数字电子技术第9章数字电路课程设计与综合实训课件.ppt

第9章数字电路课程设计与综合实训 第章数字电路课程设计与综合实训9.1数字系统设计与制作的一般方法数字系统设计与制作的一般方法9.2三路竞赛抢答器的设计与制作三路竞赛抢答器的设计与制作9.3交通灯信号控制器的设计与制作交通灯信号控制器的设计与制作9.4数字电子钟的设计与制作数字电子钟的设计与制作第9章数字电路课程设计与综合实训 9.1 数字系统设计与制作的一般方法数字系统设计与制作的一般方法9.1.1 数字系统设计的一般方法数字系统设计的一般方法1.数字系统的组成由输入电路、信号处理电路、控制电路、时钟电路、脉冲产生电路、输出电路等数字逻辑单元电路构成，按一定顺序处理和传输数字信号的设备称为数字系统输入电路主要作用是将被控制信号加工变换成数字信号，其形式包括各种输入接口电路在设计输入电路时，应先了解输入信号的性质，接口的条件，来设计合适的输入接口电路第9章数字电路课程设计与综合实训 控制电路的功能是将控制信息加工运算并为系统各部分提供所需的各种控制信号处理电路接受控制电路的控制，对输入的数据进行数字、逻辑运算等信号处理，并将处理过程中产生的状态信息反馈到控制电路控制电路和信号处理电路是整个数字系统的核心。

设计控制电路和信号处理电路是整个数字系统设计最重要的内容，应该特别注意不同信号之间的逻辑性与时序性第9章数字电路课程设计与综合实训 在数字系统中，各种逻辑时钟电路、脉冲产生电路、电源电路是数字系统正常工作的保证，整个数字系统都在它们的控制之下按一定的规律工作时钟电路包括主时钟振荡电路及分频后形成各种时钟脉冲的电路设计时钟电路时，应根据系统的要求首先确定主时钟的频率，并注意与其他控制信号结合产生系统所需的各种时钟信号第9章数字电路课程设计与综合实训 脉冲产生电路应按系统设计的要求提供合适的脉冲信号电源电路应为整个系统的正常工作提供所需的直流电平在数字电路系统中，TTL电路对电源电压要求比较严格，电压值必须在一定范围内CMOS电路对电源电压的要求相对比较宽松，设计电源时，必须注意电源的负载能力，电压的稳定及波纹系数等第9章数字电路课程设计与综合实训 输出电路是完成系统最后逻辑功能的重要部分在数字电路系统中存在各种各样的输出接口电路其功能或是发送一组经系统处理的数据；或是显示一组数字；或是将数字信号进行转换，变成模拟输出信号所以在设计系统的输出电路时，必须注意在电平、信号极性、拖动能力等方面与负载的匹配。

第9章数字电路课程设计与综合实训 2.数字系统设计的一般方法与步骤1）消化课题必须充分了解系统设计要求，明确系统的全部功能、要求及技术指标熟悉被处理信号与被控制对象的各种参数与特点第9章数字电路课程设计与综合实训 2）确定总体设计方案根据系统逻辑功能画出系统的原理框图，将系统分解确定连接不同方框间各种信号的逻辑关系与时序关系方框图应能简洁、清晰地表示设计方案的原理3）用计算机软件搭建单元电路并进行电路仿真选择合适的数字器件，用计算机软件搭建各逻辑单元电路然后利用计算机仿真软件对电路进行仿真测试，从而确定电路是否准确无误第9章数字电路课程设计与综合实训 4）分析电路中的数字电路仿真功能设计的电路可能不存在任何问题，但组合起来后系统可能不能正常工作，因此，充分分析各单元电路，特别是对控制信号要从逻辑关系、正负极性、时序等几个方面进行深入的考虑，确保不存在冲突在深入分析的基础上通过对原设计电路的不断修改，从而获得最佳设计方案第9章数字电路课程设计与综合实训 5）完成整体设计在各单元电路完成的基础上，再用计算机软件对整个电路进行仿真，进行设计验证根据设计要求能设计出一个比较理想的数字系统须经常训练，反复实践才能熟练。

