第11章 数字电路综合案例
集成电路设计基础第11章数字集成vlsi系统设计基础
通过对时序逻辑电路的输入、输出及状态进行分析，了解其工作原理和特性。
时序逻辑电路设计
根据实际需求，选用合适的触发器和组合逻辑电路，设计出满足特定功能的时序逻辑电路。同时 需要考虑时序问题，确保电路的正确性和稳定性。
03
数字集成VLSI系统关键技术
高性能计算技术
并行处理技术
通过多核处理器、GPU加速等技术提高计算能力。
逻辑综合
将HDL代码转换为门级网表，优化电路性能并降低功 耗。
布局布线
根据电路需求和工艺要求，将门级网映射到具体的 芯片上，实现电路的物理实现。
时序分析
对布局布线后的电路进行时序分析，确保电路时序的 正确性和性能。
仿真验证与测试方法
前仿真
在电路设计阶段进行仿真验证， 检查电路功能和性能是否符合设 计要求。
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集成电路设计基础第11章数 字集成vlsi系统设计基础
• 数字集成VLSI系统概述 • 数字集成VLSI系统基本原理 • 数字集成VLSI系统关键技术 • 数字集成VLSI系统实现方法
• 数字集成VLSI系统应用实例 • 数字集成VLSI系统前沿研究动态
01
数字集成VLSI系统概述
定义与发展历程
柔性电子在数字集成VLSI中潜在价值
柔性电子器件
利用柔性基底和可弯曲的电 子材料制造柔性电子器件， 实现可穿戴、可折叠的数字
集成VLSI系统。
生物兼容性
柔性电子具有良好的生物兼 容性，可用于生物医学应用 中与人体紧密接触的电子设
备。
轻量化与便携性
柔性电子器件具有轻量化、 薄型化和可弯曲的特点，便 于携带和集成到各种移动设 备中。
应用领域及市场需求
数字电子技术基础——第十一章 数字系统设计实例
第11章 数字系统设计实例
图 11-1 数据采集系统框图
第11章 数字系统设计实例
11.1.2 时序图
该电路也可改成加法计数定时系统， 读者可根据要求 设计出相应的定时电路。
第11章 数字系统设计实例
11.2.2 数字频率计的设计
1. 频率测量的工作原理
数字频率计是用于测量信号频率的电路。测量信号的频 率参数是最常用的测量方法之一。实现频率测量的方法比较 多， 在此我们主要介绍三种常用的方法： 时间门限测量法、 标准频率比较测量法、等精度测量法。
第11章 数字系统设计实例
· 计数、 显示、 分频。 计数器是整个定时系统的主 要部分。 由 6 块十进制加减计数器 74LS168构成减法计 数器。 小时计数器的模值为 24，分和秒计数器的模值都 是 60。计数器的输出通过数码管驱动译码器 A1~A6去驱 动共阴极数码管显示时间，显示的时间值为时、 分、 秒。 计数器的计数时钟频率为 1 Hz， 由晶体振荡器产生的 32 768 Hz时钟， 经过A17、A18 两片计数器 215分频得到。
第11章 数字系统设计实例
存储器的写命令WR为低电平有效，当控制电路向存储 器发出写命令WR后，便可以将A/D送出的数据写入存储器。
存储器写完数据后，控制电路再向存储器发RD读出命 令。 当RD为低电平有效时，便可以从存储器读出数据。
图 11-2 例11-2工作时序图
第11章 数字系统设计实例
11.2 数字系统设计实例
方框图描述法是在矩形框内用文字、表达式、符号或 图形来表示系统的各个子系统或模块的名称和主要功能。 矩形框之间用带箭头的线段相连接，表示各子系统或模块 之间数据流或控制流的信息通道。图上的一条连线可表示 实际电路间的一条或多条连接线，连线旁的文字或符号可 以表示主要信息通道的名称、功能或信息类型。箭头指示 了信息的传输方向。方框图是系统设计的初步，其设计是 一个自顶向下、逐步细化的过程。
《数字电路设计实例》PPT课件
精选PPT
4
74LS138
精选PPT
5
74LS20
Y=A*B*C*D
精选PPT
6
实现电路1
精选PPT
7
实现方法2
组合电路的逻辑化简 Y=ABC+ABC+ABC+ABC Y=(A+A)BC+AB(C+C)=BC+AB
此公式形式最简但，电路不是最简 进一步化简： Y=BC*AB=(B+C)*AB=ABB*ABC 此表达式全部有与非门实现，达到电路最简
1、加计数：00－01－－23
2、减计数：23－22－－00
3、画出设计电路原理图。 4、安装并调试电路的逻辑功能。
精选PPT
13
设计步骤
• 逻辑抽象
a 确定输入输出变量数和状态数，b 确定逻辑状 态的含义并编号，c 按题意列出状态转换图。
• 状态简化 将等价状态合并得到最简状态图 • 选择器件 选择出器件类型和控制信号 • 画出逻辑电路 • 测试电路功能
