数字电子技术课程设计指导书.docx

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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

第二版

物理与光电工程学院

电工电子部

2009-4-1

一、数字电子技术课程设计的目的与意义

电子技术是一门实践性很强的课程，加强工程训练，特别是技能的培养，对于培养工程人员的素质和能力具有十分重要的作用。

在电子信息类本科教学中，电子技术课程设计是一个重要的实践环节，它包括选择课题、电子电路设计、组装、调试和编写总结报告等实践内容。

通过课程设计要实现以下两个目标：

第一，让学生初步掌握电子线路的试验、设计方法。

即学生根据设计要求和性能参数，查阅文献资料，收集、分析类似电路的性能，并通过组装调试等实践活动，使电路达到性能指标；第二，课程设计为后续的毕业设计打好基础。

毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际运用，从已学过的定性分析、定量计算的方法，逐步掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法，同时，课程设计报告的书写，为今后从事技术工作撰写科技报告和技术资料打下基础。

二、数字电子技术课程设计的方法和步骤

设计一个电子电路系统时，首先必须明确系统的设计任务，根据任务进行方案选择，然后对方案中的各部分进行单元的设计、参数计算和器件选择，最后将各部分连接在一起，画出一个符合设计要求的完整系统电路图。

1、设计任务分析

对系统的设计任务进行具体分析，充分了解系统的性能、指标内容及要求，以便明确系统应完成的任务。

2、方案论证

这一步的工作要求是把系统的任务分配给若干个单元电路，并画出一个能表示各单元功能的整机原理框图。

方案选择的重要任务是根据掌握的知识和资料，针对系统提出的任务、要求和条件，完成系统的功能设计。

在这个过程中要用于探索，勇于创新，力争做到设计方案合理、可靠、经济、功能齐全、技术先进，并且对方案要不断进行可行性和优缺点的分析，最后设计出一个完整框图。

框图必须正确反映系统应完成的任务和各组成部分功能，清楚表示系统的基本组成和相互关系。

3、方案实现

1）单元电路设计

单元电路是整机的一部分，只有把各单元电路设计好才能提高整体设计水平。

每个单元电路设计前都需明确本单元电路的任务，详细拟订出单元电路的性能指标，与前后级之间的关系，分析电路的组成形式。

具体设计时，可以模仿成熟的先进电路，也可以进行创新或改进，但都必须保证性能要求。

而且，不仅单元电路本身要设计合理，各单元电路间也要相互配合，注意各部分的输入信号、输出信号和控制信号的关系。

2）参数计算

为保证单元电路达到功能指标要求，就需要用电子技术知识对参数进行计算。

例如，放大

电路中各阻值、放大倍数的计算；振荡器中电阻、电容、振荡频率等参数的计算。

只有很好地理解电路的工作原理，正确利用计算公式，计算的参数才能满足设计要求。

3）器件选择

阻容元件的选择：

电阻和电容种类很多，正确选择电阻和电容是很重要的。

不同的

电路对电阻和电容性能要求也不同，有些电路对电容的漏电要求很严，还有些电路对电阻、电容的性能和容量要求很高。

例如滤波电路中常用大容量铝电解电容，为滤掉高频通常还需并联小容量瓷片电容。

设计时要根据电路的要求选择性能和参数合适的阻容元件，并要注意功耗、容量、频率和耐压范围是否满足要求。

分立元件的选择：

分立元件包括二极管、晶体三极管、场效应管、光电二（三）极

管、晶闸管等。

根据其用途分别进行选择。

选择的器件种类不同，注意事项也不同。

