《数字电子技术 》课件第12章 (2).ppt

1、第12章数字电路设计 第第12章数字电路设计章数字电路设计 12.1数字钟的设计数字钟的设计 12.2智力竞赛抢答器电路设计智力竞赛抢答器电路设计 12.3循环彩灯控制电路设计循环彩灯控制电路设计 第12章数字电路设计 12.1数字钟的设计数字钟的设计 数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序逻辑电路。目前，数字钟的功能越来越强，并且有多种专门的大规模集成电路可供选择。从有利于学习的角度考虑，这里主要介绍以中小规模集成电

2、路和PLD器件设计数字钟的方法。第12章数字电路设计 12.1.1数字钟的基本组成及工作原理数字钟的基本组成及工作原理1.数字钟的基本组成数字钟的基本组成数字钟实际上是一个对标准频率（1Hz）进行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1Hz时间信号必须做到准确稳定。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。图121所示为数字钟的一般组成框图。第12章数字电路设计 图121数字钟的一般组成框图 第12章数字电路设计 (1)晶体振荡器电路。晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768z的方波信号，可保证数字钟的走时准确及

3、稳定。无论是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。(2)分频器电路。分频器电路将32768z的高频方波信号经32768（215）次分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数。分频器实际上也就是计数器。(3)时间计数器电路。时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为六十进制计数器，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为十二进制计数器。第12章数字电路设计(4)译码驱动电路。译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电

4、流。(5)数码管。数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，本设计提供的为LED数码管。第12章数字电路设计 2.数字钟的工作原理数字钟的工作原理(1）晶体振荡器电路。晶体振荡器是构成数字钟的核心，它保证了时钟的走时准确及稳定。一般输出为方波的数字式晶体振荡器电路通常有两类：一类是用TTL门电路构成的电路；另一类是通过CMOS非门构成的电路，如图122所示，从图上可以看出其结构非常简单。该电路广泛使用于各种需要频率稳定及准确的数字电路，如数字钟、电子计算机、数字通信电路等。第12章数字电路设计 图122CMOS晶体振荡器(仿真电路)第12章数字电路设计 在图122所示的电路

5、中，CMOS非门U1与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，U2实现整型功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。输出反馈电阻Rf为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。电容C1、C2与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个180相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。第12章数字电路设计（）分频器电路。通常，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，为了得到1Hz的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。通常实现分频器的电路是计数器电

6、路，一般采用多级二进制计数器来实现。例如，将32768z的振荡信号分频为1z的分频倍数为32768（215），即实现该分频功能的计数器相当于15级二进制计数器。常用的二进制计数器有74HC393等。第12章数字电路设计（）时间计数单元。时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。时计数单元一般为十二进制计数器或二十四进制计数器，其输出为两位8421BCD码形式；分计数和秒计数单元为六十进制计数器，其输出也为8421BCD码。一般采用十进制计数器(如74HC290、74HC390等)来实现时间计数单元的计数功能。欲实现十二进制和六十进制计数还需进行计数模值转换。第12章数字电路设计（4）译码

7、驱动及显示单元。计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，为了将计数器输出的8421BCD码显示出来，需用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流，一般这种译码器通常称为7段译码显示驱动器。常用的7段译码显示驱动器有CD4511。第12章数字电路设计（5）校时电源电路。当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。通常，校正时间的方法是：首先截断正常的计数通路，然后再进行人工触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计时状态即可。(6）整点报时电路。一般时钟都应具备整点报时电路功能，即在时间出现整点前数

8、秒内，数字钟会自动报时，以示提醒。其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波，较复杂的也可以是实时语音提示。第12章数字电路设计 12.1.2数字钟的设计与制作数字钟的设计与制作1.设计要求设计要求用中小规模集成电路设计并制作一个数字钟，指标要求如下：(1)时间以12小时为一个周期；(2)显示时、分、秒；(3)具有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；(4)计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒时进行蜂鸣报时；(5)为了保证计时的稳定及准确，须由晶体振荡器提供标准时间基准信号。第12章数字电路设计 2.设计与制作步骤设计与制作步骤设计与制作步骤如下：(1)根据要求，选

9、择数字钟电路设计方案，如图121所示。(2)电路设计及元器件选择。振荡电路与分频电路：根据要求，振荡电路应选择晶体振荡电路，前已述及。振荡电路可以由图122所示的非门来实现。为使电路具有更高的Q值以提高振荡频率的稳定性，这里选择CMOS非门，从减小电路功耗的角度来考虑，这也是一种较好的选择，因此，电路的其它部分也应尽量采用CMOS集成电路来实现。另外，若为适应低电压工作条件，还应考虑采用74HC系列（低压可达2V）的集成电路。第12章数字电路设计 晶体XTAL的频率选为32768Hz。该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低，有利于减少分频器级数。从有关手册中，可查得C1、C2均为30pF。当要

