圖 8.4 （ a ）所示 100Hz圖 8.3 數(shù)字頻率計(jì)框圖的全波整流波形。波形整形電路對 100Hz 信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為如圖 8.4(b) 所示 100Hz 的矩形波。 圖 8.4 全波整流與波形整形電路的輸出波形 波形整形可以采用過零觸發(fā)電路將全波整流波形變?yōu)榫匦尾?，也可采用施密特觸發(fā)器進(jìn)行整

11、形。 （ 3 ）分頻器 分頻器的作用是為了獲得 1S 的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。電路首先對圖 8.4 所示的 100Hz 信號(hào)進(jìn)行 100 分頻得到如圖 8.5 （ a ）所示周期為 1S 的脈沖信號(hào)。然后再進(jìn)行二分頻得到如圖 8.5 （ b ）所示占空比為 50 脈沖寬度為 1S 的方波信號(hào)，由此獲得測量頻率的基準(zhǔn)時(shí)間。利用此信號(hào)去打開與關(guān)閉控制門，可以獲得在 1S 時(shí)間內(nèi)通過控制門的被測脈沖的數(shù)目。 分頻器可以采用第 5 章介紹過的方法，由計(jì)數(shù)器通過計(jì)數(shù)獲得。二分頻可以采用 觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)。 （ 4 ）信號(hào)放大、波形整形電路 為了能測量不同電平值與波形的周期信號(hào)的頻率，必須對被測信號(hào)進(jìn)行放大與整形處理，圖

12、 8.5 分頻器的輸出波形使之成為能被計(jì)數(shù)器有效識(shí)別的脈沖信號(hào)。信號(hào)放大與波形整形電路的作用即在于此。信號(hào)放大可以采用一般的運(yùn)算放大電路，波形整形可以采用施密特觸發(fā)器。 （ 5 ）控制門 控制門用于控制輸入脈沖是否送計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。它的一個(gè)輸入端接標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)，一個(gè)輸入端接被測脈沖。控制門可以用與門或或門來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采用與門時(shí)，秒信號(hào)為正時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)采用或門時(shí)，秒信號(hào)為負(fù)時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)。 （ 6 ）計(jì)數(shù)器 計(jì)數(shù)器的作用是對輸入脈沖計(jì)數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，最高測量頻率為 9999Hz ，應(yīng)采用 4 位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器?？梢赃x用現(xiàn)成的 10 進(jìn)制集成計(jì)數(shù)器。 （ 7 ）鎖存器 在確定的時(shí)間（ 1S ）內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)

13、結(jié)果（被測信號(hào)頻率）必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。鎖存器的作用是通過觸發(fā)脈沖控制，將測得的數(shù)據(jù)寄存起來，送顯示譯碼器。鎖存器可以采用一般的 8 位并行輸入寄存器，為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定，最好采用邊沿觸發(fā)方式的器件。 （ 8 ）顯示譯碼器與數(shù)碼管 顯示譯碼器的作用是把用 BCD 碼表示的 10 進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管正常顯示的段信號(hào)，以獲得數(shù)字顯示。 選用顯示譯碼器時(shí)其輸出方式必須與數(shù)碼管匹配。 3 ）實(shí)際電路 根據(jù)系統(tǒng)框圖，設(shè)計(jì)出的電路如圖 8.6 所示。 圖中，穩(wěn)壓電源采用 7805 來實(shí)現(xiàn)，電路簡單可靠，電源的穩(wěn)定度與波紋系數(shù)均能達(dá)到要求 .對 100Hz 全波整流輸出信號(hào)的分頻采用 7 位二

14、進(jìn)制計(jì)數(shù)器 74HC4024 組成 100 進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。計(jì)數(shù)脈沖下降沿有效。在 74HC4024 的 Q7 、 Q6 、 Q3 端通過與門加入反饋清零信號(hào)，當(dāng)計(jì)數(shù)器輸出為二進(jìn)制數(shù) 1100100 （十進(jìn)制數(shù)為 100 ）時(shí)，計(jì)數(shù)器異步清零。圖 8.6 數(shù)字頻率計(jì)電路圖實(shí)現(xiàn) 100 進(jìn)制計(jì)數(shù)。為了獲得穩(wěn)定的分頻輸出，清零信號(hào)與輸入脈沖“與”后再清零，使分頻輸出脈沖在計(jì)數(shù)脈沖為低電平時(shí)保持一段時(shí)間（ 10mS ）為高電平。 電路中采用雙 JK 觸發(fā)器 74HC109 中的一個(gè)觸發(fā)器組成 觸發(fā)器，它將分頻輸出脈沖整形為脈寬為 1S 、周期為 2S 的方波。從觸發(fā)器 Q 端輸出的信號(hào)加至控制門，

15、確保計(jì)數(shù)器只在 1S 的時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)。從觸發(fā)器 端輸出的信號(hào)作為數(shù)據(jù)寄存器的鎖存信號(hào)。 被測信號(hào)通過 741 組成的運(yùn)算放大器放大 20 倍后送施密特觸發(fā)器整形，得到能被計(jì)數(shù)器有效識(shí)別的矩形波輸出，通過由 74HC11 組成的控制門送計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。為了防止輸入信號(hào)太強(qiáng)損壞集成運(yùn)放，可以在運(yùn)放的輸入端并接兩個(gè)保護(hù)二極管。 頻率計(jì)數(shù)器由兩塊雙十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 74HC4511 組成，最大計(jì)數(shù)值為 9999Hz 。由于計(jì)數(shù)器受控制門控制，每次計(jì)數(shù)只在 JK 觸發(fā)器 Q 端為高電平時(shí)進(jìn)行。當(dāng) JK 觸發(fā)器 Q 端跳變至低電平時(shí)， 端的由低電平向高電平跳變，此時(shí)， 8D 鎖存器 74HC374 （上升沿有效）將

