數(shù)字電子技術(shù)項(xiàng)目教程 課件 項(xiàng)目6、7 簡易數(shù)顯式電容計(jì)的設(shè)計(jì)與制作、交通燈控制器的設(shè)計(jì)與制作

任務(wù)6.1項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的一般方法和步驟

任務(wù)6.2總體設(shè)計(jì)方案及工作原理

任務(wù)6.3單元電路設(shè)計(jì)

任務(wù)6.4安裝與調(diào)試任務(wù)6.1項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的一般方法和步驟“數(shù)字電子技術(shù)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)”的任務(wù)是讓學(xué)生通過解決實(shí)際問題,鞏固和運(yùn)用“數(shù)字電子技術(shù)”課程中所學(xué)的理論知識和實(shí)踐技能,基本掌握常用數(shù)字電路的一般設(shè)計(jì)方法,提高設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐技能,提高自學(xué)和解決實(shí)際問題的能力,鍛煉獨(dú)立思考和創(chuàng)新精神,有助于提高全面素質(zhì),為畢業(yè)設(shè)計(jì)及今后從事電子電路設(shè)計(jì)、研制電子產(chǎn)品打下一定的基礎(chǔ)。項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的一般設(shè)計(jì)方法和步驟如圖61所示。

但電路種類很多,設(shè)計(jì)方法和步驟也會因不同情況而異,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況靈活掌握。

下面對項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的主要環(huán)節(jié)做簡要說明。6.1.1任務(wù)書任務(wù)書是進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的依據(jù)。

任務(wù)書一般寫有以下內(nèi)容:(1)課題名稱;(2)主要技術(shù)指標(biāo)和要求;(3)提供的元器件、實(shí)驗(yàn)器材;(4)參考資料。6.1.2總體方案的選擇設(shè)計(jì)原理電路的第一步是選擇總體方案。

所謂總體方案,是指針對任務(wù)書提出的任務(wù)、要求和條件,從全局著眼,用具有一定功能的若干單元電路構(gòu)成的一個(gè)整體,來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)性能指標(biāo)。

顯然,符合要求的總體方案通常不止一個(gè),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)廣開思路,提出若干種不同的方案,然后逐一分析每一個(gè)方案的可行性和優(yōu)缺點(diǎn),再加以比較,擇優(yōu)選用。

上述過程如圖62所示。

此外,在選擇過程中,常用框圖表示各方案的基本原理。

框圖一般不必畫得太詳細(xì),只要能說明方案的基本原理即可。6.1.3單元電路的設(shè)計(jì)選定總體方案后,便可畫出詳細(xì)框圖,設(shè)計(jì)單元電路。

單元電路的設(shè)計(jì)方法如下:(1)設(shè)計(jì)單元電路的第一步,是根據(jù)設(shè)計(jì)要求和已選定的總體方案的原理框圖,明確對各單元電路的要求,必要時(shí)應(yīng)詳細(xì)擬定出主要單元電路的性能指標(biāo)。

可以用簡略的文字標(biāo)出主要技術(shù)指標(biāo),關(guān)鍵問題要做必要的文字說明。(2)擬定出對各單元電路的要求后,應(yīng)全面檢查一遍,確認(rèn)無誤后便可按照一定的順序設(shè)計(jì)各單元電路的結(jié)構(gòu)形式,選擇元器件和計(jì)算參數(shù)等。

設(shè)計(jì)的順序可以按信號流程的方向逐一設(shè)計(jì)各單元電路,也可以按先難后易或先易后難的順序設(shè)計(jì)各單元電路。應(yīng)當(dāng)選擇哪種形式的電路作為所要設(shè)計(jì)的單元電路呢?最簡單的辦法是從學(xué)過的和所了解的電路中選擇一個(gè)合適的電路。

在條件許可時(shí),應(yīng)查閱各種資料,這樣既可以豐富知識,開闊眼界,而且可能找到更好的電路。

例如電路更簡單、成本更低等。6.1.4元器件的選擇和參數(shù)的計(jì)算1.元器件的選擇由于數(shù)字集成電路的功能和種類相當(dāng)多,以至于單元電路的設(shè)計(jì)變得像“點(diǎn)菜譜”那樣容易。

從某種意義上講,數(shù)字電路的設(shè)計(jì)就是選擇最合適的元器件,并把它們組合起來。因此,在設(shè)計(jì)過程中,經(jīng)常遇到選擇元器件的問題,不僅在設(shè)計(jì)單元電路和總體電路及計(jì)算參數(shù)時(shí)要考慮選哪些元器件合適,而且在提出方案、分析和比較方案的優(yōu)缺點(diǎn)時(shí),也要考慮到用哪些元器件以及它們的性能和價(jià)格如何等。

由此可見,選擇元器件是多么重要。那么,怎樣選擇元器件呢?其實(shí)只要弄清楚“需要什么”和“有什么”兩個(gè)問題。所謂“需要什么”,是指項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)所選擇的方案,需要什么樣的元器件。

即每個(gè)元器件應(yīng)具有哪些功能和什么樣的性能指標(biāo)。所謂“有什么”,是指有哪些元器件,哪些實(shí)驗(yàn)室有,哪些在市場上可以買到,它們的性能各是什么,價(jià)格如何,體積多大等。

電子元器件種類繁多,而且新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),這就需要我們經(jīng)常關(guān)心元器件的信息和新動向,多查資料。元器件的選擇可以從以下幾點(diǎn)來考慮:(1)應(yīng)熟悉集成電路有哪些種類,最好能夠熟悉若干種典型產(chǎn)品的型號、性能及價(jià)格等,以便設(shè)計(jì)時(shí)能及時(shí)提出方案,較快地設(shè)計(jì)出單元電路。(2)同一功能的數(shù)字集成電路,例如與非門,可能既有TTL產(chǎn)品,又有CMOS產(chǎn)品。而TTL中有肖特基、低功耗肖特基和先進(jìn)低功耗肖特基等不同的產(chǎn)品,CMOS數(shù)字器件也有普通型和高速型兩種不同的產(chǎn)品。

究竟選哪種產(chǎn)品好呢?在一般情況下可參考表61。

對于某些具體問題究竟是選用TTL器件好,還是選用CMOS器件好,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)它們各自情況和特點(diǎn)靈活選用。(3)CMOS器件可以與TTL器件混合使用在同一電路中,前者的電源電壓盡量用+5V,以便兩者的高、低電平兼容。

但與用+15V供電的情況相比,用+5V供電時(shí)CMOS器件的某些性能較差,例如抗干擾的容限小,傳輸延遲時(shí)間長等。

因此,必要時(shí)CMOS器件仍需要用+15V電源供電,在這種情況下,CMOS器件與TTL器件之間應(yīng)加電平轉(zhuǎn)換電路。(4)電阻器和電容器是兩種常用的分立元件,它們的種類很多,性能各異。

阻值相同、類型不同的兩種電阻器或容量相同、類型不同的兩種電容器用在同一個(gè)電路中的同一個(gè)位置,可能效果大不一樣。

此外,價(jià)格和體積也可能相差很大。

因此,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)熟悉各種常用電阻器和電容器的主要性能及特點(diǎn),以便設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)電路對它們的要求,作出正確的選擇。2.參數(shù)的計(jì)算在設(shè)計(jì)電路的過程中,常需要計(jì)算某些參數(shù)。

