數字電路課程設計

一、概述

二、數字頻率計的設計與制作

三、數字電路系統設計與制作的一般方法

四、小結

五、練習題

數字電路課程設計一、概述在許多情況下，要對信號的頻率進行測量，利用示波器可以粗略測量被測信號的頻率，精確測量則要用到數字頻率計。本設計與制作項目可以進一步加深我們對數字電路應用技術方面的了解與認識，進一步熟悉數字電路系統設計、制作與調試的方法和步驟。二、數字頻率計的設計與制作

（一）電路設計

（二）頻率計的制作與調試二、數字頻率計的設計與制作在許多情況下，要對信號的頻率進行測量。利用示波器可以粗略測量被測信號的頻率，精確測量則要用到數字頻率計。數字頻率計用到的數字技術很多。本數字頻率計的設計與制作項目可以進一步加深我們對數字電路應用技術方面的了解與認識，進一步熟悉數字電路系統設計、制作與調試的方法和步驟。

（一）電路設計

1．設計要求設計并制作出一種數字頻率計，其技術指標如下：（1）頻率測量范圍：10～9999Hz。（2）輸入電壓幅度：300mV~3V。（3）輸入信號波形：任意周期信號。（4）顯示位數：4位。（5）電源：220V、50Hz。

2．數字頻率計的基本原理數字頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率。頻率是在單位時間（1s）內信號周期性變化的次數。如果我們能在給定的1s時間內對信號波形計數，并將計數結果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數字頻率計首先必須獲得相對穩定與準確的時間，同時將被測信號轉換成幅度與波形均能被數字電路識別的脈沖信號，然后通過計數器計算這一段時間間隔內的脈沖個數，將其換算后顯示出來。這就是數字頻率計的基本原理。圖1數字頻率計框圖

3．系統框圖從數字頻率計的基本原理出發，根據設計要求，得到如圖1所示的電路框圖。1）電源與整流穩壓電路框圖中的電源采用50Hz的交流市電。市電被降壓、整流、穩壓后為整個系統提供直流電源。系統對電源的要求不高，可以采用串聯式穩壓電源電路來實現。

2）全波整流與波形整形電路本頻率計采用市電頻率作為標準頻率，以獲得穩定的基準時間率漂移不能超過0.5Hz，即在1％的范圍內。

用它作普通頻率計的基準信號完全能滿足系統的要求。全波整流電路首先對50Hz交流市電進行全波整流，得到如圖2(a）所示100Hz的全波整流波形。波形整形電路對100Hz信號進行整形，使之成為如圖2(b)所示100Hz的矩形波。采用過零觸發電路可將全波整流波形變為矩形波，也可采用施密特觸發器進行整形。圖2全波整流與波形整形電路的輸出波形

圖3分頻器的輸出波形3）分頻器分頻器的作用是為了獲得1s的標準時間。首先對如圖2所示的100Hz信號進行100分頻得到如圖3（a）所示周期為1s的脈沖信號。然后再進行二分頻得到如圖3（b）所示占空比為50％脈沖寬度為1s的方波信號，由此獲得測量頻率的基準時間。利用此信號去打開與關閉控制門，可以獲得在1s時間內通過控制門的被測脈沖的數目。分頻器可以采用第5章介紹過的方法，由計數器通過計數獲得。二分頻可以采用T′觸發器來實現。4）信號放大、波形整形電路為了能測量不同電平值與波形的周期信號的頻率，必須對被測信號進行放大與整形處理，使之成為能被計數器有效識別的脈沖信號。信號放大與波形整形電路的作用即在于此。信號放大可以采用一般的運算放大電路，波形整形可以采用施密特觸發器。

5）控制門控制門用于控制輸入脈沖是否送計數器計數。它的一個輸入端接標準秒信號，一個輸入端接被測脈沖。控制門可以用與門或或門來實現。當采用與門時，秒信號為正時進行計數，當采用或門時，秒信號為負時進行計數。6）計數器計數器的作用是對輸入脈沖計數。根據設計要求，最高測量頻率為9999Hz，應采用4位十進制計數器。可以選用現成的十進制集成計數器。

