数字电子技术课程设计指导书.docx
《数字电子技术课程设计指导书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电子技术课程设计指导书.docx（23页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
数字电子技术课程设计指导书
数字电子技术
课程设计指导书
信息工程系自动化教研室
2016.11
一、 课程设计目标
本课程设计是《数字电子技术》课程非常必要的实践训练环节，主要在实验室完成。
课程设计的主要任务是使学生在学完了《数字电子技术》课程的基本理论，基本知识并完成了大纲规定的基本实验后，培养学生综合运用所学理论知识、拓宽知识面，系统地进行数字电子电路工程设计的能力。
课程设计应使学生学会电子系统设计的基本设计方法，包括：
方案选择、框图的绘制、单元电路的设计、参数的计算和元器件的选择、电子电路的组装与电路的调试、检查电路的故障与排除故障的一般方法等。
要求学生先确定设计方案与电路参数，并达到设计要求后，再到实验室进行实际组装、调试。
通过该课程设计，达到巩固同学们的所学的基本理论、基本知识，锻炼学生的实际动手能力，培养工程师所必须的基本技能，提高分析问题和解决问题的能力，为后续课程的学习、各类电子设计竞赛、毕业设计等打下良好的基础。
二、 课程设计要求
1、纪律要求
为保证课程设计的顺利进行，确保同学们的人身安全和设备安全，要求同学们做到以下几点：
1、严格遵守作息时间，不迟到、不早退。
2、尊重指导教师，听从指导教师安排，相互团结和帮助。
3、务必注意安全，不随便用电，不随便操作设备。
4、思想上引起足够的重视，态度要严肃、认真。
5、保证场地的卫生、整洁。
2、课程设计要求：
（1）、画出系统总体设计框图，说明系统是由哪些相对独立的功能模块组成并对各个功能模块的原理作详细地文字说明，标出各个模块之间互相联系，并以文字对原理作辅助说明。
（2）、设计各个功能模块的电路图，对使用的元器件标上数值，对使用的集成电路标上引脚并注明连线，加上原理说明。
（3）、画出整个系统的电路图，对使用的元器件标上数值，对使用的集成电路标上引脚并注明连线。
（4）、选择合适的元器件，在面包上接线验证、调试各个功能模块的电路，在接线验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式，在充分保证电路正确性同时，输入信号和输出方式要便于电路的测试和故障排除。
（5）、在验证各个功能模块基础上，对整个系统电路的元器件和布线，进行合理布局，进行整个系统的接线调试。
（6）、在面包板上验证通过后，将整个系统移植焊接到开发板上并进行整个系统的联合调试。
三、课程设计时间安排
序号
内容
时间（天）
1
研究任务，明确设计目的收集有关技术资料
1
2
确定总体设计方案，划分功能模块，选择元器件，设计各功能模块
1
3
组装、调试
2
4
设计报告
1
四、课程设计内容
序
号
设计项目
基本要求
所用主要仪
器及台套数
1
数字电子钟
（1）能直接以十进制数字显示时、分、秒，时间采用24小时制。
（2）具有时、分校正功能。
（3）采用中、小规模数字集成电路实现。
（4）具有整点报时功能，当时间离到整点差10s时开始报时，蜂鸣器1秒响1秒停地响5次。
（5）先在面包板上搭接电路并调试通过后，再在实验板上焊接电路并调试。
（1）示波器
（2）信号发生器
（3）直流稳压电源。
（4）万用表
（5）面包板
（6）实验板
2
十字路口交通信号灯控制系统
（1）主支干道交替通行，主干道每次放行30秒，支干道每次放行20秒。
（2）每次绿灯变红灯时黄灯先亮5秒。
（3）黄灯亮时对方红灯按1Hz的频率闪烁。
（4）红黄绿灯用发光二极管代替。
（5）先在面包板上搭接电路并调试通过后，再在实验板上焊接电路并调试。
。
（1）示波器
（2）信号发生器
（3）直流稳压电源。
（4）万用表
（5）面包板
（6）实验板
3
简易数字显示频率计
（1）频率的测量范围为10Hz~9999Hz，并能通过七段数码管显示。
（2）被测信号为正弦波、三角波或方波，幅度Vi=5V±10%。
（3）先在面包板上搭接电路并调试通过后，再在实验板上焊接电路并调试。
（1）示波器
（2）信号发生器
（3）直流稳压电源。
（4）万用表
（5）面包板
（6）实验板
4
竞赛抢答器
（1）可容纳8名选手组成8个代表队参加比赛，编号分别为1-8，与参赛者号码一一对应，还有一个按钮给主持人用来清零。
（2）持人将系统清零后，若有参赛者按动按钮，数码管立即显示出最先动作的选手编号，同时蜂鸣器发出间歇声响，并保持到主持人清零以后。
（3）先在面包板上搭接电路并调试通过后，再在实验板上焊接电路并调试。
