1、数字电路课程设计一、 概述二、 数字频率计的设计与制作三、 数字电路系统设计与制作的一般方法四、小结五、练习题,数字电路课程设计,一、 概 述在许多情况下，要对信号的频率进行测量，利用示波器可以粗略测量被测信号的频率，精确测量则要用到数字频率计。 本设计与制作项目可以进一步加深我们对数字电路应用技术方面的了解与认识，进一步熟悉数字电路系统设计、制作与调试的方法和步骤。,二、数字频率计的设计与制作,（一） 电路设计（二） 频率计的制作与调试,二、数字频率计的设计与制作, 在许多情况下， 要对信号的频率进行测量。利用示 波器可以粗略测量被测信号的频率，精确测量则要用到 数字频率计。数字频率计用到的
2、数字技术很多。本数字 频率计的设计与制作项目可以进一步加深我们对数字电 路应用技术方面的了解与认识，进一步熟悉数字电路系 统设计、制作与调试的方法和步骤。,（一） 电路设计1 设计要求设计并制作出一种数字频率计， 其技术指标如下： （1） 频率测量范围： 109 999 Hz。 （2） 输入电压幅度： 300 mV3 V。 （3） 输入信号波形： 任意周期信号。 （4） 显示位数： 4位。 （5） 电源： 220 V、 50 Hz。,2 数字频率计的基本原理数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频 率是在单位时间（1 s）内信号周期性变化的次数。如果 我们能在给定的1 s时间内对信号波形计
3、数，并将计数结 果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首 先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转 换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后 通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换 算后显示出来。这就是数字频率计的基本原理。 ,图 1 数字频率计框图,3 系统框图从数字频率计的基本原理出发， 根据设计要求， 得 到如图1所示的电路框图。,1） 电源与整流稳压电路框图中的电源采用50 Hz的交流市电。市电被降压、 整流、稳压后为整个系统提供直流电源。系统对电源的要 求不高，可以采用串联式稳压电源电路来实现。 2） 全波整流与波形整形电路本频率计采用市电频率作为标
4、准频率，以获得稳定的 基准时间率漂移不能超过0.5 Hz， 即在1的范围内。,用它作普通频率计的基准信号完全能满足系统的要 求。全波整流电路首先对50 Hz交流市电进行全波整流， 得到如图2(a）所示100 Hz的全波整流波形。波形整形 电路对100 Hz信号进行整形，使之成为如图2(b)所示 100 Hz的矩形波。采用过零触发电路可将全波整流波形变为矩形波， 也可采用施密特触发器进行整形。 ,图 2 全波整流与波形整形电路的输出波形,图 3 分频器的输出波形,3） 分频器分频器的作用是为了获得1 s的标准时间。首先对如图2所 示的100 Hz信号进行100分频得到如图3（a）所示周期为1 s
5、的 脉冲信号。然后再进行二分频得到如图3（b）所示占空比为 50脉冲宽度为1 s的方波信号，由此获得测量频率的基准时 间。利用此信号去打开与关闭控制门，可以获得在1 s时间内 通过控制门的被测脉冲的数目。分频器可以采用第5章介绍过的方法，由计数器通过计 数获得。二分频可以采用T触发器来实现。,4） 信号放大、 波形整形电路为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必 须对被测信号进行放大与整形处理，使之成为能被计数器 有效识别的脉冲信号。信号放大与波形整形电路的作用即 在于此。信号放大可以采用一般的运算放大电路，波形整 形可以采用施密特触发器。 5） 控制门控制门用于控制输入脉冲是否送计数器
6、计数。 它的一 个输入端接标准秒信号，一个输入端接被测脉冲。控制门 可以用与门或或门来实现。当采用与门时，秒信号为正时 进行计数，当采用或门时，秒信号为负时进行计数。 ,6） 计数器计数器的作用是对输入脉冲计数。 根据设计要求， 最高测量频率为9 999 Hz， 应采用4位十进制计数器。可 以选用现成的十进制集成计数器。 7） 锁存器在确定的时间（1 s）内计数器的计数结果（被测信 号频率）必须经锁定后才能获得稳定的显示值。锁存器 通过触发脉冲的控制，将测得的数据寄存起来，送显示 译码器。锁存器可以采用一般的8位并行输入寄存器。为 使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件。,8） 显示译码器与数
