數(shù)字電路課程新設(shè)計(jì)

第13章數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)

13·1概述

13·2

13·3

13·4本章小結(jié)13返回主目錄

13·2多路可編程控制器設(shè)計(jì)與制作

13·2·1電路設(shè)計(jì)

13·2·2電路制作與測(cè)試

第13章數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)13．1概述13．2多路可編程控制器設(shè)計(jì)與制作在實(shí)際應(yīng)用中，常常需要一種能同時(shí)控制多組開關(guān)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(shè)計(jì)與制作的多路可編程控制器就具有這種功能。通過(guò)這一課程設(shè)計(jì)，讀者可以在如下方面得到鍛煉。

（1）基本了解設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的一般方法。（2）進(jìn)一步熟悉常用數(shù)字器件的使用方法。（3）基本掌握通過(guò)邏輯分析查找數(shù)字電路故障的（4）熟悉并學(xué)會(huì)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(shè)計(jì)

1．設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)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(diǎn)亮或熄滅。（2）每段霓虹燈的點(diǎn)亮與熄滅可以通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。（3）每間隔一段時(shí)間，霓虹燈的圖樣變化一次。（4）圖樣變化的間隔時(shí)間可以調(diào)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(shè)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(gè)點(diǎn)亮。其控制過(guò)程如下：若以“1”代表霓虹燈點(diǎn)亮，以“0”代表霓虹燈熄滅，則開始時(shí)刻，n段霓虹燈的控制信號(hào)均為“0”。隨后，控制器將一幀n個(gè)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(duì)應(yīng)的控制數(shù)據(jù)為“1”，其余的數(shù)據(jù)均為零，即1000…000。

當(dāng)n個(gè)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(shí)）0.2s，此時(shí)，第1段霓虹燈被點(diǎn)亮，其余霓虹燈熄滅。隨后，控制器又在極短的時(shí)間內(nèi)將數(shù)據(jù)1000…000送至霓虹燈的控制端，并定時(shí)0.2s，這段時(shí)間里前兩段霓虹燈被點(diǎn)亮。由于送數(shù)過(guò)程很快，我們觀測(cè)到的效果是第一段霓虹燈被點(diǎn)亮0.2s后，第2段霓虹燈接著被點(diǎn)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(diǎn)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(guò)合理地組合數(shù)據(jù)（編程）來(lái)得到霓虹燈的不同顯示方式。

3．系統(tǒng)框圖根據(jù)設(shè)計(jì)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(gè)發(fā)光二極管，它們與n段霓虹燈相對(duì)應(yīng)，二極管亮，則霓虹燈亮。下面介紹框圖中各部分的功能與實(shí)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(duì)應(yīng)n個(gè)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(hào)取自存儲(chǔ)器輸出的8位并行數(shù)據(jù)。為使電路簡(jiǎn)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(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器內(nèi)部通過(guò)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(shí)間（顯示定時(shí)）將n位數(shù)據(jù)送移位寄存器，所送的數(shù)據(jù)內(nèi)容由存儲(chǔ)器的地址信號(hào)確定。存儲(chǔ)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(chǔ)器的容量為c=k×n×m（bit）只讀存儲(chǔ)器可以采用常用的EPROM,如2764、27128、27256、27512等。3)地址計(jì)數(shù)器地址計(jì)數(shù)器產(chǎn)生由低到高連續(xù)變化的只讀存儲(chǔ)器的地址。存儲(chǔ)器內(nèi)對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)被送至寄存器。地址計(jì)數(shù)器輸出的位數(shù)由存儲(chǔ)器的大小決定。64Kbit容量的存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)的地址線為16根，因此要求16位計(jì)數(shù)器。其余可依次類推。地址計(jì)數(shù)器給出存儲(chǔ)器的全部地址以后自動(dòng)復(fù)位，重新從0000H開始計(jì)數(shù)。地址計(jì)數(shù)器可以采用一般的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，如7416、162等。4）控制門與定時(shí)器控制門用于控制計(jì)數(shù)脈沖是否到達(dá)地址計(jì)數(shù)器。控制門的控制信號(hào)來(lái)自定時(shí)器。定時(shí)器啟動(dòng)時(shí)，控制門被關(guān)閉，地址計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，寄存器的數(shù)據(jù)被鎖存。此段時(shí)間發(fā)光二極管發(fā)光。達(dá)到定時(shí)值時(shí)，定時(shí)器反相，計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)?？刂崎T可以用一般的與門或或門，定時(shí)器可以采用單穩(wěn)態(tài)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。5）長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器與地址計(jì)數(shù)器對(duì)應(yīng)同一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器工作時(shí)，地址計(jì)數(shù)器也在工作。計(jì)數(shù)器工作期間，存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)被逐級(jí)移位至對(duì)應(yīng)的寄存器。長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)長(zhǎng)度為n/8,該長(zhǎng)度恰好保證一幀圖樣（n位）的數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中讀出送寄存器鎖存。長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器達(dá)到長(zhǎng)度值時(shí)自動(dòng)清零，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器工作。定時(shí)器啟動(dòng)期間，長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器與地址計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖均被封閉。長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器電路可視計(jì)數(shù)的具體長(zhǎng)度來(lái)確定。當(dāng)計(jì)數(shù)長(zhǎng)度較短時(shí)，可以采用移位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4．實(shí)用電路根據(jù)上面的分析，設(shè)計(jì)出如圖13.2所示的實(shí)用電路。該實(shí)用電路可以控制32段霓虹燈。這里用32個(gè)發(fā)光二極管代替霓虹燈。實(shí)際電路中，霓虹燈是由開關(guān)變壓器提供的電源點(diǎn)亮的。開關(guān)變壓器通過(guò)光耦進(jìn)行強(qiáng)、弱電隔離。從寄存器輸出的點(diǎn)亮發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)完全可以驅(qū)動(dòng)開關(guān)變壓器工作。圖13.2霓虹燈顯示控制器實(shí)用電路

