數(shù)字電路課程新設計

第13章數(shù)字電路課程設計

13·1概述

13·2

13·3

13·4本章小結13返回主目錄

13·2多路可編程控制器設計與制作

13·2·1電路設計

13·2·2電路制作與測試

第13章數(shù)字電路課程設計13．1概述13．2多路可編程控制器設計與制作在實際應用中，常常需要一種能同時控制多組開關按一定的方式閉合與斷開的裝置，比如顯示圖樣不斷變化的各種霓虹燈或彩燈的電源控制系統(tǒng)。本節(jié)設計與制作的多路可編程控制器就具有這種功能。通過這一課程設計，讀者可以在如下方面得到鍛煉。

（1）基本了解設計數(shù)字系統(tǒng)的一般方法。（2）進一步熟悉常用數(shù)字器件的使用方法。（3）基本掌握通過邏輯分析查找數(shù)字電路故障的（4）熟悉并學會使用用于讀寫EPROM的常用軟件，掌握固化與擦除EPROM的方法。13．2．1電路設計

1．設計要求設計并制作出一種用于控制霓虹燈的控制器，它具有如下功能：（1）可以控制每段霓虹燈的點亮或熄滅。（2）每段霓虹燈的點亮與熄滅可以通過編程來實現(xiàn)。（3）每間隔一段時間，霓虹燈的圖樣變化一次。（4）圖樣變化的間隔時間可以調節(jié)。

2．霓虹燈受控顯示的基本原理我們以背景霓虹燈的一種顯示效果為例，介紹控制霓虹燈顯示的基本原理。設有一排n段水平排列的霓虹燈，某種顯示方式為從左到右每間隔0.2s逐個點亮。其控制過程如下：若以“1”代表霓虹燈點亮，以“0”代表霓虹燈熄滅，則開始時刻，n段霓虹燈的控制信號均為“0”。隨后，控制器將一幀n個數(shù)據(jù)送至n段霓虹燈的控制端，其中，最左邊的一段霓虹燈對應的控制數(shù)據(jù)為“1”，其余的數(shù)據(jù)均為零，即1000…000。

當n個數(shù)據(jù)送完以后，控制器停止送數(shù)，保留這種狀態(tài)（定時）0.2s，此時，第1段霓虹燈被點亮，其余霓虹燈熄滅。隨后，控制器又在極短的時間內將數(shù)據(jù)1000…000送至霓虹燈的控制端，并定時0.2s，這段時間里前兩段霓虹燈被點亮。由于送數(shù)過程很快，我們觀測到的效果是第一段霓虹燈被點亮0.2s后，第2段霓虹燈接著被點亮，即每隔0.2s顯示一幀圖樣。如此下去，最后控制器將數(shù)據(jù)1111…111送至n段霓虹燈的控制端，則n段霓虹燈被全部點亮。