計(jì)算參數(shù)的方法主要在于正確運(yùn)用分析方法,弄清電路原理和用好計(jì)算公式。

但設(shè)計(jì)中計(jì)算參數(shù)與做習(xí)題有所不同,習(xí)題中通常將大多數(shù)參數(shù)值作為已知量給出,只要求一兩個(gè)參數(shù)值,而且答案一般是唯一的。

而設(shè)計(jì)時(shí),除了對電路性能指標(biāo)的要求外,通常沒有其他已知參數(shù),幾乎全部由設(shè)計(jì)者自己選擇和計(jì)算,而且理論上滿足要求的參數(shù)值一般不是唯一的,給設(shè)計(jì)者提供了選擇的自由,即可根據(jù)價(jià)格、體積和貨源等具體情況靈活選擇。

也就是說,設(shè)計(jì)中的計(jì)算參數(shù)包括“選擇”和“計(jì)算”兩個(gè)方面。6.1.5總體電路的畫法設(shè)計(jì)好單元電路后,應(yīng)畫出總體電路圖。

總體電路圖不僅是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和印刷電路板等工藝設(shè)計(jì)的主要依據(jù),而且在生產(chǎn)調(diào)試和維修時(shí)也離不開它,因此總體電路圖具有重要作用。在畫正式的總體電路圖前可先畫出總體電路草圖。

這樣可以檢查各單元電路之間的相互連線和配合是否有問題,各單元電路分別畫在什么位置等?？傮w電路圖畫得好,不僅自己看起來方便,而且別人容易看懂,便于進(jìn)行技術(shù)交流。怎樣才能畫好總體電路圖呢?一般說來,主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)畫圖時(shí)應(yīng)注意信號的流向,通常從輸入端或信號源畫起,從左至右或由上至下按信號的流向依次畫出各單元電路。

但不要把電路圖畫成很長的窄條,必要時(shí)可以按信號流向的主通道依次把各單元電路排列成類似字母“U”的形狀,它開口可以朝左,也可以朝其他方向。(2)盡量把總體電路圖畫在同一張圖紙上。

如果電路比較復(fù)雜,一張圖紙畫不下,則應(yīng)把主電路畫在同一張圖紙上,而把一些比較獨(dú)立或次要的部分(例如直流穩(wěn)壓電源)畫在另一張或幾張圖紙上,并用恰當(dāng)?shù)姆绞秸f明各圖紙上電路連線的關(guān)系。(3)電路圖中所有連線都要表示清楚,各元器件之間的絕大多數(shù)連線應(yīng)在圖上直接畫出。

連線通常畫成水平線或豎線,一般不畫斜線。

互通連線的交叉線,應(yīng)在交叉處用圓點(diǎn)標(biāo)出。

還應(yīng)注意盡量使連線短些,少拐彎。

有的可用符號表示,例如地線常用“⊥”表示,集成電路器件的電源一般只要標(biāo)出電源電壓的數(shù)值(例+5V)即可;有的可采用簡便畫法。

總之,以清晰明了、容易看懂為原則,但也要注意電路圖的緊湊和協(xié)調(diào),稀密恰當(dāng),避免出現(xiàn)有的地方畫得很密,有的地方空出一大塊。(4)電路圖中的中大規(guī)模集成電路器件,通常用方框表示。

在方框中標(biāo)出它的型號,在方框的邊線兩側(cè)標(biāo)出每根連線的功能名稱和管腳號。(5)集成電路器件的管腳較多,有些管腳的連線是可以選擇的。

例如,用四2輸入與非門74LS00時(shí),可以有許多種接法,遇到這種情況,畫原理電路圖時(shí)通常不標(biāo)管腳號。

這樣做可以在實(shí)驗(yàn)布線或設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)有較多的靈活性,為合理布線提供了方便。

而布線時(shí)應(yīng)隨時(shí)把實(shí)際接線的管腳號填寫在原理電路圖上,以便以后調(diào)試或維修。6.1.6審圖在畫出總體電路圖,并計(jì)算出全部參數(shù)以后,至少應(yīng)進(jìn)行一次全面審查。

這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)的原理電路中存在一些問題是難免的,經(jīng)過審圖,可以發(fā)現(xiàn)和解決一部分或大部分問題,為實(shí)驗(yàn)打下較好的基礎(chǔ)。

在審圖時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)先從全局出發(fā),檢查總體方案是否合適,有無問題,再審查各單元電路的原理是否正確,電路形式是否合適。(2)檢查各單元電路之間的電平、時(shí)序等配合有無問題。(3)檢查電路圖中有無煩瑣之處,是否可以簡化。(4)根據(jù)圖中所標(biāo)出的各元器件的型號、參數(shù)值等,驗(yàn)算能否達(dá)到性能指標(biāo)。(5)要特別注意檢查電路圖中各元器件工作是否安全(尤其是CMOS器件),以免實(shí)驗(yàn)時(shí)損壞。6.1.7實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的實(shí)驗(yàn)過程包括電路的安裝與調(diào)試。

電路的安裝與調(diào)試在電子工程技術(shù)中占有重要位置,是把理論付諸實(shí)踐的過程,也是對理論設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)、修改,使之更加完善的過程。

實(shí)際上,任何一個(gè)好的設(shè)計(jì)方案都是安裝、調(diào)試后經(jīng)過多次修改才得到的。1.安裝安裝之前,一定要對元器件進(jìn)行測試,參數(shù)的性能指標(biāo)應(yīng)滿足要求,并留有余量。

要準(zhǔn)確識別各元器件的引腳,了解各元器件的使用注意事項(xiàng),以免出錯(cuò),造成人為故障,甚至損壞元器件。

設(shè)計(jì)的電路一般是安裝在實(shí)驗(yàn)箱上,為此,還必須熟悉實(shí)驗(yàn)箱的性能特點(diǎn)和使用方法。

安裝步驟一般如下:1)計(jì)算電路中主要元器件的數(shù)量電路安裝之前要計(jì)算電路中使用的元器件的數(shù)量,在滿足電路要求的情況下,盡量節(jié)省元器件的數(shù)目,選擇便宜的產(chǎn)品,以降低成本。2)合理安排主要元器件的位置計(jì)算元器件的數(shù)量之后,下一步要合理安排主要元器件的布局。

這樣才不至于造成因先安裝的電路占的面積過大而給后面電路的安裝造成麻煩,甚至使后面的電路安裝不下只好拆掉重新布局。3)依據(jù)調(diào)試先后順序連接電路電路的安裝順序應(yīng)該按調(diào)試的順序進(jìn)行。

調(diào)試一般采用先分塊調(diào)試,再整個(gè)電路聯(lián)調(diào)的方法,因此,安裝也要逐步進(jìn)行。在安裝的同時(shí)應(yīng)記錄下所用元器件的引腳號碼,目的是為檢查電路和調(diào)試提供方便。如果電路中同時(shí)使用多片相同型號的集成電路,則要標(biāo)明每一片對應(yīng)電路中的位置。4)檢查電路接線是否正確電路安裝完畢后不要急于通電,先要認(rèn)真檢查電路接線是否正確,包括錯(cuò)線(連線一端正確,另一端錯(cuò)誤)、少線(安裝時(shí)漏掉的線)和多線(連線的兩端在電路圖上都是不存在)。多線一般是因接線時(shí)看錯(cuò),或在改接線時(shí)忘記去掉原來的連線造成的,而檢查時(shí)又不易被發(fā)現(xiàn)。

檢查連線的方法有兩種:一種是按照設(shè)計(jì)的電路圖檢查安裝的線路,即把電路圖上的連線按一定順序在安裝好的線路中逐一對應(yīng)檢查,這種方法容易找出錯(cuò)線和少線。