（1）示波器
（2）信号发生器
（3）直流稳压电源。
（4）万用表
（5）面包板
（6）实验板
5
简易公用电话计时器
（1）每1分钟计时一次。
（2）显示通话次数，最多为99次。
（4）具有手动复位功能
（5）具有声响提醒功能，每通话1分钟提醒一次，提醒时间为1秒。
（6）先在面包板上搭接电路并调试通过后，再在实验板上焊接电路并调试。
（1）示波器
（2）信号发生器
（3）直流稳压电源。
（4）万用表
（5）面包板
（6）实验板
五、课程设计报告要求
（1）、课程设计题目
（2）、课程设计要求
（3）、画出系统总体设计框图，说明系统是由哪些相对独立的功能模块组成，标出各个模块之间互相联系，并对各个功能模块的原理作详细地文字说明（如2、5进制到10进制转换，10进制到6进制转换的原理，个位到十位的进位信号选择和变换等）。
（4）、设计各个功能模块的电路图，选择合适的元器件，对使用的元器件标上数值，对使用的集成电路标上引脚、名称并注明连线。
（5）、画出整个系统的电路图，对使用的元器件标上数值，对使用的集成电路标上引脚并注明连线。
（6）、列出所使用的元器件清单、数量。
（7）、描述设计制作的系统的运行结果
（8）、写出系统的使用说明。
（9）、总结。
●设计过程中遇到的问题及解决办法
●课程设计过程体会
●对课程设计内容、方式、要求等各方面的建议。
六、课程设计题解
（一）、数字电子钟
1、总体设计方案
数字电子钟主要由时钟脉冲产生电路（秒信号发生器）、时分秒计时电路、译码显示电路、校时电路四部分组成。
时钟脉冲产生电路：
为了提高时钟的稳定度，应考虑使用石英晶体振荡器产生一时钟脉冲信号，经过计数器分频后得到1Hz的时钟信号，该信号即可作为秒计数器的计数脉冲。
时分秒计时电路：
可采用十进制或十六进制计数器组成，秒计数、分计数器采用六十进制计数器，小时计数器采用24进制，时分秒各由2个十进制或十六进制计数器组成（用十六进制计数器时，时分秒的个位数应该都接成十进制计数器的形式，以便以十进制的形式显示时间）。
译码显示电路：
为了将编码显示出来，需用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流。
一般这种译码通常称为７段译码显示驱动器。
常用的７段译码显示驱动器有ＣＤ４５１１、74LS48等。
显示器件使用ＬＥＤ数码管。
平时使用较多的ＬＥＤ数码有单字和双字之分。
ＬＥＤ数码管尺寸有大有小，一般小的数码管每个数字笔画为一个发光二极管，而尺寸较大的数码管一个笔画可能是多个发光二极管串接而成的，这时一般无法直接用译码驱动器直接驱动（其输出高电平一般为３Ｖ左右）。
校正电路：
本电子钟只要求对时分进行校正，校正时可以考虑专门用一个校时开关控制，当校正开关接到校正侧时，由1Hz或2Hz时钟信号对其进行连续自动校正。
整点报时电路：
考虑每当时间到59分50秒时，通过译码器译出一有效信号，通过该信号启动整点报时，当时间到59分59秒时再通过译码器译出一有效信号，通过该信号停止报时。
2、基本电路设计
（1）秒信号产生电路
本电路主要由时钟产生电路和分频电路组成，由于对计时精度要求较高，所以考虑用晶振产生时钟信号。
例如用32768Hz晶振产生的32768Hz信号经过15分频后即可得到1Hz的信号。
本方案中分频器采用CD4060异步14位计数器作为分频器，在它内部集成了一个非对称式多谐振荡器电路，可以直接外接电容、电阻或晶振产生时钟信号，然后分频输出。
如果采用32768Hz晶振，则从其第3脚（Q14）输出的是2Hz的时钟信号，此信号再经过一级T’触发器（用D触发器Q非接回D端代替）后输出的就是1Hz的信号了。
CD4060
（2）时分秒计时电路：
采用74LS160同步十进制计数器进行计时，具体电路自己设计。
74LS160
（3）时间译码显示电路：
自行设计。
译码器采用74LS48或CD4511,显示器件采用小型共阴极数码管。
CD4511真值表
CD4511引脚排列
74LS48引脚排列
CD4511真值表
（4）校时电路：
以分校时电路为例说明。
时分校正电路分别由2个开关实现，正常计时时，分校正开关接60秒计数器的进位输出，时校正开关接60分钟计数器的进位输出。
进行分校正时，将开关拨到1Hz或2Hz信号侧，由1Hz或2Hz信号对分进行校正。
进行时校正时，将开关拨到1Hz或2Hz信号侧，由1Hz或2Hz信号对时进行校正。
（5）整点报时电路
当计数到整点前10秒时应该准备报时。
本方案中考虑使用2个D触发器74LS74分别将59分和50秒的状态保存起来，当分计到59分时将分触发器置1,当秒计到50秒时将秒触发器置1,然后两个触发器的输出再和0.5Hz信号相与,用这个结果驱动蜂鸣器发音.。
当到整点时再想办法使触发器置零，蜂鸣器自然会停止发音。
