《数字电子技术课程设计》
指导书
机电工程系
2014年5月
目录
课程设计指导 (2)
设计举例：出租车计费器 (5)
课程设计指导
一、本课程设计的地位和作用
数字电子技术课程设计是数字电子技术基础教学中的一个实践环节,它使学生自己通过设计和搭建一个实用电子产品雏形,巩固和加深在数字电子技术课程中的理论基础和实验中的基本技能,训练电子产品制作时的动手能力。通过该课程设计，设计出符合任务要求的电路,掌握通用电子电路的一般设计方法和步骤，训练并提高学生在文献检索、资料利用、方案比较和元器件选择等方面的综合能力,同时为毕业设计和毕业以后从事电子技术方面的科研和开发打下一定的基础。
二、课程设计的目的和要求
1. 能够较全面地巩固和应用“数字电子技术”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握小型数字系统设计的基本方法。
2. 能合理、灵活地应用标准集成电路器件实现规定的数字系统。
3. 培养独立思考、独立设计规定功能的数字系统的能力。
4.培养独立进行实验，包括电路布局、安装、调试和排除故障的能力。
5.培养书写综合设计实验报告的能力。
三、课程设计的基本要求
根据设计任务，从选择设计方案开始，进行电路设计；选择合适的器件，画出设计电路图；通过安装、调试，直至实现任务要求的全部功能。对电路要求布局合理，走线清晰，工作可靠，经验收合格后，写出完整的课程设计报告。
四、课程设计的具体步骤
电子电路的一般设计方法和步骤是：分析设计任务和性能指标，选择总体方案，设计单元电路，选择器件，计算参数，画总体电路图。进行仿真试验和性能测试。实际设计过程中往往反复进行以上各步骤，才能达到设计要求，需要灵活掌握。
1. 总体方案选择
设计电路的第一步就是选择总体方案，就是根据提出的设计任务要求及性能指标，用具有一定功能的若干单元电路组成一个整体，来实现设计任务提出的各项要求和技术指标。
设计过程中，往往有多种方案可以选择，应针对任务要求，查阅资料，权衡各方案的优缺点，从中选优。
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.电路仿真与调整
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仿真与调整，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. 仿真调试结果记录。
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。
设计举例：出租车计费器
一、设计任务
出租车自动计费器是根据客户用车的实际情况而自动计算、显示车费的数字表。数字表根据用车起步价、行车里程计费及等候时间计费三项显示客户用车总费用，打印单据，还可设置起步、停车的音乐提示或语言提示。
1.自动计费器具有行车里程计费、等候时间计费和起步费三部分，三项计费统一用4位数码管显示，最大金额为99.99元。
2.行车里程单价设为1.80元/km，等候时间计费设为1.5元/10分钟，起步费设为8.00元。要求行车时，计费值每公里刷新一次；等候时每10分钟刷新一次；行车不到1km或等候不足10分钟则忽略计费。
3.在启动和停车时给出声音提示。
二、设计方案
方案1 采用计数器电路为主实现自动计费。
分别将行车里程、等候时间都按相同的比价转换成脉冲信号，然后对这些脉冲进行计数，而起价可以通过预置送入计数器作为初值，如图1的原理框图所示。行车里程计数电路每行车1km输出一个脉冲信号，启动行车单价计数器输出与单价对应的脉冲数，例如单价是1.80元/km，则设计一个一百八十进制计数器，每公里输出180个脉冲到总费计数器，即每个脉冲为0.01元。等候时间计数器将来自时钟电路的秒脉冲作六百进制计数，得到10分钟信号，用10分钟信号控制一个一百五十进制计数器（等候10分钟单价计数器）向总费计数器输入150个脉冲。这样，总费计数器根据起步价所置的初值，加上里程脉冲、等候时间脉冲即可得到总的用车费用。
图1 出租车计费器原理框图一