另一種是按照實(shí)際線路來對照電路原理圖,把每一個(gè)元器件引腳連線的去向依次查清,檢查每個(gè)去處在電路圖上是否都存在。

不論用什么方法檢查,一定要在電路圖上把查過的線作出標(biāo)記,還要檢查每個(gè)元器件引腳的使用端數(shù)是否與圖紙上的相符。

檢查完連線后,再直觀檢查電源、地線、信號線、元器件引腳之間有無短路,連線處有無接觸不良,二極管、三極管和電解電容等引腳有無錯(cuò)接。2.調(diào)試調(diào)試包括測試和調(diào)整兩個(gè)方面。

測試是在安裝后對電路的參數(shù)及工作狀態(tài)進(jìn)行測量,調(diào)整是指在測試的基礎(chǔ)上對電路的參數(shù)進(jìn)行修正,使之滿足設(shè)計(jì)要求。調(diào)試的方法有兩種:第一種是邊安裝邊調(diào)試的方法,也就是把復(fù)雜的電路按原理框圖上的功能塊進(jìn)行安裝和調(diào)試,在分塊調(diào)試的基礎(chǔ)上逐步擴(kuò)大安裝和調(diào)試的范圍,最后完成整機(jī)調(diào)試。

對于新設(shè)計(jì)的電路,一般采用這種方法,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并加以解決。

另一種方法是在整個(gè)電路安裝完畢后,實(shí)行一次性調(diào)試。

這種方法一般適用于定型產(chǎn)品和需要相互配合才能運(yùn)行的產(chǎn)品。具體調(diào)試可按下列步驟進(jìn)行:1)通電觀察把經(jīng)過精確測量的電源電壓加入電路(先關(guān)斷電源開關(guān),待接通連線之后再打開電源開關(guān)),電源通電之后不要急于測量數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果,首先要觀察有無異?，F(xiàn)象等,包括有無冒煙,是否聞到異常氣味,手摸元器件是否發(fā)燙,電源是否有短路現(xiàn)象等。

如果出現(xiàn)異常,應(yīng)立即關(guān)斷電源,待排除故障后方可重新通電。

然后再測量各元器件引腳電源電壓,而不只是測量各路總電源電壓,以保證元器件正常工作。2)分塊調(diào)試分塊調(diào)試是把電路按功能分成不同的部分,把每部分看作一個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試。

在分塊調(diào)試的過程中逐漸擴(kuò)大調(diào)試范圍,最后實(shí)現(xiàn)整機(jī)調(diào)試。

比較理想的調(diào)試順序是按照信號的方向進(jìn)行,這樣可以把前面調(diào)試過的輸出信號作為后一級的輸入信號,為最后的聯(lián)調(diào)創(chuàng)造條件。3)整機(jī)聯(lián)調(diào)在分塊調(diào)試過程中,因逐步擴(kuò)大了調(diào)試范圍,實(shí)際上已經(jīng)完成了某些局部聯(lián)調(diào)工作。下面先要做好各功能塊之間接口電路的調(diào)試工作,再把全部電路接通,就可以實(shí)現(xiàn)整機(jī)聯(lián)調(diào)。

即把各種測量儀器及電路本身的顯示部分提供的信息與設(shè)計(jì)指標(biāo)逐一對比,找出問題,然后進(jìn)一步修改電路的參數(shù),直到完全符合設(shè)計(jì)要求為止。4)系統(tǒng)精度的測量系統(tǒng)精度是設(shè)計(jì)電路時(shí)很重要的一個(gè)指標(biāo)。

如果是測量電路,被測元器件本身應(yīng)該是由精度高于測量電路的儀器進(jìn)行測試,然后才能作為標(biāo)準(zhǔn)元器件接入電路校準(zhǔn)精度。

例如,電容量測量電路,校準(zhǔn)精度時(shí)所用的電容不能以標(biāo)稱值計(jì)算,而要經(jīng)過高精度的電容表測量其準(zhǔn)確值后,才可作為校準(zhǔn)電容。5)注意事項(xiàng)(1)調(diào)試之前先要熟悉各種儀器的使用方法,并仔細(xì)加以檢查,避免由于儀器使用不當(dāng)或出現(xiàn)故障時(shí)做出錯(cuò)誤判斷。(2)測量用的儀器的地線和被測電路的地線應(yīng)連在一起。

只有使儀器和電路之間建立一個(gè)公共參考點(diǎn),測量結(jié)果才是正確的。(3)調(diào)試過程中,發(fā)現(xiàn)器件或接線有問題需要更換或修改時(shí),應(yīng)該先關(guān)斷電源,待更換完畢并經(jīng)認(rèn)真檢查后才可重新通電。安裝調(diào)試自始至終要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。

出現(xiàn)故障時(shí)要認(rèn)真查找故障原因,仔細(xì)作出判斷,切不可一遇故障解決不了就拆掉線路重新安裝。

因?yàn)橹匦掳惭b的線路仍然會存在各種問題,況且原理上的問題不是重新安裝就能解決的。6.1.8設(shè)計(jì)總結(jié)調(diào)試成功后需要寫出一份總結(jié)報(bào)告,按照統(tǒng)一的格式寫出設(shè)計(jì)說明書。

編寫設(shè)計(jì)說明書,能提高編制科技報(bào)告或技術(shù)資料的能力,同時(shí)也能使設(shè)計(jì)從理論上進(jìn)一步得到總結(jié)和提高。

總結(jié)報(bào)告應(yīng)包括以下內(nèi)容:(1)題目名稱;(2)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求;(3)總體設(shè)計(jì)方案框圖,并說明各部分的工作原理;(4)單元電路的設(shè)計(jì)和元器件的選擇;(5)計(jì)算各元器件的主要參數(shù),并標(biāo)在圖中適當(dāng)?shù)奈恢?(6)畫出完整的電路圖和必要的波形圖,并說明主要工作原理;(7)安裝調(diào)試步驟;(8)畫出總體電路圖,列出元器件明細(xì)表;(9)整理性能測試數(shù)據(jù),并分析是否滿足要求,提出改進(jìn)意見;(10)有哪些收獲和體會。下面以簡易數(shù)顯式電容計(jì)為例說明項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的方法和步驟。任務(wù)6.2總體設(shè)計(jì)方案及工作原理6.2.1電容計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)及要求數(shù)顯式電容計(jì)具有測量速度快、讀數(shù)方便等優(yōu)點(diǎn),正在逐步取代傳統(tǒng)的電容測試方法。

試設(shè)計(jì)一個(gè)簡易數(shù)顯式電容計(jì),其主要指標(biāo)如下:(1)測量范圍為1~999nF。(2)用三位LED數(shù)碼管顯示測量結(jié)果。(3)具有超量程指示。(4)能自動地進(jìn)行連續(xù)測量。

測量周期為4秒,測量結(jié)果保持2秒左右。(5)提供的主要器材包括:①NE556定時(shí)器(雙定時(shí)器)、MC14553(三位BCD計(jì)數(shù))、CD4511(BCD七段顯示譯碼器)、CD4001(四2輸入或非門)各一塊。