数字电路实验要求
1、组合电路实验 2、时序电路实验 3、555应用实验 4、D/A转换器实验 5、综合设计实验
精选PPT
1
实验一、组合电路实验
实验设计要求： 1、某设备有三个开关ABC要求必须按ABC的顺 序接通。否则发出报警信号。 2、写出设计步骤并画出所设计的电路图。 3、安装并调试电路的逻辑功能。 4、观察电路中的竞争冒险现象并采取措施消除。 提示：设开关闭合为1，断开为0。则顺序导通 过程为：000 100 110 111 否则报警
实现方法2：将时钟信号倍频作为194的实 际时钟，原时钟信号作为ABCD输入信号， 用异或门实现。
数字电子技术基础第11章
第11章 VHDL数字系统设计实例 数字系统设计主要分系统设计和逻辑设计两个阶段。
(1) 这是设计过程的第一阶段，要求对设计任务进行透彻 了解，并在此基础上决定设计任务和系统整体的功能、输
(2)描述系统功能，设计算法。
第11章 VHDL数字系统设计实例
描述系统功能是用符号、图形、文字、表达式等形式 来正确描述系统应具有的逻辑功能和应达到的技术指标。 设计算法是寻求一个解决问题的步骤，实质上是把系统要 实现的复杂运算分解成一组有序进行的子运算。描述算法 的工具有算法流程图、算法状态机图（ASM,Algorithmic stateMachine）、方框图、硬件描述语言等。在上述描述方 法中，硬件描述语言是一种最容易向计算机输入，由计算 机自动处理的现代化方法。方框图用于描述数字系统的模 型，是系统设计常用的重要手段，它可以详细描述系统的 总体结构，并作为进一步设计的基础。
第11章 VHDL数字系统设计实例
(3) 算法明确后，根据算法选择电路结构，并将系统划分 为若干个子系统。若某部分规模仍然较大，则可进一步划 分。划分后的多个部分应逻辑功能清楚，便于进行电路设
(4) 描述系统功能的输入方式有多种，常用的有原理图输 入法、硬件描述语言输入法、波形图输入法等。可以采用
sel:outstd—logic—vector(2 downto 0); 3
en:outstd—logic );
第11章 VHDL数字系统设计实例
end keyboard; architecture arc—keyboard ofkeyboard is begin
process(k) begin
case k is when ″11111110″=>sel<=″001″;
《数字电子技术 》课件第11章
11.2
【例11.1】 分析图11.4所示电路的逻辑功能。 设起 始状态是Q3Q2Q1=000。
图 11.4 例11.1电路图
解 （1） 分析电路组成。 该电路的存储器件是3个JK 触发器， 组合器件是一个与门。 无外输入信号， 输出信号 为C， 是一个同步时序电路。
（2） 写出驱动方程和输出方程:
图 11.9 (a) M=0; (b) M=1
【例11.4】 分析图11.10所示的时序电路。 图 11.10 例11.4逻辑图
解 （1） 分析电路组成。 该时序电路由4个JK触发器 构成， 组合电路由一个与门构成。 输出信号为CO， 由电 路图可见， 该电路各触发器没有用统一的时钟信号， 故它 是一个异步时序电路。
Hale Waihona Puke （6） 电路功能描述。 由状态图或状态表可知， 凡输 入X= 0， 则触发器进入1状态； 凡输入X=1， 则触发器进 入0状态， 并且只有在触发器由1状态转换到0状态时， 电 路输出Z=0， 在其他情况下Z=1。 假如将触发器预置在0状 态， 当输入序列为01时， 触发器将先进入1状态， 然后又 转换到0状态， 并且电路输出Z=0; 在其他输入序列情况下 输出为1。
2. 1） 时序电路的逻辑功能可以用代表X、 Y、 Z、 W这些信 号之间关系的3个向量函数表示： 输出方程: Z(tn)=F［X(tn), Y(tn)］; 驱动方程: W(tn)=H［X(tn), Y(tn)］; 状态方程: Y(tn+1)=G［W(tn), Y(tn) 其中, Y(tn+1)称为次态， Y(tn)称为现态。
2） 状态表是反映时序电路输出Z(tn)、 次态Y(tn+1)和输入 X(tn)、 现态Y(tn)间对应取值关系的表格。 例如我们列出图 11.1所示电路的状态表， 如表11.1所示。
数字电路课程设计实例
论证与选定；设计和选取电路及元器件；组装和调 试电路，测试指标及分析讨论，完成设计任务；并 编写设计说明书。
选定总体方案与框图
修
改
分析单元电路的功能Fra bibliotek设计
方
案
选择器件与参数计算
调
整
元 器
画出预设计总体方案图
件
电路的安装与调试
确定实际的总体电路
1 防盗报警器：
6 计分器
7 四路彩灯显示电路