例如选择晶体三极管时，首先注意是选择NPN型还是PNP型管，是高频管还是低频管，是大功率还是小功率，并注意管子的参数是否满足电路设计指标的要求。

集成电路的选择：

由于集成电路可以实现很多单元电路甚至整机电路的功能，所以

选用集成电路来设计单元电路和总体电路既方便又灵活，它不仅使系统体积缩小，而且性能可靠，便于调试及运用，在设计电路时颇受欢迎。

集成电路有模拟集成电路和数字集成电路。

国内外已生出大量集成电路，其器件的型号、原理、功能、特征可查阅有关手册。

选择的集成电路不仅要在功能和特性上实现设计方案，而且要满足功耗、电压、速度、价格等多方面的要求。

安装调试：

安装与调试过程应按照先局部后整机的原则，根据信号的流向逐块调试，使各功能块都要达到各自技术指标的要求，然后把它们连接起来进行统调和系统测试。

调试包括调整与测试两部分，调整主要是调节电路中可变元器件或更换器件，使之达到性能的改善。

测试是采用电子仪器测量相关点的数据与波形，以便准确判断设计电路的性能。

装配前必须对元器件进行性能参数测试。

根据设计任务的不同，有时需进行印制电路板设计制作，并在印制电路板上进行装配调试。

三、数字电子技术课程设计题目（五题任选一题）

A：

多功能数字钟的电路设计

数字钟是采用数字电路实现“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。

钟表的数字化在提高报时精度的同时，也大大扩展了它的功能，诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、定时启闭路灯等。

因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。

1、设计目的

1）掌握数字钟的设计、组装与调试方法。

2）熟悉集成电路的使用方法。

2、设计任务与要求

1）时钟显示功能，能够以十进制显示“时”、“分”、“秒”。

2）具有校准时、分的功能。

3）整点自动报时，在整点时，便自动发出鸣叫声，时长1s。

选做：

1）闹钟功能，可按设定的时间闹时。

2）日历显示功能。

将时间的显示增加“年”、“月”、“日”。

3、数字钟的基本原理及电路设计

一个具有计时、校时、报时、显示等基本功能的数字钟主要由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器、校时电路、报时电路等七部分组成。

石英晶体振荡器产生的信号经过分频器得到秒脉冲，秒脉冲送入计数器计数，计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器译码，并通过显示器显示时间。

数字钟的整机逻辑框图如下：

图1数字钟整机逻辑图

1）振荡器

石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整，它是电子钟的核心，用它产生标准频率信号，再由分频器分成秒时间脉冲。

用反相器与石英晶体构成的振荡电路如图2所示。

利用两个非门G1和G2自我反馈，使它们工作在线形状态，然后利用石英晶体Z1来控制振荡频率。

振荡器振荡频率的精度与稳定度基本上决定数字钟的准确度,晶振频率越高，计时准确度越高。

目前常见的石英晶振频率是4MHz时，则振荡器输出频率为4MHZ。

图2石英晶体振荡电路

振荡器还可以采用555时基电路代替。

2）分频器

时间标准信号的频率很高，要得到秒脉冲，需要分频电路。

例如，振荡器输出4MHZ信号，可通过D触发器（如74LS74）进行4分频变成1MHZ，也可以将10分频计数器74LS160（或74LS90）行4分频变成1MHZ，然后送到10分频计数器74LS160（或74LS90），经过6次10分频而获得1HZ的方波信号。

