数字电子技术基础——第十一章 数字系统设计实例
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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。
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
11.2.1 定时电路的设计
【例 11-3 】设计定时电路， (1) 可任意设置定时的小时、分。 (2) 数码管显示减计数过程的时间，可显示小时、分、秒。 (3) 定时结束报警。
第11章 数字系统设计实例
解： ① 定时电路的方框图描述。 根据定时电路的设计要求， 我们把该电路的工作过程分为三步进行：首先设置需要定时 的时间；然后启动定时计数器开始计时，计时采用倒计时的 方式工作，同时显示倒计时的时间；最后当定时结束时产生 报警信号，用发光二极管指示定时结束。
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。
【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。
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第11章 数字系统设计实例
图 11 4 定 时 电 路 原 理 图
第11章 数字系统设计实例
分的设置有两个过程：计数开始前为人工预置定时时 间的分，此时S1=0，A13导通，A14断开，人工预置的时 间分钟通过A13数据总线驱动器的D6~D0送入A9、 A10计 数器的数据端。 计数开始时，S1=1, A13断开，人工预置 的分钟数据就不能通过A13送入A9、A10分计数器的数据 端。在减计数的过程中， 如果小时计数器A7、A8不为0， 每当A7、 A8减 1 计数，分计数器就要从 59 减到 0。由于 A14的使能端接A9的借位端， 当A9、 A10分计数器减到 0 时， A14导通使A9、 A10自动设置到 59。
第11章 数字系统设计实例
【例 11-1】设计一个数据wk.baidu.com集系统方框图。
解：
① 根据题意先画出系统的粗框图如图11-1(a)所示。该框 图定义和描述了系统从输入到输出的基本功能模块和实现的 一般过程。
② 在对系统的数据和控制信息进行分析和定义后将系统 框图作进一步的分解和细化。图 11-1(b)为第一步的分解图。
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
第11章 数字系统设计实例
· 定时启动和定时控制。设置好定时时间的时、分值 后，拨动开关S1接地(S1=0)，D触发器(A15)的Q=1, 设置的 时间值送入计数器并显示。 S1再拨到UCC时(S1=1)，减计 数定时开始。
当时间值减到全 0 时，A15的CLK端产生上升沿，使 Q=0，显示器全灭，发光二极管V1亮。该电路的定时结束 指示电路也可以根据需要改成不同形式的控制方式，如控 制继电器的通断、定时发声报警、定时产生启动信号等等。
图 11-3 定时电路框图
第11章 数字系统设计实例
② 系统组成及基本原理。定时电路原理图如图11-4 所 示，该电路由振荡器、计数器、时间显示、定时控制、定 时时间设置几个部分组成。
· 定时时间设置。时间设置电路可实现小时和分的设 置。由于采用减计数方式，设置的时间就是需要的定时时 间。 小时的设置通过直接置A7、A8两计数器的数据置数 端D12~D7。因为一天只有24小时，小时的最高位只为 2， 因此A7计数器的C、D端接地。 如需要更长的定时时间， 对C、 D端置数即可。
③ 系统框图中的输入、输出只是一般意义的输入和输出， 输入信号在A/D转换前一般要进行放大或衰减处理，输出的 方式根据要求可以是显示或进一步的后处理等。图11-1(c) 为输入、输出进一步明确后的方框图。
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
第11章 数字系统设计实例
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11.1 数字系统设计的描述方法 11.2 数字系统设计实例
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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
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11.2.1 定时电路的设计
【例 11-3 】设计定时电路， (1) 可任意设置定时的小时、分。 (2) 数码管显示减计数过程的时间，可显示小时、分、秒。 (3) 定时结束报警。
第11章 数字系统设计实例
解： ① 定时电路的方框图描述。 根据定时电路的设计要求， 我们把该电路的工作过程分为三步进行：首先设置需要定时 的时间；然后启动定时计数器开始计时，计时采用倒计时的 方式工作，同时显示倒计时的时间；最后当定时结束时产生 报警信号，用发光二极管指示定时结束。
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。
【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。
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图 11 4 定 时 电 路 原 理 图
第11章 数字系统设计实例
分的设置有两个过程：计数开始前为人工预置定时时 间的分，此时S1=0，A13导通，A14断开，人工预置的时 间分钟通过A13数据总线驱动器的D6~D0送入A9、 A10计 数器的数据端。 计数开始时，S1=1, A13断开，人工预置 的分钟数据就不能通过A13送入A9、A10分计数器的数据 端。在减计数的过程中， 如果小时计数器A7、A8不为0， 每当A7、 A8减 1 计数，分计数器就要从 59 减到 0。由于 A14的使能端接A9的借位端， 当A9、 A10分计数器减到 0 时， A14导通使A9、 A10自动设置到 59。
第11章 数字系统设计实例
【例 11-1】设计一个数据wk.baidu.com集系统方框图。
解：
① 根据题意先画出系统的粗框图如图11-1(a)所示。该框 图定义和描述了系统从输入到输出的基本功能模块和实现的 一般过程。
② 在对系统的数据和控制信息进行分析和定义后将系统 框图作进一步的分解和细化。图 11-1(b)为第一步的分解图。
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
第11章 数字系统设计实例
· 定时启动和定时控制。设置好定时时间的时、分值 后，拨动开关S1接地(S1=0)，D触发器(A15)的Q=1, 设置的 时间值送入计数器并显示。 S1再拨到UCC时(S1=1)，减计 数定时开始。
当时间值减到全 0 时，A15的CLK端产生上升沿，使 Q=0，显示器全灭，发光二极管V1亮。该电路的定时结束 指示电路也可以根据需要改成不同形式的控制方式，如控 制继电器的通断、定时发声报警、定时产生启动信号等等。
图 11-3 定时电路框图
第11章 数字系统设计实例
② 系统组成及基本原理。定时电路原理图如图11-4 所 示，该电路由振荡器、计数器、时间显示、定时控制、定 时时间设置几个部分组成。
· 定时时间设置。时间设置电路可实现小时和分的设 置。由于采用减计数方式，设置的时间就是需要的定时时 间。 小时的设置通过直接置A7、A8两计数器的数据置数 端D12~D7。因为一天只有24小时，小时的最高位只为 2， 因此A7计数器的C、D端接地。 如需要更长的定时时间， 对C、 D端置数即可。
③ 系统框图中的输入、输出只是一般意义的输入和输出， 输入信号在A/D转换前一般要进行放大或衰减处理，输出的 方式根据要求可以是显示或进一步的后处理等。图11-1(c) 为输入、输出进一步明确后的方框图。
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