②

共陰結(jié)構(gòu)LED數(shù)碼管、三極管、二極管、阻容元件等。

③

直流穩(wěn)壓電源、雙蹤示波器。6.2.2電容計(jì)總體設(shè)計(jì)方案及工作原理簡易數(shù)顯式電容計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案框圖如圖63所示,它由CT轉(zhuǎn)換電路、振蕩器、控制電路、計(jì)數(shù)器、顯示譯碼電路和超量程指示電路六部分組成。圖63中各模塊電路的功能如下:(1)CT轉(zhuǎn)換電路的作用是把被測電容的電容量Cx轉(zhuǎn)換成脈沖信號,使脈沖信號的寬度Tx正比于Cx。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有定時(shí)時(shí)間正比于定時(shí)電容C的關(guān)系,因此可以用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)此功能。(2)多諧振蕩器產(chǎn)生周期性矩形脈沖,讓計(jì)數(shù)器在CT轉(zhuǎn)換期間計(jì)數(shù)。

如果Cx大,則Tx大,那么在Tx期間計(jì)數(shù)器計(jì)的脈沖數(shù)就多,而計(jì)到的脈沖數(shù)多,就代表Cx大。

只要調(diào)整好振蕩器的振蕩頻率,可以使計(jì)數(shù)器計(jì)到的脈沖數(shù)(用十進(jìn)制表示)就是被測電容的電容量(nF)數(shù)。(3)計(jì)數(shù)器是三位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。(4)顯示譯碼電路用于把計(jì)數(shù)器計(jì)到的脈沖數(shù)用十進(jìn)制數(shù)字顯示出來。(5)超量程指示電路的作用是當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到的脈沖數(shù)超過999時(shí),產(chǎn)生一個(gè)指示信號,即代表被測電容的電容量超過了999nF,此時(shí)顯示器的讀數(shù)已不是Cx的值。(6)控制電路的作用是產(chǎn)生控制各部分電路正常工作的時(shí)序信號。

該電路用下降沿觸發(fā)CT轉(zhuǎn)換電路(單穩(wěn)態(tài)電路),用上升沿使計(jì)數(shù)器清零和超量程指示電路復(fù)位。

測量過程的時(shí)序圖如圖64所示。(7)設(shè)計(jì)時(shí)采用CMOS集成電路,電源電壓用+6V。任務(wù)6.3單元電路設(shè)計(jì)6.3.1CT轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)CT轉(zhuǎn)換電路的作用是把被測電容的電容量Cx轉(zhuǎn)換成脈沖信號,使脈沖信號的寬度Tx正比于Cx。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有定時(shí)時(shí)間正比于定時(shí)電容的關(guān)系,即tW≈1.1RC,因此,在這里CT轉(zhuǎn)換電路采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。用NE556其中的一個(gè)555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路如圖65所示,圖中R2和Cx為定時(shí)電阻、電容。CT轉(zhuǎn)換電路波形如圖66所示,圖中Tx≈1.1R2Cx。在電路中加入了由C1和R1組成的微分電路,這樣單穩(wěn)態(tài)電路只要靠輸入VI1

的下降沿觸發(fā),定時(shí)時(shí)間與VI1

的低電平寬度無關(guān)?？紤]到定時(shí)精度和測量速度,設(shè)定測量范圍內(nèi)Tx的時(shí)間為0.1ms~0.1s,由于電路測量電容的范圍為1~999nF,則可通過計(jì)算取R2=91kΩ。6.3.2多諧振蕩器的設(shè)計(jì)多諧振蕩器用NE556中的另一個(gè)555定時(shí)器構(gòu)成,電路如圖67所示。多諧振蕩器的振蕩周期為

在Tx內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)到的脈沖數(shù)N為根據(jù)設(shè)計(jì)要求,N就是被測電容Cx的電容量(nF)數(shù),則得即振蕩器的振蕩頻率約為10kHz。6.3.3計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)1.計(jì)數(shù)器的選用計(jì)數(shù)器采用MC14553,它是三位BCD加法計(jì)數(shù)器,集成電路引腳圖如圖68所示,其功能表如表62所示。2.MC14553功能說明MC14553集成電路由三個(gè)同步級聯(lián)的下降沿觸發(fā)的BCD計(jì)數(shù)器、三個(gè)鎖存器以及分配鎖存器的多路選擇器組成。

此外,還有時(shí)鐘輸入端的整形電路、分配多路選擇器的時(shí)序掃描電

路

和

振

蕩

器

電

路,以

及

用

于

顯

示

控

制

的

數(shù)

據(jù)

選

擇

輸

出

組成。MC14553的主要引腳功能如下:(1)3腳和4腳CIA、CIB

為內(nèi)部振蕩器的外接電容端子。

振蕩器提供多路數(shù)據(jù)選擇器的低頻掃描時(shí)鐘脈沖,振蕩器的振蕩頻率取決于連接在3腳和4腳的外接電容的大小,若需外部時(shí)鐘,也可以從4腳處引入。(2)2、1、15腳

為顯示驅(qū)動掃描時(shí)序輸出,低電平有效。

振蕩器產(chǎn)生的掃描時(shí)鐘信號與三個(gè)位選擇輸出信號的時(shí)序關(guān)系如圖69所示。(3)5、6、7、9腳QD、QC、QB、QA為8421BCD碼輸出端,QD為最高位。(4)13腳R為復(fù)位端,高電平有效。(5)11腳INH為時(shí)鐘禁止端,當(dāng)INH為1時(shí),禁止時(shí)鐘脈沖“CL”輸入BCD計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)器保持禁止前的最后計(jì)數(shù)狀態(tài)。(6)10腳LE為鎖存器的鎖存允許端,當(dāng)LE為1時(shí),鎖存器呈鎖存狀態(tài),保持原有鎖存器內(nèi)的信息。

若需將鎖存器內(nèi)的信息清除,則在鎖存器LE端加0電平。(7)14腳OF為計(jì)數(shù)器溢出輸出端,計(jì)數(shù)器每逢輸入第1000個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿時(shí),溢出輸出端OF輸出一個(gè)完整的脈沖,該脈沖結(jié)束于上述條件下輸入時(shí)鐘的下降沿。3.計(jì)數(shù)器電路的連接根據(jù)CT轉(zhuǎn)換電路在轉(zhuǎn)換期間的輸出是高電平,以及要用來控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),可從表62灰色的三行中看出,將CT轉(zhuǎn)換電路的輸出加到12腳CL端,計(jì)數(shù)脈沖從11腳INH端引入,所以與多諧振蕩器輸出相連。13腳計(jì)數(shù)器復(fù)位端R,與控制電路輸出相連。14腳計(jì)數(shù)器溢出輸出端OF,與超量程指示電路相連。

計(jì)數(shù)器與其他電路的連接電路見6.3.4節(jié)的圖612。6.3.4顯示譯碼電路的設(shè)計(jì)1.顯示譯碼器的選用顯示譯碼器選用CD4511。CD4511是用于驅(qū)動共陰極數(shù)碼管的BCD碼七段顯示譯碼器,其引腳排列圖如圖610所示。

其中,D~A為代碼輸入端,輸入8421BCD碼;為消隱輸入端,低電平有效;為燈測試輸入端,低電平有效;LE為數(shù)據(jù)鎖存輸入端,高電平有效;Ya~Yg為輸出端,高電平有效,可驅(qū)動共陰數(shù)碼顯示器。

由表63可知,輸出Ya~Yg也是一種多位二進(jìn)制代碼,稱為字段碼。2.顯示譯碼電路計(jì)數(shù)和顯示譯碼電路如圖612所示,計(jì)數(shù)電路輸出待測電容容量的4位BCD碼,然后通過顯示譯碼電路,將待測電容容量在三位數(shù)碼管上顯示出來。

