2020/5/13,阜師院數(shù)科院,數(shù)字電子電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試,數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在數(shù)字電路課里，對(duì)常用數(shù)字部件，如加法器、比較器、數(shù)據(jù)分配器與選擇器、計(jì)數(shù)器、編碼器及譯碼器等功能部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了較詳細(xì)地討論。故這里只打算就由以上功能部件組成數(shù)字系統(tǒng)的一些問(wèn)題加以討論。,一、數(shù)字系統(tǒng)的組成,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,在電子技術(shù)領(lǐng)域里，用來(lái)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集、加工、傳送、運(yùn)算和處理的裝置稱為數(shù)字系統(tǒng)。一個(gè)完整的數(shù)字系統(tǒng)往往包括輸入電路、輸出電路、控制電路、時(shí)基電路和若干子系統(tǒng)等五部分，如下圖所示。各部分具有相對(duì)的獨(dú)立性，在控制電路的協(xié)調(diào)和指揮下完成各自的功能，其中控制電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心。,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,1、輸入電路,輸入電路的任務(wù)是將各種外部信號(hào)變換成數(shù)字電路能夠接受和處理的數(shù)字信號(hào)。外部信號(hào)通常可分為模擬信號(hào)和開(kāi)關(guān)信號(hào)兩大類，如聲、光、電、溫度、壓力及位移等物理量屬于模擬信號(hào)，而開(kāi)關(guān)的閉合與打開(kāi)、管子的導(dǎo)通與截止等屬于開(kāi)關(guān)量。這些信號(hào)都必須通過(guò)輸入電路變換成數(shù)字電路能夠接受的二進(jìn)制邏輯電平。,2、輸出電路,輸出電路是將經(jīng)過(guò)數(shù)字電路運(yùn)算和處理之后的數(shù)字信號(hào)變換成模擬信號(hào)或開(kāi)關(guān)信號(hào)去推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,3、子系統(tǒng),子系統(tǒng)是對(duì)二進(jìn)制信號(hào)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算以及信號(hào)傳輸?shù)裙δ艿碾娐?，每個(gè)子系統(tǒng)完成一項(xiàng)相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)，即某種局部的工作。子系統(tǒng)又稱為單元電路。,4、控制電路,控制電路將外部輸入信號(hào)以及各子系統(tǒng)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行綜合、分析，發(fā)出控制命令去管理輸入、輸出電路及各子系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)同步協(xié)調(diào)、有條不紊地工作。,5、時(shí)基電路,產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘，使整個(gè)系統(tǒng)在時(shí)鐘信號(hào)的作用下一步一步地順序完成各種工作。,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,二、數(shù)字系統(tǒng)的類型,1、在數(shù)字系統(tǒng)中，有的全是由硬件電路來(lái)完成所有任務(wù)，有的除硬件電路外，還需要加上軟件，即使用可編程器件，采用軟硬結(jié)合的方法完成電路功能。因此，根據(jù)系統(tǒng)中有無(wú)可編程器件，數(shù)字系統(tǒng)可分為可編程和不可編程兩大類?？删幊唐骷畹湫偷氖俏⑻幚砥?，一片微處理器配上若干外圍芯片構(gòu)成硬件電路，再加上相應(yīng)的軟件就構(gòu)成一個(gè)功能很強(qiáng)的應(yīng)用系統(tǒng)。除微處理器外，目前還有各種可編程邏輯器件，如ROM、PAL、GAL、FPGA、CPLD以及各種可編程接口電路，這些器件的功能均可以通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,2、根據(jù)數(shù)字系統(tǒng)所完成的任務(wù)性質(zhì)還可將其分成數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)三大類。,關(guān)于微處理器和可編程邏輯器件的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)以后再討論。,三、數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟,由于每個(gè)課題的設(shè)計(jì)任務(wù)各不相同，則設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)規(guī)模有大有小，電路的結(jié)構(gòu)也有繁有簡(jiǎn)。而課程設(shè)計(jì)，由于時(shí)間有限不可能做的太大，一般均為小系統(tǒng)。,在應(yīng)用中，小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是很有用處的。而且，掌握了數(shù)字小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以為更大規(guī)模的系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,1、分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo),具體做設(shè)計(jì)之前，必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等。