7、码管显示译码器的作用是把用BCD码表示的十进制数转 换成能驱动数码管正常显示的段信号，以获得数字显示。 显示译码器的输出方式必须与数码管匹配。 4 实际电路根据系统框图， 设计出的电路如图13.7所示。,图 4 数字频率计电路图,图中，稳压电源采用7805 来实现，电路简单可靠， 电源的稳定度与波纹系数均能达到要求。对100 Hz全波整流输出信号， 由7位二进制计数器 74HC4024组成的100进制计数器进行分频。计数脉冲下降 沿有效。在74HC4024的 Q7、Q6、Q3端通过与门加入反馈 清零信号。当计数器输出为二进制数1100100（十进制数 为100）时，计数器异步清零，实现100进
8、制计数。为了 获得稳定的分频输出，清零信号与输入脉冲“与”后再清 零，使分频输出脉冲在计数脉冲为低电平时能保持高电 平一段时间（10 ms）。,电路中采用双JK触发器74HC109中的一个触发器组 成T触发器。它将分频输出脉冲整形为脉宽为1 s、周期 为2 s的方波。从触发器Q端输出的信号加至控制门，确保 计数器只在1 s的时间内计数。从触发器 端输出的信号 作为数据寄存器的锁存信号。 被测信号通过741组成的运算放大器放大20倍后送施 密特触发器整形，得到能被计数器有效识别的矩形波输 出。通过由74HC11组成的控制门送计数器计数。为了防 止输入信号太强损坏集成运放，可以在运放的输入端并 接
9、两个保护二极管。 ,频率计数器由两块双十进制计数器74HC4518组成， 最大计数值为9999 Hz。由于计数器受控制门控制，每次 计数只在JK触发器Q端为高电平时进行。当JK触发器Q端 跳变至低电平时， 端由低电平向高电平跳变，此时， 8D锁存器74HC374（上升沿有效）将计数器的输出数据 锁存起来送显示译码器。计数结果被锁存以后。即可对 计数器清零。由于74HC4518为异步高电平清零，所以将 JK触发器的 同100 Hz脉冲信号“与”后的输出信号作为 计数器的清零脉冲。由此保证清零是在数据被有效锁存 一段时间（10 ms）以后再进行。 ,（二） 频率计的制作与调试1 所需仪器设备所需仪
10、器设备有示波器、音频信号发生器、逻辑笔、 万用表、数字集成电路测试仪和直流稳压电源。 2 参考步骤1) 器件检测用数字集成电路检测仪对所要用的IC进行检测，以 确保每个器件完好。如有兴趣，也可对LED数码管进行 检测，检测方法由自己确定。,2) 电路连接在自制电路板上将IC插座及各种器件焊接好；装配 时，先焊接IC等小器件，最后固定并焊接变压器等大器 件。电路连接完毕后，先不插IC。 3) 电源测试将与变压器连接的电源插头插入220 V电源，用万用 表检测稳压电源的输出电压。输出电压的正常值应为5V。如果输出电压不对，应仔细检查相关电路，消除故 障。稳压电源输出正常后，接着用示波器检测产生基准
11、 时间的全波整流电路输出波形。正常情况应观测到如图 13.5(a)所示波形。 ,4) 基准时间检测关闭电源后，插上全部IC。依次用示波器检测由 U1(74HC4024)与U3A组成的基准时间计数器与由U2A组成 的T触发器的输出波形，并与图3所示波形对照。如无 输出波形或波形形状不对，则应对U1、U3, U2各引脚的电 平或信号波形进行检测，消除故障。 ,5) 输入检测信号从被测信号输入端输入幅值在1 V左右，频率为1 kHz 左右的正弦信号，如果电路正常，数码管可以显示被测 信号的频率。如果数码管没有显示，或显示值明显偏离 输入信号频率，则做进一步检测。 6） 输入放大与整形电路检测用示波器
12、观测整形电路U1A(74HC14)的输出波形。正 常情况下，可以观测到与输入频率一致、信号幅值为5 V 左右的矩形波。,7) 控制门检测检测控制门U3C（74HC11）输出信号波形。正常时， 每间隔1 s时间，可以在荧屏上观测到被测信号的矩形波。如观测不到波形，则应检测控制门的两个输入端的信号是 否正常, 并通过进一步的检测找到故障电路，消除故障。 如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作， 则检 测计数器电路。,8) 计数器电路的检测依次检测4个计数器74HC4518时钟端的输入波形。正常时，相邻计数器时钟端的波形频率依次相差10倍。 正常情况时，各电平值或波形应与电路中给出的状态一 致
