数字电路设计.doc

4、数字电路设计
4.1 组合逻辑电路设计
 4.2 时序逻辑电路设计
4.3 存储器技术
4.4 数字电路系统设计方法
4.1 组合逻辑电路设计
    任何时刻电路的输出值仅仅取决于该时刻各输入变量取值的某种组合。这种电路叫组合逻辑电路。组合逻辑电路在设计时，用小规模数字集成电路（SSI）设计，最简的标准是所用门电路的个数最少、输入端数最少；用中规模数字集成电路（MSI）设计，最简的标准则是所用集成块的个数最少、品种最少、连线也最少。因而，设计方法也不完全一致。
4.1.1 用SSI器件设计组合逻辑电路 
用SSI器件设计组合逻辑电路的步骤如下：
（1）根据对电路逻辑功能的要求，列出真值表；
（2）由真值表写出逻辑表达式；
（3）简化和变换逻辑表达式，从而画出逻辑图。
4.1.2 用MSI器件设计组合逻辑电路 
用MSI器件设计组合逻辑电路的步骤如下：
前面两步与用SSI器件设计的步骤完全一样。
（3）变换表达式。把待生成逻辑函数表达式，变换成与所用MSI器件输出函数式类似的形式。
（4）对照表达式。确定MSI器件所接的变量或常量。
4.2 时序逻辑电路设计
时序电路设计又称时序电路综合，它是时序电路分析的逆过程，即根据给定的逻辑功能要求，选择适当的逻辑器件，设计出符合要求的时序逻辑电路，对时序电路的设计除了设计方法的问题还应注意时序配合的问题。时序逻辑电路可用触发器及门电路设计，也可用时序的中规模的集成器件构成，以下我们分别介绍它们的设计步骤。 

4.2.1 用SSI器件设计时序逻辑电路
用触发器及门电路设计时序逻辑电路的一般步骤如图4.2.1所示。
 （1）由给定的逻辑功能求出原始状态图：首先分析给定的逻辑功能，从而求出对应的状态转换图。这种直接由要求实现的逻辑功能求得的状态转换图叫做原始状态图。
（2）状态化简：根据给定要求得到的原始状态图很可能包含有多余的状态，需要进行状态化简或状态合并。状态化简是建立在状态等价这个概念的基础上的。
（3）状态编码、并画出编码形式的状态图及状态表：在得到简化的状态图后，要对每一个状态指定1个二进制代码，这就是状态编码（或称状态分配）。
（4）选择触发器的类型及个数：
（5）求电路的输出方程及各触发器的驱动方程：根据编码后的状态表及触发器的驱动表可求得电路的输出方程和各触发器的驱动方程。
（6）画逻辑电路，并检查自启动能力。
 4.2.2 用MSI中规模时序逻辑器件构成时序逻辑电路
    用中规模时序逻辑器件构成的时序功能电路主要是指用集成计数器构成任意进制计数器。构成任意进制计数器的方法有两种：一种是置数法，另一种是归零法。
4.3 存储器技术
存储器是计算机和某些数字系统中的重要组件之一。存储器技术随着微电子技术的发展获得了迅速的发展。 
4.3.1 半导体存储器的种类
    半导体存储器的种类很多，从存取功能上可分为只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）两大类，根据存储单元的不同又分为双极型和MOS型两类。 
4.3.2 半导体存储器的应用
    ROM除用作存储器外，还可以用来实现各种组合逻辑函数。实现的方法很简单，只要列出该函数的真值表，以最小项相或的原则，即可直接画出存储矩阵的编程图。下面举例说明。

例1： 用PROM构成一个码型转换器，将四位二进制码 B3B2B1B0 转换成循环码 G3G2G1G0。
解：1．将B3、B2、B1、B0定为输入变量，G3、G2、Gl、G0定为输出变量。列出G3、G2、Gl、GO的真值表。
2．选用输入地址和输出数据均为四位的16×4位PROM来实现该码型转换。
3．令A3A2A1A0＝B3B2B1B0，D3D2D1D0＝G3G2G1G0。对可编程的存储矩阵(或阵列)进行编程，按真值表中G3、G2、G1、G0的逻辑值，烧断应该存“0”的单元中的熔丝。