分清楚要設(shè)計(jì)的電路屬于何種類型，輸入信號(hào)如何獲得，輸出執(zhí)行裝置是什么，工作電壓、電流參數(shù)是多少，主要性能指標(biāo)如何等等。然后查找相關(guān)資料，廣開(kāi)思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。,2、確定總體方案,對(duì)各種方案進(jìn)行比較，在能完成課題要求的功能和性能指標(biāo)的前提下，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡(jiǎn)、成本的高低、制作的難易及功能的可擴(kuò)展性等多方面作綜合比較，最后確定一種可行方案。,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,3、設(shè)計(jì)各子系統(tǒng)（或單元電路）,每一個(gè)子系統(tǒng)一般均能歸結(jié)為組合電路與時(shí)序電路兩大類，這些電路的設(shè)計(jì)方法數(shù)字電路教材中已論述。應(yīng)該指出，子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，也存在指標(biāo)的確定和方案的比較問(wèn)題。,子系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)的確定應(yīng)根據(jù)前后電路的要求求得。子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案仍然是多種多樣的，而且亦有采用什么電路的問(wèn)題，如用SSI、MSI和LSI及用軟件還是硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能選用合適的現(xiàn)成電路，芯片的選用應(yīng)優(yōu)先使用中、大規(guī)模電路，這樣做不僅能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，而且有利于提高系統(tǒng)的可靠性。,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,4、控制電路的設(shè)計(jì),控制電路的功能諸如系統(tǒng)清零、復(fù)位、安排各子系統(tǒng)的時(shí)序先后及啟動(dòng)停止等，在整個(gè)系統(tǒng)中起核心和控制作用。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)控制電路的任務(wù)和時(shí)序關(guān)系反復(fù)構(gòu)思電路，選用合適的器件，使其達(dá)到功能要求。,5、繪制系統(tǒng)電原理圖,各部分子系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，要繪制總系統(tǒng)邏輯圖（亦稱電原理圖）。,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,四、實(shí)用數(shù)字單元電路舉例,1、時(shí)基電路,1）、用CMOS門電路構(gòu)成震蕩器,如圖（1）所示。震蕩周期T（1.42.2）RC。,由CMOS門電路構(gòu)成的震蕩器適合于低頻段工作，若元件選擇合適下限頻率可達(dá)到1Hz。,2）、TTL門電路構(gòu)成震蕩器,由TTL門電路構(gòu)成的震蕩器的工作頻率可比CMOS提高一個(gè),數(shù)量級(jí)。在圖（2）中R1、R2一般取值1K左右，C1、C2取值100PF100uF，輸出頻率為幾兆赫至幾十兆赫。,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,3）、用555定時(shí)器構(gòu)成振蕩器,用555定時(shí)器構(gòu)成的振蕩器可產(chǎn)生幾赫至幾兆赫的矩形波信號(hào)。T=（R1+R2）Cln2+R2Cln2,雙極性定時(shí)器電源電壓范圍為316V，最大負(fù)載電流可達(dá)200mA；CMOS定時(shí)器電源電壓范圍為318V，最大負(fù)載電流在4mA以下。頻率穩(wěn)定度最高能達(dá)到0.1%。,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,4）、石英晶體振蕩器,石英晶體的電路符號(hào)及阻抗頻率特性,0,感性,容性,f,X,fS,fP,圖中R的作用是使G1和G2工作在線性放大區(qū)。對(duì)TTL電路取1K2K之間；對(duì)CMOS門取10100M。,C1用于兩個(gè)反相器的耦合，C2用于抑制高次諧波。C2的選擇應(yīng)使2RC2fS1，使RC2并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在Fs處產(chǎn)生極點(diǎn)，以減少諧振信號(hào)的衰減。,石英晶體振蕩器具有極高的頻率穩(wěn)定度，且其振蕩頻率由石英晶體決定。,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,2、計(jì)數(shù)電路,1）、用SSI設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器（略）,2）、用MSI芯片設(shè)計(jì)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器,反饋復(fù)位（置數(shù)）法：,A、用74LS161實(shí)現(xiàn)6進(jìn)制計(jì)數(shù)器：,B、74LS160十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器與161（或160）接成60進(jìn)制計(jì)數(shù)器,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