其中顯示譯碼電路為掃描顯示電路(也稱為動態(tài)顯示電路),掃描顯示的基本原理是利用了人眼的視覺暫留效應(yīng)和發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)多位數(shù)碼管的“同時(shí)”顯示。在圖612所示電路中,由連接于3腳(C1A)和4腳(C1B)之間的電容C4來決定顯示掃描頻率。C4越小,掃描頻率越高,顯示越穩(wěn)定;反之,掃描頻率越低,數(shù)碼管的顯示會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。

故C4不能取得太大,在本項(xiàng)目中,C4容量選擇為103pF。3.限流電阻的選取顯示譯碼電路中的限流電阻、三極管的基極電阻和三極管的計(jì)算與選擇可按圖614所示的方法進(jìn)行。

設(shè)圖中三極管Q工作在放大區(qū),則實(shí)際的顯示譯碼電路中,一個(gè)三極管要驅(qū)動一只數(shù)碼管,即要驅(qū)動七只發(fā)光二極管,而且在掃描顯

示

中,數(shù)

碼

管

的

每

段

電

流

要

大

一

些,設(shè)

每

段

電

流

為15mA,基

極

電

流

由MC14553的輸出驅(qū)動電流限制,設(shè)為1.3mA。

這樣,可算得R=133Ω,取130Ω,RB=1kΩ,β=15×7/1.3≈80,在

本

項(xiàng)

目

中,選

用

的

三

極

管

的β值

要

大

于80,ICM

要

大

于105mA。6.3.5超量程指示電路的設(shè)計(jì)超量程指示電路如圖615所示,其中由CD4001中的兩個(gè)或非門構(gòu)成的是一個(gè)基本RS觸發(fā)器,輸入高電平有效。6.3.6控制電路的設(shè)計(jì)根據(jù)數(shù)顯式電容計(jì)的工作原理,控制電路實(shí)際上是一個(gè)低頻信號發(fā)生器,振蕩周期為4秒,它的精度和穩(wěn)定度要求不高。

因此,可用如圖617所示的電路構(gòu)成,圖中的兩個(gè)或非門由CD4001的另外兩個(gè)或非門組成,它們連接成非門電路,和R6、R7、C7構(gòu)成非對稱式多諧振蕩器。

該振蕩器振蕩周期的估算式為由于MC14553在高電平清零時(shí),位選擇輸出端

都為1,將使顯示器消隱。如果清零信號的高電平持續(xù)時(shí)間較長,會看到消隱現(xiàn)象。

為避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象,控制電路中通過C2和R3組成的微分電路把清零信號加到計(jì)數(shù)器清零端。

這樣,計(jì)數(shù)器只是靠清零信號的上升沿清零,即使清零的高電平持續(xù)很短,靠人眼的視覺殘留效應(yīng),就不會覺察到有消隱現(xiàn)象。任務(wù)6.4安

裝

與

調(diào)

試6.4.1總原理圖及元器件清單根據(jù)設(shè)計(jì)好的單元電路繪制電路總原理圖如圖618所示,其PCB圖如圖619所示,整理出簡易數(shù)顯式電容計(jì)元器件清單如表64所示。

表中1個(gè)104瓷片電容和電解電容為待測電容。6.4.2安裝元器件的安裝工藝要求如下:(1)對照設(shè)計(jì)好的電路圖在印制電路板上走線,找出對應(yīng)的元器件。(2)元器件在印制電路板插裝的順序是先低后高,先小后大,先輕后重。(3)元器件安裝的方向:電子元器件的標(biāo)記和色碼部位應(yīng)向外,以便于辨認(rèn);水平安裝元器件的數(shù)值讀法應(yīng)保證從左至右,豎直安裝元器件的數(shù)值讀法則應(yīng)保證從上至下。(4)對水平安裝的元器件,應(yīng)使元器件貼在印制板上,元器件離印制板的距離要保持在0.5mm左右;對豎直安裝的元器件,元器件離印制板的距離應(yīng)保持在3~5mm。(5)電解電容、發(fā)光二極管、三極管等有極性的元器件注意不能錯(cuò)裝。(6)元器件在印制電路板上的插裝應(yīng)排列整齊、美觀,不允許一邊高一邊低,也不允許引腳一邊長一邊短。安裝好的實(shí)物圖如圖620所示。6.4.3調(diào)試按下列步驟進(jìn)行調(diào)試:(1)在調(diào)試時(shí),可以借助超量程指示電路,對各部分電路進(jìn)行檢查。(2)在待測電容Cx(印制板上J2)處接入nF級校準(zhǔn)電容,調(diào)節(jié)R19,使數(shù)碼管顯示的讀數(shù)與校準(zhǔn)電容的容量一致。(3)接上若干標(biāo)稱值在量程范圍內(nèi)的電容進(jìn)行測量,并記錄測量結(jié)果。

再接入若干標(biāo)稱值不在量程范圍內(nèi)的大電容和小電容,注意觀察電容計(jì)的工作情況。6.4.4考核評分(1)撰寫項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)報(bào)告。(2)項(xiàng)目設(shè)有功能分、工藝分和職業(yè)素養(yǎng)分。

教師對制作調(diào)試情況進(jìn)行評價(jià),學(xué)生在自評和小組互評的基礎(chǔ)上進(jìn)行成果展示和經(jīng)驗(yàn)交流。項(xiàng)

目

小

結(jié)數(shù)字電子技術(shù)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)只是電子電路設(shè)計(jì)的一次演習(xí),它重在基礎(chǔ)訓(xùn)練,與研制電子產(chǎn)品的實(shí)際情況存在相當(dāng)大的差距。(1)對于研制產(chǎn)品來說,選題和擬定性能指標(biāo)十分重要,一般需要經(jīng)過充分的調(diào)查研究才能確定,否則研制出來的產(chǎn)品可能沒有實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

而項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)意在教學(xué)練習(xí),選題要考慮內(nèi)容的通用性,即大部分內(nèi)容在以前學(xué)過,或是在電子工程技術(shù)中常用的,所以課題本身不一定具有實(shí)用價(jià)值或經(jīng)濟(jì)效益,此外,項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)課題中明確說明了對性能指標(biāo)的要求,不需自己擬定。(2)對于研制產(chǎn)品來說,必須考慮經(jīng)濟(jì)效益,在保證性能指標(biāo)的前提下,應(yīng)設(shè)法使成本最低。

因此,凡是市場上出售的元器件和可以從生產(chǎn)廠家買到的元器件,都可以選用。

但項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)必須考慮元器件的通用性,而且大多數(shù)元器件應(yīng)當(dāng)不易損壞,或者損壞一兩個(gè)造成的經(jīng)濟(jì)損失不大。

此外,品種不宜過多。

所以在項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)中,一般不用大規(guī)模集成電路,只能在規(guī)定的范圍內(nèi)選用元器件。(3)從任務(wù)的范圍來看,由于各方面條件的限制,項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)只進(jìn)行研制產(chǎn)品過程中的原理電路預(yù)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和修改三個(gè)基本環(huán)節(jié),可為以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)和從事電子產(chǎn)品的研制打下一定的基礎(chǔ)。任務(wù)7.1項(xiàng)目預(yù)備知識

任務(wù)7.2門電路的VHDL程序設(shè)計(jì)

任務(wù)7.3全加器的原理圖輸入法設(shè)計(jì)