工作原理与7－1 四路彩灯显示电路（1）类似
电子电路的安装、调试与故障分析处理
一、整体结构布局和元器件的安置： ⑴、整 体结构布局要合理，合理布置元器件的密度； ⑵、元器件的安置要便于调试、测量和更换； ⑶、对于有磁场产生相互影响和干扰的元器件，应尽可能分开或采取自身屏蔽； ⑷、发热元件的安置尽可能靠电路板的边沿，以利于散热； ⑸、元器件的标志安装时一律向外，以便检查； ⑹、元器件的安置还应注意重心平衡和稳定。
S4→Q1=1，且使D2=1；再按S7 →Q2=1，且使D3=1；再按S9→Q3=1，使锁控 电路工作，打开电磁门锁(本例用发光二极管LED显示，则发光二极管亮)。 同时门G1输入为0， G1输出为1→经R6、C2延迟后，各触发器R端为1→各触发 器复位为0。 3、按下密码错误时(一旦按下S0、S2、S3等) →各触发器R端为1，立即复位。 4、将S1、S4、S7、S9更换为其它按键，即更换了开锁密码。 问：按下密码错误时，如何报警？
4、设计方案框图及电路工作原理： 包括系统方框图，电气原理图，各单元电路的设计，
简述主要部件（包括主要集成电路）的工作原理、工作条 件、给定参数、理论公式及详细的计算步骤、计算结果。
数字电子技术基础第11章
【例11-2】 用时序图描述数据采集系统控制数据写入、读出 存储器的时间关系。
解： 该系统存储器的数据写入、读出的时序主要由控制功 能模块产生，写入存储器的数据由A/D转换器提供，其时间顺序
首先给A/D发出启动命令START。 START为高电平有效， 当START下降沿来到时开始进行A/D转换。
EOC为A/D转换器的转换结束信号，输出高电平有效。在 START上升沿后1~8 个时钟周期内，EOC变为低电平时，标志 A/D正在进行转换，当A/D转换结束时，EOC由低变为高， 控制 电路向A/D发出输出允许信号后，A/D转换的数据便可以送出。
第11章 数字系统设计实例
第11章 数字系统设计实例
11.1 数字系统设计的描述方法 11.2 数字系统设计实例
第11章 数字系统设计实例
11.1 数字系统设计的描述方法
11.1.1 方框图 ① 提高了系统结构的可读性和清晰度。 ② 容易进行结构化系统设计。 ③ 便于对系统进行修改和补充。 ④
第11章 数字系统设计实例
方框图描述法是在矩形框内用文字、表达式、符号或 图形来表示系统的各个子系统或模块的名称和主要功能。 矩形框之间用带箭头的线段相连接，表示各子系统或模块 之间数据流或控制流的信息通道。图上的一条连线可表示 实际电路间的一条或多条连接线，连线旁的文字或符号可 以表示主要信息通道的名称、功能或信息类型。箭头指示 了信息的传输方向。方框图是系统设计的初步，其设计是 一个自顶向下、逐步细化的过程。
数字电子技术全套案例
12V供电的电子节能灯本设计采用12V蓄电池供电，可点亮节能灯，在无市电或停电的场合非常实用。
一、电路工作原理电路原理如图26所示。
图26 12V供电电子节能灯电路原理图图中IC是CMOS反相器，其内部非门1、2与R1和C1组成频率为15KHz的方波发生器。
经IC内部非门3缓冲后，送入内部非门4、5和6，三个非门的输入、输出端并联一起推动逆变管VT工作，以增大激励电流。
经VT放大后的方波电压通过T和C4等元件组成的谐振升压电路后，可达到350V左右的空载电压，并形成近似正弦波的电流，可点燃5～18W的节能灯。
二、元器件选择集成电路IC选用CMOS反相器CD4049，容易起振，且振幅大。
VT选用BDT63C型达林顿三极管，也可使用类似型号或用复合管代替，要求耐压500V、最大集电极电流5A、截止频率10MHz以上。
谐振变压器T采用6.5×6 EI型铁氧体磁芯，初级用Φ0.67高强度漆包线绕22匝，次级用Φ0.17高强度漆包线绕300匝。
电阻R可选用普通1/8或1/4W碳膜电阻器。
电容C1、C2和C5选用瓷介电容或涤纶电容；C3选用普通铝电解电容器；C4选用聚丙烯电容，要求耐压为250V以上。
电路采用12V供电，可使用蓄电池，如摩托车电瓶来供电。
三、制作与调试方法制作时可自制印刷电路板，也可使用万能印刷电路板，电路板尺寸大概在58mm×35mm，电路安装完成后，要对T和C4进行认真调节，不断调节变压器T的磁芯空气隙和C4容量，C4调节范围在2200pF～6800pF，一般节能灯功率越大，变压器T的磁芯空气隙也要调大。
经过调节，直至使节能灯得到最佳亮度。
另外，应注意通断电路时应控制电源正极，而不要控制负极，否则易使VT击穿。
采用555时基电路的过电压、过电流保护电路本电路是一个通过555时基电路来对负载进行过电压、过电流的保护功能。
一、电路工作原理电路原理如图44所示。