上述方案中，如果将里程单价计数器和10分钟等候单价计数器用比例乘法器完成，则可以得到较简练的电路。它将里程脉冲乘以单价比例系数得到代表里程费用的脉冲信号，等候时间脉冲乘以单位时间的比例系数得到代表等候时间的时间费用脉冲，然后将这两部分脉冲求和。
如果总费计数器采用BCD码加法器，即利用每计满1km的里程信号、每等候10分钟的时间信号控制加法器加上相应的单价值，就能计算出用车费用。
图2 出租车计费器原理框图二
方案2 采用单片机为主实现自动计费。
单片机具有较强的计算功能，以8位MCS51系列的单片机89C51加上外围电路同样能方便地实现设计要求。电路框图如图2所示
方案3 采用VHDL编程，用FPGA/CPLD制作成“自动计费器”的专用集成电路芯片ASIC，加上少数外围电子元件，即能实现设计要求。
将各种方案进行比较，根据设计任务的要求，各方案的优缺点、设计制作所具备的条件，任选其中的一种方案作具体设计。本例作为传统电子设计方法的实例，采用方案1实现。
三、各单元电路设计
1. 里程计费电路设计
图3 里
程计费电路
里程计费电路如图3所示。安装在与汽车轮相接的涡轮变速器上的磁铁使干簧继电器在汽车每前进10m闭合一次，即输出一个脉冲信号。汽车每前进1km则输出100个脉冲。此时，计费器应累加1km的计费单价，本电路设为1.80元。在图3中，干簧继电器产生的脉冲信号经施密特触发器整形得到CP0。CP0送入由两片74HC161构成的一百进制计数器，当计数器计满100个脉冲时，一方面使计数器清0，另一方面将基本RS触发器的Q1置为1，使74HC161（3）和（4）组成的一百八十进制计数器开始对标准脉冲CP1计数，计满180个脉冲后，使计数器清0。RS触发器复位为0，计数器停止计数。在一百八十进制计数器计数期间，由于Q1=1，则P2=/CP1，使P2端输出180个脉冲信号，代表每公里行车的里程计费，即每个脉冲的计费是0.01元，称为脉冲当量。
2．等候时间计费电路
图4
等候时间计费电路
等候时间计费电路如图4所示，由74HC161（1）、（2）、（3）构成的六百进制计数器对秒脉冲CP2作计数，当计满一个循环时也就是等候时间满10分钟。一方面对六百进制计数器清0，另一方面将基本RS触发器置为1，启动74HC161（4）和（5）构成的一百五十进制计数器（10分钟等候单价）开始计数，计数期间同时将脉冲从P1输出。在计数器计满10分钟等候单价时将RS触发器复位为0，停止计数。从P1输出的脉冲数就是每等候10分钟输出150个脉冲，表示单价为1.50元，即脉冲当量为0.01元，等候计时的起始信号由接在74HC161（1）的手动开关给定。
3.计数、锁存、显示电路
如图5所示，其中计数器由4位BCD码计数器74LS160构成，对来自里程计费电路的脉冲P2和来自等候时间的计费脉冲P1进行十进制计数。计数器所得到的状态值送入由2片8位锁存器74LS273构成的锁存电路锁存，然后由七段译码器74LS48译码后送到共阴数码管显示。
图5
计数、锁存、显示电路
计数、译码、显示电路为使显示数码不闪烁，需要保证计数、锁存和计数器清零信号之间正确的时序关系，如图6所示。由图6的时序结合图5的电路可见，在Q2或Q1为高电平1期间，计数器对里程脉冲P2或等候时间脉冲P1进行计数，当计数完1km脉冲（或等候10分钟脉冲）则计数结束。现在应将计数器的数据锁存到74LS273中以便进行译码显示，锁存信号由74LS123（1）构成的单稳态电路实现，当Q1或Q2由1变0时启动单稳电路延时而产生一个正脉冲，这个正脉冲的持续时间保证数据锁存可靠。锁存到74LS273中的数据由74LS48译码后，在显示器中显示出来。只有在数据可靠锁存后才能清除计数器中的数据。因此，电路中用74LS123（2）设置了第二级单稳电路，该单稳电路用第一级单稳输出
脉冲的下跳沿启动，经延时后第二级单稳的输出产生计数器的清零信号。这样就
保证了“计数—锁存—清零”的先后顺序，保证计数和显示的稳定可靠。
P1(或P2)
Q1(或Q2)单稳电路
单稳电路
图6
计数、锁存清零信号的时序图
图中的S2为上电开关，能实现上电时自动置入起步价目，S3可实现手动清零，使计费显示为00.00。其中，小数点为固定位置。
4. 时钟电路