,3、驅(qū)動(dòng)顯示電路,1）、發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)顯示電路,2）、數(shù)碼管靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電路,共陽(yáng)極數(shù)碼管，如BS204,共陰極數(shù)碼管，如BS205,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,五、數(shù)字電子計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)提示,1、數(shù)字電子計(jì)時(shí)器的結(jié)構(gòu)框圖,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,2、校時(shí)電路:當(dāng)剛接通電源或時(shí)鐘走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí),都需要進(jìn)行時(shí)間的校準(zhǔn)。校時(shí)是數(shù)字鐘應(yīng)具有的基本功能，一般電子鐘都有時(shí)、分、秒校時(shí)功能。為使電路簡(jiǎn)單，這里只進(jìn)行分和小時(shí)的校準(zhǔn)。,校時(shí)可采用快校時(shí)和慢校時(shí)兩種方式。校時(shí)脈沖采用秒脈沖，則為快校時(shí)；如果消失脈沖由單次脈沖產(chǎn)生器提供則為慢校時(shí)。下圖中C1、C2用于消除抖動(dòng)。,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,3、時(shí)間予置電路,預(yù)置時(shí)間可用開(kāi)關(guān)直接操作，構(gòu)成所需的數(shù)碼送入計(jì)數(shù)器的置數(shù)端；或是用撥碼盤與計(jì)數(shù)器的各置數(shù)端相連，構(gòu)成時(shí)間預(yù)置電路如下圖所示。亦可采用8421編碼器與撥碼盤相連，構(gòu)成時(shí)間預(yù)置電路。,0000000100100011010001010110011110001001,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,五、數(shù)字電路的安裝與調(diào)試,1、電路安裝,1）、整體結(jié)構(gòu)的布局：,重心平衡、單板還是多板結(jié)構(gòu)、板與板之間的連接、模擬地與數(shù)字地的分割等。,2）、安裝前的測(cè)試（芯片或單元電路的功能驗(yàn)證）,3）、抗干擾問(wèn)題,2、電路調(diào)試,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,1）|調(diào)試方法,分塊調(diào)試與整體調(diào)試,2）、調(diào)試步驟,通電前的檢查、分塊調(diào)試、靜態(tài)調(diào)試、動(dòng)態(tài)調(diào)試、整機(jī)聯(lián)調(diào)。,3、參數(shù)測(cè)試,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、題目：數(shù)字電子計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)要求：1、用中、小規(guī)模TTL組件設(shè)計(jì)一個(gè)能顯示時(shí)、分、秒的數(shù)字鐘。要求具有校時(shí)功能。2、在通用板上焊接安裝、調(diào)試成功，即算完成。3、編寫設(shè)計(jì)報(bào)告。設(shè)計(jì)報(bào)告要求有：方案選擇、各部分的工作原理及設(shè)計(jì)過(guò)程、器件選擇、調(diào)試方案與步驟、測(cè)試結(jié)果、操作說(shuō)明、心得體會(huì)及電氣原理圖。4、設(shè)計(jì)時(shí)間：11月18日11月25日,一、器材和元器件可預(yù)置4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器（74LS161），二、五、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（74LS290），同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（74LS160），譯碼驅(qū)動(dòng)器（74LS48），二輸入四與非門（74LS00），三輸入三與非門（74LS10），雙JK觸發(fā)器（74LS76），555定時(shí)器，數(shù)字通用板，七段共陰極數(shù)碼管（LED），電阻和導(dǎo)線等。,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,一、儀器和設(shè)備穩(wěn)壓電源（或數(shù)字邏輯學(xué)習(xí)機(jī)），雙宗示波器，數(shù)字萬(wàn)用表和電烙鐵等。二、參考文獻(xiàn)1、電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指南清華大學(xué)出版社、焦寶文主編；2、電子線路設(shè)計(jì)大全華中科技大學(xué)出版社、陳碗兒主編3、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)清華大學(xué)出版社、閻石主編4、TTL集成電路大全電子工業(yè)出版社三、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)1、設(shè)計(jì)方案合理、原理介紹正確與否；2、制作工藝美觀與否；3、設(shè)計(jì)報(bào)告質(zhì)量好壞；4、是否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成（含交報(bào)告的時(shí)間）；5、完成基本部分的最高分為良，有擴(kuò)展或發(fā)揮功能的可視情況打優(yōu)。,2020/5/13,阜師院數(shù)科院,