13、。如频率关系不一致或波形不正常，则应对计数器和 反馈门的各引脚电平与波形进行检测, 通过分析找出原因， 消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正 常工作，则检测锁存器电路。 ,9) 锁存电路的检测依次检测74HC374锁存器各引脚的电平与波形。正常 情况时，各电平值应与电路中给出的状态一致。其中， 第11脚的电平每隔1 s跳变一次。 如不正常， 则应检查电 路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作， 则检测锁存器电路。 10) 显示译码电路与数码管显示电路的检测检测显示 译码器74HC4511各控制端与电源端引脚的电平，同时检 测数码管各段对应引脚的电平及公共端的电平
14、。通过检 测与分析找出故障。 ,三、数字电路系统设计与制作的一般方法,（一） 数字电路系统设计的一般方法（二） 数字电路系统的安装与调试,通过对前面两个具体数字电路系统的设计与制作， 我 们对数字电路设计有了一定的认识。数字电路系统的设计 与教材中讨论的组合逻辑电路的设计有较大的区别。 组合 逻辑电路与一般时序逻辑电路的设计是根据设计任务要求， 用真值表、状态表求出简化的逻辑表达式，画出逻辑图、 逻辑电路，用一般的集成门电路或集成触发器电路来实现。 而本章设计的数字电路系统具有复杂的逻辑功能，难以用 真值表、逻辑表达式来完整地描述其逻辑功能，用前面介 绍的方法来设计，显然是复杂而困难的。,13
15、4 数字电路系统设计与制作的一般方法,利用数字电路硬件描述语言来设计数字系统是目前最 先进的方法，但不是本设计主要涉及的内容。从后续课程 的要求出发，本设计最关心的问题是通过对各种基本数字 电路的认识与了解，利用现有的数字电路器件来设计与实 现具有各种复杂逻辑关系的数字系统。下面讨论采用这种 方法进行数字电路系统设计与制作的一般方法。 ,（一） 数字电路系统设计的一般方法数字电路系统一般包括输入电路、 控制电路、输出 电路、时钟电路、脉冲产生电路和电源等。 输入电路主要作用是将被控信号加工变换成数字信 号，其形式包括各种输入接口电路。比如在本章设计制 作的数字频率计中，通过输入电路对微弱信号进
16、行放大、整形，得到数字电路可以处理的数字信号。有些模拟信 号则通过模数转换电路转换成数字信号再进行处理。在 设计输入电路时，必须首先了解输入信号的性质，接口 的条件，以设计合适的输入接口电路。 ,控制电路的功能是将信息加工运算并为系统各部分 提供所需的各种控制。比如本章设计制作的多路可编程 控制器，其定时器即为一控制电路。正是在它的作用下，计数脉冲才按一定的时间周期（定时器的定时时间）一 组一组地送给地址计数器，形成时间控制。在数字频率 计中，从JK触发器两个反相输出端输出的信号也是控制 信号，它既控制了被测信号送至计数器的时间，同时又 控制了锁存器在计数完毕后对数据进行锁存。,产生这种信号输
17、出的电路即为控制电路。数字电路 系统中，各种逻辑运算、判别电路等，都是控制电路， 它们是整个系统的核心。设计控制电路是数字系统设计 的最重要的内容，必须充分注意不同信号之间的逻辑性 与时序性。,输出电路是完成系统最后逻辑功能的重要部分。数 字电路系统中存在各种各样的输出接口电路。其功能可 能是发送一组经系统处理的数据，或显示一组数字，或 将数字信号进行转换，变成模拟输出信号。比如数字频 率计的显示译码与数码管电路，多路可编程控制器的并 行移位寄存器及驱动电路等，都属于系统的输出电路。 设计输出电路，必须注意与负载在电平、信号极性、拖 动能力等方面进行匹配。 ,时钟电路是数字电路系统中的灵魂，它
18、属于一种控 制电路，整个系统都在它的控制下按一定的规律工作。 时钟电路包括主时钟振荡电路及经分频后形成各种时钟 脉冲的电路。比如多路可编程控制器中的555多谐振荡电 路，数字频率计中的基准时间形成电路等都属于时钟电 路。设计时钟电路，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 种时钟脉冲。,电源为整个系统工作提供所需的能源，为各端口提 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，电压的稳定度及波纹系数等。,显然，任何复杂的数