压管VS正极的电位增加，导致稳压管击穿，使得三极管VT2导通，555时基电路将处于置位状态，同样使得三极管VT3截止，达到了过压保护的作用。
数字电路综合应用
可靠性问题
由于数字电路的规模不断扩大，如何 保证其可靠性是一个重要的问题。
数字电路的未来展望
01
02
03
04
5G和物联网技术将进一步推 动数字电路的发展，实现更高
速、低延迟的数据传输。
随着人工智能和机器学习技术 的不断发展，数字电路将集成 更多的智能算法和数据处理功
信号转换
数字电路可以将输入的模 拟信号转换为数字信号， 或将输出的数字信号转换 为模拟信号。
控制功能
数字电路可以通过编程实 现各种控制功能，如计数 器、定时器、译码器等。
02
数字电路的应用领域
计算机硬件
中央处理器（CPU）
数字电路在计算机硬件中起着核心作 用，中央处理器是计算机的运算和控 制核心，由数字电路实现各种算术和 逻辑运算。
智能仪表
智能电表
数字电路用于实现智能电表，能够实时监测和记录电力使用 情况。
智能水表和气表
数字电路也用于实现智能水表和气表，能够实时监测和记录 水资源和燃气使用情况。
03
数字电路的设计与实现
数字电路的设计流程
01
需求分析
明确电路的功能需求，进行系统级 设计。
电路图设计
将逻辑设计转化为电路图，进行布 局和布线设计。
采用仿真测试、原型验 证和实际应用等多种方 法对数字电路进行验证。
04
数字电路的发展趋势与挑战
数字电路的发展趋势
高速化
随着通信技术的发展，数字电 路需要更高的传输速率和更低
的延迟。
低功耗
在移动设备和便携式电子产品 中，低功耗设计是至关重要的 。
数字电路综合设计ppt课件
处理。
.
31
31
三、在QuartusII工程下建立设计文件
1、在File菜单下点击“New”，即弹出新建文件窗口
原理图文件 VHDL文件
波形图文件
QuartusII支持原理图输入、VHDL. 语言输入等多种设计输入方式32
32
2、原理图设计文件创建方法
(1) 上图中，选择Block Diagram/Schematic File，点击ok 后即得如下界面：
数字电路综合设计
电子实验中心
.
1
课程要求
本课程分四次实验进行，每次4学时。实验一人一组，四 次实验安排如下：
第一次：EDA相关理论知识讲解；介绍QUARTUS II 软 件的使用方法，完成流水灯的设计，仿真和下载实现；
第二次：介绍课程设计课题要求及相关的理论知识，自行 进行相关模块的设计及仿真；
第三次：继续完成整个课程设计课题的设计与实现；
.
输入74138，库里已有的
元件会预览在这里
36
从符号库中调出JKFF、74138、VCC、GND、 INPUT、OUTPUT等符号/端口，排放整齐;
完成画线连接操作
鼠标放到端点处，会自动变为小十字形，按下左键 拖动到目标处，释放后即完成本次画线操作
若要画折线，在转折处单击一次左键，继续拖动即 可；
50
创建用户自己的元件符号
在图示位置菜单中选择 “Creat Symbol File for Current File”
51
将自己的设计描述生成元件 符号，供原理图方式调用 （自己设计的元件在元件库 的project文件夹内）
52
数字电路组合逻辑电路
AAB B AB
(A B)(A B)
AB AB AB
C F1 AB AB
5
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表3-2 例3-2真值表
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图3-2（b）逻辑图
该电路实现两个一位 二进制数相加的功能。S 是它们的和，C是向高位 的进位。由于这一加法器 电路没有考虑低位的进位， 所以称该电路为半加器。 根据S和C的表达式，将原 电路图改画成图3-2（b） 所示的逻辑图。
目前经常使用的编码器有普通编码器和优先编码 器两种。
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3.2.1 普通编码器
定义：任何时刻只允许输入一个有效编码请 求信号，否则输出将发生混乱。
举例：以一个三位二进制普通编码器为例， 说明普通编码器的工作原理。 八个病房呼叫请求
输入：八个信号（对象）
输入变量：烟感A 、温感B，红外线光感C； 输出变量：报警控制信号Y。 逻辑赋值：用1表示肯定，用0表示否定。
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(2)列真值表； 把逻辑关系转换成数字表示形式；
表3-2 例3-3真值表 (3) 由真值表写逻辑表 Ａ Ｂ Ｃ Ｙ 达式，并化简；