任務(wù)7.4交通燈控制器的設(shè)計(jì)、仿真與調(diào)試任務(wù)7.1項(xiàng)目預(yù)備知識7.1.1可編程邏輯器件可編程邏輯器件(ProgrammableLogicDevice,PLD),是一種由用戶根據(jù)自己要求來構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路,主要包括FPGA和CPLD兩大類。FPGA和CPLD分別是現(xiàn)場可編程門陣列和復(fù)雜可編程邏輯器件的簡稱。FPGA在結(jié)構(gòu)上主要分為三個(gè)部分:可編程邏輯單元、可編程輸入/輸出單元和可編程連線。CPLD在結(jié)構(gòu)上主要分為三個(gè)部分:可編程邏輯宏單元、可編程輸入/輸出單元和可編程內(nèi)部連線。PLD適宜于小批量生產(chǎn)的系統(tǒng)或在系統(tǒng)開發(fā)研制中采用,在計(jì)算機(jī)硬件、自動化控制、智能儀表、數(shù)字電路系統(tǒng)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。基于可編程邏輯器件的數(shù)字系統(tǒng)EDA設(shè)計(jì)是指利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),即用原理圖、狀態(tài)機(jī)、硬件描述語言(HardwareDescriptionLanguage,HDL)等方法來表示設(shè)計(jì)思想,經(jīng)編譯或轉(zhuǎn)換程序,生成目標(biāo)文件,最后由編程器或下載電纜將設(shè)計(jì)文件配置到目標(biāo)可編程邏輯器件

中,來

實(shí)

現(xiàn)

數(shù)

字

系

統(tǒng)

的

邏

輯

功

能。本

項(xiàng)

目

采

用Altera公

司

開

發(fā)

的

型

號

為EPM7128SLC8415的CPLD芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。7.1.2軟件開發(fā)工具QuartusⅡPLD的開發(fā)工具一般由器件生產(chǎn)廠家提供,但隨著器件規(guī)模的不斷增加,軟件的復(fù)雜性也隨之提高。主要的PLD生

產(chǎn)

廠

家

和

開

發(fā)

工

具

有Altera公

司

的MAX+PLUSⅡ

和QuartusⅡ開發(fā)軟件,Xilinx公司的Foundation,ISE開發(fā)軟件和Lattice公司的ispLEVER開發(fā)軟件等。本項(xiàng)目使用Altera公司的QuartusⅡ設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。QuartusⅡ設(shè)計(jì)軟件提供完整的多平臺設(shè)計(jì)環(huán)境,能夠直接滿足特定設(shè)計(jì)需要,為可編程芯片系統(tǒng)(SOPC)提供全面的設(shè)計(jì)環(huán)境。7.1.3硬件描述語言VHDL硬件描述語言是用文本形式來描述數(shù)字電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信號連接關(guān)系的一類語言,類似于一般的計(jì)算機(jī)高級語言的語言形式和結(jié)構(gòu)形式。其中最具代表性的、使用最廣泛的是VHDL(VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage)語

言

和VerilogHDL語言。1.VHDL的基本結(jié)構(gòu)1)VHDL程序基本結(jié)構(gòu)VHDL程序基本結(jié)構(gòu)如圖72所示。第一部分是程序包,程序包是用VHDL語言編寫的共享文件,定義在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)體和實(shí)體中用到的常數(shù)、數(shù)據(jù)類型、子程序和設(shè)計(jì)好的電路單元等,放在文件目錄名稱為IEEE的程序包庫中。第二部分是程序的實(shí)體,定義電路單元的輸入/輸出引腳信號。程序的實(shí)體名稱是任意取的,但是必須與VHDL程序的文件名稱相同。實(shí)體的標(biāo)識符是ENTITY,實(shí)體以ENTITY開頭,以END結(jié)束。第三部分是程序的結(jié)構(gòu)體,具體描述電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和邏輯功能。結(jié)構(gòu)體以標(biāo)識符ARCHITECTURE開頭,以END結(jié)尾。結(jié)構(gòu)體的名稱也是任意取的。2)庫和程序包VHDL程序中常用的庫有STD庫、IEEE庫和WORK庫等。其中STD庫和IEEE庫中的標(biāo)準(zhǔn)程序包是由EDA工具的廠商提供的,用戶在設(shè)計(jì)程序時(shí)可以用相應(yīng)的語句調(diào)用。庫、程序包調(diào)用的格式為LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;3)VHDL語言的實(shí)體實(shí)體是VHDL程序設(shè)計(jì)中最基本的組成部分,實(shí)體定義了所設(shè)計(jì)芯片需要的輸入/輸出信號引腳。實(shí)體說明語句的格式為4)VHDL語言的結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)體描述設(shè)計(jì)實(shí)體的功能,建立設(shè)計(jì)的輸入與輸出之間的聯(lián)系。結(jié)構(gòu)體的一般格式為2.VHDL的基本要素與其他高級語言相似,VHDL語言也是由標(biāo)識符、數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)類型、運(yùn)算符等基本要素組成的。1)標(biāo)識符標(biāo)識符用來表示常量、變量、信號、子程序、結(jié)構(gòu)體和實(shí)體等名稱,由26個(gè)英文字母、數(shù)字0,1,2,…,9及下畫線“_”組成。標(biāo)識符組成的規(guī)則如下:(1)標(biāo)識符必須以英文字母開頭;(2)標(biāo)識符中不能有兩個(gè)連續(xù)的下畫線“_”,標(biāo)識符的最后一個(gè)字符不能是下畫線;(3)標(biāo)識符中的英文字母不區(qū)分大小寫;(4)VHDL的保留字不能作為標(biāo)識符使用。2)數(shù)據(jù)對象在VHDL中,定義了三種數(shù)據(jù)對象,即常量、信號和變量。(1)常量的說明格式為CONSTANT常量名:數(shù)據(jù)類型[∶=設(shè)置值];(2)信號的說明格式為SIGNAL信號名:數(shù)據(jù)類型[∶=設(shè)置值];(3)變量的說明格式為VARIABLE變量名:數(shù)據(jù)類型[∶=設(shè)置值];3)數(shù)據(jù)類型VHDL的數(shù)據(jù)類型使得VHDL能夠創(chuàng)建高層次的系統(tǒng)和算法模型。VHDL數(shù)據(jù)類型主要分為基本數(shù)據(jù)類型和其他數(shù)據(jù)類型兩部分。在數(shù)字電路里的信號大致可分為邏輯信號和數(shù)值信號,與之相對應(yīng)的VHDL基本數(shù)據(jù)類型如圖73所示。4)運(yùn)算符與高級語言一樣,VHDL語言的表達(dá)式也是由運(yùn)算符和操作數(shù)組成的。VHDL中定義的運(yùn)算符主要有關(guān)系運(yùn)算符、關(guān)聯(lián)運(yùn)算符、邏輯運(yùn)算符、賦值運(yùn)算符及其他運(yùn)算符。運(yùn)算符符號、功能及適用的數(shù)據(jù)類型如表71所示。3.VHDL語句VHDL常用語句可以分為兩大類,即并行語句和順序語句。順序語句必須放在進(jìn)程中,順序語句是按照語句的前后排列的方式順序執(zhí)行的。結(jié)構(gòu)體中的并行語句總是處于進(jìn)程的外部,所有并行語句都是一次同時(shí)執(zhí)行的,與它們在程序中排列的先后次序無關(guān)。常用的并行語句有:(1)并行信號賦值語句,用“<=”運(yùn)算符;(2)條件賦值語句,WHEN-ELSE;(3)選擇信號賦值語句,WITH-SELECT;(4)方塊語句,BLOCK。常用的順序語句有:(1)信號賦值語句和變量賦值語句;(2)IF-ELSE語句;(3)CASE-WHEN語句;(4)FOR-LOOP。下面介紹本項(xiàng)目用到的幾個(gè)語句的基本格式。1)進(jìn)程語句進(jìn)程語句描述順序事件,包含在結(jié)構(gòu)體中,一個(gè)結(jié)構(gòu)體可以包含多個(gè)進(jìn)程語句,進(jìn)程語句之間是并行的,而進(jìn)程內(nèi)部語句之間是順序關(guān)系。進(jìn)程語句的基本格式為2)簡單信號賦值語句簡單信號賦值語句位于進(jìn)程語句的外部,語句的一般格式為:賦值對象<=表達(dá)式;3)IF-ELSE語句4)CASE-WHEN語句CASE-WHEN語句屬于順序語句,只能在進(jìn)程中使用,常用來選擇有明確描述的信號,語句格式為7.1.4試驗(yàn)板硬件原理圖本項(xiàng)目所采用的實(shí)驗(yàn)開發(fā)板原理圖如圖74所示。本項(xiàng)目采用的實(shí)驗(yàn)開發(fā)板實(shí)物圖如圖75所示。PLD芯片與外圍元件的引腳連接對照表如表72所示。任務(wù)7.2門電路的VHDL程序設(shè)計(jì)1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)掌握2輸入與門的VHDL語言程序編寫。(2)掌握QuartusⅡ軟件的VHDL程序輸入法。(3)掌握波形文件的建立和波形仿真。2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與原理利用QuartusⅡ軟件,編寫2輸入與門的VHDL程序,進(jìn)行編譯和仿真,并根據(jù)波形圖列出其真值表,驗(yàn)證與門的邏輯功能。2輸入與門的VHDL程序如下:3.實(shí)驗(yàn)步驟1)新建一個(gè)文件夾【工程創(chuàng)建與VHDL輸入設(shè)計(jì)掃一掃】本項(xiàng)設(shè)計(jì)的文件夾取名為and_gate,存在D盤中,路徑為D:\and_gate。注意,文件夾名不能用中文,也最好不要用數(shù)字。2)新建工程(1)打開建立新工程管理窗。選擇菜單“File”→“NewProjectWizard”命令,彈出“工程設(shè)置”對話框。單擊此對話框最上一欄右側(cè)的“…”按鈕,找到文件夾D:\and_gate,再單擊“打開”按鈕,即出現(xiàn)如圖76所示的設(shè)置情況。其中,第一行的D:\and_gate表示工程所在的工作庫文件夾;第二行的and_gate表示此項(xiàng)工程的工程名,工程名可以取任何其他的名,也可直接用頂層文件的實(shí)體名作為工程名,在此就是按這種方式取的名;第三行是當(dāng)前工程頂層文件的實(shí)體名,這里即為and_gate。(2)選擇目標(biāo)芯片。單擊“Next”按鈕彈出選擇目標(biāo)芯片的窗口,用戶必須選擇開發(fā)板上的FPGA器件型號。本項(xiàng)設(shè)