19、字电路系统都可以逐步划分成 不同层次、相对独立的子系统。通过对子系统的逻辑关 系、时序等的分析，最后可以选用合适的数字电路器件 来实现。将各子系统组合起来，便完成了整个大系统的 设计。 按照这种由大到小，由整体到局部，再由小到大， 由局部到整体的设计方法进行系统设计，就可以避免盲 目的拼凑，完成设计任务。,1） 消化课题必须充分了解设计要求，明确被设计系统的全部功 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。 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。确定贯串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。
20、 ,3） 绘制单元电路并对单元电路仿真选择合适的数字器件，用电子CAD软件绘出各逻辑单 元的逻辑电路图。标注各单元电路输入输出信号的波形。原 理图中所用的元件应使用标准标号；电路的排列一般按信号 流向由左至右排列；重要的线路放在图的上方，次要线路放 在图的下方，主电路放在图的中央位置;当信号通路分开画 时，在分开的两端必须作出标记，并指出断开处的引出与引 入点。,然后利用电子CAD软件中的数字电路仿真软件对电 路进行仿真测试，以确定电路是否准确无误。当电路中 采用TTL、CMOS、运放、分立元件等多种器件时，如果 采用不同的电源供电，则要注意不同电路之间电平的正 确转换，并绘制出电平转换电路。
21、,4） 分析电路可能设计的单元电路不存在任何问题，但组合起来后 系统却不能正常工作，因此，必须充分分析各单元电路， 尤其是对控制信号要从逻辑关系、正反极性、时序几个方 面进行深入考虑， 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， 获得最佳设计方案。 5） 完成整体设计在各单元电路完成的基础上，用电子CAD软件将各单 元电路连接起来，画出符合软件要求的整机逻辑电路图。,6） 逻辑仿真整体电路设计完毕后，再次在仿真软件上对整个试 验系统进行逻辑仿真，验证设计。 根据设计任务，设计出一个比较理想的数字电路系 统必须经常训练，反复实践才能熟练。 为使设计尽可能 优化，必须对数字电
22、路器件，尤其是中、大规模集成电 路器件有比较多的了解。学会查阅数字电路器件手册， 了解不同器件之间的区别。充分明了各器件输入端、控 制端对信号的要求，以及输出端输出信号的特点。这些 对设计者来说是十分重要的。熟悉电子CAD软件的使用，对我们的设计十分有帮助。,（二） 数字电路系统的安装与调试数字试验系统整体电路设计完毕后， 还必须通过试 验板的安装与调试，纠正设计中因考虑不周出现的错误 或不足。检测出实际系统正常运行的各项技术指标、参 数、工作状态、输出驱动情况、动作情况与逻辑功能。 因此，系统装调工作是验证理论设计，进一步修正设计 方案的重要实践过程。 具体可按如下步骤进行。 ,1） 制作P
23、CB如果整体电路是利用电子CAD软件按其要求绘制的， 则可以利用该软件绘制PCB图，制作出印刷电路板。采用 PCB制作数字电路系统可以保证试验系统工作可靠，减少 不必要的差错，大大节省电路试验时间。 2） 检测器件在将器件安装到PCB上之前，对所选用的器件进行测 试是十分有必要的，它可以减少因器件原因造成的电路 故障，缩短工作时间。 ,3） 安装元器件将各种器件安装到PCB上是一件不太困难的工作。安 装时，集成电路最好通过插座与电路板连接，这便于不小 心损坏器件后进行更换。数字电路的布线一般比较紧密、 焊点较小，在焊接过程中注意不要出现挂锡或虚焊。 4） 电路调试电路的调试可分两步来进行，一是
24、单元电路的调试， 然后是总调。只有通过调试使单元电路到达预定要求，总 调才能顺利进行。调试时应注意： ,（1） 充分理解电路的工作原理和电路结构，对电路 输入输出量之间的逻辑关系，正常情况下信号的电平、波形、频率等做到心中有数。据此设计出科学的调试方 法，包括选用的仪器设备，调试的步骤、每个步骤中检 测的部位、如何人为设置电路工作状态进行测试等。 （2）可以先进行静态测量，确定IC的电源、地、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 测量，如果电路装配工艺比较好，也可以在动态测量发 现问题后再进行静态测量。进行静、动态测量时应尽量 保证测试条件与电路的实际工作状态相吻合。,（3）