只要改變送至每段霓虹燈的數(shù)據(jù)，即可改變霓虹燈的顯示方式，顯然，我們可以通過合理地組合數(shù)據(jù)（編程）來得到霓虹燈的不同顯示方式。

3．系統(tǒng)框圖根據(jù)設計要求，確定如圖13.1所示系統(tǒng)框圖。圖13.1系統(tǒng)方框圖

框圖中，右邊的D0-Dn為n個發(fā)光二極管，它們與n段霓虹燈相對應，二極管亮，則霓虹燈亮。下面介紹框圖中各部分的功能與實現(xiàn)方法。

1）移位寄存器移位寄存器用于寄存控制發(fā)光二極管亮、滅的數(shù)據(jù)。對應n個發(fā)光二極管，移位寄存器有n位輸出。移位寄存器的輸入信號取自存儲器輸出的8位并行數(shù)據(jù)。為使電路簡單，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。2）只讀存儲器只讀存儲器內部通過編程已寫入控制霓虹燈顯示方式的數(shù)據(jù)?？刂破髅块g隔一段時間（顯示定時）將n位數(shù)據(jù)送移位寄存器，所送的數(shù)據(jù)內容由存儲器的地址信號確定。存儲器的容量由霓虹燈的段數(shù)、顯示方式及顯示方式的種類確定。n段霓虹燈，m種顯示方式(每種顯示方式包含k幀畫面)，要求存儲器的容量為c=k×n×m（bit）只讀存儲器可以采用常用的EPROM,如2764、27128、27256、27512等。3)地址計數(shù)器地址計數(shù)器產(chǎn)生由低到高連續(xù)變化的只讀存儲器的地址。存儲器內對應地址的數(shù)據(jù)被送至寄存器。地址計數(shù)器輸出的位數(shù)由存儲器的大小決定。64Kbit容量的存儲器對應的地址線為16根，因此要求16位計數(shù)器。其余可依次類推。地址計數(shù)器給出存儲器的全部地址以后自動復位，重新從0000H開始計數(shù)。地址計數(shù)器可以采用一般的二進制計數(shù)器，如7416、162等。4）控制門與定時器控制門用于控制計數(shù)脈沖是否到達地址計數(shù)器?？刂崎T的控制信號來自定時器。定時器啟動時，控制門被關閉，地址計數(shù)器停止計數(shù)，寄存器的數(shù)據(jù)被鎖存。此段時間發(fā)光二極管發(fā)光。達到定時值時，定時器反相，計數(shù)器重新開始計數(shù)?？刂崎T可以用一般的與門或或門，定時器可以采用單穩(wěn)態(tài)電路來實現(xiàn)，也可以用計數(shù)器實現(xiàn)。5）長度計數(shù)器長度計數(shù)器與地址計數(shù)器對應同一個計數(shù)脈沖。長度計數(shù)器工作時，地址計數(shù)器也在工作。計數(shù)器工作期間，存儲器對應地址的數(shù)據(jù)被逐級移位至對應的寄存器。長度計數(shù)器的計數(shù)長度為n/8,該長度恰好保證一幀圖樣（n位）的數(shù)據(jù)從存儲器中讀出送寄存器鎖存。長度計數(shù)器達到長度值時自動清零，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)器的計數(shù)脈沖均被封閉。長度計數(shù)器電路可視計數(shù)的具體長度來確定。當計數(shù)長度較短時，可以采用移位寄存器來實現(xiàn)。

4．實用電路根據(jù)上面的分析，設計出如圖13.2所示的實用電路。該實用電路可以控制32段霓虹燈。這里用32個發(fā)光二極管代替霓虹燈。實際電路中，霓虹燈是由開關變壓器提供的電源點亮的。開關變壓器通過光耦進行強、弱電隔離。從寄存器輸出的點亮發(fā)光二極管的驅動信號完全可以驅動開關變壓器工作。圖13.2霓虹燈顯示控制器實用電路

電路中的移位寄存器采用74LS374。當與11腳相連的移位脈沖產(chǎn)生上升沿突變時，8位數(shù)據(jù)從上至下從一個寄存器移位至另一個寄存器，構成8位并行移位電路。顯然，出現(xiàn)在11腳的移位脈沖，一次只能有4個。電路中的存儲器采用具有8K地址的EPROM2764。電路中2764的最后兩根地址線A11、A12接地。因此，實際只用到了前面2K地址的存儲單元。

由于只控制32段霓虹燈，它仍可以保證有足夠多的顯示方式。如有必要，可以通過接插的方式改變A11、A12的電平，選擇其他6K地址對應的圖樣。電路中的地址計數(shù)器由3塊74LS161組成，它產(chǎn)生11位地址數(shù)據(jù)，計數(shù)輸出直接與存儲器的地址線相連。