電路中的移位寄存器采用74LS374。當(dāng)與11腳相連的移位脈沖產(chǎn)生上升沿突變時(shí)，8位數(shù)據(jù)從上至下從一個(gè)寄存器移位至另一個(gè)寄存器，構(gòu)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(gè)。電路中的存儲(chǔ)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(shí)際只用到了前面2K地址的存儲(chǔ)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(guò)接插的方式改變A11、A12的電平，選擇其他6K地址對(duì)應(yīng)的圖樣。電路中的地址計(jì)數(shù)器由3塊74LS161組成，它產(chǎn)生11位地址數(shù)據(jù)，計(jì)數(shù)輸出直接與存儲(chǔ)器的地址線相連。

定時(shí)器采用555組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，改變可變電阻VR的數(shù)值?？梢愿淖兌〞r(shí)器的時(shí)間，即每幀畫面顯示的時(shí)間。顯示時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)，其振蕩頻率可以在1kHz～1MHz之間取值。長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器采用74LS194移位寄存器通過(guò)右移方式組成四進(jìn)制計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。每計(jì)4個(gè)數(shù)，Q3輸出為1，啟動(dòng)定時(shí)器工作，同時(shí)將長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器清零。

13·2多路可編程控制器設(shè)計(jì)與制作

13·2·1電路設(shè)計(jì)

13·2·2電路制作與測(cè)試13．2．2電路制作與測(cè)試

1．所需儀器設(shè)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(cè)與每次實(shí)訓(xùn)一樣，首先對(duì)所用器件進(jìn)行檢測(cè)。保證器件完好，可以減少因器件不良帶來(lái)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(shè)計(jì)內(nèi)容，也可委托電路板廠加工。如無(wú)現(xiàn)成的印刷電路板，也可在萬(wàn)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(cè)電路（1）檢測(cè)由555組成的時(shí)鐘振蕩器U4的輸出波形，正常情況應(yīng)能在U4的第3腳觀測(cè)到頻率為幾千赫茲的矩形波。如不能觀測(cè)到輸出波形，則應(yīng)檢測(cè)555的工作狀態(tài)，找到故障所在。

（2）將定時(shí)器電位器VR調(diào)至最小值，用示波器觀測(cè)計(jì)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(cè)定時(shí)器U5輸出端第3腳的電平。正常時(shí)可以觀測(cè)到輸出電平以短于1s的時(shí)間周期跳變。如果不出現(xiàn)跳變，則定時(shí)器沒有工作，應(yīng)檢測(cè)定時(shí)器與長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器的工作狀態(tài)。通過(guò)檢測(cè)各引腳電平或波形，根據(jù)電路的邏輯關(guān)系進(jìn)行分析，排除故障。

