数字电子技术课程设计集锦文档格式.docx
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2.单元电路的设计
2.1设计单元电路的一般方法和步骤
A.
根据设计要求和选定的总体方案原理图，确定对各单元电路的设计要求，必要时应详细拟定主要单元电路的性能指标。
B.
拟定出各单元电路的要求后，对它们进行设计。
C.单元电路设计应采用符合的电平标准。
2.2元器件的选择
针对数字电路的课程设计，在搭建单元电路时，对于特定功能单元选择主要集成块的余地较小。
比如时钟电路选555，转换电路选0809，译码及显示驱动电路也都相对固定。
但由于电路参数要求不同，还需要通过选择参数来确定集成块型号。
一个电路设计，单用数字电路课程内容是不够的，往往同时掺有线性电路元件和集成块，因此还需对相应内容熟悉，比如运算放大器的种类和基本用法，集成比较器和集成稳压电路的特性和用法。
总之，构建单元电路时，选择器件的电平标准和电流特性很重要。
普通的门电路、时序逻辑电路、组合逻辑电路、脉冲产生电路、数模和模数转换电路、采样和存储电路等，参数选择恰当可以发挥其性能并节约设计成本。
单元电路设计过程中，阻容元件的选择也很关键。
它们的种类繁多，性能各异。
优选的电阻和电容辅助于数字电路的设计可以使其功能多样化、完整化。
3.单元电路调整与连调
数字电路设计以逻辑关系为主体，因此各单元电路的输入输出逻辑关系与它们之间的正确传递决定了设计内容的成败。
具体步骤要求每一个单元电路都须经过调整，有条件情况下可应用逻辑分析仪进行测试，确保单元正确。
各单元之间的匹配连接是设计的最后步骤，主要包含两方面，分别是电平匹配和驱动电流匹配。
它也是整个设计成功的关键一步。
4.衡量设计的标准
工作稳定可靠；
能达到预定的性能指标，并留有适当的余量；
电路简单，成本低，功耗低；
器件数目少，集成体积小，便于生产和维护。
五、课程设计报告要求
课程设计报告应包括以下内容：
1.对设计课题进行简要阐述。
2.设计任务及其具体要求。
3.总体设计方案方框图及各部分电路设计（含各部分电路
功能、输入信号、输出信号、电路设计原理图及其功能阐述、所选用的集成电路器件等）。
4.整机电路图（电路图应用标准逻辑符号绘制，电路图中
应标明接线引出端名称、元件编号等）。
5.器件清单。
6.调试结果记录。
7.总结与体会。
课程设计报告应内容完整、字迹工整、图表整齐、数据详实。
课题一数字电子钟逻辑电路设计
一、简述
数字电子钟是一种用数字显示秒、分、时、日的计时装置，与传统的机械钟相比，它具有走时准确，显示直观、无机械传动装置等优点，因而得到了广泛的应用。
小到人们日常生活中的电子手表，大到车站、码头、机场等公共场所的大型数显电子钟。
数字电子钟的电路组成方框图如图1.1所示。
图1.1数字电子钟框图
由图1.1可见，数字电子钟由以下几部分组成：
石英晶体振荡器和分频器组成的秒脉冲发生器；
校时电路；
六十进制秒、分计数器，二十四进制（或十二进制）计时计数器；
秒、分、时的译码显示部分等。
二、设计任务和要求
用中、小规模集成电路设计一台能显示日、时、分、秒的数字电子钟，要求如下：
1.由晶振电路产生1Hz标准秒信号。
2.秒、分为00～59六十进制计数器。
3.时为00～23二十四进制计数器。
4.周显示从1～日为七进制计数器。
5.可手动校时：
能分别进行秒、分、时、日的校时。
只要将开关置于手动位置，可分别对秒、分、时、日进行手动脉冲输入调整或连续脉冲输入的校正。
6.整点报时。
整点报时电路要求在每个整点前呜叫五次低音（500Hz），整点时再呜叫一次高音（1000Hz）。
三、可选用器材
1.通用实验底板
2.直流稳压电源
3.集成电路：
CD4060、74LS74、74LS161、74LS248及门电路
4.晶振：
32768Hz
5.电容：
100μF/16V、22pF、3～22pF之间
6.电阻：
200Ω、10KΩ、22MΩ
7.电位器：
2.2KΩ或4.7KΩ
8.数显：