10、求频率准确度和稳定度更高时，还可接入校正电容并采取温度补偿措施。由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为10M。较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。非门电路可选74HC00或74HC04等。由于晶体振荡器输出频率为32768Hz，为了得到1Hz的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行15级二进制分频。第12章数字电路设计 实际上，从尽量减少元器件数量的角度来考虑，这里可选多级二进制计数电路CD4060和CD4040来构成分频电路。CD4060和CD4040在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。CD4060为级二进制计数

11、器，它可以将32768z的信号分频为z。CD4060的内部框图如图123所示，从图中可以看出，CD4060的时钟输入端与两个串接的非门加上外接元件可以直接实现振荡和分频的功能。第12章数字电路设计 图123CD4060的内部框图 第12章数字电路设计 图124CD4040的内部框图 第12章数字电路设计 综上所述，可选择CD4060同时构成振荡电路和分频电路。按照图123所示，在CP0和CP0之间接入振荡器外接元件可实现振荡，并利用时计数电路中多一个2分频器（后述）可实现15级2分频，即可得1Hz信号。时间计数电路：一般采用十进制计数器来实现时间计数单元的计数功能。为减少器件使用数量，可选74

12、HC390，其内部逻辑框图如图125所示。该器件为双2510异步计数器，并且每一计数器均提供一个异步清零端（高电平有效）。第12章数字电路设计 图12574HC390(1/2)的内部逻辑框图 第12章数字电路设计 秒个位计数单元为十进制计数器，无需进制转换，只需将与（下降沿有效）相连即可。（下降沿有效)与1Hz秒输入信号相连，D可作为向上的进位信号与十位计数单元的相连。秒十位计数单元为六进制计数器，需要进制转换。将十进制计数器转换为六进制计数器的电路连接方法如图126所示，其中C可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的相连。第12章数字电路设计 图126十进制六进制计数器转换电路 第12章数字

13、电路设计 分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元的完全相同，只不过分个位计数单元的D作为向上的进位信号应与分十位计数单元的相连，分十位计数单元的C作为向上的进位信号应与时个位计数单元的相连。时个位计数单元电路结构仍与秒个位计数单元的相同，但是要求，整个时计数单元应为十二进制计数器，不是10的整数倍，因此需将个位和十位计数单元合并为一个整体才能进行十二进制转换。利用1片75HC390实现十二进制计数功能的电路如图127所示。第12章数字电路设计 图127十二进制计数器电路 第12章数字电路设计 另外，图127所示电路中，尚余一个二进制计数单元，正好可作为分频器2Hz输出信号转

14、化为1Hz信号之用。译码驱动及显示单元电路：选择CD4511作为显示译码电路；选择LED数码管作为显示单元电路。校时电路：根据要求，数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。图128所示即为用COMS与或非门实现的时或分校时电路。其中，In1端与低位的进位信号相连；In2端与校正信号相连，校正信号可直接取自分频器产生的1Hz或2Hz（不可太高或太低）信号；输出端则与分或时个位计时输入端相连。第12章数字电路设计 图128分或时校正电路(仿真电路)第12章数字电路设计 如图128所示，当开关打向下时，因为校正

15、信号和0相与的输出为0，而开关的另一端接高电平，正常输入信号可以顺利通过与或门，故校时电路处于正常计时状态；当开关打向上时，情况正好与上述相反，这时校时电路处于校时状态。显然，这样的校时电路需要两个。第12章数字电路设计 若门电路采用TTL型，则可省去电阻R1和R2。与或非门可选74HC15，非门则可选74HC00或74HC04等。图128所示校时电路存在开关抖动问题，使电路无法正常工作，因此实际使用时，须对开关的状态进行消除抖动处理。通常采用基本RS触发器构成开关消抖动电路，如图129所示即为带有该电路的校正电路，其中与非门可选为74HC00等。第12章数字电路设计 图129带有消抖动电路的