定時器采用555組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來實現(xiàn)，改變可變電阻VR的數(shù)值?？梢愿淖兌〞r器的時間，即每幀畫面顯示的時間。顯示時間一般定在0.1～1s之間。振蕩電路采用555組成的多諧振蕩器來實現(xiàn)，其振蕩頻率可以在1kHz～1MHz之間取值。長度計數(shù)器采用74LS194移位寄存器通過右移方式組成四進制計數(shù)器實現(xiàn)。每計4個數(shù)，Q3輸出為1，啟動定時器工作，同時將長度計數(shù)器清零。

13·2多路可編程控制器設計與制作

13·2·1電路設計

13·2·2電路制作與測試13．2．2電路制作與測試

1．所需儀器設備與器件所需儀器和器件有示波器，穩(wěn)壓電源，EPROM讀寫軟、硬件，EPROM擦除器。

2．參考步驟

1）器件檢測與每次實訓一樣，首先對所用器件進行檢測。保證器件完好，可以減少因器件不良帶來的各種麻煩。2）電路安裝在印刷電路板上安裝好全部器件。所需電路板可以作為電子CAD的課程設計內容，也可委托電路板廠加工。如無現(xiàn)成的印刷電路板，也可在萬能板上安裝。由于電路連線較多，不宜在面包板上安裝。

3）檢測電路（1）檢測由555組成的時鐘振蕩器U4的輸出波形，正常情況應能在U4的第3腳觀測到頻率為幾千赫茲的矩形波。如不能觀測到輸出波形，則應檢測555的工作狀態(tài)，找到故障所在。

（2）將定時器電位器VR調至最小值，用示波器觀測計數(shù)脈沖的波形，如電路正常，可以得到如圖13.3所示的波形。如沒有波形或波形為連續(xù)矩形波，則檢測定時器U5輸出端第3腳的電平。正常時可以觀測到輸出電平以短于1s的時間周期跳變。如果不出現(xiàn)跳變，則定時器沒有工作，應檢測定時器與長度計數(shù)器的工作狀態(tài)。通過檢測各引腳電平或波形，根據(jù)電路的邏輯關系進行分析，排除故障。

（3）檢測存儲器各地址線的電平，在低地址端應能觀測到電平的跳變。如地址線電平不發(fā)生變化，則應檢測由4個74LS161構成的地址計數(shù)器工作是否正常，通過檢測各IC的引腳或波形，排除故障。（4）檢測寄存器74LS374各引腳電平，各電平值應與電路確定的值一致，出現(xiàn)異常則應找出故障所在，予以排除。圖13.3計數(shù)脈沖的波形4）排列發(fā)光二極管將32個發(fā)光二極管按你喜歡的方式排列成一定的圖形或字符。

5）確定顯示方式根據(jù)排列的圖形，確定發(fā)光二極管的顯示方式。6）確定存儲器各地址對應的數(shù)據(jù)顯示方式確定之后，則可確定存儲器各地址對應的數(shù)據(jù)。為加深讀者的認識，設發(fā)光二極管水平排列，顯示方式為從左至右一個一個點亮。這種情況下，各地址對應的數(shù)據(jù)如表13.1所示。表中，每行第一個十六進制數(shù)為存儲器的一個起始地址，其余16個數(shù)為該地址及與該地址相連的其他15個地址的數(shù)據(jù)，也用十六進制數(shù)表示。表13.1一種顯示方式各地址對應的數(shù)據(jù)0000H00H00H00H01H00H00H00H03H00H00H00H07H00H00H00H0FH0010H00H00H00H1FH00H00H00H3FH00H00H00H7FH00H00H00HFFH0020H00H00H01HFFH00H00H03HFFH00H00H07HFFH00H00H0FHFFH0030H00H00H1FHFFH00H00H3FHFFH00H00H7FHFFH00H00HFFHFFH0040H00H01HFFHFFH00H03HFFHFFH00H07HFFHFFH00H0FHFFhFFH0050H00H1FHFFHFFH00H3FHFFHFFH00H7FHFFHFFH00HFFHFFHFFH0060H01HFFHFFHFFH03HFFHFFHFFH07HFFHFFHFFH0FHFFHFFHFFH0070H1FHFFHFFHFFHFFH3FHFFHFFH7FHFFHFFHFFHFFHFFHFFHFFH7）輸入數(shù)據(jù)讀者可以利用任何讀寫EPROM的軟件及相關附件將編輯好的內容固化在EPROM中。固化時，必須注意使選擇的編程電壓與實際存儲器的編程電壓一致。