第9章数字电路课程设计与综合实训 9.1.2 数字系统的安装与调试数字系统的安装与调试1 制作PCB设计、制作PCB印制电路板，或使用万能板进行电路装接连线设计2 元器件检测元器件装接前，要进行检测，这样可以减少因元器件原因造成的电路故障，从而提高工作效率第9章数字电路课程设计与综合实训 3 电路装接依PCB印制电路板或万能板电路装接连线设计工艺文件，进行电路装接在安装元器件时，集成电路最好通过插座与电路板连接，这便于在器件损坏时对其进行更换另外，在焊接过程中，焊点应可靠、美观，注意不要出现挂锡或虚焊现象第9章数字电路课程设计与综合实训 4 电路调试（1）充分理解电路的工作原理和电路结构，对电路输入输出之间的逻辑关系，正常情况下的信号的电平、波形、频率等做到心中有数据此设计出科学的调试方法，包括仪器的选用、调试的步骤以及每一步骤中检测的部位等2）先进行静态测试，确定IC的电源、地及控制端的静态电平等直流工作状态是否正常后再进行动态测试在进行静、动态测试时应尽量保证测试条件与电路的实际工作状态相吻合第9章数字电路课程设计与综合实训（3）在寻找故障时，可由前往后或由后往前按信号的流程对电路进行逐级测量；也可以根据电路的特点在关键部位测量；或根据通电后系统的工作状态直接从电路的某一部分入手检查。

4）明确每次测量的意义对于要了解什么及希望解决什么问题做到心中有数5）在对电路进行检测、试验或调整的过程中，应掌握一些实用的检测方法，如对换法、对比法、对分法、信号注入法信号寻迹法等第9章数字电路课程设计与综合实训（6）在数字电路中由于不存在大功率、大电流、高电压等工作状态，电路故障一般都是装配过程中出现的挂锡、虚焊、元件插错等原因造成的，除非IC插反了方向或电源接错了，否则有源器件损坏的情况很少第9章数字电路课程设计与综合实训 9.2 三路竞赛抢答器的设计与制作三路竞赛抢答器的设计与制作9.2.1 仿真设计仿真设计1.设计要求（1）制作一个可容纳三组参赛者的竞赛抢答器，每组设置一个抢答按钮供参加竞赛者使用2）电路应具有第一抢答信号的鉴别和锁存功能3）若同时有两组或两组以上抢答，则所有的抢答信号无效，显示器显示0字符第9章数字电路课程设计与综合实训 2.三路竞赛抢答器仿真设计1）原理框图由设计要求“若同时有两组或两组以上抢答，则所有的抢答信号无效，显示器显示0字符”，涉及时序逻辑，所以抢答信号处理须使用触发器为此，用一块四D触发器74LS175（上升沿触发）、两个三3输入与非门74LS10N，一个三3输入与门74LS11N、一块555定时器电路、一块共阴七段数码显示器和若干按钮开关、电阻器、电容器等器件设计制作一个可容纳1、2、3个组别参加的三路竞赛抢答器（1）（5 V电源另配），设计原理框图如图9.2.1所示。

第9章数字电路课程设计与综合实训 图9.2.1 三路竞赛抢答器设计原理框图第9章数字电路课程设计与综合实训 2）逻辑赋值、原理图将图9.2.1所示原理框图设计细化，有三路竞赛抢答器原理图，如图9.2.2所示图中，X为主持人清零信号，低电平有效，清零后，显示器清零抢答开始信号，高电平有效，单击开关控制键X，接入高电平，抢答开始1、2、3分别为三个参赛组的组别符号，每组有一个抢答按钮，抢答高电平有效抢答时，第一时间抢答成功者的组别符号被显示器显示第9章数字电路课程设计与综合实训 图9.2.2 三路竟赛抢答器原理图第9章数字电路课程设计与综合实训 3）设计说明当主持人按下清零按钮后，四D触发器U1的CLR=0，U1被清零，Q1Q2Q30、Q1=Q2=Q3=1，显示器U9显示0字符，所有抢答信号无效第一抢答信号的鉴别和锁存功能由四D触发器（74LS175）U1，三3输入与门（74LS11）U2A、U3B和一个用1块555定时器电路U7构成的多谐振荡器组合完成第9章数字电路课程设计与综合实训 为保证参赛者在按抢答按钮的瞬间，时钟脉冲信号能适时地到达，图中，由U7 LM555CN构成的多谐振荡器的振荡周期 T0.7（R52R6）C1=0.7(4+23)1031070.7 ms，约为1.4 kHz，远高于参赛选手的抢答频率。