3）计数器

整个计数器电路由秒计数器、分计数器、时计数器串接而成。

秒计数器和分计数器各自由

一个十进制计数器和一个六进制计数器串接组成，形成两个六十进制计数器。

时计数器可由两个十进制计数器串接并通过反馈接成二十四制计数器。

4）译码器

译码器由六片74LS247（或74LS48）组成，74LS247驱动器是与8421BCD编码计数器配合用的7段译码驱动器。

一片74LS247驱动一只数码，72LS247是集电极开路输出，为了限制数码管的导通电流，在72LS247的输出与数码管的输入端之间均应串有限流电阻。

5）显示器

本系统用七段发光数码管来显示译码器输出的数字，发光数码管有两种：

共阳极或共阴极。

74LS247驱动器是低电平输出，采用共阳极数码管。

6）校时电路

刚接通电源或走时不准时，都需要进行时间校准。

实现校时电路的按键一般需要消除抖动，消除抖动的方法有很多，可以通过数字电路构成的单稳态触发器实现，也可以简单的通过电容滤波电路实现。

还可以通过D触发器实现，如图3所示。

触发器型单脉冲发生器

R-S触发器构成单脉冲发生器

图3两种校时电路

4、设计要点

1）画出整个系统的电路图，并列出所需器件清单。

2）采购器件，并按电路图接线，认真检查电路是否正确，注意器件管脚的连接，“悬空端”、

“清零端”、“置1端”要正确处理。

3）调试振荡器电路，用示波器观察振荡频率输出。

4）将振荡输出频率送入各分频器，观察其输出频率是否符合设计要求。

5）检查各级计数器的工作情况。

6）察校时电路的功能是否满足校时要求。

7）分频器和计数器调试正常后，观察电子钟是否正常准确地工作。

B：

交通灯控制电路设计

由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口，为确保车辆安全、迅速地通行，在交叉路口的每个入口处设置了红、绿、黄三色信号灯。

红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠在禁行线内。

实现红、绿灯的自动指挥对城市交通管理现代化有着重要的意义。

1、设计目的

1.掌握交通灯控制电路的设计、组装与调试方法。

2.熟悉数字集成电路的设计和使用方法。

2、设计任务与要求

1.用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。

2.当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯，主干道亮绿灯时间为30秒。

而支干道允许通行亮绿灯时，主干道亮红灯，支干道亮绿灯20秒

3.在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮5s的黄灯作为过渡，设置5s计时显示电路。

主干道亮黄灯的时候支道亮红灯，同样，支干道亮黄灯的时候主干道亮红灯。

4.主干道和支干道分别设置2组LED数码管以倒计时的方式显示当前灯亮的时间

3、交通灯控制电路基本原理及电路设计

实现上述任务的控制器整体结构如图4

支干道信号灯

图4交通灯控制器结构图

1）主控制器

主控电路是本课题的核心，主要控制30s、20s、5s三个定时器，它的输出一方面经译码后分别控制主干道和支干道的三个信号灯，另一方面控制定时电路启动。

主控电路属于时序逻辑电路，可采用状态机的方法进行设计。

主干道和支干道各自的三种灯（红、黄、绿），正常工作时，只有4种可能，即4种状态：

主绿灯和支红等亮，主干道通行，启动30s定时器，状态为S0；

主黄灯和支红灯亮，主干道停车，启动5s定时器，状态为S1；

主红灯和支绿灯亮，支干道通行，启动20s定时器，状态为S2；

主红灯和支黄灯亮，支干道停车，启动5s定时器，状态为S3。

四种状态的转换关系如图5：

已过5s

图5交通灯控制状态转换图

可用2个JK触发器表达上述四种状态的分配和转换。

2）计时器电路

这些计时器除需要秒脉冲作时钟信号外，还应受主控器的状态的控制。

例如30s计时器应在主控器进入S0状态（主干道通行）时开始计时，同样20s计时器必须在主控器进入S2状态时开始计数，而5s计时器则要在进入S1或S3状态时开始计数，待到规定时间分别使计数器复零。