8）顯示圖樣將EPROM插入IC插座，接通電源，即可看到發(fā)光二極管依一定的規(guī)律點亮與熄滅。觀看顯示方式是否與自己設計的方式一致，如不一致，找出原因。如屬數(shù)據(jù)編輯錯誤，可改寫前面的數(shù)據(jù)。EPROM具有光擦除功能，要修改內部數(shù)據(jù)，必須先用紫外線擦除器擦除后，才能重寫全部內容。13·3數(shù)字頻率計的設計與制作

13·3·1電路設計

13·3·2頻率計的制作與調試13．3數(shù)字頻率計的設計與制作在許多情況下，要對信號的頻率進行測量。利用示波器可以粗略測量被測信號的頻率，精確測量則要用到數(shù)字頻率計。數(shù)字頻率計用到的數(shù)字技術很多。本節(jié)數(shù)字頻率計的設計與制作項目可以進一步加深我們對數(shù)字電路應用技術方面的了解與認識，進一步熟悉數(shù)字電路系統(tǒng)設計、制作與調試的方法和步驟。13．3．1電路設計

1．設計要求設計并制作出一種數(shù)字頻率計，其技術指標如下：（1）頻率測量范圍：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。

2．數(shù)字頻率計的基本原理數(shù)字頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率。頻率是在單位時間（1s）內信號周期性變化的次數(shù)。如果我們能在給定的1s時間內對信號波形計數(shù)，并將計數(shù)結果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數(shù)字頻率計首先必須獲得相對穩(wěn)定與準確的時間，同時將被測信號轉換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識別的脈沖信號，然后通過計數(shù)器計算這一段時間間隔內的脈沖個數(shù)，將其換算后顯示出來。這就是數(shù)字頻率計的基本原理。圖13.4數(shù)字頻率計框圖

3．系統(tǒng)框圖從數(shù)字頻率計的基本原理出發(fā)，根據(jù)設計要求，得到如圖13.4所示的電路框圖。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)壓后為整個系統(tǒng)提供直流電源。系統(tǒng)對電源的要求不高，可以采用串聯(lián)式穩(wěn)壓電源電路來實現(xiàn)。

2）全波整流與波形整形電路本頻率計采用市電頻率作為標準頻率，以獲得穩(wěn)定的基準時間率漂移不能超過0.5Hz，即在1％的范圍內。

用它作普通頻率計的基準信號完全能滿足系統(tǒng)的要求。全波整流電路首先對50Hz交流市電進行全波整流，得到如圖13.5(a）所示100Hz的全波整流波形。波形整形電路對100Hz信號進行整形，使之成為如圖13.5(b)所示100Hz的矩形波。采用過零觸發(fā)電路可將全波整流波形變?yōu)榫匦尾ǎ部刹捎檬┟芴赜|發(fā)器進行整形。圖13.5全波整流與波形整形電路的輸出波形