（3）檢測(cè)存儲(chǔ)器各地址線的電平，在低地址端應(yīng)能觀測(cè)到電平的跳變。如地址線電平不發(fā)生變化，則應(yīng)檢測(cè)由4個(gè)74LS161構(gòu)成的地址計(jì)數(shù)器工作是否正常，通過(guò)檢測(cè)各IC的引腳或波形，排除故障。（4）檢測(cè)寄存器74LS374各引腳電平，各電平值應(yīng)與電路確定的值一致，出現(xiàn)異常則應(yīng)找出故障所在，予以排除。圖13.3計(jì)數(shù)脈沖的波形4）排列發(fā)光二極管將32個(gè)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(chǔ)器各地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示方式確定之后，則可確定存儲(chǔ)器各地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。為加深讀者的認(rèn)識(shí)，設(shè)發(fā)光二極管水平排列，顯示方式為從左至右一個(gè)一個(gè)點(diǎn)亮。這種情況下，各地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)如表13.1所示。表中，每行第一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)為存儲(chǔ)器的一個(gè)起始地址，其余16個(gè)數(shù)為該地址及與該地址相連的其他15個(gè)地址的數(shù)據(jù)，也用十六進(jìn)制數(shù)表示。表13.1一種顯示方式各地址對(duì)應(yīng)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(guān)附件將編輯好的內(nèi)容固化在EPROM中。固化時(shí)，必須注意使選擇的編程電壓與實(shí)際存儲(chǔ)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(diǎn)亮與熄滅。觀看顯示方式是否與自己設(shè)計(jì)的方式一致，如不一致，找出原因。如屬數(shù)據(jù)編輯錯(cuò)誤，可改寫前面的數(shù)據(jù)。EPROM具有光擦除功能，要修改內(nèi)部數(shù)據(jù)，必須先用紫外線擦除器擦除后，才能重寫全部?jī)?nèi)容。13·3數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與制作

13·3·1電路設(shè)計(jì)

13·3·2頻率計(jì)的制作與調(diào)試13．3數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與制作在許多情況下，要對(duì)信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量。利用示波器可以粗略測(cè)量被測(cè)信號(hào)的頻率，精確測(cè)量則要用到數(shù)字頻率計(jì)。數(shù)字頻率計(jì)用到的數(shù)字技術(shù)很多。本節(jié)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與制作項(xiàng)目可以進(jìn)一步加深我們對(duì)數(shù)字電路應(yīng)用技術(shù)方面的了解與認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步熟悉數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試的方法和步驟。13．3．1電路設(shè)計(jì)

1．設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)并制作出一種數(shù)字頻率計(jì)，其技術(shù)指標(biāo)如下：（1）頻率測(cè)量范圍：10～9999Hz。（2）輸入電壓幅度：300mV~3V。（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。

2．?dāng)?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(cè)量周期信號(hào)的頻率。頻率是在單位時(shí)間（1s）內(nèi)信號(hào)周期性變化的次數(shù)。如果我們能在給定的1s時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)波形計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果顯示出來(lái)，就能讀取被測(cè)信號(hào)的頻率。數(shù)字頻率計(jì)首先必須獲得相對(duì)穩(wěn)定與準(zhǔn)確的時(shí)間，同時(shí)將被測(cè)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(guò)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(lái)。這就是數(shù)字頻率計(jì)的基本原理。圖13.4數(shù)字頻率計(jì)框圖

3．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(gè)系統(tǒng)提供直流電源。系統(tǒng)對(duì)電源的要求不高，可以采用串聯(lián)式穩(wěn)壓電源電路來(lái)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)間率漂移不能超過(guò)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(duì)50Hz交流市電進(jìn)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(duì)100Hz信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為如圖13.5(b)所示100Hz的矩形波。采用過(guò)零觸發(fā)電路可將全波整流波形變?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(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。首先對(duì)如圖13.5所示的100Hz信號(hào)進(jìn)行100分頻得到如圖13.6（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13.6（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(cè)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(guò)控制門的被測(cè)脈沖的數(shù)目。分頻器可以采用第5章介紹過(guò)的方法，由計(jì)數(shù)器通過(guò)計(jì)數(shù)獲得。二分頻可以采用T′觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。4）信號(hào)放大、波形整形電路為了能測(cè)量不同電平值與波形的周期信號(hào)的頻率，必須對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大與整形處理，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(cè)脈沖。控制門可以用與門或或門來(lái)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(duì)輸入脈沖計(jì)數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，最高測(cè)量頻率為9999Hz，應(yīng)采用4位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。可以選用現(xiàn)成的十進(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)結(jié)果（被測(cè)信號(hào)頻率）必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。鎖存器通過(guò)觸發(fā)脈沖的控制，將測(cè)得的數(shù)據(jù)寄存起來(lái)，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(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。顯示譯碼器的輸出方式必須與數(shù)碼管匹配。