００００
００１０ ０１００
比较常用的有编码器、译码器、数据选择器、 加法器和数值比较器等等。下面分别进行介绍。
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３.2 编码器
生活中常用十进制数及文字、符号等表示事物。
编码器
译码器
数字电路只能以二进制信号工作。
用二进制代码表示文字、符号或者数码等特定 对象的过程，称为编码。
实现编码的逻辑电路，称为编码器。
电气数电课程设计目录
电气数电课程设计目录一、课程目标知识目标：1. 理解数字电路基础知识，掌握二进制、逻辑门、触发器等核心概念；2. 学会分析简单的组合逻辑电路和时序逻辑电路，并能正确绘制相应的逻辑图；3. 了解数字电路在实际应用中的基本原理，如编码器、译码器、计数器等。
技能目标：1. 能够运用所学知识设计简单的数字电路，并进行模拟验证；2. 掌握使用数字电路测试仪器和设备，进行基本的电路测试和故障排除；3. 培养运用计算机辅助设计软件（如Multisim、Proteus等）进行数字电路设计的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对数字电路的兴趣，激发探索电子技术领域的热情；2. 培养学生具备良好的团队合作精神，学会在团队中发挥个人优势，共同解决问题；3. 增强学生的创新意识，鼓励他们敢于尝试，勇于实践，培养解决实际问题的能力。
课程性质：本课程为电气工程及自动化专业学生的专业基础课程，旨在使学生掌握数字电路的基本原理、设计和应用。
学生特点：学生已具备一定的电子技术基础，具有较强的逻辑思维能力，但对数字电路的实际应用尚缺乏深入了解。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，充分调动学生的主观能动性，提高他们的实际操作能力。
通过课程学习，使学生能够将所学知识应用于实际电路设计和分析中，为后续相关课程打下坚实基础。
二、教学内容1. 数字逻辑基础：包括数字逻辑概述、数制与编码、逻辑函数及其化简、逻辑门电路等，参考教材第二章内容。
2. 组合逻辑电路：讲解组合逻辑电路设计方法，介绍常用组合逻辑电路如编码器、译码器、多路选择器、算术逻辑单元等，对应教材第三章。
3. 时序逻辑电路：阐述时序逻辑电路原理，分析触发器、计数器、寄存器等时序电路的工作原理和设计方法，参考教材第四章。
4. 数字电路设计方法：介绍数字电路设计流程，包括设计要求分析、方案选择、电路绘制、仿真测试等，结合教材第五章内容。
5. 数字电路测试与调试：学习数字电路测试方法，掌握使用测试仪器和设备进行基本测试和故障排除，参考教材第六章。
数电组合逻辑电路应用举例、竞争冒险
S i Ai B i C i 1 Ai B i C i 1 Ai B i C i 1 Ai B i C i 1
C i Ai B i Ai C i 1 B i C i 1
例：判断下列函数是否存在冒险现象。
1） F AC A B A C
B C F 0 0 A+A 0 1 A 1 0 A 1 1 A
0型冒险
A B 0 0 0 1 1 0 1 1
F 0 0 1 C
2） F （ A C ） （A B）
B C F 0 0 A•A 0 1 A 1 0 A 1 1 1
校验位 0 1 偶校验位
01001011 11001011
74LS280是9位奇偶发生器/校验器
I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8
74LS280
O J
可以对一个9位代码（8位数据 位和一位校验位）进行奇校验或者 偶校验。或者对一个9位代码产生 一个校验位。
当输入I0 ~ I8中有偶数个1时， ∑O偶数输出端为高电平"1"， ∑J奇数输出端为低电平"0"；
O
J
J
偶校验发生器
偶校验器
简单的数据传输系统的原理图
分析：
发送方：偶校验 74LS151：并——串转换 74LS138：数据分配器（串——并转换） 如何改变电路的连接形式，实现同样的功能。
3.7.2
简易交通信号灯控制电路
主绿 主黄
45S 5S
主红
30S 25S 5S
支绿 支黄 支红 50S
交通信号灯定周期控制时间分配
数字电路的应用实例
1数字电路的应用实例--十字路口交通管理器⑴十字路口每条道路各有一组红、黄、绿灯，用以指挥车辆和行人有序地通行。
其中红灯亮表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示停车；绿灯亮表示通行。