16、校正电路(仿真电路)第12章数字电路设计 另外，在对分进行校时时应不影响时计数器的现状态，即当分校时时，如果产生进位应该不影响时计数的计数或不产生进位作用，因此，可用分校时时RS触发器的0输出状态来封锁进位输入信号。74HC51正好为33输入的与或非门，多出的输入端可作为封锁信号输入之用。第12章数字电路设计 整点报时电路：根据要求，电路应在整点前10秒钟内开始整点报时，即当时间在59分50秒到59分59秒期间时，报时电路报时控制信号。当时间在59分50秒到59分59秒期间时，分十位、分个位和秒十位均保持不变，分别为5、9和5，因此可将分计数器十位的Q和Q、个位的Q和Q及秒计数器十位的Q和Q相

17、与，从而产生报时控制信号。报时电路可选74HC30来构成。74HC30为8输入与非门。选蜂鸣器为电声器件，蜂鸣器是一种压电电声器件，当其两端加上一个直流电压时就会发出鸣叫声，两个输入端是极性的，其较长引脚应与高电位相连。与非门74HC30输出端应与蜂鸣器的负极相连，而蜂鸣器的正极则应与电源相连。第12章数字电路设计(3)根据上述设计思路，可画出实际电路图（或直接画仿真电路图，自行画出）。(4)电路仿真调试。在完成电路的初步设计后，再对电路进行仿真调试，目的是为了观察和测量电路的性能指标并调整部分元器件参数，从而达到各项指标的要求。(5)PCB图的设计与生成。由仿真电路直接生成网络表；调用PRO

18、TELPCB，并进行元器件合理布局；调用网络表，并自动布线；PCB图的人工调整；第12章数字电路设计 打印输出。PCB板一般由生产商根据图纸进行生产，电路设计者无需介入。(6)电路焊接与装配。元器件老化与抽样检测；元器件预处理；基于PCB板的元器件焊接与电路装配。第12章数字电路设计(7)实际电路测试与改进。选择测量仪表与仪器，对电路进行实际测量与调试，调整电路参数，并解决存在的问题或电路故障等。第12章数字电路设计 12.2智力竞赛抢答器电路设计智力竞赛抢答器电路设计12.2.1智力竞赛抢答器的工作原理智力竞赛抢答器的工作原理1.工作原理工作原理按下复位(Space)键，与电源接通得到高电平

19、，同时加到4个D触发器的CD端，使得4个触发器的Q端输出高电平，4个发光二极管熄灭，4输入与非门U7B输出低电平，U4A被封锁，蜂鸣器不响。第12章数字电路设计 第12章数字电路设计 2.设计依据设计依据4013BD为双D上升沿触发器集成电路，其真值表如121所示。表表1214013BD的真值表的真值表/SD/RD CP D Q/Q 0 1 X X 1 0 1 0 X X 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 X Q/Q 第12章数字电路设计 逻辑表达式：)CP(1为DQn4011BD为双输入4与非门，其真值表如表122所示。A B Y 0 0 1 0 1 1 1 0 1

20、 1 1 0 第12章数字电路设计 表表1234012BD的真值表的真值表 A B C D Y1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 第12章数字电路设计 逻辑表达式：YABCD第12章数字电路设计 12.2.2电路设计电路设计1.电路原理图电路原理图智力竞赛抢答器功能仿真图如图1210所示。2.验证功能验证功能智

21、力竞赛抢答器电路的各点输出波形如图1211所示。第12章数字电路设计 图1210 智力竞赛抢答器功能仿真图第12章数字电路设计 图12-11 智力竞赛抢答器功能仿真仿真波形 第12章数字电路设计 12.3循环彩灯控制电路设计循环彩灯控制电路设计12.3.1循环彩灯控制电路设计任务及要求循环彩灯控制电路设计任务及要求1.设计任务设计任务设计一个可以循环移动的彩灯控制电路，灯总数为8盏，技术指标如下：(1)1、5亮，其余灭，右移三次后全灭；(2)4、8亮，其余灭，左移三次后全灭；(3)4、5亮，其余灭，各向两边移三次后全灭；(4)1、8亮，其余灭，各向中间移三次后全灭；(5)灯移动间隔为1s。第1

22、2章数字电路设计 2.设计要求设计要求(1)制定方案。根据设计任务，制定两种设计方案，画出框图。(2)电路设计。设计各单元电路并计算其参数，提出元件清单。(3)电路仿真。通过EDA工具软件对电路进行仿真。(4)制作电路并调试。(5)撰写设计报告。第12章数字电路设计 3.工作原理工作原理8盏灯可分为两组。每组只有一盏灯亮。每盏灯的移动方向各有两种，即左移或右移。组与组之间的方向也有两种，即同向或反向。同向即同时向左移动或同时向右移动。反向即同时从两边向中间移动或同时从中间向两边移动。此控制电路的原理框图如图1212所示。第12章数字电路设计 图1212循环彩灯控制电路原理框图 第12章数字电路