7）鎖存器在確定的時間（1s）內計數器的計數結果（被測信號頻率）必須經鎖定后才能獲得穩定的顯示值。鎖存器通過觸發脈沖的控制，將測得的數據寄存起來，送顯示譯碼器。鎖存器可以采用一般的8位并行輸入寄存器。為使數據穩定，最好采用邊沿觸發方式的器件。

8）顯示譯碼器與數碼管顯示譯碼器的作用是把用BCD碼表示的十進制數轉換成能驅動數碼管正常顯示的段信號，以獲得數字顯示。顯示譯碼器的輸出方式必須與數碼管匹配。

4．實際電路根據系統框圖，設計出的電路如圖13.7所示。圖4數字頻率計電路圖

圖中，穩壓電源采用7805來實現，電路簡單可靠，電源的穩定度與波紋系數均能達到要求。對100Hz全波整流輸出信號，由7位二進制計數器74HC4024組成的100進制計數器進行分頻。計數脈沖下降沿有效。在74HC4024的Q7、Q6、Q3端通過與門加入反饋清零信號。當計數器輸出為二進制數1100100（十進制數為100）時，計數器異步清零，實現100進制計數。為了獲得穩定的分頻輸出，清零信號與輸入脈沖“與”后再清零，使分頻輸出脈沖在計數脈沖為低電平時能保持高電平一段時間（10ms）。

電路中采用雙JK觸發器74HC109中的一個觸發器組成T觸發器。它將分頻輸出脈沖整形為脈寬為1s、周期為2s的方波。從觸發器Q端輸出的信號加至控制門，確保計數器只在1s的時間內計數。從觸發器端輸出的信號作為數據寄存器的鎖存信號。被測信號通過741組成的運算放大器放大20倍后送施密特觸發器整形，得到能被計數器有效識別的矩形波輸出。通過由74HC11組成的控制門送計數器計數。為了防止輸入信號太強損壞集成運放，可以在運放的輸入端并接兩個保護二極管。

頻率計數器由兩塊雙十進制計數器74HC4518組成，最大計數值為9999Hz。由于計數器受控制門控制，每次計數只在JK觸發器Q端為高電平時進行。當JK觸發器Q端跳變至低電平時，端由低電平向高電平跳變，此時，8D鎖存器74HC374（上升沿有效）將計數器的輸出數據鎖存起來送顯示譯碼器。計數結果被鎖存以后。即可對計數器清零。由于74HC4518為異步高電平清零，所以將JK觸發器的同100Hz脈沖信號“與”后的輸出信號作為計數器的清零脈沖。由此保證清零是在數據被有效鎖存一段時間（10ms）以后再進行。

（二）頻率計的制作與調試

1．所需儀器設備所需儀器設備有示波器、音頻信號發生器、邏輯筆、萬用表、數字集成電路測試儀和直流穩壓電源。

2．參考步驟

1)器件檢測用數字集成電路檢測儀對所要用的IC進行檢測，以確保每個器件完好。如有興趣，也可對LED數碼管進行檢測，檢測方法由自己確定。2)電路連接在自制電路板上將IC插座及各種器件焊接好；裝配時，先焊接IC等小器件，最后固定并焊接變壓器等大器件。電路連接完畢后，先不插IC。

3)電源測試將與變壓器連接的電源插頭插入220V電源，用萬用表檢測穩壓電源的輸出電壓。輸出電壓的正常值應為＋5V。如果輸出電壓不對，應仔細檢查相關電路，消除故障。穩壓電源輸出正常后，接著用示波器檢測產生基準時間的全波整流電路輸出波形。正常情況應觀測到如圖13.5(a)所示波形。

4)基準時間檢測關閉電源后，插上全部IC。依次用示波器檢測由U1(74HC4024)與U3A組成的基準時間計數器與由U2A組成的T′觸發器的輸出波形，并與圖3所示波形對照。如無輸出波形或波形形狀不對，則應對U1、U3,U2各引腳的電平或信號波形進行檢測，消除故障。5)輸入檢測信號從被測信號輸入端輸入幅值在1V左右，頻率為1kHz左右的正弦信號，如果電路正常，數碼管可以顯示被測信號的頻率。如果數碼管沒有顯示，或顯示值明顯偏離輸入信號頻率，則做進一步檢測。