因此，十字路口车辆运行情况有以下几种可能：①甲道通行，乙道禁止通行；②甲道停车线以外的车辆禁止通行（必须停车），乙道仍然禁止通行，以便让甲道停车线以内的车辆安全通过；③甲道禁止通行，乙道通行；④甲道仍然不通行，乙道停车线以外的车辆必须停车，停车线以内的车辆顺利通行。
⑵、每条道路的通车时间（也可看作禁止通行时间）为30秒~2分钟，可视需要和实际情况调整，而每条道路的停车时间即黄灯亮的时间为5秒~10秒，且也可调整。
⑶、响应老人、孩子或残疾人特殊请求信号时，必须在一次通行—禁止情况完毕后，阻止要求横穿的那条马路上车辆的通行。
换句话说，使另一条道路增加若干通行时间。
设S1和S2分别为请求横穿甲道和乙道的手控开关，那么，响应S1或S2的时间必定在甲道通乙道禁止或甲道禁止乙道通两种情况结束时，且不必过黄灯的转换。
这种规定是为了简化设计。
由上述逻辑功能，画出交通管理器的示意图如图8-1所示，它的简单逻辑流程图如图8-2所示。
示意图中甲道的红、黄、绿灯分别用R、Y、G表示，而乙道的红、黄、绿灯分别用r、y、g表示。
简单逻辑流程图中设定通行（禁止）时间为60秒，停车时间为10秒。
2．确定系统方案及逻辑划分由确定的逻辑功能，进而来具体地讨论实施方案。
交通管理器与其他数字系统一样，划分成控制器和受控电路两部分，控制器送出对受控部分的控制信号，它接受来自外部的请求信号S1和S2 以及受控部分的反馈信号，决定自身状态转换方向以及输出信号。
⑴设定S1=1时为有人要横穿甲道，又设定S2=1时为有人要横穿乙道，若S1=0，且S2=0，则表示没有穿越马路的特殊请求。
S1和S2信号均用纽子开关产生。
⑵控制器应送出甲、乙道红、黄、绿灯的控制信号。
为简便起见，我们把灯的代号和驱动灯的信号合而为一，因此有如下规定：R=1 甲道红灯亮Y=1 甲道黄灯亮G=1 甲道绿灯亮r=1 乙道红灯亮y=1 乙道黄灯亮g=1 乙道绿灯亮同时又作以下规定：①甲道通行、乙道禁止的一段时间内，即G=1，r=1的时间内（假设调定为60秒），用符号W=0表示，否则W=1。
(完整版)数字电路
同时由相量图3-6可知：
1t
U =
≈´ （3-8）
2. 网侧绕组中的基波电流
由于延边段线圈电流I y 是三角形段线圈电流I d
二相电流的相量和，因此其幅值为：
y d I = （3-9）
且相位相差30°相角，正移相为-30°，负移相为+30°。
在忽略激磁电流的条件下，初次级绕组的磁势平衡如下式：
y y d d 22N I N I N I += （3-10）
由相量图的几何关系可知：
y y d d sin sin(30)
N I N I β
β=-
（3-11） 由此导出： y d y d sin(30))sin sin I N N I ββββ
--== （3-12）
而由式(3-4)可知：
)sin d d y y N U N U αα
-≈=º （3-13） 两式比较可知β=α，将磁势平衡方程进行分解，可得两组磁势平衡组：
y y d d 22y y d d cos(30)cos 3-14sin(30)sin 3-15 N I N I N I N I N I αααα⎧-+=⎪⎨-=⎪⎩ 纵向分量 （）正交分量 （）
y
y t U N e ≈ （3-6）
但线圈的匝数必须取整数，因此当确定了N d 和N y 之后，还必须校核移相角α
及线电势U 1的幅值。
由(3-4)可得：
11d d y y
tg tg 223U N U N α--=≈+´ （3-7）。
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第11章数字电路综合案例内容提要前面的章节介绍了数字电路的基本知识、基本理论、常用器件，以及数字电路分析和设计的基本方法。
本章涉及到复杂数字系统的设计。
数设计对象从译码器、计数器等这些基本逻辑功能电路到了数字钟等综合的数字逻辑系统的设计；设计方法也由采用真值表到求逻辑表达式、画出电路图的方式到通过确定总体方案，采取从局部到整体，用各种中、大规模集成电路来满足要求的数字电路系统的方式。
本章结合数字钟这一实际的案例来介绍数字电路系统的设计方法，进一步提高学生的综合能力和解决实际问题的能力。
基本教学要求1.了解中小规模集成电路的作用及实用方法。
2.了解数字钟电路的原理。
3.掌握综合数字电路系统的设计流程和设计方法。
11.1概述数字系统的设计，采用从整体到局部，再从局部到整理的设计方法。
首先对系统的目标、任务、指标要求等进行分析，确定系统的总体方案；然后把系统的总体方案分成若干功能部件，绘出系统的方框图；之后运用数字电路的分析和设计方法分别进行设计，或者是直接选用集成器件去构成功能部件；最后把这些功能部件连接组合起来，便构成了完整的数字系统，通过对电路的分析和测试修改，完善与优化整个系统。