4．實(shí)際電路根據(jù)系統(tǒng)框圖，設(shè)計(jì)出的電路如圖13.7所示。圖13.7數(shù)字頻率計(jì)電路圖

圖中，穩(wěn)壓電源采用7805來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路簡(jiǎn)單可靠，電源的穩(wěn)定度與波紋系數(shù)均能達(dá)到要求。對(duì)100Hz全波整流輸出信號(hào)，由7位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC4024組成的100進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行分頻。計(jì)數(shù)脈沖下降沿有效。在74HC4024的Q7、Q6、Q3端通過(guò)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)（十進(jìn)制數(shù)為100）時(shí)，計(jì)數(shù)器異步清零，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)能保持高電平一段時(shí)間（10ms）。

電路中采用雙JK觸發(fā)器74HC109中的一個(gè)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(hào)加至控制門，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(cè)信號(hào)通過(guò)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(guò)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74HC4518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)，端由低電平向高電平跳變，此時(shí)，8D鎖存器74HC374（上升沿有效）將計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)據(jù)鎖存起來(lái)送顯示譯碼器。計(jì)數(shù)結(jié)果被鎖存以后。即可對(duì)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。頻率計(jì)的制作與調(diào)試

1．所需儀器設(shè)備所需儀器設(shè)備有示波器、音頻信號(hào)發(fā)生器、邏輯筆、萬(wàn)用表、數(shù)字集成電路測(cè)試儀和直流穩(wěn)壓電源。

2．參考步驟

1)器件檢測(cè)用數(shù)字集成電路檢測(cè)儀對(duì)所要用的IC進(jìn)行檢測(cè)，以確保每個(gè)器件完好。如有興趣，也可對(duì)LED數(shù)碼管進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)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(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(cè)試將與變壓器連接的電源插頭插入220V電源，用萬(wàn)用表檢測(cè)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(duì)，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(cè)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(cè)到如圖13.5(a)所示波形。

4)基準(zhǔn)時(shí)間檢測(cè)關(guān)閉電源后，插上全部IC。依次用示波器檢測(cè)由U1(74HC4024)與U3A組成的基準(zhǔn)時(shí)間計(jì)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(duì)照。如無(wú)輸出波形或波形形狀不對(duì)，則應(yīng)對(duì)U1、U3,U2各引腳的電平或信號(hào)波形進(jìn)行檢測(cè)，消除故障。5)輸入檢測(cè)信號(hào)從被測(cè)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(cè)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，則做進(jìn)一步檢測(cè)。

6）輸入放大與整形電路檢測(cè)用示波器觀測(cè)整形電路U1A(74HC14)的輸出波形。正常情況下，可以觀測(cè)到與輸入頻率一致、信號(hào)幅值為5V左右的矩形波。

7)控制門檢測(cè)檢測(cè)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(cè)到被測(cè)信號(hào)的矩形波。如觀測(cè)不到波形，則應(yīng)檢測(cè)控制門的兩個(gè)輸入端的信號(hào)是否正常,并通過(guò)進(jìn)一步的檢測(cè)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(cè)計(jì)數(shù)器電路。8)計(jì)數(shù)器電路的檢測(cè)依次檢測(cè)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。正常情況時(shí)，各電平值或波形應(yīng)與電路中給出的狀態(tài)一致。如頻率關(guān)系不一致或波形不正常，則應(yīng)對(duì)計(jì)數(shù)器和反饋門的各引腳電平與波形進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)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(cè)鎖存器電路。9)鎖存電路的檢測(cè)依次檢測(cè)74HC374鎖存器各引腳的電平與波形。正常情況時(shí)，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(cè)鎖存器電路。

