数电课程设计指导书.docx
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数电课程设计指导书
数字电子技术课程设计指导
西安理工大学自动化学院
三电中心.电子学
本课程设计的基本任务
本课程设计的基本任务,是着重提高学生在数字集成电路应用方面的实践技能,基本了解数字系统设计的一般方法。
树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风,并培养学生具有一定的生产观点、经济观点、全面观点及团结协作的精神。
培养学生综合运用理论知识分析和解决实际问题的能力。
学生通过电路设计、安装、调试、整理资料等环节,初步掌握工程设计方法和组织实践的基本技能,逐步熟悉开展科学实践的程序和方法。
§1进行数字课程设计的一般步骤
●分析确定任务
确定应用系统的功能指标和技术参数,这是系统设计的起点和依据,它将贯穿于系统设计的全过程,必须认真做好这个工作,在确定任务的阶段中必须明确。
1.本应用系统需要达到的主要目标是什么,有多少个回路,有几个参数需要进行检测和控制?
检测和控制的精度为多少?
2.本应用系统有多少输入信号和输出信号?
输入信号的形式和电压等级及变化频率情况,输出信号的形式,电压等级和驱动功率有何要求?
3.本应用系统的工作环境情况如:
温度、湿度、供电质量、电磁干扰等,是否需要采用特殊的安全保护和抗干扰措施。
4.本应用系统的经济指标,特别是对新产品的开发,应当综合考虑成本,可靠性,可维护性以及经济效益和社会效益,参考国内外同类产品的资料,提出比较合理的技术指标,使所开发的产品具有最佳的性能价格比。
●理论设计(自顶而下)
1.认真分析设计任务,通过调查研究,查阅资料来初定系统结构的总体方案;
2.进行总体功能设计,划分功能模块,画出总体设计框图,注明各单元电路间接口信号,并画出一些重要控制信号的时序图;
3.按照设计要求,具体分析每个模块的逻辑,选用合适的器件和集成电路,设计出具体逻辑电路;
4.可以利用计算机,对相关电路进行必要的仿真,修改并完善理论设计。
●实验调试并验证(之下而上)
按设计原理图,之下而上进行实际的接线调试。
并解决调试过程中的问题,提出修改方案,并验证。
1.单元电路整体布局,规划器件位置。
尽量统一信号流向,以接线方便,连线短为原则。
含有模拟信号的芯片尽量与数字芯片保持较大的距离;
2.根据各个单元电路的特点,合理安排电源和接地方法,减小接地噪声,确保可靠连接;
3.分别调试各个单元电路,标记重要的单元电路输入输出引线;
4.按照系统结构,逐级连接单元电路,进行系统联调。
●总结撰写课程设计报告
当电路能够正常工作以后,应将测试的数据、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。
●验收
由指导教师进行评价。
成绩评定方法
课程设计成绩分三个部分评定:
方案设计、软硬件调试过程和设计报告,按3:
4:
3评定成绩。
按百分制评定最终成绩。
评分标准如下:
1、方案设计在能够体现题目功能,硬件原理图正确、代码设计合理的前提下,教师对学生的设计水平、难易程度、实现方法进行评价。
2、调试过程中教师巡回检查辅导,了解每个学生的工作情况。
每组调试结束后经指导教师检查,对其实验方法、结果、元器件及设备的完好情况综合评价。
3、设计报告按规定要求撰写,要求材料齐全,叙述清楚,书写整洁,层次清晰。
插图和照片应比例适当,清楚美观;插图应标明图序和图题。
4、总评成绩=理论设计成绩×0.3+调试过程成绩×0.4+报告成绩×0.3
§2理论设计实例(数字钟的设计为例)
2.总体设计原理
总体设计框图如下:
3.各模块具体设计
a)振荡器和分频器
CC4060是14位行波计数器,并含有内部振荡器,仅需要外接几个电阻电容即可以实现振荡,而14位行波计数器可提供14级分频输出。
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要求:
CT>100pF(选CT=200pF)
Rs>>RT(选200~300kΩ)
取RT=20~30kΩ
f0=1/(2.2RTCT)≈16384Hz
因此:
PS=fQ14=2-14f0=1Hz
P2S=fQ13=2-13f0=2Hz
VL=fQ5=2-5f0=512Hz
VH=fQ4=2-4f0=1024Hz
FED