     在构成较为复杂的数字系统中，也常常用到存储器，下面以可编程时钟控制器为例来说明存储器的应用。
例2：设计一个满足下列要求的可编程时钟控制器。
本题的要求是：
1．设计一个具有时、分、秒计时，6位数字显示的时钟电路；
2．具有快速校时功能；
3．具有整点音响自动报时；
4．以时钟电路为基础．设计作息时间自动打铃器；
5．以时钟电路为基础设计一个工业顺序控制器，用LED发光管的亮与灭模拟执行机构的动作，实现要求的工艺过程。 
一、 分析设计要求，构思总体方案
1．从题目可知该课题的任务主要有三个方面。其一是设计一个能以数字直接显示的时钟电路；其二是用时钟信号控制打铃器；其三是用时钟信号实现一个工业过程的时间顺序控制。整个系统可分成三部分，即时钟电路、作息时间控制电路、顺序控制器电路，而时钟电路在起控制和主导作用。
2．时钟电路的构成方案
（1）选用中、小规模集成芯片设计；
（2）选用单片时钟集成电路构成；
（3）利用其他任何可能引出时间信号的数字钟、数字表等。
3．作息时间控制器与时间顺序控制器这两部分电路都是以时间代码为输入信号，经译码后产生定时控制信号去推动电铃或其他控制设备工作。实现的电路形式是多种多样的。
（1）利用集成门电路进行设计；
（2）选用合适的现成译码器；
（3）用GAL芯片进行编程，实现译码；
（4）用存储器完成译码的功能。
4．功放电路
提供外设工作的驱动电流与电压。
二、 确定总体方案
  这里选择两种不同方案作具体电路设计。
1．用大规模时钟集成芯片LM8361作时钟电路：用存储器RAM6264作译码器，设计作息时间自动打铃器。
2．用中小规模门电路构成时钟电路：用RAM62256存储器作译码器设计可编程时间顺序控制器。
三、可编程作息时间控制器的设计
1．单元电路设计
根据总体方案的分析，分步设计各单元电路。
（1）时钟电路设计
时钟电路的任务是产生实时时钟信号，一方面送到数字显示器进行显示，另一方面提供自动打铃电路的存储器地址信号。具体的时钟电路构成方案很多，这里选专用大规模集成芯片LM8361配接LT667显示屏构成时钟电路。图4.3.1所示为电路的连接。

 图4.3.1  LM8361与显示器的连接
    正点计时器的分计数器和时计数器产生正点计时信号，经过译码输出，产生“上午（AM）”、“下午（PM）”、“时”、“分”共23位七段显示信号，这23条信号线连接到共阴极显示屏的对应引脚上，清晰地显示出电子钟的运行时间。
    LM3861的输入端可以分别联接七个开关，分别用来校准时、分、秒，闹钟预置，预置定时时间，以及止闹和暂停等功能。
   （2）作息时间存储电路设计
    一个单位的作息时间制订之后，要求输入到作息时间控制器中保留下来，每当时钟运行到要求响铃的时刻，电路自动给出响铃信号。本设计使用RAM6264来完成这种功能。
    ①时钟电路与存储器的连接
    将时钟电路的时钟信号线与存储器的地址线相连，而存储器的数据线与响铃装置相连。当时钟信号变化时，即存储器的地址变化，时钟运行到某一响铃时刻，存储器输出的数据就会推动响铃装置工作，8位数据可推动8路响铃装置。
    ②存储器编程
    先对整个存储单元清零，然后，逐个将作息时间表全部写入存储器。
   （3）输出电路
    输出电路是位于输出电信号与执行机构之间的电路，应根据两者的状态要求以及执行机构的功率要求进行设计。该电路主要由三片 555定时器构成产生定时信号，由于两级振荡器选用的RC常数不同，形成不同的音频振荡信号，因此，电路产生不同频率的音响信号。MC1413为达林顿三极管阵列，每片含7路达林顿管（用ULN2803则含8路），输出电压最大可达 50 V，最大集电极电流可达 500 mA
    2．整机电路
    在单元电路设计完成后，将各部分电路合理摆布，相互连接，构成一张布局合理、结构匀称、阅读方便及整齐规范的总原理图。它是安装、调试及维修的依据。自动打铃电路的总原理图见图 4.3.2。