这是传统的数字系统的设计方法，也是下面要介绍的内容。
随着计算机技术的发展，电子设计自动化EDA成为了现代电子系统设计与仿真的重要手段，对于复杂系统的设计十分有效，尤其是硬件描述语言的使用，使硬件软件化，让数字系统的设计更加方便、高效。
下面以数字钟系统设计为例，介绍综合数字电路系统的设计方法。
数字钟是一种用数字电子技术实现时、分、秒计时的装置，与传统的机械式时钟相比具准确、直观、寿命长等特点。
目前广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。
数字钟也是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序逻辑电路。
通过数字钟的设计进一步了解数字系统设计时用到的中小规模集成电路的使用方法，进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。
11.2设计任务和要求1.设计一台能直接显示“时”、“分”、“秒”、“日”十进制数字的时钟数字电路。
秒、分为00～59六十进制计数器，以24小时为一天。
周显示用七进制计数器，当计数器运行到23时59分59秒时，秒个位计数器再接收一个秒脉冲信号后，计数器自动显示为00时00分00秒。
2.走时精度要求每天误差小于1S，任何时候可对数字种进行校准。
11.3系统总体方案根据系统的设计任务和要求，数字电子钟系统的电路组成方框图如图11.3.1所示。
图11.3.1 数字电子钟系统的电路框图数字电子钟秒脉冲发生器、校时电路、六十进制计数器、二十四进制计数器、以及秒、分、时的译码显示电路等组成。
数字钟电路的工作原理是：先由振荡电路形成秒脉冲信号，秒脉冲信号输入计数器进行计数，并把计算的结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。
秒计数器电路计满60后触发分计数器电路，分计数器电路计满60后触发时计数器电路，当时计时电路计满24小时后又开始下一轮的循环计数。
计数器的输出经译码器译码后送显示器显示。
当电路计时有误差时，可以由校时电路分别对“时”、“分”、“秒”进行校准。
11.4设计可选元器件1.CD4510四位十进制同步加/减计数器。
2.CD4511四位锁存/七段译码器/驱动器。
3.CD4060十四位串行计数/振荡器。
4.CD4013双D触发器。
5.七段LED共阴0.5数码管。
6.CD401l四二输入与非门。
7.晶振768Hz 。
8.电阻，电容，导线，开关。
11.5设计方案分析根据数字电子钟系统的原理方框图，同时根据设计任务和要求，所完成模块化设计方案如下:一、秒脉冲发生器设计秒脉冲发生器可以由石英晶体振荡器和分频器组成，也可以以555来组成。
由石英晶体振荡器和分频器组成的秒脉冲发生器，其石英晶体振荡器的作用是产生一个基准频率信号，然后由分频器分成频率为1Hz的秒脉冲。
当然振荡器振荡的精度与稳定度，决定了计时器的精度和质量。
振荡电路由石英晶体、微调电容、反相器构成，如图11.5.1所示。
图中的R f是反馈电阻，其为CMOS反相器提供偏置，使方向器工作在放大状态，而不是做反相器使用，阻值范围是10～100mΩ。
C1是频率微调电容取值3～25PF，C2是温度特性校正电容，一般取20～50PF。
晶体振荡器用石英电子手表用晶振32768Hz，32768是2的15次方，经过15级二分频即可得到1Hz信号。
从时钟精度考虑，晶振频率越高，计时精度就越高。
采用32768Hz晶振，用n位二进制计数器进行分频，要得到1秒信号，则n=15。
用CD4060十四位串行计数器/振荡器来实现分频和振荡。
在CD4060之前可加上非门起整形作用如图11.5.1所示，CD4060实现14级分频，外加一级分频，可用CD4013双D触发器来实现。
图11.5.1 秒脉冲发生器二、 计数器设计秒、分、时、日分别为60、60、24和7进制计数器。
秒、分均为六十进制，即显示00～59秒，它们的个位为十进制，十位为六进制。
时为二十四进制计数器，显示为00～23，个位仍为十进制，但当十进位计到2，而个位计到4时清零，就为二十四进制了。
这种计数器的设计可采用异步反馈置零法，先按二进制计数级联起来构成计数器，当计数状态达到所需的模值后，经门电路译码、反馈，产生“复位”脉冲将计数器清零，然后重新开始进行下一循环。
周的显示为“日、1、2、3、4、5、6”，所以设计成七进制计数器。
1. 60进制计数秒计数器由秒个位计数器JSl 和秒十位计数器JS2组成。
JSl 组成十进制计数，JS2组成六进制计数。
十进制计数用反馈归零法设计，用CD4510(四位十进制计数器)来设计。