设计中30s计数器可以采用两个十进制计数器级连成三十进制计数器，为使复零信号有足够的宽度，可采用基本RS触发器组成反馈复零电路。

按同样的方法可以设计出20s和5s计时电路，与30s计时电路相比，后两者只是控制信号和反馈信号的引出端不同而已。

3）显示译码驱动电路

（1）信号灯译码电路

主控器的四种状态分别要控制主、支干道红黄绿灯的亮与灭。

令灯亮为“1”，灯灭为“0”，

主干道红黄绿等分别为R、Y、G，支干道红黄绿等分别为r、y、g，则信号灯译码电路真值表为：

表1信号灯译码电路真值表

输入

输出

S

Q1

Q0

R

Y

G

r

y

g

S0

0

0

0

0

1

1

0

0

S1

0

1

0

1

0

1

0

0

S2

1

0

1

0

0

0

0

1

S3

1

1

1

0

0

0

1

0

由真值表可进一步得到各灯的逻辑表达式，进而确定其电路形式。

（2）计时显示译码电路

计时显示实际是一个定时控制电路，当30s、20s、5s任一计数器计数时，在主支干道各自可通过数码管显示出当前的计数值。

计数器输出的七段数码显示用BCD码七段译码器驱动即可，具体设计可参考课题一电子数字钟的译码、显示部分。

4）时钟信号发生器电路

产生稳定的“秒”脉冲信号，确保整个电路装置同步工作和实现定时控制。

此电路与课

题A数字钟的秒脉冲信号产生电路相同，可参阅其中晶体振荡电路、分频电路的设计。

如果计时精确度要求不高，也可采用RC环形多谐振荡器。

4、设计要点

1）画出整机电路图，并列出所需器件清单。

2）采购器件，并按电路图接线，认真检查电路是否正确，注意器件管脚的连接，“悬空端”、

“清零端”、“置1端”要正确处理。

3）秒脉冲信号发生器与计时电路的调试与上一设计相同。

4）主控器电路的调试，可用逻辑开关K1、K2、K3分别代替L、S、P信

号，秒脉冲作时钟信号，主控器状态应按状态转换图转换。

5）如果以上逻辑关系正确，即可与计时器输出L、S、P相接，进行动态调试。

6）信号灯译码调试亦是如此，先用两个逻辑开关K4、K5代替Q2、Q1，当Q2、Q1分别为00、01、

10、11时，6各发光二极管应按设计要求发光。

7）各单元电路均能正常工作后，即可进行总机调试。

C：

简易数字频率计电路设计

数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波、方波或其它周期性变化的信号。

如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率、转速、声音的频率以及产品的计件等等。

因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。

1、设计目的

1）了解数字频率计测量频率与测量周期的基本原理；

2）熟练掌握数字频率计的设计与调试方法及减小测量误差的方法。

2、设计任务与要求

要求设计一个简易的数字频率计，测量给定信号的频率，并用十进制数字显示，具体指标为：

1）测量范围：

1HZ—9.999KHZ，闸门时间1s；

10HZ—99.99KHZ，闸门时间0.1s；

100HZ—999.9KHZ，闸门时间10ms；

1KHZ—9999KHZ，闸门时间1ms；

2）显示方式：

四位十进制数

3）当被测信号的频率超出测量范围时,报警.

4）输入信号可以认为是足够大，可以从信号发生器获得。

3、数字频率计基本原理及电路设计

所谓频率，就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数．若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为fx=N/T。

因此，可以将单位时间内的计数器记录的脉冲个数，然后经译码、显示输出测量结果，这是所谓的测频法。

可见数字频率计主要由放大整形电路、闸门电路、计数器电路、锁存器、时基电路、逻辑控制、译码显示电路几部分组成，总体结构如图6：

闸门

显示器

译码器

锁存器

计数器

Ⅲ

Ⅰ

Ⅱ

Ⅴ

Ⅳ

时基电路

逻辑控制电路

Ⅰ

Ⅱ

T

Ⅲ

N

Ⅳ

锁存信号

Ⅴ

清零信号

图6数字频率计原理图

从原理图可知，被测信号Vx经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号Ⅰ，其频率与被测信号的频率fx相同。

时基电路提供标准时间基准信号Ⅱ，具有固定宽度T的方波时基信号II作为闸门的一个输入端，控制闸门的开放时间，被测信号I从闸门另一端输入，被测信号频率为fx,闸门宽度T，若在闸门时间内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率fx=N/THz。