图4.3.2 自动打铃电路的总原理图
    3．安装调试
    作为课程设计，保证可靠性是至关重要的。普遍现象是安装完毕后并不按预定要求动作，不少学生对此束手无策。这时可依下列步骤查找。
    ①进行错误定位。
    ②具体错误的查找。在错误定位之后，已把问题缩小到某一部分，然后可按下列次序检查。
（A）原理图是否正确；
（B）接线是否符合图纸要求，接线有否折断；
（C）是否有短路现象；
（D）是否有开路现象；
（E）接插点、焊点是否牢靠；
（F）芯片及元件有否损坏，方向、极性是否正确；
（G）有否超出元件的负载能力；
（H）问题是否来自干扰。
    查出问题后，对症下药予以排除。通电实验前，最好用万用表测试一下电路板上电源的正负极之间的电阻，确信无短路现象方可通电调试。
    上述课题在通电正常后，按下列三个步骤调试：
     a．RAM清零；
     b．编程写入；
     c．校准实时时钟，观察自动响铃是否准确。
4．总结设计报告
总结设计报告是对学生写科学论文和科研总结的能力训练。通过写报告，不仅将设计、组装及调试的内容全面进行总结，而且把实践内容上升到理论高度。
总结报告的内容包括：课题名称、任务与要求、总体方案的构思与选定（画出系统框图）、单元电路的设计（包括元器件选定和参数计算）、绘制总原理电路图（附说明）、组装调试的注意事项、列出元器件清单、总结设计方案的优缺点以及收获体会等。
4.4. 数字电路系统设计方法
4.4.l 数字电路系统的组成与类别
一、数字系统的组成
    在电子技术领域里，用来对数字信号进行采集、加工、传送、运算和处理的装置称为数字系统。一个完整的数字系统往往包括输入电路、输出电路、控制电路、时基电路和若干子系统等五个部分。
二、数字系统的类型
   在数字电路系统可分为可编程和不可编程两大类。又可分成有微处理器控制和无微处理器控制两大类。根据数字电路系统所完成的任务性质还可将其分成数字测量系统、数字通信系统和数字控制系统三大类，三者各有自己的特点。
4.4.2 数字电路系统的设计步骤
无论系统规模的大小，其设计步骤是大体一致的。
1．分析设计要求，明确性能指标
2．确定总体方案
3．设计各子系统（或单元电路）
4．设计控制思路
5．组成系统
6．安装调试，反复修改，直至完善
7．总结设计报告
4.4.3 数字系统的设计方法
    数字电路系统的设计方法有试凑法和自上而下法。
   （1）数字系统设计的试凑法
    这种方法的基本思想是：把系统的总体方案分成若干个相对独立的功能部件，然后用组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计方法分别设计并构成这些功能部件，或者直接选择合适的SSI、MSI、LSI器件实现上述功能，最后把这些已经确定的部件按要求拼接组合起来，便构成完整的数字系统。
    试凑法具体步骤：
    ①分析系统的设计要求，确定系统的总体方案。
    ②划分逻辑单元，确定初始结构，建立总体逻辑图。
    ③选择功能部件去构成。
    ④将功能部件组成数字系统。
   （2）数字系统自上而下的设计方法
    自上而下（或自顶向下）的设计方法适合于规模较大的数字系统。
    这种方法的基本思想是：把规模较大的数字系统从逻辑上划分为控制器和受控制器电路两大部分，采用逻辑流程图或 ASM图或 MDS图来描述控制器的控制过程，并根据控制器及受控制电路的逻辑功能，选择适当的SSI、MSI功能器件来实现。而控制器或受控制器本身又分别可以看成一个子系统，逻辑划分的工作还可以在控制器或受控制器内部多重进行。按照这种设计思想，一个大的数字系统，首先被分割成属于不同层次的许多子系统，再用具体的硬件实现这些子系统，最后把它们连接起来，得到所要求的完整的数字系统。
    自上而下设计方法的步骤如下；
    ①明确待设计系统的逻辑功能；
    ②拟定数字系统的总体方案；
    ③逻辑划分，
    ④设计受控电路及控制器。