六进制计数的反馈方法是当CP 输入第六个脉冲时， 输出状态“01100123=Q Q Q Q ”，用与门将12Q Q 取出，送到计数器CR 清零端，使计数器归零，从而实现六进制计数。
如图11.5.2所示，采用CD4510设计的60进制计数器，可作为秒、分计数器用。
图11.5.2 采用CD4510组成的60进制计数器如果采用CD4510(四位二进制计数器) 来设计60进制计数器，那么必须考虑个位十进制计数的清零，请同学们自己考虑。
2. 24进制计数当个位计数状态为“01000123=Q Q Q Q ”、十位计数状态为“00100123=Q Q Q Q ”时，即24时，通过把个位2Q ，十位相与后的信号送到个位、十位清零端CR ，使计数器复零，从而实现24进制计数。
如图11.5.3所示。
图11.5.3 采用CD4510组成的24进制计数器3.7进制计数器一周为7天，可根据译码显示器的状态表设计电路，如表11.5.1所示。
根据60进制电路和24进制电路设计思路进行设计。
并完成符合表11.5.1，表11.5.2的显示连接。
表11.5.1 周状态表：4.译码和显示电路译码是把给定的代码进行翻译，变成相应的状态。
用来驱动LED七段码的译码器，常用的是CD4511(CC45l1)，它是四位线七段码（带驱动）的中规模集成电路。
CD4511管脚图查有关资料。
图11.5.4所示为一位BCD码显示电路和LED七段码的管脚图。
表11.5.2为CD4511(CC451l)真值表。
图11.5.4 一位BCD码显示电路表11.5.2 CD4511真值表5.校正电路图11.5.5所示的校时电路由CMOS电路和四只开关Kl～K4组成，分别实现对日、时、分、秒的校准。
开关选择有“正常”和“校时”两挡。
校“日”、“时”、“分”的原理比较简单，当开关打在“校时”状态，秒脉冲进入个位计数器，实现校对功能。
校“秒”时，送入2Hz （0.5s ）信号，可方便快速校对。
图中与非门电路可采用CD401l 实现。
图11.5.5 校正电路6. 整点报时当计数到整点的前6S ，此时应该准备报时。
图11.5.6中当分计到59分时，将分触发器QH 置1。
而等到秒计数54s 时，将秒触发器置1，然后通过Q ，与QH 相“与”后再和ls 标准信号“与”而去控制低音喇叭鸣叫，直至59s 时产生一个复位信号，使Q 清 0，停止低音鸣叫，同时59秒信号的反相又和Q 相“与”后去控制高音喇叭鸣叫。
当计到分、秒从 59:59→00:00 时，鸣叫结束，完成整点报时。
7. 鸣叫电路鸣叫电路由高、低两种频率通过或门去驱动一个三极管，带动喇叭鸣叫。
1KHz 和500Hz 从晶振分频器近似获得。
如图中的CD4060分频器的输出端5Q 和6Q 。
5Q 输出频率为1024Hz 、6Q 为512Hz 。
8. 数字电子钟整体参考电路数字电子钟整体参考电路如图11.5.6所示。
图11.5.6 数字电子钟整体参考电路11.6本章小结本章结合数字电子钟这一实际的案例来介绍数字电路系统的设计方法。
涉及到方案的任务和要求、可选元器件、总体方案和方案分析。
通过数字钟电路的设计过程，介绍了一般数字系统的设计方法。
通过确定总体方案，采取从局部到整体，用各种中、大规模集成电路来满足要求的数字电路系统的方式。
但随着计算机技术的发展，电子设计自动化EDA成为了现代电子系统设计与仿真的重要手段，对于复杂系统的设计十分有效，尤其是硬件描述语言的使用，使硬件软件化，让数字系统的设计更加方便、高效。
这一内容在其他EDA课程中有所体现，本书不再涉及。
思考题与习题[题11.1] 设计一智力抢答器。
要求如下：（1）能供8个选手参加比赛。
（2）提供给节目主持人一个控制按钮，用来控制系统清零和抢答的开始。
（3）具有显示功能。
（4）可设定抢答时间，超过时间无选手抢答，则本次抢答无效。
[题11.2] 设计一出租车计价器。
要求：（1）能够根据等待时间和行程计算出费用。
（2）实时显示公里数、运行时间和费用。
[题11.3] 设计一交通灯控制电路。
要求如下：（1）十字路口的主干道和支干道各有红、黄、绿三个指示灯。
绿灯亮表示放行；红灯亮等待；每次绿灯变成红灯时，黄灯先亮5秒，此时原红灯不变。
（2）十字路口的主干道和支干道交替通行，主干道每次通行30s，支干道每次通行20s。
（3）用十进制数字分别显示放行、等待的时间。
[题11.4] 设计一频率计。
要求如下：（1）测量范围是0~9999Hz。
（2）闸门时间是1s，测量结果以十进制显示。
（3）具有启动、停止功能来控制连续测量和显示。
（4）在连续测量情况下，每次测量1s显示5s左右，并且连续进行直到按下停止按钮。