圖13.6分頻器的輸出波形3）分頻器分頻器的作用是為了獲得1s的標準時間。首先對如圖13.5所示的100Hz信號進行100分頻得到如圖13.6（a）所示周期為1s的脈沖信號。然后再進行二分頻得到如圖13.6（b）所示占空比為50％脈沖寬度為1s的方波信號，由此獲得測量頻率的基準時間。利用此信號去打開與關閉控制門，可以獲得在1s時間內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，由計數(shù)器通過計數(shù)獲得。二分頻可以采用T′觸發(fā)器來實現(xiàn)。4）信號放大、波形整形電路為了能測量不同電平值與波形的周期信號的頻率，必須對被測信號進行放大與整形處理，使之成為能被計數(shù)器有效識別的脈沖信號。信號放大與波形整形電路的作用即在于此。信號放大可以采用一般的運算放大電路，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數(shù)器計數(shù)。它的一個輸入端接標準秒信號，一個輸入端接被測脈沖?？刂崎T可以用與門或或門來實現(xiàn)。當采用與門時，秒信號為正時進行計數(shù)，當采用或門時，秒信號為負時進行計數(shù)。6）計數(shù)器計數(shù)器的作用是對輸入脈沖計數(shù)。根據(jù)設計要求，最高測量頻率為9999Hz，應采用4位十進制計數(shù)器?？梢赃x用現(xiàn)成的十進制集成計數(shù)器。

7）鎖存器在確定的時間（1s）內計數(shù)器的計數(shù)結果（被測信號頻率）必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。鎖存器通過觸發(fā)脈沖的控制，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碼表示的十進制數(shù)轉換成能驅動數(shù)碼管正常顯示的段信號，以獲得數(shù)字顯示。顯示譯碼器的輸出方式必須與數(shù)碼管匹配。

4．實際電路根據(jù)系統(tǒng)框圖，設計出的電路如圖13.7所示。圖13.7數(shù)字頻率計電路圖

圖中，穩(wěn)壓電源采用7805來實現(xiàn)，電路簡單可靠，電源的穩(wěn)定度與波紋系數(shù)均能達到要求。對100Hz全波整流輸出信號，由7位二進制計數(shù)器74HC4024組成的100進制計數(shù)器進行分頻。計數(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。當計數(shù)器輸出為二進制數(shù)（十進制數(shù)為100）時，計數(shù)器異步清零，實現(xiàn)100進制計數(shù)。為了獲得穩(wěn)定的分頻輸出，清零信號與輸入脈沖“與”后再清零，使分頻輸出脈沖在計數(shù)脈沖為低電平時能保持高電平一段時間（10ms）。

電路中采用雙JK觸發(fā)器74HC109中的一個觸發(fā)器組成T′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端輸出的信號加至控制門，確保計數(shù)器只在1s的時間內計數(shù)。從觸發(fā)器端輸出的信號作為數(shù)據(jù)寄存器的鎖存信號。被測信號通過741組成的運算放大器放大20倍后送施密特觸發(fā)器整形，得到能被計數(shù)器有效識別的矩形波輸出。通過由74HC11組成的控制門送計數(shù)器計數(shù)。為了防止輸入信號太強損壞集成運放，可以在運放的輸入端并接兩個保護二極管。

頻率計數(shù)器由兩塊雙十進制計數(shù)器74HC4518組成，最大計數(shù)值為9999Hz。由于計數(shù)器受控制門控制，每次計數(shù)只在JK觸發(fā)器Q端為高電平時進行。當JK觸發(fā)器Q端跳變至低電平時，端由低電平向高電平跳變，此時，8D鎖存器74HC374（上升沿有效）將計數(shù)器的輸出數(shù)據(jù)鎖存起來送顯示譯碼器。計數(shù)結果被鎖存以后。即可對計數(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“與”后的輸出信號作為計數(shù)器的清零脈沖。由此保證清零是在數(shù)據(jù)被有效鎖存一段時間（10ms）以后再進行。頻率計的制作與調試

1．所需儀器設備所需儀器設備有示波器、音頻信號發(fā)生器、邏輯筆、萬用表、數(shù)字集成電路測試儀和直流穩(wěn)壓電源。

2．參考步驟

1)器件檢測用數(shù)字集成電路檢測儀對所要用的IC進行檢測，以確保每個器件完好。如有興趣，也可對LED數(shù)碼管進行檢測，檢測方法由自己確定。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，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為＋5V。如果輸出電壓不對，應仔細檢查相關電路，消除故障。穩(wěn)壓電源輸出正常后，接著用示波器檢測產(chǎn)生基準時間的全波整流電路輸出波形。正常情況應觀測到如圖13.5(a)所示波形。