共阴显示器LC5011-11
9.开关：
单次按键
10.三极管：
8050
11.喇叭：
1W/4，8Ω
四、设计方案提示
根据设计任务和要求，对照数字电子钟的框图，可以分以下几部分进行模块化设计。
1.秒脉冲发生器
脉冲发生器是数字钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量，通常用晶体振荡器发出的脉冲经过整形、分频获得1Hz的秒脉冲。
如晶振为32768Hz，通过15次二分频后可获得1Hz的脉冲输出，电路图如图1.2所示。
图1.2秒脉冲发生器
2.计数译码显示
秒、分、时、日分别为60、60、24、7进制计数器、秒、分均为60进制，即显示00～59，它们的个位为十进制，十位为六进制。
时为二十四进制计数器，显示为00～23，个位仍为十进制，而十位为三进制，但当十进位计到2，而个位计到4时清零，就为二十四进制了。
周为七进制数，按人们一般的概念一周的显示日期“日、1、2、3、4、5、6”，所以我们设计这个七进制计数器，应根据译码显示器的状态表来进行，如表1.1所示。
按表1.1状态表不难设计出“日”计数器的电路（日用数字8代替）。
所有计数器的译码显示均采用BCD—七段译码器，显示器采用共阴或共阳的显示器。
Q4Q3Q2Q1
显示
1000
日
0001
1
0010
2
0011
3
0100
4
0101
5
0110
6
表1.1状态表
3.校时电路
在刚刚开机接通电源时，由于日、时、分、秒为任意值，所以，需要进行调整。
置开关在手动位置，分别对时、分、秒、日进行单独计数，计数脉冲由单次脉冲或连续脉冲输入。
4.整点报时电路
当时计数器在每次计到整点前六秒时，需要报时，这可用译码电路来解决。
即
当分为59时，则秒在计数计到54时，输出一延时高电平去打开低音与门，使报时声按500Hz频率呜叫5声，直至秒计数器计到58时，结束这高电平脉冲；
当秒计数到59时，则去驱动高音1KHz频率输出而鸣叫1声。
五、参考电路
数字电子钟逻辑电路参考图如图1.3所示。
图1.3数字电子钟逻辑电路参考图
六、参考电路简要说明
1.秒脉冲电路
由晶振32768Hz经14分频器分频为2Hz，再经一次分频，即得1Hz标准秒脉冲，供时钟计数器用。
2.单次脉冲、连续脉冲
这主要是供手动校时用。
若开关K1打在单次端，要调整日、时、分、秒即可按单次脉冲进行校正。
如K1在单次，K2在手动，则此时按动单次脉冲键，使周计数器从星期1到星期日计数。
若开关K1处于连续端，则校正时，不需要按动单次脉冲，即可进行校正。
单次、连续脉冲均由门电路构成。
3.秒、分、时、日计数器
这一部分电路均使用中规模集成电路74LS161实现秒、分、时的计数，其中秒、分为六十进制，时为二十四进制。
从图3中可以发现秒、分两组计数器完全相同。
当计数到59时，再来一个脉冲变成00，然后再重新开始计数。
图中利用“异步清零”反馈到/CR端，而实现个位十进制，十位六进制的功能。
时计数器为二十四进制，当开始计数时，个位按十进制计数，当计到23时，这时再来一个脉冲，应该回到“零”。
所以，这里必须使个位既能完成十进制计数，又能在高低位满足“23”这一数字后，时计数器清零，图中采用了十位的“2”和个位的“4”相与非后再清零。
对于日计数器电路，它是由四个D触发器组成的（也可以用JK触发器），其逻辑功能满足了表1，即当计数器计到6后，再来一个脉冲，用7的瞬态将Q4、Q3、Q2、Q1置数，即为“1000”，从而显示“日”（8）。
4．译码、显示
译码、显示很简单，采用共阴极LED数码管LC5011-11和译码器74LS248，当然也可用共阳数码管和译码器。
5.整点报时
当计数到整点的前6秒钟，此时应该准备报时。
图3中，当分计到59分时，
将分触发器QH置1，而等到秒计数到54秒时，将秒触发器QL置1，然后通过QL与QH相与后再和1s标准秒信号相与而去控制低音喇叭呜叫，直至59秒时，产生一个复位信号，使QL清0，停止低音呜叫，同时59秒信号的反相又和QH相与后去控制高音喇叭呜叫。