6）輸入放大與整形電路檢測用示波器觀測整形電路U1A(74HC14)的輸出波形。正常情況下，可以觀測到與輸入頻率一致、信號幅值為5V左右的矩形波。

7)控制門檢測檢測控制門U3C（74HC11）輸出信號波形。正常時，每間隔1s時間，可以在熒屏上觀測到被測信號的矩形波。如觀測不到波形，則應檢測控制門的兩個輸入端的信號是否正常,并通過進一步的檢測找到故障電路，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計仍不能正常工作，則檢測計數器電路。8)計數器電路的檢測依次檢測4個計數器74HC4518時鐘端的輸入波形。正常時，相鄰計數器時鐘端的波形頻率依次相差10倍。正常情況時，各電平值或波形應與電路中給出的狀態一致。如頻率關系不一致或波形不正常，則應對計數器和反饋門的各引腳電平與波形進行檢測,通過分析找出原因，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計仍不能正常工作，則檢測鎖存器電路。9)鎖存電路的檢測依次檢測74HC374鎖存器各引腳的電平與波形。正常情況時，各電平值應與電路中給出的狀態一致。其中，第11腳的電平每隔1s跳變一次。如不正常，則應檢查電路，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計仍不能正常工作，則檢測鎖存器電路。

10)顯示譯碼電路與數碼管顯示電路的檢測檢測顯示譯碼器74HC4511各控制端與電源端引腳的電平，同時檢測數碼管各段對應引腳的電平及公共端的電平。通過檢測與分析找出故障。

三、數字電路系統設計與制作的一般方法

（一）數字電路系統設計的一般方法

（二）數字電路系統的安裝與調試

通過對前面兩個具體數字電路系統的設計與制作，我們對數字電路設計有了一定的認識。數字電路系統的設計與教材中討論的組合邏輯電路的設計有較大的區別。組合邏輯電路與一般時序邏輯電路的設計是根據設計任務要求，用真值表、狀態表求出簡化的邏輯表達式，畫出邏輯圖、邏輯電路，用一般的集成門電路或集成觸發器電路來實現。而本章設計的數字電路系統具有復雜的邏輯功能，難以用真值表、邏輯表達式來完整地描述其邏輯功能，用前面介紹的方法來設計，顯然是復雜而困難的。13．4數字電路系統設計與制作的一般方法

利用數字電路硬件描述語言來設計數字系統是目前最先進的方法，但不是本設計主要涉及的內容。從后續課程的要求出發，本設計最關心的問題是通過對各種基本數字電路的認識與了解，利用現有的數字電路器件來設計與實現具有各種復雜邏輯關系的數字系統。下面討論采用這種方法進行數字電路系統設計與制作的一般方法。

（一）數字電路系統設計的一般方法數字電路系統一般包括輸入電路、控制電路、輸出電路、時鐘電路、脈沖產生電路和電源等。輸入電路主要作用是將被控信號加工變換成數字信號，其形式包括各種輸入接口電路。比如在本章設計制作的數字頻率計中，通過輸入電路對微弱信號進行放大、整形，得到數字電路可以處理的數字信號。有些模擬信號則通過模數轉換電路轉換成數字信號再進行處理。在設計輸入電路時，必須首先了解輸入信號的性質，接口的條件，以設計合適的輸入接口電路。

控制電路的功能是將信息加工運算并為系統各部分提供所需的各種控制。比如本章設計制作的多路可編程控制器，其定時器即為一控制電路。正是在它的作用下，計數脈沖才按一定的時間周期（定時器的定時時間）一組一組地送給地址計數器，形成時間控制。在數字頻率計中，從JK觸發器兩個反相輸出端輸出的信號也是控制信號，它既控制了被測信號送至計數器的時間，同時又控制了鎖存器在計數完畢后對數據進行鎖存。