4)基準時間檢測關閉電源后，插上全部IC。依次用示波器檢測由U1(74HC4024)與U3A組成的基準時間計數(shù)器與由U2A組成的T′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，則應對U1、U3,U2各引腳的電平或信號波形進行檢測，消除故障。5)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，數(shù)碼管可以顯示被測信號的頻率。如果數(shù)碼管沒有顯示，或顯示值明顯偏離輸入信號頻率，則做進一步檢測。

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、信號幅值為5V左右的矩形波。

7)控制門檢測檢測控制門U3C(74HC11)輸出信號波形。正常時，每間隔1s時間，可以在熒屏上觀測到被測信號的矩形波。如觀測不到波形，則應檢測控制門的兩個輸入端的信號是否正常,并通過進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仍不能正常工作，則檢測計數(shù)器電路。8)計數(shù)器電路的檢測依次檢測4個計數(shù)器74HC4518時鐘端的輸入波形。正常時，相鄰計數(shù)器時鐘端的波形頻率依次相差10倍。正常情況時，各電平值或波形應與電路中給出的狀態(tài)一致。如頻率關系不一致或波形不正常，則應對計數(shù)器和反饋門的各引腳電平與波形進行檢測,通過分析找出原因，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計仍不能正常工作，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。正常情況時，各電平值應與電路中給出的狀態(tài)一致。其中，第11腳的電平每隔1s跳變一次。如不正常，則應檢查電路，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計仍不能正常工作，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，同時檢測數(shù)碼管各段對應引腳的電平及公共端的電平。通過檢測與分析找出故障。13·4數(shù)字電路系統(tǒng)設計與制作的一般方法

13·4·1數(shù)字電路系統(tǒng)設計的一般方法

13·4·2數(shù)字電路系統(tǒng)的安裝與調試

通過對前面兩個具體數(shù)字電路系統(tǒng)的設計與制作，我們對數(shù)字電路設計有了一定的認識。數(shù)字電路系統(tǒng)的設計與第10章討論的組合邏輯電路的設計有較大的區(qū)別。組合邏輯電路與一般時序邏輯電路的設計是根據(jù)設計任務要求，用真值表、狀態(tài)表求出簡化的邏輯表達式，畫出邏輯圖、邏輯電路，用一般的集成門電路或集成觸發(fā)器電路來實現(xiàn)。而本章設計的數(shù)字電路系統(tǒng)具有復雜的邏輯功能，難以用真值表、邏輯表達式來完整地描述其邏輯功能，用前面介紹的方法來設計，顯然是復雜而困難的。13．4數(shù)字電路系統(tǒng)設計與制作的一般方法

利用數(shù)字電路硬件描述語言來設計數(shù)字系統(tǒng)是目前最先進的方法，但不是本課程主要涉及的內容。從后續(xù)課程的要求出發(fā)，本課程最關心的問題是通過對各種基本數(shù)字電路的認識與了解，利用現(xiàn)有的數(shù)字電路器件來設計與實現(xiàn)具有各種復雜邏輯關系的數(shù)字系統(tǒng)。下面討論采用這種方法進行數(shù)字電路系統(tǒng)設計與制作的一般方法。數(shù)字電路系統(tǒng)設計的一般方法數(shù)字電路系統(tǒng)一般包括輸入電路、控制電路、輸出電路、時鐘電路、脈沖產(chǎn)生電路和電源等。輸入電路主要作用是將被控信號加工變換成數(shù)字信號，其形式包括各種輸入接口電路。比如在本章設計制作的數(shù)字頻率計中，通過輸入電路對微弱信號進行放大、整形，得到數(shù)字電路可以處理的數(shù)字信號。有些模擬信號則通過模數(shù)轉換電路轉換成數(shù)字信號再進行處理。在設計輸入電路時，必須首先了解輸入信號的性質，接口的條件，以設計合適的輸入接口電路。

