1、常用基本数字集成电路应用设计1 常用基本数字集成电路概述数字集成电路是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。根据数字集成电路中包含的门电路或元、器件数量，可将数字集成电路分为小规模集成（SSI）电路、中规模集成 MSI 电路、大规模集成（LSI ）电路、超大规模集成 VLSI 电路和特大规模集成（ULSI）电路。小规模集成电路包含的门电路在 10 个以内，或元器件数不超过 100 个；中规模集成电路包含的门电路在 10100 个之间，或元器件数在1001000 个之间；大规模集成电路包含的门电路在 100 个以上，或元器件数在 1010个之间；超大规模集成电路包含的门
2、电路在 1 万个以上，或元器件数在 1010 之间；特大规模集成电路的元器件数在 1010 之间。2 门电路构成的多谐振荡器的基本原理非门作为一个开关倒相器件，可用以构成各种脉冲波形的产生电路。电路的基本工作原理是利用电容器的充放电，当输入电压达到与非门的阈值电压 VT时，门的输出状态即发生变化。因此，电路输出的脉冲波形参数直接取决于电路中阻容元件的数值。2.1 不对称多谐振荡器非对称型多谐振荡器的输出波形是不对称的，当用 TTL 与非门组成时，输出脉冲宽度 tw1=RC, tw2=1.2RC, T=2.2RC 调节 R 和 C 值，可改变输出信号的振荡频率，通常用改变 C 实现输出频率的粗调
3、，改变电位器 R 实现输出频率的细调。2.1.2 对称型多谐振荡器电路完全对称，电容器的充放电时间常数相同, 故输出为对称的方波。改变 R 和 C 的值，可以改变输出振荡频率。非门 3 用于输出波形整形。一般取 R1K,当 R1 R2=1K，C1=C2100pf100f 时，f 可在几HzMHz 变化。脉冲宽度 tw1tw20.7RC，T1.4RC.2.1.3 门电路多谐振荡器仿真图 3 非门内部电路图 4 不对称多谐振荡器图 5 对称多谐振器3 555 定时器构成的多谐振荡器3.1 555 定时器(1)基本原理及其组成由电阻分压器、电压比较器、基本 RS 触发器、输出缓冲反相器、集电极开路输
4、出三极管组成。其内部结构如图（A ）及管脚排列如图（B）所示。 3.2 用 555 定时器组成多谐振荡器工作原理：1）电路第一暂态，输出为 1。电容充电，电路转换到第二暂态,输出为 02）电路第二暂稳态，电容放电，电路转换到第一暂态。 图 5 用 555 定时器组成多谐振荡器的原理图工作波形与振荡频率计算：tPL=R2C1n20.7R 2CtpH = (R1+R2)C1n20.7(R 1+R2)C3.3 用 555 定时器组成占空比可的调多谐振荡器 tpH = RAC1n20.7R ACtPL=RBC1n20.7R BCPLH12.43()ftRVC vC vO 0.01F C 8 4 55
5、7 6 2 3 5 1 R1 R2 vC VC 2 3 VC 1 3 O vO O tPL tPH t t RA RB R1 R2 R3 D2 C vC D1 8 4 7 6 2 1 5 3 5 VC vO 0.1 F )R(.tfApLH4313.4 555 振荡器仿真555 芯片构成的如图 9 所示。输出脉冲波的高电平持续时间 TW1=0.7（R 1+R2）C 1.图 9 555 多谐振荡器555 多谐振荡器电路的仿真结果：%()q10ABR4 N 进制计数器（1）计数器概述计 数 是 一 种 最 简 单 基 本 的 运 算 ， 计 数 器 就 是 实 现 这 种 运 算 的 逻 辑 电
6、路 ， 计数 器 在 数 字 系 统 中 主 要 是 对 脉 冲 的 个 数 进 行 计 数 ， 以 实 现 测 量 、 计 数 和 控 制的 功 能 ， 同 时 兼 有 分 频 功 能 ， 计 数 器 是 由 基 本 的 计 数 单 元 和 一 些 控 制 门 所 组成 ， 计 数 单 元 则 由 一 系 列 具 有 存 储 信 息 功 能 的 各 类 触 发 器 构 成 ， 这 些 触 发 器有 RS 触 发 器 、 T 触 发 器 、 D 触 发 器 及 JK 触 发 器 等 。 计 数 器 在 数 字 系 统 中 应用 广 泛 ， 如 在 电 子 计 算 机 的 控 制 器 中 对 指