10)顯示譯碼電路與數(shù)碼管顯示電路的檢測(cè)檢測(cè)顯示譯碼器74HC4511各控制端與電源端引腳的電平，同時(shí)檢測(cè)數(shù)碼管各段對(duì)應(yīng)引腳的電平及公共端的電平。通過(guò)檢測(cè)與分析找出故障。13·4數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作的一般方法

13·4·1數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法

13·4·2數(shù)字電路系統(tǒng)的安裝與調(diào)試

通過(guò)對(duì)前面兩個(gè)具體數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作，我們對(duì)數(shù)字電路設(shè)計(jì)有了一定的認(rèn)識(shí)。數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與第10章討論的組合邏輯電路的設(shè)計(jì)有較大的區(qū)別。組合邏輯電路與一般時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，用真值表、狀態(tài)表求出簡(jiǎn)化的邏輯表達(dá)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(lái)實(shí)現(xiàn)。而本章設(shè)計(jì)的數(shù)字電路系統(tǒng)具有復(fù)雜的邏輯功能，難以用真值表、邏輯表達(dá)式來(lái)完整地描述其邏輯功能，用前面介紹的方法來(lái)設(shè)計(jì)，顯然是復(fù)雜而困難的。13．4數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作的一般方法

利用數(shù)字電路硬件描述語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)是目前最先進(jìn)的方法，但不是本課程主要涉及的內(nèi)容。從后續(xù)課程的要求出發(fā)，本課程最關(guān)心的問(wèn)題是通過(guò)對(duì)各種基本數(shù)字電路的認(rèn)識(shí)與了解，利用現(xiàn)有的數(shù)字電路器件來(lái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有各種復(fù)雜邏輯關(guān)系的數(shù)字系統(tǒng)。下面討論采用這種方法進(jìn)行數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作的一般方法。數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)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(hào)加工變換成數(shù)字信號(hào)，其形式包括各種輸入接口電路。比如在本章設(shè)計(jì)制作的數(shù)字頻率計(jì)中，通過(guò)輸入電路對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大、整形，得到數(shù)字電路可以處理的數(shù)字信號(hào)。有些模擬信號(hào)則通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再進(jìn)行處理。在設(shè)計(jì)輸入電路時(shí)，必須首先了解輸入信號(hào)的性質(zhì)，接口的條件，以設(shè)計(jì)合適的輸入接口電路。

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

產(chǎn)生這種信號(hào)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(yùn)算、判別電路等，都是控制電路，它們是整個(gè)系統(tǒng)的核心。設(shè)計(jì)控制電路是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最重要的內(nèi)容，必須充分注意不同信號(hào)之間的邏輯性與時(shí)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?qū)?shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變成模擬輸出信號(hào)。比如數(shù)字頻率計(jì)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(qū)動(dòng)電路等，都屬于系統(tǒng)的輸出電路。設(shè)計(jì)輸出電路，必須注意與負(fù)載在電平、信號(hào)極性、拖動(dòng)能力等方面進(jìn)行匹配。

時(shí)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(gè)系統(tǒng)都在它的控制下按一定的規(guī)律工作。時(shí)鐘電路包括主時(shí)鐘振蕩電路及經(jīng)分頻后形成各種時(shí)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(jì)中的基準(zhǔn)時(shí)間形成電路等都屬于時(shí)鐘電路。設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求首先確定主時(shí)鐘的頻率，并注意與其他控制信號(hào)結(jié)合產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種時(shí)鐘脈沖。

電源為整個(gè)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(duì)電源電壓要求比較嚴(yán)格，電壓值必須在一定范圍內(nèi)。CMOS電路對(duì)電源電壓的要求相對(duì)比較寬松。設(shè)計(jì)電源時(shí)，必須注意電源的負(fù)載能力，電壓的穩(wěn)定度及波紋系數(shù)等。

顯然，任何復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)都可以逐步劃分成不同層次、相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)子系統(tǒng)的邏輯關(guān)系、時(shí)序等的分析，最后可以選用合適的數(shù)字電路器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。將各子系統(tǒng)組合起來(lái)，便完成了整個(gè)大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就可以避免盲目的拼湊，完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

1）消化課題必須充分了解設(shè)計(jì)要求，明確被設(shè)計(jì)系統(tǒng)的全部功能、要求及技術(shù)指標(biāo)。熟悉被處理信號(hào)與被控制對(duì)象的各種參數(shù)與特點(diǎn)。