產生這種信號輸出的電路即為控制電路。數字電路系統中，各種邏輯運算、判別電路等，都是控制電路，它們是整個系統的核心。設計控制電路是數字系統設計的最重要的內容，必須充分注意不同信號之間的邏輯性與時序性。

輸出電路是完成系統最后邏輯功能的重要部分。數字電路系統中存在各種各樣的輸出接口電路。其功能可能是發送一組經系統處理的數據，或顯示一組數字，或將數字信號進行轉換，變成模擬輸出信號。比如數字頻率計的顯示譯碼與數碼管電路，多路可編程控制器的并行移位寄存器及驅動電路等，都屬于系統的輸出電路。設計輸出電路，必須注意與負載在電平、信號極性、拖動能力等方面進行匹配。

時鐘電路是數字電路系統中的靈魂，它屬于一種控制電路，整個系統都在它的控制下按一定的規律工作。時鐘電路包括主時鐘振蕩電路及經分頻后形成各種時鐘脈沖的電路。比如多路可編程控制器中的555多諧振蕩電路，數字頻率計中的基準時間形成電路等都屬于時鐘電路。設計時鐘電路，應根據系統的要求首先確定主時鐘的頻率，并注意與其他控制信號結合產生系統所需的各種時鐘脈沖。

電源為整個系統工作提供所需的能源，為各端口提供所需的直流電平。在數字電路系統中，TTL電路對電源電壓要求比較嚴格，電壓值必須在一定范圍內。CMOS電路對電源電壓的要求相對比較寬松。設計電源時，必須注意電源的負載能力，電壓的穩定度及波紋系數等。

顯然，任何復雜的數字電路系統都可以逐步劃分成不同層次、相對獨立的子系統。通過對子系統的邏輯關系、時序等的分析，最后可以選用合適的數字電路器件來實現。將各子系統組合起來，便完成了整個大系統的設計。按照這種由大到小，由整體到局部，再由小到大，由局部到整體的設計方法進行系統設計，就可以避免盲目的拼湊，完成設計任務。

1）消化課題必須充分了解設計要求，明確被設計系統的全部功能、要求及技術指標。熟悉被處理信號與被控制對象的各種參數與特點。

2）確定總體設計方案根據系統邏輯功能畫出系統的原理框圖，將系統分解。確定貫串不同方框間各種信號的邏輯關系與時序關系。方框圖應能簡潔、清晰地表示設計方案的原理。3）繪制單元電路并對單元電路仿真選擇合適的數字器件，用電子CAD軟件繪出各邏輯單元的邏輯電路圖。標注各單元電路輸入輸出信號的波形。原理圖中所用的元件應使用標準標號；電路的排列一般按信號流向由左至右排列；重要的線路放在圖的上方，次要線路放在圖的下方，主電路放在圖的中央位置;當信號通路分開畫時，在分開的兩端必須作出標記，并指出斷開處的引出與引入點。

然后利用電子CAD軟件中的數字電路仿真軟件對電路進行仿真測試，以確定電路是否準確無誤。當電路中采用TTL、CMOS、運放、分立元件等多種器件時，如果采用不同的電源供電，則要注意不同電路之間電平的正確轉換，并繪制出電平轉換電路。4）分析電路可能設計的單元電路不存在任何問題，但組合起來后系統卻不能正常工作，因此，必須充分分析各單元電路，尤其是對控制信號要從邏輯關系、正反極性、時序幾個方面進行深入考慮，確保不存在沖突。在深入分析的基礎上通過對原設計電路的不斷修改，獲得最佳設計方案。

5）完成整體設計在各單元電路完成的基礎上，用電子CAD軟件將各單元電路連接起來，畫出符合軟件要求的整機邏輯電路圖。6）邏輯仿真整體電路設計完畢后，再次在仿真軟件上對整個試驗系統進行邏輯仿真，驗證設計。根據設計任務，設計出一個比較理想的數字電路系統必須經常訓練，反復實踐才能熟練。為使設計盡可能優化，必須對數字電路器件，尤其是中、大規模集成電路器件有比較多的了解。學會查閱數字電路器件手冊，了解不同器件之間的區別。充分明了各器件輸入端、控制端對信號的要求，以及輸出端輸出信號的特點。這些對設計者來說是十分重要的。熟悉電子CAD軟件的使用，對我們的設計十分有幫助。