+5VABC
计数器
1)六十进制计数器
“0”“1”
2)二十四进制计数器
“1”“1”
b)校时电路
CC4017主要用来产生校时脉冲控制信号,
CLK:
时钟
ENA:
时钟允许控制,ENA=1禁止时钟输入
RST:
复位,RST=1时复位,即:
Q0=1,其他为0
再正常工作时部分时序波形如下:
CLK
RST
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
利用Q4产生复位信号,接到RST上,构成四个循环脉冲,分别用做校时(JS)、校分(JF)、校秒(JM)控制信号。
具体的方法是用于控制计数器的记数脉冲,如下图所示:
方法一:
校准信号(PS)
校准控制信号
校准输出到
计数器CP端
正常计时信号(进位信号)
方法二:
用于复位低端计数器
校准信号(PS)
校准控制信号校准输出
正常计时信号(进位信号)
方法三:
校准信号(PS)
校准控制信号
校准输出
4017的Q0作校准锁
正常计时信号(进位信号)
接线图:
JL
JS
JF
JM
4、报时电路
因为是整点报时,按要求应在59分50秒开始,在到正点的最后十秒内,凡偶数秒不响,而奇数秒响,且59’59”响高音。
所以,把59’50”的译码输出作为报时开关;
把秒的最低位Q1A作为声音开关;
把秒的Q1D作为高低音开关。
可以得到报时译码电路:
“分”十位
“分”个位
“秒”十位
“秒”个位
(发声)输出
Q4DQ4CQ4BQ4A
Q3DQ3CQ3BQ3A
Q2DQ2CQ2BQ2A
Q1DQ1CQ1BQ1A
YB
0101(5)
1001(9)
0101(5)
0000
0001
1
0010
0011
1
0100
0101
1
0110
0111
1
1000
1001
1
YB=Q4CQ4AQ3DQ3AQ2CQ2AQ1A=Q4CQ4AQ3DQ3A·Q2CQ2AQ1A
高低音选择真值表:
VH(1024Hz)
VL(512Hz)
YB
Q1D
RING
×
×
0
×
0
×
VL
1
0
VL
VH
×
1
1
VH
RING=VLYBQ1D+VHYBQ1D
=VLYBQ1D·VHYBQ1D
Q4CQ4AQ3DQ3AQ2CQ2A
YB
Q1A
VL
Q1DRING
VH
§3可选课程设计题目
题目一:
数字式电子钟的设计
一、简要说明:
利用数字电路的理论和知识进行设计,一般应具有时分秒计时功能,同时可以进行时间的调整;定点报时等。
二、设计任务和基本要求:
设计数字式电子钟,基本要求如下:
设计一个时分秒计数器,并具有译码显示。
其中时为24进制,分秒为60进制。
三、提高要求:
1、设计时钟脉冲信号产生电路,要求产生1Hz,2Hz,512Hz,1024Hz的脉冲信号。
2、设计一个电路实现时分秒校准功能。
3、设计一个电路实现整点报时功能,要求报时声响四低一高,报时声响持续一秒,间隔一秒,最后一向结束为整点。
四、指导性框图:
题目二:
数字频率计设计
一、简要说明:
利用数字电路的理论和知识进行设计,参照一般频率计功能设计。
二、设计任务和基本要求:
设计一个数字频率计,该频率计可以测量正弦波,方波,三角波等交流信号的频率,
基本要求:
实现下列技术指标:
1.测量范围;1Hz~1999Hz,固定小数点。
2.分辨率:
1Hz
3.显示方式:
三位LED数码管显示
4.工作模式:
计数 显示 清零…依次循环。
三、提高要求:
1将固定小数点改为浮动小数点
2用三位LED数码管显示1Hz~999KHz。
四、指导性框图:
题目三:
多功能彩灯控制器设计
一、简要说明:
利用数字电路的理论和知识进行设计,八个一组的彩灯按照多种不同的方式显示,组成不同的视觉效果。
二、设计任务和基本要求:
设计一个循环可预置序列发生器,并用于控制彩灯的循环显示。
不同的预置产生不同的效果。
基本要求:
实现循环序列发生器和彩灯控制电路,使得彩灯按一定的规律循环显示。
假定循环规律为:
L1——L8的状态是00001111(0表示灭,1表示亮),每隔一秒灯L1——L8的状态依次左移一位,即:
L1
L8
L7
L6
L5
L4
L3
L2
设计控制电路,可自动预置4种不同的初状态,每隔64秒改变一种,并在这四种初状态循环,使得彩灯定时改变显示的效果。
假定四种不同的初状态为:
00001111,00010001,00110011,01110111
三、提高要求