7、 令 地 址 进 行 计 数 ， 以 便 顺 序 取 出 下一 条 指 令 ， 在 运 算 器 中 作 乘 法 、 除 法 运 算 时 记 下 加 法 、 减 法 次 数 ， 又 如 在 数字 仪 器 中 对 脉 冲 的 计 数 等 等 。 计 数 器 可 以 用 来 显 示 产 品 的 工 作 状 态 ， 一 般 来说 主 要 是 用 来 表 示 产 品 已 经 完 成 了 多 少 份 的 折 页 配 页 工 作 。 它 主 要 的 指 标 在于 计 数 器 的 位 数 ， 常 见 的 有 3 位 和 4 位 的 。 很 显 然 ， 3 位 数 的 计 数 器 最 大可 以 显 示 到 99
8、9， 4 位 数 的 最 大 可 以 显 示 到 9999。（2）计数器原理分析与设计参数计算计数是一种最简单基本的运算，计数器就是实现这种运算的逻辑电路，计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测量、计数和控制的功能，同时兼有分频功能，计数器是由基本的计数单元和一些控制门所组成，计数单元则由一系列具有存储信息功能的各类触发器构成，这些触发器有 RS 触发器、T 触发器、D 触发器及 JK 触发器等。计数器在数字系统中应用广泛，如在电子计算机的控制器中对指令地址进行计数，以便顺序取出下一条指令，在运算器中作乘法、除法运算时记下加法、减法次数，又如在数字仪器中对脉冲的计数等等计数器按
9、计数进制不同，可分为二进制计数器、十进制计数器、其他进制计数器和可变进制计数器，若按计数单元中各触发器所接收计数脉冲和翻转顺序或计数功能来划分，则有异步计数器和同步计数器两大类，以及加法计数器、减法计数器、加/减计数器等，如按预置和清除方式来分，则有并行预置、直接预置、异步清除和同步清除等差别，按权码来分，则有“8421”码， “5421”码、余“3”码等计数器，按集成度来分，有单、双位计数器等等，其最基本的分类如下：计数器的种类 进 制 计 数 器十 进 制 计 数 器二 进 制 计 数 器进 制 可 逆 计 数 器减 法 计 数 器加 法 计 数 器功 能 异 步 计 数 器同 步 计 数
10、 器结 构 N、3211、用 D 触发器构成异步二进制加/减计数器图 3.8.1 是用四只 D 触发器构成的四位二进制异步加法计数器，它的连接特点是将每只 D 触发器接成 T触发器，再由低位触发器的 端和高一位的 CP 端Q相连接。图 3.8.1 四位二进制异步加法计数器2、中规模集成计数器74LS161 是四位二进制可预置同步计数器，由于它采用 4 个主从 JK 触发器作为记忆单元，故又称为四位二进制同步计数器，其集成芯片管脚如图 3.8.2所示管脚符号说明Vcc：电源正端，接+5V：异步置零（复位）端RDCP：时钟脉冲：预置数控制端LA、B、C、D：数据输入端QA、QB、QC、QD：输出端
11、RCO：进位输出端图 3.8.2 74LS161 管脚图该计数器由于内部采用了快速进位电路，所以具有较高的计数速度。各触发器翻转是靠时钟脉冲信号的正跳变上升沿来完成的。时钟脉冲每正跳变一次，计数器内各触发器就同时翻转一次，74LS161 的功能表如表 3.8.1 所示：表 3.8.1 74LS161 逻辑功能表输 入 输 出RDLET EP CP A B C D QA QB QC QDL L L L LH L a b c d a b c dH H H H 计 数H H L 保 持H H L 保 持3、计数器的级联使用若所要求的进制已超过 16，则可通过几个 74LS161 进行级联来实现，在满