25、在寻找故障时， 可以按信号的流程对电路进行 逐级测量，或由前往后, 或由后向前；也可以根据电路的 特点从关键部位入手进行；或根据通电连接后系统的工 作状态直接从电路的某一部分着手进行。 （4） 明确每次测量的意义， 要了解什么，希望解决 什么问题，一定要做到心中有数。从测量中掌握的各种 数据、现象、观测到的信号波形等入手，通过分析、试 验（调整）再开始新的测量, 如此循环往复进行，就可以 发现与排除故障，达到预定的设计目标。 ,（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（将检测好的器件 或电路代替怀疑有故障的器件或电路）、对比法（通过 测量将故障电路与
26、正常电路的状态、参数等进行逐项对 比）、 对分法（把有故障的电路根据逻辑关系分成两部 分，确定是哪一部分有问题，然后再对有故障的电路再 次对分，直至找到故障所在）、信号注入法（根据电路 的逻辑关系，人为设置输入端口电平或注入数字信号， 观测电路的响应，判断故障所在）、信号寻迹法（从信 号的流向入手，通过在电路中跟踪寻找信号，找出故障 所在）。 ,在数字电路中，由于不存在大功率、大电流、高电压的 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 错了极性，一般情况下，有源器件损坏的可能性较小。5） 归纳总结当电路能够正常工作以后，应将测试的
27、数据、波形、计算结果等原始数据归纳保存，以备以后查阅。最后编写 总结报告。总结报告应对本设计的特点、所采用的设计技 巧、存在的问题、解决的方法、电路的最后形式、 电路达 到的技术指标等进行必要的分析与阐述。 ,四、小结,学会采用各种中、大规模数字电路集成器件设计数 字电路系统，是本课程设计的首要任务。 我们设计制作 一个实用性很强的数字系统实例，由此可以深入了解数 字电子技术在专业学习中的重要意义，同时对如何使大 家将课堂中学到的知识用于实践起到很好的指导作用。,数字电路系统的设计，应采取从整体到局部， 再从 局部到整体的设计方法。通过对系统的目标、任务、指 标要求等的分析绘出系统的方框图是设
28、计的第一步；通 过对每个框图作用的进一步分析，通过对各种数字电路 器件的深入认识，合理设计每个框图中的实际电路是系 统设计中最重要的内容，通过对电路的进一步分析、仿 真、修改以使系统完善与优化，是系统设计的关键所在。 ,系统装配与调试工作是验证理论设计，进一步修正 设计方案的实践过程。数字系统的制作必须严格遵守相 关工艺， 按步骤进行。在调试数字系统时要充分理解电 路的工作原理和电路结构，有步骤、有目的地进行。对 系统进行检测时，应灵活运用“对换”、 “对比”、“对分”、“信号注入”、 “信号寻迹”等方法。 ,五、练习题,1简述课程设计制作的数字频率计的基本原理？ 2简述上述数字频率计的基准时
29、间是如何获得的？ 3在图4中， 为何不将计数器与显示译码器直接相连？如果直接相连，会出现什么现象？ 4分别阐述图4中， 各与门的作用。 5图4中， JK触发器的作用是什么？ 6在制作与调试数字系统时， 应注意什么问题？,参考资料： 1 康华光电子技术基础北京：高等教育出版社, 1987 2 李亚伯数字电路与系统北京：电子工业出版社, 1997 3 陈晰数字电路技术基础北京：电子工业出版社, 1999 5李元数字电路与逻辑设计南京：南京大学出版社, 1997 大学出版社, 1989 6侯伯亨、 顾新编著VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路 设计西安： 西安电子科技大学出版社, 1998,7 王锁萍 电子设计自动化(EDA)教程成都： 电子科技 大学出版社, 1999 8 郭斌 数字逻辑电路 北京： 电子科技大学出版 社, 1995 9 曹汉房 数字电路的设计与解题技巧. 北京：高等教育 出版社, 1989 10王振宇实验电子技术天津：天津 大学出版社，1989 11 程震先 数字电路实验与应用 北京： 北京理工大学 出版社, 1989,
