数字电路逻辑设计方法

数字电路系统设计方法

在数字电路基本实验中，对常用数字基本部件，如门电路、加法器、比较器、数据分配器与比较器、计数器、编码器及译码器等单元电路的设计工作详细论述。在本课程所述的设计主要是指由若干数字部件构成的小型数字电路系统。也就是说要根据每一保课题给定的总体要求，合理选择或独立设计与选择逻辑部件，并将各逻辑部件相互连接，组成一个有机整体，实现一种或几种操作任务的小型数字电路系统。

第一节数字系统概述

一、数字系统的组成

在电于技术领域里，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组成，如图l所示。各部分具有相对的独立性，在控制电路的协调和指挥下完成各自的功能，其中控制电路是整个系统的核心。当然，并非每一个数字电路系统都能严格划分成五个部分。

1.输入电路

输入电路的任务是将各种外部信号变成数字系统能够接收和处理的数字信号，外部信号通常可分成模拟信号和开关信号两大类，如声、光、电、温度、湿度、压力及位移等物理量属于模拟量，而开关的闭合与打开、管子的导通与截止、继电器的得电与失电等均属于开关量。这些信号都必须通过输入电路变成数字电路能够接收和处理的二进制逻辑电平。

向外部输出

图3－1－1 数字电路系统的逻辑划分

2．输出电路

输出电路将径过数字电路处理之后的数字信号便成模拟信号或开关信号推动执行机机构。当然，在输出电路和执行机构之间常常还需要设置功放电路，以提供负载所要求的电压和电流。

3．子系统E

子系统是对二进制信号进行算术运算或逻辑运算以及信号传输等功能的电路．每个子系统完成一项相对独立的任务，即某种局部的工作。子系统又常称为单元电路。

4．控制电路用控制电路将外部输入信号以及各子系统送来的信号进行综合、分析，发出控制命令去管理输入、输出电路及各个子系统，使整个系统同步协调、有条不紊地工作。

5．时基电路

时基电路（矩形波发生器）产生系统工作的同步时钟信号，使整个系统在时钟信号的作用下一步一步地顺序完成各种操作。

二、数字系统的类型

1．在数字电路系统中，有的全是由硬件电路来完成全部任务，有的除硬件电路外，还需要加上软件，即使用可编程器件，采用软硬结合的方法完成电路功能。后者的功能要比前者强得多，而且能使硬件投资减少，使用灵活方便，是数字电路应用的一个重要方面。

根据系统中有无可编程器件，数字系统可分为可编程和不可编程两大类。可编程器件最典型的是微处理器，一片微处理器配上若干外围总片构成硬件电路，再加上相应的软件就可以构成一个功能很强的应用系统，其优点是单纯的硬件电路无法比拟的。除微处理器之外，如存贮器ROM、EPROM、E’PROM、RAM、可编程逻辑器件PLD、可编程门阵列GAL，以及各种可编程接口电路，这些器件的功能均可以通过软件来设置。一片GAL就能代替20～50片小规模集成芯片，而且可以使系统的可靠性大大提高，可见可编程芯片的功能之神奇，因而，在当今的应用中倍受欢迎。

2．由于微处理器在可编程器件中具有一定的特殊性，因而，根据系统中是否使用微处理器，又可将数字系统分成有微处理器控制和无微处理器控制两大类。以微处理器为核心的数字系统应用十分广泛。关于应用微处理器设计的数字电路系统，本课程设计课题均不涉及微处理器。

3．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，三者各是自己的特点。

第二节数字系统设计方法

一、自顶向下设计方法

自顶向下的设计方法是从整体系统功能出发，按一定原则将系统划分为若干子系统，再将每个子系统分为若干功能块，再将每个模块分成若干较小的模块………………直至分成多基本模块实现。根据自顶向下的设计方法，数字系统的设计过稷大致可以分为三步：①确定初步方案，进行系统设计和描述；②系统划分，进行子系统功能描述；③逻辑描述，完成具体设计。

1．系统设计的描述。

拿到一个数字系统的课题后，应首先明确课题的任务、要求、原理和使用环境，搞清楚外部输人信号特性，输出信号特性，系统需要完成的逻辑功能、技术指标等，然后确定初步方案。这部分的描述方法有：方框图、定时图(时序图) 和逻辑流程图。