23、设计 图1212中的各功能说明如下：(1)时钟源：周期性的方波信号，用于控制灯移动的快慢。(2)周期控制：用于控制每组灯一轮移动的时间。(3)方向控制：用于控制灯移动的方向。(4)同向、反向控制：用于两组灯移动的方向同向与否的控制。(5)输出驱动：接收上述各模块的控制信号，将其变成需要执行的输出信号。(6)执行:将输出驱动的输出信号表现成循环点亮的形式。(7)电源：给整个系统供电。第12章数字电路设计 12.3.2电路设计电路设计1.时钟源时钟源时钟源如图1213所示。通过一个32.768kHz晶体振荡器和一个4060分频器分频即可得到多种不同频率的时钟信号。第12章数字电路设计 图1213时

24、钟源 第12章数字电路设计 2.周期控制电路周期控制电路这里选用计数器74LS163和非门74LS04对所输入的时钟信号进行5分频，用于控制每一组的4盏灯依次点亮后再熄灭的一轮循环的周期，如图1214所示。第12章数字电路设计 图1214周期控制电路第12章数字电路设计 3.方向控制电路方向控制电路图1215所示为方向控制电路。单独对于每一组来说，移动的方向只有两种，即左移或右移。因此，这里用一个D触发器74LS74将周期控制信号再一次分频，这样在每一个周期控制信号的周期里，方向控制输出不是0就是1，正好用于表示左移和右移。第12章数字电路设计 图1215方向控制电路 第12章数字电路设计 4

25、.同向、反向控制电路同向、反向控制电路要实现同向、反向控制，只要将方向控制模块分别用于控制两组的输出信号为反即可，因此，可以用一个数据选择器74LS157和一个非门74LS04来实现。需要同向时，选择器就选择A路的信号通过，需要反向时，选择器就选择B路的信号通过。这里的D触发器74LS74用于控制什么时候需要同向或反向。对方向控制信号进行2分频，先完成同向的左移和右移，再完成反向。第12章数字电路设计 5.输出驱动电路输出驱动电路图1216所示的输出驱动电路采用两个移位寄存器74LS194来分别控制每一组。时钟源作为移位寄存器的时钟输入，用于控制灯移动的快慢。周期控制除了前面的控制外，正好可以

26、给移位寄存器提供移位输出的信号。方向控制及同向、反向控制通过非门74LS04用于控制移位寄存器的两个控制引脚S0、S1，以达到实现任务所要求移位方向控制的目的。第12章数字电路设计 图1216输出驱动电路 第12章数字电路设计 6.执行电路执行电路这个模块比较简单，用发光二极管LED将移位寄存器的输出信号显示出来，可以感受到漂亮的彩灯流动的感觉。由8个发光二极管构成的执行电路如图1217所示。这里需要注意的是，要给每一盏LED串一个限流电阻，因为移位寄存器的输出信号为TTL电平，这个电平超过了LED的正常的正向偏置的电压。第12章数字电路设计 图1217由8个发光二极管构成的执行电路 第12章

27、数字电路设计 12.3.3电路仿真电路仿真1.常用的常用的EDA工具软件工具软件可以选用OrCAD、Protel99SE、Multisim、MAXplusII等工具软件。2.时序仿真和功能仿真时序仿真和功能仿真将各单元电路原理图综合后输入到软件中，对其进行时序仿真和功能仿真。(1)时序仿真可反映每一路信号与时钟信号之间的关系，即不同路信号之间的关系。(2)功能仿真可看出执行模块控制彩灯循环点亮的效果。图1218是功能仿真波形。第12章数字电路设计 图1218功能仿真波形 第12章数字电路设计 3.电路制作及测试电路制作及测试（1）电路制作：在面包板上按电路原理图将电路连接好或者利用Protel软件将原理图转换成印制板图（PCB），然后交由工厂加工后，再将元器件焊接在PCB上。一般数字系统只要原理图正确，电路制作时各个连接没有出错，电路的功能就会实现。（2）测试时，主要是看电源端有没有短路，芯片有没有损坏等，然后使用相应的仪器进行测试。第12章数字电路设计 4.实验器材及元件清单实验器材及元件清单（1）仪器：计算机、示波器、万用表、EDA工具软件等。（2）元件：74LS163(计数器)、74LS74(D触发器)、74LS157(2选1数据选择器)、74LS194(双向4位移位寄存器)、74LS00(与非门)、发光二极管等。