可见，闸门时间T决定量程,通过闸门时基选择开关选择,选择T大一些,测量准确度就高一些,T小一些,则测量准确度就低.根据被测频率选择闸门时间来控制量程.在整个电路中,时基电路是关键,闸门信号脉冲宽度是否精确直接决定了测量结果是否精确.逻辑控制电路的作用有两个：

一是产生锁存脉冲Ⅳ，使显示器上的数字稳定；二是产生清“0”脉冲Ⅴ，使计数器每次测量从零开始计数。

1）时基电路

时基电路的作用是产生标准的时间信号，可以由555组成的振荡器产生，若时间精度要求较高时，可采用晶体振荡器。

由555定时器构成的时基电路包括脉冲产生电路和分频电路两部分。

555多谐振荡电路产生时基脉冲

采用555产生1000HZ振荡脉冲的参考电路如图7所示。

电阻参数可以由振荡频率计算公式f=1.43/（（R1+2R2）*C）求得。

由于本设计中需要1s、0.1s、10ms、1ms四个闸门时间，555振荡器产生1000HZ，周期为1ms的脉冲信号，需经分频才能得到其他三个周期的闸门信号，可采用74LS90分别经过一级、二级、三级10分频得到。

图7555多谐振荡电路

2）逻辑控制电路

在时基信号II结束时产生的负跳变用来产生锁存信号Ⅳ，锁存信号Ⅳ的负跳变又用来产生清“0”信号V。

脉冲信号Ⅳ和V可由两个单稳态触发器74LSl23产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。

触发脉冲从B端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端Q可获得一正脉冲,Q非端可获得一负脉冲，其波形关系正好满足Ⅳ和V的要求。

手动复位开关S按下时，计数器清“0”。

参考电路如图8

图-8数字频率计逻辑控制电路

3）锁存器

锁存器的作用是将计数器在闸门时间结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值．闸门时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号Ⅳ，将此时计数器的值送译码显示器。

选用8D锁存器74LS273可以完成上述功能．当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即Q=D。

从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。

正脉冲结束后，无论D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态Qn不变．所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器．

4）报警电路

本设计要求用4位数字显示，最高显示为9999。

超过9999就要求报警，即当千位达到9（即1001）时，如果百位上再来一个时钟脉冲（即进位脉冲），就可以利用此来控制蜂鸣器报警。

电路如图9：

图9数字频率计报警电路

4、调试要点

1.通电准备

打开电源之前，先按照系统原理图检查制作好的电路板的通断情况，并取下电路板上的集成块，然后接通电源，用万用表检查板上的各点电源电压值，之后再关掉电源，插上集成块。

2.单元电路检测

接通电源后，用双踪示波器（输入耦合方式置DC档）观察时基电路的输出波形，看其是否满足设计要求，若不符合，则调整R1和R2。

然后改变示波器的扫描速率旋钮，观察74LSl23的第13脚和第10脚的波形是否为锁存脉冲Ⅳ和清零脉冲V的波形。

将4片计数器74LS90的第2脚全部接低电平，锁存器74LS273的第11脚都接时钟脉冲，在个位计数器的第14脚加入计数脉冲，检查4位锁存、译码、显示器的工作是否正常。

3.系统连调

在放大电路输入端加入Vpp=5v，f=1kHz的方波信号，显示器上的读数应为1000Hz。

D:

洗衣机控制电路设计

1、设计目的

1.掌握洗衣机控制电路的设计、组装与调试方法。

2.熟悉数字和模拟集成电路的设计和使用方法。

2、设计任务与要求

设计制作一个洗衣机控制器，具有如下功能：

1）采用中小规模集成芯片设计洗衣机的控制定时器，控制洗衣机电机作如下运转：

2）洗涤电机用两个继电器控制。

3）用两位数码管显示洗涤的预置时间（分钟数），按倒计时方式对洗涤过程作计时显示，直至时间到而停机。

洗涤定时时间在0~10min内用户任意设定。

4）当定时时间到达终点时，一方面使电机停转，同时发出音响信号提醒用户注意。

5）洗涤过程在送入预置时间后即开始运转。

3、洗衣机控制电路原理及电路设计

实现以上功能的洗衣机控制电路原理如图10：

图10洗衣机控制电路原理图

1）电机驱动电路

采用两个继电器控制电机的驱动电路如图11，

图11洗衣机电机驱动电路

表2驱动电路控制表

T

Z1

Z2

K1

K2

电机

0

X

X

断

断

停

1

0

0

通

断

反转

1

1

0

断

断

停

1

0

1

断

断

停

1

1

1

断

通

正转

2）两级定时电路

本定时器包括两级定时：

一是总洗涤过程的定时；二是在总洗涤过程中包含电机的正转、

反转和暂停三种定时，并且这三种定时是反复循环直至总定时时间到为止。

由驱动电路控制表2可得：

当总定时时间在0~10min以内设定一个数值后T为高电平，然后用倒计时方法每分钟减1，直至T变为0。

实现定时的方法很多，比如采用单稳电路实现，又如将定时初值预置到计数器中，使计数器运行在减计数状态，当减到全零时，则定时时间到。

本电路就可采用这种方法。

当秒脉冲发生器的时钟信号经60分频后，得到分脉冲信号。

洗涤定时时间的初值先通过拨盘或数码开关设置到洗涤时间计数器中，每当分脉冲到来计数器减1，直至减到定时时间到为止。

运行中间，剩余时间经译码后在数码管上进行显示。

3）电机控制信号产生电路

Z1和Z2的定时长度可由秒脉冲到分脉冲变换的六十进制计数器的状态中得到，这两个信号以及定时信号T经控制门输出后，得到推动电机的工作信号。

Z1是60秒定时器中的10进制定时器的进位驱动一个T触发器所得的输出信号，即周期为20秒的一个方波信号

Z2是Z1延迟2秒所获得的信号，Z1,和Z2的同或输出为0的时候电动机停，相或输出为0反转，相与为1正转

Z1

Z2

4、调试要点

1）通电准备

打开电源之前，先按照系统原理图检查制作好的电路板的通断情况，并取下电路板上的集成块，然后接通电源，用万用表检查板上的各点的电源电压值，完好之后再关掉电源，插上集成块。

2）单元电路检测

接通电源后，用双踪示波器（输人耦合方式置DC档）观察秒脉冲电路的输出波形，看其是否满足设计要求，再观察六十进制计数器和洗涤时间计数器，看其输出波形是否正确。

检查Z1和Z2的时间译码逻辑和电机驱动电路是否正常工作。

3）系统联调

设定洗涤时间，观察电机运转情况和数码管显示。

E:

四人智力竞赛抢答器

1、设计目的

1.掌握四人智力竞赛抢答器电路的设计、组装与调试方法。

2.熟悉数字集成电路的设计和使用方法。

2、设计任务与要求

1）设计任务

设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。

用数字显示抢答倒计时间，由“9”倒计到“0”时，无人抢答，蜂鸣器连续响1秒。

选手抢答时，数码显示选手组号，同时蜂鸣器响1秒，倒计时停止。

2）设计要求

（1）4名选手编号为：

1，2，3，4。

各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为1，2，3，4。

（2）给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（抢答显示数码管灭灯）和抢答的开始。

（3）抢答器具有数据锁存和显示的功能。

抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，同时扬声器给出音响提示，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。

抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

（4）抢答器具有定时（9秒）抢答的功能。

当主持人按下开始按钮后，定时器开始倒计时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，扬声器响，音响持续1秒。

参赛选手在设定时间（9秒）内抢答有效，抢答成功，扬声器响，音响持续1秒，同时定时器停止倒计时，抢答显示器上显示选手的编号，定时显示器上显示剩余抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。

（5）如果抢答定时已到，却没有选手抢答