由于蜂鸣器发音需要较大的电流，所以需要通过三极管驱动。
具体电路由同学们自己设计。
74LS74引脚排列及功能表
蜂鸣器驱动电路
3、器件清单
CD40601
74LS00引脚排列图
74LS1606
74LS48（或CD4511）6
七段LED共阴极数码管6
74LS742
74LS00或CD40115
74LS202
74LS041
钮子开关3
74LS20引脚排列图
5V蜂鸣器1
32768Hz晶振1
30Pf电容2
74LS04引脚排列图
（二）、交通信号控制灯
1、设计思路
交通信号控制系统主要由时钟脉冲产生电路（秒信号发生器）、计数电路（定时电路）、显示控制电路三部分组成。
具体实现既可以用现成的中规模计数器集成电路产品，也可以用小规模的触发器和门电路按照时序逻辑的设计方法一步一步地设计出所要求的功能。
（1）实现方案1
时钟脉冲产生电路：
本控制系统也需要秒信号，秒信号产生电路可与数字钟的相同。
计数电路：
由于本系统中要求主、支干道的通行时间各为35秒和25秒，所以总共1分钟一个循环周期，如果时钟脉冲以秒为单位，则可以采用60进制的加法计数器（也可以采用六十进制的减法计数器）来进行计数。
控制显示电路：
控制显示电路主要是通过对计数器的输出状态进行译码，然后再通过边沿触发的T’触发器控制各干道红绿黄灯的亮暗。
例如刚开始时假设是主干道的绿灯先亮30秒，此时支干道的红灯同时也是亮的。
当30秒时间到，由计数器并行输出端译码译出一个有效状态，本有效状态既能使控制主干道绿灯的T’触发器翻转从而造成主干道绿灯灭，又能控制主干道黄灯的T’触发器翻转从而造成主干道黄灯亮，其他情况可依次类推。
在本方案中需要注意以下几点：
1、在电路加电时要控制好各T’触发器的初态，使主干道绿灯、支干道红等亮，其余灯熄灭。
这可以通过在T’触发器的复位或置位端连接阻容元件实现。
2、一边黄灯亮，另一边红灯闪烁，可以用红灯控制信号、黄灯控制信号和秒信号通过组合逻辑电路实现。
3、信号灯使用发光二极管模拟，发光二极管发光时流过的电流较大，一般不能直接使用门电路的高电平输出驱动，需要加三极管驱动。
（2）实现方案2
①、分析系统的逻辑功能
交通灯控制系统的原理框图如下图所示。
它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。
秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。
图中：
TL1:
表示主干道绿灯亮的时间间隔（30秒），即主干道车辆正常通行的时间间隔。
定时时间到，TL1=1，否则，TL1=0。
TL2:
表示支干道绿灯亮的时间间隔（20秒）,即支干道车辆正常通行的时间间隔。
定时时间到，TL2=1，否则，TL2=0。
TY：
表示黄灯亮的时间间隔为5秒。
定时时间到，TY=1，否则，TY=0。
ST：
表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。
由它控制定时器开始下个工作状态的定时。
②交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。
设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表1所示，控制器应送出主、支干道红、黄、绿灯的控制信号。
为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：
AG=1：
主干道绿灯亮；BG=1：
支干道绿灯亮；AY=1：
主干道黄灯亮；
BY=1：
支干道黄灯亮；AR=1：
主干道红灯亮；BY=1：
支干道红灯亮；
表1控制器工作状态及功能
控制状态
信号灯状态
车道运行状态
S0（00）
甲绿，乙红（AG,BR）
主干道通行，支干道禁止通行
S1（01）
甲黄，乙红（AY,BR）
主干道缓行，支干道禁止通行
S3（11）
甲红，乙绿（AR,BG）
主干道禁止通行，主干道通行
S2（10）
甲红，乙黄（AR,BY）
主干道禁止通行，主干道缓行
（1）主干道绿灯亮，支干道红灯亮。
表示主干道上的车辆允许通行，支干道禁止通行。
绿灯亮足规定的时间隔到时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。
（2）主干道黄灯亮，支干道红灯亮。
表示主干道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，支干道禁止通行。
黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。
（3）主干道红灯亮，支干道绿灯亮。