时钟电路提供等候时间计费的计时基准信号，同时作为里程计费和等候时间计费的单价脉冲源，电路如图7所示。
图7 时钟电路
在图7中，555定时器产生1kHZ的矩形波信号，经74LS90组成的3级十分频后，得到1Hz的脉冲信号，可作为计时的基准信号。同时，可选择经分频得到的500Hz脉冲作为CP1的计数脉冲。也可采用频率稳定度更高的石英晶体振荡器。
5. 置位电路和脉冲产生电路的设计
在数字电路的设计中，常常还需要产生置位、复位的信号，如S
D 、R
D
。这类
信号分高电平有效、低电平有效两种。由于实际电路在接通电源瞬间的状态往往是随机的，需要通过电路自动产生置位、复位电平使之进入预定的初始状态，如前面设计中的图5，其中S2就是通过上电实现计数器的数据预置。图8表示了几种上电自动置位、复位或置数的电路。
10K Ω4.7μF
Ω
4.7μF
Ω
μF
（a ）（b ）（c ）
（d ）10K Ω
μF
（e ）+5V
（f ）
图8
开机置位、复位和置数命令产生电路
在图（a ）中，当S 接通电源时，由于电容C 两端电压不能突变仍为零，使R D 为0，产生Q 置0的信号。此后，C 被充电使C 两端的电压上升到R D 为1时，D 触发器进入计数状态。图（b ）则由于非门对开关产生的信号进行了整形而得到更好的负跳变波形。图（c ）和图（d ）中的CC4013是CMOS 双D 触发器，这类电路置位和复位信号是高电平有效，由于开关闭合时电容可视为短路而产生高电平，使R D =1，Q=0；若将此信号加到S D ，则S D =1，Q=1;置位、复位过后，电容充电而使R D （S D ）变为0，电路可进入计数状态。
图（e ）是用开关电路产生点动脉冲，每按一次开关产生一个正脉冲，使触发器构成的计数器计数1次；图（f ）是用开关电路产生负脉冲，每按一次开关产生一个负脉冲。 四、电路的安装与调试
数字电路系统的设计完成后，一个重要的步骤是安装调试。这一步是对设计内容的检验，也是设计修改的实践过程，是理论知识和实践知识综合应用的重要环节。安装调试的目标是使设计电路满足设计的功能和性能指标，并且具有系统要求的可靠性、稳定性、抗干扰能力。这里简要叙述安装调试数字电路的几个步骤。
（1）检测电路元件
最主要的电路元件是集成电路，常用的检测方法是用仪器测量、用电路实验或用替代方法接入已知的电路中。集成电路的检测仪器主要用集成电路测试仪，还可用数字电压表作简易测量。实验电路则模拟现场应用环境测试集成芯片的功能。替代法测试必须具备已有的完好工作电路，将待测元件替代原有器件后观察工作情况。
除集成电路芯片外，还应检测各种准备接入的其他各种元件，如三极管、电阻、电容、开关、指示灯、数码管等。应确信元件的功能正确、可靠才能装入电路安装。
（2）电路安装
数字电路系统在设计调试中，往往是先用面包板进行试装，只有试装成功，经调试确定各种待调整的参数合适后，才考虑设计成印制电路。
试装中，首先要选用质量较好的面包板，使各接插点和接插线之间松紧适度。安装中的问题往往集中在接插线的可靠性上，特别需要引起注意。
安装的顺序一般是按照信号流向的顺序，先单元后系统、边安装边测试的原则进行。先安装调试单元电路或子系统，在确定各单元电路或子系统成功的基础上，逐步扩大电路的规模。各单元电路的信号连接线最好有标记，如用特别颜色的线，以便能方便断开进行测试。
（3）系统调试
系统调试试将安装测试成功的各单元连接起来，加上输入信号进行调试，发现问题则先对故障进行定位，找出问题所在的单元电路。一般采用故障现象估测法（根据故障情况估计问题所在位置）、对分法（将故障大致所在部分的电路对分成两部分，逐一查找）、对比法（将类型相同的电路部分进行对比或对换位置）等。
系统测试一般分静态测试和动态测试。静态测试时，在各输入端加入不同电平值，加高电平（一般接1千欧以上电阻到电源）、低电平（一般接地）后，用数字万用表测量电路各主要点的电位，分析是否满足设计要求。动态测试时，在各输入端接入规定的脉冲信号，用示波器观察各点的波形，分析它们之间的逻辑关系和延时。
除了调试电路的正常工作状态外，另外特别要注意调试初始状态、系统清零、预置等功能，检查相应的开关、按键、拨盘是否可靠，手感是否正常。