控制電路的功能是將信息加工運算并為系統(tǒng)各部分提供所需的各種控制。比如本章設計制作的多路可編程控制器，其定時器即為一控制電路。正是在它的作用下，計數(shù)脈沖才按一定的時間周期（定時器的定時時間）一組一組地送給地址計數(shù)器，形成時間控制。在數(shù)字頻率計中，從JK觸發(fā)器兩個反相輸出端輸出的信號也是控制信號，它既控制了被測信號送至計數(shù)器的時間，同時又控制了鎖存器在計數(shù)完畢后對數(shù)據(jù)進行鎖存。

產(chǎn)生這種信號輸出的電路即為控制電路。數(shù)字電路系統(tǒng)中，各種邏輯運算、判別電路等，都是控制電路，它們是整個系統(tǒng)的核心。設計控制電路是數(shù)字系統(tǒng)設計的最重要的內容，必須充分注意不同信號之間的邏輯性與時序性。

輸出電路是完成系統(tǒng)最后邏輯功能的重要部分。數(shù)字電路系統(tǒng)中存在各種各樣的輸出接口電路。其功能可能是發(fā)送一組經(jīng)系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)，或顯示一組數(shù)字，或將數(shù)字信號進行轉換，變成模擬輸出信號。比如數(shù)字頻率計的顯示譯碼與數(shù)碼管電路，多路可編程控制器的并行移位寄存器及驅動電路等，都屬于系統(tǒng)的輸出電路。設計輸出電路，必須注意與負載在電平、信號極性、拖動能力等方面進行匹配。

時鐘電路是數(shù)字電路系統(tǒng)中的靈魂，它屬于一種控制電路，整個系統(tǒng)都在它的控制下按一定的規(guī)律工作。時鐘電路包括主時鐘振蕩電路及經(jīng)分頻后形成各種時鐘脈沖的電路。比如多路可編程控制器中的555多諧振蕩電路，數(shù)字頻率計中的基準時間形成電路等都屬于時鐘電路。設計時鐘電路，應根據(jù)系統(tǒng)的要求首先確定主時鐘的頻率，并注意與其他控制信號結合產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種時鐘脈沖。

電源為整個系統(tǒng)工作提供所需的能源，為各端口提供所需的直流電平。在數(shù)字電路系統(tǒng)中，TTL電路對電源電壓要求比較嚴格，電壓值必須在一定范圍內。CMOS電路對電源電壓的要求相對比較寬松。設計電源時，必須注意電源的負載能力，電壓的穩(wěn)定度及波紋系數(shù)等。

顯然，任何復雜的數(shù)字電路系統(tǒng)都可以逐步劃分成不同層次、相對獨立的子系統(tǒng)。通過對子系統(tǒng)的邏輯關系、時序等的分析，最后可以選用合適的數(shù)字電路器件來實現(xiàn)。將各子系統(tǒng)組合起來，便完成了整個大系統(tǒng)的設計。按照這種由大到小，由整體到局部，再由小到大，由局部到整體的設計方法進行系統(tǒng)設計，就可以避免盲目的拼湊，完成設計任務。

1）消化課題必須充分了解設計要求，明確被設計系統(tǒng)的全部功能、要求及技術指標。熟悉被處理信號與被控制對象的各種參數(shù)與特點。

2）確定總體設計方案根據(jù)系統(tǒng)邏輯功能畫出系統(tǒng)的原理框圖，將系統(tǒng)分解。確定貫串不同方框間各種信號的邏輯關系與時序關系。方框圖應能簡潔、清晰地表示設計方案的原理。3）繪制單元電路并對單元電路仿真選擇合適的數(shù)字器件，用電子CAD軟件繪出各邏輯單元的邏輯電路圖。標注各單元電路輸入輸出信號的波形。原理圖中所用的元件應使用標準標號；電路的排列一般按信號流向由左至右排列；重要的線路放在圖的上方，次要線路放在圖的下方，主電路放在圖的中央位置;當信號通路分開畫時，在分開的兩端必須作出標記，并指出斷開處的引出與引入點。