16、計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)據(jù)鎖存起來送顯示譯碼器。計(jì)數(shù)結(jié)果被鎖存以后，即可對計(jì)數(shù)器清零。由于 74HC4518 為異步高電平清零，所以將 JK 觸發(fā)器的 同 100Hz 脈沖信號(hào)“與”后的輸出信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的清零脈沖。由此保證清零是在數(shù)據(jù)被有效鎖存一段時(shí)間（ 10mS ）以后再進(jìn)行。 顯示譯碼器采用與共陰數(shù)碼管匹配的 CMOS 電路 74HC4511 ,4 個(gè)數(shù)碼管采用共陰方式，以顯示 4 位頻率數(shù)字，滿足測量最高頻率為 9999Hz 的要求。 2 方法與步驟 1) 器件檢測 用數(shù)字集成電路檢測儀對所要用的 IC 進(jìn)行檢測，以確定每個(gè)器件完好。如有興趣，也可對 LED 數(shù)碼管進(jìn)行檢測，檢測方法由自己確定。

17、 2) 電路連接 在自制電路板上將 IC 插座及各種器件焊接好；裝配時(shí)，先焊接 IC 等小器件，最后固定并焊接變壓器等大器件。電路連接完畢后，先不插 IC 。 3) 電源測試 將與變壓器連接的電源插頭插入 220V 電源，用萬用表檢測穩(wěn)壓電源的輸出電壓。輸出電壓的正常值應(yīng)為 5V 。如果輸出電壓不對，應(yīng)仔細(xì)檢查相關(guān)電路，消除故障。穩(wěn)壓電源輸出正常后，接著用示波器檢測產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)間的全波整流電路輸出波形。正常情況應(yīng)觀測到如圖 13.5(a) 所示波形。 4) 基準(zhǔn)時(shí)間檢測 關(guān)閉電源后，插上全部 IC 。依次用示波器檢測由 U1(74HC4024) 與 U3A 組成的基準(zhǔn)時(shí)間計(jì)數(shù)器與由 U2A 組成

18、的 觸發(fā)器的輸出波形，并與圖 13.6 所示波形對照。如無輸出波形或波形形狀不對，則應(yīng)對 U1 、 U3,U2 各引腳的電平或信號(hào)波形進(jìn)行檢測，消除故障。 5) 輸入檢測信號(hào) 從被測信號(hào)輸入端輸入幅值在 1V 左右頻率為 1KHz 左右的正弦信號(hào)，如果電路正常，數(shù)碼管可以顯示被測信號(hào)的頻率。如果數(shù)碼管沒有顯示，或顯示值明顯偏離輸入信號(hào)頻率，則作進(jìn)一步檢測。 6 ）輸入放大與整形電路檢測 用示波器觀測整形電路 U1A(74HC14) 的輸出波形，正常情況下，可以觀測到與輸入頻率一致、信號(hào)幅值為 5V 左右的矩形波。如觀測不到輸出波形，或觀測到的波形形狀與幅值不對，則應(yīng)檢測這一部分電路，消除故障。

19、如該部分電路正常，或消除故障后頻率計(jì)仍不能正常工作，則檢測控制門。 7) 控制門檢測 檢測控制門 U3C(74HC11) 輸出信號(hào)波形，正常時(shí)，每間隔 1S 時(shí)間，可以在熒屏上觀測到被測信號(hào)的矩形波。如觀測不到波形，則應(yīng)檢測控制門的兩個(gè)輸入端的信號(hào)是否正常 , 并通過進(jìn)一步的檢測找到故障電路，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計(jì)仍不能正常工作，則檢測計(jì)數(shù)器電路。 8) 計(jì)數(shù)器電路的檢測 依次檢測 4 個(gè)計(jì)數(shù)器 74HC4518 時(shí)鐘端的輸入波形，正常時(shí)，相鄰計(jì)數(shù)器時(shí)鐘端的波形頻率依次相差 10 倍。如頻率關(guān)系不一致或波形不正常，則應(yīng)對計(jì)數(shù)器和反饋門的各引腳電平與波形進(jìn)行檢測。正常情況各電平

20、值或波形應(yīng)與電路中給出的狀態(tài)一致。通過檢測與分析找出原因，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計(jì)仍不能正常工作，則檢測鎖存器電路。 9) 鎖存電路的檢測 依次檢測 74HC374 鎖存器各引腳的電平與波形。正常情況各電平值應(yīng)與電路中給出的狀態(tài)一致。其中，第 11 腳的電平每隔 1S 鐘跳變一次。如不正常，則應(yīng)檢查電路，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計(jì)仍不能正常工作，則檢測鎖存器電路。 10) 顯示譯碼電路與數(shù)碼管顯示電路的檢測 檢測顯示譯碼器 74HC4511 各控制端與電源端引腳的電平，同時(shí)檢測數(shù)碼管各段對應(yīng)引腳的電平及公共端的電平。通過檢測與分析找出故障。 六、課程設(shè)計(jì)驗(yàn)收 1 硬件制作實(shí)物完成情況，演示設(shè)計(jì)與調(diào)試的結(jié)果 2 設(shè)計(jì)方案與說明書 8.4課程設(shè)計(jì)參考題目8. 4. 1. 脈搏計(jì)要求：實(shí)現(xiàn)在15S內(nèi)測量1min的脈搏數(shù)，并且顯示其數(shù)字