当计到分、秒从59：
59—00：
00时，呜叫结束，完成整点报时。
6.呜叫电路
呜叫电路由高、低两种频率通过或门去驱动一个三极管，带动喇叭呜叫。
1KHz
和500Hz从晶振分频器近似获得。
如图中CD4060分频器的输出端Q5和Q6。
Q5输出频率为1024Hz，Q6输出频率为512Hz。
课题二智力竞赛抢答器逻辑电路设计
智力竞赛是一种生动活泼的教育形式和方法，通过抢答和必答两种方式能引起参赛者和观众的极大兴趣，并且能在极短的时间内，使人们增加一些科学知识和生活知识。
实际进行智力竞赛时，一般分为若干组，各组对主持人提出的问题，分必答和抢答两种。
必答有时间限制，到时要告警，回答问题正确与否，由主持人判别加分还是减分，成绩评定结果要用电子装置显示。
抢答时，要判定哪组优先，并予以指示和鸣叫。
因此，要完成以上智力竞赛抢答器逻辑功能的数字逻辑控制系统，至少应包括以下几个部分。
1.计分、显示部分；
2.判别选组控制部分；
3.定时电路和音响部分。
用TTL或CMOS集成电路设计智力竞赛抢答器逻辑控制电路，具体要求如下：
1.抢答组数为4组，输入抢答信号的控制电路应由无抖动开关来实现。
2.判别选组电路。
能迅速、准确地判处抢答者，同时能排除其它组的干扰信号，闭锁其它各路输入使其它组再按开关时失去作用，并能对抢中者有光、声显示和呜叫指示。
3.计数、显示电路。
每组有三位十进制计分显示电路，能进行加/减计分。
4.定时及音响。
必答时，启动定时灯亮，以示开始，当时间到要发出单音调“嘟”声，并熄灭指示灯。
抢答时，当抢答开始后，指示灯应闪亮。
当有某组抢答时，指示灯灭，最先抢答一组的灯亮，并发出音响。
也可以驱动组别数字显示（用数码管显示）。
回答问题的时间应可调整，分别为10s、20s、50s、60s或稍长些。
4.主持人应有复位按钮。
抢答和必答定时应有手动控制。
74LS190、74LS48、CD4043、74LS112及门电路
4.显示器：
LCD5011-11、CL002、发光二极管
5.拨码开关（8421码）
6.阻容元件、电位器
7.喇叭、开关等
1.复位和抢答开关输入防抖电路，可采用加吸收电容或RS触发器电路来完成。
2.判别选组实现的方法可以用触发器和组合电路完成，也可用一些特殊器件组成。
例如用MC14599或CD4099八路可寻址输出锁存器来实现。
3.计数显示电路可用8421码拨码开关译码电路显示。
8421码拨码开关能进行加或减计数。
也可用加/减计数器（如74LS193）来组成。
译码、显示用共阴或共阳组件，也可用CL002译码显示器。
4.定时电路。
当有开关启动定时器时，使定时计数器按减计数或加计数方式进行工作，并使一指示灯亮，当定时时间到，输出一脉冲，驱动音响电路工作，并使指示灯灭。
根据智力竞赛抢答器的设计任务和要求，其逻辑参考电路如下图所示。
图2.1四组智力竞赛抢答器逻辑控制电路参考图
图2.1为四组智力竞赛抢答器逻辑控制电路参考图，若要增加组数，则需要把计分显示部分增加即可。
1.计分部分
每组均由8421码拨码开关KS-1，完成分数的增和减，每
组为三位，个、十、百位，每位可以单独进行加减。
例如：
100分加10分变为110分，只需按动拨码开关十位“+”号一次；
若加“20”分，只要按动“+”号两次。
若减分，方法相同，即按动“－”号就能完成减数计分。
顺便提一下，计分电路也可以用电子开关或集成加、减法计数器来组合完成。
2.判组电路
这部分电路由RS触发器完成，CD4043为三态RS锁存触
发器，当S1按下时，Q1为1，这时或非门74LS25为低电平，封锁了其它组的输入。
Q1为1，使发光管D1发亮，同时也驱动音响电路呜叫，实现声、光的指示。
输入端采用了阻容方法，以防止开关抖动。
3.定时电路
当进行抢答或必答时，主持人按动单次脉冲起动开关，使
定时数据置入计数器，同时使JK触发器翻转（Q=1），定时器进行减计数定时，定时开始，定时指示灯亮。
当定时时间到，即减法计数器为“00”时，Bo为“1”，定时结束，这时去控制音响电路呜叫，并灭掉指示灯（JK触发器的/Q=1，Q=0）。