然后利用電子CAD軟件中的數(shù)字電路仿真軟件對電路進行仿真測試，以確定電路是否準確無誤。當電路中采用TTL、CMOS、運放、分立元件等多種器件時，如果采用不同的電源供電，則要注意不同電路之間電平的正確轉換，并繪制出電平轉換電路。4）分析電路可能設計的單元電路不存在任何問題，但組合起來后系統(tǒng)卻不能正常工作，因此，必須充分分析各單元電路，尤其是對控制信號要從邏輯關系、正反極性、時序幾個方面進行深入考慮，確保不存在沖突。在深入分析的基礎上通過對原設計電路的不斷修改，獲得最佳設計方案。

5）完成整體設計在各單元電路完成的基礎上，用電子CAD軟件將各單元電路連接起來，畫出符合軟件要求的整機邏輯電路圖。6）邏輯仿真整體電路設計完畢后，再次在仿真軟件上對整個試驗系統(tǒng)進行邏輯仿真，驗證設計。根據(jù)設計任務，設計出一個比較理想的數(shù)字電路系統(tǒng)必須經(jīng)常訓練，反復實踐才能熟練。為使設計盡可能優(yōu)化，必須對數(shù)字電路器件，尤其是中、大規(guī)模集成電路器件有比較多的了解。學會查閱數(shù)字電路器件手冊，了解不同器件之間的區(qū)別。充分明了各器件輸入端、控制端對信號的要求，以及輸出端輸出信號的特點。這些對設計者來說是十分重要的。熟悉電子CAD軟件的使用，對我們的設計十分有幫助。數(shù)字電路系統(tǒng)的安裝與調試數(shù)字試驗系統(tǒng)整體電路設計完畢后，還必須通過試驗板的安裝與調試，糾正設計中因考慮不周出現(xiàn)的錯誤或不足。檢測出實際系統(tǒng)正常運行的各項技術指標、參數(shù)、工作狀態(tài)、輸出驅動情況、動作情況與邏輯功能。因此，系統(tǒng)裝調工作是驗證理論設計，進一步修正設計方案的重要實踐過程。具體可按如下步驟進行。1）制作PCB

如果整體電路是利用電子CAD軟件按其要求繪制的，則可以利用該軟件繪制PCB圖，制作出印刷電路板。采用PCB制作數(shù)字電路系統(tǒng)可以保證試驗系統(tǒng)工作可靠，減少不必要的差錯，大大節(jié)省電路試驗時間。

2）檢測器件在將器件安裝到PCB上之前，對所選用的器件進行測試是十分有必要的，它可以減少因器件原因造成的電路故障，縮短工作時間。3）安裝元器件將各種器件安裝到PCB上是一件不太困難的工作。安裝時，集成電路最好通過插座與電路板連接，這便于不小心損壞器件后進行更換。數(shù)字電路的布線一般比較緊密、焊點較小，在焊接過程中注意不要出現(xiàn)掛錫或虛焊。

4）電路調試電路的調試可分兩步來進行，一是單元電路的調試，然后是總調。只有通過調試使單元電路到達預定要求，總調才能順利進行。調試時應注意：

（1）充分理解電路的工作原理和電路結構，對電路輸入輸出量之間的邏輯關系，正常情況下信號的電平、波形、頻率等做到心中有數(shù)。據(jù)此設計出科學的調試方法，包括選用的儀器設備，調試的步驟、每個步驟中檢測的部位、如何人為設置電路工作狀態(tài)進行測試等。（2）可以先進行靜態(tài)測量，確定IC的電源、地、控制端的靜態(tài)電平等直流工作狀態(tài)是否