（二）數字電路系統的安裝與調試數字試驗系統整體電路設計完畢后，還必須通過試驗板的安裝與調試，糾正設計中因考慮不周出現的錯誤或不足。檢測出實際系統正常運行的各項技術指標、參數、工作狀態、輸出驅動情況、動作情況與邏輯功能。因此，系統裝調工作是驗證理論設計，進一步修正設計方案的重要實踐過程。具體可按如下步驟進行。1）制作PCB

如果整體電路是利用電子CAD軟件按其要求繪制的，則可以利用該軟件繪制PCB圖，制作出印刷電路板。采用PCB制作數字電路系統可以保證試驗系統工作可靠，減少不必要的差錯，大大節省電路試驗時間。

2）檢測器件在將器件安裝到PCB上之前，對所選用的器件進行測試是十分有必要的，它可以減少因器件原因造成的電路故障，縮短工作時間。3）安裝元器件將各種器件安裝到PCB上是一件不太困難的工作。安裝時，集成電路最好通過插座與電路板連接，這便于不小心損壞器件后進行更換。數字電路的布線一般比較緊密、焊點較小，在焊接過程中注意不要出現掛錫或虛焊。

4）電路調試電路的調試可分兩步來進行，一是單元電路的調試，然后是總調。只有通過調試使單元電路到達預定要求，總調才能順利進行。調試時應注意：

（1）充分理解電路的工作原理和電路結構，對電路輸入輸出量之間的邏輯關系，正常情況下信號的電平、波形、頻率等做到心中有數。據此設計出科學的調試方法，包括選用的儀器設備，調試的步驟、每個步驟中檢測的部位、如何人為設置電路工作狀態進行測試等。（2）可以先進行靜態測量，確定IC的電源、地、控制端的靜態電平等直流工作狀態是否正常后再進行動態測量，如果電路裝配工藝比較好，也可以在動態測量發現問題后再進行靜態測量。進行靜、動態測量時應盡量保證測試條件與電路的實際工作狀態相吻合。

（3）在尋找故障時，可以按信號的流程對電路進行逐級測量，或由前往后,或由后向前；也可以根據電路的特點從關鍵部位入手進行；或根據通電連接后系統的工作狀態直接從電路的某一部分著手進行。（4）明確每次測量的意義，要了解什么，希望解決什么問題，一定要做到心中有數。從測量中掌握的各種數據、現象、觀測到的信號波形等入手，通過分析、試驗（調整）再開始新的測量,如此循環往復進行，就可以發現與排除故障，達到預定的設計目標。

（5）在對電路進行檢測、試驗或調整的過程中，應掌握一些實用的檢測方法，如對換法（將檢測好的器件或電路代替懷疑有故障的器件或電路）、對比法（通過測量將故障電路與正常電路的狀態、參數等進行逐項對比）、對分法（把有故障的電路根據邏輯關系分成兩部分，確定是哪一部分有問題，然后再對有故障的電路再次對分，直至找到故障所在）、信號注入法（根據電路的邏輯關系，人為設置輸入端口電平或注入數字信號，觀測電路的響應，判斷故障所在）、信號尋跡法（從信號的流向入手，通過在電路中跟蹤尋找信號，找出故障所在）。

在數字電路中，由于不存在大功率、大電流、高電壓的工作狀態，電路故障一般都是裝配過程中出現的掛錫、虛焊、元件插錯等原因造成的，除非IC插反了方向或電源接錯了極性，一般情況下，有源器件損壞的可能性較小。

5）歸納總結當電路能夠正常工作以后，應將測試的數據、波形、計算結果等原始數據歸納保存，以備以后查閱。最后編寫總結報告。總結報告應對本設計的特點、所采用的設計技巧、存在的問題、解決的方法、電路的最后形式、電路達到的技術指標等進行必要的分析與闡述。四、小結

學會采用各種中、大規模數字電路集成器件設計數字電路系統，是本課程設計的首要任務。我們設計