12、足计数条件的情况下有如下方法：1）同步联接法：CP 是共同的，只是把第一级的进位输出 RCO 接到下一级的 ET 端即可，平时 RCO=0 则计数器 2 不能工作，当第一级计满时，RCO=1，最后一个 CP 使计数器 1 清零，同时计数器 2 计一个数，这种接法速度不快，不论多少级相联，CP的脉宽只要大于每一级计数器延迟时间即可。其框图如图 3.8.32) 异步联接法：把第一级的进位输出端 RCO 接到下一级的 CP 端，平时 RCO=0 则计数器 2 因没有计数脉冲而不能工作，当第一级计满时，RCO=1，计数器 2 产生第一个脉冲，开始计第 1 个数，这种接法速度慢，若多级相联，其总的计数时
13、间为各个计数器延迟时间之和。其框图如图 3.8.4 所示图 3.8.3 同步联接法框图图 3.8.4 异步联接法框图4、实现任意进制计数器由于 74LS161 的计数容量为 16，即计 16 个脉冲，发生一次进位，所以可以用它构成 16 进制以内的各进制计数器，实现的方法有两种：置零法（复位法）和置数法（置位法） 。(1) 用复位法获得任意进制计数器假定已有 N 进制计数器，而需要得到一个 M 进制计数器时，只要 MN，用复位法使计数器计数到 M 时置“0” ，即获得 M 进制计数器。(2) 利用预置功能获 M 进制计数器置位法与置零法不同，它是通过给计数器重复置入某个数值的的跳越 N-M个状
14、态，从而获得 M 进制计数器的，如图所法。置数操作可以在电路的任何一个状态下进行。这种方法适用于有预置功能的计数器电路。图 3.8.5 为上述二种方法的原理示意图例如：利用两片十进制计数器 74LS161 接成 35 进制计数器？本例可以采用整体置零方式进行。首先将两片 74LS161 以同步级联的方式接成 1616=256 进制的计数器。当计数器从全 0 状态开始计数时，计入了 35个脉冲时，经门电路译码产生一个低电平信号立刻将两片 74LS161 同时置零，于是便得到了 35 进制计数器。电路连接图如图 3.8.6 所示图 3.8.6 二片 74LS161 构成 35 进制计数器电路连接图
15、 5.3 仿真电路由三位的十进制计数器 74LS160 构成 0999 的计数器，K1 为计数时钟按钮，每按下一次，产生一个计数时钟，K2 为异步清零时钟。S0 S1 S2 S3SMSM-2SM-2SN-3SN-2SN-1S0 S1SjSN-2Sj-1SN-1SN-3Si+2Si+13.8.5 获得任意进制计数器的两种方法（ a）置零法 （b）置数 法（a） （b）图 12 0999 的计数器仿真结果：5 总结在做实验前,一定要将课本上的知识吃透,因为这是做实验的基础,否则,在老师讲解时就会听不懂,这将使你在做实验时的难度加大,浪费做实验的宝贵时间.做实验时,一定要亲力亲为,务必要将每个步骤,
16、每个细节弄清楚,弄明白,实验后,还要复习,思考,这样,你的印象才深刻,记得才牢固,否则,过后不久你就会忘得一干二净,这还不如不做.老师将一些课本上没有的知识教给我们,拓宽我们的眼界,使我们认识到这门课程在生活中的应用是那么的广泛.通过这次测试技术的实验,使我学到了不少实用的知识,更重要的是,做实验的过程,思考问题的方法,这与做其他的实验是通用的,真正使我们受益匪浅.在实验的过程中我们要培养自己的独立分析问题，和解决问题的能力。培养这种能力的前题是你对每次实验的态度。如果你在实验这方面很随便，抱着等老师教你怎么做，拿同学的报告去抄，尽管你的成绩会很高，但对将来工作是不利的。比如在做回转机构实验中，经老师检查，我们的时域图波形不太合要求，我首先是改变振动的加速度，发现不行，再改变采样频率及采样点数，发现有所改善，然后不断提高逼近，最后解决问题，兴奋异常。在写实验报告，对于思考题，有很多不懂，于是去问老师，老师的启发了我，其实答案早就摆在报告中的公式，电路图中，自己要学会思考。（六）参考文献1、数字电子技术基础（阎石主编）2、集成电路原理及应用（钱为康 编）3、电子技术课程设计（杨志忠等 编）4、TTL 集成电路设计手册