1 加手动方向效果控制,可使彩灯按正反两个方向移动显示
2 实现自动方向控制:
当按左移方向显示自动预置的全部4种状态效果后,再按右移方向显示一次,如此循环。
3自备工作时钟。
四、指导性框图:
题目四:
交通灯控制电路设计
一、简要说明:
利用数字电路的理论和知识进行设计,交通灯控制一般要有两个路口协调工作,同时可以相关的时间。
二、设计任务和基本要求:
设计十字路口(东西—南北)交通指挥控制器,控制两路口方向的红、黄、绿三种交通灯,并用数字指示通停时间。
技术指标有:
1 东西停,南北行——东西红灯亮,南北绿灯亮 30S
2 东西停,南北转行——东西红灯亮,南北绿、黄灯亮 5S
3 东西行,南北停——东西绿灯亮,南北红灯亮 30S
4 东西转行,南北停——东西绿、黄灯亮,南北红灯亮 5S
基本要求
完成东西、南北两个方向的交通灯控制电路设计,要满足时间要求。
三、提高要求
1设计时间显示电路,要求用两位显示两方向的通、停时间。
(注:
时间数字显示为倒时方式)
2自备工作时钟
四、指导性框图:
§4几种集成电路简介
1、4060
CC4060是14位行波计数器,并含有内部振荡器,仅需要外接几个电阻电容即可以实现振荡,而14位行波计数器可提供14级分频输出。
121110987523
要求:
CT>100pF(选CT=200pF)
Rs>>RT(选200~300kΩ)
取RT=20~30kΩ
f0=1/(2.2RTCT)≈16384Hz
因此:
PS=fQ14=2-14f0=1Hz
P2S=fQ13=2-13f0=2Hz
VL=fQ5=2-5f0=512Hz
VH=fQ4=2-4f0=1024Hz
由于驱动能力不够,加CC4050驱动。
CC4050引脚如下:
2、4017
CC4017主要用来产生校时脉冲控制信号,是十进制顺序脉冲发生器。
CLK:
时钟
ENA:
时钟允许控制,ENA=1禁止时钟输入
RST:
复位,RST=1时复位,即:
Q0=1,其他为0
再正常工作时部分时序波形如下:
CLK
RST
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
利用Q4产生复位信号,接到RST上,构成四个循环脉冲,可用做校时(JS)、校分(JF)、校秒(JM)控制信号,或用作其他电路的选通控制。
§5可选用的组件:
74LS00(四2输入与非门)
74LS08(四2输入与门)
74LS20(二4输入与非门)
74LS04(六反相器)
74LS92(二、六、十二分频计数器)
74LS192(BCD十进制加减计数器)
74LS160(同步BCD十进制加计数器)
74LS248或CC4511(显示译码器)
74HC4060或CC4060(14位行波计数器)
74HC4050或CC4050(六同相缓冲器)
74HC4017或CC4017(十进制译码输出计数器)
§6课程设计任务要求
一、每个班级有四个可选的设计题目,以学生自愿与平衡的原则,分配题目。
并登记组号;
二、课程设计分为三个阶段,时间周期为一周。
第一阶段为理论设计阶段,三天时间,指导教师负责指导和答疑。
第二阶段是实际接线调试,时间二到三天,指导教师现场指导。
第三阶段是撰写设计报告,总结设计成果。
三、下达任务后,认真做好理论设计,进入实验室以前,要有理论设计图。
经指导教师检查后进行调试。
否则不能进入实验室进行调试。
四、调试期间要遵守实验室守则,注意衣着整洁、不准穿拖鞋。
不得擅自离开实验室。
五、按下列要求作好课程设计报告:
1.设计任务及要求。
2.总体设计思路及功能描述(附框图)。
3.各部分电路具体设计方案详细说明及原理图。
4.调试的步骤及调试过程中出现的问题以及解决方法。
5.设计心得体会。
6.总图一张(用坐标纸画)。
7.元件清单。
8.参考文献。
六、成绩评定方法
课程设计成绩分三个部分评定:
方案设计、软硬件调试过程和设计报告,按3:
4:
3评定成绩。
按百分制评定最终成绩。
评分标准如下:
1、方案设计在能够体现题目功能,硬件原理图正确、代码设计合理的前提下,教师对学生的设计水平、难易程度、实现方法进行评价。
2、调试过程中教师巡回检查辅导,了解每个学生的工作情况。
每组调试结束后经指导教师检查,对其实验方法、结果、元器件及设备的完好情况综合评价。
3、设计报告按规定要求撰写,要求材料齐全,叙述清楚,书写整洁,层次清晰。
插图和照片应比例适当,清楚美观;插图应标明图序和图题。