第9章数字电路课程设计与综合实训 当主持人命令开始抢答后，U1的CLR=1，抢答开始，其后的抢答信号有效设第一组参赛者在第一时间按下了抢答器按钮1，于是U1的Q1=0，三3输入与门U2A的输出为0，U3B的输出为0，即U1 74LS175的时钟脉冲信号CLK（上升沿有效）为0，被封锁，即第一抢答信号被鉴别和锁存，并使其后的抢答信号无效第9章数字电路课程设计与综合实训 按设计要求，七段数码显示器译码/驱动电路（CD4511）U8对应的译码表，如表9.2.1所示由表9.2.1可写出七段数码显示器译码/驱动电路 CD4511输入端D、C、B、A对应的逻辑函数表达式：C=D=0第9章数字电路课程设计与综合实训 第9章数字电路课程设计与综合实训 3.仿真分析1）检测时钟信号（555多谐振荡器）如图9.2.3所示，检测时钟脉冲信号控制电路的振荡频率和控制功能测得时钟脉冲信号（555多谐振荡器）的振荡周期 T0.714 286 ms，振荡频率约为1.399 999 kHz，远高于参赛选手的抢答频率，符合设计要求测得第一抢答信号的鉴别和锁存功能正常，符合设计要求第9章数字电路课程设计与综合实训 图9.2.3 检测时钟脉冲信号控制电路第9章数字电路课程设计与综合实训 2）检测七段数码显示器译码/驱动电路及编码电路从输出端往输入端，分别检测七段数码显示器译码/驱动单元电路和编码单元电路。

测得功能正常，符合设计要求第9章数字电路课程设计与综合实训 3）系统检测按设计要求进行系统仿真实验，分析验证设计功能要求工作时，主持人需先将抢答器的清零按钮X接低电平后，再接高电平（发出“开始抢答”的指令），则第一时间抢答成功的参赛者的组别符号被显示器显示，此时，其后的抢答信号应无效；若同时有两组或两组以上抢答，则所有的抢答信号无效，显示器显示0字符测得功能正常，符合设计要求第9章数字电路课程设计与综合实训 9.2.2 实物制作实物制作1.实物设计与连接（1）依图9.2.2所示设计电路，设计、制作PCB印制电路板，或使用万能板进行电路装接连线设计，或使用电子综合实验台进行装接布线设计2）编制元器件清单，准备元器件、电路装接连线、装接材料、工具和仪器仪表，进行元器件检测3）依图9.2.2所示设计电路和电路装接工艺文件进行电路装接第9章数字电路课程设计与综合实训 2.实物检测对装接制作的三路竞赛抢答器实体，使用仪器仪表，分别进行静态测试和动态测试，验证设计功能要求，并将检测结果填入技术指标检测表格中3.设计报告在仿真设计、实物制作、技术指标检测的基础上，进行分析、总结，并形成Word形式的书面文字设计报告。

第9章数字电路课程设计与综合实训 9.2.3 设计扩展训练设计扩展训练1.电路扩展训练（1）试将图9.2.2所示设计电路中，由两个三3输入与非门74LS10N电路构成的编码电路，改用一个3线8线译码器74LS138和一个三3输入与非门74LS10N构成依3线8线译码器74LS138输出逻辑函数表达式、七段数码显示器译码/驱动电路 CD4511的逻辑功能表和表9.2.1第9章数字电路课程设计与综合实训 有七段数码显示器译码/驱动电路 CD4511输入端D、C、B、A对应的逻辑表达式C=D=0则有三路竞赛抢答器原理图（2），如图9.2.4所示第9章数字电路课程设计与综合实训 图9.2.4 三路竞赛抢答器原理图（2）第9章数字电路课程设计与综合实训 2.电路扩展训练（2）试设计一个在9.2.1节设计要求的基础上增加具有限时（和报警）功能的三路竞赛抢答器即增加倒计时显示、控制（和报警）功能：（1）在主持人X清零、发出抢答指令后，开始9 s的倒计时显示，且在有效抢答信号产生时显示抢答的第一时间（并报警）2）在主持人X清零、发出抢答指令后，开始9 s的倒计时显示，倒计时结束则所有的抢答信号无效，所有显示器显示0字符（并报警）。

第9章数字电路课程设计与综合实训 9.3 交通灯信号控制器的设计与制作交通灯信号控制器的。