計(jì)“Family”選

擇MAX7000S系

列,然

后

選

擇

封

裝“Package”為PLCC,管

腳

數(shù)“Pincount”為84,速度等級“Speedgrade”為15,鼠標(biāo)選擇EPM7128SLC8415,如圖77所示。(3)單擊“Next”按鈕后進(jìn)入下一步,彈出“工程概要”顯示窗口,如圖78所示。3)新建VHDL文件(1)輸入源程序。打開QuartusⅡ軟件,選擇菜單“File”→“New”命令。在“New”窗口中的“DeviceDesignFiles”選項(xiàng)卡下選擇編譯文件的語言類型,本項(xiàng)設(shè)計(jì)選擇“VHDLFile”(如圖79所示)。然后在VHDL文本編譯窗中編寫VHDL程序。(2)保存文件,文件名為and_gate。(3)編譯文件:點(diǎn)擊“?”按鈕進(jìn)行編譯,若編譯無誤將彈出編譯成功對話框;若編譯有錯(cuò)誤,請根據(jù)“調(diào)試信息”框中的錯(cuò)誤提示修改,直至編譯通過。4)時(shí)序仿真【門電路波形仿真掃一掃】程序編譯通過后,必須對其功能和時(shí)序性質(zhì)進(jìn)行仿真測試,以了解設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足原設(shè)計(jì)要求。以VWF文件方式的仿真流程為例,其詳細(xì)步驟如下:(1)打開波形編輯器。選擇菜單“File”→“New”命令,在“New”窗口中選擇“OtherFiles”選項(xiàng)卡下的“VectorWaveformFile”項(xiàng)(如圖710所示),單擊“OK”按鈕,即出現(xiàn)空白的波形編輯器(如圖711所示)。(2)點(diǎn)擊菜單命令“Edit”→“Insert”→“InsertNodesorBus

”,進(jìn)入圖712,單擊“NodeFinder

”,進(jìn)入圖713,在“Filter”下拉列表中選擇“Pins:all”,點(diǎn)擊“List”,此時(shí)“NodesFound”框格中出現(xiàn)節(jié)點(diǎn),雙擊所要觀測的節(jié)點(diǎn),使節(jié)點(diǎn)名出現(xiàn)在選中的節(jié)點(diǎn)框格“SelectedNodes”中。點(diǎn)擊“OK”返回圖712,再點(diǎn)擊“OK”完成節(jié)點(diǎn)的添加。(3)點(diǎn)擊菜單命令“Edit”→“EndTime”,出現(xiàn)圖714,將時(shí)間設(shè)定為2.0μs。(4)點(diǎn)擊菜單命令“Edit”→“GridSize”,出現(xiàn)圖715,將網(wǎng)格大小設(shè)定為100ns。(5)點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)a,使其成為高亮狀態(tài),點(diǎn)擊左側(cè)欄中的,進(jìn)入圖716(a),將開始值“Startvalue”設(shè)為0,點(diǎn)擊“Timing”,將開始時(shí)間“Starttime”設(shè)為0,結(jié)束時(shí)間“Endtime”設(shè)為2.0us,“Countevery”設(shè)為100ns,“Multipliedby”設(shè)為“1”,如圖716(b)所示。點(diǎn)擊“確定”輸入信號激勵(lì)。(6)同理將節(jié)點(diǎn)b的周期設(shè)為200ns,其他設(shè)置為默認(rèn)值。(7)點(diǎn)擊菜單“View”→“Zoomout”命令縮小波形顯示,至波形為適合大小;最后設(shè)置好的激勵(lì)信號波形如圖717所示。(8)點(diǎn)擊菜單命令“File”→“Saveas”,以“.vwf”為擴(kuò)展名存盤文件,命名為“and_gate.vwf”,保存時(shí)勾選“Addfiletocurrentfile”選項(xiàng)。(9)啟動仿真器。在菜單“Processing”項(xiàng)下選擇“StartSimulation”。(10)觀察仿真結(jié)果,如圖718所