2）確定總體設(shè)計(jì)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(hào)的邏輯關(guān)系與時(shí)序關(guān)系。方框圖應(yīng)能簡(jiǎn)潔、清晰地表示設(shè)計(jì)方案的原理。3）繪制單元電路并對(duì)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(biāo)注各單元電路輸入輸出信號(hào)的波形。原理圖中所用的元件應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)號(hào)；電路的排列一般按信號(hào)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(dāng)信號(hào)通路分開畫時(shí)，在分開的兩端必須作出標(biāo)記，并指出斷開處的引出與引入點(diǎn)。

然后利用電子CAD軟件中的數(shù)字電路仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真測(cè)試，以確定電路是否準(zhǔn)確無(wú)誤。當(dāng)電路中采用TTL、CMOS、運(yùn)放、分立元件等多種器件時(shí)，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(zhuǎn)換，并繪制出電平轉(zhuǎn)換電路。4）分析電路可能設(shè)計(jì)的單元電路不存在任何問(wèn)題，但組合起來(lái)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(duì)控制信號(hào)要從邏輯關(guān)系、正反極性、時(shí)序幾個(gè)方面進(jìn)行深入考慮，確保不存在沖突。在深入分析的基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)原設(shè)計(jì)電路的不斷修改，獲得最佳設(shè)計(jì)方案。

5）完成整體設(shè)計(jì)在各單元電路完成的基礎(chǔ)上，用電子CAD軟件將各單元電路連接起來(lái)，畫出符合軟件要求的整機(jī)邏輯電路圖。6）邏輯仿真整體電路設(shè)計(jì)完畢后，再次在仿真軟件上對(duì)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行邏輯仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，設(shè)計(jì)出一個(gè)比較理想的數(shù)字電路系統(tǒng)必須經(jīng)常訓(xùn)練，反復(fù)實(shí)踐才能熟練。為使設(shè)計(jì)盡可能優(yōu)化，必須對(duì)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(xué)會(huì)查閱數(shù)字電路器件手冊(cè)，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(duì)信號(hào)的要求，以及輸出端輸出信號(hào)的特點(diǎn)。這些對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是十分重要的。熟悉電子CAD軟件的使用，對(duì)我們的設(shè)計(jì)十分有幫助。數(shù)字電路系統(tǒng)的安裝與調(diào)試數(shù)字試驗(yàn)系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì)完畢后，還必須通過(guò)試驗(yàn)板的安裝與調(diào)試，糾正設(shè)計(jì)中因考慮不周出現(xiàn)的錯(cuò)誤或不足。檢測(cè)出實(shí)際系統(tǒng)正常運(yùn)行的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)、參數(shù)、工作狀態(tài)、輸出驅(qū)動(dòng)情況、動(dòng)作情況與邏輯功能。因此，系統(tǒng)裝調(diào)工作是驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)，進(jìn)一步修正設(shè)計(jì)方案的重要實(shí)踐過(guò)程。具體可按如下步驟進(jìn)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(yàn)系統(tǒng)工作可靠，減少不必要的差錯(cuò)，大大節(jié)省電路試驗(yàn)時(shí)間。

2）檢測(cè)器件在將器件安裝到PCB上之前，對(duì)所選用的器件進(jìn)行測(cè)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(shí)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(shí)，集成電路最好通過(guò)插座與電路板連接，這便于不小心損壞器件后進(jìn)行更換。數(shù)字電路的布線一般比較緊密、焊點(diǎn)較小，在焊接過(guò)程中注意不要出現(xiàn)掛錫或虛焊。

4）電路調(diào)試電路的調(diào)試可分兩步來(lái)進(jìn)行，一是單元電路的調(diào)試，然后是總調(diào)。只有通過(guò)調(diào)試使單元電路到達(dá)預(yù)定要求，總調(diào)才能順利進(jìn)行。調(diào)試時(shí)應(yīng)注意：

（1）充分理解電路的工作原理和電路結(jié)構(gòu)，對(duì)電路輸入輸出量之間的邏輯關(guān)系，正常情況下信號(hào)的電平、波形、頻率等做到心中有數(shù)。據(jù)此設(shè)計(jì)出科學(xué)的調(diào)試方法，包括選用的儀器設(shè)備，調(diào)試的步驟、每個(gè)步驟中檢測(cè)的部位、如何人為設(shè)置電路工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試等。（2）可以先進(jìn)行靜態(tài)測(cè)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