2．系统划分

将系统划分为控制器和受控电路两部分，而受控电路又是用各种模块即子系统实现。这一步的任务是根据上一步确定的系统功能，决定使用哪些子系统，以及确定这些子系统与控制器之间的关系。这一过程是一个逐级分解的过程，随着分解的进行，每个子系统的功能越来越专一和明确，因而系统的总体结构也越来越清晰。最终分解的程度以能清晰地表示出系统的总体结构，而又不为下一步的设计增加过多的限制为原则。分解完成后，对各个子系统及控制器进行功能描述，可以用硬件描述语言或ASM图等手段，定义和描述硬件结构的算法，并由算法转化成相应的结构。此阶段描述和定义的是抽象的逻辑模块。不涉及具体的器件。 3．具体电路设计

这一步的任务是设计具体电路。传统的设计方法是将上面对各子系统的描述转换成逻辑电路或基本逻辑组件，选择具体器件如各种标准的SSI，MSI，LSI或PLD来实现受控电路对于控制器，由于控制器是时序逻辑电路，它的实现，可以用时序机设计方法，借助ASM图或MDS图写出激励函数，进行逻辑化简，求出控制函数方程，然后合理选择具体器件实现控制器。

现代数字系统的设计，可以用 EDA具，选择 PLD器件来实现电路设计。这时可以将上面的描述直接转换成EDA工具使用的硬件描述语言，送入计算机，由EDA完成逻辑描述、逻辑综合及仿真等工作，完成电路设计。用PLD实现片上系统。

自顶向下的设计过程并非是一个线性过程，在下一级的定义和描述中往往会发现上一级

的定义和描述中的缺陷或错误，因此必须对上一级的定义和描述加以修正，使其更真实地

反映系统的要求和客观的可能性。整个设计过程是一个反复修改和补充的过程，是设计人员追求自己的设计目标日臻完善的积极努力的过程。

二、试凑设计法

试凑设计就是用试探的方法按给定的功能要求，选择若干模块（功能部件）来拼凑一个数字系统。试凑法主要是凭借设计者对逻辑设计的熟练技巧和经验来构思方案，划分模块，Z

选择器件，拼接电路。试凑法适用于小型数字系统的设计，对于复杂的数字系统，这种设计方法就不再适用。

试凑并不是盲目的，通常接下述步骤进行：（

1．分析．系统设计要求，确定系统总体方案g

消化设计任务书，明确系统功能，如数据的输人输出方式，系统需要完成的处理任务等。拟定算法，即选定实现系统功能所遵循的原理和方法。

2．划分逻辑单元，确定初始结构，建立总体逻辑图

逻辑单元划分可采用由粗到细的方法，先将系统分为处理器和控制器，再按处理任务或控制功能逐一划分。逻辑单元的大小要适当，以功能比较单一，易于实现且便于进行方案比较为原则。

3. 电路实现

将上面划分的逻辑单元进一步分解成若干相对独立的模块（功能部件），以便直接选用标准SSI，MSI，LSI器件来实现。器件的选择应尽量选用MSI和LSI，这样可以提高电路的可靠性，便于安装调试，简化电路设计。也可以使用PLD可编程逻辑器件实现电路。

连接各个模块．绘制总体电路图。画图时应综合考虑各功能块之间的配合问题，如时序上的协调、负载匹配、竞争与冒险的消除、初始状态设置、电路启动等等。

数字电路系统分析及设计的一般步骤

由于每个课题的设计任务各不相同，则设计的数字系统规模有大有小，电路的结构也有繁有简，而课程设计一般只能做规模不大的小系统，在应用中，小系统的设计是很有用的。而且，掌握了数字小系统的设计可以为更大规模的系统设计奠定基础。无论系统规模的大小，其设计步骤是大体一致的，数字系统设计的一般程序如下。

1．分析设计要求，明确性能指标

具体做设计之前，必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等。分清楚要设计的电路属于何种类理，输入信号如何获得，输出执行装置是什么，工作的电压、电流参数是多少，主要性能指标如何等等。然后查找相关的各种资料，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。

2．确定总体方案

对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑各种元器件的来源，最后敲定一种可行的方案。

3. 设计各子系统

将总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，然后逐个进行设计。

每一子系统一般均能归结为组合电路和时序电路两大类，这些电路的设计在数字电路基础中已做了设计，所以在课程设计时，应尽可能选用合适的现成电路单元，芯片选用应优选中、大规模电路，这样不仅能简化设计，而且有利于提高系统的可靠性。若选用小规模电路，则先分清设计的电路是属于组合电路还是时序电路，然后按不同方法分别作具体设计。

4. 设计控制思路