示,符

合

與

門

的

邏

輯

功

能,即“有0則0,全1則1”任務(wù)7.3全加器的原理圖輸入法設(shè)計(jì)1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)掌握全加器的原理。(2)掌握全加器的原理圖輸入法。(3)觀察全加器的波形現(xiàn)象并記錄和分析。(4)掌握程序下載、功能調(diào)試的方法和步驟。2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與原理利用QuartusⅡ軟件的圖形輸入方式,設(shè)計(jì)一位二進(jìn)制加法器,完成編譯和波形仿真后,下載到實(shí)驗(yàn)板驗(yàn)證電路功能。根據(jù)前面組合邏輯電路的設(shè)計(jì)過程,列出全加器的真值表,根據(jù)真值表列出邏輯表達(dá)式,設(shè)計(jì)邏輯電路,一位全加器的原理圖如圖719所示。3.實(shí)驗(yàn)步驟【原理圖輸入法設(shè)計(jì)掃一掃】(1)新建一個(gè)文件夾。(2)新建工程。(3)新建原理圖文件。①

點(diǎn)擊菜單命令“File”→“New”,在彈出的“New”窗口中選擇“DeviceDesignFiles”選項(xiàng)卡下的“BlockDiagram/SchematicFile”項(xiàng),如圖720所示。②

放置元件。在原理圖空白處雙擊鼠標(biāo),彈出“Symbol”選擇窗口(或單擊右鍵選擇“Insert”→“Symbol

”),出

現(xiàn)

元

件

對

話

框,如

圖721所

示。分

別

調(diào)

入

元

件INPUT、OUTPUT、AND2、XOR、OR2,并進(jìn)行連線。然后對輸入端和輸出端進(jìn)行重新命名,分別在INPUT和OUTPUT的PINNAME上雙擊使其變黑,再用鍵盤分別輸入各引腳名,分別為A、B、Ci、S、C,如圖722所示。③

文件存盤。將設(shè)計(jì)好的原理圖文件取名為f_add(注意后綴是.bdf),保存在當(dāng)前的工程下。(4)編譯文件。(5)時(shí)序仿真。時(shí)序仿真報(bào)告如圖723所示,符合全加器的邏輯功能。(6)管腳分配。在程序下載到芯片之前,首先將設(shè)計(jì)好的全加器的5個(gè)端口映射到目標(biāo)器件EPM7128SLC8415具體管腳上,即管腳分配。在進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證時(shí),全加器的A、B、Ci三個(gè)邏輯電平輸入用開關(guān)來設(shè)置,輸出S和C的邏輯電平用LED指示燈來顯示,因此根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)板元件與EPM7128SLC84芯片引腳對照表,管腳配置參考表73。其次進(jìn)行管腳分配,點(diǎn)擊菜單命令“Assignments”→“Pins”,如圖724所示,出現(xiàn)所選目標(biāo)芯片的管腳分布圖。為每個(gè)端口選擇所配置的引腳,如圖725所示。(7)全編譯。管腳分配完成后,選擇菜單命令“Processing”→“StartCompilation”啟動全編譯過程。(8)器件編程。①

連上實(shí)驗(yàn)板的USB電源線。②

連接好USB-Blaster下載電纜。初次連接需要為其安裝驅(qū)動,驅(qū)動文件路徑為:C:\programfiles\altera\quartus60\drivers\usb-blaster。選擇菜單命令“Tools”→“Programmer”，打開編程器窗口，其中包括當(dāng)前f_add.pof編程文件及所選目標(biāo)器件等信息。④在編程器窗口的Mode列表中選擇JTAG模式。⑤

單擊“HardwareSetup”,在彈出的硬件設(shè)置對話框中選擇“USB”→“Blaster”,然后單擊“Close”按鈕關(guān)閉硬件設(shè)置對話框,設(shè)置完成。⑥

單擊編程器窗口的“Start”按鈕開始編程,直至出現(xiàn)提示編程完成的對話框時(shí),單擊“OK”完成器件編程。(9)功能檢驗(yàn)。撥動板子上所對應(yīng)的三個(gè)開關(guān),觀察對應(yīng)指示燈的亮滅情況,驗(yàn)證是否符合全加器的邏輯功能。任務(wù)7.4交通燈控制器的設(shè)計(jì)、

仿真與調(diào)試7.4.1項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口的交通燈控制器,用實(shí)驗(yàn)板上的LED燈指示車輛通過的方向(東西和南北方向各一組),用數(shù)碼管指示該方向的剩余時(shí)間。設(shè)東西方向和南北方向的車流量大致相同,因此兩個(gè)方向上紅燈、黃燈、綠燈的時(shí)長也相同,定為紅燈45秒、黃燈5秒、綠燈40秒,同時(shí)數(shù)碼管指示當(dāng)前狀態(tài)(紅燈、黃燈、綠燈)剩余時(shí)間。另外設(shè)置一個(gè)緊急信號,緊急信號發(fā)生時(shí),東西和南北方向都顯示紅燈,并停止計(jì)數(shù)(顯示為“00”),緊急狀態(tài)解除后,重新計(jì)數(shù)并指示時(shí)間。7.4.2設(shè)計(jì)原理交通燈控制器是狀態(tài)機(jī)的一個(gè)典型應(yīng)用,除了計(jì)數(shù)器是狀態(tài)機(jī)外,還有東西方向、南北方向的不同組合(紅綠、紅黃、綠紅、黃紅4個(gè)狀態(tài)),如表74所示?？梢院唵蔚貙⒃撾娐房闯蓛蓚€(gè)(東西、南北)減1計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器,通過檢測兩個(gè)方向的計(jì)數(shù)值,可以檢測紅、黃、綠組合的跳變。這樣使一個(gè)較復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)變成一個(gè)簡單的計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)。假設(shè)東西方向和南北方向的黃燈時(shí)間均為5秒,在設(shè)計(jì)交通燈控制器時(shí),可在簡單的計(jì)數(shù)器基礎(chǔ)上增加一些狀態(tài)檢測,即通過檢測兩個(gè)方向上的計(jì)數(shù)值判斷交通燈應(yīng)處于4種可能狀態(tài)中的哪種狀態(tài),需要檢測的狀態(tài)跳變點(diǎn)如表75所示。對于緊急情況,只需設(shè)計(jì)一個(gè)異步時(shí)序電路即可解決,當(dāng)緊急信號發(fā)生時(shí),東西方向、南北方向都為紅燈,計(jì)數(shù)值都為零;緊急狀態(tài)解除后,恢復(fù)到狀態(tài)1,即東西方向紅燈45秒,南北方向綠燈40秒,重新計(jì)數(shù)并指示時(shí)間。程序中還應(yīng)防止出現(xiàn)非法狀態(tài),即程序運(yùn)行后應(yīng)判斷東西方向和南北方向的計(jì)數(shù)值是否超出范圍,若超出范圍,也恢復(fù)成狀態(tài)1,即東西方向紅燈45秒,南北方向綠燈40秒,開始計(jì)數(shù)并指示時(shí)間。此電路在電路啟動運(yùn)行時(shí)和緊急狀態(tài)解除時(shí)有效,一旦兩個(gè)方向的計(jì)數(shù)值正確后,就不會再計(jì)數(shù)到非法狀態(tài)。7.4.3VHDL語言程序設(shè)計(jì)為節(jié)省I/O引腳和內(nèi)部資源,實(shí)驗(yàn)板提供的8個(gè)LED數(shù)碼管是動態(tài)掃描顯示,因此引進(jìn)一個(gè)掃描信號,將時(shí)間分為4個(gè)掃描周期,每個(gè)掃描周期只選通一個(gè)數(shù)碼管,利用人眼的視覺殘留效應(yīng),只要掃描信號的頻率足夠高,人眼感覺就像四個(gè)數(shù)碼管同時(shí)顯示。該程序可以分解成計(jì)數(shù)、動態(tài)掃描和數(shù)碼管顯示譯碼三大功