定时显示用CL002，定时的时标脉冲为“秒”脉冲。
4.音响电路
音响电路中，f1和f2为两种不同的音响频率，当某组抢答
时，应为多音，其时序应为间断音频输出。
当定时到，应为单音，其时序应为单音频输出，时序如图2.2所示。
图2.2音频时序波形图
课题三交通灯控制逻辑电路设计
为了确保十字路口的车辆顺利、畅通地通过，往往都采用自动控制的交通信号灯来进行指挥。
其中红灯（R）亮表示该条道路禁止通行；
黄灯（Y）亮表示停车；
绿灯（G）亮表示允许通行。
交通灯控制器的系统框图如图3.1所示。
图3.1交通灯控制器系统框图
设计一个十字路口交通信号灯控制器，其要求如下：
1.满足如图3.2顺序工作流程。
图中设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR、NSY、NSG，东西方向的红、
黄、绿灯分别为EWR、EWY、EWG。
它们的工作方式，有些必须是并行进行的，即南北方向绿灯亮，东西方向红
灯亮；
南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮；
南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮；
南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮。
图3.2交通灯顺序工作流程图
2.应满足两个方向的工作时序：
即东西方向亮红灯时间应等于南北方向亮黄、绿灯时间之和，南北方向亮红灯时间应等于东西方向亮黄、绿灯时间之和。
时序工作流程图见图3.3所示。
图3.3中，假设每个单位时间为3秒，则南北、东西方向绿、黄、红灯亮时间分别为15秒、3秒、18秒，一次循环为36秒。
其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时间之和，黄灯是间歇闪耀。
图3.3交通灯时序工作流程图
3.十字路口要有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。
具体为：
当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1计数方式工作，直至减到数为“0”，十字路口红、绿等交换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。
当南北方向从红灯转换成绿灯时，置南北方向数字显示为18，并使数显计数器开始减“1”计数，当减到绿灯灭而黄灯亮（闪耀）时，数显得值应为3，当减到“0”时，此时黄灯灭，而南北方向的红灯亮；
同时，使得东西方向的绿灯亮，并置东西方向的数显为18。
4.可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀。
5.在完成上述任务后，可以对电路进行以下几方面的电路改进或扩展。
（1）在某一方向（如南北）为十字路口主干道，另一方向（如东西）为次干道；
主干道由于车辆、行人多，而次干道的车辆、行人少，所以主干道绿灯亮的时间可以选定为次干道绿灯亮时间的2倍或3倍。
（2）用LED发光二极管模拟汽车行驶电路。
当某一方向绿灯亮时，这一方向的发光二极管接通，并一个一个向前移动，表示汽车在行驶；
当遇到黄灯亮时，移位发光二极管就停止，而过了十字路口的移位发光二极管继续向前移动；
红灯亮时，则另一方向转为绿灯亮，那么，这一方向的LED发光二极管就开始移位（表示这一方向的车辆行驶）。
3.交通信号灯及汽车模拟装置
4.集成电路：
74LS74、74LS164、74LS168、74LS248及门电路
5.显示：
LC5011-11，发光二极管
6.电阻
7.开关
根据设计任务和要求，参考交通灯控制器的逻辑电路主要框图3.1，设计方案可以从以下几部分进行考虑。
1.秒脉冲和分频器
因十字路口每个方向绿、黄、红灯所亮时间比例分别为5:
1:
6，所以，若选4