表示主干道禁止通行，支干道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。
（4）主干道红灯亮，支干道黄灯亮。
表示主干道禁止通行，支干道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。
黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第
（1）种工作状态。
由此得到交通灯的状态转换图，如下图所示。
设控制器的初始状态为S0（用状态框表示S0），当S0的持续时间小于30秒时，TL=0（用判断框表示TL），控制器保持S0不变。
只有当S0的持续时间等于30秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号ST（用条件输出框表示ST），并转换到下一个工作状态。
依此类推可以弄懂此图所表达的含义。
③单元电路的设计
（1）秒脉冲发生器
与前边相同。
（2）定时器
定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。
计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。
74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。
由两片74LS163级联组成的定时器电路如下图所示。
电路的工作原理请自行分析。
定时器电路图
（3）控制器
控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。
从状态转换图可以列出控制器的状态转换表，如表2所示。
选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生4种状态，控制器状态转换的条件为TL1、TL2和TY，当控制器处于Q1nQ0n＝00状态时，如果TL1=0，则控制器保持在00状态；如果TL1=1，则控制器转换到Q1nQ0n＝01状态。
这两种情况与条件TL2和TY无关，所以用无关项"X"表示。
其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。
表2控制器状态转换表
输入
输出
现态
转换条件
次态
状态转换信号
Q1n
Q0n
TL1
TL2
TY
Q1n+1
Q0n+1
ST
0
0
0
X
X
0
0
0
0
0
1
X
X
0
1
1
0
1
X
X
0
0
1
0
0
1
X
X
1
1
1
1
1
1
X
0
X
1
1
0
1
1
X
1
X
1
0
1
1
0
X
X
0
1
0
0
1
0
X
X
1
0
0
1
根据表2可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：
将Q1n+1、Q0n+1和ST为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中"1"用原变量表示，"0"用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程：
根据以上方程，选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号．即可实现控制器的功能。
控制器的逻辑图如图5所示。
图中R、C构成上电复位电路。
图5控制器逻辑图
（4）、译码器
译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态，翻译成主、支干道上6个信号灯的工作状态。
控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表3所示。
实现上述关系的译码电路用门电路或数据选择器实现。
表3控制器状态编码与信号灯关系表
状态
AGAYAR
BGBYBR
00
1 0 0
0 0 1
01
0 1 0
0 0 1
10
0 0 1
1 0 0
11
0 0 1
0 1 0
（三）、简易数字频率计
1.总体设计方案
频率的定义是单位时间（1s）内周期信号的变化次数。
若在一定时间间隔T内测得周期信号的重复变化次数为N，则其频率为
f=N/T，如果T=1,则f=N
据此，设计方案框图如下图所示。
其基本原理是，被测信号ux首先经整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，频率与被测信号的频率fx相同。
时钟产生电路产生时间基准信号控制计数与保持状态。
当其高电平时，计数器计数；低电平时，计数器处于保持状态，数据送入锁存器进行锁存显示。