秒（也可以3秒）为一单位时间，则计数器每计4秒输出一个脉冲。
这一电路就很容易实现，逻辑电路参考前面有关课题。
2.交通灯控制器
由波形图可知，计数器每次工作循环周期为12，所以可以选用12进制计数器。
计数器可以用单触发器组成，也可以用中规模集成计数器。
这里我们选用中规模74LS164八位移位寄存器组成扭环形12进制计数器。
扭环形计数器的状态表如表3.1所示。
表3.1状态表
t
计数器输出
南北方向
东西方向
Q0Q1Q2Q3Q4Q5
NSGNSYNSR
EWGEWYEWR
7
8
9
10
11
000000
100000
111000
111100
111110
111111
011111
001111
000111
000011
000001
100
00
001
根据状态表，我们不难列出东西方向和南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式：
东西方向绿：
黄：
红：
南北方向绿：
由于黄灯要求闪耀几次，所以用时标1s和EWY或NSY黄灯信号相“与”即可。
3.显示控制部分
显示控制部分实际上是一个定时控制电路。
当绿灯亮时，使减法计数器开始工作（用对方的红灯信号控制），每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器为“0”而停止。
译码显示可用74LS248BCD码七段译码器，显示器用LC5011-11共阴极LED显示器，计数器材用可预置加、减法计数器，如74LS168、74LS193等。
3.手动/自动控制，夜间控制
这可用一选择开关进行。
置开关在手动位置，输入单次脉冲，可使交通灯在某
一位置上，开关在自动位置时，则交通信号灯按自动循环工作方式运行。
夜间时，将夜间开关接通，黄灯闪亮。
4.汽车模拟运行控制
用移位寄存器组成汽车模拟控制系统，即当某一方向绿灯亮时，则绿灯亮“G”
信号使该路方向的移位通路打开，而当黄、红灯亮时，则使该方向的移位停止。
如图3.4所示，为南北方向汽车模拟控制电路。
图3.4汽车模拟控制电路
根据设计任务和要求，交通信号灯控制器参考电路，如图3.5所示。
1.单次手动及脉冲电路
单次脉冲是由两个与非门组成的RS触发器产生的，当按下K1时，有一个脉冲输出使74LS164移位计数，实现手动控制。
K2在自动位置时，由秒脉冲电路经分频后（4分频）输入给74LS164，这样，74LS164为每4秒向前移一位（计数1次）。
秒脉冲电路可用晶振或RC振荡电路构成。
图3.5交通信号灯控制器参考电路
2.控制器部分
它由74LS164组成扭环形计数器，然后经译码后输出十字路口南北、东西两
个方向的控制信号。
其中黄灯信号必须满足闪耀，并在夜间时，使黄灯闪亮，而绿、红灯灭。
3.数字显示部分
当南北方向绿灯亮，而东西方向红灯亮时，使南北方向的74LS168以减法计
数器方式工作，从数字“24”开始往下减，当减到“0”时，南北方向绿灯灭，红灯亮，而东西方向红灯灭，绿灯亮。
由于东西方向红灯灭信号（EWR：
0）使与门关断，减法计数器工作结束，而南北方向红灯亮使另一方向——东西方向减法计数器开始工作。
在减法计数开始之前，由黄灯亮信号使减法计数器先置入数据，图中接入U/
和
的信号就是由黄灯亮（为高电平）时，置入数据。
黄灯灭（Y=0）而红灯亮（R=1）开始减计数。
4.汽车模拟控制电路
这一部分电路参考图4。
当黄灯（Y）或红灯（R）亮时，则这端为高（H）电
平，在CP移位脉冲作用下，而向前移位，高电平“H”从QH一直移到QA（图中74LS164-1）由于绿灯在红灯和黄灯位高电平时，它为低电平，所以74LS164-1QA的信号就不能送到74LS164-2移位寄存器的RI端。
这样，就模拟了当黄、红灯亮时汽车停止的功能。
而当绿灯亮，黄、红灯灭（G=1，R=0，Y=0）时，74LS164-1、74LS164-2都能在CP移位脉冲作用下向前移位。
这就意味着绿灯亮时汽车向前运行这一功能。
要说明一点，交通灯控制
升级会员 