然后对计数器清零，准备下一次计数。
2.基本电路设计
1）整形电路
整形电路是将待测信号整形变成计数器所要求的脉冲信号。
此电路可采用施密特触发器构成，
2）时钟产生电路
时钟信号是控制计数器计数的标准时间信号，其精度很大程度上决定了频率计的频率测量精度。
当要求频率测量精度较高时，应使用晶体振荡器通过分频获得。
在此电路中采用32768Hz晶振和CD4060十四位计数器进行分频，CD4060可以直接接晶振然后分频输出，输出的方波信号频率为2Hz。
3）T触发器
通过两级T触发器电路将2Hz时钟信号变成1/2Hz的方波信号，这样从最后一个T触发器输出信号的高电平持续时间为1s，通过这个1S的高电平持续时间即可以通过计数器对测量脉冲进行计数。
T触发器可采用D触发器74LS74实现。
4）、微分整形和单稳触发器
单稳触发器用于产生一窄脉冲，以触发锁存器，使计数器在计数完毕后更新锁存器数值。
单稳触发器电路采用555定时器实现，为了保证系统正常工作，单稳态电路产生的脉冲宽度不能大于1S。
取单稳电路输出脉冲宽度TW=10ms左右。
根据TW=1.1RC，取C=10μf，R=510Ω。
单稳触发器输入信号是T触发器输出信号经非门后再经Rd、Cd组成的微分器将方波变成尖脉冲，然后再经反相施密特触发器整形后加到555定时器的触发端。
需要注意的是微分器Rd、Cd的取值要满足Rd*Cd<在本方案中Rd可取33KΩ，Cd可取0.1μf。
也可以直接将T触发器输出信号经非门后，通过积分型单稳态触发器（视触发器的触发信号而定，有时需再加一级非门）来触发锁存器。
5）延迟反相器
延时反相器的功能是为了得到一个对计数器清零的信号。
由于计数器清零是低电平有效，而且计数器清零必须在单稳触发信号之后，故延迟反相器是在上述单稳电路之后，再加一级积分型单稳态触发电路。
6）计数器
计数器在时钟脉冲输出信号的控制下，对经过整形的待测信号进行脉冲计数,如果在时钟脉冲的一个周期内，高电平持续时间为1S，则在时钟脉冲的一个周期内计数器中的结果即为待测信号频率。
所以在本题中计数器的输入信号应该是待测信号和T触发器输出的0.5Hz信号经过计数闸门后的输出信号。
根据精度要求，采用4个十进制计数器级联，构成N=10000的计数器。
十进制计数器仍采用74LS160实现。
其中计数器的清零信号由延迟反相器提供，计数器输出结果送入锁存器。
7）、锁存器和显示
计数器的结果进入锁存器锁存，4个七段数码管显示测试信号的频率。
锁存器使用了两片8D集成触发器74HC373实现，其控制信号来自于单稳态触发器，锁存器的结果送到显示译码器中译码后驱动七段数码管显示测试信号的频率。
本简易数字频率计的测频周期为2秒，测试后的结果显示时间也为2秒。
如果2秒后，被测信号的频率改变，则下一个测量周期测量显示的就是信号新的频率。
（四）、竞赛抢答器
1、总体设计方案
抢答器的一般构成框如下图所示。
它主要由开关阵列电路、触发锁存电路、编码器、7段码译码显示电路、复位按钮、蜂鸣器、振荡电路等几部分组成。
下面逐一给予介绍。
七段码显示器
显示译码
器
编
码
器
触发锁存电路
开关阵列电路
竞赛抢答器的组成框图
振荡
电路
蜂
鸣
器
复位
按钮
（１）开关阵列电路
该电路由多路开关所组成，每一竞赛者与一组开关相对应。
开关应为常开型，当按下开关时，开关闭合；当松开开关时，开关自动弹出断开。
（２）触发锁存电路
当某一开关首先按下时，触发锁存电路被触发，在输出端产生相应的开关电平信息，同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱，最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。
（３）编码器
编码器的作用是将某一开关信息转化为相应的8421BCD码，以提供数字显示电路所需要的编码输入。
（４）译码驱动及显示单元
译码驱动电路将编码器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。
（5）复位按钮
复位按钮供主持人使用，每次抢答完毕后，主持人通过按动复位按钮使锁存器清零，蜂鸣器停止鸣响。
（6）蜂鸣器
提醒主持人和观众有人按下了抢答器，当有人按下了抢答器后，蜂鸣器会以两个频率（用1024、512Hz）以1s的间隔交替鸣响，直至主持人按下了复位按钮。
2、基本电路设计
（1）开关阵列电路
下图所示为８路开关阵列电路，从图上可以看出其结构非常简单。
电路中，Ｒ1～Ｒ8为上拉和限流电阻。
当任一开关按下时，相应的输出为低电平，否则为高电平。
开关阵列电路
（2）触发锁存电路
下图所示为８路触发锁存电路。
图中74HC373为8D锁存器，一开始，当所有开关均未按下时，锁存器输出全为
升级会员 